[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

本發明公開了一種基于超聲波相位差技術進行氣體濃度檢測方法，屬于氣體濃度檢測技術領域。本發明推導出并利用“混頻前與混頻后相位差相同”的結論，通過選擇頻率略小于原x₁(t)與x₂(t)的矩形波信號y(t)，分別與x₁(t)與x₂(t)混頻后，獲得兩個低頻信號，通過求取該兩個低頻信號相位差，可以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。本發明可以實現將原本兩個高頻超聲波信號相位差檢測轉換為極低頻率相位差檢測，從而達到提高檢測精度的要求，解決了傳統方法中對低濃度氣體進行測量時系統必須具有足夠高的工作頻率的問題。

技術領域

本發明涉及一種基于超聲波相位差技術進行氣體濃度檢測方法，屬于氣體濃度檢測技術領域。

背景技術

利用聲學技術進行氣體濃度檢測具有低成本、低功耗、可適用復雜環境等優點。當被測氣體濃度很低時，雙通道測量腔和參考腔中兩路超聲波信號接收時間差ΔT很小，導致對應相位差很小，如果系統計數頻率不高，會導致所測得相位差誤差過大進而嚴重影響氣體濃度測量精度。現有技術中，還沒有方法能夠很好地解決這個問題。

發明內容

本發明的目的是提出一種基于超聲波相位差技術進行氣體濃度檢測方法，通過提出超聲波混頻技術，將高頻信號相位差轉為低頻信號相位差進行提取，從而實現用較低工作頻率系統實現較高測量精度要求，以解決現有技術中存在的問題。

一種基于超聲波相位差技術進行氣體濃度檢測方法，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。

進一步的，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：