基于声光融合的混合气体温度场浓度场测量方法及装置.pdf

本发明属于声光检测技术领域，尤其涉及一种基于声光融合的混合气体温度场浓度场测量方法及装置。该方法根据测量计算得到的若干声波线及固定波长激光光路穿越测量区域的声速及光谱积分吸收率，结合指数SVD反演算法确定了气体二维区域内的声速及光谱吸收系数分布，利用声速及光谱吸收系数与混合气体温度和浓度的函数关系，同时重建混合气体在测量区域的温度场及浓度场，该装置利用窄带宽的两个声波频率，测量收-发信号的相位差，实现准确的声波传播时间的测量，利用探测器接收的激光强度与准直器入射激光强度之比得到固定光谱积分吸收率。本发明可应用于工业生产和生活中的多个领域，特别是锅炉内燃烧过程的监测及控制。

权利要求书
1.  一种基于声光融合的混合气体温度场浓度场测量方法，其特征在于，包 括：
步骤1、测量在被测区域中传播的声速以及固定波长激光的光谱积分吸收 率；
步骤2、分别建立并联合声速、固定波长激光的光谱积分吸收率与混合气体 浓度、温度间的关系模型，提出了基于声光融合同时确定混合气体温度、浓度 耦合模型；
步骤3、在二维区域中，利用步骤1得到声速及固定波长激光的光谱积分吸 收率信息，基于指数SVD反问题求解算法，计算得到二维区域不同处的声速及 固定波长激光的光谱积分吸收率；再利用步骤2建立的耦合模型，实现对被测 二维区域温度场及浓度场的重建计算。

2.  根据权利要求1所述方法，其特征在于，所述步骤1中的声速的测量方 法为：利用窄带宽的两个声波频率，测量收-发信号的相位差，实现准确的传播 时间的测量；根据声学传感器的安装位置计算对应声波传播距离，声速是声波 传播距离与对应声波传播时间的商。

3.  根据权利要求1所述方法，其特征在于，所述步骤1中的固定激光的光 谱积分吸收率的信息是通过激光探测器接收信号强度与对应准直器激光发射强 度来获取。

4.  根据权利要求1所述方法，其特征在于，所述的步骤2中，声速同混合 气体温度、浓度关系表达如下：
c = γ mix RT M mix ]]>
其中，c为声速，γmix为混合气体定压热容与定体积热容之比，R为气体常 数，T为烟气温度，Mmix为混合气体平均分子质量；γmix和Mmix与气体组成成分 浓度及温度有关。

5.  根据权利要求1所述方法，其特征在于，所述的步骤2中，固定波长激 光的光谱积分吸收率同混合气体温度、浓度之间的关系式表达如下：
A = ∫ - ∞ + ∞ - ln ( I t I 0 ) dv = PLXS v ( T ) = α v L ]]>
其中，A为固定波长激光的光谱积分吸收率，I0为入射光强，It为投射光强， ν为激光频率，P为测量环境的压力，L为吸收光程，X为吸收组分浓度，αv为 吸收系数，Sv(T)为测量所用谱线在温度T下的强度；I0与It符合的Beer-Lambert 定律及Sv(T)的表达式如下：

S v ( T ) = S v ( T 0 ) Q ( T 0 ) Q ( T ) exp [ - hcE k B ( 1 T - 1 T 0 ) ] × [ 1 - exp ( hcE / k B T ) 1 - exp ( hcE / k B T 0 ) ] ]]>
其中，为线型函数，满足Q(T)为分割函数，其可用温度T 的多项式拟合，h为普朗克常数，c为真空中的光速，E为低能级能量，kB为玻 尔兹曼常数，T为测量温度，T0为参考温度，Sv(T0)为参考温度T0下的谱线强度。

6.  根据权利要求1所述方法，其特征在于，所述的步骤3中，对被测二维 空间不同处混合气体的温度和浓度同时重建用以下两式进行描述：
t AB = ∫ L AB ds c ( x , y ) ]]>
A CD = ∫ L CD α ( x , y ) ds ]]>
其中，LAB表示A处到B处的声波路径，LCD表示C处到D处的声波路径， tAB为声波从A处到B处的传播时间，c(x,y)为坐标(x,y)处的声速，ACD为激光 从C处到D处的积分吸收率，α(x,y)为坐标(x,y)处的吸收系数。

7.  一种基于声光融合的混合气体温度场浓度场测量装置，其特征在于，包 括：声学传感器、激光准直器、激光探测器、单片机、第一放大器、双向开关、 声波发射端多路开关、声波接收端多路开关、第二放大器、相位检测模块、激 光控制器、激光光源及基座、激光斩波器、激光分路器、光纤、锁相放大器、 数据采集卡、计算机；
其中，被测区域周围布置多个声学传感器以及对应的激光准直器和激光探 测器；声学传感器分别连接声波发射端多路开关和声波接收端多路开关，声波 发射端多路开关分别连接双向开关、相位检测模块、第一放大器、单片机，声 学接收端多路开关分别连接第二放大器、双向开关、相位检测模块，计算机再 与相位检测模块和单片机相连接；多个激光准直器与激光分路器通过光纤连接， 激光分路器、激光斩波器、激光光源及基座、激光控制器依次连接，光源功率 由激光控制器控制，激光探测器、锁相放大器、数据采集卡，计算机依次相连。

8.  根据权利要求7所述装置，其特征在于，所述声学传感器为收发一体， 每个声学传感器由信号线连接至多路开关芯片，超声波发射信号由单片机提供， 同时单片机提供双向开关与多路开关的控制信号，双向开关负责选择声学传感 器完成发射或者接收功能，而多路开关控制信号负责声学测量通道的选择。

9.  根据权利要求7所述装置，其特征在于，所述计算机发出声学测量的使 能信号指令，每次测量结果通过USB接口数据线传输回计算机。

10.  根据权利要求7所述装置，其特征在于，所述激光准直器发出激光， 激光控制器控制光源发出的激光通过斩波器调制后由激光分路器分成若干束激 光经过光纤传输至激光准直器，激光探测器接收衰减后的激光并转化为电压信 号，通过内部自带的放大电路进行放大后输出至锁相放大器，锁相放大器输出 的信号通过数据采集卡传入计算机。

说明书基于声光融合的混合气体温度场浓度场测量方法及装置
技术领域
本发明属于声光检测技术领域，尤其涉及一种基于声光融合的混合气体温 度场浓度场测量方法及装置。
背景技术
随着工业化的快速发展，气体温度及组分浓度已经成为化学工业有毒气体 检测、生物工程、燃烧诊断等领域中不可或缺的监测对象。特别对于大型火力 发电锅炉以及工业炉内的燃烧过程，由于温度及浓度总是耦合的反映燃烧过程 参数，若能同时精确的测量其温度场及浓度场，将对控制运行工况具有重要意 义。
在声学法测温方面，早在1873年，Mayler就首次提出并成功利用声学法确 定了气体环境下的热力条件，但是直到20世纪80年代左右，声学法测温技术 才作为一种新兴的科学技术被正式提出并受到各国学者及工程技术人员的关 注，但利用该方法测温会受到测量气体浓度变化的影响，而在声学法测浓度方 面，最早是由Zener、Landau、Teller研究的弛豫衰减理论用于双原子气体的测 量，Schwarz、Kneser提出了SSH理论，以气体分子在声波的影响下发生碰撞从 而导致的分子内部微观振动自由能、转动自由能及宏观分子平动自由能之间能 量互相转移模型来解释气体弛豫声衰减，而后，Tanczos将SSH理论成功应用于 分析多原子气体。本世纪初，美国西北大学Dain、Lueptow等发展了SSH理论， 提出的D-L理论能够用于三种多原子气体成分的测量，但是由于高温转动弛豫 及振动弛豫振动机理的复杂性，该理论尚在研究阶段。
而在光学法方面，二十世纪中叶，Schawlow和Townes提出了设计激光器 的原理，随着可调谐半导体激光器制造技术的发展，到了二十世纪六十年代利 用可调谐半导体激光光源来得到高分辨率的吸收光谱成为了可能。Goulard等在 80年代首先提出了利用光学重建技术来进行非反应流体的研究，随后国外研究 学者在基于激光吸收光谱技术的气体重建方面进行了大量的算法研究和实验分 析。可调谐吸收光谱技术具有高灵敏度及精确度，但是可调谐设备本身价格昂 贵，不利于应用推广，且由于函数关系的复杂性，对于其温度场浓度场的同时 重建在算法上仅能选择遗传模拟退火等迭代算法，重建的实时性得不到保证。
发明内容
一种基于声光融合的混合气体温度场浓度场测量方法，包括：
步骤1、测量在被测区域中传播的声速以及固定波长激光的光谱积分吸收 率；
步骤2、分别建立并联合声速、固定波长激光的光谱积分吸收率与混合气体 浓度、温度间的关系模型，提出了基于声光融合同时确定混合气体温度、浓度 耦合模型；
步骤3、在二维区域中，利用步骤1得到声速及固定波长激光的光谱积分吸 收率信息，基于指数SVD反问题求解算法，计算得到二维区域不同处的声速及 固定波长激光的光谱积分吸收率；再利用步骤2建立的耦合模型，实现对被测 二维区域温度场及浓度场的重建计算。
所述步骤1中的声速的测量方法为：利用窄带宽的两个声波频率，测量收- 发信号的相位差，实现准确的传播时间的测量；根据声学传感器的安装位置计 算对应声波传播距离，声速是声波传播距离与对应声波传播时间的商。
所述步骤1中的固定激光的光谱积分吸收率的信息是通过激光探测器接收 信号强度与对应准直器激光发射强度来获取。
所述的步骤2中，声速同混合气体温度、浓度关系表达如下：
c = γ mix RT M mix ]]>
其中，c为声速，γmix为混合气体定压热容与定体积热容之比，R为气体常 数，T为烟气温度，Mmix为混合气体平均分子质量；γmix和Mmix与气体组成成分 浓度及温度有关。
所述的步骤2中，固定波长激光的光谱积分吸收率同混合气体温度、浓度 之间的关系式表达如下：
A = ∫ - ∞ + ∞ - ln ( I t I 0 ) dv = P LXS v ( T ) = α v L ]]>
其中，A为固定波长激光的光谱积分吸收率，I0为入射光强，It为投射光强， ν为激光频率，P为测量环境的压力，L为吸收光程，X为吸收组分浓度，αv为 吸收系数，Sv(T)为测量所用谱线在温度T下的强度；I0与It符合的Beer-Lambert 定律及Sv(T)的表达式如下：

S v ( T ) = S v ( T 0 ) Q ( T 0 ) Q ( T ) exp [ - hcE k B ( 1 T - 1 T 0 ) ] × [ 1 - exp ( - hcE / k B T ) 1 - exp ( - hcE / k B T 0 ) ] ]]>
其中，为线型函数，满足Q(T)为分割函数，其可用温度T 的多项式拟合，h为普朗克常数，c为真空中的光速，E为低能级能量，kB为玻 尔兹曼常数，T为测量温度，T0为参考温度，Sv(T0)为参考温度T0下的谱线强度。
所述的步骤3中，对被测二维空间不同处混合气体的温度和浓度同时重建 用以下两式进行描述：
t AB = ∫ L AB ds c ( x , y ) ]]>
A CD = ∫ L CD α ( x , y ) ds ]]>
其中，LAB表示A处到B处的声波路径，LCD表示C处到D处的声波路径， tAB为声波从A处到B处的传播时间，c(x,y)为坐标(x,y)处的声速，ACD为激光 从C处到D处的积分吸收率，α(x,y)为坐标(x,y)处的吸收系数。
一种基于声光融合的混合气体温度场浓度场测量装置，包括：声学传感器、 激光准直器、激光探测器、单片机、第一放大器、双向开关、声波发射端多路 开关、声波接收端多路开关、第二放大器、相位检测模块、激光控制器、激光 光源及基座、激光斩波器、激光分路器、光纤、锁相放大器、数据采集卡、计 算机；
其中，被测区域周围布置多个声学传感器以及对应的激光准直器和激光探 测器；声学传感器分别连接声波发射端多路开关和声波接收端多路开关，声波 发射端多路开关分别连接双向开关、相位检测模块、第一放大器、单片机，声 学接收端多路开关分别连接第二放大器、双向开关、相位检测模块，计算机再 与相位检测模块和单片机相连接；多个激光准直器与激光分路器通过光纤连接， 激光分路器、激光斩波器、激光光源及基座、激光控制器依次连接，光源功率 由激光控制器控制，激光探测器、锁相放大器、数据采集卡，计算机依次相连。
所述声学传感器为收发一体，每个声学传感器由信号线连接至多路开关芯 片，超声波发射信号由单片机提供，同时单片机提供双向开关与多路开关的控 制信号，双向开关负责选择声学传感器完成发射或者接收功能，而多路开关控 制信号负责声学测量通道的选择。
所述计算机发出声学测量的使能信号指令，每次测量结果通过USB接口数 据线传输回计算机。
所述激光准直器发出激光，激光控制器控制光源发出的激光通过斩波器调 制后由激光分路器分成若干束激光经过光纤传输至激光准直器，激光探测器接 收衰减后的激光并转化为电压信号，通过内部自带的放大电路进行放大后输出 至锁相放大器，锁相放大器输出的信号通过数据采集卡传入计算机。
本发明提供了一种重建混合气体温度场及浓度场的新方法及装置，具有以 下有益效果：(1)测量方法首次提出，原理简单，集合了声学及光学的测量优 势，精度较高。(2)由于固定波长的激光光源成本较低，增加的声学设备价格 也较低廉，故整个系统成本较可调谐激光检测系统低很多。(3)能同时完成温 度场及浓度场的重建，具有较大的工程意义。
附图说明
图1为基于声光融合法的温度场、浓度场测量装置结构示意图。
图2(a)-(c)为同时重建温度场、浓度场方法示意图。
图3(a)-(b)为实验测量数据图。
图4(a)-(b)为重建的温度场及浓度场图。
其中，1-声学传感器、2-激光准直器、3-激光探测器、4-被测区域、5-单片 机、6-第一放大器、7-双向开关、8-声波发射端多路开关、9-声波接收端多路开 关、10-第二放大器、11-相位检测模块、12-激光控制器、13-激光光源及基座、 14-激光斩波器、15-激光分路器、16-光纤、17-锁相放大器、18-数据采集卡、19- 计算机。
具体实施方式
本发明提供一种基于声光融合的温度场浓度场测量方法及装置。下面结合 附图，对优选实施例作详细说明。
图1所示为基于声光融合法的温度场、浓度场测量装置结构示意图。图中， 在被测区域4周围布置若干声学传感器1及对应激光准直器2和激光探测器3。 声学模块部分，声学传感器1分别连接声波发射端多路开关8和声波接收端多路 开关9，声波发射端多路开关8分别连接双向开关7、相位检测模块11、第一放 大器6、单片机5，声学接收端多路开关9分别连接第二放大器10、双向开关7、 相位检测模块11，计算机19再与相位检测模块11和单片机5相连接。光学模 块部分，若干个激光准直器2与激光分路器15通过光纤16连接，激光分路器 15与激光斩波器14、激光光源及基座13连接，光源功率由激光控制器12控制， 若干个激光探测器3依次与锁相放大器17、数据采集卡18以及计算机机19相 连，计算机机19接收数据采集卡18的数字信号。
每个声学收发器都是收发一体，其既可以作为声波发射端又可以作为声波接 收端，整个声学模块若干声波时间测量的过程如下：计算机19控制单片机5发 出与声波传感器1额定工作频率相同的方波信号，经过第一放大器6将信号放大， 并通过相位检测模块11拾取此时信号的相位，双向开关7控制信号的发射，经 过多路开关8、9开关芯片阵列控制若干声学传感器1的收发，接收到的信号通 过第二放大器10放大，双选开关7控制信号的接收，相位检测模块11再次拾取 接收信号的相位，对比得到相位差信息反馈到计算机19。整个光学模块若干固 定光谱积分吸收率的测量过程是将外部高频正弦调制信号输入到激光控制器 12，打开激光控制器12，激光光源及基座13在激光控制器12控制下发出激光， 由光学斩波器14调制的激光通过激光分路器15分成相同波长的若干路，通过光 纤16传输到对应的准直器2，激光与被测区域4中气体相互作用，衰减后的激 光由激光探测器3接收并转化为电压信号，并通过内部自带的放大电路进行放大 后输出至锁相放大器17，将锁相放大器17输出的信号通过数据采集卡18传入 计算机19。计算机19通过处理相位检测模块8及数据采集卡18导出的测量数 据，利用提出的声光融合理论得到被测区域4的温度场及浓度场。
实施例
以甲烷在空气中完全燃烧得到的CO2-H2O-N2-O2混合气体为例，用图2显示 为：建立两个关系模型：声速依赖混合气体温度、浓度的三维模型，固定波长激 光吸收系数依赖混合气体温度、浓度的三维模型。
如图2(a)，若测得声波在混合气体中的传播速度为c0，那么在图中就可以 做一水平切面，与模型交于一条线，同理，通过测得的固定光谱积分吸收率除以 距离得到吸收系数α0，也可作一条交线，如图2(b)。再将这两条交线投影到温 度-浓度坐标上，两投影交点即为混合气体对应的温度及浓度如图2(c)。具体步 骤如下：
步骤1：根据所提出的声光融合测量温度、浓度的新方法，针对具体的被测 气体，计算得到图2(a)(b)所示的声速和固定波长吸收系数模型；
步骤2：利用本专利提出的声学部分测量系统，由单片机控制发出特定频率 的声波信号经过放大后由多路开关控制声波发射顺序，接收端同时接收，依次进 行；
步骤3：利用本专利提出的光学部分测量系统，由激光分路器将固定波长的 激光分成若干路，由光纤传导后通过准直器发出经过被测区域由相应的激光探测 器接收；
步骤4：通过相位检测模块及接收激光强度与原激光强度的对比，由电脑主 机终端进行声信息及光信息的处理，提取出声波信号及激光信号在被测区域的时 间图3(a)及衰减结果图3(b)，再通过反演算法，得到二维区域内像素点的声 速及吸收系数，最后通过步骤1得到的计算模型，实现了温度场及浓度场的重建 计算。
步骤5：对重建结果进行温度场图4(a)、浓度场图4(b)图像显示，输出 被测区域温度及浓度信息。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限 于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到 的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应 该以权利要求的保护范围为准。