有效热容三要素在智能声学气体传感中的应用分析

张克声，李 岩，张向群

(1.贵州理工学院人工智能与电气工程学院，贵州 贵阳 550003；2.武汉映瑞电力科技有限公司，湖北 武汉 430074；3.许昌学院信息工程学院，河南 许昌 461000)

关键字：气体传感器；声弛豫过程；有效热容；气体分子特性

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人类的日常生活和各种工业生产都与各种各样的气体密切联系，气体传感器则是传感器中品种及数量最庞大、实用化程度最高的一类[1]。寻找低成本、寿命长、功耗小、受工作环境影响小、可实时连续在线检测、具有适中灵敏度和易于大规律应用的新型智能气体传感技术具有迫切的现实需求。超声传感技术以器件结构简易、耐用性好、成本低和鲁棒性好等特点，在气体泄漏和气体成分监测等领域得到了广泛应用[2]。利用不同成分气体中声速不同的特性进行气体成分检测的历史已有100多年[3-7]。但这些研究和应用忽略了可激发(多原子或双原子分子)气体的分子内外自由度热弛豫过程对声传播特性的影响，往往只能获得气体浓度的单一信息，而未能从声测量值中提取出更多的气体分子信息。

如果声学气体传感器需具有智能分析功能，则需要其能够通过基于物理概念解释声速和声吸收测量值中所包含的多种分子特性。声扰动引起气体分子碰撞使得气体分子内外自由度进行能量交换，让气体热容成为依赖于声频率的气体有效热容，进而影响到声传播特性，即出现依赖于声频率的声速和声弛豫吸收系数[2]。Petculescu等[8]提出了一个基于两频点声速和声弛豫吸收系数的激发气体主弛豫过程的两频点重建算法，可通过声测量值合成获得气体有效热容；……