CN108535356A - 一种气体浓度超声检测系统 - Google Patents

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赵清
周琬婷
刘石
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Abstract

本发明提出了一种气体浓度超声检测系统，其包括：现场可编程门阵列、数字选择电路、超声波发射电路、电源模块、超声波换能器、超声波接收电路、放大滤波电路、A/D转换电路、USB接口和PC机；本发明极大地简化了电路结构，节约空间的同时降低了系统组成成本，消除了彼此之间的干扰，有效的滤除了超生回波，伴有的杂波和干扰脉冲等环境噪声，提高了数据的采集速度与精确度。

Description

一种气体浓度超声检测系统
技术领域
本发明涉及气体检测领域，特别是涉及一种气体浓度超声检测系统。
背景技术
随着社会的发展和进步，社会公众对气体检测的需求越来越强烈。目前，能够实时检测气体成分和浓度的技术大体分为两类。一种是从未知背景气体中检测某种气体的浓度，常采用：气体化学、半导体传感器、气相色谱和气体光学方法；另一种是从已知背景气体中检测某种气体的浓度，常采用：气体热传导率、气体密度和气体介电常数等方法。但现有技术中的各类检测方法均存在如下的缺陷，气相色谱和气体光学技术成本高、分析耗时较长且实现技术复杂,化学方法寿命短且很难用同一传感器测量宽范围浓度,半导体传感器技术和气体介电常数方法功耗大且需要标定气体,气体密度方法需采样预处理,等等。
伴随着科学技术的进步，超声技术的应用越来越普遍。超声检测技术是一种成本较低、寿命较长、功耗较小、响应速度较快、测量范围广的检测技术，但现有技术中鲜有在检测气体浓度方面的应用。
因此，希望有一种气体浓度超声检测系统，来解决现有技术中存在的诸多问题。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中的诸多缺陷，提供一种非接触式，高速度和高精度，实时检测的气体浓度超声检测系统，该超声波浓度检测方法具有成本较低、结构简单、寿命较长、功耗较小、响应速度较快、测量浓度范围不受限,并且该方法能够同时检测出具有不同特性多种成分的气体浓度。
本发明提供一种气体浓度超声检测系统，其包括：现场可编程门阵列、数字选择电路、超声波发射电路、电源模块、超声波换能器、超声波接收电路、放大滤波电路、A/D转换电路、USB接口和PC机；
所述现场可编程门阵列通过所述数字选择电路和所述超声波发射电路连接所述超声波换能器；所述现场可编程门阵列通过所述USB接口连接所述计算机；所述电源模块连接所述现场可编程门阵列；
所述超声波换能器通过所述超声波接收电路、所述放大滤波电路和所述A/D转换电路连接所述现场可编程门阵列；
所述现场可编程门阵列作为所述气体浓度超声检测系统的超声波数据采集系统的核心控制单元，实现对所述超声波数据采集系统的控制；
所述超声波发射电路和所述超声波接收电路实现对所述气体浓度超声检测系统的超声波的发射和接收；
所述放大滤波电路实现对所述气体浓度超声检测系统的超声波信号进行放大和滤波；
所述数字切换电路实现对所述超声波换能器的收、发状态转换；
所述计算机根据通过USB接口传输的数据进行三维气体浓度分布的重建。
优选地，所述超声波换能器为十二路超声波换能器。
优选地，所述现场可编程门阵列包括存储器和信号发生器。
优选地，所述现场可编程门阵列作为气体浓度超声检测系统的核心控制单元控制着不同频率激励信号的产生；所述现场可编程门阵列通过所述数字切换电路控制十二路超声波换能器轮流进行发射和接收，实现一路发射其余十一路接收；协调所述A/D转换电路采样所需要的时序。
优选地，所述现场可编程门阵列的信号发生器按照设定的时间轮流发出40KHZ或40.2KHZ频率的信号。
优选地，所述A/D转换电路根据所述现场可编程门阵列提供的时序将模拟信号转换成十六位数字信号，实现模拟信号的无失真转换。
优选地，所述放大滤波电路包括两级放大电路和滤波电路，对所述超声波接收电路接收到的超声信号进行放大和滤波处理；所述放大电路对超声信号进行放大；所述滤波电路将超生回波、伴有的杂波和干扰脉冲等环境噪声滤掉。
本发明的有益效果为：
采用现场可编程门阵列作为气体浓度超声检测系统的核心控制单元可有效的发射不同频率信号的声波，通过十六选一复用选择器的使用，使得十二路超声波换能器轮流收发，变成一路发射电路，极大地简化了电路结构，节约空间的同时降低了系统组成成本，并且可以消除彼此之间的干扰。放大滤波电路有效的滤除了超声回波，伴有的杂波和干扰脉冲等环境噪声，并且将信号放大到A/D所能工作的范围之内，提高了数据的采集速度与精度。同时，本发明具有成本较低、结构简单、寿命较长、功耗较小、响应速度较快、测量浓度范围不受限,并且该方法能够同时检测出具有不同特性多种成分的气体浓度。
附图说明
图1是本发明的气体浓度超声检测系统的结构示意图；
图2是本发明的气体浓度超声检测系统的发射电路的结构示意图；
图3是本发明的气体浓度超声检测系统的接受电路的结构示意图；
图4是本本发明的气体浓度超声检测系统的信号处理电路的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行更加详细的描述。在附图中，自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
除非另外定义，本公开使用的技术术语或者科学术语应当为本公开所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本公开中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。
在本发明的一个广泛的实施例中：
一种气体浓度超声检测系统，其包括：现场可编程门阵列、数字选择电路、超声波发射电路、电源模块、超声波换能器、超声波接收电路、放大滤波电路、A/D转换电路、USB接口和PC机；
所述现场可编程门阵列通过所述数字选择电路和所述超声波发射电路连接所述超声波换能器，所述现场可编程门阵列通过所述USB接口连接所述计算机，所述电源模块连接所述现场可编程门阵列；
所述超声波换能器通过所述超声波接收电路、所述放大滤波电路和所述A/D转换电路连接所述现场可编程门阵列；
所述现场可编程门阵列作为所述气体浓度超声检测系统的超声波数据采集系统的核心控制单元，实现对所述超声波数据采集系统的控制；
所述超声波发射电路和所述超声波接收电路实现所述气体浓度超声检测系统的超声波的发射和接收；
所述放大滤波电路实现所述气体浓度超声检测系统的超声波信号进行放大和滤波；
所述数字切换电路实现所述超声波换能器的的收、发状态转换，使用一路超声波发射电路控制十二路超声波换能器；
所述计算机根据通过USB接口传输的数据进行三维气体浓度分布的重建。
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明。
如图1所示，一种气体浓度超声检测系统以现场可编程门阵列作为超声波数据采集系统的核心控制单元，还包括超声波换能器、电源模块、超声波接收电路、超声波发射电路、数字选择电路、放大滤波电路、A/D转换电路、USB接口和计算机，所述超声波换能器分别与超声波发射电路、超声波接收电路连接，所述数字选择电路与所述超声波发射电路连接，所述超声波接收电路与所述放大滤波电路连接，所述放大滤波电路与所述A/D转换电路连接，所述A/D转换电路、数字选择电路、电源模块分别与现场可编程门阵列连接，所述超声波发射电路和超声波接收电路用于对超声波的发射和接收，所述放大滤波电路用于对超声波信号放大和滤波。
现场可编程门阵列作为系统的中央处理单元控制着不同频率激励信号的产生；控制着十二路超声波换能器轮流进行，一路发射其余十一路接收；协调A/D采样所需要的时序。在开始工作后，现场可编程门阵列中的信号发生器会先产生40KHZ的信号，通过如图2中的发射电路，现场可编程门阵列通过复用选择器MAX306的地址位A0、A1、A2、A3的选择，选择一路超声换能器作为发射路，这路换能器作为发射电路时，接收电路处于高阻状态，其余超声波换能器则作为接收路。当40KHZ的信号发射完毕时，现场可编程门阵列中的信号发生器则会产生40.2KHZ信号通过该超声换能器发射，其余超声换能器接收，十二路超声换能器依次作为发射电路重复此过程，完成一个周期的循环。微处理器优先选用Xilinx公司的Spartan-6xc6slx16核心板。
如图3所示，接收电路接收到的信号经过如图4的信号处理电路，信号处理电路包括两级放大电路和滤波电路，目的是将超声信号接收电路接收到的超声信号，进行放大和滤波处理，所述滤波电路需要将超声回波，杂波和干扰脉冲等环境噪声滤掉，所述第一级放大电路接收到的微弱电压信号为-50mv-+50mv,经过第一级放大电压信号放大为-2.5v-+2.5v,第二级放大电路将接收到的电压信号放大到0-+3.3V，以满足A/D模块的要求，然后将得到的电压信号传送给A/D模块，所述A/D模块根据现场可编程门阵列提供的时序将模拟信号转化成十六位数字信号，最终得到模拟信号无失真地转换成可被微处理器接受的数字信号。放大芯片优先选用TL084芯片，A/D模块优先选用AD7276芯片，其供电电压为±3.3v，具有线性分贝、噪声低、频带宽、增益精度高等特点。
现场可编程门阵列将得到的超声信号储存到ROM中，并且通过USB接口，将数据传送给计算机，储存成以后处理所需要的格式，来完成后续的数据处理和三维图像的重建。
最后需要指出的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制。尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (7)

1.一种气体浓度超声检测系统，其特征在于包括：现场可编程门阵列、数字选择电路、超声波发射电路、电源模块、超声波换能器、超声波接收电路、放大滤波电路、A/D转换电路、USB接口和PC机；
所述现场可编程门阵列通过所述数字选择电路和所述超声波发射电路连接所述超声波换能器，所述现场可编程门阵列通过所述USB接口连接所述计算机，所述电源模块连接所述现场可编程门阵列；
所述超声波换能器通过所述超声波接收电路、所述放大滤波电路和所述A/D转换电路连接所述现场可编程门阵列；
所述现场可编程门阵列作为所述气体浓度超声检测系统的超声波数据采集系统的核心控制单元，实现对所述超声波数据采集系统的控制；
所述超声波发射电路和所述超声波接收电路实现对所述气体浓度超声检测系统的超声波的发射和接收；
所述放大滤波电路实现对所述气体浓度超声检测系统的超声波信号进行放大和滤波；
所述数字切换电路实现所述超声波换能器的收、发状态转换；
所述计算机根据通过USB接口传输的数据进行三维气体浓度分布的重建。
2.根据权利要求1所述的气体浓度超声检测系统，其特征在于：所述超声波换能器为十二路超声波换能器。
3.根据权利要求2所述的气体浓度超声检测系统，其特征在于：所述现场可编程门阵列包括存储器和信号发生器。
4.根据权利要求3所述的气体浓度超声检测系统，其特征在于：所述现场可编程门阵列作为气体浓度超声检测系统的核心控制单元控制着不同频率激励信号的产生；所述现场可编程门阵列通过所述数字切换电路控制十二路超声波换能器轮流进行发射和接收，实现一路发射其余十一路接收；协调所述A/D转换电路采样所需要的时序。
5.根据权利要求4所述的气体浓度超声检测系统，其特征在于：所述现场可编程门阵列的信号发生器按照设定的时间轮流发出40KHZ或40.2KHZ频率的信号。
6.根据权利要求5所述的气体浓度超声检测系统，其特征在于：所述A/D转换电路根据所述现场可编程门阵列提供的时序将模拟信号转换成十六位数字信号，实现模拟信号的无失真转换。
7.根据权利要求6所述的气体浓度超声检测系统，其特征在于：所述放大滤波电路包括两级放大电路和滤波电路，对所述超声波接收电路接收到的超声信号进行放大和滤波处理；所述放大电路对超声信号进行放大；所述滤波电路将超生回波、伴有的杂波和干扰脉冲等环境噪声滤掉。
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111007205A (zh) * 2019-12-23 2020-04-14 陕西同力智慧能源服务有限公司 一种基于云计算的电力巡检系统
CN112215950A (zh) * 2020-10-19 2021-01-12 陈雨轩 一种室内有毒有害气体浓度的三维重建方法

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN201145594Y (zh) * 2007-12-18 2008-11-05 深圳职业技术学院 一种超声波流量检测装置
CN101592630A (zh) * 2008-05-26 2009-12-02 沈阳新松维尔康科技有限公司 一种分析氧气浓度和流速的装置及其分析方法
CN105044205A (zh) * 2015-04-17 2015-11-11 北京理工大学 一种基于概率算法的气液两相流超声柔性阵列检测方法

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN201145594Y (zh) * 2007-12-18 2008-11-05 深圳职业技术学院 一种超声波流量检测装置
CN101592630A (zh) * 2008-05-26 2009-12-02 沈阳新松维尔康科技有限公司 一种分析氧气浓度和流速的装置及其分析方法
CN105044205A (zh) * 2015-04-17 2015-11-11 北京理工大学 一种基于概率算法的气液两相流超声柔性阵列检测方法

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
蔡艺剧: "基于FPGA的超声检测系统研究", 《中国优秀硕士学位论文全文数据库 信息科技辑》 *

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111007205A (zh) * 2019-12-23 2020-04-14 陕西同力智慧能源服务有限公司 一种基于云计算的电力巡检系统
CN112215950A (zh) * 2020-10-19 2021-01-12 陈雨轩 一种室内有毒有害气体浓度的三维重建方法
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