基于声传播谱气体传感技术理论的研究

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1、万方数据ADissertationSubmittedinPartialFulfillmentoftheRequirementsfortheDegreeofDoctorofPhilosophyinEngineeringTheoryforgassensingtechnologybasedonacousticspectraPh.D.Candidate:ZhangKe-ShengMajor:InformationandCommunicationEngineeringSupervisor:Prof.Wan

2、gshuHuazhongUniversityofScienceandTechnologyWuhan，Hubei430074，P.R.ChinaNovember2013万方数据万方数据独创性声明本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本论文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到，本声明的法律结果由本人承担。学位论文作者签名：日期：年月日

3、学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。本论文属于保密□，在_____年解密后适用本授权书。不保密□。（请在以上方框内打“√”）学位论文作者签名：指导教师签名：日期：年月日日期：年月日万方数据万方数据华中科技大学博士学位论文摘要混合气体中的声传

4、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，成为当前最有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。建立多元混合气体中声传播谱的理论预测模型，是基于声传播谱的气体传感技术的理论基础；提出可定性和定量分析声传播谱与混合气体成分关系的分析模型，

5、是实现该气体传感技术的理论关键；找到简便的声传播谱重建测量方法，则是这一气体传感技术可实用化的先决条件。本文首先对基于声传播谱的气体传感技术的应用背景、研究现状进行了介绍，并分析了该技术目前所存在的问题，然后主要从以下三个方面开展了研究工作：第一，针对声热弛豫传统理论不能适用于三元及以上多元混合气体的问题，引入分子内外自由度温度变化率之比这一参量，将Schwartzetal.（SSH）、Tanczos、Lueptowetal.（DL）的振动弛豫方程理论，与Herzfeld和Litovitz的弛豫

6、气体有效热容理论相结合，提出了一个可适用于三元及以上混合气体的声弛豫谱模型，并推导得到声复合弛豫谱和混合气体分子弛豫特性之间关系的解析表达式。仿真结果表明：对于CH4、N2、CO2、Cl2和O2组成的多种混合气体，该解析模型的声吸收谱与实验数据相符，峰值误差在1%以内，且反映了声复合弛豫吸收谱上通常仅会显现1-2个吸收波峰的物理现象。与已有模型相比，本解析模型可直接求出多元混合气体声弛豫谱上特征点的解析形式。从而为研究不同环境条件下，声传播特性与气体分子弛豫特性的关系提供了一个有效理论模型。第二

7、，针对既有理论模型不能定量解释多元混合气体中声吸收谱峰与分子弛豫过程的关系，也不能分析气体分子振动模式对声弛豫吸收贡献比例的问题，分别提出了一个多模式振动弛豫的解耦合模型和复合弛豫吸收谱的分解模型。首先，该解I万方数据华中科技大学博士学位论文耦合模型将振动-振动耦合能量，去耦合到每一条振动-平动的去激发路径，并将去耦合的结果用于分析多模式振动弛豫是如何形成声吸收谱上的吸收峰。证明了：一个多模式振动弛豫是它的多个解耦合单弛豫过程相加后的结果；声弛豫吸收峰值点的幅度正比于对应解耦合过程的过程热容大小

8、，其频率反比于解耦合过程的弛豫时间。该解耦合模型揭示了多元混合气体中，多模式振动弛豫引起的声吸收谱上吸收峰形成的本质过程。其次，分解模型将一个复合弛豫过程引起的复合声弛豫吸收谱分解为解耦合单弛豫过程对应的各吸收谱的叠加形式。基于复合弛豫吸收谱的该分解特性，提出了一个贡献度矩阵来定量地分析各振动模式对弛豫吸收的贡献度，从而实现了定性和定量地分析多元混合气体中声吸收谱与各分子振动模式之间的关系。第三，针对声传播谱的传统测量方法中需要不断变化气体腔体压强，而无法适应于大规模实际应用的问题，提出了一个仅