CN113189196B - 一种基于超声波相位差技术进行气体浓度检测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于超声波相位差技术进行气体浓度检测方法，属于气体浓度检测技术领域。本发明推导出并利用“混频前与混频后相位差相同”的结论，通过选择频率略小于原x1(t)与x2(t)的矩形波信号y(t)，分别与x1(t)与x2(t)混频后，获得两个低频信号，通过求取该两个低频信号相位差，可以实现将原本对两个高频超声波信号相位差的检测转换为对极低频率相位差的检测。本发明可以实现将原本两个高频超声波信号相位差检测转换为极低频率相位差检测，从而达到提高检测精度的要求，解决了传统方法中对低浓度气体进行测量时***必须具有足够高的工作频率的问题。

Description

一种基于超声波相位差技术进行气体浓度检测方法
技术领域
本发明涉及一种基于超声波相位差技术进行气体浓度检测方法，属于气体浓度检测技术领域。
背景技术
利用声学技术进行气体浓度检测具有低成本、低功耗、可适用复杂环境等优点。当被测气体浓度很低时，双通道测量腔和参考腔中两路超声波信号接收时间差ΔT很小，导致对应相位差很小，如果***计数频率不高，会导致所测得相位差误差过大进而严重影响气体浓度测量精度。现有技术中，还没有方法能够很好地解决这个问题。
发明内容
本发明的目的是提出一种基于超声波相位差技术进行气体浓度检测方法，通过提出超声波混频技术，将高频信号相位差转为低频信号相位差进行提取，从而实现用较低工作频率***实现较高测量精度要求，以解决现有技术中存在的问题。
一种基于超声波相位差技术进行气体浓度检测方法，所述基于超声波相位差技术进行气体浓度检测方法包括以下步骤：
步骤一、得到结论：混频前与混频后相位差相同；
步骤二、利用所述结论，选择频率与已知矩形波信号x1(t)与x2(t)频率接近的矩形波信号y(t)，令y(t)分别与x1(t)与x2(t)混频并经低通滤波后，获得两个低频信号，通过求取所述两个低频信号相位差，实现将原本对两个高频超声波信号相位差的检测转换为对极低频率相位差的检测。
进一步的，在步骤一中，所述结论通过以下方法得到：
在设超声波信号频率为f，测量腔内超声波接收处理后时域矩形波信号为x1(t)，周期为T1，脉宽为τ1，参考腔内超声波接收处理后时域矩形波信号为x2(t)，由于参考腔与测量腔超声波为具有相位差的同一超声波源信号，因此参考腔超接收到的声波时域波形信号也为周期为T1，脉宽为τ1，
假设参考腔内接受信号滞后测量腔信号时间差为Δt，角频率ω1，则参考腔与测量腔接收信号相位差对超声波时域信号进行比较处理转为矩形波信号，设x1(t)与x2(t)的占空比为/>取另一个矩形波信号频率y(t)，角频率ω2，令ω2略小于ω1，占空比为/>令y(t)幅值等于x1(t)与x2(t)的幅值K：
由傅里叶级数其中/> 可知，
x1(t)傅里叶级数为：
又：有/>则：/>由于x1(t)是偶函数，则bn＝0，
相应x1(t)的傅里叶级数展开为：
把x2(t)看成是x1(t)时域右移x后得到的函数，
则x2(t)的傅里叶级数展开为：
同理y(t)的傅里叶级数展开为：
令x1(t)与x2(t)分别与y(t)混频相乘，得到新函数K1(t)与K2(t)，
其中
整理得：
其中，cos(ω1-ω2)t与cos[(ω1-ω2)t-ω1Δt]分别为K1(t)与K2(t)的傅里叶级数项中低频项，其他频率项均为远高于(ω1-ω2)的高频项，而K1(t)与K2(t)分别通过低频滤波后，只留下该低频项，因此，
x1(t)与x2(t)分别与y(t)混频并通过低通滤波后，所得新信号函数K1(t)与K2(t)相位差仍然为且K1(t)与K2(t)角频率转为ω1-ω2，为低频信号，因此得出结论：混频前与混频后相位差相同。
本发明的有以下优点：本发明的一种基于超声波相位差技术进行气体浓度检测方法，可以实现将原本两个高频超声波信号相位差检测转换为极低频率相位差检测，从而达到提高检测精度的要求，解决了传统方法中对低浓度气体进行测量时***必须具有足够高的工作频率的问题。
附图说明
图1为超声波相位差气体浓度检测技术基本原理图。
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。
超声波相位差气体浓度检测技术基本原理如图1所示。将超声波信号加载于接近同程的两通道输入端，两通道中参考通道为封闭空气，测量通道中为待测浓度气体。超声波信号通过两通道时由于气体浓度不同导致声波传输速度不同，两输出端收到不同步声波信号，体现在接收信号具有相位差。该相位差经检相技术提取并经计算可得待测气体的浓度。
超声波在不同环境不同气体中有着确定的传播速度。常压下气体中超声波声速公式为，
其中，R为普适气体常数，T为环境绝对温度，M为被测气体摩尔分子量，γ为气体的比热容比，
当空气中混有被测气体时，式(1)中M与γ则可认为是混合气体的加权平均值，若空气中被测气体浓度u确定，混合气体的分子量和比热容比被确定，则此时将式(1)修正为，
其中，u为被测气体浓度，M1为背景空气摩尔分子量，M2为被测气体摩尔分子量，γ1为空气比热容比，γ2为被测气体比热容比，
经过整理相位差与气体浓度关系式可写为：
其中 T为环境绝对温度，M1为空气分子量，M2为纯净被测气体分子量，f为所加载与输入端的超声波频率，两通道超声波接收信号相位差/>测量通道与参考通道声程为L。
进一步的，设超声波信号频率为f，测量腔内超声波接收处理后时域矩形波信号为x1(t)，周期为T1，脉宽为τ1，参考腔内超声波接收处理后时域矩形波信号为x2(t)，由于参考腔与测量腔超声波为具有相位差的同一超声波源信号，因此参考腔超接收到的声波时域波形信号也为周期为T1，脉宽为τ1，
假设参考腔内接受信号滞后测量腔信号时间差为Δt，角频率ω1，则参考腔与测量腔接收信号相位差对超声波时域信号进行比较处理转为矩形波信号，设x1(t)与x2(t)的占空比为/>取另一个矩形波信号频率y(t)，角频率ω2，令ω2略小于ω1，占空比为/>令y(t)幅值等于x1(t)与x2(t)的幅值K；
由傅里叶级数
其中
x1(t)傅里叶级数为：
又：有/>则：/>由于x1(t)是偶函数，则bn＝0，
相应x1(t)的傅里叶级数展开为：
把x2(t)看成是x1(t)时域右移x后得到的函数，
则x2(t)的傅里叶级数展开为：
同理y(t)的傅里叶级数展开为：
令x1(t)与x2(t)分别与y(t)混频相乘，得到新函数K1(t)与K2(t)，
其中
整理得：
其中，cos(ω1-ω2)t与cos[(ω1-ω2)t-ω1Δt]分别为K1(t)与K2(t)的傅里叶级数项中低频项，其他频率项均为远高于(ω1-ω2)的高频项，而K1(t)与K2(t)分别通过低频滤波后，只留下该低频项，因此，
可以得出结论：x1(t)与x2(t)分别与y(t)混频并通过低通滤波后，所得新信号函数K1(t)与K2(t)相位差仍然为且K1(t)与K2(t)角频率转为ω1-ω2，为低频信号，因此得出结论，混频前与混频后相位差相同，利用该结论，通过选择频率略小于原x1(t)与x2(t)的矩形波信号y(t)，分别与x1(t)与x2(t)混频后，可以获得两个低频信号，通过求取该两个低频信号相位差，可以实现将原本对两个高频超声波信号相位差的检测转换为对极低频率相位差的检测，从而达到提高检测精度的要求。
本专利所描述的具体实施事例仅仅是其中一种参数设计情况而已，并非对本发明作任何形式上的限制。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围的情况下，都可参考上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案，做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此凡是为脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属本发明技术方案保护的范围内。

Claims (1)

1.一种基于超声波相位差技术进行气体浓度检测方法，其特征在于，所述基于超声波相位差技术进行气体浓度检测方法包括以下步骤：
步骤一、得到结论：混频前与混频后相位差相同；所述结论通过以下方法得到：
在设超声波信号频率为f，测量腔内超声波接收处理后时域矩形波信号为x1(t)，周期为T1，脉宽为τ1，参考腔内超声波接收处理后时域矩形波信号为x2(t)，由于参考腔与测量腔超声波为具有相位差的同一超声波源信号，因此参考腔接收到的声波时域波形信号也为周期为T1，脉宽为τ1，
假设参考腔内接受信号滞后测量腔信号时间差为Δt，角频率ω1，则参考腔与测量腔接收信号相位差对超声波时域信号进行比较处理转为矩形波信号，设x1(t)与x2(t)的占空比为/>取另一个矩形波信号频率y(t)，角频率ω2，令ω2略小于ω1，占空比为/>令y(t)幅值等于x1(t)与x2(t)的幅值K：
由傅里叶级数其中/> 可知，
x1(t)傅里叶级数为：
又：有/>则：/>由于x1(t)是偶函数，则bn＝0，
相应x1(t)的傅里叶级数展开为：
把x2(t)看成是x1(t)时域右移x后得到的函数，
则x2(t)的傅里叶级数展开为：cos2ω1(t-Δt)+...
同理y(t)的傅里叶级数展开为：
令x1(t)与x2(t)分别与y(t)混频相乘，得到新函数K1(t)与K2(t)，
其中
整理得：K1
其中，cos(ω1-ω2)t与cos[(ω1-ω2)t-ω1Δt]分别为K1(t)与K2(t)的傅里叶级数项中低频项，其他频率项均为远高于(ω1-ω2)的高频项，而K1(t)与K2(t)分别通过低频滤波后，只留下该低频项，因此，
x1(t)与x2(t)分别与y(t)混频并通过低通滤波后，所得新信号函数K1(t)与K2(t)相位差仍然为且K1(t)与K2(t)角频率转为ω1-ω2，为低频信号，因此得出结论：混频前与混频后相位差相同；
步骤二、利用所述结论，选择频率与已知矩形波信号x1(t)与x2(t)频率接近的矩形波信号y(t)，令y(t)分别与x1(t)与x2(t)混频并经低通滤波后，获得两个低频信号，通过求取所述两个低频信号相位差，实现将原本对两个高频超声波信号相位差的检测转换为对极低频率相位差的检测。
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