气体声弛豫传感实验系统研究.pdf

分类号 学号 M201671904
学校代码 10487 密级







硕士学位论文


气体声弛豫传感实验系统研究


学位申请人 ：汪念
学 科 专 业 ：电子与通信工程
指 导 教 师 ：朱明 副教授
兼职导师 ：夏东海 高级工程师
答 辩 日 期 ：201 8 年 5 月 25 日
A Thesis Submitted in Partial Fulfillment of the Requirements
for the Degree for the Master of Engineering




The Study of Gas Sensor Experiment System Based
on Acoustic Relaxation


Candidate : Wang Nian
Major : Electronic and Communication Engineering
Supervisor : Associate Prof. ZHU Ming
Tutor : Senior Engineer XIA Donghai

Huazhong University of Science & Technology
Wuhan 430074,
May, 2018
华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文
摘 要
气体探测在实际的生产生活中有着很多的应用需求，首先它给石油化工、航空
航天等领域提供了安全的保障，随着大家对环境保护重视程度的增加，大气环境的
检测也变得更加引发关注。气体声学理论的发展使得利用声谱（声衰减谱和声速谱）
实现快速准确的气体成分浓度分析成为可能。研制气体声驰豫传感实验系统，能够
测量不同气体介质的声谱，对气体声学的相关理论模型进行验证，同时还能在此基
础之上设计适合于实际应用的智能化超声探测装置。
本文设计并实现了气体声驰豫传感实验系统，可以用来测量宽频域下气体介质
中的声衰减和声速频散谱。通过 7 个固定频率的超声波换能器和能够提供
-3atm 压强环境的正负压实验腔体，覆盖 8KHz-4MHz 的频率范围。利用单片
机和波形发生器控制产生特定频率的正弦波，通过一对同频率的超声波换能器实现
超声波的发射和接收，利用步进电机系统来改变收发两端的距离。同时基于 labview
设计了数据采集处理系统，来实现自动化控制及测量，利用此软件系统能够实现步
进电机的控制、温度和湿度数据以及发射端和接收端信号的采集，并直接对采集到
的波形数据进行去噪处理和相关计算得到所需要的声学参数。
系统设计完成后，首先对其进行了功能性测试，然后利用该实验系统在二氧化
碳和二氧化碳-氮气的气体环境下进行了无量纲的声衰减系数和声速值的测量，与实
验室已有的实验装置（原型 1）相比，本系统能够覆盖气体介质发生驰豫过