基于声谱特征点的多元可激发混合气体检测方法研究

This project studies the sensing method for multi-component excitable gas mixtures based on the acoustic relaxation phenomenon.First, we research on the characteristic points of acoustic spectra curve rather than the whole curve using by traditional way. Without the necessity of varying the ambient pressure, the three elements of effective heat capacity of relaxing gases, i.e. the heat capacity of external degree of freedom (DOF), the coupling heat capaciy and the relaxation time, is obtained from the characteristic points of acoustic spectra, which are synthesized by the two-frequency acoustic measurements. Second, on the one hand, based on the measured heat capacity of external DOF, we can not only quantitatively detect gas concentration,but also determine molecular symmetry. On the other hand, by using the measured coupling heat capacity, gas concentration also can be detected, and a possible way to qualitatively detect gas compostions is proposed based on the vibrational frequencies. Consequently, this project can not only simplify the traditional acoustic method of studying molecular relaxations in excitable gases, but also obtain the analytical relation, which is not be given by the exisiting methods, between acoustic measurements and gas concentration or a molecular feature. The proposed method can be applied for monitoring and detecting mine gas in real-time.

本项目研究利用多元可激发气体中声弛豫现象进行气体检测的传感方法。首先，将传统上的研究对象由声谱曲线转变为声谱特征点，在无需改变气体腔体压强的条件下，通过两个点频上声测量值合成声谱特征点，再由特征点求解得到弛豫气体有效热容的三要素--外自由度热容、耦合热容、弛豫时间。其次，通过三要素之一的外自由度热容与气体分子浓度和分子几何结构的解析关系，不仅可实现气体浓度的定量检测，还可用于检测气体分子几何结构；利用耦合热容这一要素与气体分子浓度和振动特征频率的解析关系，亦可用于气体浓度的定量检测，同时为定性地判断气体分子成分提供了可能。本研究一方面可简化气体分子弛豫现象的声学传统研究方法，另一方面解决了既有利用声弛豫现象的气体检测方法不能获得声测量值与气体浓度或某一分子特性的解析关系的问题。本项目的预期研究成果可应用于煤层瓦斯气体的实时监测和检测。

声扰动引起的气体分子振动弛豫造成声吸收和声速随频率变化而改变的声驰豫现象。本项目开展了如何利用多元可激发气体声弛豫现象进行气体检测的相关基础理论和传感方法研究。在气体声弛豫基础理论方面取得的主要研究成果有：将声复合弛豫过程的声吸收谱分解为一组单弛豫过程声吸收谱之和，给出了可定量计算混合气体中振动模式对声弛豫吸收贡献度的理论模型；给出了考虑发生2量子-1量子的振动-振动能量交换时混合气体振动弛豫时间的计算模型；提出了等温、绝热定压和绝热定容弛豫时间的两频点声测量值重建算法；给出一种从微观振动能量转移速率角度来分析混合气体中声弛豫过程形成机理的理论模型。在气体检测传感方法方面取得的主要研究成果有：提出一种在无需改变气体腔体压强的条件下，基于两频点声速和声吸收测量值合成气体平衡态热容的算法，并将该算法合成的转动和振动热容应用于气体分子几何结构、振动频率大小和混合气体摩尔分数的检测；提出利用声吸收谱峰值点弛豫频率和弛豫吸收最大值与气体成分的关系，从两个维度同时定量检测气体成分的检测方法；推导了多元可激发气体中声弛豫频率和外部环境温度、压强的解析关系，并将声弛豫频率线性正比于环境压强的关系应用于气体腔体的压强检测;进行了声学气体传感器原型的联合设计。从而不仅扩展了既有的可激发气体声驰豫基础理论，还提出了基于气体中声弛豫现象的新型传感方法，实现了将传统的对象由声谱曲线转变为声谱特征点，通过求解有效热容的三要素实现对气体浓度的定量检测、气体分子结构特征和气体压强的检测。