[發明專利]一種基于超聲波相位差技術進行氣體濃度檢測方法

在審

• 申請號: 202110384059.5
• 申請日: 2021-04-09
• 公開（公告）號: CN113189196A
• 公開（公告）日: 2021-07-30
• 發明（設計）人: 孫慧;丁喜波;丁欣;施云波
• 申請（專利權）人: 哈爾濱理工大學
• 主分類號: G01N29/02
• 分類號: G01N29/02;G01N29/44
• 代理公司: 哈爾濱市松花江專利商標事務所 23109
• 代理人: 岳泉清

1.一種基于超聲波相位差技術進行氣體濃度檢測方法，其特征在于，所述基于超聲波相位差技術進行氣體濃度檢測方法包括以下步驟：

步驟一、得到結論：混頻前與混頻后相位差相同；

步驟二、利用所述結論，選擇頻率與已知矩形波信號x₁(t)與x₂(t)頻率接近的矩形波信號y(t)，令y(t)分別與x₁(t)與x₂(t)混頻并經低通濾波后，獲得兩個低頻信號，通過求取所述兩個低頻信號相位差，實現將原本對兩個高頻超聲波信號相位差的檢測轉換為對極低頻率相位差的檢測。

2.根據權利要求1所述的一種基于超聲波相位差技術進行氣體濃度檢測方法，其特征在于，在步驟一中，所述結論通過以下方法得到：

在設超聲波信號頻率為f，測量腔內超聲波接收處理后時域矩形波信號為x₁(t)，周期為T₁，脈寬為τ₁，參考腔內超聲波接收處理后時域矩形波信號為x₂(t)，由于參考腔與測量腔超聲波為具有相位差的同一超聲波源信號，因此參考腔超接收到的聲波時域波形信號也為周期為T₁，脈寬為τ₁，

假設參考腔內接受信號滯后測量腔信號時間差為Δt，角頻率ω₁，則參考腔與測量腔接收信號相位差對超聲波時域信號進行比較處理轉為矩形波信號，設x₁(t)與x₂(t)的占空比為取另一個矩形波信號頻率y(t)，角頻率ω₂，令ω₂略小于ω₁，占空比為令y(t)幅值等于x₁(t)與x₂(t)的幅值K：

由傅里葉級數其中可知，

x₁(t)傅里葉級數為：

又：有則：由于x₁(t)是偶函數，則b_n＝0，

相應x₁(t)的傅里葉級數展開為：

把x₂(t)看成是x₁(t)時域右移x后得到的函數，

則x₂(t)的傅里葉級數展開為：

同理y(t)的傅里葉級數展開為：

令x₁(t)與x₂(t)分別與y(t)混頻相乘，得到新函數K₁(t)與K₂(t)，

其中

整理得：

其中，cos(ω₁-ω₂)t與cos[(ω₁-ω₂)t-ω₁Δt]分別為K₁(t)與K₂(t)的傅里葉級數項中低頻項，其他頻率項均為遠高于(ω₁-ω₂)的高頻項，而K₁(t)與K₂(t)分別通過低頻濾波后，只留下該低頻項，因此，

x₁(t)與x₂(t)分別與y(t)混頻并通過低通濾波后，所得新信號函數K₁(t)與K₂(t)相位差仍然為且K₁(t)與K₂(t)角頻率轉為ω₁-ω₂，為低頻信號，因此得出結論：混頻前與混頻后相位差相同。