基于GA-WNN溫度補償?shù)募t外CO2氣體傳感器系統(tǒng)研究*

孫亞飛,顧 芳*,黃亞磊,李 敏,何鵬翔,張加宏

(1.南京信息工程大學,物理與光電工程學院,南京 210044;2.南京信息工程大學,江蘇省大氣環(huán)境與裝備技術協(xié)同創(chuàng)新中心,南京 210044;3.南京信息工程大學,江蘇省氣象探測與信息處理重點實驗室,南京 210044)

近年來,溫室氣體CO2濃度的不斷升高對人類及其生存環(huán)境產(chǎn)生了諸多負面影響[1-2],如:造成全球溫室效應,導致海平面不斷上升,減少了陸地面積;人長期吸入過多CO2,引起人體生物鐘紊亂和大腦疲勞,減少壽命;影響植物的光合作用,降低農(nóng)作物的產(chǎn)量和質(zhì)量。因此,CO2濃度的實時監(jiān)測已勢在必行,該項研究具有重要的現(xiàn)實意義。目前測量CO2氣體濃度的傳感器主要有紅外吸收式、電化學式、電容式和熱傳導式等[3-4]。其中紅外吸收型CO2傳感器因具有測量范圍寬、穩(wěn)定性好及選擇性好等優(yōu)點得到了廣泛應用[5-6]。然而,隨著CO2氣體傳感器小型化和智能化發(fā)展,傳感器氣室的長度在逐漸縮短,這使得紅外光在氣室中的傳播路徑縮短,而傳感器靈敏度與紅外光吸收路徑的長度密切相關,因此,如何在小型化與降低開發(fā)成本的同時,提高CO2氣體傳感器的靈敏度以及測量精度是目前急需解決的問題。

為此,本文從計算流體動力學CFD(Computational Fluid Dynamics)模擬仿真和實驗對比驗證研究兩方面出發(fā),以圓柱腔體為例,考慮腔體的反射損失,著重研究了CO2氣體的輻射功率吸收效率與氣室結(jié)構(gòu)之間的內(nèi)在關系,優(yōu)化了傳感器結(jié)構(gòu)參數(shù)、提高了傳感器的靈敏度。針對環(huán)境溫度對氣體濃度測量結(jié)果的顯著影響,在較寬的溫度范圍內(nèi)對研制的CO2紅外氣體傳感器進行了標定和測試實驗,并且采用遺傳小波神經(jīng)網(wǎng)絡算法對傳感器的溫度漂移進行補償修正,提高了傳感器的測量精度,同時通過實驗測試驗證了算法的有效性。本文的研究結(jié)果為CO2氣體傳感器檢測系統(tǒng)的優(yōu)化設計和提高測量精度提供了有益的參考。

1 紅外氣體傳感器檢測原理

紅外氣體傳感器是利用氣體分子(CO2,CH4,H2O,SO2和NO等)對紅外光具有特定吸收峰這一特性來實現(xiàn)的。氣體分子對紅外光譜的吸收強度遵循朗伯—比爾(Lamber-Beer)定律[6]:

I=I0exp(-KCl)

(1)

式中,I0為紅外光源入射光強,I為有氣體吸收時出射光強,K為吸收系數(shù),l為紅外光光程,C為CO2氣體的體積比濃度。

圖1給出了圓柱腔體CO2氣體傳感器的基本結(jié)構(gòu)及其腔內(nèi)的光路傳播示意圖,該腔體由紅外光源、腔體、進(出)氣孔、探測器及信號處理部分組成。考慮到實際測量過程中,傳感器腔體內(nèi)壁的反射率不可能達到100%,假設其內(nèi)壁的反射率為β。內(nèi)壁面的吸收會引起紅外光能量的衰減,氣室長度L越長,內(nèi)壁吸收的紅外光能量越多,從而降低了CO2氣體吸收的光能量比率;而L越短,又將使紅外光線在腔體內(nèi)行走的光程大大縮短,造成CO2氣體吸收的光能量明顯減少,上述兩種情況均不利于CO2氣體濃度的檢測。因此傳感器氣室長度L的選擇尤為重要,該參數(shù)直接決定了CO2氣體濃度測量的靈敏度和精度[7-8]。下面以圓柱腔體為例,基于CFD詳細仿真和分析了氣室長度L與CO2氣體紅外輻射功率吸收效率之間的內(nèi)在關系。

圖1 示意圖

2 ANSYS FLUENT模擬仿真與分析

ANSYS FLUENT是當前國際主流的CFD軟件,是求解流體流動和傳熱問題強有力的工具[9]。本文利用ANSYS FLUENT對直射式紅外氣體傳感器結(jié)構(gòu)中圓柱腔體內(nèi)的紅外輻射場進行模擬仿真與分析,具體步驟為:PROE建立模型、ICEM劃分網(wǎng)格、FLUENT參數(shù)設置、初始化并迭代計算、最后查看分析CFD計算結(jié)果[10-11]。根據(jù)實體模型的結(jié)構(gòu)特點,選用了適用性較強的非結(jié)構(gòu)化四面體網(wǎng)格,同時采用了k-ε湍流模型和DO輻射模型進行CFD穩(wěn)態(tài)仿真。仿真過程中紅外輻射源設置為半球形熱輻射光源,其半徑和溫度分別為3 mm和700 K,輻射波段選取為4.17 μm～4.35 μm,該波段包含了CO2氣體在4.26 μm處的吸收峰。腔體的材料選擇鋁,其內(nèi)壁面反射率取96%。為了考慮傳感器腔體與周圍空間的熱交換,提高模擬計算的真實性,本文將傳感器周圍設置了空氣域,其大小約為腔體體積的10倍,空氣流速為0.3 m/s,精度足以滿足計算要求[10-11]。下面詳細討論圓柱腔體時,CO2紅外氣體傳感器測量氣體濃度的模擬仿真結(jié)果。

考慮到一般情況下,空氣中的CO2氣體濃度較低,本文選取了500×10-6～700×10-6的CO2氣體作為模擬仿真測量對象,并設置圓柱腔體的內(nèi)徑為1 cm,腔體厚度為0.1 cm,ANSYS FLUENT模擬仿真過程的示意圖如圖2所示。

圖2 仿真模型

(2)

式中,P0為紅外光源的輻射功率,P0=9.4 mW,ΔP為CO2氣體吸收的紅外輻射功率。

圖3給出了不同CO2濃度下圓柱腔體腔長L與η的關系。從圖中不難發(fā)現(xiàn),在4 cm～8 cm的腔長范圍內(nèi),隨著L的增加,CO2氣體的吸收效率呈現(xiàn)出增長趨勢;在8 cm～20 cm腔長范圍內(nèi),隨著L的增加,氣體的吸收效率又明顯下降。腔長約為8 cm時,傳感器的紅外輻射功率吸收效率最高。

圖3 圓柱腔體腔長L與η的關系圖

3 傳感器系統(tǒng)硬件電路設計

圖4為傳感器系統(tǒng)的組成框架圖。單片機控制光源驅(qū)動電路驅(qū)動白熾燈光源HSL5-115-S,光源輻射出紅外光進入光學腔體,出射光被紅外熱電堆探測器TPS2534接收,探測器將光信號轉(zhuǎn)換為電信號,再經(jīng)過放大處理,輸入至AD轉(zhuǎn)換器中,最后傳至單片機處理分析轉(zhuǎn)換為濃度信號,最后液晶顯示和串口輸出[12]。

圖4 氣體傳感器系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖

上述電路中,單片機采用STM32F103ZET6,它是一種低功耗、低價格、高性能的32位微處理器[13];A/D 轉(zhuǎn)換電路采用AD7794,它是一種適合高精度測量應用的低功耗、低噪聲、完整模擬前端、內(nèi)置一個低噪聲24位/16位的6路差分輸入的Σ-ΔADC;運算放大電路采用Intersil公司的ICL7650斬波穩(wěn)零運算放大器,它是目前精度最高的一款運放,在25 ℃下的失調(diào)電壓典型值是0.7 μV。UART串口通信電路用來與上位機PC通信。

圖5是光源驅(qū)動電路,包括運算放大電路和開關電路。由于單片機的工作電流小于白熾燈的工作電流,采用LM358放大器起到隔離放大的作用。單片機通過DAC轉(zhuǎn)換提供頻率為0.5 Hz,占空比為50%的脈沖方波,經(jīng)過LM358放大,導通MOS管2N7002,R5為1 Ω的保護電阻,光源由 5 V電源供電。

圖5 光源驅(qū)動電路

本文所選用的雙通道熱電堆探測器TPS2534共有4個引腳,分別為輸出CO2通道、參考通道、溫度通道信號以及一個接地引腳。圖6(a)為CO2通道信號放大電路,該電路的電壓放大倍數(shù)為1+R15/R14,大約放大了2 000倍;參考通道信號的放大電路與上述電路相同,參考通道的設計主要是為了消除光強波動和紅外探測器響應度的漂移現(xiàn)象,從而減小氣體濃度測量的誤差。圖6(b)為探測器溫度信號檢測電路,TPS2534內(nèi)部使用熱敏電阻作為溫度傳感器,由于熱敏電阻是電阻型器件,根據(jù)其分壓特性,與30 kΩ電阻進行分壓,然后經(jīng)過放大,最終將電阻信號轉(zhuǎn)換為電壓信號,該信號可用來表征傳感器光學腔體的溫度情況。

圖6 探測器信號檢測電路

4 實驗對比驗證與分析

4.1 腔長對比實驗平臺

為了驗證前文FLUENT腔長優(yōu)化仿真計算的準確性,因而對6 cm、8 cm和10 cm長度的圓柱腔體氣室開展了對比實驗研究?？紤]到要進行大量濃度點的標定實驗,構(gòu)建了如圖7所示的成本較低的對比實驗平臺。CO2氣體和高純氮氣(N2)從氣罐中輸送至22MX-1型氣體配比儀,進行相應濃度CO2氣體的混合配比,再輸送至傳感器裝置和參考儀器。其中,參考儀器采用臺灣比較先進的二氧化碳檢測儀AZ77535,可以實時地顯示CO2的濃度值。傳感器裝置是本文研制的紅外CO2氣體傳感器樣機,可以顯示測量通道的AD轉(zhuǎn)換值(C)、參考通道的AD轉(zhuǎn)換值(R)、溫度通道的AD轉(zhuǎn)換值(T),參考儀器和傳感器裝置的通氣管道連接在一起,以保證兩者探測的是同一濃度的氣體。

圖7 對比實驗平臺

4.2 對比實驗結(jié)果與討論

利用上述實驗平臺分別對3個不同腔長的CO2傳感器開展一系列實驗,所有實驗在相同環(huán)境條件下進行,通過實驗記錄各腔長下氣體濃度從0變化到1 500×10-6時C、R和T的變化曲線。取曲線C的峰-峰值為VC,曲線R的峰-峰值為VR,則測量通道和參考通道的電壓比值為:

f=VC/VR

(3)

圖8(a)給出了6 cm、8 cm和10 cm腔長時探測信號峰-峰值比值f和濃度C的變化曲線圖。理論上CO2氣體濃度與峰-峰值比值呈正相關,因為隨著CO2氣體濃度的增大,更多的光能被氣體吸收,從而導致傳感器測量通道接收的光能下降,產(chǎn)生的電動勢差也隨之下降,而參考通道的電動勢差基本不變,因此比值f將減小,圖8(a)的變化符合理論預期。

圖8(b)、8(c)、8(d)分別為6 cm、8 cm、10 cm腔長下探測信號峰-峰值比值f和濃度信號的擬合曲線圖,運用指數(shù)擬合得到6 cm腔長氣室的擬合函數(shù)為:

f=0.209 23×e-C/330.975 16+0.912 94

(4)

8 cm腔長氣室的擬合函數(shù)為:

f=0.383 77×e-C/303.139+1.016 97

(5)

10 cm腔長氣室的擬合函數(shù)為:

f=0.373 02×e-C/429.783 5+0.981 34

(6)

從上述的公式可以看出,基本上滿足朗伯—比爾(Lamber-Beer)定律,存在的差異主要是多出了數(shù)值約為1的常數(shù)項,該常數(shù)與傳感器的本身有關,比如本文的光源是發(fā)散光源,不是平行光入射。將上述的各個指數(shù)函數(shù)轉(zhuǎn)換成線性函數(shù),從而可以獲得CO2氣體濃度C的具體標定公式。

圖8 腔長對比實驗結(jié)果

下面我們具體討論和分析一下腔長對比實驗的結(jié)果。首先將實驗過程中參考儀器測得的最低濃度下的信號即高純氮氣下的輸出信號作為0×10-6CO2氣體濃度下的信號輸出值,此時定義存在一定氣體濃度x時測量信號的變化為:

ΔU=VC0-VCx

(7)

圖9 變化幅度比較結(jié)果

式中,VC0為高純氮氣下測量通道VC的值,VCx為CO2濃度含量為x情況下測量通道VC的值。ΔU是一個與探測靈敏度相關的量,可以繪制出不同腔長情況下ΔU與氣體濃度的變化曲線,如圖9所示。通過比較不難發(fā)現(xiàn),在相同實驗條件下,8 cm和10 cm腔長的氣室檢測信號的變化幅度明顯優(yōu)于6 cm腔長的氣室,而8 cm稍優(yōu)于10 cm,這說明8 cm腔長的傳感器具有更高吸收效率和靈敏度,符合FLUENT仿真分析的結(jié)果。

圖10 重復性與長期穩(wěn)定性實驗結(jié)果

為了驗證前面式(5)換算CO2氣體濃度C的準確性,在相同實驗條件下對8 cm腔長氣室開展了重復性及長期穩(wěn)定性的實驗,實驗的結(jié)果如圖10所示,圖10(a)是配置濃度為145×10-6、630×10-6、849×10-6的CO2氣體待其穩(wěn)定后,每隔1 min測一組數(shù)據(jù),連續(xù)測得的12個數(shù)據(jù),從圖中可以看出,曲線有輕微的波動,但是波動幅度很小;如圖10(b)所示,重復性實驗為配置濃度145×10-6的CO2氣體待其穩(wěn)定后,每隔3 min測1個數(shù)據(jù)點,待測得10個數(shù)據(jù)點后,間隔0.5 h繼續(xù)測量,重復多次,可以看出誤差在50×10-6左右。

值得注意的是,環(huán)境溫度的變化會影響CO2氣體傳感器系統(tǒng)的性能,雖然本文已經(jīng)利用參考通道的信號作比值處理去除了光源與探測電路部分由于溫度所導致的影響,但是環(huán)境溫度變化對于氣體吸收效率的影響仍然存在,這會導致測量的氣體濃度值發(fā)生溫度漂移。針對上述溫度漂移現(xiàn)象,下面選取了8 cm腔長氣室開展了溫度實驗研究,并采用神經(jīng)網(wǎng)絡算法對氣體濃度的溫度漂移誤差進行補償。

5 基于神經(jīng)網(wǎng)絡算法補償?shù)臏囟葘嶒炑芯?/h2>

5.1 實驗裝置和結(jié)果

利用標準濃度的CO2氣體標氣瓶,瓶中的混合氣為氮氣,對已經(jīng)裝配好的氣體傳感器樣機進行測試實驗,同時檢測其性能。在標定過程中,實驗采用了297×10-6、495×10-6、694×10-6、896×10-6、1 100×10-6、1 516×10-6、2 000×10-6濃度的標準CO2氣體以及高純氮氣,高純氮氣濃度為99.999%,每次實驗至少平均測量3組數(shù)據(jù),然后取平均值。溫度實驗平臺如圖11 所示,使用的是C180溫濕度實驗箱,實驗箱右側(cè)接入裝置的電源以及PC電腦接收數(shù)據(jù);實驗箱左側(cè)接入通氣管,給裝置通入標準濃度的氣體。

圖11 溫度實驗平臺

在進行溫度實驗時,將環(huán)境的濕度設置為60%并保持不變,將溫度控制在5 ℃～45 ℃范圍內(nèi),每隔10 ℃取一個測試點。將C180溫濕度箱設置一個溫濕度值后,啟動裝置,待溫濕度環(huán)境恒定并保持45 min后,通入標準濃度的CO2氣體或者高純氮氣,等待1 min,待腔體內(nèi)充滿標準的標氣,記錄各個外界溫度環(huán)境下探測通道峰峰值、參考(對比)通道的峰峰值以及溫度通道的值。將上述實驗過程(不同濃度及不同溫度下)中測得結(jié)果繪制成曲線,如圖12所示,從圖不難發(fā)現(xiàn),除0以外,在其余濃度下,隨著溫度的升高,測量通道和參考通道的信號比值都發(fā)生減小的現(xiàn)象,且變化的趨勢基本相同。溫度在5 ℃～25 ℃之間時,探測信號比值的變化幅度較小,溫度在25 ℃～45 ℃之間時,探測信號比值的變化幅度明顯增大。

圖12 不同溫度下實驗結(jié)果

5.2 溫度補償與系統(tǒng)性能分析

根據(jù)上述溫度實驗結(jié)果可知,環(huán)境溫度對紅外CO2氣體傳感器的測量結(jié)果有顯著影響。以溫度值和探測參考通道電壓峰-峰值比值f作為輸入條件,采用遺傳小波神經(jīng)網(wǎng)絡(GA-WNN)融合算法對CO2氣體傳感器進行溫度誤差補償與分析。GA-WNN算法的基本過程為:采用遺傳算法對初始值進行優(yōu)化,再在其中找出較好的搜索空間,然后采用小波神經(jīng)網(wǎng)絡在較小的空間中尋找最優(yōu)解[14-15]。

圖13 利用25 ℃常溫下基于指數(shù)擬合的函數(shù)計算的不同溫度下的各個氣體濃度標定點的輸出曲線

本文以25 ℃常溫下基于指數(shù)擬合的函數(shù)來計算出不同溫度下各個氣體濃度的變化情況,得出如圖13 所示不同濃度及不同溫度下的實驗結(jié)果,在同一濃度下(除了0以外),隨著溫度的升高,其值也發(fā)生相應的變化,且在各個濃度下變化的趨勢基本相同,都隨著溫度升高而升高。在溫度為5 ℃～25 ℃之間時,探測信號的變化幅度較小,呈現(xiàn)微弱的遞增趨勢,但溫度在25 ℃～45 ℃之間時,探測信號的變化幅度很大,呈現(xiàn)明顯的遞增趨勢?？傮w上來說,本文的氣體CO2傳感器表現(xiàn)出了比較明顯的溫度漂移現(xiàn)象,因此不能簡單地利用常溫下的擬合函數(shù)來計算不同溫度下的氣體濃度,需要通過GA-WNN算法進行溫度漂移誤差補償從而提高測量精度。

當基于遺傳算法改進的小波神經(jīng)網(wǎng)絡訓練完畢,經(jīng)過神經(jīng)網(wǎng)絡算法補償?shù)玫嚼碚撋系臍怏w濃度輸出值與標定氣體濃度值做對比。具體的數(shù)據(jù)融合效果結(jié)果如圖14所示,在圖中每個標定氣體濃度點基本上隨著溫度的變化都較小,說明溫度漂移得到了很好的抑制。

圖14 溫度范圍在5 ℃～45 ℃,CO2氣體濃度區(qū)間在0～2 000×10-6,標定數(shù)據(jù)經(jīng)過GA-WNN算法融合后的輸出結(jié)果

GA-WNN算法融合后輸出結(jié)果與標定值之間的絕對誤差如圖15所示。在圖中經(jīng)過遺傳算法改進的小波神經(jīng)網(wǎng)絡數(shù)據(jù)融合后的氣體濃度值與標定濃度值之間誤差顯著減小,最大的絕對誤差約為±70×10-6,由此可見,CO2氣體傳感器的測量精度得到了提高,GA-WNN算法適用于本文解決氣體傳感器的溫度漂移的問題。

圖15 GA-WNN算法融合后輸出結(jié)果與標定值之間的絕對誤差

經(jīng)過上述測試可以確定基于遺傳算法的小波神經(jīng)網(wǎng)絡效果良好,此時取出小波神經(jīng)網(wǎng)絡輸入層與隱層的連接權(quán)值ω1,隱層與輸出層的連接權(quán)值ω2,平移因子b1和伸縮因子b2:

將上述的權(quán)值、閾值、平移因子與伸縮因子組成小波神經(jīng)網(wǎng)絡,寫成C語言程序,編譯燒寫到STM32單片機,經(jīng)過寫有算法的STM32單片機系統(tǒng)運算,便可以得到數(shù)據(jù)融合以后的輸出CO2氣體濃度值。

為了說明GA-WNN的實際預測效果,也開展了測試分析與驗證實驗,本文選10 ℃為環(huán)境溫度(非樣本溫度點),在每個標準氣體濃度下重復測試了5次,間隔時間為5 min。圖16(a)給出了GA-WNN算法預測輸出(星號)與期望輸出(圓點)的關系曲線,從圖中不難發(fā)現(xiàn),圓點與星號比較接近,說明GA-WNN神經(jīng)網(wǎng)絡可以削弱溫度影響,以較小的誤差預測出紅外CO2傳感器的真實氣體濃度。具體地,在溫度為非樣本點10 ℃條件下,各個濃度下氣體傳感器的重復性均較好,根據(jù)計算得到整體重復性誤差為8.047%。如果將5次測量的結(jié)果取平均進行測算,本文CO2氣體傳感器的測量精度更高。如圖16(b)所示,在0～2 000×10-6量程范圍內(nèi),對比標氣瓶的標準氣體濃度值,帶有GA-WNN算法補償?shù)那闆r下,本文設計與研制的非分光紅外CO2氣體傳感器的整體平均誤差約為±100×10-6。由此可見,傳感器經(jīng)過GA-WNN算法融合后性能得到了較大的改善,精度得到了明顯的提高,基本上滿足家用測量的要求。

圖16 非樣本點(10 ℃)條件下GA-WNN算法的五次預測濃度及平均值濃度與它們的期望濃度之間的關系曲線及其誤差

6 結(jié)論

采用ANSYS FLUENT軟件對圓柱腔體氣室的結(jié)構(gòu)參數(shù)進行仿真優(yōu)化,在室內(nèi)環(huán)境下通過比較各腔體結(jié)構(gòu)的氣體紅外輻射功率吸收效率,得到圓柱腔長取8 cm時性能較優(yōu)的結(jié)論。在此基礎上,通過實驗的方法來驗證FLUENT仿真分析的可靠性,并對傳感器的重復性誤差和長期穩(wěn)定性進行了分析。鑒于溫度的顯著影響,本文還著重利用GA-WNN 算法對CO2氣體傳感器的溫度漂移進行了補償修正,預測和驗證結(jié)果表明,傳感器的溫度漂移得到較大的削弱,測量誤差顯著減小。在0～2 000×10-6量程范圍內(nèi),GA-WNN算法補償過的傳感器系統(tǒng)整體平均誤差小于±100×10-6,重復性誤差為8.047%,表明所研制的紅外CO2氣體傳感器具有良好的性能。