基于宽频带线性调频超声的气体颗粒浓度测量方法与装置

摘要

本发明公开了基于宽频带线性调频超声的气体颗粒浓度测量方法与装置，测量方法包括：利用线性调频信号（LFM）构造测量信号，将测量信号进行数模转换后从发射超声换能器阵列发射出去；接收超声换能器阵列检测超声信号，得到接收信号；对接收信号进行模数转换，进而对接收信号进行谱估计，得到接收信号的衰减谱；对得到的衰减谱进行分析，从频率确定相应颗粒的线度，从该频率的频谱幅度根据数学建模或经验公式确定对应线度颗粒的浓度。实现所述方法的装置包括操作模块、处理模块、收发模块、输出模块和测量腔。本发明具有适用范围广，测量精度高，装置简单，成本低廉，使用方便等优点。

主权项

基于宽频带线性调频超声的气体颗粒浓度测量方法，其特征在于包括如下步骤：第一，利用线性调频信号（LFM）构造测量信号，将测量信号进行数模转换后从发射超声换能器阵列发射出去；第二，接收超声换能器阵列检测超声信号，得到接收信号；第三，对接收信号进行模数转换，进而对接收信号进行谱估计，得到接收信号的衰减谱；第四，对得到的衰减谱进行分析，从频率确定相应颗粒的线度，从该频率的频谱幅度根据数学建模或经验公式确定对应线度颗粒的浓度；所述的线性调频信号（LFM）信号可表示成：（公式1）式中，A是信号的幅度，为初始频率，b为调频系数，T是信号的时间长度，其中、b和T确定了线性调频信号的频率范围为：（公式2）根据参数控制发送信号的频率范围，通过配置参数，产生频率范围[,]的LFM信号作为测量信号；将频率范围[,]的LFM信号分成多段频率[，）、[，）……[，]的LFM信号构造，不同探头发不同频率范围的LFM信号；确定了每个频率范围段的起始频率和最高频率，从而确定每个换能器所发送的LFM信号的、b和T；每个探头将同一个频率段的LFM信号发设定次数w，假设第i个换能器的初始频率、调频系数和信号时间长度分别为、和，即[0，）发一次该换能器负责的频率段的LFM测量信号，[，）再重新发一次，依次规律发出w次；所述的接收换能器阵列接收对应发送换能器阵列发送的信号，对应是指接收换能器i接收发送换能器i发射的信号，该信号的频率范围为[，）；将接收换能器阵列接收到的各段频率范围的信号分别做模数转换和谱估计，得到各段频率的衰减谱图；接收信号的衰减谱中，B为接收信号的最大幅度，设定常数N，将频率段[,]分成N等份，每一份的距离为（公式4）其中第j等份的频率范围为[，+]，满足=+；这段频率对应的颗粒线度为=/，根据衰减谱检测出该等份频率的衰减幅度为（‑），通过衰减幅度或衰减斜率换算出对应线度的颗粒浓度，最终得出[/,/]线度范围内各种颗粒的浓度；所述测量方法通过如下测量装置实现，测量装置包括操作模块、处理模块、收发模块、输出模块和测量腔，操作模块与处理模块连接，主要用于人机交互，根据应用场景选择发射功率、等分数N、各个换能器发送信号的次数w和各个换能器发射和接收所负责的频率范围、以及相应频段信号的初始频率、调频系数和信号时间长度分别为、和；处理模块与操作模块、收发模块，以及输出模块相连，处理模块根据操作模块输入的指令进行数据处理，通过收发模块发出以及接收测量信号的波形和数据，对接收信号数据进行分析处理得出颗粒浓度的测量结果，将结果传输给输出模块输出；收发模块与处理模块相连，位于测量腔内，它包括发送换能器阵列和接收换能器阵列，负责从数模转换器获取发射信号发射，以及接收信号传给模数转换器转换；收、发换能器阵列能通过滑动调整收发阵列之间的距离，以适应不同的应用情况，衰减强时缩短它们之间的距离提高接收信号幅度，衰减弱时增大距离提高测量精度；输出模块与处理模块相连，用于显示处理模块测量的气体颗粒浓度结果，或者将检测结果送给其他系统或设备；处理模块主要包括数字处理器、数模转换器及模数转换器，其中数字处理器根据操作模块的指令产生各段的LFM信号传送给数模转换器；另外，数字处理器从模数转换器中获取接收信号的数据进行谱估计、滤波以及颗粒浓度测量；然后将测量的结果传送给输出模块输出；数模转换器和模数转换器充当数字处理器和收发模块的桥梁，将数字处理器产生的信号数模转换传给收发模块发送，从收发模块接收信号进行模数转换传给数字处理器处理。