基于声传播谱的气体传感原理_张克声_9787302492054

人类的日常生活和各种工业生产都不可避免地与各种各样的气体密切相关。气体传感器是传感器中的一个重要类别，也是传感器中品种及数量*庞大的、实用化程度*的一类。混合气体中的声传播谱，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，成为当前具有发展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。本书讨论了以下4个问题： ①如何建立多元混合气体中声传播谱的理论预测模型； ②如何定性和定量地分析声传播谱与混合气体成分关系； ③如何避免声传播谱传统测量方法存在需要不断变化气体腔体的问题，给出声传播谱的实用化测量方法； ④如何利用声传播谱进行气体成分定性和定量检测。本书可作为从事气体分子声学理论研究和气体传感机理研究的研究人员及工程技术人员的参考资料。

前言随着经济发展和现代工业进步，人们在日常生活和各种工业生产活动中所排放的气体种类、数量都日益增长。特别地，在化工、石油、煤炭、电力、汽车、医药等工业行业中都要求对各种气体介质进行计量和控制，这对于保证产品质量、节省能源、降低原材料消耗具有重要意义。在大多数情况下，这些气体都是有毒有害气体，它们在大气中的排放会对环境造成很大的污染，进而影响生态平衡，甚至导致爆炸、火灾、中毒等重大事故，给家庭、工业生产甚至国家造成巨大损失，危害人类生命和财产安全。为了保护人类赖以生存的自然环境，对各种气体在环境中的排放进行有效监控、检测成为一项重大的课题。气体传感器是传感器中的一个重要类别，也是传感器中品种及数量最庞大的、实用化程度最高的一类。越来越多的气体传感器正被广泛地应用，在工业过程控制、职业健康与安全、环境与排放监测、住宅健康与安全等方面起到了至关重要的作用。气体传感器能将气体种类及其浓度等信息转换成电信号，根据所测得电信号的强弱就可以获得与待测气体在环境中存在情况相关的信息，实现检测、监控以及报警等目的。当前各种气体的快速检测技术发展迅猛，各种检测技术会根据被测气体性质、实际检测条件、检测精度的差别，具有不同的检测原理、适用范围和优缺点。因此，已有的气体检测技术仍需根据检测的实际情况不断研究创新，以满足不同的检测要求。基于声传播谱的气体检测技术，以其快速检测、无损检测、不易受污染影响、硬件简单、性价比高等优点，特别是可直接获得气体分子结构信息的突出优势，成为一种具有广泛应用前景的新型气体传感技术。本书总结作者和研究团队近七年的研究成果，系统讨论了基于声传播谱的气体传感的基础理论，其内容涉及声传播谱的建模、分析、重建和气体检测应用4个方面。本书的出版得到了国家自然科学基金地区项目基于声谱特征点的多元可激发混合气体检测方法研究（批准号： 61461008）的资助。其相关研究内容先后得到过国家自然科学基金项目基于声谱特征点的多元可激发混合气体检测方法研究（批准号： 61461008）、气体成分与弛豫信息对应关系的声谱盲分解研究（批准号： 61371139）、基于超声波谱的气体探测（批准号： 60971009）、基于有效弛豫时间的声学气体探测方法研究（批准号： 61001011），贵州省科学技术基金项目基于分子弛豫有效热容的煤层瓦斯气体超声检测方法研究（批准号：黔科合J字［2015］2065号），贵州理工学院高层次人才引进项目大气碳排放的超声监测方法研究（批准号： XJGC20140601）的资助。对于本书的出版，首先要衷心感谢华中科技大学的博士研究生导师王殊教授。恩师国际化的视野、前沿而精髓的学术造诣、严谨勤奋的治学风格令我钦佩不已；先生温而不厉、威而不猛、恭而安的人格魅力让我明白了许多为人处世的道理，深刻影响着我的工作和生活。我必将时刻牢记恩师的教诲走好我的人生道路。其次，要感谢朱明副教授。他和我亦师亦友，每当我有学术问题向他请教时，他总能给予准确的答复并使我深受启迪；每当我在生活中遇到困难时，他总能及时为我排忧解难。谨以此书献给所有关心、鼓励、帮助过我的良师、益友、家人们。天地有大道而不言，有太多的奥秘等着我们去解答。值此书整理结束之际，才发现自己其实只完成了原定目标的一部分工作，真切知道自己原来有太多的不知道，真切感到在未来的学术道路上还需上下而求索。面对人生的诸多困难和挫折，我想用一句话与大家共勉：如果你的前面有阴影，你的背后一定有阳光（Even the darkest cloud has its sliver lining.）。限于作者水平，书中难免存在不妥之处，真诚希望专家和读者对本书提出批评和指正。
作者2018年3月于贵州理工学院

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