（控制科学与工程专业论文）基于bp网络混合气体浓度识别的研究.pdf

摘要 当前，我国经济正在高速发展，全国人民正在建设社会主义和谐社会，然 而，经常发生的矿难却带给了人们无尽的痛苦，煤矿安全特别是瓦斯爆炸问题 成了社会的热点。本文设计了可燃性气体浓度识别系统，这个系统可以有效识 别煤矿井下的三种可燃性气体的浓度：c h 4 、h 2 s 、c o ，对于有效预防瓦斯爆炸 有一定的现实意义。 本文从四个方面进行设计：半导体传感器的选择、配气系统、数据采集、 b p 网络设计和算法改进。本文开头介绍了课题背景和主要研究内容。第二章介 绍了气体传感器和传感器的选择依据，结合矿井下实际情况，选择对c h 4 、h 2 s 、 c o 气体敏感的气体传感器和温湿模块组成了传感器阵列。第三章介绍了静态配 气法和动态配气法，并结合实际情况，从集气、实验装置、实验原理和方法等 方面设计了配气系统。第四章介绍了数据采集系统，简述了数据采集原理和当 前数据采集系统的特点，选择了研华p c i 1 7 1 0 l 数据采集卡，设计了信号调理 电路，完成了数据采集硬件电路的设计，简单介绍了v c + + 6 0 开发环境，并在 此基础上给出了编写数据采集程序的步骤。第五章介绍人工神经网络的发展及 主流网络结构、神经元功能函数，神经网络的学习，重点介绍了b p 网络的基本 算法和结构，并指出了它的不足之处，针对混合气体识别的需要，设计b p 网络 具体结构并选定了功能函数，对基本算法做了改进和优化：增加了权值改变的 动量项，并根据情况改变学习速度，以便加快神经网络的收敛，并且给出了针 对混合气体浓度识别神经网络的学习程序流程图和神经网络训练程序代码以及 系统识别结果：当可燃性混合气体( c h 4 、h 2 s 、c o ) 的浓度为1 0 p p m 一5 0 0 p p m 时，经过训练后的b p 网络能够有效地对其进行识别，识别的浓度误差在可接受 范围内，基本上达到了混合气体浓度识别的目的，这章还对识别结果和误差做 了分析和评价。最后对全文工作做了总结，并对今后的进一步研究做了展望。 关键词：煤矿安全，配气系统，数据采集，b p 神经网络，算法改进 a b s t r a c t a tp r e s e n t ，c h i n a se c o n o m i ci sr a p i d l yd e v e l o p i n g ，t h ep e o p l ea r eb u i l d i n ga h a r m o n i o u ss o c i a l i s ts o c i e t y ，h o w e v e r , f r e q u e n tm i n i n ga c c i d e n t sh a v eb r o u g h tu n t o l d s u f f e r i n gt op e o p l e ，c o a lm i n es a f e t y , e s p e c i a l l yt h eg a se x p l o s i o np r o b l e mh a s b e c o m et h es o c i a lf o c u s t h i st h e s i sd e s i g n st h ec o m b u s t i b l eg a sc o n c e n t r a t i o n r e c o g n i t i o ns y s t e m ，t h es y s t e mc a l li d e n t i f yc o n c e n t r a t i o no ft h et h r e ec o a lm i n e f l a m m a b l eg a s e s ：c h 4 ，h 2 s ，c o ，i th a v es o m ep r a c t i c a ls i g n i f i c a n c ef o rt h ee f f e c t i v e p r e v e n t i o no fg a se x p l o s i o n s i nt h i st h e s i s ，t h es y s t e mi sd e s i g n e df r o mf o u ra s p e c t s ：t h es e m i c o n d u c t o rs e n s o r s e l e c t i o n ，g a sd i s t r i b u t i o ns y s t e m s ，d a t aa c q u i s i t i o n ，b pn e t w o r kd e s i g na n da l g o r i t h m i m p r o v e m e n t s f i r s t ，t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h eb a c k g r o u n da n dm a i nr e s e a r c hc o n t e n t s c h a p t e ri ii n t r o d u c e sg a ss e n s o r sa n dr e a s o no fs e n s o rc h o i c e ，c o m b i n e dt h ea c t u a l s i t u a t i o ni nt h em i n e ，c h o o s et e m p e r a t u r es e n s o rm o d u l e s ，h u m i d i t ys e n s o rm o d u l e s a n dg a ss e n s o r sw h i c hi ss e n s i t i v ef o rc h 4 ，h 2 s ，c o t h e s es e n s o r sf o r ms e n s o ra r r a y c h a p t e ri i id e s c r i b e st h es t a t i cg a sd i s t r i b u t i o na n dd y n a m i cg a sd i s t r i b u t i o n ，a n d d e s i g nt h eg a sd i s t r i b u t i o ns y s t e mf r o mg a sg a t h e r i n g ，e x p e r i m e n t a la p p a r a t u s ， e x p e r i m e n t a lt h e o r ya n de x p e r i m e n t a lm e t h o d sc o m b i n e dw i t ht h ea c t u a ls i t u a t i o n c h a p t e ri vi n t r o d u c et h ed a t aa c q u i s i t i o ns y s t e m ，t h i sc h a p t e rf i r s to u t l i n e st h ed a t a c o l l e c t i o np r i n c i p l e sa n df e a t u r e so fc u r r e n td a t ac o l l e c t i o ns y s t e m ，s e l e c t e dt h e a d v a n t e c hp c i - 1710 ld a t aa c q u i s i t i o nc a r d w ed e s i g nas i g n a lc o n d i t i o n i n gc i r c u i t ， c o m p l e t et h ed a t aa c q u i s i t i o nh a r d w a r ed e s i g n t h e nw ei n t r o d u c e st h ev c 抖6 0 d e v e l o p m e n te n v i r o n m e n t ，a n dg i v e st h ep r o c e d u r e sf o rt h ep r e p a r a t i o no fd a t a c o l l e c t i o n c h a p t e rv d e s c r i b e st h ed e v e l o p m e n to fa r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r k sa n dt h e m a i ns t r e a mo fn e t w o r ks t r u c t u r e ，n e u r o n a lf u n c t i o n ，n e u r a ln e t w o r kl e a r n i n g ，b p n e t w o r ks t r u c t u r ea n db a s i ca l g o r i t h m p o i n to u ti t sd e f i c i e n c i e sd e p a r t m e n t w i t ht h e n e e df o rm i x e dg a sc o n c e n t r a t i o nr e c o g n i t i o n , w ed e s i g ns t r u c t u r eo fb pn e t w o r ka n d p e r f o r m a n c ef u n c t i o n ，t h eb a s i ca l g o r i t h mh a sb e e ni m p r o v e da n do p t i m i z e d ：a l l i n c r e a s eo fw e i g h tc h a n g ei nm o m e n t u mi t e m sa n dv a r i a b l el e a r n i n gs p e e dw h i c h s p e e du pt h en e r v en e t w o r kc o n v e r g e n c e t h i sc h a p t e ra l s og i v e st h en e u r a ln e t w o r k l e a r n i n gp r o c e s sf l o wc h a r tf o rt h em i x e d - g a sc o n c e n t r a t i o n sr e c o g n i t i o na n dt h e i l n e u r a ln e t w o r kt r a i n i n gp r o g r a mc o d ea n ds y s t e mi d e n t i f i c a t i o nr e s u l t s ：w h e nt h e c o n c e n t r a t i o no ff l a m m a b l eg a s ( c h 4 ，h 2 s ，c o ) i s10 p p m - 5 0 0 p p m ，t h et r a i n e d b pn e t w o r kc a i li d e n t i f yc o n c e n t r a t i o nw i t ha c c e p t a b l ee r r o rr a n g e r e a c ht h ep u r p o s e t h a tg a sc o n c e n t r a t i o ni si d e n t i f i e d ，w ea n a l y z ea n de v a l u a t et h ei d e n t i f i c a t i o nr e s u l t s a n de r r o r f i n a l l y , t h i st h e s i ss u m m a r i z e st h ew o r kw h i c hw a sd o n e ，a n dp u tf o r w a r d f u t u r ef u r t h e rr e s e a r c hw o r k k e yw o r d s ：c o a l m i n es a f e t y ，g a sd i s t r i b u t i o ns y s t e m s ，d a t a a c q u i s i t i o n ，b p n e u r a l n e t w o r k ，a l g o r i t h mi m p r o v e m e n t i i i 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢 的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得武汉理工大学或其他教育机构的学位或证书而使 用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已 在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文使用授权书 加| o y 乏i 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规 定，即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印 件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权武汉理工大学 可以将本学位论文的全部内容编入有关数据库进行检索，可以 采用影印、缩印或其他复制手段保存或汇编本学位论文。同时 授权经武汉理工大学认可的国家有关机构或论文数据库使用 或收录本学位论文，并向社会公众提供信息服务。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生( 签名) ：影澎易导师( 签名) ：期加，口r 弓f 武汉理1 ：人学硕士学位论文 1 1 课题背景 第1 章绪论 进入新世纪来，伴随着我国国民经济的高速发展，对能源的需求量也越来 越大，煤炭做为最重要的能源，产量更是年年增加，与之相对应的是煤矿矿难 事故频发，这其中尤以瓦斯爆炸后果最为严重，威胁着广大矿工的生命安全。 煤矿安全问题正日益受到关注。 煤矿安全是世界性难题，相对于西方发达国家，我国死亡率更是居高不下， 这几年屡屡见于报端。对此，党和国家领导人多次公开讲话，表示不要带血的 g d p ，提出要提高煤矿安全等级。国家相关职能部门正加大对煤矿安全课题立 项力度。广大科技工作者更是响应号召，发挥聪明才智，为煤矿安全提供科技 支撑，最近几年，一大批卓有成效的科研成果丌发出来，有力了维护了广大矿 工的生命安全。 今天，党中央国务院提出建设社会主义和谐社会，但是矿难特别是瓦斯爆 炸带给我们无尽的痛苦，是和谐社会的不和谐之音，减少煤矿伤亡事故发生， 维护广大矿工的生命安全，既是我们实践科学发展观、建设社会主义和谐社会 的必然要求，也是广大青年学子爱国爱民的现实课题。依靠科技进步，减少矿 难事故发生，是本课题的出发点。 瓦斯爆炸是可预防的，在一定的温度和湿度下，当井下可燃性气体( c h 4 、 c o 、h 2 s ) 浓度达到一定的值时才会发生，所以只要能够适时监测井下的相关 参数( 湿度、温度、气体的浓度) ，完全可以对瓦斯做好预报。开发出一种智能 检测识别系统显得相当重要，随着气体传感器技术和计算机技术的飞速发展， 让这一切成为可能。本文正是基于这种考虑，利用b p 神经网络对可燃性气体的 浓度进行识别，对于预防矿难有一定的实用价值。 1 2 智能气体检测识别系统的发展历史和现状 智能气体检测识别系统能够将检测到的气体信息转变为电信号( 电压或者 电流) ，然后对气体识别，这和人的嗅觉一致，所以也叫电子鼻。2 0 世纪8 0 年 武汉理上人学硕士学位论文 代英国人开发了第一款电子鼻产品，1 9 9 1 年8 月，北大西洋公约研究组织在冰 岛召开了第一次电子鼻专题会议。随后，电子鼻的研究得到了世界各国的关注， 1 9 9 4 年，出现第一款商业化的电子鼻，同年g a r d n e r 正式提出了“电子鼻”的概念。 从此，电子鼻术得到迅猛发展，近年来计算机技术、传感器技术、计算数学的 进步为电子鼻的进一步发展打下了坚实的基础。今天，电子鼻的应用延伸到了 各行各业，在食品安全，环境保护、航空航天、原材料分析、烟草业、石油化 工、医学检测等领域都大展身手，取得了令人瞩目的成就。 我国在这方面虽然起步较晚，但近年来紧跟国际前沿，也取得了相当不俗 的成就。2 0 0 7 年上海大学食品学院赵勇教授研发的电子鼻能够利用气味快速鉴 别虾的质量，华南农业大学研发出了食品与环境安全监测用便携式电子鼻系统， 浙江大学和邵逸夫医院合作的肺癌诊断用电子鼻已进入临床实验阶段，浙江大 学、清华大学在电子鼻方面都取得了重要进展。国外，电子鼻的开发相对更为 成熟，特别是美国和欧盟等西方发达国家，以强劲的经济基础和研发实力为后 盾，开发出了在各种领域的高精尖电子鼻产品。2 0 0 1 年，意大利国家研究中心 演示了一款通过电话线实现远距离气味传输的电子鼻。2 0 0 5 年，英国科学家发 明了一种电子鼻，它能够嗅出患者是否感染了抗药性极强的“超级细菌”。2 0 0 9 年5 月，最新研究发现，美国航天局用来监测国际空间站和航天飞机内某种气 体成分的电子鼻，还能用来检测大脑癌细胞，2 0 0 9 年8 月，德国波恩大学发表 公报称其研制的一种“电子鼻”能够“嗅出”微量三过氧化三丙酮这种烈性炸药， 2 0 1 0 年德国弗劳恩霍夫研究所研发出一种电子鼻，可用来嗅探炸药的“蛛丝马 迹”【1 1 。表1 1 是西方发达国家有代表性的电子鼻产品。国外的电子鼻产品价格 相差很大，传感器类型以m o s 型和c p 型为主，电子鼻所用的气体传感器数量 最少的只有1 个，最多的有4 0 个。 表1 - 1西方发达国家有代表性的电子鼻产品表【2 】 传感器模式识别 价格 厂家 生产地 类型个数 技术( 万美元) a n n 、d c a i r s e n s ea n a l y s a sg mb h德国m o s 1 02 4 3 p c a 、s p r a l p h a - m o sm u l t i o r g a n p l e 法国 c p ，m o s ， p 2 4 a n n ， 2 1 0 p t i cs y s t e mq c m ，s q m d f a ，p c a a r o m a s c a np l c 英国c p3 2 a n n2 一7 5 a n n ，c a ， b l o o d h o u n ds e n s o r sl t d 英国 c p 1 4 p c a 2 武汉理工大学硕士学位论文 气体色谱柱， c y r a n os c i e n c el n c 美国 1s p r1 9 5 2 5 s a w h e w l e t t - p a c k a r dc o 美国四极质谱标准化学 7 9 9 a n n 、c a 、 h k rs e n s o rs y s t e mg m b h德国q c m1 6 d f a ，p c a l e n n a r ze l e c t r o n i cg m b h 德国m o s ，q c m 1 6 4 0a n n p c a5 5 r s tr o s t o c kr a u m f a l u t 德国 m o s ，q c m ， 6 l o a n n p c a5 a n du m w ei t s ch a t z g m b hs a w n o r d i cs e n s o rt e c h n o l o g i e d 瑞典 i r ，m o s 2 2 a n n ，p c a4 “ a b m o s f e t , q c m s a w t e c ki f i e美国s a w2专利0 5 1 3 本课题的研究内容 本课题致力于开发出一种能够识别可燃性气体浓度的智能气体识别系统， 主要内容包括以下几点： 1 选择对可燃性气体( c h 4 、c o 、h 2 s ) 敏感的气体传感器、温度传感器、 湿度传感器。 2 设计精度较高配气系统和可靠的数据采集系统。 3 设计合适的b p 神经网络并检测三种混合气体的浓度。 4 程序设计，利用v c + + 6 0 开发b p 网络学习程序，对训练后的b p 网络 识别能力进行分析。 武汉理l ：人学硕士学位论文 第2 章半导体气体传感器 2 1 传感器简介 自从有了人类，人类就开始探索自然，改造世界，在长期的生产和生活过 种中，人类发现有些材料可以对外界的坏境做出反应，当外界的情况发生变化 时，这些材料会做出不同的反映，它们是大自然的指示剂，这类东西我们把它 叫做敏感材料。传感器就是由灵敏材料做成的一种检测元件，它能够感受被 测量的信息，并能将检测到的信号按一定规律转换成电信号或其他所需形 式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要 求。它是实现自动检测和自动控制基础。 2 1 1 传感器的组成 传感器一般有三部分组成：敏感元件、转换元件、转换电路。敏感元 件是来对外界做出反应，对被测量对象敏感，并呈现出一定的变化，这种 变化反映了被测量对象本身。转换元件就是能将敏感元件的测量值转换成 电路中的某个参数的元件。转换电路的则将这个参数转变为容易测量的电 信号( 一般为电压或者电流) ，满足人们的各种要求。图2 1 是传感器的 康理图： 非电信号电信号 敏感元件 转换元件 转换电路 图2 1 传感器的原理图 下面以气体气体压力传感器为例对传感器的组成做个说明，图2 2 是示意 图：图中l 为壳体，2 为膜盒，3 为电感线圈，4 为磁芯( 铁棒) ，5 为转换电路。 这里的膜盒即为灵敏元件，当环境的气体变化时，膜盒会带动它上面的磁芯上 下运动。压强不一样，磁芯上下移动的位移也不一样，可见，磁芯的位移就指 示了环境的气体压强，磁芯就是转换元件，然后通过转换电路将位移转换为电 4 武汉理j ：大学硕十学位论文 信号对外输出，这样，就可以由电信号来确定气体的压力【3 1 。 2 1 2 传感器的分类 图2 - 2 气体压力传感器示意图 当前，由于各行各业的需要，传感器种类繁多，根据不同的标准，传 感器的分类也不尽相同。按照传感器的材料性质，分为：导体传感器、绝 缘体传感器、半导体传感器、磁性材料传感器。按输出信号，分为：模拟 传感器、数字传感器。按照用途，分为：射线辐射传感器、速度传感器、 力敏传感器、液面传感器、能耗传感器。按照原理，可分为：湿敏传感器、 磁敏传感器、气敏传感器、温度传感器、湿度传感器掣制。 2 2 半导体气体传感器 上世纪中期，人们发现某些金属氧化物半导体在与甲烷、硫化氢等气体接 触时，因为吸附作用会导致它们本身电阻率发生改变，自然人们就想到利用半 导体的这种特性来检测气体成分。1 9 6 2 年，日本科学家清山哲郎根据对z n o 薄 膜的研究，提出了气敏传感器的概念，并制成了氧化锌气体传感器，并在检测 气体成分实验中取得了成功。从此，人们开始了不停的探索，1 9 6 6 年，日本科 学家清山哲郎等又测试了多种金属氧化物对不同气体的响应，发现z n o 和s n 0 2 武汉理工人学硕士学位论文 的性能最好。1 9 7 2 年，科学家发现在半导体内添加p t 、i r 、a u 等贵金属能有效 地提高传感器的灵敏度，加快对气体反应速度i 6 】。由于社会对气体传感器的需求 量逐渐增加，半导体传感器得到了广泛的重视，经过多年来的发展，目前气体 半导体产业已经进入了实用化阶段，美国、日本、德国、英国等发达国家的 气体半导体产业已经成为高新技术产业，其中日本费加罗技研株式会社的t g s 系列半导体气体传感器在业界占统治地位。虽然气体传感器越来越精密，但 人们发现几乎所有气体传感器都对多种气体交叉敏感，这给误差要求较小的定 量检测带来了严峻的挑战。未来，气体传感器研究的一个重要方向是寻找单一 气体敏感性材料，生产出对单一气体敏感的传感器。 2 2 1 部分传感器比较 最近几十年来，材料物理、电子信息、计算机等学科的飞速发展为气体传 感器技术的提高打下了坚实的基础，也为传感器的应用开辟了更为广阔的天地， 当前，气体传感器的应用已经深入到各行各业，市场上气体传感器种类很多， 性能、价格差异较大，表2 1 为部分主流传感器的工作原理和性能指标【7 1 。 表2 1 各种气体传感器工作原理、性能指标表 传感器类型工作原理制造工艺灵敏度优缺点 m o s 型电导率微电子 5 - 5 0 0 p p m 优：便宜，微电子t 艺 缺： ：作温度比较高 微电子、电优：窒温l 艺、微电子工艺 c p 型电导率 o 1 - 1 0 0 p p m 幺幺网印届0 缺：对湿度比较敏感 丝网印刷、 1 0 n g 质量 优：技术成熟 q c m 型 压电性 m e m s 变化 缺：m e m s 工艺接口电路 微电子、丝网印 1 0 p g 质量 优：差动器件、灵敏 s a w 型压电性 刷变化缺：接口电路 电容性电优：单片集成电路 m o s f e t 微电子 几个p p m 荷耦合缺：反应产物要穿透栅 荧光、化优：抗噪声强 光纤型m e m s 、浸涂 几个p p m 缺：受光源限制 学发光 优：精度较高 气体色谱 分子谱m e m s 几个p p m 缺：样品要浓缩处理 优：精度较高 质谱原子质谱 m e m s 几个p p m 缺：样品要浓缩处理 优：对样品无损耗 光谱发射光谱m e m s 几个p p m 缺：用可调量子阱器件 6 武汉理_ 丁：大学硕十学位论文 2 2 2s n 0 2 气体传感器 自从1 9 6 6 年日本科学家清山哲郎发现s n 0 2 的气体敏感性较好以后，以 s n 0 2 做为气敏材料的传感器得到了迅猛地发展，今天，这类传感器已经成为应 用最广泛的气体传感器。这种类型传感器有如下优点【8 】： l 气敏传感器的阻值与被测气体的浓度呈指数变化关系，因此具有较高 的灵敏度，所以这种类型的气敏传感器适用于低浓度气体的测量； 2s n 0 2 材料的物理、化学稳定性好，寿命长，耐腐蚀性强； 3s n 0 2 型气敏传感器对气体的检测是可逆的，而且吸附、脱附时间短， 可以连续使用； 4 s n 0 2 型气敏传感器结构简单，成本低，可靠性高； 5 对气体的检测不需要复杂的处理设备，检测气体可通过传感器的阻值 变化，直接将其转变为电信号，而且其电阻率变化大，信号处理不需要放 大电路就可以实现。 s n 0 2 气体传感器是利用电阻率的改变来达到检测气体目的，当s n 0 2 传感 器与被测气体接触时【引，吸附在传感器灵敏元件表面的氧气会与被测气体产生化 学反应，在反应过程中，会伴随电荷的转移，这种转移会导致半导体材料的电 阻率发生变化，从而改变电阻，可以通过测量半导体电阻来实现对气体相关参 数的检测。 2 3 传感器的选择 本系统对气体浓度的识别依赖于b p 网络，b p 网络学习样本的可靠性决定 了整个系统工作的可靠性，样本的数据来源于传感器的数据，选择合适的传感 器，准确的检测出可燃性气体的浓度对系统的重要性不言而喻。 2 3 1 气体传感器选择依据 一般来说，选择传感器要注意其相关参数，传感器的参数必须满足测量的 要求，同时要特别注意以下几点【3 1 1 ： 1 根据测量对象与测量环境确定传感器的类型。要进行一个具体的测量工 作，首先要考虑采用何种原理的传感器，这需要分析多方面的因素之后才能确 定。因为，即使是测量同一物理量，也有多种原理的传感器可供选用，哪一种 7 武汉理工人学硕士学位论文 原理的传感器更为合适，则需要根据被测量的特点和传感器的使用条件考虑以 下一些具体问题：量程的大小；被测位置对传感器体积的要求；测量方式为接 触式还是非接触式；信号的引出方法，有线或是非接触测量；传感器的来源， 国产还是进口，价格能否承受，还是自行研制。在考虑上述问题之后就能确定 选用何种类型的传感器，然后再考虑传感器的具体性能指标。 2 响应特性( 反应时间) 。传感器的频率响应特性决定了被测量的频率范 围，必须在允许频率范围内保持不失真的测量条件，实际上传感器的响应总有 一定延迟，希望延迟时间越短越好。传感器的频率响应高，可测的信号频率范 围就宽，而由于受到结构特性的影响，机械系统的惯性较大，因有频率低的传 感器可测信号的频率较低。在动态测量中，应根据信号的特点( 稳态、瞬态、随 机等) 响应特性，以免产生过大的误差。 3 线性范围。传感器的线形范围是指输出与输入成正比的范围。以理论上 讲，在此范围内，灵敏度保持定值。传感器的线性范围越宽，则其量程越大， 并且能保证一定的测量精度。在选择传感器时，当传感器的种类确定以后首先 要看其量程是否满足要求。但实际上，任何传感器都不能保证绝对的线性，其 线性度也是相对的。当所要求测量精度比较低时，在一定的范围内，可将非线 性误差较小的传感器近似看作线性的，这会给测量带来极大的方便 4 灵敏度的选择。通常，在传感器的线性范围内，希望传感器的灵敏度越 高越好。因为只有灵敏度高时，与被测量变化对应的输出信号的值才比较大， 有利于信号处理。但要注意的是，传感器的灵敏度高，与被测量无关的外界噪 声也容易混入，也会被放大系统放大，影响测量精度。因此，要求传感器本身 应具有较高的信噪比，尽量减少从外界引入的干扰信号。传感器的灵敏度是有 方向性的。当被测量是单向量，而且对其方向性要求较高，则应选择其它方向 灵敏度小的传感器；如果被测量是多维向量，则要求传感器的交叉灵敏度越小 越好。 2 3 2 气体传感器的选择 当煤矿井下可燃性气体达到一定浓度时，遇见火星，就会发生爆炸，可见， 可燃性气体达到一定浓度是爆炸的必要条件，只要能够准确、快速的测定煤矿 井下可燃性气体浓度，就可以预测爆炸，预防矿难的发生。煤矿井下可燃性气 体主要主要有c i - 1 4 ，c o ，h 2 s ，因此，选择传感器时，要选择对这三种气体浓度 8 武汉理一i ：人学硕士学位论文 敏感的传感器。因此，本系统选择的气体传感器主要有：c h 4 传感器m q 一4 、 t g s 2 6 1 1 、t g s 8 1 3 ，c o 传感器m q 7 ，h 2 s 传感器m q l 3 6 、t g s 8 2 5 。这6 种传感器单一性敏感性相对较好，性能可靠。当然，不可避免的是这些传感器 本身也具有一定的交叉敏感性，为了可靠，所以本系统对每种气体都选择了多 个气体传感器，而不为每种气体选择一个传感器( 共有6 个气体传感器，而不 是3 个气体传感器) 。这6 个气体传感器可以较为完整地反映出矿井下可燃性气 体的浓度信息。当然，井下的环境对矿井安全也很重要，温度和湿度是两个重 要指标，对此，本系统选用了c h t m 0 2 n 单湿度模块和单温度来监测温度和温 度。6 个气体传感器、1 个单湿度模块、1 个单温度模块检测了煤矿井下可燃性 气体浓度信息和环境信息，信息内容完整，数据略有冗余，符合传感器选择的 原则。 9 武汉理1 = 人学硕士学位论文 3 1 配气原理简介 第3 章配气系统 所谓配气，就是按照要求将多种气体按一定的比例混合在一起，随着科学 技术的逐步发展，人们在配气技术上也有了长足的进步，已经形成了比较成熟 的配气方法。当前，配气系统正向自动化方向发展：利用计算机技术，从配气 方案定制、配气方案的实施、配气过程的监控均由计算机自动完成。我国在这 方面走在世界的前列，北京金讯电子有限公司所产的计算机自动配气系统采用 当今世界上最为先进的配气技术，可以配制出高质量、高精度的标准混合气体。 用于配制样本气体的原料气由于物理、化学性质各不相同，在配制标准气 的过程中，应该考虑到其相关特性，制定不同的配气方法，总的来说，这些方 法可分为两大类：静态配气法和动态配气法。下面简要对两种配气法做个介绍。 3 1 1 静态配气法 静态配气法是用己知容积大小的固定容器做为盛装容器，计算好各种成分 气体数量后再充入盛装容器，当气体混合过程中，由于气体分子无规则的热运 动，各种不同的气体分子发生扩散，相互渗透，均匀混合，得到的某一固定量 值的标准气体，这种配气法常用做定量分析。静态配气法按照对气体数量计算 的依据是体积还是质量，可分为体积配气法和质量配气法，下面对其原理做简 要的介绍【3 。 ( 1 ) 体积配气法 知道容器体积和混合气体中各成份的浓度后，计算出各种气体在同压下所 占的体积，利用各种充气设备向容器中精确地充入相应数量体积的气体，就能 得到满意的标准气。这种方法适合配制压强大约为一个标准大气压，浓度为 1 0 击1 0 。1 的混合气体，其误差范围为1 0 - 3 - 1 0 一，以下是其基本原理： 第一步，原料气体取样： 在容积为v l 的取样容器中充入选定的原料气体，其压强p l 应该大约等于 一个大气压； l o 武汉理j ：人学硕+ 学位论文 第二步，原料气体的转移。 将v l 中的气体转移到己知容积为v 2 并事先抽成真空的配气瓶中。 第三步，用稀释气体对原料气体进行稀释： 把选定好的稀释气体( 般为空气) 渐次充入配气容器，当配气容器中的 气体压强达到目的压强p 2 时，停止向配气容器中充入稀释气体。为了更加方便 地使用配好的混合气体，p 2 的值略大于一个大气压，即p 2 略大于1 0 1 0 0 0 帕斯 卡。 稀释后得到的混合气体的浓度可以用以下公式来表示： k 1 ：k o ! ! ：! 竺! ：! ：k o d l ( 3 - 1 ) p 2 1 v 2 1 式中t p 1 1 ：取样时在取样容器原料气体的压强( 上述第一步中的p 1 ) v 1 1 ：取样容器的容积( 上述第一步中的v 1 ) p 2 1 ：转移到配气容器后充入稀释气体后混合气体的压强( 上述第三步中的 p 2 ) v 2 1 ：配气容器的容积( 上述第二步中的v 2 ) k 0 ：原料气体的初始浓度( k o 1 ) ； k 1 ：第一次用稀释气体稀释的稀释系数。 当浓度为1 0 。1 0 以( v ) 时，按照上述的步骤配制的标准混合气体浓度 的相对误差小于l o 五。对于低浓度( 1 0 击1 0 4 ( v v ) ) 混合气体的配制，为了 获得满意的准确度要求，必须进行多次稀释。 一般来说，煤矿井下可燃性气体浓度相对较低，在实验室里配气要模仿井 下可燃性气体的浓度，才能达到目的，但是经过一次稀释，很难获得我们想要 气体浓度，为了更高的精度，一般来说，可以重复上述三步，经过第二次稀释， 得到的混合气体浓度计算公式如下所示： k 2 ：! ! ：三竺! ：兰k 1 ：k 1 d 2 ( 3 2 ) 尸2 2 矿2 2 式中 p 1 2 ：取样时在取样容器原料气体的压强p 1 ； v 1 2 ：取样容器的容积v 1 ； 武汉理l ：人学硕十学位论文 p 2 2 ：转移到配气容器后充入稀释气体后混合气体的压强； v 2 2 ：配气容器的容积； k l ：第一次稀释后混合气体的浓度； d 2 ：第二次稀释的稀释系数。 由上式可得： k 2 娟址高淼2 3 ， 尸2 1 y 2 1 尸2 2 矿2 l ，) 7 以上是经过两次稀释后得到的混合气体的浓度，当然，如果混合气体的浓 度达不到要求，则可以多次重复上述稀释过程，直到得到满意的精度为至。注 意在配气过程中准确计量气体体积和压强。 ( 2 ) 质量配气法i l o j 质量配气法本质上和体积配气法并没有不同，配气过程也很相似，不同之 处在于体积配气法是以体积百分比做为配制的依据，而质量配气法是以质量百 分比做为配气的依据。因此，质量配气法应根据所需气体的浓度要求，事先计 算出各种气体所需的质量，选用精密仪器计量原料气体的质量。然后按照体积 配气法的步骤就可以配制出高精度的混合气体。 3 1 2 动态配气法 动态配气法是通过配气设备根据需要连续配制系列的不同浓度流动标准混 合气体的配气方法，常作为气体分析仪器定期检查。这是因为这种配气方法可 以不断地通过改变配气设备的工作条件而得到不同浓度的标准气，因而可以配 合分析仪器快速制订工作曲线，检验分析仪器线性关系，确定分析仪器是否处 于完好工作状态。动态配气法用于大规模工业配气，目前有多种先进的配气装 置。图3 1 是动态配气法示意酬j 。 假若要对x 1 、x 2 、x 3 等三种气体按一定的要求( 浓度比例) 进行混合， 动态配气满足如下等式： q 1 ：q 2 ：q 3 = a 1 ：a 2 - a 3 q 1 + q 2 + q 2 = q 1 2 ( 3 4 ) ( 3 5 ) 武汉理工大学硕：七学位论文 式中q l 、q 2 、q 3 分别对应x 1 、x 2 、x 3 三种气体的流量，a 1 、a 2 、a 3 分别对应x 1 、x 2 、x 3 三种气体的浓度，q 为混合气体的总流量。图3 1 为配气 原理图： p o r t l p o i u 2 p o i u 3 气体流动方向 图3 1 配气原理图 图中p o r t l 、p o r t 2 、p o l 3 为x 1 、x 2 、x 3 三种气体的接入口，l 、2 、 3 为三个精密气体流量控制阀门，可以用来准确的控制三种气体的流量。用动态 配气法所配制的气体其精度完全取决于精密气体控制阀门，通常来说，相对于 静态配气，其误差较大。 3 2 配气系统设计 h 2 s 、c o 、c h 4 组成的混合气体做为b p 网络的训练样本，样本的精度决定 了网络识别的精度。实验中气体所配的混合气体浓度应该和煤矿井下可燃性气 体浓度接近，从几十到几百个p p m ，由于静态配气法相对动态配气法配气精度 更高，故采用静态配气法中的体积配气法，整个配气系统都自行设计。 3 4 1 集气 收集气体有排水法和排空气法两种，考虑到三种原料气体都和空气的密度 接近，并且无色，故不宜用排空气法收集，但是c o 、c h 4 难溶于水，h 2 s 微溶 武汉理 人学硕士学位论文 于水，采用排水法收集气体。图3 2 是集气实验装置。装置主要由钢瓶、减压阀、 导管、集气瓶、废气处理液等组成【3 。 弯曲导管 图3 - 2 集气实验装置 打开钢瓶开关，气体从钢瓶中放出，经过减压阀，使其压强减小，得到比 较平缓的气流，然后通过一段弯曲的导管，使气流进一步平缓，这样有助于气 体的收集，之后，气体经导管进入集气瓶，尾气( h 2 s ) 经碱液处理吸收，当然， 对于c o 、c h 4 可在进入大气时点燃，通过燃烧处理，以免对大气造成污染。这 个集气装置中间有一个平衡器，注意进入平衡器的导管下端恰好接触水面，它 的一端和进入集气瓶的导管相通，另一端直接通入尾气处理液，刚开始收集气 体的时候，打开阀门，保证了导管中的气体压强大约为一个大气压，这样实验 中收集的原料气体的压强也近似为一个标准大气压。然后关闭阀门，开始收集 气体。实验中用l l 的锥形瓶做为集气瓶。集气完成后注意气体的密封保存，以 免造成环境的污染和原料气体不纯，影响系统工作的可靠性。 3 4 2 实验箱 ( 1 ) 实验箱的设计 实验箱是我们放置传感器和混合气体的地方，实验箱容积大小要合适，太 大了，需要较多的气体，太小了，影响传感器和气体的充分接触。本系统中放 1 4 武汉理丁大学硕士学位论文 置的传感器有8 个，选择实验箱的容积为6 l 一8 l 相对较好，除此之外，实验箱 要能够准确配气，需要一个进气孔，还要有真空连接口，图3 3 是实验箱示意 图。 压力表 真空表 早原料气体进口( h 2 s 、c o 、c h 4 ) 传 至信号调理电路 感 器 阵 列 工 纯净空气 工 壬 至真空抽气机， 图3 3 实验箱示意图 传感器阵列由前章的所述的8 个传感器组成，这8 个数据输出到信号调理 电路，经过调理的信号再进入数据采集卡，压力表和真空表在配气过程中对箱 内的气体进行监测，表的性能决定了配气的精度。整个装置能很好地满足实验 要求。 ( 2 ) 实验箱容积的测定 实验中气体浓度配制的精度直接决定了系统的可靠性，而浓度的配置则和 实验箱容积的测定有很大的关系。所以对实验箱容积的测定精度要求是相当高 的，本实验对实验箱容积的测定采用充水法。下面对这个过程做个详细说明。 第一步：用精密天平称出实验箱的总质量m 1 ( 包括实验箱中的传感器和与 箱子在一起的其他元件) 。 第二步：往箱子中注入纯净水，直到充满整个实验箱为止。 第三步：再次用精密天平称出充水后实验箱的总质量m 2 ( 包括实验箱中的 所充的水、传感器和与箱子在一起的其他元件) 。 第四步：由公式计算实验箱的容积： 设实验箱的容积为v ，则 武汉理 人学硕七学位论文 y ：m 2 - m 1 p ( 3 6 ) 公式中的p 为纯净水的密度，公式中m 2 、m 1 已经测量出来，而纯净水的 密度p 则是常量( p = l o o o k g m 3 ) ，利用这个原理可以方便精确的测定气体实验箱 的容积，但是一次测量可能不够准确，为了保证实验的精度，我们可以放掉实 验箱中的水，干燥后重复上面的三步，如果四次计算后所得的实验箱的容积分 别为v 1 、v 2 、v 3 、v 4 ，我们可以取平均值为实验箱的最终容积。即 y ：v i + v 2 + v 3 + v 4( 3 7 ) 4 在测量实验箱体积的时候，也可以在实验箱中充入除纯净水以外其他已知 浓度的液体，当然，在充入液体前，要注意液体会不会对传感器的灵敏性造成 损伤，或者腐蚀实验箱。 ( 3 ) 实验箱中混合气体的配制 假定测得实验箱容积为v ，所配混合气体的浓度要求h 2 s 为l 1 ，c o 为l 2 ， c h 4 为l 3 ，则可以计算出三种原料气体的体积。计算过程如下： h 2 s 体积v 1 v i = l lxv ( 3 8 ) c 0 体积v 2y 2 = l 2 v ( 3 - 9 ) c h 4 体积v 3v 3 = l 3 xv