基于紅外吸收原理的紅外檢測系統(tǒng)設計

基于紅外吸收原理的紅外檢測系統(tǒng)設計

一氧化碳是一種易分解的氣體，對工業(yè)生產(chǎn)有重大影響。當一氧化碳與空氣混合達到一定比例時,遇火源則會發(fā)生火災及爆炸事故。不僅損壞儀器、設備、設施,還造成人身傷亡,在井下作業(yè)等場合,由甲烷(CH4)和一氧化碳(CO)等氣體組成的易燃易爆的瓦斯氣體,是影響煤礦安全生產(chǎn)的主要因素,在氮肥等化工生產(chǎn)工業(yè),一氧化碳所引起的中毒事故也越來越多,此外各種工業(yè)燃燒、工業(yè)鋁電解等排放的一氧化碳引起的環(huán)境污染問題也越來越嚴重。一氧化碳給人們的生活也帶來許多危害,雖然液化氣、煤氣進入家庭為人們帶來方便、改善城市環(huán)境,但煤氣中毒事件時有發(fā)生,其中一氧化碳是最主要的危險源;在智能化家居系統(tǒng)中,一氧化碳是重點檢測的氣體之一?？梢娨谎趸紵o論是對工業(yè)生產(chǎn),還是人類都造成巨大的經(jīng)濟損失,一氧化碳檢測變得越來越重要,并有廣闊的發(fā)展前景和市場。一氧化碳傳感器在民用、工業(yè)應用、環(huán)境檢測等方面有著重要應用。特別在煤礦井下,實時、準確地測出這些場合一氧化碳氣體的濃度,對保障工業(yè)安全生產(chǎn)、提高人們生活質量具有十分重要的意義。1氧化碳的吸收法每種氣體都有其特定的吸收光譜(吸收帶),當某物質受到紅外光束照射時,該物質的分子就要吸收一部分光能量并將其轉換為另一種能量,即分子的振動和轉動能量。在吸收過程中,分子的振動頻率與分子的特性有關,輻射只是在這些頻率對應的波長處被吸收。利用這一點可以測量物質對紅外輻射的吸收。一氧化碳對紅外光的吸收主要集中在波長為4.65μm的波段上。一氧化碳吸收紅外線后,紅外光的能量會降低,而一氧化碳吸收紅外光的能量與其濃度有關。因此可以根據(jù)一氧化碳對紅外光吸收后能量的程度來判定一氧化碳的濃度。光經(jīng)過媒質時,其能量就會被媒質吸收、散射而減弱。特別當光波波長與媒質分子的振動頻率相等時,光子與分子產(chǎn)生共振,光強被強烈地吸收,透射光強幾乎為零。這是采用光學技術探測可燃氣體的理論基礎。入射光的強度I0與透過后的剩余光強度I之間存在下述關系,即遵循朗伯-比爾吸收定律:I=I0exp(?kcl)Ι=Ι0exp(-kcl)式中I0——入射光的強度;I——透射光的強度;l——輻射通過氣體層的厚度;c——待測氣體濃度;k——吸收系數(shù)。從上式可以看出,通過入射光和透射光的強度就能測出氣體濃度,這是紅外檢測原理,也是氣體分子紅外光譜分析儀的設計基礎。2基于rbf神經(jīng)網(wǎng)絡的紅外二氧化碳傳感器數(shù)學模型根據(jù)大氣吸收理論和大氣吸收的一般方程,在計算平均吸收比時,理論上可以用單線吸收法進行計算,也可以采用帶模型法來計算,但無論是單線計算還是帶模型計算都有其不足,通常在一個很窄的吸收帶內(nèi)可能含有數(shù)十條或數(shù)百條吸收線,雖然每條吸收線都有確定的參數(shù),但要找出譜帶總吸收能的解析形式是極困難的。當光譜線無明顯重疊時,譜帶的吸收比可以用上述單線法計算各條譜線的貢獻,但計算量大、不方便,而實際情況是譜線有明顯重疊,重疊時的吸收比總是小于不重疊時的吸收比,因此單線吸收計算明顯存在不足;在帶模型計算中譜線的線形只有符合洛倫茲線形時計算可以簡化,其它的線形用帶模型法將失去其簡單性,而且氣體不同,譜線結構不同,一種模型適用某種氣體,但未必適用另外一種氣體,并且朗伯-比爾定律中吸收系數(shù)k并非是一個常數(shù),它是一個非常復雜的量,不僅與氣體種類、入射光波長有關,而且還受環(huán)境溫度、環(huán)境大氣壓等因素的影響。因此,對于變溫、變氣壓的工作環(huán)境,k是一個變值,從而直接影響吸收光強。人工神經(jīng)網(wǎng)絡具有自學習、泛化功能,能以任意精度進行非線性映射,因此特別適用于解決復雜的、非線性函數(shù)問題?；赗BF神經(jīng)網(wǎng)絡進行紅外一氧化碳傳感器數(shù)學模型的研究,其目的就是試圖將人工神經(jīng)網(wǎng)絡技術應用于紅外一氧化碳氣體傳感器的數(shù)據(jù)處理,建立更為準確和有效的紅外一氧化碳傳感器數(shù)學模型,以提高紅外一氧化碳傳感器的測量精度。在紅外一氧化碳傳感器的數(shù)學建模中引入神經(jīng)網(wǎng)絡,其作用是將傳感器的輸出電信號和工作環(huán)境溫度等參數(shù)(輸入)與一氧化碳濃度(輸出)一一對應起來。在線測量時,處理軟件按照所建立的神經(jīng)網(wǎng)絡模型就可以由傳感器的輸出電信號和工作環(huán)境溫度等參數(shù)給出與其對應的待測一氧化碳濃度。人工神經(jīng)網(wǎng)絡模型各種各樣,本文選用的神經(jīng)網(wǎng)絡是徑向基函數(shù)神經(jīng)網(wǎng)絡,即RBF,它的拓撲結構與多層前饋網(wǎng)絡類似,是一種三層前饋網(wǎng)絡。輸入層由信號源節(jié)點構成,第二層為隱藏層,節(jié)點數(shù)根據(jù)需要而定,第三層為輸出層,它對輸入模式做出響應。RBF的拓撲結構如圖1所示。隱層激活函數(shù)常采用高斯核函數(shù)(GaussianKernelFunction):其函數(shù)的表達式為式中Uj——第j個隱層節(jié)點的輸出;Uj(x?cj)=exp[?(x?cj)T(x?cj)2σ2j〗(j=1?2,?,Nh)Uj(x-cj)=exp[-(x-cj)Τ(x-cj)2σj2〗(j=1?2,?,Νh(huán))x——輸入樣本,x=(x1,x2,…,xn)T;cj——高斯函數(shù)中心值;σj——標準偏差,又稱方差;Nh——隱層節(jié)點數(shù)。RBF網(wǎng)絡的輸出為隱層節(jié)點輸出的線性組合,即fi(x)=∑j1NhwijΦj(x?cj)(j=1?2??,Nh)fi(x)=∑j1Νh(huán)wijΦj(x-cj)(j=1?2??,Νh(huán))誤差函數(shù)采用:E=12∑i=1N[yi?f(w,xi)]2E=12∑i=1Ν[yi-f(w,xi)]2式中yi——希望的輸出;f(w,xi)——網(wǎng)絡的實際輸出;w——網(wǎng)絡的所有權值組成的向量。將帶遺忘因子的梯度下降法應用于RBF神經(jīng)網(wǎng)絡的參數(shù)調整,根據(jù)網(wǎng)絡參數(shù)調整算法,通過調整RBF網(wǎng)絡中可調參數(shù)(隱層節(jié)點數(shù)、學習速率、動量因子和網(wǎng)絡權值、隱藏層標準偏差、隱藏層中心矩陣的初值等)進行網(wǎng)絡的訓練和測試,并采用均方根(RMS)計算其訓練精度和測試精度。3探測器4、3,4的吸收特性由紅外發(fā)光器發(fā)出紅外光,經(jīng)過選擇濾光片后,選擇出CO敏感的波長為4.65μm的紅外光。紅外光經(jīng)過含有一定濃度CO的氣室后,其能量被吸收。最后由探測器接受并感應能量的大小,從而確定待測CO氣體的濃度。礦用紅外一氧化碳傳感器光學系統(tǒng)結構設計采用雙光源四探測器。探測器1和探測器3前均放置4.65μm的濾光片,使得照射到這兩個探測器上的紅外輻射僅為4.65μm的輻射;探測器2和探測器4前均放置5.05μm的濾光片,使得照射到這兩個探測器上的紅外輻射僅為5.05μm的輻射。兩個發(fā)光二極管交替地以脈沖方式發(fā)射,當驅動發(fā)光二極管1發(fā)出脈沖光時,探測器1、2接受到的是直接來自于發(fā)光二極管1的輻射,探測器3、4接受到的是穿過氣室的紅外輻射,由于一氧化碳對5.05μm的紅外輻射不吸收,所以探測器4的輸出僅與氣室的透射比有關,一氧化碳對4.65μm的紅外輻射有較強的吸收,所以探測器3的輸出不僅與氣室的透射比有關,還與吸收氣體的透射比有關。設2個發(fā)光二極管的輻射強度分別為I1和I2,探測器1,2,3,4的響應度分別為R1,R2,R3,R4,被測氣體的透射比為τa,氣室的透射比為τ0,則發(fā)光二極管1發(fā)出脈沖光時,探測器1,2,3,4產(chǎn)生的電壓輸出信號分別為V1=I1R1(測量濾光片波長4.65μm)V2=I1R2(參比濾光片波長5.05μm)V3=I1R3τaτ0(測量濾光片波長4.65μm)V4=I1R4τ0(參比濾光片波長5.05μm)V1=Ι1R1(測量濾光片波長4.65μm)V2=Ι1R2(參比濾光片波長5.05μm)V3=Ι1R3τaτ0(測量濾光片波長4.65μm)V4=Ι1R4τ0(參比濾光片波長5.05μm)當驅動發(fā)光二極管2發(fā)出脈沖光時,探測器3,4接受到的是直接來自于發(fā)光二極管2的輻射,探測器1,2接受到的時穿過氣室的紅外輻射。與上述原理相同,探測器1,2,3,4輸出電壓分別為V5=I2R1τaτ0(測量濾光片波長4.65μm)V6=I2R2τ0(參比濾光片波長5.05μm)V7=I2R3(測量濾光片波長4.65μm)V8=I2R4(參比濾光片波長5.05μm)V5=Ι2R1τaτ0(測量濾光片波長4.65μm)V6=Ι2R2τ0(參比濾光片波長5.05μm)V7=Ι2R3(測量濾光片波長4.65μm)V8=Ι2R4(參比濾光片波長5.05μm)結合關系式:S=V2V3V5V8V1V4V6V7=τ2aS=V2V3V5V8V1V4V6V7=τa2,由此可見,產(chǎn)生一個與探測器響應度和發(fā)光二極管輻射強度無關,并且與τ2aa2成正比的信號。該種光路設計補償了溫度變化的影響、發(fā)光二極管輸出功率的變化、探測器響應度變化產(chǎn)生的信號波動、探測器的失配、由灰塵或光學元件的磨損而引起的氣室透射比的變化,實現(xiàn)了光源和探測器光譜特性與被測氣體特征吸收帶的匹配。該方案無疑是當前對外部干擾補償最好的一種設計方法。4模-數(shù)轉換電路—硬件系統(tǒng)設計紅外一氧化碳濃度探測器將待測混合氣體中的一氧化碳濃度轉變成電壓信號,該信號經(jīng)電壓跟隨放大電路放大后送至模-數(shù)轉換電路,再送至計算機系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)的采集與處理。最后的計算并將得到的濃度顯示,系統(tǒng)還能根據(jù)不同的濃度值做出相應的判斷和異常處理,硬件系統(tǒng)設計如圖3所示。5軟件功能設計(1)顯示內(nèi)容的觀察和判斷儀器的開機自檢主要有LCD檢測、存貯器檢測以及通道檢測:向LCD發(fā)送顯示數(shù)據(jù)-888.8,并停留3s,需操作者觀察LCD的顯示內(nèi)容。判斷系統(tǒng)各部分狀態(tài)是否正常;存貯器檢測時,向存貯器特定的某組地址存貯某一數(shù)據(jù),并讀取這些地址的數(shù)據(jù),若讀取的數(shù)據(jù)與存貯值不等,則系統(tǒng)不正常并發(fā)出報警聲;通道檢測分別檢測A/D轉換器的CO通道、溫度通道和壓力通道。(2)基于數(shù)學模型的訓練將傳感器的輸出電信號和工作環(huán)境溫度、壓力等參數(shù)(輸入)與一氧化碳濃度(輸出)一一對應起來,建立更為準確和有效的紅外一氧化碳傳感器數(shù)學模型,選擇適當?shù)乃惴?獲取足夠的樣本數(shù)據(jù)進行網(wǎng)絡權值等參數(shù)的訓練,以提高紅外一氧化碳傳感器的測量精度。傳感器輸出特性容易受多種環(huán)境因素的干擾,因此需要對傳感器進行數(shù)據(jù)補償,消除溫度、噪聲、電源波動等各種非目標參量的影響,動態(tài)補償是目前比較適用的方法,為此需設計動態(tài)補償算法模塊。(3)地面測控室綜合調度、分析處理模塊根據(jù)測得的