基于声吸收谱的气体探测实验系统研究

摘要

气体探测在实际生活中具有多方面的应用，随着适合实际应用的超声参量和探测理论模型的提出，利用声波在气体中的传播特性（声速、声吸收系数）将使复杂环境下的气体探测成为可能。通过研制测量气体声吸收谱的实验装置所获得的实验数据可以用来对理论模型进行验证，同时可以在此实验装置基础上发展定性检测未知气体的智能超声波传感器。
　　本文设计并实现了一个基于声吸收谱的气体探测实验系统，可以用来测量一定被测气体条件下不同频率超声波的无量纲声吸收系数。系统采用单片机 AT89S52、波形发生器 AD9833、信号片选 CD4051以及外围电路实现了超声波换能器导轨系统，包括单片机控制板、信号发生/接收电路以及驱动电路，在该超声波换能器导轨系统支架上分别装有5组固定频率（75KHz、100KHz、200KHz、300KHz和400KHz）的超声波换能器，可以完成5组频率超声波信号的发射和接收。设计实现步进电机模块完成了不同距离处5组频率超声波发射端和接收端信号的测量。采用能够变压的抽真空型腔体，改变气体压强相当于反向改变超声波的频率，变压范围为0.1atm~1atm，相当于将5组频率超声波扩展至75KHz~4MHz频率，达到宽频率测量无量纲声吸收系数的要求。
　　系统实现后，利用该系统我们进行了大量的探测实验，并将测量得到的二氧化碳气体无量纲声吸收系数实验数据与理论声吸收谱数据进行对比，对比结果表明，系统能够基本可靠地运行，并且功能也达到了预期的目标。

目录

声明

1 绪论

1.1 课题来源与课题概述

1.2 课题研究背景及意义

1.3 课题国内外研究现状

1.4 课题研究内容

1.5 论文的组织结构

2 系统需求分析与关键技术介绍

2.1 系统需求分析

2.2 关键技术介绍

2.3 本章小结

3 系统超声信号处理的设计与实现

3.1 系统整体设计

3.2 信号发生控制模块的设计与实现

3.3 超声波换能器模块的设计与实现

3.4 步进电机模块的设计与实现

3.5 本章小结

4 系统机械结构的设计与实现

4.1 抽真空型腔体模块

4.2 腔体外围设备的设计与实现

4.3 系统机械结构的功能性测试

4.4 本章小结

5 系统测量数据与结果分析

5.1 无量纲声吸收系数的计算

5.2 实验结果与理论值对比分析

5.3 本章小结

6 总结与展望

致谢

参考文献

附录 攻读硕士学位期间申请的专利