基于有效弛豫时间的声谱峰值点气体探测方法研究

Acoustic spectral peak corresponding to the effective relaxation time and relaxation strength of the gas relaxation process is an important macroscopic eigen-point. How to construct accuracy effective relaxation area for gas detection based on effective relaxation time theory is an interdisciplinary problem on acoustics gas detection with great application prospect. The location of spectral peak is unique under different concentration and temperature. We propose a theory for constructing the gas effective relaxation areas by calculating the single effective relaxation times to couple the total effective relaxation time of the multi-mode relaxation process. Meanwhile, reveal the scientific principle of the multi-mode relaxation process by analyzing the relationship of the single effective relaxation times and the coupled effective relaxation time combining with experimental data calibration. The achievements of this project would demonstrate potential for establishing an acoustic relaxation absorption spectral peak based gas detection theory to detect from unknown mixtures.

声谱峰值点是气体声弛豫过程的重要宏观特征点，它反映了气体在超声波扰动过程中的有效弛豫时间和弛豫强度。如何基于有效弛豫时间理论正确求解声谱峰值点，构建气体探测有效弛豫区域是声学气体探测领域一个极具应用前景的科学问题。不同浓度和温度条件下，峰值点分布具有唯一性。本项目通过分析混合气体中各组分单一有效弛豫时间与分子振动模式之间的关系，研究复合有效弛豫时间理论模型，进而重点研究构建混合气体理论有效弛豫区域的方法。同时通过分析混合气体中各组分浓度及温度变化与有效弛豫时间之间的关系，结合实验数据标定，揭示混合气体复合弛豫过程形成的科学原理。建立基于有效弛豫时间的声谱峰值点气体探测理论，实现从未知背景中探测气体，完成声学气体探测的突破。

项目组在项目进行过程中严格按照研究计划安排，积极探索了有效弛豫时间理论，设计并试制了基于半导体制冷器的温控系统及半导体制冷器参数测试系统，对于普通温控系统存在的滞后性较大、时变特性明显、动态特性要求较高等非线性特性，设计了一种非线性PID自抗扰控制算法。采用机理分析法与实验辨识法相结合对系统建模，与通常考虑热传导的物理建模过程不同，本项目所用建模方法忽略了复杂的热传导引入参数过多的影响，对于多种不同的实际应用场景，具有更好的适用性。仿真和实验结果表明，非线性PID自抗扰控制算法克服了常规PID控制的缺点，所设计的半导体制冷器温控系统具有更好的控制效果，稳态精度达到了，快速性、稳定性以及抗干扰能力均优于常规PID控制器。为进一步试制基于声吸收谱线峰值点的智能气体传感器原型奠定了较好的基础。此外，在上述完成内容的基础上进一步对系统进行升级优化，设计了基于LADRC的半导体制冷器温度控制器以提高测量系统的精度与稳定性。从半导体制冷片工作原理出发试制了可满足工业测量需求的半导体制冷器性能参数测量系统。实验结果验证了系统设计测量方法和硬件电路的可行性，可靠性，精度，可重复性和稳定性。项目组设计的半导体制冷片性能参数检测系统与现有的检测系统相比性价比更高，能够更加快速全面测出相关的性能参数，稳定性好，测量结果不产生漂移，且系统的精度达到国内半导体生产厂家及二次生产厂家在工业生产中的需求。