思維進化神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的真空絕熱板真空度測量精度改良方法分析

思維進化神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的真空絕熱板真空度測量精度改良方法分析以基于紅外熱成像機理測量真空絕熱板(VIP)的真空度為研究對象。鑒于目前此方案測量真空度存在精度低的問題，本文提出一種基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的真空度測量精度改良方法。針對BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)存在易陷入局部最優(yōu)、收斂速度慢等缺陷，本文巧妙利用思維進化算法優(yōu)化BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的初始權(quán)值和閾值，從而彌補以上缺陷。最終實驗結(jié)果說明，利用思維進化算法優(yōu)化BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)創(chuàng)立的數(shù)學(xué)模型大大提高了真空絕熱板真空度的測量精度，其實際測量精度優(yōu)于2%。因此，本文所提方法具有廣泛推廣的應(yīng)用價值。

真空絕熱板(VacuumInsulationPanel，VIP)是當(dāng)今世界上最先進的高效保溫材料，相當(dāng)于普通絕熱材料的十倍甚至更高，而其厚度僅為普通絕熱材料的1/7，因此具有環(huán)保和高效節(jié)能的特性。VIP主要依靠其內(nèi)部的真空度來提高絕熱性能。VIP內(nèi)部真空度越高，其導(dǎo)熱系數(shù)則越低，保溫效果則越佳。在生產(chǎn)制造VIP的過程中，對生產(chǎn)高真空度的VIP提出了較高的要求，因此有必要準(zhǔn)確測量VIP的真空度。另外，VIP使用長久之后，氣體會滲透到板內(nèi)，使板內(nèi)真空度破壞，引起導(dǎo)熱系數(shù)提高，保溫性能下降。因此，為了檢測VIP的老化程度，也有必要準(zhǔn)確測量VIP的真空度。

本文以基于熱紅外技術(shù)測量真空絕熱板真空度為研究對象。然而目前此方案測量真空絕熱板真空度一般會導(dǎo)致10%的誤差。鑒于上述測量精度低的問題，本文致力于研究出一種基于思維進化算法優(yōu)化BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的測量精度改良方法。其測量范圍為1～100Pa，測量時間約為3min。最終實驗結(jié)果說明，實際測量精度優(yōu)于2%。1、基于紅外熱成像機理的VIP真空度測量原理

圖1所示為VIP導(dǎo)熱系數(shù)與其內(nèi)部氣體壓強的關(guān)系曲線。從圖1中可以看出，當(dāng)內(nèi)部氣體壓強下降到10kPa時，VIP導(dǎo)熱系數(shù)維持為常數(shù)；當(dāng)內(nèi)部氣體壓強在1～103Pa之間，VIP導(dǎo)熱系數(shù)隨內(nèi)部氣體壓強呈線性變化；當(dāng)內(nèi)部氣體壓強低于1Pa時，VIP導(dǎo)熱系數(shù)逐漸減小且趨于常數(shù)。所以，在生產(chǎn)制作VIP時，選擇VIP板內(nèi)的真空度通常在1Pa以下。

圖1VIP導(dǎo)熱系數(shù)與內(nèi)部氣體壓強的關(guān)系曲線

紅外熱成像機理就是利用光學(xué)系統(tǒng)和紅外探測器承受被測目標(biāo)的紅外輻射能量，然后將能量分布圖反映到紅外探測器的光敏元件上，從而獲得紅外熱像圖。

在傳熱學(xué)中，熱量傳遞有導(dǎo)熱、對流和熱輻射三種基本方式。導(dǎo)熱、對流這兩種熱量傳遞方式只在有物質(zhì)存在的條件下才能實現(xiàn)，而在真空環(huán)境下，物體以輻射方式傳遞熱量最為有效。根據(jù)Stefan-Boltzmann定律描述了黑體輻射力隨表面溫度的變化規(guī)律，即

式中，E(T)為黑體的輻射熱流密度；σ=5.67×10-8W/(m2·K4)，稱為黑體輻射常數(shù)；T為黑體表面的熱力學(xué)溫度。由Stefan-Boltzmann定律可知，黑體的輻射熱流密度隨溫度升高而迅速增大。設(shè)一個電阻被內(nèi)置于表面積為A的VIP內(nèi)部，VIP處于溫度為Tsurr的環(huán)境中。當(dāng)電阻被加熱到溫度Ts時，電阻與周圍環(huán)境之間的凈輻射傳熱量為

式中，ε為電阻的表面發(fā)射率，取值范圍為0～1，是描述電阻與黑體在發(fā)射熱輻射能力上差異的物理量。在室溫相同，置于VIP內(nèi)部電阻的初始溫度(遠(yuǎn)高于室溫)相同的條件下，VIP內(nèi)部氣體壓強越大，電阻熱輻射強度的變化也就越快，紅外探測器采集到的紅外熱像圖變化也就越快。為了改善熱像圖的畫質(zhì)，使圖像顯示效果更加清晰，本文將獲得的熱像圖通過MATLAB開展灰度變換處理，轉(zhuǎn)化為灰度圖像。當(dāng)電阻的輻射強度越大，圖像的灰度值則越高，也就越亮。2、測量系統(tǒng)的建立

根據(jù)上述VIP真空度測量原理，設(shè)計測量系統(tǒng)的整體框圖如圖2所示。

圖2測量系統(tǒng)的整體框圖

該測量系統(tǒng)的工作流程為：首先在PC機軟件界面上按下“開始檢測”按鈕，該信號通過232串口通信模塊傳送給PIC單片機模塊，然后PIC單片機產(chǎn)生一有效電平啟動無線供電模塊。無線供電模塊基于磁耦合共振技術(shù)，將能量無線傳送給內(nèi)置熱輻射模塊中的無線供電接收電路，從而為整個內(nèi)置熱輻射模塊供電。此時內(nèi)置熱輻射模塊中的被加熱電阻開始加熱，紅外探測器接收到被加熱電阻的紅外輻射，此時光信號轉(zhuǎn)換為電信號。該電信號經(jīng)信號調(diào)理電路、圖像采集卡轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，再傳送給PC機。當(dāng)內(nèi)置熱輻射模塊中的被加熱電阻到達(dá)預(yù)設(shè)的溫度值時，其內(nèi)部的加熱控制電路自動控制被加熱電阻停止加熱。在相同環(huán)境溫度，相同的被加熱電阻(被置于VIP內(nèi)部的位置、初始溫度均相同)的條件下，由于不同VIP板的內(nèi)部氣體壓強存在差異，導(dǎo)致電阻熱輻射強度的變化不同。最后將采集到的紅外熱像圖，經(jīng)圖像處理、算法分析，計算得到VIP的真空度。3、結(jié)論

MEA和BPNN作為一種分析問題、解決問題的新方法，目前已廣泛應(yīng)用于非線性函數(shù)逼近、機器人控制、故障診斷等眾多領(lǐng)域。本文提出利用MEA優(yōu)化BPNN初始權(quán)值和閾值的方法，從