基于紅外吸收原理的紅外檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

基于紅外吸收原理的紅外檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

一氧化碳是一種易分解的氣體，對(duì)工業(yè)生產(chǎn)有重大影響。當(dāng)一氧化碳與空氣混合達(dá)到一定比例時(shí),遇火源則會(huì)發(fā)生火災(zāi)及爆炸事故。不僅損壞儀器、設(shè)備、設(shè)施,還造成人身傷亡,在井下作業(yè)等場(chǎng)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(lái)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(wèn)題也越來(lái)越嚴(yán)重。一氧化碳給人們的生活也帶來(lái)許多危害,雖然液化氣、煤氣進(jìn)入家庭為人們帶來(lái)方便、改善城市環(huán)境,但煤氣中毒事件時(shí)有發(fā)生,其中一氧化碳是最主要的危險(xiǎn)源;在智能化家居系統(tǒng)中,一氧化碳是重點(diǎn)檢測(cè)的氣體之一?？梢?jiàn)一氧化碳無(wú)論是對(duì)工業(yè)生產(chǎn),還是人類都造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失,一氧化碳檢測(cè)變得越來(lái)越重要,并有廣闊的發(fā)展前景和市場(chǎng)。一氧化碳傳感器在民用、工業(yè)應(yīng)用、環(huán)境檢測(cè)等方面有著重要應(yīng)用。特別在煤礦井下,實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確地測(cè)出這些場(chǎng)合一氧化碳?xì)怏w的濃度,對(duì)保障工業(yè)安全生產(chǎn)、提高人們生活質(zhì)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(dāng)某物質(zhì)受到紅外光束照射時(shí),該物質(zhì)的分子就要吸收一部分光能量并將其轉(zhuǎn)換為另一種能量,即分子的振動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)能量。在吸收過(guò)程中,分子的振動(dòng)頻率與分子的特性有關(guān),輻射只是在這些頻率對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)處被吸收。利用這一點(diǎn)可以測(cè)量物質(zhì)對(duì)紅外輻射的吸收。一氧化碳對(duì)紅外光的吸收主要集中在波長(zhǎng)為4.65μm的波段上。一氧化碳吸收紅外線后,紅外光的能量會(huì)降低,而一氧化碳吸收紅外光的能量與其濃度有關(guān)。因此可以根據(jù)一氧化碳對(duì)紅外光吸收后能量的程度來(lái)判定一氧化碳的濃度。光經(jīng)過(guò)媒質(zhì)時(shí),其能量就會(huì)被媒質(zhì)吸收、散射而減弱。特別當(dāng)光波波長(zhǎng)與媒質(zhì)分子的振動(dòng)頻率相等時(shí),光子與分子產(chǎn)生共振,光強(qiáng)被強(qiáng)烈地吸收,透射光強(qiáng)幾乎為零。這是采用光學(xué)技術(shù)探測(cè)可燃?xì)怏w的理論基礎(chǔ)。入射光的強(qiáng)度I0與透過(guò)后的剩余光強(qiáng)度I之間存在下述關(guān)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(qiáng)度;I——透射光的強(qiáng)度;l——輻射通過(guò)氣體層的厚度;c——待測(cè)氣體濃度;k——吸收系數(shù)。從上式可以看出,通過(guò)入射光和透射光的強(qiáng)度就能測(cè)出氣體濃度,這是紅外檢測(cè)原理,也是氣體分子紅外光譜分析儀的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)。2基于rbf神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的紅外二氧化碳傳感器數(shù)學(xué)模型根據(jù)大氣吸收理論和大氣吸收的一般方程,在計(jì)算平均吸收比時(shí),理論上可以用單線吸收法進(jìn)行計(jì)算,也可以采用帶模型法來(lái)計(jì)算,但無(wú)論是單線計(jì)算還是帶模型計(jì)算都有其不足,通常在一個(gè)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(dāng)光譜線無(wú)明顯重疊時(shí),譜帶的吸收比可以用上述單線法計(jì)算各條譜線的貢獻(xiàn),但計(jì)算量大、不方便,而實(shí)際情況是譜線有明顯重疊,重疊時(shí)的吸收比總是小于不重疊時(shí)的吸收比,因此單線吸收計(jì)算明顯存在不足;在帶模型計(jì)算中譜線的線形只有符合洛倫茲線形時(shí)計(jì)算可以簡(jiǎn)化,其它的線形用帶模型法將失去其簡(jiǎn)單性,而且氣體不同,譜線結(jié)構(gòu)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(gè)常數(shù),它是一個(gè)非常復(fù)雜的量,不僅與氣體種類、入射光波長(zhǎng)有關(guān),而且還受環(huán)境溫度、環(huán)境大氣壓等因素的影響。因此,對(duì)于變溫、變氣壓的工作環(huán)境,k是一個(gè)變值,從而直接影響吸收光強(qiáng)。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有自學(xué)習(xí)、泛化功能,能以任意精度進(jìn)行非線性映射,因此特別適用于解決復(fù)雜的、非線性函數(shù)問(wèn)題?；赗BF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行紅外一氧化碳傳感器數(shù)學(xué)模型的研究,其目的就是試圖將人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用于紅外一氧化碳?xì)怏w傳感器的數(shù)據(jù)處理,建立更為準(zhǔn)確和有效的紅外一氧化碳傳感器數(shù)學(xué)模型,以提高紅外一氧化碳傳感器的測(cè)量精度。在紅外一氧化碳傳感器的數(shù)學(xué)建模中引入神經(jīng)網(wǎng)絡(luò),其作用是將傳感器的輸出電信號(hào)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(duì)應(yīng)起來(lái)。在線測(cè)量時(shí),處理軟件按照所建立的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型就可以由傳感器的輸出電信號(hào)和工作環(huán)境溫度等參數(shù)給出與其對(duì)應(yīng)的待測(cè)一氧化碳濃度。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型各種各樣,本文選用的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是徑向基函數(shù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò),即RBF,它的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與多層前饋網(wǎng)絡(luò)類似,是一種三層前饋網(wǎng)絡(luò)。輸入層由信號(hào)源節(jié)點(diǎn)構(gòu)成,第二層為隱藏層,節(jié)點(diǎn)數(shù)根據(jù)需要而定,第三層為輸出層,它對(duì)輸入模式做出響應(yīng)。RBF的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)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(dá)式為式中Uj——第j個(gè)隱層節(jié)點(diǎn)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(biāo)準(zhǔn)偏差,又稱方差;Nh——隱層節(jié)點(diǎn)數(shù)。RBF網(wǎng)絡(luò)的輸出為隱層節(jié)點(diǎn)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(luò)的實(shí)際輸出;w——網(wǎng)絡(luò)的所有權(quán)值組成的向量。將帶遺忘因子的梯度下降法應(yīng)用于RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的參數(shù)調(diào)整,根據(jù)網(wǎng)絡(luò)參數(shù)調(diào)整算法,通過(guò)調(diào)整RBF網(wǎng)絡(luò)中可調(diào)參數(shù)(隱層節(jié)點(diǎn)數(shù)、學(xué)習(xí)速率、動(dòng)量因子和網(wǎng)絡(luò)權(quán)值、隱藏層標(biāo)準(zhǔn)偏差、隱藏層中心矩陣的初值等)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練和測(cè)試,并采用均方根(RMS)計(jì)算其訓(xùn)練精度和測(cè)試精度。3探測(cè)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(guò)選擇濾光片后,選擇出CO敏感的波長(zhǎng)為4.65μm的紅外光。紅外光經(jīng)過(guò)含有一定濃度CO的氣室后,其能量被吸收。最后由探測(cè)器接受并感應(yīng)能量的大小,從而確定待測(cè)CO氣體的濃度。礦用紅外一氧化碳傳感器光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采用雙光源四探測(cè)器。探測(cè)器1和探測(cè)器3前均放置4.65μm的濾光片,使得照射到這兩個(gè)探測(cè)器上的紅外輻射僅為4.65μm的輻射;探測(cè)器2和探測(cè)器4前均放置5.05μm的濾光片,使得照射到這兩個(gè)探測(cè)器上的紅外輻射僅為5.05μm的輻射。兩個(gè)發(fā)光二極管交替地以脈沖方式發(fā)射,當(dāng)驅(qū)動(dòng)發(fā)光二極管1發(fā)出脈沖光時(shí),探測(cè)器1、2接受到的是直接來(lái)自于發(fā)光二極管1的輻射,探測(cè)器3、4接受到的是穿過(guò)氣室的紅外輻射,由于一氧化碳對(duì)5.05μm的紅外輻射不吸收,所以探測(cè)器4的輸出僅與氣室的透射比有關(guān),一氧化碳對(duì)4.65μm的紅外輻射有較強(qiáng)的吸收,所以探測(cè)器3的輸出不僅與氣室的透射比有關(guān),還與吸收氣體的透射比有關(guān)。設(shè)2個(gè)發(fā)光二極管的輻射強(qiáng)度分別為I1和I2,探測(cè)器1,2,3,4的響應(yīng)度分別為R1,R2,R3,R4,被測(cè)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(shí),探測(cè)器1,2,3,4產(chǎn)生的電壓輸出信號(hào)分別為V1=I1R1(測(cè)量濾光片波長(zhǎng)4.65μm)V2=I1R2(參比濾光片波長(zhǎng)5.05μm)V3=I1R3τaτ0(測(cè)量濾光片波長(zhǎng)4.65μm)V4=I1R4τ0(參比濾光片波長(zhǎng)5.05μm)V1=Ι1R1(測(cè)量濾光片波長(zhǎng)4.65μm)V2=Ι1R2(參比濾光片波長(zhǎng)5.05μm)V3=Ι1R3τaτ0(測(cè)量濾光片波長(zhǎng)4.65μm)V4=Ι1R4τ0(參比濾光片波長(zhǎng)5.05μm)當(dāng)驅(qū)動(dòng)發(fā)光二極管2發(fā)出脈沖光時(shí),探測(cè)器3,4接受到的是直接來(lái)自于發(fā)光二極管2的輻射,探測(cè)器1,2接受到的時(shí)穿過(guò)氣室的紅外輻射。與上述原理相同,探測(cè)器1,2,3,4輸出電壓分別為V5=I2R1τaτ0(測(cè)量濾光片波長(zhǎng)4.65μm)V6=I2R2τ0(參比濾光片波長(zhǎng)5.05μm)V7=I2R3(測(cè)量濾光片波長(zhǎng)4.65μm)V8=I2R4(參比濾光片波長(zhǎng)5.05μm)V5=Ι2R1τaτ0(測(cè)量濾光片波長(zhǎng)4.65μm)V6=Ι2R2τ0(參比濾光片波長(zhǎng)5.05μm)V7=Ι2R3(測(cè)量濾光片波長(zhǎng)4.65μm)V8=Ι2R4(參比濾光片波長(zhǎng)5.05μm)結(jié)合關(guān)系式:S=V2V3V5V8V1V4V6V7=τ2aS=V2V3V5V8V1V4V6V7=τa2,由此可見(jiàn),產(chǎn)生一個(gè)與探測(cè)器響應(yīng)度和發(fā)光二極管輻射強(qiáng)度無(wú)關(guān),并且與τ2aa2成正比的信號(hào)。該種光路設(shè)計(jì)補(bǔ)償了溫度變化的影響、發(fā)光二極管輸出功率的變化、探測(cè)器響應(yīng)度變化產(chǎn)生的信號(hào)波動(dòng)、探測(cè)器的失配、由灰塵或光學(xué)元件的磨損而引起的氣室透射比的變化,實(shí)現(xiàn)了光源和探測(cè)器光譜特性與被測(cè)氣體特征吸收帶的匹配。該方案無(wú)疑是當(dāng)前對(duì)外部干擾補(bǔ)償最好的一種設(shè)計(jì)方法。4模-數(shù)轉(zhuǎn)換電路—硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)紅外一氧化碳濃度探測(cè)器將待測(cè)混合氣體中的一氧化碳濃度轉(zhuǎn)變成電壓信號(hào),該信號(hào)經(jīng)電壓跟隨放大電路放大后送至模-數(shù)轉(zhuǎn)換電路,再送至計(jì)算機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集與處理。最后的計(jì)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(yīng)的判斷和異常處理,硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)如圖3所示。5軟件功能設(shè)計(jì)(1)顯示內(nèi)容的觀察和判斷儀器的開(kāi)機(jī)自檢主要有LCD檢測(cè)、存貯器檢測(cè)以及通道檢測(cè):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(cè)時(shí),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(bào)警聲;通道檢測(cè)分別檢測(cè)A/D轉(zhuǎn)換器的CO通道、溫度通道和壓力通道。(2)基于數(shù)學(xué)模型的訓(xùn)練將傳感器的輸出電信號(hào)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(duì)應(yīng)起來(lái),建立更為準(zhǔn)確和有效的紅外一氧化碳傳感器數(shù)學(xué)模型,選擇適當(dāng)?shù)乃惴?獲取足夠的樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)權(quán)值等參數(shù)的訓(xùn)練,以提高紅外一氧化碳傳感器的測(cè)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(duì)傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)補(bǔ)償,消除溫度、噪聲、電源波動(dòng)等各種非目標(biāo)參量的影響,動(dòng)態(tài)補(bǔ)償是目前比較適用的方法,為此需設(shè)計(jì)動(dòng)態(tài)補(bǔ)償算法模塊。(3)地面測(cè)控室綜合調(diào)度、分析處理模塊根據(jù)測(cè)得的