CN116754641B - 一种氢气浓度检测装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种氢气浓度检测装置及方法，该装置包括可编程信号发生器、声学谐振腔、乘法模块、低通滤波模块、采样模块、控制模块和温度传感器；通过控制模块、可编程信号发生器和声学谐振腔生成一个激励信号，以使激励信号在氢气浓度待测空间内传播，产生幅频变化并接收变化后的响应信号；通过乘法模块、低通滤波模块对该响应信号进行幅度调节和滤波，采用采样模块对该响应信号进行采样分析得到幅频信息，基于控制模块内预设的氢气浓度计算模型，根据幅频信息和温度传感器获取的温度信息进行计算，得到氢气浓度估测值；本发明通过机器学习模型结合氢气幅频特性的方式，可以实现对氢气浓度的实时监测和快速响应，且监测结果更加准确。

Description

一种氢气浓度检测装置及方法

技术领域

本发明涉及氢能源技术领域，尤其涉及一种氢气浓度检测装置及方法。

背景技术

氢能绿色环保可再生、来源广泛，且适应大规模储存，在温室效应日渐加剧，化石能源即将耗竭的今天，广受青睐。但氢能与常规能源相比，具有易燃易爆的特性，因此对氢气浓度进行准确估测与监测是至关重要的。

目前，传统的氢气浓度估测方法往往存在响应速度慢以及准确度低的问题，因此亟待提出一种能够快速准确检测氢气浓度的装置及方法。

发明内容

有鉴于此，有必要提供一种氢气浓度检测装置及方法，用以解决现有氢气浓度估测响应速度慢以及不准确的技术问题。

为了解决上述问题，本发明提供一种氢气浓度检测装置，包括可编程信号发生器、声学谐振腔、乘法模块、低通滤波模块、采样模块、控制模块和温度传感器；

其中，所述可编程信号发生器分别与所述控制模块、所述声学谐振腔和所述乘法模块连接，所述声学谐振腔与所述乘法模块连接，所述乘法模块与所述低通滤波模块连接，所述低通滤波模块与所述采样模块连接，所述采样模块与所述控制模块连接，所述温度传感器与所述控制模块连接；

所述控制模块用于在接收到氢气浓度检测指令时输出浓度检测信号至所述可编程信号发生器；

所述可编程信号发生器用于在接收到所述控制模块发送的所述浓度检测信号时生成正弦电流反馈信号和余弦电流反馈信号，并将所述余弦电流反馈信号和所述正弦电流反馈信号输出至所述乘法模块，将所述正弦电流反馈信号或所述余弦电流反馈信号输出至所述声学谐振腔；

所述声学谐振腔用于将所述余弦电流反馈信号或所述正弦电流反馈信号转换为超声波，以使所述超声波在氢气浓度待测空间内进行传播，接收经传播后的所述超声波，并将所述超声波转换为激励响应电信号后传输至所述乘法模块；

所述乘法模块用于采用所述余弦电流反馈信号对所述激励响应电信号进幅度调节得到余弦响应电信号，采用所述正弦电流反馈信号对所述激励响应电信号进行幅度调节得到正弦响应电信号；

所述低通滤波模块用于滤除所述余弦响应电信号和所述正弦响应电信号中的高频干扰信号；

所述采样模块用于对滤除高频干扰信号后的所述余弦响应电信号和所述正弦响应电信号进行采样并将采样结果传输至所述控制模块；

所述控制模块还用于对所述采样结果进行分析，得到幅频信息；

所述温度传感器用于对所述氢气浓度待测空间的温度值进行检测，得到待测空间温度信息，并将所述待测空间温度信息传输至所述控制模块；

所述控制模块用于将所述待测空间温度信息和所述幅频信息输入预设的氢气浓度计算模型，得到氢气浓度估计值。

可选的，所述声学谐振腔包括输入换能器和输出换能器；

其中，所述输入换能器的输入端与所述可编程信号发生器的输出端连接，所述输入换能器的输出端与所述氢气浓度待测空间连接，所述输出换能器的输入端与所述氢气浓度待测空间连接，所述输出换能器的输出端与所述乘法模块的输入端连接；

所述输入换能器用于将所述余弦电流反馈信号或所述正弦电流反馈信号转换为超声波，以使所述超声波在所述氢气浓度待测空间内进行传播；

所述输出换能器用于接收经传播后的所述超声波，并将所述超声波转换为激励响应电信号后传输至所述乘法模块。

可选的，所述乘法模块包括第一乘法器和第二乘法器；

其中，所述第一乘法器的输入端分别与所述可编程信号发生器和所述输出换能器连接，所述第一乘法器的输出端与所述低通滤波模块的输入端连接，所述第二乘法器的输入端分别与所述可编程信号发生器和所述输出换能器连接，所述第二乘法器的输出端与所述低通滤波模块的输入端连接；

所述第一乘法器用于采用所述余弦电流反馈信号对所述激励响应电信号进幅度调节得到所述余弦响应电信号；

所述第二乘法器用于采用所述正弦电流反馈信号对所述激励响应电信号进行幅度调节得到所述正弦响应电信号。

可选的，所述低通滤波模块包括第一巴特沃斯滤波器和第二巴特沃斯滤波器；

其中，所述第一巴特沃斯滤波器的输入端与所述第一乘法器的输出端连接，所述第一巴特沃斯滤波器的输出端与所述采样模块的采样端连接，所述第二巴特沃斯滤波器的输入端与所述第二乘法器的输出端连接，所述第二巴特沃斯滤波器的输出端与所述采样模块的采样端连接；

所述第一巴特沃斯滤波器用于滤除所述余弦响应电信号中的高频干扰信号；

所述第二巴特沃斯滤波器用于滤除所述正弦响应电信号中的高频干扰信号。

可选的，还包括用于显示所述氢气浓度估计值的LCD显示器。

本发明还提供一种氢气浓度检测方法，应用于上述任意一种实现方式中的氢气浓度检测装置，所述氢气浓度检测方法包括：

根据控制模块发送的浓度检测信号，采用可编程信号发生器生成正弦电流反馈信号和余弦电流反馈信号；

通过所述可编程信号发生器将所述余弦电流反馈信号和所述正弦电流反馈信号输出至乘法模块，将所述正弦电流反馈信号或所述余弦电流反馈信号输出至声学谐振腔；

基于声学谐振腔将所述余弦电流反馈信号或所述正弦电流反馈信号转换为超声波，以使所述超声波在氢气浓度待测空间内进行传播；

采用声学谐振腔接收经传播后的所述超声波，并将所述超声波转换为激励响应电信号后传输至乘法模块；

采用所述余弦电流反馈信号和所述正弦电流反馈信号分别对所述激励响应电信号进幅度调节得到余弦响应电信号和正弦响应电信号；

通过低通滤波模块滤除所述余弦响应电信号和所述正弦响应电信号中的高频干扰信号；

基于采样模块对所述余弦响应电信号和所述正弦响应电信号进行采样，以使控制模块对采样结果进行分析，得到幅频信息；

通过温度传感器对所述氢气浓度待测空间的温度值进行检测，得到待测空间温度信息，并将所述待测空间温度信息传输至所述控制模块；

根据所述待测空间温度信息、所述幅频信息和所述控制模块内预设的氢气浓度计算模型对氢气浓度进行计算，得到氢气浓度估计值。

可选的，所述根据控制模块发送的浓度检测信号，采用可编程信号发生器生成正弦电流反馈信号和余弦电流反馈信号之前，还包括：

获取变温恒气密封箱；

对所述变温恒气密封箱内的氢气温度和氢气压力进行实时监测；

将测试激励电信号转化为超声波信号后输出至所述变温恒气密封箱；

改变所述氢气温度和所述氢气压力并不断采集所述变温恒气密封箱内所述测试激励电信号的反馈电信号；

记录所述反馈电信号对应的中心频率对应幅值以及所述中心频率对应幅值对应的所述氢气温度值和所述氢气压力值，得到多组测试数据；

根据氢气的幅频特性和所述多组测试数据建立氢气浓度计算模型。

可选的，所述根据氢气的幅频特性和所述多组测试数据建立氢气浓度计算模型包括：

根据氢气的幅频特性和K-近邻算法建立关于氢气浓度的初始模型；

采用所述测试数据对所述初始模型进行训练和学习，得到所述氢气浓度计算模型。

可选的，所述将测试激励电信号转化为超声波信号后输出至所述变温恒气密封箱之前，还包括：

采用巴特沃斯低通滤波器滤除所述测试激励电信号中的干扰信号；

采用宽带放大电路对滤除干扰信号后的所述测试激励电信号进行放大增益。

可选的，所述记录所述反馈电信号对应的中心频率对应幅值以及所述中心频率对应幅值对应的所述氢气温度值和所述氢气压力值，得到多组测试数据包括：

通过低通放大电平调整电路对所述反馈电信号进行干扰滤除与放大，得到目标反馈测试信号；

通过AD采样电路对所述目标反馈测试信号进行采样，获得幅度相位信息；

对所述幅度相位信息进行分析，得到所述中心频率对应幅值；

记录所述中心频率对应幅值及对应的所述温度值和所述氢气压力值，得到多组所述测试数据。

采用上述实施例的有益效果是：本发明提供的氢气浓度检测装置通过控制模块控制可编程信号发生器生成正弦电流反馈信号和余弦电流反馈信号，再将正弦电流反馈信号或余弦电流反馈信号中的一个作为激励信号，通过声学谐振腔转换为超声波后输出至氢气浓度待测空间内，声学谐振腔接收传播后的超声波并转换为激励响应电信号，基于乘法模块，采用余弦电流反馈信号对该激励响应电信号进行幅度调节得到余弦响应电信号，采用正弦电流反馈信号对该激励响应信号进行幅度调节得到正弦响应电信号，通过低通滤波模块滤除余弦响应电信号和正弦响应电信号中的高频干扰信号，并基于采样模块对余弦响应电信号和正弦响应电信号进行采样分析，得到幅频信息，再通过温度传感器对氢气浓度待测空间的温度进行检测，得到温度信息，将温度信息和幅频信息输入预设的氢气浓度计算模型，即可得到氢气浓度估计值，本发明通过机器学习模型结合氢气幅频特性对氢气浓度进行检测，可以实现对氢气浓度的实时监测和快速响应，且监测的氢气浓度值更加准确。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明提供的氢气浓度检测装置的一实施例的结构示意图；

图2为本发明提供的氢气浓度检测方法的一实施例的流程示意图；

图3为本发明提供的氢气浓度检测方法步骤S201之前一实施例的流程示意图。

具体实施方式

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清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域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。

应当理解，示意性的附图并未按实物比例绘制。本发明中使用的流程图示出了根据本发明的一些实施例实现的操作。应当理解，流程图的操作可以不按顺序实现，没有逻辑的上下文关系的步骤可以反转顺序或者同时实施。此外，本领域技术人员在本发明内容的指引下，可以向流程图添加一个或多个其他操作，也可以从流程图中移除一个或多个操作。

在本文中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本发明的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域技术人员显式地和隐式地理解的是，本文所描述的实施例可以与其它实施例相结合。

本发明实施例提供了一种氢气浓度检测装置及方法，以下分别进行说明。

图1为本发明提供的氢气浓度检测装置的一实施例的结构示意图，如图1所示，包括可编程信号发生器110、声学谐振腔120、乘法模块130、低通滤波模块140、采样模块150、控制模块160和温度传感器170；

其中，可编程信号发生器110分别与控制模块160、声学谐振腔120和乘法模块130连接，声学谐振腔120与乘法模块130连接，乘法模块130与低通滤波模块140连接，低通滤波模块140与采样模块150连接，采样模块150与控制模块160连接，温度传感器170与控制模块160连接；

控制模块160用于在接收到氢气浓度检测指令时输出浓度检测信号至可编程信号发生器110；

可编程信号发生器110用于在接收到控制模块160发送的浓度检测信号时生成正弦电流反馈信号和余弦电流反馈信号，并将余弦电流反馈信号和正弦电流反馈信号输出至乘法模块130，将正弦电流反馈信号或余弦电流反馈信号输出至声学谐振腔120；

声学谐振腔120用于将余弦电流反馈信号或正弦电流反馈信号转换为超声波，以使超声波在氢气浓度待测空间内进行传播，接收经传播后的超声波，并将超声波转换为激励响应电信号后传输至乘法模块130；

乘法模块130用于采用余弦电流反馈信号对激励响应电信号进幅度调节得到余弦响应电信号，采用正弦电流反馈信号对激励响应电信号进行幅度调节得到正弦响应电信号；

低通滤波模块140用于滤除余弦响应电信号和正弦响应电信号中的高频干扰信号；

采样模块150用于对滤除高频干扰信号后的余弦响应电信号和正弦响应电信号进行采样并将采样结果传输至控制模块160；

控制模块160还用于对采样结果进行分析，得到幅频信息；

温度传感器170用于对氢气浓度待测空间的温度值进行检测，得到待测空间温度信息，并将待测空间温度信息传输至控制模块160；

控制模块160用于将待测空间温度信息和幅频信息输入预设的氢气浓度计算模型，得到氢气浓度估计值。

需要说明的是，在本实施例中，声学谐振腔120的谐振频率是在一定范围内的，因此控制模块160控制可编程信号发生器110产生的正弦电流反馈信号和余弦电流反馈信号的频率相同且在该谐振频率范围内，该正弦电流反馈信号和余弦电流反馈信号是两路正交信号。

可以理解的是，在具体实施中，由于可编程信号发生器110输出电压的峰值不够大，因此需要外加宽带放大电路；图2，该宽带放大电路由四个电阻和一个放大器THS3001组成，可通过调节电阻的阻值设置带宽和增益，采用±5V双电源供电。

应当理解的是，在本发明实施例中，通过控制模块160控制可编程信号发生器110生成正弦电流反馈信号和余弦电流反馈信号，再将正弦电流反馈信号或余弦电流反馈信号中的一个作为激励信号，通过声学谐振腔120转换为超声波后输出至氢气浓度待测空间内，声学谐振腔120接收传播后的超声波并转换为激励响应电信号，基于乘法模块130，采用余弦电流反馈信号对该激励响应电信号进行幅度调节得到余弦响应电信号，采用正弦电流反馈信号对该激励响应信号进行幅度调节得到正弦响应电信号，通过低通滤波模块140滤除余弦响应电信号和正弦响应电信号中的高频干扰信号，并基于采样模块150对余弦响应电信号和正弦响应电信号进行采样分析，得到幅频信息，再通过温度传感器170对氢气浓度待测空间的温度进行检测，得到温度信息，将温度信息和幅频信息输入预设的氢气浓度计算模型，即可得到氢气浓度估计值，且该氢气浓度计算模型还可根据输入的数据进行自适应机器学习，进一步提高氢气浓度估测的准确度。

与现有技术相比，本发明实施例提供的氢气浓度检测装置通过控制模块160、可编程信号发生器110和声学谐振腔120生成一个激励信号，以使激励信号在氢气浓度待测空间内传播，产生幅频变化并接收变化后的响应信号；通过乘法模块130、低通滤波模块140对该响应信号进行幅度调节和滤波，采用采样模块150对该响应信号进行采样分析得到幅频信息，基于控制模块160内预设的氢气浓度计算模型，根据幅频信息和温度传感器170获取的温度信息进行计算，得到氢气浓度估测值；本发明通过机器学习模型结合氢气幅频特性的方式，可以实现对氢气浓度的实时监测和快速响应，且监测结果更加准确。

在本发明一些实施例中，声学谐振腔120包括输入换能器和输出换能器；

其中，输入换能器的输入端与可编程信号发生器110的输出端连接，输入换能器的输出端与氢气浓度待测空间连接，输出换能器的输入端与氢气浓度待测空间连接，输出换能器的输出端与乘法模块130的输入端连接；

输入换能器用于将余弦电流反馈信号或正弦电流反馈信号转换为超声波，以使超声波在氢气浓度待测空间内进行传播；

输出换能器用于接收经传播后的超声波，并将超声波转换为激励响应电信号后传输至乘法模块130。

可以理解的是，在本发明实施例中，若可编程信号发生器110生成的余弦电流反馈信号为，正弦电流反馈信号为/>（A为幅值，/>为角频率，t为时间，初始相位为0），若采用/>作为激励信号（即将/>转换为超声波后输出至氢气浓度待测空间内）且声学谐振腔120的传递函数为/>时，则输出换能器传输至乘法模块130的激励响应信号/>，该/>即为表示幅频特性的幅值，该即为表示相频特性的相位值。

在本发明的一些实施例中，乘法模块130包括第一乘法器131和第二乘法器132；

其中，第一乘法器131的输入端分别与可编程信号发生器110和输出换能器连接，第一乘法器131的输出端与低通滤波模块140的输入端连接，第二乘法器132的输入端分别与可编程信号发生器110和输出换能器连接，第二乘法器132的输出端与低通滤波模块140的输入端连接；

第一乘法器131用于采用余弦电流反馈信号对激励响应电信号进幅度调节得到余弦响应电信号；

第二乘法器132用于采用正弦电流反馈信号对激励响应电信号进行幅度调节得到正弦响应电信号。

需要说明的是，在本发明实施例中，第一乘法器131和第二乘法器132均采用高速模拟乘法器芯片AD835实现，其采用±5V双电源供电，由于输入电流反馈信号频率较高，乘法器的电源不仅需要电容去耦，还要加入磁珠以抑制电源线上产生的高频干扰，具有两个差分信号输入端口；通过第一乘法器131和第二乘法器132分别采用正弦电流反馈信号和余弦电流反馈信号与激励响应信号相乘，起到幅度调节的作用，对激励响应信号进行放大，以便更好的抓取中心频率。

在具体实施中，第一乘法器131输出信号为：

第二乘法器132输出信号为：

在本发明一些实施例中，低通滤波模块140包括第一巴特沃斯滤波器141和第二巴特沃斯滤波器142；

其中，第一巴特沃斯滤波器141的输入端与第一乘法器131的输出端连接，第一巴特沃斯滤波器141的输出端与采样模块150的采样端连接，第二巴特沃斯滤波器142的输入端与第二乘法器132的输出端连接，第二巴特沃斯滤波器142的输出端与采样模块150的采样端连接；

第一巴特沃斯滤波器141用于滤除余弦响应电信号中的高频干扰信号；

第二巴特沃斯滤波器142用于滤除正弦响应电信号中的高频干扰信号。

需要说明的是，在本发明实施例中，需要采用巴特沃斯滤波器滤除乘法器输出信号中的高频分量和/>，仅保留直流分量，以便计算复配特性和相频特性。

可以理解的是，在本实施例中，需要先确定巴特沃斯滤波器的阶数，即滤波器的衰减速率，阶数越高，滤波器的衰减越陡峭，其次根据应用要求和信号特性，确定滤波器的截止频率或通带范围，截止频率定义了滤波器开始衰减的频率，利用巴特沃斯滤波器的设计公式，计算滤波器的极点位置，极点是滤波器传递函数的零点和极点的集合，它们决定了滤波器的幅频特性，最后构造滤波器电路或设计数字滤波器：根据计算得到的极点位置，构造滤波器电路或设计数字滤波器的传递函数。

在本实施例中，第一巴特沃斯器输出的信号为：

第二巴特沃斯滤波输出的信号为：

应当理解的是，在本实施例中，通过采样模块150对输入的和/>进行采样，得到数字信号并输出至控制模块160，控制模块160进行数据处理和分析，即可得到幅频特性/>和相频特性/>，将幅频信息和温度信息输入氢气浓度计算模型，即可得到氢气浓度估测值，该氢气浓度计算模型是通过反推幅度与温度计氢气浓度之间的函数关系式（/>，C为氢气浓度、T为温度、/>为幅度）得到。

在本发明一些实施例中，还包括用于显示氢气浓度估计值的LCD显示器180。

可以理解的是，在本发明实施例中，该LCD显示器180不仅可以实时显示氢气浓度，还可以显示氢气浓度待测空间的温度以及其对应的幅频特性曲线和相频特性曲线。

另一方面，基于氢气浓度检测装置，对应的，本发明实施例还提供了一种氢气浓度检测方法，适用于上述任一种实施例中描述的氢气浓度检测装置；如图2所示，氢气浓度检测方法包括：

S201、根据控制模块发送的浓度检测信号，采用可编程信号发生器生成正弦电流反馈信号和余弦电流反馈信号；

S202、通过所述可编程信号发生器将所述余弦电流反馈信号和所述正弦电流反馈信号输出至乘法模块，将所述正弦电流反馈信号或所述余弦电流反馈信号输出至声学谐振腔；

S203、基于声学谐振腔将所述余弦电流反馈信号或所述正弦电流反馈信号转换为超声波，以使所述超声波在氢气浓度待测空间内进行传播；

S204、采用声学谐振腔接收经传播后的所述超声波，并将所述超声波转换为激励响应电信号后传输至乘法模块；

S205、采用所述余弦电流反馈信号和所述正弦电流反馈信号分别对所述激励响应电信号进幅度调节得到余弦响应电信号和正弦响应电信号；

S206、通过低通滤波模块滤除所述余弦响应电信号和所述正弦响应电信号中的高频干扰信号；

S207、基于采样模块对所述余弦响应电信号和所述正弦响应电信号进行采样，以使控制模块对采样结果进行分析，得到幅频信息；

S208、通过温度传感器对所述氢气浓度待测空间的温度值进行检测，得到待测空间温度信息，并将所述待测空间温度信息传输至所述控制模块；

S209、根据所述待测空间温度信息、所述幅频信息和所述控制模块内预设的氢气浓度计算模型对氢气浓度进行计算，得到氢气浓度估计值。

与现有技术相比，本发明实施例提供的氢气浓度检测方法通过控制模块、可编程信号发生器和声学谐振腔生成一个激励信号，以使激励信号在氢气浓度待测空间内传播，产生幅频变化并接收变化后的响应信号；通过乘法模块、低通滤波模块对该响应信号进行幅度调节和滤波，采用采样模块对该响应信号进行采样分析得到幅频信息，基于控制模块内预设的氢气浓度计算模型，根据幅频信息和温度传感器获取的温度信息进行计算，得到氢气浓度估测值；本发明通过机器学习模型结合氢气幅频特性的方式，可以实现对氢气浓度的实时监测和快速响应，且监测结果更加准确。

如图3所示，在本发明一些实施例中，步骤S201之前，还包括：

S301、获取变温恒气密封箱；

S302、对所述变温恒气密封箱内的氢气温度和氢气压力进行实时监测；

S303、将测试激励电信号转化为超声波信号后输出至所述变温恒气密封箱；

S304、改变所述氢气温度和所述氢气压力并不断采集所述变温恒气密封箱内所述测试激励电信号的反馈电信号；

S305、记录所述反馈电信号对应的中心频率对应幅值以及所述中心频率对应幅值对应的所述氢气温度值和所述氢气压力值，得到多组测试数据；

S306、根据氢气的幅频特性和所述多组测试数据建立氢气浓度计算模型。

需要说明的是，在本实施例中，可以采用变温恒气密封系统、可编程信号发生器、乘法器、滤波器以及A/D采样模块以及MCU控制器实现在不同温度与氢气浓度组合下测得幅频响应数据，进而根据该测试数据推导出关于幅度的关系表达式，该表达式中，氢气浓度与温度为自变量，再反推出氢气浓度的表达式，即可建立氢气浓度计算模型。

应当理解的是，在本发明实施例中，MCU控制采用两片MSP430F149单片机实现，一片用作信号源的控制器，用以发射两路正余弦信号。另一片MSP430F149位于整个系统的后端，实现数据处理，通过对被测网络的测量结果进行数据处理和分析，显示被测网络单频点的幅度和相位信息，同时绘制出被测网络的幅频及相频特性曲线。两片单片机之间通过串口通信协议进行通信，主单片机在设置完扫频参数后可实时告知数据处理端的单片机当前的扫频频率，便于后者将获取的幅度相位数据与扫频频率一一对应，从而成功将被测网络特性曲线描绘至TFT屏幕。

可以理解的是，在本发明实施例中，该变温恒气密封系统是一个设计用于实现变动温度和稳定氢气浓度的封闭系统。该系统包括：示波器、函数发生器、氢气罐、增压泵、压力传感器、测温电桥和排气阀，用于实现氢气压力和温度的测量与控制，提供一个可靠且精确的环境；其中，示波器用于监测和显示函数发生器发出的脉冲在不同温度的氢气密封箱中的变化，函数发生器用于测试输入的信号，氢气罐用于提供氢气，增压泵用于抽取氢气至密封箱中，以保证氢气浓度，压力传感器用于监测氢气压力变化（换算压力即可得到氢气浓度），测温电桥用于测量温度值，排气阀用于排放氢气，调节密封箱内氢气浓度。

在具体实施中，增压泵将氢气从氢气罐中抽取并增压到所需的压力，送入密封箱中，压力传感器测量氢气的压力并将其转化为电信号输出，而测温电桥测量氢气的温度并将其转化为电信号输出，将压力变化和温度变化显示到上位机上，通过函数发生器发生的IQ信号，经过变温恒气系统后，这些信号经过放大和处理后，可以连接到示波器上进行实时监测和波形显示，可以实时监测到温度，压力，以及中心频率的变化。

在本发明一些实施例中，步骤S306包括：

根据氢气的幅频特性和K-近邻算法建立关于氢气浓度的初始模型；

采用所述测试数据对所述初始模型进行训练和学习，得到所述氢气浓度计算模型。

需要说明的是，在本发明实施例中，在获取到足够多的测试数据后，即可采用K-近邻算法，将氢气浓度作为标签值，温度和中心频率响应幅值作为特征值构建函数关系式，设置特征空间和距离度量，采用测试数据作为训练集，进行机器学习训练，得到氢气浓度计算模型。

在本发明一些实施例中，步骤S303之前，还包括

采用巴特沃斯低通滤波器滤除所述测试激励电信号中的干扰信号；

采用宽带放大电路对滤除干扰信号后的所述测试激励电信号进行放大增益。

可以理解的是，在本发明实施例中，可编程信号发生器的输出电压的峰值可能不够，因此需要外加宽带放大电路进行放大增益以满足幅度要求。

在本发明一些实施例中，步骤S305包括：

通过低通放大电平调整电路对所述反馈电信号进行干扰滤除与放大，得到目标反馈测试信号；

通过AD采样电路对所述目标反馈测试信号进行采样，获得幅度相位信息；

对所述幅度相位信息进行分析，得到所述中心频率对应幅值；

记录所述中心频率对应幅值及对应的所述温度值和所述氢气压力值，得到多组所述测试数据

可以理解的是，在本发明实施例中，采样前需要设置信号源的扫频范围及采样频率，通过采样设备记录在每个频率点上密封箱对应待测网络的增益信息和相位信息，采样设备将在固定的时间间隔内获取样本，并用MCU控制器内的机器学习模型进行分析和处理。

需要说明的是：上述实施例中的方法中的步骤可根据氢气浓度检测装置中的各个模块或单元进行增加或扩展，具体详见氢气浓度检测装置实施例中的描述，在此不做赘述。

以上对本发明所提供的氢气浓度检测装置及方法进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种氢气浓度检测装置，其特征在于，包括可编程信号发生器、声学谐振腔、乘法模块、低通滤波模块、采样模块、控制模块和温度传感器；

其中，所述可编程信号发生器分别与所述控制模块、所述声学谐振腔和所述乘法模块连接，所述声学谐振腔与所述乘法模块连接，所述乘法模块与所述低通滤波模块连接，所述低通滤波模块与所述采样模块连接，所述采样模块与所述控制模块连接，所述温度传感器与所述控制模块连接；

所述控制模块用于在接收到氢气浓度检测指令时输出浓度检测信号至所述可编程信号发生器；

所述可编程信号发生器用于在接收到所述控制模块发送的所述浓度检测信号时生成正弦电流反馈信号和余弦电流反馈信号，并将所述余弦电流反馈信号和所述正弦电流反馈信号输出至所述乘法模块，将所述正弦电流反馈信号或所述余弦电流反馈信号输出至所述声学谐振腔；

所述声学谐振腔用于将所述余弦电流反馈信号转换为超声波，以使所述超声波在氢气浓度待测空间内进行传播，接收经传播后的所述超声波，并将所述超声波转换为激励响应电信号后传输至所述乘法模块；

所述乘法模块用于采用所述余弦电流反馈信号对所述激励响应电信号进幅度调节得到余弦响应电信号，采用所述正弦电流反馈信号对所述激励响应电信号进行幅度调节得到正弦响应电信号；

所述低通滤波模块用于滤除所述余弦响应电信号和所述正弦响应电信号中的高频干扰信号；

所述采样模块用于对滤除高频干扰信号后的所述余弦响应电信号和所述正弦响应电信号进行采样并将采样结果传输至所述控制模块；

所述控制模块还用于对所述采样结果进行分析，得到幅频信息；

所述温度传感器用于对所述氢气浓度待测空间的温度值进行检测，得到待测空间温度信息，并将所述待测空间温度信息传输至所述控制模块；

所述控制模块还用于将所述待测空间温度信息和所述幅频信息输入预设的氢气浓度计算模型，得到氢气浓度估计值；

其中，所述幅频信息包括幅频特性和相频特性，所述余弦电流反馈信号，所述正弦电流反馈信号/>，所述激励响应电信号/>，所述余弦响应电信号/>，所述正弦响应电信号/>，式中，A为所述余弦电流反馈信号和所述正弦电流反馈信号的幅值，/>为角频率，t为时间，为声学谐振腔传递函数，/>即为表示幅频特性的幅值，该/>即为表示相频特性的相位值，所述高频干扰信号包括高频分量/>和。

2.根据权利要求1所述的氢气浓度检测装置，其特征在于，所述声学谐振腔包括输入换能器和输出换能器；

其中，所述输入换能器的输入端与所述可编程信号发生器的输出端连接，所述输入换能器的输出端与所述氢气浓度待测空间连接，所述输出换能器的输入端与所述氢气浓度待测空间连接，所述输出换能器的输出端与所述乘法模块的输入端连接；

所述输入换能器用于将所述余弦电流反馈信号转换为超声波，以使所述超声波在所述氢气浓度待测空间内进行传播；

所述输出换能器用于接收经传播后的所述超声波，并将所述超声波转换为激励响应电信号后传输至所述乘法模块。

3.根据权利要求2所述的氢气浓度检测装置，其特征在于，所述乘法模块包括第一乘法器和第二乘法器；

其中，所述第一乘法器的输入端分别与所述可编程信号发生器和所述输出换能器连接，所述第一乘法器的输出端与所述低通滤波模块的输入端连接，所述第二乘法器的输入端分别与所述可编程信号发生器和所述输出换能器连接，所述第二乘法器的输出端与所述低通滤波模块的输入端连接；

所述第一乘法器用于采用所述余弦电流反馈信号对所述激励响应电信号进幅度调节得到所述余弦响应电信号；

所述第二乘法器用于采用所述正弦电流反馈信号对所述激励响应电信号进行幅度调节得到所述正弦响应电信号。

4.根据权利要求3所述的氢气浓度检测装置，其特征在于，所述低通滤波模块包括第一巴特沃斯滤波器和第二巴特沃斯滤波器；

其中，所述第一巴特沃斯滤波器的输入端与所述第一乘法器的输出端连接，所述第一巴特沃斯滤波器的输出端与所述采样模块的采样端连接，所述第二巴特沃斯滤波器的输入端与所述第二乘法器的输出端连接，所述第二巴特沃斯滤波器的输出端与所述采样模块的采样端连接；

所述第一巴特沃斯滤波器用于滤除所述余弦响应电信号中的高频干扰信号；

所述第二巴特沃斯滤波器用于滤除所述正弦响应电信号中的高频干扰信号。

5.根据权利要求4所述的氢气浓度检测装置，其特征在于，还包括用于显示所述氢气浓度估计值的LCD显示器。

6.一种氢气浓度检测方法，应用与如权利要求1-5任一项所述的氢气浓度检测装置，其特征在于，所述氢气浓度检测方法包括：

根据控制模块发送的浓度检测信号，采用可编程信号发生器生成正弦电流反馈信号和余弦电流反馈信号；

通过所述可编程信号发生器将所述余弦电流反馈信号和所述正弦电流反馈信号输出至乘法模块，将所述正弦电流反馈信号或所述余弦电流反馈信号输出至声学谐振腔；

基于声学谐振腔将所述余弦电流反馈信号转换为超声波，以使所述超声波在氢气浓度待测空间内进行传播；

采用声学谐振腔接收经传播后的所述超声波，并将所述超声波转换为激励响应电信号后传输至乘法模块；

采用所述余弦电流反馈信号和所述正弦电流反馈信号分别对所述激励响应电信号进幅度调节得到余弦响应电信号和正弦响应电信号；

通过低通滤波模块滤除所述余弦响应电信号和所述正弦响应电信号中的高频干扰信号；

基于采样模块对所述余弦响应电信号和所述正弦响应电信号进行采样，以使控制模块对采样结果进行分析，得到幅频信息；

通过温度传感器对所述氢气浓度待测空间的温度值进行检测，得到待测空间温度信息，并将所述待测空间温度信息传输至所述控制模块；

根据所述待测空间温度信息、所述幅频信息和所述控制模块内预设的氢气浓度计算模型对氢气浓度进行计算，得到氢气浓度估计值；其中，所述幅频信息包括幅频特性和相频特性，所述余弦电流反馈信号，所述正弦电流反馈信号/>，所述激励响应电信号/>，所述余弦响应电信号，所述正弦响应电信号，式中，A为所述余弦电流反馈信号和所述正弦电流反馈信号的幅值，/>为角频率，t为时间，/>为声学谐振腔传递函数，/>即为表示幅频特性的幅值，该/>即为表示相频特性的相位值，所述高频干扰信号包括高频分量/>和/>。

7.根据权利要求6所述的氢气浓度检测方法，其特征在于，所述根据控制模块发送的浓度检测信号，采用可编程信号发生器生成正弦电流反馈信号和余弦电流反馈信号之前，还包括：

获取变温恒气密封箱；

对所述变温恒气密封箱内的氢气温度和氢气压力进行实时监测；

将测试激励电信号转化为超声波信号后输出至所述变温恒气密封箱；

改变所述氢气温度和所述氢气压力并不断采集所述变温恒气密封箱内所述测试激励电信号的反馈电信号；

记录所述反馈电信号对应的中心频率对应幅值以及所述中心频率对应幅值对应的所述氢气温度值和所述氢气压力值，得到多组测试数据；

根据氢气的幅频特性和所述多组测试数据建立氢气浓度计算模型。

8.根据权利要求7所述的氢气浓度检测方法，其特征在于，所述根据氢气的幅频特性和所述多组测试数据建立氢气浓度计算模型包括：

根据氢气的幅频特性和K-近邻算法建立关于氢气浓度的初始模型；

采用所述测试数据对所述初始模型进行训练和学习，得到所述氢气浓度计算模型。

9.根据权利要求8所述的氢气浓度检测方法，其特征在于，所述将测试激励电信号转化为超声波信号后输出至所述变温恒气密封箱之前，还包括：

采用巴特沃斯低通滤波器滤除所述测试激励电信号中的干扰信号；

采用宽带放大电路对滤除干扰信号后的所述测试激励电信号进行放大增益。

10.根据权利要求9所述的氢气浓度检测方法，其特征在于，所述记录所述反馈电信号对应的中心频率对应幅值以及所述中心频率对应幅值对应的所述氢气温度值和所述氢气压力值，得到多组测试数据包括：

通过低通放大电平调整电路对所述反馈电信号进行干扰滤除与放大，得到目标反馈测试信号；

通过AD采样电路对所述目标反馈测试信号进行采样，获得幅度相位信息；

对所述幅度相位信息进行分析，得到所述中心频率对应幅值；

记录所述中心频率对应幅值及对应的所述温度值和所述氢气压力值，得到多组所述测试数据。