（电气工程专业论文）co2浓度实时检测方法及其实现研究.pdf

t h er e s e a r c ho nr e a l t i m ed e t e c t i o no fc 0 2c o n c e n t r a t i o n a n di t sr e a l i z a t i o n b y y a ns l l i p i n g b e ( h u n a na g r i c u l t u r a lu n i v e r s i t y ) 2 0 0 7 at h e s i ss u b m i t t e di np a r t i a ls a t i s f a c t i o no ft h e r e q u i r e m e n t sf o rt h ed e g r e eo f m a s t e ro fe n g i n e e r i n g e l e c t r i c a le n g i n e e r i n g i n t h e g r a d u a t es c h o o l o f h u n a nu n i v e r s i t y s u p e r v i s o r p r o f e s s o rp e n gm i n f a n g a p r i l ，2 0 1 1 48_咖60m 9 iiii-y 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研 究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论 文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文 的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名： 缸世彳 日期：伽年f 月跏e t 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校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。本人授权湖南大学可以将本学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印 或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 l 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密囹。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名： 矽世晋 e l 期：沙、年厂月加e l 导师签名： 劾刍 o ) ( 3 1 8 ) 上式中r ( 七) 是y ，( 七) 的协方差矩阵。对3 1 6 式的采样率之间为正整数倍关系， c 0 2 浓度实时枪测方法及其实现研究 即： s + 1 - - = 吩墨 ( 1 i n - 1 ) ( 3 1 9 ) 式子中臻为已知正整数。 根据监测系统硬件要求，在设定好的c 0 2 监测系统的最高采样频率和已知各 传感器系统的观测方程的情况下，融合利用各传感器的采样数据，来获得最高采 样率下状态的最优估计。步骤如下，设： 北喑x 诹- 1 ) ，( ，2 ，_ l ；i 2 珥n 吩) ( 3 2 0 ) 1一l 则式3 1 5 和式3 1 6 可以转化为 5 s l ： h ( 七+ 1 ) = 4 h ( j i ) + ( 七) ( 3 2 1 ) 刁( j | ) = r ( 七) c ( 七) h ( 七) + y ，( 七) ，o = l ，2 ，n ) ( 3 2 2 ) 式中： h ( 七) = lx ( ( 七一1 ) 刀+ 1 ) ，x ( ( 七一1 ) 甩+ 2 ) ，x ( k n ) l ( 3 2 3 ) 4 ( 七) = 00 a ( k n ) 00 a ( k n + 1 ) a ( k n ) ： 0 0 1 7 彳( 而+ ，) ( 3 2 4 ) 乏( 七) = 【刁( ( 七一1 ) 磊，+ 1 ) ，刁( ( 七一1 ) n ，+ 2 ) ，z , ( k n ，) r ( 3 2 5 ) e ( 七) = ( 1 n ，) d i a g c j ( ( k 一1 ) n ，+ 1 ) 乇，c ( ( 七一1 ) n ，+ 2 ) 厶，c , ( k n ，) 乇) ( 3 2 6 ) r ( 七) = ( 七) ( 3 2 7 ) 其中，元= 兀吩，磊= h ，- 口l ，- o 口1 ，乇= 【厶，h9 9 l ，】是由i 个维数为甩的 = o 单位矩阵组成的矩阵，维数为刀刀胁。( 七) 是输入r 的一个随机变量，用于描述观 察数据的丢失情况。 国( 七) 的均值为零，方差为： 式中： q n ( k ) = b u ( k ) d i a g q ( k n ) ，q ( 后+ 1 ) ，q ( k n + n 一1 ) 或( 七) ( 3 2 8 ) 硕士学位论文 巩( 七) = l a ( k n + 1 ) i 彳( 疬+ ，) ( 3 2 9 ) 孑，( 七) 的均值为零，其方差瓦( 七) = 幽喈 r ( ( 七一1 ) n ，+ 1 ) ，r ( ( 七一1 ) l ；，+ 2 ) ，r ，( k n ，) ， 通过以上的转化，把异步多速率多传感器的数据融合转变为同步单速率的多传感 器数据融合，从而为异步多传感器数据融合提供了一种简便转化方法。然后对式 3 2 l 和式3 2 2 进行k a l m a n 滤波，就可以得到h ( 后) 的第f 个传感器在k 时刻的预 测： x w ( 七l k - 1 ) = a ( 七- 1 ) x , n ( k - 1 i k - 1 ) ( 3 3 0 ) b ( 七l 七一1 ) = 以( 七一1 ) ( 七- 1 i k - 1 ) a ：( k - d + q ( 七- i ) ( 3 3 1 ) 在k 时刻到来的时刻，可能有两种情况发生：第i 个传感器观察到的数据f i 或者未观察到的数据i j ，其中i u j = n 。如果第i 个传感器观察到了数据，那 么由k a l m a n 滤波，可以得到h ( 七) 在k 时刻的估计值和估计误差的协方差： 藏( 七i k ) = j ，( 七i 七一1 ) + 石0 ( 七) iz ，( 后) 一c ：( 七) 而( 七l k - 1 ) i ( 3 3 2 ) k 0 ( 七) = ( 七i 七一1 ) q ( 七) lc ：( 七) ( 七i k - 1 ) c ( 后) + r ( 七) i ( 3 3 2 ) ，( 七l 七) = 【l j 0 ( 七) c i ( 七) 】，( 七l k - 1 ) ( 3 3 3 ) 如果第i 个传感器未观察到数据，那么其k 时刻的估计值和估计误差的协方 差，也是k 时刻的预测值： x w ( 七l 七) = x w ( 七i k - 1 ) ( 3 3 4 ) ，n ( 七i 七) = ，( | i lk - 1 ) ( 3 3 5 ) 综上推导过程，第k 时刻对所有传感器的最优融合估计为： ( 七i 七) = 艺口( 七) 赫( 七i 七) ( 3 3 6 ) 式中： 。9 w c 七，= 目c 七i 七，c 七i 七，= 2 妻：主；墨：主：2 。，芸三二：) c 3 3 7 ， 相对应的估计误差的协方差为： 昂( 七i 七) = ( 尉( 七i 七) ) 一= ( 蓐1 ( 七i 后) + 喇( k l k - 1 ) ) 1 ( 3 3 8 ) 因为( 七lk ) 0 ，因此，由式3 3 8 可知，咒( 七ik ) 垛( 七ik ) ，说明多传感器融合 o o ； l +一疗 0 l ； 4 ：一 c 0 2 浓度实时检测方法及其实现研究 估计比单一传感器估计优越，而且能够处理多传感器数据异步和丢失的问题，从 而验证了算法的有效性。 3 8 小结 本章介绍了多传感器数据融合技术基本概念、层次、功能和数据处理方法， 再结合二氧化碳检测系统的实际测量环境中多个变量的特性，在实验室的条件下， 选取四个环境变量作为实验对象，提出应用多传感器数据融合技术对环境变量融 合分析后，获得t d l a s 直接测量值的修正系数，修正c 0 2 的浓度。然后从理论 上说明了e l m 模型的可行性，并分析其应用n - 氧化碳检测系统的优越性。由 于普通的e l m 模型用来处理二氧化碳检测中庞大的环境变量数据时，处理速度 慢，所以必须对e l m 模型进行改进，通过对数据进行k 均值聚类将输入矩阵分 为数目相等的两类数据，从而隐层的节点数减少到原来的一半，大大提高了数据 处理速度。考虑到e l m 算法不能处理多传感器采样时数据丢失和数据不同步的 问题，应用基于不完全观察理论的异步多传感器数据融合算法改进模型，从理论 上实现了对二氧化碳的实时检测。 硕士学位论文 第4 章检测系统设计 4 1 引言 第三章介绍了多传感器数据融合技术的相关知识，提出了应用多传感器数据 融合技术修正t d l a s 直接测量误差的方法，实现了对c 0 2 实时监测，并从理论 上说明其可行性。在此理论基础上，结合第二章光谱吸收法检测二氧化碳时诸多 环境变量影响检测结果的特性，考虑实验室测量条件的限制和实验模型的合理性， 选取四个主要的环境变量( 温度、压强、湿度、相似气体) 作为实验对象，模拟 实际环境条件，设计了对二氧化碳浓度实时检测的硬件系统和软件系统。 4 2 检测系统分析 在设计模拟检测系统之前，需对监测系统的内部组织整体管理状况和信息处 理过程进行分析，以及对测量系统的目的、方法、模型、内外部因素、结果等进 行分析，从而确定实验模型的合理性。 显而易见，c 0 2 排放系统是一个连续变化的系统，所以，在光谱吸收技术的 理论基础上，考虑实际环境中的四个主要影响因素一一温度、压强、湿度、相似 气体，通过模拟实验实现这四个变量连续变化，测得实验数据，然后应用多传感 器数据融合技术建立模型，对模拟实验所测数据进行融合分析，得到修正系数， 通过修正直接测量值的误差，最终测得c 0 2 的浓度值。 4 3 系统总体设计 第二章已经分析了实际环境中影响c 0 2 检测的主要因素，在实验室条件下， 选取四类影响大、实验室比较容易实现变化的环境变量一一温度、湿度、压强、 相似气体作为实验对象，可调谐激光光谱技术( t d l a s ) 的测量值和理论值输入 值作为参考对象设计实验。根据以上四个环境变量设计了模拟实验平台，如图4 1 所示，c 0 2 实时监测系统主要由信号输入模块、信号接收模块和信号处理模块三 个部分组成。其中第1 部分和第1 i 部分是属于输入模块，第1 部分的功能是通过 流量计配备混合气体的成分，第部分是主要的信号接收模块，包括测量所有设 计环境变量的测量器件，计算机是主要的信号处理模块。 该系统的测量过程主要包括： ( 1 ) 测量由第1 部分配置的各浓度成分混合气体，包括氮气，二氧化硫和二 氧化碳。其中，在1 5 p m 波段附近二氧化硫是二氧化碳的相似气体。 c 0 2 浓度实时检测方法及其实现研究 ( 2 ) 根据实际环境条件，通过观察压力计、温控仪、湿度计调节各环境变量， 为模拟实际环境提供依据。其中，等容气体容器用于调节反射池中气体的压强， 用温控仪控制吸收池的温度，用吸水的棉花球调节气室的湿度。 ( 3 ) 由信号发生器驱动激光器发出激光光谱，通过准直器准直后再穿越混合 气体，由探测器的测得输出光强，送入锁相放大器处理，再送往计算机中心。同 时，通过数据采集卡将传感器列阵的值送往计算机中心进行融合分析，修正直接 测量值的误差。 4 4 硬件系统的设计 图4 1c 0 2 监测系统总体框图 本文所提c 0 2 实时监测系统是在光谱吸收法基础上实现的，整个系统主要由 可调谐激光器、吸收池、探测器、锁相放大器、温控仪、传感器列阵等组成。 4 4 1 光源 光源是二氧化碳监测系统的主要输入信号，激光器结构主要由工作介质、激 励源、谐振腔三部分组成。根据激光的不同性质有不同的分类方法，按工作介质 的不同分为固体激光器、气体激光器、液体激光器和半导体激光器；按激光输入 方式的不同又可以分为连续激光器和脉冲激光器，也可按发光频率和功率的大小 分类。近年来，随着通讯行业的发展，半导体激光器得到了飞速的发展。目前， 在气体检测中，一般采用可调谐半导体激光器。它具有许多突出的优点【7 3 】： ( 1 ) 二极管激光器转换效率高。转换效率理论上可达到1 0 0 ，但实际应用 3 2 硕士学位论文 中由于存在非辐射损失，其内量子点效率会降低，但仍能达到7 0 以上，可以节 省能源。 ( 2 ) 二极管激光器扫描时所覆盖的波段范围广。可以根据实际需要选用不同 材料的二极管。 ( 3 ) 二极管激光器的使用寿命长，一般可工作十万乃至百万小时。 ( 4 ) - - 极管激光器具有直接调制能力，这是其用于实验研究的一个重要原因。 ( 5 ) 二极管激光器体积小、重量轻、价格便宜。 目前可调谐激光器的种类主要有：可调谐分布反馈激光器( d i s t r i b u t e d f e e d b a c kl a s e r ，d f b ) 、分布布拉格反射镜激光器( d i s t r i b u t e db r a g gr e f l e c t o r l a s e r ，d b r ) 、垂直腔面发射激光器( v e r t i c a l c a v i t ys u r f a c e e m i t t i n gl a s e r ，v c s e l ) 和外腔半导体激光器( e x t e r n a lc a v i t yd i o d el a s e r ，e c d l ) 。d f b 激光器首先通 过温度调谐对气体谱线位置进行大致选择，使激光输出波长位于吸收谱线中心位 置，然后利用电流调谐来对谱线进行快速扫描，能量输出平稳，频率响应特性高， 能够在高频的工作波段上进行使用，但调谐速度较慢。e c d l 激光器是通过改变 谐振腔的结构尺寸和形状来对波长进行调谐，具有很宽的调谐范围，调谐线宽比 较窄，但是由于受到调制原理的限制，调制频率低，不适合在快速变化的系统中 应用。 本文实验采用的二极管激光器为t h o r l a b s 公司的垂直腔表面发射激光器 ( v c s e l l 5 8 0 ) ，它具有以下特点【7 4 】：它是通过使谐振腔的博格反射镜发生偏移， 改变腔的长度进行波长调谐，调谐范围可达到5 - 6 n m ，远高于d f b 激光器的 0 2 n m ，所以可以同时扫描多条谱线以进行多种气体测量；谐振腔是由单片生长 的多层介质膜组成，从而避免了机械损伤、表面氧化和污染物等引起的激光器性 能退化，这在实际应用中十分重要；成本低；便于模块化和封装；可实现动态单 纵模工作；具有很高的调谐重复比率( 高达m h z ) ；调谐速度很快，时间分辨率 高。 4 4 2 探测器 气体检测系统中所用的探测器一般为光电感测器，它是利用光电效应的原理 来探测光信息，并将探测结果转变为电信号，通过观察电信号来监测光信号。在 可调谐激光吸收光谱技术中，为了满足调制测量的要求，探测器在对应的波长范 围内对光信号要有较高的灵敏度，同时，还要有足够的频率响应带宽。光电探测 器有一系列反映了探测器性能优劣的参数，实际应用中，可以比较不同探测器的 性能参数来选择相应的探测器，一般的性能参数有量子效应、灵敏度、光谱响应、 频率响应、响应时间、等效噪声功率和探测度，在极限工作的情况下还要考虑光 敏面积、探测器电阻、探测器电容等【_ 7 5 】。 3 3 c 0 2 浓度实时检测方法及其实现研究 光探测器本身提供前置放大器的输入信号，因此它的固有性能和抗干扰能力 直接影响检测信号。d e t 4 1 0 硅探测器是一种光电二极管和放大器集成的元件， 可用于c 0 2 测量系统中，它的内部电路如图4 2 所示，由1 2 v 的电池提供偏置电 压，通过分析电路可知，输出电压是负电压信号。 图4 2 探测电路 d e t 4 1 0 硅探测器的响应时间为5 n s ，谱线波长范围为7 0 0 n m 1 8 0 0 n m ，在c 0 2 测量波长1 5 m 附近，探测器的功率响应系数为0 9 a w ，探测器的最大可探测 功率为1 0 0 m w 。实验中选用1 5 “m 二极管激光器作为信号发射器，其上限功率 为l m w ，使用的功率为0 5 m w 左右，远小于d e t 4 1 0 的最大可探测功率，因而 可以直接探测光信号的强度，且满足线性关系。 4 4 3 标准具 标准具的作用是将随时间变化的信号转交为随频率变化的信号。激光通过理 想的f a b r y p e r o t 标准具的透射率是根据标准具的有效精细度来改变的1 4 6 】： t = 1l + ( 篙) 2x s 证2 掣竽) 划争 ( 4 1 ) 式中，刀折射系数。 d 一一标准长度。 足一一标准具面上的反射率。 p 一一光线相对于平行面的角度位置。 ，一一标准具的有效精细度，它决定投射波峰的尖锐程度。 由式4 1 可知，当s i n ( 2 r r n d - c o s o ) 为零时，投射激光强度最大，通过调整角度 位置可以方便的校正和调整波峰的高度。在可调谐激光光谱测量中，自动谱间距 ( f s r ，f r e es p e c t r a lr a n g e ) 是一个重要的参数，代表透过标准具后的光谱图上 峰与峰之间的频率间隔，表明激光波长变化时所能给出的响应范围，其定义为： 硕士学位论文 f s r ：三一 ( 4 2 ) 2 r i d c o s 0 在实际测量中，激光通过标准具的光学路径是未知的，在1 5 1 x m 处近似认为 其f s r 值为2 0 1 0 0 1 g h z 。 4 4 4 锁相放大器 在检测系统中，被检测的信号一般很微弱，而且噪声和干扰很强，所以必须 对被检测信号进行放大和滤波处理，锁相放大器( p l m ) 是以相干检测技术为基 础、对检测信号和参考信号进行相关运算的微弱信号测量设备。通过分析被测信 号，提取出参考信号特定倍频下的信号，除去噪音信号，从而提高了测量的精度。 锁相放大器的工作原理图如图4 3 ，它主要由三部分组成：信号通道、参考通道 和相敏检波( p s d ) 。信号通道的作用是将伴有噪声的输入信号放大，然后经过滤 波或放大对噪声做初步预处理，滤除信号带以外的噪声。参考信号的作用主要是 提供一个与输入信号同相的方波和正弦波。相敏检波的主要作用是对输入信号和 参考信号进行运算，然后通过低通滤波，此时的等效噪声带宽很窄，从而减弱了 输入噪声信号，再经过放大以满足系统的增益要求。 输入信号 参考信号 图4 3 锁相放大器原理图 锁相放大器有内调和外调两种工作方式，两者工作的基本原理差不多。假定 被测信号为f a t ) = ( ，) + c o ) = s i n ( 6 0 , t + ) + c ( ，) ，其中( ，) 为待测信号中的 有效信号，e o ) 为噪声信号。在锁相放大器工作时，将输出的参考信号 吒( ，) = 五s i n ( 6 0 l t + ) 与被测信号同时输入到相敏检波器中经过混合后得到输出 信号为f = e ( f ) e ( ，) ，再经过积分器积分后得到输出信号e 为： 1 ， 磊= l i m 寺f r 【( f ) + c ( f ) 】疋( r ) 衍= 如( f ) + ( f ) ( 4 3 ) j - _ 口口，上 式中，r , z 0 ) 和如 ) 分别是被测信号和参考信号与噪声之间的函数。由于噪 声的频率和相位都是随机的量，所以参考信号与噪声之间不相关，对函数r ：， ) 积 分后，其值接近于零，从而有效的抑制噪音信号，提高了测量的信噪比。对r 吐( f ) 进行运算： 3 5 c 0 2 浓度实时检测方法及其实现研究 ( f ) 5 r l i i i l - 。二2 tf r 名e ( f ) 哆 = r i i - m 。上2 tf 片置c o s 【( q c o l ) t 4 - ( 一) 】 ( 4 4 ) 1 一 ec o s ( c o , + 吼) ，+ ( + ) 弦 将相敏检测器输出的信号输入至低通滤波器，除去信号中的交流信号，当参 考信号的频率与被测信号的频率相同时，即。= q ，相敏检测器输出的结果为： 1 e = 去c c o s ( 一) ( 4 5 ) 由式4 5 可见，当待测信号与参考信号同频率时，相敏检波器的输出信号与 待测信号的幅值( ，) 成正比，再将得到的信号适当放大后提供给计算机中心。 4 4 5 传感器的选择 虽然基于光谱吸收理论实现了对c 0 2 在线监测，但是由于气体传感器的非线 性和系统中气体浓度变化的非单一选择性，使用单个或一类传感器来鉴别复杂环 境下的某种气体浓度或定量测量出混合气体的种类和浓度比较困难。多传感器数 据融合不仅可以测量单一气体的成分和浓度，而且在复杂环境下可以高精度地对 复杂气体中的某中气体进行定性、定量检测，将多个传感器组成传感器列阵，对 传感器列阵输出信号进行分析处理并进行模式识别，可以得到测量值。 构造传感器列阵最简单的方法是针对每种待测气体选择一种只对该气体敏感 度传感器，为每种参变因素选择相应的传感器或测量设备。这样，气体的种类数 加上参变因素应该等于传感器数目，将此时响应矩阵简化为对角阵，然后经过简 单的数据处理就可得到每个传感器对应气体的全部信息。但在实际应用中，由于 硬件条件的限制，比如无法做到每种传感器对单一目标敏感，都不同程度的对其 它气体具有交叉敏感，所以，单一的直接测量很难实现，必须对传感器列阵进行 综合分析。对c 0 2 检测系统而言，假设参变因素( 影响c 0 2 检测和探测器测量数 据维数) 为n 个，则传感器列阵对混合气体的响应非线性组合为： 口( ，) = f ( a l o ) ，a 2 0 ) ，a ，( ，) ) ( 4 6 ) 其中f 为时间，口( f ) 为传感器随机检测信号，则阵列的输出信号用n 维向量表 示为： x ( 刀) = ( 而( 刀) ，而( 甩) ，吒( 刀) ) ，刀= o ，l ，2 ( 4 7 ) 可以看出，在实时监测过程中，x ( n ) 是多传感器测量数据的时变矩阵。这是 一个很复杂的数学问题，无法用简单的算法求解。 c 0 2 浓度检测系统中的传感器是二氧化碳气体检测系统的数据采集核心，是 将测量系统的温度、湿度、压强、相似气体和测量值转成对应电信号的转换器。 硕士学位论文 在构造传感器列阵时主要考虑阵列维数和传感器特性两个因素，本文实验过程中 只考虑四个参变量，所以是一个四维的矩阵，设计过程中可根据传感器以下特征 选取相应的传感器【_ 7 6 】。 ( 1 ) 稳定性传感器的稳定性取决于零点漂移和区间漂移。零点漂移是指 在没有输入变量信号时，传感器仍有微弱的输出信号。区间漂移一般是由于传感 器长期处于待测环境下，性能总体下降，导致输出信号减小。 ( 2 ) 灵敏度灵敏度是传感器输出量与输入量之比，取决于传感器本身的 设计。大部分传感器的设计都是以生物化学、电化学、物理学为依据的，设计时 要选择对目标气体有足够灵敏性的传感器。 ( 3 ) 选择性选择性是指测量时传感器抵抗某种干扰气体带来的影响的特 性，常称为“交叉敏感性一，这种特性在检测多种混合气体的应用中必须考虑，因 为交叉敏感度会把相似气体作为待测量的一部分，从而降低测量可靠性，二氧化 碳检测系统的传感器必需具有高灵敏度和高选择性。 ( 4 ) 抗腐蚀性抗腐蚀性是指传感器暴露于测量环境中的能力。如一般气 体传感器应能承受气体浓度最大值的1 0 2 0 倍，返回正常工作条件时，传感器漂 移和零点校正值尽可能小。 传感器还应具备成本低、寿命长、易于标定和维护、外围设备尽量简单等特 性。灵敏度、选择性及稳定性是气体传感器的最基本的特性，设计或选择传感器 时根据这些特性合理选择检测方式及所用材料。 根据以上特性选取了以下传感器作为实验元件： j w b c 型温度传感器：这类传感器可应用于电力、石油、化工、科研等工业 领域的温度测量与控制，特别适合于自动化、计算机控制系统。可在恶劣的环境 下使用，具有防潮、防爆、防水、防雾、防有害气体侵蚀的能力。其本身带有变 送模块，提高了传感器测量精度，无需补偿，负载能力大，抗干扰能力强。其参 数如表4 1 所示。 表4 1j w b c 型温度传感器参数 r l p y 压力传感器：是高、低温介质压力计( 高低温型) ，这种压力计量程 宽，适用范围广，介质兼容性好，耐用性长，其中的分体式压力传感器最高可测 量的介质温度达到5 5 0 ，可用于测量蒸汽、热油等高温度介质压力。其相关参 数如表4 2 所示。 p c 6 2 湿度传感器：这类湿度传感器测量精度高、稳定、重复性好，既可以提 供模拟输出，也可以提供数字输出，应用范围广泛。其参数如表4 3 所示。 3 7 c 0 2 浓度实时检测方法及其实现研究 4 5 软件系统的设计 图4 4 软件处理流程图 软件系统是c 0 2 实时监测系统的控制中心，在硬件设计的基础上，结合多传 感器数据融合技术，设计软件系统。在实验过程中，依据硬件的要求，控制数据 采样速率、调节传感器位置、控制流量计、调节温控仪、发射信号发生器，并由 数据采集卡送往计算机中心等，其中，有些步骤由人工控制完成，还有些必须由 3 8 硕士学位论文 计算机控制完成。整个系统软件如图4 4 所示，采用模块化设计方法，采样频率 可由上机位控制，采样得到的数据送往计算机中心用m a t l a b 来实现融合。 4 6 小结 分析c 0 2 检测的环境系统，依据第二章光谱吸收技术原理与第三章提出的应 用多传感器数据融合技术的修正方法，本章选取四个主要的环境变量，设计了相 应的模拟实验系统，分析测量过程。 实验系统包括硬件部分和软件部分。硬件系统介绍了了光源、探测器、标准 具、锁相放大器、传感器列阵等主要器件的选取。在硬件的基础上设计了相应软 件处理流程，包括数据的输入、输出、采集和处理。 3 9 c 0 2 浓度实时检测方法及其实现研究 第5 章实验步骤及结果分析 5 1 引言 为了说明应用多传感器数据融合技术修正c 0 2 实时检测存在的误差是切实可 行的，并且具有传统检测方法不可比拟的优越性，本章在第三章的理论基础上和 第四章设计实验系统的基础上，将温度、压强、湿度i 相似气体几个环境变量作 为实验参数融合对象，设计实验步骤，测得实验数据，从鲁棒性、精度、可控性 等方面分析实实验结果，并对实验结果进行比较。其过程为：首先，在第四章所 设计的模拟实验中分别变化各个环境变量，通过测量结果观察环境变量对二氧化 碳检测的影响特性。然后采集一组样本数据，并对数据进行预处理。接着分别用 可调谐激光测量法( t d l a s ) 直接测量、用e l m 模型修正误差、用改进的e l m 模型修正误差，实现静态检测，并进行对比分析。最后，模拟传感器数据丢失和 数据不同步的情况，随机抽取和去除样本集中某几个或某几组数据，比较数据分 类后的e l m 模型和异步多传感器数据不完全观测融合算法改进后的模型修正误 差后得到的结果，说明后者能用于c 0 2 的实时检测。 5 2 实验步骤 基本的实验步骤是：利用第四章设计的c 0 2 实时监测系统( 如图4 1 所示) ， 在满足所有传感器的最高采样率的基础上，通过调节流量计、温控仪的电流来调 节气体的浓度、温度和湿度，通过改变流入气瓶阀门的开闭来调节气体的压强。 用计算机调节信号发生器、锁相放大器和数据采集卡，以1 0 s 的采样周期对系统 输出数据进行采样，采集6 0 0 组样本数据作为学习样本，然后大跨度调节各控制 部件，采集5 0 组样本数据作为测试样本。 在实验室内通过匹配不同浓度的气体来模拟实际测量环境下混合气体中不同 浓度值的情况，四个环境变量由相应的仪器来调节，整个过程中，利用第二章所 阐述的波长调制技术来对其中的c 0 2 浓度进行测量。测量时通过在激光二极管调 制输入端口叠加1 0 0 h z 的扫描电压信号与1 k h z 的调制电压信号，使得激光波长 在1 5 p m 谱线附近对c 0 2 谱线进行扫描的同时发生调制，测量中通过控制输出的 调制电压大小来保持调制系数在1 8 。激光器的输出光束通过石英透镜准直后， 形成一条2 m m 的近似准直光束，光束通过l m 长的配有不同浓度气体的石英气体 吸收池，石英气体吸收池上均匀缠绕有用于加热电阻丝，在吸收池的两端及中心 位置放置k 型热电偶、压力计和湿度计组成的传感器列阵，用于观察和测量加热 硕士学位论文 过程中的气体的温度、压力和湿度。从吸收池投射出的激光信号由大面积g e 光 电探测器接收，并转交为电信号后由数据采集卡采集，最终送往计算机中心，通 过软件进行处理，得出c 0 2 的浓度直测值和不同融合方法处理后的修正值。为减 少测量过程中产生的随机误差，对每一个采样点进行多次采样，预处理后求期望， 再融合。 5 3 单一环境变量变化的测量实验 各种环境变量单一变化是分析该环境变量对检测结果影响特性的有效方法， 虽然在实际测量环境中，各个环境变量是同时变化的、而且变化的程度和方向是 不确定的，但是，分析单一环境变化对检测结果的影响可以定性分析其影响特性， 可得知光谱吸收法在一定误差条件下的适用范围。选取温度、压强、湿度、和相 似气体作为实验对象的必要性，也为后面的多个环境变量综合变化分析提供参考 依据。 5 3 1 常温常压干燥系统中的测量实验 在常温常压干燥条件下，首先把l m 长的吸收池抽为真空，然后利用流量计 控制n 2 和c 0 2 的气体流量比，来配制不同浓度的c 0 2 ，通过可调谐激光光谱吸 收技术对c 0 2 的浓度进行测量，在0 1 0 0 的浓度范围内进行测量，每增加5 进 行一次采样，每个采样点进行多次测量取平均值，其结果如图5 1 所示( 为了说 明后面的数据融合技术的优越性，这里对检测结果没做任何修正，以减小系统的 复杂度) 。 麓量浓度比曲线 眯 蝮 捌 嚣 魁 蛏 舔 薯 厨 | l 气体质量流量计读数， 图5 1 单组份气体与c 0 2 混合后的测量结果 由图可知，在不同组成成分的混合气体中，随着c 0 2 浓度的线性升高，测量 4 1 c 0 2 浓度实时检测方法及其实现研究 得到的浓度变化曲线具有很好的线性度，通过拟合，其线性拟合系数大于0 9 9 。 将测量值与理论值进行比较，可得到在每个采样点处的精度，通过对2 1 个采集点 进行计算，得到每个点的绝对误差值( 绝对误差才能反应真正的误差值) 、最大误 差点、平均误差点和最小误差点，如表5 1 所示。 可见，测量结果中，绝对误差的最大值为o 5 ，平均误差为0 3 ，绝对误 差最小值约为0 1 ，说明在常温常压干燥环境下用光谱吸收法测量c 0 2 的浓度是 可靠的。 表5 1 常温常压干燥条件下c 0 2 与n 2 混合气体测量结果 5 3 2 不同温度下的测量实验 温度是现场测量环境下发生变化的主要参数，其值的相对改变影响到波长调 制光谱吸收测量法中的信号大小、谱线线宽等，实验室中通过对均匀缠绕在石英 气体吸收池上的电阻丝通电，控制电流大小来对吸收池内的c 0 2 气体进行加热， 利用外层包裹的保温材料稳定温度，由安装在石英管中的k 型热电偶来监测气体 的温度变化。为了观察温度对c 0 2 气体检测的影响，测量过程中设定c 0 2 气体的 浓度为3 0 、5 0 和7 0 三个点分别进行测量。 掌 憾 矮 舔 尊 辱 i l 图5 2 温度变化对c 0 2 浓度测量的影响 由于在实验室条件下加热比制冷简单、稳定，所以起始温度设为常温，然后 4 2 硕士学位论文 每升高1 0 测量一组数据并取其平均值。依据理想气体状态方程：p v t = c ( p ： 压强，v ：体积，t ：温度) ，在体积不变的情况下改变了温度，压强会随之增大， 所以在气体吸收池后面增加了两个气瓶，通过调节温度计和控制气体阀门来保持 吸收池内的压强为常压，测量结果如图5 2 所示。 从图5 2 可以看出，对于某一固定的c 0 2 测量值，随着温度的升高，测量的 浓度值有所降低，这是因为，随着温度的升高，谱线强度会减弱，吸收信号的二 次谐波峰值降低。 5 3 3 不同压强下的测量实验 与温度变化情况一样，当测量系统中气体的压强发生变化时，激光信号和光 谱线宽都要发生变化。虽然在一般的检测系统中，压强是比较稳定的，但是为了 扩大测量系统的应用范围、增强其鲁棒性，以适应环境的多样性和检测系统的实 时监控要求，就必须对这一重要因素进行测量分析，并观察其对c 0 2 测量的影响。 通过控制流量计和气瓶连接的阀门来使吸收池内的压力在一定范围的变化，观察 测量得到的c 0 2 的浓度变化，然后与理论浓度进行比较。与温度变化系统不同的 是，在压力变化系统中容易实现压强在常压上下波动，只需根据气体变化方程和 压力计来调节气瓶的进气阀和流量计。而且，在实际测量中，二氧化碳一般产生 于动力排放系统，温度高于常温，压强是小于标准大气压强的，所以，如果以一 个标准大气压强作为零点，那么对负压强的模拟实验是必要的。 冰 趟 蠖 谨 鼍 薜 ll 图5 3 压力变化对c 0 2 浓度测量的影响 为了确保实验结果的正确性，在测量之前，把吸收池和气瓶的气体抽空。然 后按浓度为3 0 、5 0 和7 0 - - 种情况输入c 0 2 和n 2 的混合气体，观测压力计 4 3 图5 4 湿度对c 0 2 浓度检测的影响 硕士学位论文 依据以上分析，把温度设定在6 0 ( 因为温度太高水汽蒸发快，湿度计硬件 条件不能满足，温度太低，湿度变化不明显) ，输入3 0 、5 0 和8 0 三种浓度比 的c 0 2 ，通过压力计和流量计控制系统的压强为一个大气压，湿度的取值范围从 0 0 8 的相对湿度( 指气体中水蒸气的绝对含量与同样温度、压力时同体积气体中 饱和水蒸气含量之比，符号为r h ) ，测量结果如图5 4 所示。 从图5 4 可以看出，当湿度增大时，c 0 2 检测浓度值偏离理论值的幅度就越 大，说明当水蒸气增多时，对激光发射光谱造成反射、折射、散射的程度加大， 减小了光谱的强度。 5 3 5 相似气体影响的测量实验 “交叉敏感 是光谱检测技术中一个重要的考虑对象，在大气中，各种气体 都有自己的特征吸收光谱，与此同时，在某些波段，一些气体的吸收光谱相隔很 近，甚至趋于重合。在这种情况下，若对其中某一种气体进行检测时，在测量光 谱附近的波段内，会把相似气体误作为吸收气体一部分，从而增大气体的吸收系 数，气体浓度的测量值增大。在实验室中，为了更好的模拟实际环境条件下在c 0 2 吸收谱线附近相似气体，在1 5 p m 波段附近选取s 0 2 作为考察对象进行分析，由 于两种气体的光谱并没有重合，所以可以利用两个探测器分别接受s 0 2 和c 0 2 的 吸收信号，然后根据两者的输出数据来修正待测气体浓度值。但在实际条件下， 环境是非线性连续变化的，无法确定修正系数，所以只考虑保持c 0 2 浓度不变， s 0 2 浓度逐步增加的情况。 实验具体过程为：通过调节流量计，输入n 2 、s 0 2 和c 0 2 的混合气体，c 0 2 的浓度保持不变，改变n 2 和s 0 2 的输入比来改变s 0 2 的浓度，由于涉及三种气 体的含量，调节难度比前面几种情况大。保持c 0 2 的浓度为2 0 ，s 0 2 的浓度在 0 8 0 之间变化，通过两个探测器测量结果如图5 5 所示。 术 、 剖 矮 铤 基 骄 11 二氧化硫含量， 图5 5 相似气体对c 0 2 浓度测量的影响 4 5 c 0 2 浓度实时检测方法及其实现研究 硕士学位论文 测量的温度信号 小波消噪后的信号 图5 7 处理前后温度信号 测量的湿度信号 小波消噪后的信号 图5 8 处理前后的相对湿度信号 测量的压强信号小波消噪后的信号 图5 9 处理前后的压强信号 4 7 c 0 2 浓度实时榆测方法及其实现研究 测量的c 0 2 浓度信号 图5 1 0 处理前后的t d l a s 法测量的c 0 2 浓度信号 测量的s 0 2 浓度信号 图5 1 1 处理前后的t d l a s 法测量的s 0 2 浓度信号 为了模拟实际环境中的变化过程，将温度信号变化一个周期，从图5 8 可以 看出，在温度信号的峰值点，并未是锯齿状，是因为在实验室条件下，在温度升 到最高然后往下调的过程中，由于采样时间较短，温度是平缓变化的，无法实现 温度的突变。 由于在实验室条件下对水蒸气液化程度的控制比较难实现，且误差较大，所 以一个温度变化周期内，湿度的变化曲线如图5 8 所示，相对湿度为递增量，从 图中可以看出，由于实验室硬件条件的限制，湿度信号难以达到1 0 0 。处于后 面的采样点相对湿度增量梯度减小是因为系统温度下降造成的。 由5 9 可知，同温度信号一样，在6 0 0 个采样点内，压强信号变化一个周期。 压强的控制是通过调节两个连接气瓶的阀门开闭来实现的，在吸收池内输入气体 后，可以打开气瓶的阀门实现吸收池内的压强小于大气压强。 按照以上的变化过程，设置采样频率为1 0 s ，采集的6 5 0 组数据，其中，6 0 0 用于训练网络，剩下的5 0 组用于识别网络。实验参数如表5 2 ： 4 8 硕士学位论文 5 4 2 静态检测 由于在实验室测量得到的数据是已知的一组静态数据，对数据预处理后，可 以分别e l m 网络和3 6 2 中改进的e l m 模型进行训练，学习速率为0 o l ，期望 误差为0 0 0 1 ，然后进行比较分析。两种网络训练结果如图5 1 3 所示： 图5 2 网络训练结果 在图5 1 2 中，前面的图是建立隐层神经元为6 0 0 个的e l m 网络测量模型 ( 5 x 6 0 0 x 1 ) 的训练结果，后面图形是隐层神经元为3 0 0 个的改进e l m 模型 ( 5 x 3 0 0 x 1 ) 的训练结果。从图中可以明显看出，改进后的e l m 模型因结构简化， 收敛速度远远高于没有改进的模型。 用5 0 组识别对训练后的模型进行识别，测量结果如图5 1 3 所示。由图5 7 可知，在二氧化碳浓度升高的过程中，二氧化硫的浓度是降低的，这个过程中温 度、压强、湿度都是变化的，从图5 1 3 可以看出，相似气体的影响程度是最明显 的，在整个过程中，随着二氧化碳浓度的降低，测量值偏离理论值的幅度越小， 用改进的e l m 模型对环境变量矩阵融合分析，并对测量值进行误差修正后的值 比直接测量值更接近理论值，图5 1 4 给出了采样点的误差曲线，由于是相对误差， 所以都是百分值。 从图5 1 4 中可以明显看出，虽然在整个测量过程中，温度、压强、湿度和相 似气体都是连续变化的非线性量，应用多传感器数据e l m 网络融合模型得到的 输出值误差偏离零误差点的幅度远小于t d l a s 直接测量值的跳动幅度，说明经 4 9 过融合修正的方法有效的提高了测量精度和鲁棒性。综合图5 1 3 和图5 1 4 可知， 在c 0 2 浓度含量低，而相似气体含量高的情况下( 即图5 1 3 和5 1 4 中靠前的采 样点) ，t d l a s 实测浓度和e l m 模型融合浓度都往上偏离理论浓度，说明在这种 情况下，相似气体会增大测量浓度值，与5 3 5 测量的结果吻合。其误差比较结 果如表5 3 所示，经过融合修正后的误差比直接测量的误差低很多。 芝 j 四 趟 爱 繇 鲁 套 渊 悠 图5 3c 0 2 测量结果比较 图5 4 测量误差比较 硕士学位论文 模拟实验仿真的结果表明，对比e l m 模型融合修正结果、可调谐激光光谱 吸收技术直接测量值和设定理论值，说明应用多传感器数据融合技术修正光谱吸 收技术检测二氧化碳浓度的误差可以有效的提高检测的精度。融合后，误差仍比 较大的原因主要有：实验过程中硬件条件的限制，如各类传感器、探测器等本身 存在误差；实验中吸收池中的温度、湿度等参变量很难控制在某一个特定值。但 较以前的测量方法，在测量精度、鲁棒性等方面有明显的优势，而且在实际的测 量过程中，可以增加传感器列阵数目来获得更多、更精确的信息，然后进行初级 融合，对融合的特征值再进行特征级融合，获得c 0 2 的浓度信息高层融合值，最 终得到比较理想的c 0 2 浓度值。 5 4 3 实时测量 。 静态检测是利用实验室条件下测得数据并预处理后，对二氧化碳浓度进行融 合修正的方法，在实际检测中，由于二氧化碳的浓度和环境变量都是连续的非线 性量，所以要实现实时监控就必需能处理连续变化的数据和预测未来值，第3 4 节已经从理论上解决了该问题。以下是从5 0 个识别样本中随机抽取不同的点数和 随机延迟一组数据构成新的两组样本，模拟实际测量中的数据丢失和传感器不同 步的情况，然后利用数据分类后的e l m 模型和基于不完全观测理论的异步多传 感器数据融合模型分别对两组数据进行融合分析、比较。 图5 1 5 是在5 0 组识别样本数据中任意抽出1 4 个数值点后，分别应用两个模 型融合修正后的结果。从图中可见看出，用数据分类后的e l m 模型的融合修正 后有1 4 的明显的峰值点，而实际条件下，由于二氧化碳气体浓度不能跃变，所以 不可能存在明显的峰值点。1 4 个峰值点的值与理论值偏离幅度最大，对应的相对 误差也比较大，而采用不完全观测理论的异步多传感器数据融合算法融合修正后 的误差曲线平缓，误差远小于直接融合的值。 图5 1 6 是在5 0 组识别样本数据中任意抽出8 个数值点后融合结果比较。在 图中也有8 个明显的峰值点，对应的这8 个点的误差比较大。 图5 1 5 和5 1 6 说明，在存在数据丢失的情况下，直接利用e l m 模型融合修 正t d l a s 测量误差会在数据丢失点产生较大的误差，不能有效的应用于数据丢 失情况，而用不完全观测理论的异步多传感器数据融合算法改进后的模型能有效 地减小数据丢