基于声传播谱的气体传感原理

人类的日常生活和各种工业生产都不可避免地与各种各样的气体密切相关。气体传感器是传感器中的一个重要类别，也是传感器中品种及数量很庞大的、实用化程度优选的一类。混合气体中的声传播谱，即依赖于声频率的声吸收和声速频散谱线，具有随气体成分改变而变化的特性。基于声传播谱的气体传感技术，因其可直接获得气体分子结构信息的突出优势，成为当前具有发展潜力的气体传感技术之一。该气体传感技术具有在线检测、无损检测、快速响应、微低功耗、组成简单、长时间工作稳定，以及测量精度高等优点，在工业过程控制、职业健康与安全、环境与排放监测等领域有着广泛的应用前景。本书讨论了以下4个问题：①如何建立多元混合气体中声传播谱的理论预测模型；②如何定性和定量地分析声传播谱与混合气体成分关系；③如何避免声传播谱传统测量方法存在需要不断变化气体腔体的问题，给出声传播谱的实用化测量方法；④如何利用声传播谱进行气体成分定性和定量检测。本书可作为从事气体分子声学理论研究和气体传感机理研究的研究人员及工程技术人员的参考资料。

章绪论
1.1气体传感技术和超声波传感器概述
1.1.1气体传感技术
1.1.2超声波传感器
1.2基于声传播特性的气体传感技术
1.3本书的研究意义
1.4本书研究内容和组织结构
1.4.1本书的研究内容
1.4.2本书的组织结构
第2章气体介质中声传播谱的理论基础
2.1理想气体中声传播的热力学理论
2.1.1理想气体
2.1.2理想流体介质中声传播的三个基本方程
2.1.3声波动方程
2.1.4绝热过程的理想气体状态方程
2.2声波在非理想气体介质中的吸收和频散
2.2.1非理想气体介质中的经典声吸收
2.2.2非理想气体介质中的声弛豫过程
2.2.3气体分子弛豫吸收理论的发展历程
2.2.4DL理论模型的存疑
小结
第3章多元混合气体声传播谱的理论预测模型
3.1混合气体声经典吸收谱的计算
3.1.1混合气体黏度系数
3.1.2混合气体热传导系数
3.1.3混合气体声经典吸收谱的计算结果
3.2多元可激发混合气体声弛豫谱的解析模型
3.2.1单一弛豫过程的唯象理论
3.2.2混合弛豫气体的有效定体摩尔热容
3.2.3混合气体振动弛豫方程
3.2.4碰撞能量转移概率的求解
3.2.5内外自由度温度变化率之比的数值解
3.2.6混合气体声复合弛豫谱的解析表达式
3.3解析模型的仿真和分析结果
3.3.1仿真结果与实验结果的对比
3.3.2声弛豫谱的解析分析
3.3.3振动-振动量子交换数对声弛豫吸收谱的影响
小结
第4章声传播谱与气体成分的关系分析
4.1多模式振动弛豫的解耦合
4.1.1内外自由度温度变化率之比的解析结果
4.1.2混合气体有效热容的解耦合表达式
4.1.3基于解耦合模型的声弛豫吸收谱仿真结果
4.1.4解耦合过程与声弛豫吸收谱的关系
4.2声弛豫吸收谱的分解
4.2.1声复合弛豫吸收谱的可分解特性
4.2.2单一解耦合弛豫吸收谱的模式贡献度
4.2.3复合弛豫吸收谱的分解仿真结果
4.2.4解耦合单弛豫吸收谱的振动模式贡献度分析
4.3声弛豫过程的三要素
4.3.1弛豫过程三要素与声传播谱的关系
4.3.2外部环境对弛豫时间的影响
4.4振动能量转移速率影响声弛豫过程形成的分析
4.4.120%N2-80%CH4中振动能量转移速率影响
声弛豫过程形成的分析
4.4.220%N2-80%CO2中振动能量转移速率
影响声弛豫过程形成的分析
4.4.35%Cl2-75.05%N2-19.95%O2中振动能量
转移速率影响声弛豫过程形成的分析
小结
第5章声传播谱的实用化重建算法及其在气体检测中的应用
5.1不同热力学过程下的振动弛豫时间
5.2单一弛豫过程有效热容的重建算法
5.2.1基于两频点声测量值的单一弛豫过程有效热容
5.2.2PL重建算法的更正推导
5.3基于特征点的声弛豫谱重建算法
5.3.1特征点重建算法
5.3.2特征点重建算法的仿真结果
5.3.3特征点重建算法合成误差和频率选择
5.4重建算法在气体检测中的应用
5.4.1PL重建算法在气体检测中的应用
5.4.2特征点重建算法在气体检测中的应用
5.4.3基于有效弛豫区域的气体检测原理
小结
第6章总结与展望
6.1本书研究内容总结
6.2后续研究展望
参考文献