基于气体弛豫特征的声学传感方法研究

Acoustic gas sensing is the innovative developing direction of gas information sensing mechanism and detection theory. The existing acoustic sensing methods based on gas relaxation phenomena are faced with some critical problems such as the strong dependence of the detection results on the priori conditions and the poor portability of the detection methods, which are rooted in the limitation of the acoustic gas sensing theory. To solve the problems, we propose the relaxation feature based acoustic gas sensing theory for detection in the unknown complex mixtures. Based on the analytical decomposition method of acoustic relaxation spectra in mixture, we will obtain the mapping parameter of intrinsic vibrational modes of gas components reflected in decomposed spectra and clarify the unique relaxation feature corresponding to the gas components. Then we explore the signal processing methods for acoustic spectra discretization and present the relaxation feature extraction and identification method for gas component sensing. Finally, with the experimental validation, the proposed acoustic gas sensing theory based on relaxation feature will be established and perfected, and the application of the proposed theory in the unknown complex mixtures is promoted. The achievement of the project supplies an acoustic gas sensing method with strong theoretical operability and practical applicability, providing important theoretical and technical support for future acoustic gas sensing fields.

声学气体传感技术是气体信息传感机理与检测的创新发展方向。已有基于声弛豫现象的气体传感方法在对复杂未知的多组分混合气体进行探测时，面临着识别结果依赖于先验条件、识别方法可移植性差等突出问题，其根源在于现有声学传感理论本身的局限性。为解决上述问题，本项目将研究混合气体弛豫声谱解析分解方法，获取气体组分的内振动模式在分解声谱上的映射参数，明确对应气体组分的唯一弛豫特征参数；进而寻找弛豫声谱离散化特征提取的信号处理手段，研究混合气体的组分弛豫特征提取和识别方法；最终通过对声弛豫特征传感方法适用性的实验验证，建立和完善基于气体弛豫特征的声学传感理论，并推进该理论在复杂未知的多组分混合气体中的应用。本项目的实施将提出具有较强理论可操作性和实际适用性的声学气体传感方法，为我国声气体探测领域提供理论和技术支撑。

声学气体传感技术能够适应复杂多样的气体检测新趋势。然而，现有的声学气体传感依赖于区分声谱现象的经验性识别，并未从本质的气体弛豫特征的理论层面着手解决问题。建立适用于复杂未知背景中气体识别的声弛豫特征传感理论，获得一种简单、可靠、普适、实施有效的声学气体传感方法，是本项目的核心目标。.本项目首先基于气体分子内部振动模式及其能级跃迁的唯一性，建立了混合气体弛豫声谱解析分解的理论模型，提出混合气体的复合弛豫过程是通过每种成分的单独弛豫能量转移完成。然后，明确了气体组分的内部振动模式在分解单弛豫声谱上映射的唯一弛豫特征参数，提出内部比热容直接关联了分子本质振动模式与气体声弛豫现象，是可用于气体唯一识别的声学弛豫特征“指纹”信息。同时获得了基于少数频率点上的声速和声弛豫吸收测量值的弛豫特征参数的简便快速提取方法，为全面建立声弛豫特征气体传感方法奠定了理论和实验基础。 .基于已建立的理论，本项目提出了基于弛豫特征的声学气体传感方法，包括：1）基于气体分子本质弛豫特征内部比热容的声学传感方法，实现了未知复杂背景中的气体识别；2）基于弛豫强度和弛豫频率的声学气体传感方法，通过将声谱量化为两个弛豫特征实现了多元混合物中外来气体成分的定量检测；3）基于分解声谱峰值信息的声学气体传感方法，实现了常见混合气体组分的定性定量分析。这些方法结合解析理论分析与信号处理手段，提取了不同组分的本质弛豫特征信息及其在宏观声谱上的特征参数，共同构建了完善的基于气体弛豫特征的声学传感理论。此外，本项目还搭建了含有多个点频率声换能器的气体声传感器实验装置原型，获得了常见气体的弛豫声谱实验数据，为本项目的理论研究结果提供了有力支持。.综上所述，本项目顺利完成了申请时的预期目标：建立气体弛豫声谱分解的解析模型，获得混合气体的组分弛豫特征提取和识别方法，实现复杂未知的多组分混合气体识别。