基于GA-BP神经网络的红外CO2传感器湿度补偿研究*

为了提高红外CO2气体传感器的探测灵敏度和精度,首先研究了不同镀膜对非色散扁锥腔CO2气体传感器的红外吸收效率和灵敏度的影响.然后搭建了湿度实验平台,着重研究了环境湿度对气体浓度测量结果的影响.最后,采用遗传算法优化的BP神经网络算法(GA-BP)对传感器进行了湿度补偿.实验结果表明:在室温条件下、0～2000×10-6浓度范围内,镀金腔体的CO2传感器具有更高的红外吸收效率和灵敏度;在40％～80％湿度范围内,CO2气体传感器的测量误差与相对湿度密切相关,最高误差达645×10-6.采用GA-BP算法数据融合补偿后,传感器湿度漂移得到了较好抑制,整体平均误差小于±110×10-6,表明CO2气体传感器的测量精度得到了大幅提升.     

基于不分光红外法的汽车尾气检测传感器的设计

为实现对汽车尾气中CO、CO2、HC化合物的测量,提出了一种新型汽车尾气检测传感器的设计方案。该方案根据不分光红外法（NDIR）检测原理,讨论了汽车尾气检测传感器的整体结构和软硬件的实现方法;传感器采用新型的红外光源和四通道红外探测器,可以同时测量汽车尾气中CO、CO2、HC化合物的浓度;采用双进双出的圆柱形气室结构,可以提高系统的检测灵敏度和测量精度。实验结果表明,传感器的相对误差在±3%之内,具有良好的精度和稳定性,能够满足汽车尾气浓度测量分析的需求。     

基于GA-WNN温度补偿的红外CO2气体传感器系统研究

为了提高红外CO2气体传感器的探测灵敏度和精度,首先基于计算流体动力学（CFD）仿真计算,研究了传感器腔内气体辐射功率吸收效率与腔体结构之间的关系,模拟结果表明：当圆柱腔体的直径与内壁反射率固定时,腔体结构存在最佳腔长可使传感器红外辐射功率吸收效率达到最大。然后基于CFD仿真的结果设计和实现了CO2气体传感器,并开展了实验比对与验证,进而着重研究了环境温度对气体测量结果的影响。实验结果表明：在5~45oC温度范围内,传感器在0~2000 ppm浓度范围内的测量误差随着温度升高而显著增大。最后采用遗传小波神经网络算法（GA-WNN）对传感器进行了温度补偿,数据融合补偿后传感器的温度漂移得到了较好的抑制,其绝对误差小于±70 ppm,在非样本温度点下,整体平均误差小于±100 ppm,表明CO2气体传感器的测量精度得到了较好的提升。     

微型双气体红外传感器的设计与实现

基于朗伯—比尔吸收定律,利用非分光探测技术设计了双气体红外传感器。设计的红外传感器可以检测CH4和CO2。重点介绍了稳定性好、灵敏度高的反射式气室的设计。该气室对红外光源和红外探测器的位置进行了合理的布局,实现了传感器的微型化设计。经过测试,在CH4和CO2气体体积分数较低的范围内,反射式气室红外传感器的最大测量误差仅为±0.05%。     

基于STM32的红外火灾探测系统设计

为进一步提高火灾探测系统的探测精度及响应速度,设计了基于STM32的红外火灾探测系统;本系统采用多个红外火焰探测器、温度传感器对火灾的多参量进行探测;基于STM32F103Zet6微处理器,首先采取DMA方式实时读取探测器及传感器A/D转换后的数据,进而进行数据处理及算法分析,实时判断是否发生火灾;判断结果通过报警指示灯来显示;同时,通过串口将数据传给上位机,以便进一步进行离线分析和算法改进;本系统与传统的火灾探测相比,火灾识别率提高约5%,系统响应速度缩短3S左右,具有较强的数据处理能力及较快的系统响应速度。     

MEMS红外光源及应用

针对传统红外光源需要另加调制部件,使得传感体系价高和笨重的不足,利用微电子工艺研制了一种用于便携式非扩散红外气体传感器的电调制红外光源,并对其辐射特性进行了测试。将光源应用于自行搭建的小型红外吸收气体传感系统中,对不同气体体积分数的CO2和SO2气体进行探测,测量精度分别达到20×10-6和50×10-6气体体积分数。重复测量偏差在10%之内,且光源辐射性能稳定,可用于多组分气体探测。     

基于中红外QCL的痕量CO气体传感器

为了减少CO爆炸给国民经济造成的巨大损伤,提出了一种能够快速地监测环境空气中痕量CO的气体传感器。由于CO分子基频吸收谱带的吸收线强要比泛频带和组合频带的吸收线强高出2～3个数量级,选择激射中心波长为4.65μm中红外量子级联激光器（QCL）作为光源,同时再配合长光程Herriott气室提高了CO体积分数检测下限。同时,该传感器采用单光源双探测器差分光学结构,消除了电调制光源所带来的不稳定性。实验表明：该传感器CO体积分数检测下限为2×10-6,并且操作人员可以通过替换在不同波长下运行的中红外QCL来测量其它气体。     

可燃气体红外光双波段探测器研究

设计了一种新的红外光可燃气体探测器.采用双波段探测可燃气体技术,差动输出测量值,避免了单一波段探测可燃气体方法受环境影响所存在的精度低、性能差的缺点.利用最小二乘法消除了温度对传感器所造成的影响.实验结果证明:系统消除了周围环境对被探测气体的干扰,提高可燃气体浓度的测量精度.     

一种小型化多组分气体检测装置的设计

针对传统红外气体探测装置检测气体种类单一和光源稳定性差的缺点,该文设计了一种基于非分光红外(NDIR)技术的多组分气体检测系统。使用四窗口热电堆红外气体探测器,同时检测CO、CO2和HC这3种气体的浓度,并设计了恒功率光源电路,保证了光源发光的稳定性。以内部集成14位ADC和PGA模块的PSoC单片机为核心,相比传统气体探测装置,在保证检测精度的同时,有效减小了外围电路的大小,提高了装置的一体性,同时也降低了成本。设计了LabVIEW上位机,对气体浓度进行实时监测,并给出各组分气体浓度的标定方法。该检测系统成本低,小型化便于携带,探测气体误差在2%以内。     

自主移动智能金属探测器研制

为提升民用金属探测器探测精度和智能化程度,设计并制作了一种可自主移动探测的金属探测器.可自主移动的小车承载AY-LDC1000传感器探头,利用金属的涡流效应,采用STM32作为微处理器,检测探测频率的变化,并控制探测器自主移动,能在指定范围内自动、准确地探测出金属位置.通过实验检测该系统的可行性和稳定性,结果表明:探测器能精确自动探测出金属目标,且具有较高的探测率.     

红外甲烷传感器直射式气室设计

针对采用反射式气室的红外甲烷传感器测量误差较大的问题,基于红外光谱吸收原理,利用非分光探测技术设计了一种新型直射式气室。该气室采用硅半导体片状红外光源、双通道红外探测器及一定长度的气室中腔,选用GaF2作为光源及探测器的视窗材料,搭配外部电路实现对CH4体积分数的监测。0～2.5%CH4体积分数范围内的测试结果表明,采用直射式气室的红外甲烷传感器最大测量误差仅为±0.05%。     

基于差分吸收检测技术的非色散红外SF6传感器

基于非色散红外吸收原理,以电调制红外光源、采样气室和双元红外探测器组成的红外传感模块为核心,利用差分吸收检测技术设计了一种小型化高性能的SF6气体传感器.利用标准气体进行浓度标定,拟合了SF6气体浓度与电压关系曲线,实现了对SF6气体浓度的准确检测.根据传感器检测误差随环境温度变化的规律,系统研究了温度补偿方法,有效提高了传感器在不同温度下的检测精度.实验结果表明,该传感器系统在环境温度10℃~40℃、气体浓度0~2500×10-6范围内的检测精度小于±50×10-6,分辨率为1×10-6,系统响应时间小于5 s,具有良好的重复性和稳定性.     

基于超声波时差法的管道流量测定仪设计

煤矿现有抽采管道使用传统瓦斯流量计存在易产生堵塞故障等问题,基于超声波时差法的流量计测量精度高、测量结果重复性好,但不适用于瓦斯抽采管道流量测量,并且需要单独设计超声波驱动电路和信号处理电路,实现难度较大。针对煤矿瓦斯抽采管道的特点,设计了一种基于超声波时差法的管道流量测定仪。在固定的传播距离下,超声波换能器发出的超声波在流体中的传播时间与气体的流速呈函数关系,而流速与管道截面积的乘积即为流量,从而间接得到管道气体流量。该管道流量测定仪以低功耗微处理器STM32F103为核心控制元件,在时间数字转换芯片MAX35104内部通过自动差分飞行时间测量法计算超声波顺逆流传播时间,根据传播时间计算气体流速、瞬时流量和累计流量。测试结果表明,基于超声波时差法的管道流量测定仪的最大绝对误差为0.15 m/s,最大重复性误差为0.17%,符合JJG 1030—2007《超声流量计检定规程》中2级精度要求,同时也满足MT 448—2008《矿用风速传感器》中对超声波式风速传感器基本误差的要求。     

红外气体传感器信号调理及数据处理

针对红外气体传感器易受外界光源、电磁等干扰影响,其输出信号中存在大量噪声而影响检测精度的问题,设计了一种红外气体传感器信号调理及数据处理电路。该电路采用硬件和软件相结合的方法,在硬件上设计了信号调理电路,在保证信号真实性的同时具有非常好的放大滤波功能;在软件上采用中位值平均滤波算法对信号进行处理,可有效克服信号中混入的噪声,且对周期性和热噪声产生的干扰也有很好的抑制作用。试验结果表明,该电路可有效滤除传感器中的大量噪声,准确提取有用信号,提高检测精度及稳定性,满量程精度可达0.54%。     

基于阵列测量与数据融合的高精度硅压阻式气压变送器的研制

气压是评价大气环境变化的关键性参数。为提高传统硅压阻式气压测量系统的精度,研究并实现了一种基于MEMS气压传感器阵列式测量和粒子群优化（PSO）反向传播（BP）神经网络数据融合处理的高精度数字气压变送器,给出了相应的硬件结构和软件设计,并通过STM32平台对μC/OS-II与μC/GUI进行了整合移植和显示优化。结合实验测量数据,从非线性误差、迟滞误差、重复性误差及其整体精度等方面对PSO-BP神经网络算法在硅压阻式气压测量系统中应用的性能进行了研究————————————与分析。研究结果表明,在-20℃~60℃的温度范围内,本文研制的低成本嵌入式硅压阻气压变送器的整体测量精度约为±0.095%FS,基本满足大气探测应用的要求。     

紫外光谱响应度测量系统设计

由于目前的紫外辐射的定标测量存在测量误差大的缺点,采用热释电探测器作为基准探测器给被测探测器(GaN)进行定标,给出光谱响应度测量系统的设计原理,对高稳定度紫外光源系统、热释电电学定标系统、信号检测电路进行了详细的设计,分析计算机控制和软件处理系统部分功能构成,最后进行了单色仪的波长标定来证明系统的准确性。     

基于工业以太网的非分光红外气体分析器设计

为解决传统红外气体分析器稳定性差、测量精度低等问题,研制了一种基于非分光红外吸收原理的新型气体分析器。重点介绍了该气体分析器的电调制红外光源、热释电红外检测器、光/气路结构、信号调理电路及其嵌入式实时监控系统的设计。利用以太网控制器CP2200设计了工业以太网接口,通过以太网接口能够快速准确地发送测量和报警信息。实验结果表明:该红外气体分析器响应快速,测量精度高,稳定性好,具有很高的实用价值。     

基于遗传算法的小波神经网络在多组分气体检测中的应用

由于利用不分光红外吸收法（NDIR）的多组分气体传感器对汽车尾气（主要成分为CO2、CO、HC化合物）进行同时测量时,所测气体浓度是交叉吸收干扰后的结果,造成测量误差大,分析精度低。针对此问题,将遗传算法优化的小波神经网络用于建立基于红外光谱的三组分气体定量分析模型中。采集CO2、CO、HC的浓度信号,作为模型输入,通过模型回归分析,得到对应的混合气体组分浓度,解决气体之间相互干扰的问题。最后通过实验数据对模型性能进行仿真分析,结果表明,该模型的平均误差相比于传统模型明显减低,取得较好的精度。