一种声学温度传感器及温度测量方法技术

一种声学温度传感器及温度测量方法，包括麦克风、声波导管、电源与信号处理模块。麦克风用于探测声波；声波导管的第一端口被麦克风堵塞后与第二端口构成声波法布里

【技术实现步骤摘要】
一种声学温度传感器及温度测量方法


[0001]本专利技术涉及环境噪声探测技术和声学测温
，尤其涉及一种基于声波法布里
‑
珀罗谐振器的声学温度传感器及温度测量方法。

技术介绍

[0002]声学测温技术是基于声速的温度依赖性，通过测量声速获取周围环境气体温度的非接触式间接测温技术，具有响应快、精度高、鲁棒性好，温度测量范围宽等优点，适用于测量复杂和恶劣环境的温度，如熔铸炉膛、等离子体腔室、核反应堆等。根据文献报导，现有声学测温技术主要包括两种：一种是测量从声源发出的声脉冲到达给定距离的声探测器所需的时间，然后计算声速，再利用声速的温度依赖关系求出环境温度；另一种是将声源和声探测器置于一声学谐振器中探测谐振频率，然后利用谐振频率与声速的相关性求取声速，进而获得环境温度。这两种方法都需要使用已知声源，功耗大，测量装置结构复杂，信号控制条件苛刻，操作难度大，不便于随时随地实现测温。

技术实现思路

[0003]有鉴于此，本专利技术的主要目的在于提供一种声学温度传感器及温度测量方法，以期至少部分地解决上述提及的技术问题中的至少一种。
[0004]根据本专利技术的一个方面，提供一种声学温度传感器，包括：麦克风，用于探测声波，所述麦克风具有一感声面；声波导管，具有端口面齐平的第一端口和第二端口，所述第一端口被所述麦克风堵塞后与所述第二端口构成声波法布里
‑
珀罗谐振器，所述声波法布里
‑
珀罗谐振器的第一反射面为所述麦克风的感声面，第二反射面为所述第二端口的内侧空气与外侧空气之间的界面；其中，被测环境的背景噪声从所述第二端口传入所述声波导管后，受到所述声波法布里
‑
珀罗谐振器的调制，经调制得到的背景噪声信号被所述麦克风转换为电信号后输出；电源与信号处理模块，与所述麦克风电连接，用于给所述麦克风供电，并对所述麦克风输出的电信号进行处理，以得到所述被测环境的温度。
[0005]根据本专利技术的另一个方面，提供了一种利用如上所述的声学温度传感器测量温度的方法，包括以下步骤：步骤A：将声波法布里
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珀罗谐振器置于被测环境中，由电源与信号处理模块为所述声波法布里
‑
珀罗谐振器供电；步骤B：利用所述声波法布里
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珀罗谐振器连续多次探测被测环境的背景噪声，输出多个背景噪声时域谱；步骤C：利用所述电源与信号处理模块对多个所述背景噪声时域谱进行处理，得到背景噪声频谱，其中所述处理包括频谱转换、频谱叠加；步骤D：利用所述电源与信号处理模块从所述背景噪声频谱中确定多个谐振峰对应的频率和阶数；步骤E：根据多个所述谐振峰的频率和阶数之间的线性回归斜率来求解所述被测环境的温度。
[0006]从上述技术方案可以看出，本专利技术的声学温度传感器及温度测量方法相对于现有技术至少具有以下有益效果其中之一或其中一部分：
[0007](1)本专利技术利用被测环境的背景噪声在较宽的频域范围内功率谱密度分布较为均
匀的特点，并基于环境背景噪声在声波法布里
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珀罗谐振器内产生的谐振现象，可确定谐振频率与温度的关系，由此不需要已知声源就能够实现测温，结构简单，功耗低，响应快、成本低、灵敏度高；
[0008](2)本专利技术的声学温度传感器可仅基于声波导管以及封堵于声波导管的麦克风来实现温度测量，具有体积小，重量轻，携带方便，操作便捷的优势，可以随时随地进行温度测量；
[0009](3)相较于现有测温方式需要在使用前进行标定，例如水银温度计需要对温度及刻度进行标定，本专利技术的声波法布里
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珀罗谐振器无需该标定过程，即不需要提前制作频率
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温度标准曲线或斜率
‑
温度标准曲线，就能实现测温，准确度高；
[0010](4)本专利技术的声波法布里
‑
珀罗谐振器功能多，不仅能够测温，还能够监测噪声，测定声速，不受气压影响，适用于临近空间等恶劣环境的温度测量。
附图说明
[0011]图1为本专利技术第一实施例基于声波法布里
‑
珀罗谐振器的声学温度传感器的结构示意图；
[0012]图2为本专利技术第一实施例利用基于声波法布里
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珀罗谐振器的声学温度传感器测量温度的方法流程图；
[0013]图3为本专利技术第二实施例基于第一实施例声波法布里
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珀罗谐振器结构的前四阶谐振频率随温度变化的仿真结果；
[0014]图4为本专利技术第三实施例利用实验室制备的声波法布里
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珀罗谐振器测得的环境背景噪声频谱；
[0015]图5为本专利技术第四实施例在温控箱环境中测试实验室制备的声波法布里
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珀罗谐振器的各阶谐振频率随温度的变化的装置示意图；
[0016]图6为本专利技术第四实施例在温控箱环境中测得的声波法布里
‑
珀罗谐振器各阶谐振频率、测试温度以及测试误差分别随环境温度的变化曲线；
[0017]图7为本专利技术第四实施例在温控箱环境中测得的在不同环境温度下谐振频率以及测试温度的变化曲线；
[0018]图8为本专利技术第五实施例在全消音室中利用实验室制备的声波法布里
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珀罗谐振器测得的背景噪声频谱以及谐振频率与阶数的线性变化曲线。
[0019]上述附图中，附图标记含义如下：
[0020]1‑
麦克风；
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ2‑
声波导管；
[0021]10
‑
声波法布里
‑
珀罗谐振器；
ꢀꢀꢀꢀ
20
‑
前置放大器；
[0022]30
‑
参考麦克风；
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
40
‑
温控箱；
[0023]50
‑
数据采集卡。
具体实施方式
[0024]本专利技术公开了一种声学温度传感器及温度测量方法，该声学温度传感器包括麦克风、声波导管及电源与信号处理模块。其中，麦克风和声波导管构成声波法布里
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珀罗谐振器，利用声波法布里
‑
珀罗谐振器对被测环境的背景噪声进行调制和探测，利用电源与信号
处理模块对测得的调制后的背景噪声信号进行处理，可基于信号处理所得的背景噪声信号频谱中谐振峰频率与温度的对应关系来测量被测环境的温度。本专利技术温度传感器结构简单、使用方便、非接触式、测温范围宽、功耗低、响应快、精度高，不受气压影响，适用于临近空间等恶劣环境的温度测量。
[0025]为使本专利技术的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本专利技术进一步详细说明。需要说明的是，在附图或说明书描述中，相似或相同的部分都使用相同的图号。附图中未绘示或描述的实现方式，为所属
中普通技术人员所知的形式。另外，虽然本文可提供包含特定值的参数本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种声学温度传感器，其特征在于，所述声学温度传感器包括：麦克风，用于探测声波，所述麦克风具有一感声面；声波导管，具有端口面齐平的第一端口和第二端口，所述第一端口被所述麦克风堵塞后与所述第二端口构成声波法布里
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珀罗谐振器，所述声波法布里
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珀罗谐振器的第一反射面为所述麦克风的感声面，第二反射面为所述第二端口的内侧空气与外侧空气之间的界面；其中，被测环境的背景噪声从所述第二端口传入所述声波导管后，受到所述声波法布里
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珀罗谐振器的调制，经调制得到的背景噪声信号被所述麦克风转换为电信号后输出；电源与信号处理模块，与所述麦克风电连接，用于给所述麦克风供电，并对所述麦克风输出的电信号进行处理，以得到所述被测环境的温度。2.根据权利要求1所述的声学温度传感器，其特征在于，所述声波导管是金属管、陶瓷管、硬木管、玻璃管、PVC管中的一种。3.根据权利要求1所述的声学温度传感器，其特征在于，所述声波导管呈直线形、弯曲形或者直线与弯曲组合形。4.根据权利要求1或3所述的声学温度传感器，其特征在于，所述声波导管的第一端口和第二端口处的轴线垂直于所述声波法布里
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珀罗谐振器的第一反射面和第二反射面。5.根据权利要求1所述的声学温度传感器，其特征在于，所述麦克风是驻极体电容式麦克风、压电式麦克风、电磁式麦克风、光纤麦克风、光栅麦克风、MEMS麦克风中一种。6.根据权利要求1所述的声学温度传感器，其特征在于，所述麦克风的频率响应下限不大于50Hz。7.一种利用如权利要求1至6中任一项所述的声学温度传感器测量温度的方法，其特...

【专利技术属性】
技术研发人员：祁志美，董志飞，熊林森，岳研，蔡宸，王军波，
申请(专利权)人：中国科学院空天信息创新研究院，
类型：发明
国别省市：