基於聲學特性的多組分氣體濃度檢測理論與方法研究

《基於聲學特性的多組分氣體濃度檢測理論與方法研究》是依託哈爾濱理工大學，由丁喜波擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：基於聲學特性的多組分氣體濃度檢測理論與方法研究
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：丁喜波
• 依託單位：哈爾濱理工大學

項目摘要

氣體聲傳播特性與分子熱力學特性密切相關，建立氣體聲學特性理論模型已成為該研究領域的迫切需求。本課題通過實驗研究和理論分析對混合氣體聲學特性參量、分子微觀結構及其關係進行研究，使基於聲傳播特性的感測技術理論和方法得到深入發展。將根據已有研究及課題組的前期研究工作，從可用於氣體檢測的聲學參量中（包括反射共振頻率、聲速、經典聲衰減、有效弛豫衰減等），確定顯著的氣體檢測聲學參量，並建立其與氣體濃度關係的數學模型，探索出能夠檢測出多組分氣體濃度的聲參量測試方法。主要研究工作有：1.基於微觀結構的氣體聲學參數、環境參數及相互關係研究；2.反射共振頻率與氣體濃度關係的理論研究；3.經典聲衰減、有效弛豫衰減與氣體濃度關係理論研究；4.多組分混合氣體聲特性檢測實驗方法研究。開展本課題研究工作將使利用聲波作為定量檢測混合氣體成分成為可能，從而進一步推動聲氣體感測技術發展。

結題摘要

氣體濃度檢測有著廣泛的需求和套用前景，實時檢測混合氣體中多種成分的濃度有廣泛需求。基於聲傳特性的氣體感測技術，因其可直接獲得氣體分子結構信息的突出優勢，成為當前最有潛力的氣體感測技術之一。但是氣體聲學檢測技術的相關的理論研究不夠深入。目前已有一些氣體聲特性的理論模型都建立在一個或多個經驗參數之上，無法滿足聲氣體感測技術的定量分析的需要。因此，建立多元混合氣體中聲傳播的理論模型是基於聲學量的氣體感測技術的理論基礎，提出可定性和定量分析聲學量與混合氣體成分關係的分析模型是實現氣體感測技術的理論關鍵。主要研究內容有：1.基於聲學特性的氣體濃度檢測理論研究： 對基於微觀結構的氣體聲學巨觀參數的理論進行了研究，研究了分子微觀結構與聲速、弛豫聲衰減係數、弛豫頻率、弛豫時間的關係。對混合氣體有效熱容與混合氣體各組分摩爾分數的關係進行了理論分析，並建立了數學模型。完成了經典聲衰減、有效弛豫衰減與氣體濃度關係理論研究，提出了混合氣體濃度檢測算法。2.基於聲學特性的氣體濃度檢測套用研究：完成了氣體聲特性測試方法與實驗裝置研究，開發出具有一定套用價值的氣體聲學實驗裝置一套，採用此實驗裝置進行了實驗，為課題套用研究奠定了基礎。在此基礎上完成了多個基於聲學特性的氣體濃度檢測套用研究，包括超音波全量程甲烷濃度感測器、超音波低濃度氫氣濃度感測器、超音波三維風速及背景氣體濃度測試系統、基於超音波的微弱氣體濃度檢測系統，完成了多台具有套用前景的原理樣機。本課題獲得授權專利5項；依據本課題的理論和實驗成果發表學術論文10篇；研製出聲學參數實驗裝置1套；完成了多台具有套用前景的基於聲學特性的氣體濃度檢測原理樣機；通過本課題的實施培養博士1名、碩士5名。本研究成果為基於聲傳播的氣體感測技術提供了必要的基礎理論，推動了該技術的實用化發展，為今後同類研究提供有益參考。