發(fā)布時(shí)間：2020-05-26 19:55

【摘要】：隨著工業(yè)化程度的不斷提高,人們對(duì)于氣體濃度檢測(cè)有著越來越大的需求,大量學(xué)者開始研究氣體濃度檢測(cè)的問題。因?yàn)橥ㄟ^弛豫聲學(xué)方法檢測(cè)混合氣體濃度成本低廉,使用期限長(zhǎng),能量損耗小,響應(yīng)較快,寬范圍的測(cè)量濃度,能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)等優(yōu)點(diǎn),所以與其他濃度檢測(cè)相比,它展現(xiàn)出了較為突出的優(yōu)勢(shì),被人們所推崇。本論文對(duì)聲學(xué)法測(cè)量氣體濃度的發(fā)展過程做了詳細(xì)的介紹,并且研究了聲速和經(jīng)典衰減理論,并介紹了它們和弛豫衰減理論的關(guān)系。本文主要研究了基于弛豫衰減理論超聲波氣體濃度的測(cè)量方法。主要的研究工作有以下幾點(diǎn):(1)基于超聲波傳播的基本規(guī)律,闡明了超聲波測(cè)混合氣體濃度的原理;在聲波傳播過程中的衰減的基礎(chǔ)上,包括經(jīng)典衰減和弛豫衰減,提出了一種三維空間中多元混合氣體濃度分布的重建方法,建立了氣體濃度分別與聲波傳播時(shí)間及聲強(qiáng)衰減之間的耦合模型。(2)研究分析超聲波飛行時(shí)間兩種測(cè)量的方法,分別闡述基于相位差的聲波走時(shí)測(cè)量原理和基于相位擬合的聲波走時(shí)測(cè)量原理,并比較優(yōu)缺點(diǎn)。(3)在構(gòu)建出氣體濃度分別與聲波傳播時(shí)間及聲強(qiáng)衰減之間的耦合模型的基礎(chǔ)上,提出了一種基于分裂Bregman迭代算法求解該問題。實(shí)際測(cè)量了聲波在典型混合氣體中的傳播衰減時(shí)間和聲強(qiáng)衰減,并且完成了對(duì)三維混合氣體濃度場(chǎng)的重建仿真工作。(4)設(shè)計(jì)搭建了混合氣體濃度的測(cè)量系統(tǒng)。以FPGA為中央處理單元,以及超聲波換能器、發(fā)射電路、接收電路、放大濾波電路,數(shù)/模轉(zhuǎn)換電路多路選擇電路等硬件設(shè)備,以及通過VHDL程序的編寫,實(shí)現(xiàn)了超聲波飛行時(shí)間和聲強(qiáng)衰減參數(shù)的測(cè)量。實(shí)現(xiàn)了核心板與上位機(jī)的通信,并分析了測(cè)量誤差的原因。
【圖文】：

器位置信息來確定矩陣ｗ中每個(gè)元素的值。逡逑圖３－１傳感器布置逡逑如圖３－１所示，我們的實(shí)驗(yàn)傳感器布置是把ｎ個(gè)傳感器中心對(duì)稱的布置在圓逡逑形區(qū)域周圍。理論上，如果一個(gè)傳感器作為發(fā)射信號(hào)換能器，會(huì)有ｎ－］個(gè)傳感器逡逑就收到信號(hào)，然而實(shí)際測(cè)量中，每種聲學(xué)傳感器發(fā)射角度ｅ是一定范圍內(nèi)的，也逡逑就是說僅在有效角度之內(nèi)才能收到聲波信號(hào)，只能被ｄ個(gè)傳感器接收。聲波的傳逡逑播路徑數(shù)則可以減少為ｎｄ／２。逡逑ｉ邋＂邋＇邋！邋．邋！邋邋ｉ邋……邋邋邋邋－邋邋邋１邋邋—－－Ｔ－．．．．．．逡逑！邐：邐ｉ邋１，一邋ｉ邐；邐：邐Ｉ逡逑■邋．－－Ｔ邐；邐１逡逑Ｈ＇邋一￣邐逡逑４－——ｊ邋－ｉ－Ｕ—逡逑ｐｉ丨－．．．．．．｜邋邐）—４［——－］—Ｌ邋ｊ逡逑Ｗｉｊ逡逑＾邋■邋－邋ｒ－Ｍ－邋：：ｊ－邋＾邋Ｔ邋＾逡逑ｆ邋ｖ邋Ｆ邋－１邋｜￣邋－ｆ邋ｆ邋■邐：邐Ｗ逡逑＼邋ｉ邐�。哄澹蛇�；邐／逡逑ｔ一…＂ｒ邐ｙ逡逑ｒ＊邋邋－？邋＾邋邋ｊ邋邋邋＊——－＊－４－—－？邋■邋■邋邋邋—＿＿＿＿ｉ．邋＾邋．．．邋邋邋＾邋邋邋邋；逡逑？＇ｉｆｆ邋ｉ邋：）邐Ｉ逡逑ｌ．．．丨、卜４、：邋ｒ：．」，Ｋ邋ｉ邋Ｉ逡逑圖３－２網(wǎng)格劃分逡逑、在重建過程期間，測(cè)量區(qū)域需要離散成多個(gè)小區(qū)域，每個(gè)小區(qū)域就是重建圖逡逑像中的像素。如圖３－２所示，，被測(cè)區(qū)域被離散成ｍｘｍ個(gè)網(wǎng)格，其中聲波的路徑逡逑１２逡逑

建立系數(shù)矩陣是聲學(xué)重建濃度的第一步，也是最重要的一步，我們需要傳感逡逑器位置信息來確定矩陣ｗ中每個(gè)元素的值。逡逑圖３－１傳感器布置逡逑如圖３－１所示，我們的實(shí)驗(yàn)傳感器布置是把ｎ個(gè)傳感器中心對(duì)稱的布置在圓逡逑形區(qū)域周圍。理論上，如果一個(gè)傳感器作為發(fā)射信號(hào)換能器，會(huì)有ｎ－］個(gè)傳感器逡逑就收到信號(hào)，然而實(shí)際測(cè)量中，每種聲學(xué)傳感器發(fā)射角度ｅ是一定范圍內(nèi)的，也逡逑就是說僅在有效角度之內(nèi)才能收到聲波信號(hào)，只能被ｄ個(gè)傳感器接收。聲波的傳逡逑播路徑數(shù)則可以減少為ｎｄ／２。逡逑ｉ邋＂邋＇邋！邋．邋！邋邋ｉ邋……邋邋邋邋－邋邋邋１邋邋—－－Ｔ－．．．．．．逡逑！邐：邐ｉ邋１，一邋ｉ邐；邐：邐Ｉ逡逑■邋．－－Ｔ邐；邐１逡逑Ｈ＇邋一￣邐逡逑４－——ｊ邋－ｉ－Ｕ—逡逑ｐｉ丨－．．．．．．｜邋邐）—４［——－］—Ｌ邋ｊ逡逑Ｗｉｊ逡逑＾邋■邋－邋ｒ－Ｍ－邋：：ｊ－邋＾邋Ｔ邋＾逡逑ｆ邋ｖ邋Ｆ邋－１邋｜￣邋－ｆ邋ｆ邋■邐：邐Ｗ逡逑＼邋ｉ邐�。哄澹蛇�；邐／逡逑ｔ一…＂ｒ邐ｙ逡逑ｒ＊邋邋－？邋＾邋邋ｊ邋邋邋＊——－＊－４－—－？邋■邋■邋邋邋—＿＿＿＿ｉ．邋＾邋．．．邋邋邋＾邋邋邋邋；逡逑？＇ｉｆｆ邋ｉ邋：）邐Ｉ逡逑ｌ．．．丨、卜４、：邋ｒ：．」，Ｋ邋ｉ邋Ｉ逡逑圖３－２網(wǎng)格劃分逡逑、在重建過程期間，測(cè)量區(qū)域需要離散成多個(gè)小區(qū)域，每個(gè)小區(qū)域就是重建圖逡逑像中的像素。如圖３－２所示
【學(xué)位授予單位】：華北電力大學(xué)(北京)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：TQ116;O429

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