基于徑向基網(wǎng)絡(luò)溫度補(bǔ)償?shù)募t外氣體傳感器及檢測(cè)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于紅外氣體傳感器技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于徑向基網(wǎng)絡(luò)溫度補(bǔ)償?shù)?紅外氣體傳感器及檢測(cè)方法，尤其涉及紅外氣體傳感器檢測(cè)技術(shù)、基于徑向基函數(shù)神經(jīng)網(wǎng) 絡(luò)溫度補(bǔ)償?shù)臍怏w濃度檢測(cè)方法，是一種可以進(jìn)行溫度補(bǔ)償?shù)募t外氣體傳感器。
【背景技術(shù)】
[0002] 紅外氣體傳感器具有選擇性好、可靠穩(wěn)定、反應(yīng)迅速、不易中毒、使用壽命長(zhǎng)等諸 多優(yōu)點(diǎn)，已被廣泛應(yīng)用于化工、煤炭、冶金、電力、環(huán)境監(jiān)測(cè)等眾多場(chǎng)所，是確保正常生產(chǎn)、保 障人員安全的重要工具。
[0003] 常見的光學(xué)氣體檢測(cè)技術(shù)有非色散紅外檢測(cè)技術(shù)、可調(diào)諧激光器光譜技術(shù)、聲光 光譜技術(shù)等，其中，基于寬譜紅外光源、非色散的紅外氣體傳感器結(jié)構(gòu)最簡(jiǎn)單、性能穩(wěn)定、反 應(yīng)迅速，適用于輕巧設(shè)備，具有巨大的商業(yè)價(jià)值。其基本原理利用了氣體分子的選擇性光譜 吸收理論，由于氣體分子結(jié)構(gòu)的迥異，致使其具有不同的能級(jí)，因此在不同頻率處對(duì)紅外輻 射的吸收程度也各不相同，且氣體對(duì)紅外輻射的吸收遵循朗伯一比爾吸收定律。西班牙巴 塞羅那大學(xué)J.Fonollosa等研發(fā)檢測(cè)乙烯氣體濃度的裝置應(yīng)用于水果的存儲(chǔ)過程，儀器的 最小可檢測(cè)分辨率為30ppm。俄羅斯圣彼得堡物理技術(shù)研究所的S. Aleksandrov等研發(fā)的 非色散甲烷氣體傳感器，采用LED和光電二極管組成的單光源雙光路結(jié)構(gòu)，其精度已經(jīng)大 大超出了工業(yè)檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)。哈爾濱工業(yè)大學(xué)孫輝等設(shè)計(jì)了基于非色散紅外吸收原理的多組分 氣體檢測(cè)儀，利用光源復(fù)用結(jié)構(gòu)，能夠同時(shí)檢測(cè)二氧化硫、一氧化氮和氧氣。
[0004] 然而，在進(jìn)行氣體濃度檢測(cè)時(shí)，檢測(cè)環(huán)境溫度的變化是影響紅外氣體傳感器測(cè)量 精度的一個(gè)重要因素。在不同的環(huán)境溫度下，紅外氣體傳感器的雙通道熱釋電探測(cè)器兩個(gè) 電極間會(huì)產(chǎn)生溫度感應(yīng)電流，混入測(cè)量信號(hào)中，從而導(dǎo)致溫度漂移的產(chǎn)生。此外，由氣體狀 態(tài)方程PV = nRT可知，當(dāng)氣體的摩爾數(shù)一定時(shí)，在壓強(qiáng)P不變的情況下，隨著溫度T的升高， 氣體體積V將增大。相反的，隨著溫度T的降低，氣體體積V將減少。由于紅外氣體傳感器 的氣室體積是固定的，溫度的升高將造成氣室內(nèi)氣體分子摩爾數(shù)的減少，從而降低了氣體 的濃度，減弱了氣體對(duì)紅外輻射的吸收，導(dǎo)致測(cè)量誤差的產(chǎn)生。
[0005] 目前，消除檢測(cè)環(huán)境溫度變化影響的方法主要有兩種。一是經(jīng)驗(yàn)公式法，即采用最 小二乘擬合進(jìn)行迭代，確定經(jīng)驗(yàn)公式的相關(guān)系數(shù)，從而補(bǔ)償溫度變化帶來的誤差，這種方法 在數(shù)據(jù)采集后使用系數(shù)標(biāo)定進(jìn)行溫度補(bǔ)償，但計(jì)算量較大，且經(jīng)驗(yàn)公式的使用具有一定局 限性；二是溫度控制法，即采用溫控模塊使檢測(cè)環(huán)境溫度保持動(dòng)態(tài)平衡，從而避免因溫度變 化帶來的測(cè)量誤差，這種方法利用硬件電路使紅外氣體傳感器處于相對(duì)恒溫的檢測(cè)環(huán)境， 但溫控模塊的加入增加了紅外氣體傳感器的制造成本，且不利于小型化。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明的目的提供一種基于徑向基網(wǎng)絡(luò)溫度補(bǔ)償?shù)募t外氣體傳感器及檢測(cè)方法， 也就是基于徑向基函數(shù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)溫度補(bǔ)償?shù)臍怏w濃度檢測(cè)方法和一種基于徑向基溫度補(bǔ) 償?shù)募t外氣體傳感器。不僅使紅外氣體傳感器可以消除因檢測(cè)環(huán)境溫度變化產(chǎn)生的測(cè)量誤 差，而且相比于現(xiàn)有的經(jīng)驗(yàn)公式法，因?yàn)閺较蚧W(wǎng)絡(luò)具有訓(xùn)練速度較快、結(jié)構(gòu)自適應(yīng)確定、 輸出與初始權(quán)值無關(guān)的特點(diǎn)，使溫度補(bǔ)償?shù)倪^程更加簡(jiǎn)便且適用性更廣；相比于現(xiàn)有的溫 度控制法，因?yàn)橹恍杓尤肭队袕较蚧瘮?shù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法的芯片即可，避免了紅外氣體傳感 器體積的增加，更利于傳感器的小型化和低成本。
[0007] 為了克服現(xiàn)有技術(shù)中的不足，本發(fā)明提供了一種基于徑向基網(wǎng)絡(luò)溫度補(bǔ)償?shù)募t外 氣體傳感器及檢測(cè)方法的解決方案，具體如下：
[0008] -種基于徑向基網(wǎng)絡(luò)溫度補(bǔ)償?shù)募t外氣體傳感器，包括紅外氣體傳感器、溫度傳 感器、嵌入了徑向基函數(shù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法的微處理器系統(tǒng)，所述的紅外傳感器采用單光源雙 光路結(jié)構(gòu)，所述的紅外傳感器包括氣室，所述的氣室頂部設(shè)有進(jìn)氣口 1和出氣口 2,氣室內(nèi) 壁設(shè)有鍍金反射膜3,氣室內(nèi)部?jī)啥朔謩e設(shè)置有紅外寬譜光源4和雙通道熱釋電探測(cè)器9， 并且紅外寬譜光源4位于設(shè)置在氣室內(nèi)部的橢圓聚光罩5的焦點(diǎn)處，此外，雙通道熱釋電探 測(cè)器9與電調(diào)制寬譜紅外光源4位于同一基準(zhǔn)面上，氣室內(nèi)的底部設(shè)有溫度傳感器8,所述 的紅外氣體傳感器、溫度傳感器同嵌入了徑向基函數(shù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法的微處理器系統(tǒng)13相 連接，所述的嵌入了徑向基函數(shù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法的微處理器系統(tǒng)13還同顯示單元15相連接。
[0009] 所述的紅外寬譜光源4為電調(diào)制的紅外寬譜光源。
[0010] 基于徑向基函數(shù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)溫度補(bǔ)償?shù)臍怏w濃度檢測(cè)方法主要包括以下步驟：
[0011] (1)將紅外氣體傳感器的雙通道熱釋電探測(cè)器測(cè)量通道和參比通道的輸出電壓以 及溫度傳感器的輸出電壓進(jìn)行歸一化處理；
[0012] (2)將步驟（1)中歸一化處理后得到的數(shù)據(jù)送入徑向基函數(shù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸入層的輸 入向量X = (Xl，x2, x3)，其中，^為雙通道熱釋電探測(cè)器的測(cè)量通道輸出電壓經(jīng)過歸一化處 理后的數(shù)據(jù)；x2為雙通道熱釋電探測(cè)器的參比通道輸出電壓經(jīng)過歸一化處理后的數(shù)據(jù)；x3為溫度傳感器的輸出電壓經(jīng)過歸一化處理后的數(shù)據(jù)；
[0013] (3)選取高斯函數(shù)作為本發(fā)明中徑向基函數(shù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的激勵(lì)函數(shù)，即
，其中，| Idistl |為輸入向量和權(quán)值向量之間的歐氏距離， 通過輸入向量和加權(quán)矩陣的行向量的乘積得到；s為高斯函數(shù)的方差；I |Xp-Ci| I為歐氏范 數(shù)，XP為第p個(gè)輸入樣本，C 徑向基函數(shù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)隱含層結(jié)點(diǎn)的中心；
[0014] (4)由步驟（3)可知徑向基函數(shù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)隱含層的輸入為

i，j e [1，3]，其中，wly為隱含層每個(gè)神經(jīng)元與輸入層相連的權(quán)值；b i為閾值；而徑向基函 數(shù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)隱含層的輸出為 ，其中，I IwlfXl |為權(quán)值向量和閾值向 量之間的距離；
[0015] (5)由步驟（4)可知徑向基函數(shù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸出層的輸出為
[0017] 其中，為隱含層每個(gè)神經(jīng)元與輸出層相連的權(quán)值；
[0018] (6)從0個(gè)神經(jīng)元開始訓(xùn)練，通過檢查輸出誤差使網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)增加神經(jīng)元，不斷循環(huán) 訓(xùn)練，使網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生的最大誤差所對(duì)應(yīng)的輸入向量作為權(quán)值wl，產(chǎn)生一個(gè)新的隱含層神經(jīng)元， 然后檢查新網(wǎng)絡(luò)的誤差，重復(fù)此過程直到達(dá)到誤差要求或最大隱含層神經(jīng)元數(shù)為止；
[0019] (7)選取N組樣本數(shù)據(jù)，按照步驟⑴至步驟（6)進(jìn)行徑向基函數(shù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù) 預(yù)處理、創(chuàng)建、訓(xùn)練，得到最佳權(quán)值w和閾值h，從而確定該網(wǎng)絡(luò)模型；
[0020] (8)在實(shí)際測(cè)量氣體濃度時(shí)，基于徑向基網(wǎng)絡(luò)溫度補(bǔ)償?shù)募t外氣體傳感器將雙通 道熱釋電探測(cè)器測(cè)量通道和參比通道的輸出電壓以及溫度傳感器的輸出電壓進(jìn)行歸一化 處理后送入步驟（7)已確定的網(wǎng)絡(luò)模型中，通過徑向基函數(shù)函數(shù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的預(yù)測(cè)得到經(jīng)過 溫度補(bǔ)償?shù)拇郎y(cè)氣體濃度信息。
[0021] 本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是：與現(xiàn)有技術(shù)相比，克服了現(xiàn)有紅外氣體傳感器在溫度補(bǔ)償方面 的不足，彌補(bǔ)了經(jīng)驗(yàn)公式法標(biāo)定復(fù)雜、適用性差以及溫度控制法不利于小型化的缺點(diǎn)，將紅 外氣體傳感器的雙通道熱釋電探測(cè)器測(cè)量通道和參比通道的輸出電壓以及溫度傳感器的 輸出電壓經(jīng)過歸一化處理后，送入徑向基函數(shù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入層，經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的創(chuàng)建、訓(xùn)練、預(yù) 測(cè)后，由輸出層得到經(jīng)過溫度補(bǔ)償?shù)臍怏w濃度信息。使溫度補(bǔ)償?shù)倪^程更加簡(jiǎn)便、適用性更 廣、利于小型化等優(yōu)點(diǎn)。
【附圖說明】
[0022] 圖1是紅外氣體傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0023] 圖2是徑向基函數(shù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0024] 圖3是基于徑向基網(wǎng)絡(luò)溫度補(bǔ)償?shù)募t外氣體傳感器工作流程示意圖；
[0025] 其中，1為進(jìn)氣口；2為出氣口；3為鍍金反射膜；4為電調(diào)制寬譜紅外光源；5為橢 圓聚光罩；6為測(cè)量光路；7為參比光路；8為溫度傳感器；9為雙通道熱釋電探測(cè)器；I為雙 通道熱釋電探測(cè)器的測(cè)量通道；II為雙通道熱釋電探測(cè)器的參比通道；10為雙通道熱釋電 探測(cè)器測(cè)量通道的輸出電壓；11為雙通道熱釋電探測(cè)器參比通道的輸出電壓；12為溫度傳 感器的輸出電壓；13為微處理器系統(tǒng)；14為徑向基函數(shù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法；15為顯示單元。
【具體實(shí)施方式】
[0026] 下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)
【發(fā)明內(nèi)容】
作進(jìn)一步說明：
[0027] 參照?qǐng)D1、圖2、圖3所示，基于徑向基網(wǎng)絡(luò)溫度補(bǔ)償?shù)募t外氣體傳感器，包括紅外 氣體傳感器、溫度傳感器、嵌入了徑向基函數(shù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法的微處理器系統(tǒng)，所述的紅外傳 感器采用單光源雙光路結(jié)構(gòu)，所述的紅外傳感器包括氣室，所述的氣室頂部設(shè)有進(jìn)氣口 1 和出氣口 2,待測(cè)混合氣體從進(jìn)氣口 1進(jìn)入氣室，經(jīng)過整個(gè)氣室后從出氣口 2排出。氣室內(nèi) 壁設(shè)有鍍金反射膜3,用以增強(qiáng)紅外輻射的反射。氣室內(nèi)部?jī)啥朔謩e設(shè)置有紅外寬譜光源4 和雙通道熱釋電探測(cè)器9,并且紅外寬譜光源4位于設(shè)置在氣室內(nèi)部的橢圓聚光罩5的焦點(diǎn) 處，用以增強(qiáng)紅外輻射的聚光性。此外，雙通道熱釋電探測(cè)器9與電調(diào)制寬譜紅外光源4位 于同一基準(zhǔn)面上，氣室內(nèi)的底部設(shè)有溫度傳感器8,用以獲取檢測(cè)環(huán)境的溫度值；所述的紅 外氣體傳感器、溫度傳感器同嵌入了徑向基函數(shù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法的微處理器系統(tǒng)13相連接， 所述的嵌入了徑向基函數(shù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法的微處理器系統(tǒng)13還同顯示單元15相連接。
[0028] 所述的紅外寬譜光源4為電調(diào)制的紅外寬譜光源。
[0029] 電調(diào)制寬譜紅外光源4發(fā)出的紅外輻射經(jīng)待測(cè)混合氣體吸收后，分別到達(dá)雙通道 熱釋電探測(cè)器的測(cè)量通道I和雙通道熱釋電探測(cè)器的參比通道II。目標(biāo)氣體在參比光路7 中對(duì)紅外輻射不產(chǎn)生吸收作用，只在測(cè)量光路6中吸收相應(yīng)譜段的紅外輻射。對(duì)應(yīng)地，背景 氣體在參比光路7和測(cè)量光路6中對(duì)紅外輻射均不產(chǎn)生或只存在很小的吸收作用。通過參 比通道II測(cè)得的紅外輻射強(qiáng)度信息可推得測(cè)量環(huán)境的原始值，而參比通道II和測(cè)量通道I 的測(cè)量值之差，即是目標(biāo)氣體對(duì)相應(yīng)譜段紅外輻射的吸收量，這種差分測(cè)量方法一定程度 上消除了由于電調(diào)