红外甲烷气体传感器算法研究

电子测量技　术　第３１卷第１２期　ＥＬＥＣＴＲＯＮＩＣ　ＴＥＣＨＮ０Ｌ０ＧＹ　２００８年１２月　红外甲烷气体传感器算法研究　潘中桥　马世伟　孙　波蒋学林　（上海大学机电Ｚ－．程与自动化学院上海市电站自动化技术重点实验室上海２０００７２）　摘要：为了提高红外气体传感器的测量精度，本文通过分析传感器采集到数据的特点，提出了结合线性插值法和最　小二乘法的一种新的算法。利用基于线性插值的查表算法求出浓度，然后通过最小二乘法对其进行误差补偿。试验　证明，该方法可有效提高红外气体传感器测量精度。　关键词：红外气体传感器；线性插值法；最／ｂｚ．乘法；误差补偿　中图分类号：ＴＰ２１２．９　文献标识码：Ａ　Ｓｔｕｄｙ　ｏｎ　ａｌｇｏｒｉｔｈｍ　ｆｏｒ　ｉｎｆｒａｒｅｄ　ｇａｓ　ｓｅｎｓｏｒ　Ｐａｎ　Ｚｈｏｎｇｑｉａｏ　Ｍａ　Ｓｈｉｗｅｉ　Ｓｕｎ／３ｏ　Ｊｉａｎｇ　Ｘｕｅｌｉｎ　（Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆ　Ｍｅｃｈａｔｒｏｎｉｅｓ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　ａｎｄ　Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ，Ｓｈａｎｇｈａｉ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｓｈａｎｇｈａｉ　Ｋｅｙ　Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ　ｏｆ　Ｐｏｗｅｒ　Ｓｔａｔｉｏｎ　Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｓｈａｎｇｈａｉ　２０００７２）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ　ｏｒｄｅｒ　ｔＯ　ｉｍｐｒｏｖｅ　ｔｈｅ　ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ　ｏｆ　ｇａｓ　ｍｅａｓｕｒｉｎｇ　ｆｏｒ　ｉｎｆｒａｒｅｄ　ｇａｓ　ｓｅｎｓｏｒ，ａ　ｎｅｗ　ａｌｇｏｒｉｔｈｍ　ｗｈｉｃｈ　ｃｏｍｂｉｎｅｄ　ｌｉｎｅａｒ　ｉｎｔｅｒｐｏｌａｔｉｎｇ　ｍｅｔｈｏｄ　ｗｉｔｈ　ｌｅａｓｔ　ｓｑｕａｒｅｓ　ｍｅｔｈｏｄ　ｗａｓ　ｐｒｏｐｏｓｅｄ　ｉｎ　ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ　ｔｈｒｏｕｇｈ　ａｎａｌｙｚｉｎｇ　ｔｈｅ　ｆｅａｔｕｒｅｓ　ｏｆ　ｃｏｌｌｅｃｔｉｎｇ　ｄａｔａ．Ｔｈｅ　ｇａｓ　ｄｅｎｓｉｔｙ　ｗａｓ　ｃａｌｃｕｌａｔｅｄ　ｆｉｒｓｔｌｙ　ｂｙ　ｌｏｏｋｉｎｇ－ｕｐ　ｔａｂｌｅ，ａｎｄ　ｔｈｅｎ　ｗａｓ　ｃｏｍｐｅｎｓａｔｅｄ　ｂｙ　ｌｅａｓｔ　ｓｑｕａｒｅｓ　ｍｅｔｈｏｄ．Ｔｈｅ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ　ｍａｎｉｆｅｓｔｅｄ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｐｒｏｐｏｓｅｄ　ｍｅｔｈｏｄ　ｃｏｕｌｄ　ｉｍｐｒｏｖｅ　ｔｈｅ　ｍｅａｓｕｒｉｎｇ　ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ　ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙ．　Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｉｎｆｒａｒｅｄ　ｇａｓ　ｓｅｎｓｏｒ；ｌｉｎｅａｒ　ｉｎｔｅｒｐｏｌａｔｉｎｇ　ｍｅｔｈｏｄ；ｌｅａｓｔ　ｓｑｕａｒｅｓ　ｍｅｔｈｏｄ；ｅｒｒｏｒ　ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ　０引　言　吸收遵循朗伯一比尔（Ｌａｍｂｅｒｔ－Ｂｅｅｒ）定律：　Ｊ（　）一／ｏ（Ａ）ｅｘｐ－ｋ‘　（１）　气体检测常用方法有红外光谱法、电化学法、化学分　式中：Ｉ（　）为透射光的强度，／０（　）为入射光的强度，ｃ为　析法等。其中，基于红外光谱法的气体传感器凭借其无中　吸收气体的浓度，足（　）为吸收系数，ｌ为气室长度Ｌ４　］。　毒、体积小、稳定性好、精度高等优点在越来越多的领域取　传感头一般由光源、采样气室、探测头组成。本文基　代其他气体传感器而得到广泛的应用。当红外辐射通过　于的传感系统采用多晶硅热堆探测器，以ＩＲＬ７１５作为红　被测气体时，其分子吸收光能量，不同气体对红外光有着　外光源，用于提供一脉动红外辐射，其发出的红外光通过　不同的吸收光谱，而某种气体的特征光谱吸收强度又与该　光路照射在两个多晶硅热堆探测器上。这两个多晶硅热　气体的浓度相关，非对称双原子和多原子分子气体（如　堆探测器一个称为“活动端”探测器，另一个称为“参考端”　ＣＨ　、ＣＯ、Ｈ　、ＳＯ　、ＮＯ和ＣＯ。等）在红外波段均有特征吸　探测器。“活动端”探测器的滤波器对特定气体具有显著　收峰，利用这一原理可以测量特定气体的浓度ｌ＿１］。因此，　的吸收带，而使用了不同滤波器的“参考端”探测器，对特　气体分子对红外辐射有选择的吸收是红外气体传感器的　定气体不敏感，因此输出信号与气体浓度无关。　设计基础。本项目针对甲烷（瓦斯主要成分）浓度检测［２］，　在两个多晶硅热堆探测器表面上，热量的变化转换为　开发的传感系统采用多晶硅热堆探测器，本文研究了其中　引脚上的电压信号。当光辐射通过特定气体时，活动探头　的提高传感器测量精度的算法。　给出受目标气体浓度影响的入射辐射量，参考探头给出不　１红外气体传感器检测原理　受目标气体浓度影响的入射辐射量。从活动端引脚输出　的电压峰峰值幅度比从参考端输出的大。两个探头输出　每一种气体对于红外区域中的光波都有一个或若干　信号的峰峰值的比值与气体浓度相关，通过研究探测器输　个特征吸收谱线，例如甲烷的吸收谱线分别为３．３９　ｍ和　出电压信号峰峰值之比，就可以知道周围目标气体浓度的　７．６６　ｍ［　。根据照射在多晶硅热堆探测器上的热梯度不　变化［６］。为此定义吸收百分比ｃｏｕｔ如下：　同，而转化为不同的电压信号，通过测量这个电压值就可　∞　一１一　Ｓ１　（２）　以间接地得到气体浓度值。一般来讲，气体对红外辐射的　·　１１３·　第３１卷　电子测量技术　ｇＯＵｔ值和浓度关系　式中：Ｓ，、Ｓ。为探测器１（活动端）和探测器２（参考端）各自　输出电压的峰峰值。　ｚｅｒｏ定义为：　加一　加一　．　（３）　３）　嶷　式中：Ｓ　和Ｓ　为被测气体浓度为０时探测器１（活动端）　和探测器２（参考端）各自输出的峰峰值。实际测量中，常　ｇｏｕｔ值　用纯氮气来测量Ｓ　和Ｓ　。　２数据采集及处理方法分析　热堆探头输出信号取决于热堆材料的塞贝克系数和　入射红外辐射量。若探头暴露在强度不变的入射辐射下，　则输出信号将与热堆材料的赛贝克系数及入射红外辐射　量的改变相关。当入射辐射消失后，探头输出信号具有同　样的曲线形状，只是方向相反。灯丝加热和冷却的延迟时　间有利于形成输出信号波形。灯丝加的脉冲驱动电压高　电平要小于５　Ｖ，以免烧坏灯丝，低电平大于０　Ｖ，使灯丝　不会完全冷却，在开关状态能快速的切换［７］。当给灯丝加　上频率为１　Ｈｚ，占空比为５０　的脉冲方波后，探头输出的　将是同样频率的波形，该波形与正弦波极为相似。利用　Ｔｅｋｔｒｏｎｉｘ　ＴＤＳ３０１４Ｂ示波器观察到活动端、参考端和方波　波形如图１所示。　图１　１　Ｈｚ方波驱动下探头的输出波形　在Ａ／Ｄ采集数据时，为了提高精度，要求对每个峰值　和谷值采集Ｎ个数据，以对其进行软件滤波等处理。由于　存在相移和抖动，因此要求对活动端和参考端的采样时刻　尽量保持一致。从图１可以看出，方波电平转换结束隔　８０　ｍｓ后探测器输出波形才到达峰值，因此采样时刻要在　电平转换后做适当延时，以确保能够采集到峰值。　采集完Ｎ个数据后，对其进行软件滤波，提高数据的　稳定性，主要采用限幅滤波和平均值滤波。由采集到活动　端和探测端的数据，经过公式（２）处理后得到的ｇｏｕｔ值就　是计算被测气体浓度的依据。通过对多套传感器大量数　据的分析得知，当温度一定时，ｇｏｕｔ值和被测气体浓度的　关系介于线性关系和指数关系之间，如图２所示；当被测　气体浓度一定时，各个浓度点ｇｏｕｔ值和温度呈近似线性关　系，如图３所示。　·　１１４　·　图２温度一定时ｃｏｕｔ值和被测气体浓度关系　图３浓度一定时温度值和被测气体浓度关系　根据ｇｏｕｔ值和气体浓度关系、温度和ｅｏｕｔ值关系可　以分别拟合出两个函数，将采集到的温度值和ｃｏｕｔ值代人　这两个函数即可求出被测气体浓度。但是，采用函数关系　式的处理方法会占用较多微处理时间，也不能明显提高测　量精度，因此常用查表的方法求取被测气体浓度。查表方　法依据的数学理论就是线性插值法，即利用标准气体测定　几个温度下的ｅｏｕｔ值，建立一组数据表格，基于这组数据，　代入测得的未知浓度气体的ｅｏｕｔ值和温度值，通过线性插　值法求出被测气体浓度。当被测气体浓度越接近标定气　体浓度时，查表求得的浓度值越精确。当被测气体浓度落　在两个标定浓度中间时，误差最大。因此，标定点越多，查　表方法就越精确，但实际应用中只能标定有限的几个点。　表１查表法和最小二乘法求得被测气体浓度　标准气体浓度　查表求得浓度最小二乘法求得浓度　将ｃｏｕｔ值和浓度关系当作线性关系处理和利用最小　二乘法当作指数关系处理时测得标准浓度气体值见表１。　显然，采用查表法求取被测气体浓度时，当气体浓度为标　定气体浓度时，误差最小，偏离越多，误差越大。　３改进算法　为了提高传感器测量精度，本文采用查表法求取被测　气体浓度，然后利用最小二乘法对其进行误差补偿。这里　引进可信度概念，以便于分析。　当被测气体浓度等于标定气体浓度时，认为此时查表　算法求得浓度值的可信度为１００　，被测气体浓度偏离标　潘中桥等：红外甲烷气体传感器算法研究　定浓度越远，可信度越低，此时利用最小二乘法求得的浓　度进行误差补偿。假设查表所得浓度的可信度为ｒ，则最　小二乘法求得浓度可信度为１一ｒ，那么待测浓度为：　Ｃ＝ｒ×ｃｌ＋（１一ｒ）×　２　（４）　第１２期　为同一批测量数据。　表２改进算法求得浓度和查表法、最小二乘法求得浓度对比　标准浓度　２０．０００　查表　最小二乘法可信度ｒ　改进算法　１９．９９６　１７．５７７　０．９９２　１９．９７７　式中：ｆ为待测浓度；Ｃ　为查表求得浓度；Ｃ　为最小二乘法　求得浓度。　红外气体传感器Ａ／Ｄ采样前的延时以及对活动端和　２３．０００　２５．０００　２８．０００　３０．０００　２４．０２５　２６．５７４　２８．６８２　３０．０１４　２２．４４２　２３．２２６　２６．８２７　２７．８８６　０．８３４　０．７４５　０．７８２　０．９８８　２３．７６２　２５．７２０　２８．２７８　２９．９８８　参考端采样时刻的一致性对测量精度影响较大，在设定时　需认真考虑。为了进一步提高传感器系统稳定性，可对由　公式（２）计算得到ｃｏｕｔ值进行滑动滤波，引进滑动滤波直　接影响到了传感器系统的相应时间。因此，滑动点数的选　取可根据对响应时间的要求来定夺。另外，温度对传感器　测量精度的影响非常大，如果浓度一定时，温度值与ｃｏｕｔ　值的关系线性度很差，则测量精度将大大地下降，这时可　对系统进行温度补偿，具体方法见文献［８］。　３．１可信度的计算　经过对大量的数据分析，总结出可信度可以由以下方　法计算。设待测气体的ｃｏｕｔ值为ａ，温度为Ｔ，根据Ａ和Ｔ　找出其所在区间对应的四个ｃｏｕｔ值分别为：Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ。假　设Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ　４个点构成一个矩形，ａ位于该矩形之中。阴　影面积为Ｓ，矩形ＡＢＣＤ面积为Ｓ　日ｃＤ，则查表求得浓度的　可信度为：　ｒ一（１一Ｓ／ＳＡ日ＣＤ）×１００　（５）　４结　论　本文针对红外气体传感器数据特点，提出了一种改进　算法，即基于查表法求得的浓度，利用最ｄ＂－－－乘法拟合指　数函数对其进行误差补偿。拟合指数函数时只涉及已建　立的查表所用数据表，因此拟合工作可在软件程序之外进　行，不会增加微处理时间。实验证明，改进算法有效地提　高了红外气体传感器系统的测量精度。　参考文献　［１］　吕玉祥，赵根爱．基于光谱吸收法的甲烷气体传感器　的研究ＥＪ］．光学与光电技术，２００６（５）：１０３－１０５．　［２］　关中辉，贺玉凯，吴久晏．基于光谱吸收原理光纤甲烷　传感器实验分析与研究Ｉ－Ｊ］．现代电子技术，２００６（９）：　１０２—１０４．　［３］　王书涛，车仁生，等．光纤甲烷气体传感器的研究　［Ｊ］．仪器仪表学报，２００６，２７（１０）：１２７６—１２７８．　［４］　朱旭，陈俊峰，刘继东．红外气体传感器的数据处理　［Ｊ］．自动化仪表，２００７，２８（４）：５７—６０．　［５］　周孟然，李振璧，等．基于光谱吸收的煤矿瓦斯光纤　传感器气体的研究ＥＪ］．煤矿安全，２００７（８）：６－９．　［６］　薛晨阳，谭秋林，马游春，等．红外传感器的信号提取　和数据采集的设计［Ｊ］．仪表技术与传感器，２００７（２）：　４５—４９．　［７］　罗勇，毛晓波，黄俊杰．红外检测瓦斯传感器的设计与　实现口］．仪表技术与传感器，２００７，８：４－６．　［８］　张立萍，张帆．红外甲烷传感器的实时温度校正模型　建立口］．煤矿安全，２００５，３６（７）：１－３．　作者简介　潘中桥。男，１９８２年８月出生，工学硕　士，主要研究方向为检测技术与信号处理。　Ｅ－ｍａｉｌ：ｂｒｉｄｇｅ８２０７２２＠１　６３．ｃｏｍ．　马世伟。男，１９６５年１２月出生，工学　博士，上海大学教授，研究方向为检测技　术与信号处理。　Ｅ－ｍａｉｌ：ｓｗｍａ＠ｍａｉｌ．ｓｈｕ．ｅｄｕ．ｃｎ　·　１１５　·