[發明專利]檢測微量二元混合氣體濃度的聲學信號處理裝置及方法

無效

• 申請號: 201010166078.2
• 申請日: 2010-05-07
• 公開（公告）號: CN101813673A
• 公開（公告）日: 2010-08-25
• 發明（設計）人: 張曉花;朱昌平;單鳴雷;王森;朱陳松
• 申請（專利權）人: 河海大學常州校區
• 主分類號: G01N29/44
• 分類號: G01N29/44;G01N29/46;G01N29/024
• 代理公司: 南京知識律師事務所 32207
• 代理人: 汪旭東

1.一種檢測微量二元混合氣體濃度的聲學信號處理裝置，由工作頭部分(17)、模擬 電路部分(23)、數字電路部分(28)連接組成，工作頭部分(17)包括具有純凈氣體b的 第一測量腔(2)和具有待測微量氣體a和純凈氣體b構成的二元混合氣體的第二測量腔 (16)，第一測量腔(2)的內腔兩端分別設有第一超聲波發射換能器(3)和第一超聲波接 收換能器(13)，第二測量腔(16)的內腔兩端分別設有第二超聲波發射換能器(18)和第 二超聲波接收換能器(14)，第一超聲波發射換能器(3)與第一超聲波接收換能器(13) 之間的間距等于第二超聲波發射換能器(18)與第二超聲波接收換能器(14)之間的間距， 其特征是：所述模擬電路部分(23)具有第一、第二發射放大電路(7、24)，第一發射放 大電路(7)輸出經第一發射匹配電路(4)連接至第一超聲波發射換能器(3)，第二發射 放大電路(24)輸出經第二發射匹配電路(19)連接至第二超聲波發射換能器(18)；第一 超聲波接收換能器(13)的輸出依次串接第一接收匹配電路(5)、第一接收前置放大電路 (6)和第一低通濾波器(8)，第二超聲波接收換能器(14)的輸出依次串接第二接收匹配 電路(20)、第二接收前置放大電路(22)和第二低通濾波器(25)；第三低通濾波器(26) 的輸出分別連接第一、第二發射放大電路(7、24)；所述數字電路部分(28)包括外接FLASH 閃存芯片(29)、通訊串口(12)和RAM芯片(30)的DSP數字信號處理器(11)以及CPLD 可編程邏輯器件(10)、第一、第二A/D模數轉換器(9、27)；第一低通濾波器(8)輸出 通過第一A/D模數轉換器(9)連接DSP數字信號處理器(11)，第二低通濾波器(25)輸 出通過第二A/D模數轉換器(27)連接DSP數字信號處理器(11)；DSP數字信號處理器(11) 輸出經CPLD可編程邏輯器件(10)連接第三低通濾波器(26)。

2.一種檢測微量二元混合氣體濃度的聲學信號處理方法，其特征是包括如下步驟：

1)DSP數字信號處理器(11)控制CPLD可編程邏輯器件(10)產生偽隨機相位編碼脈 沖信號，該信號經低通濾波器(26)分兩路分別通過第一、第二發射放大電路(7、24)和 第一、第二發射匹配電路(4、19)經由第一、第二超聲波發射換能器(3、18)轉換為超 聲波信號同時發射；

2)超聲波信號分別經過第一測量腔(2)內的純凈氣體b和第二測量腔(16)內的由 待測微量氣體a和純凈氣體b構成的二元混合氣體傳遞，將第一、第二超聲波接收換能器 (13、14)獲得兩個信號放大、低通濾波處理后，由第一、第二A/D模數轉換器(9、27) 將模擬連續信號轉變為數字離散信號，經DSP數字信號處理器(11)采用數字信號處理算 法進行處理，根據氣體濃度與相位差的公式計算出二元混合氣體的濃度；

所述DSP數字信號處理器(11)采用數字信號處理算法包括粗測、精測、結合粗測與 精測相位差；所述粗測相位差步驟為：對第一測量腔(2)內純凈氣體b接收采樣數據；進 行快速FFT傅立葉變換；進行頻域5倍補零；對第二測量腔(16)內二元混合氣體接收采 樣數據；進行快速FFT傅立葉變換；進行頻域5倍補零；取共軛；將第一測量腔(2)的頻 域5倍補零與共軛相乘獲得互功率譜；進行IFFT反傅立葉變換獲得互相關曲線；尋找互相 關曲線的峰值獲得時延，將時延值轉換為相位值；

所述精測相位差步驟為：對第一測量腔(2)內純凈氣體b接收采樣數據，經帶通濾波， 抽取，數字解調，匹配濾波，尋找峰值，將復數轉換為相角表示；對第二測量腔(16)內 的二元混合氣體接收采樣數據，經帶通濾波，抽取，數字解調，匹配濾波，尋找峰值，將 復數轉換為相角表示；將第一測量腔(2)的相角與第二測量腔(16)的相角相減獲得相位 差；

所述結合粗測與精測相位差步驟為：

將精測的相位差加減整數倍個360度得到一系列相位值，尋找最接近粗測的相位值獲 得無模糊精測相位差θ；

所述氣體濃度與相位差θ的公式為：

n是待測微量氣體a的濃度，1-n是純凈氣體b的濃度，f是超聲波信號載波頻率，t 是超聲波信號在第一測量腔(2)中從第一超聲波發射換能器(3)到第一超聲波接收換能 器(13)的傳播時間，M_a是待測微量氣體a的摩爾質量，M_b是純凈氣體b的摩爾質量。

3.根據權利要求2所述的檢測微量二元混合氣體濃度的聲學信號處理方法，其特征： 所述偽隨機相位編碼脈沖信號的偽隨機碼相位編碼共8個碼元，一個碼元4個波形。