顧 芳,邢 俊,李 玲,裴 昱,黃亞磊,張加宏
(1.南京信息工程大學(xué),物理與光電工程學(xué)院,江蘇 南京 210044;2.南京信息工程大學(xué),江蘇省大氣環(huán)境與裝備技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心,江蘇 南京 210044)
近些年,社會(huì)經(jīng)濟(jì)的持續(xù)發(fā)展導(dǎo)致全球氣候不斷變化,對(duì)溫室效應(yīng)氣體CO2的濃度進(jìn)行實(shí)時(shí)高效檢測(cè)也愈加重要。目前,針對(duì)CO2氣體濃度進(jìn)行檢測(cè)的手段主要有電化學(xué)法、電子捕獲法、紫外線電離法以及非色散紅外吸收法等[1-3],其中,非色散紅外吸收法憑借其靈敏度高、檢測(cè)范圍廣、抗干擾性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn),在CO2氣體檢測(cè)領(lǐng)域受到廣泛的應(yīng)用[4-7]。在實(shí)際測(cè)量的過(guò)程中,非色散紅外CO2氣體傳感器的性能易受環(huán)境溫濕度的影響,測(cè)量結(jié)果會(huì)產(chǎn)生顯著誤差。因此,有關(guān)環(huán)境因素(溫度和濕度等因素)對(duì)紅外CO2氣體傳感器的影響已成為近些年的研究熱點(diǎn),實(shí)際上環(huán)境溫濕度等因素不僅使測(cè)量系統(tǒng)的器件特性發(fā)生漂移,而且也對(duì)CO2氣體本身的光譜特性產(chǎn)生影響[8-9]。為了解決此問(wèn)題,通常選用硬件或軟件補(bǔ)償方法進(jìn)行溫濕度誤差修正。其中,硬件補(bǔ)償法即設(shè)計(jì)恒溫(PID控制的加熱片)和降濕(防水過(guò)氣膜和干燥劑)裝置,應(yīng)該能較好地消除溫濕度的影響,但其成本高昂不適合產(chǎn)品化生產(chǎn)且自適應(yīng)性比較差,實(shí)際應(yīng)用中較少使用[10]。而軟件補(bǔ)償?shù)姆绞綄?shí)現(xiàn)起來(lái)較為簡(jiǎn)單且成本低,更易改善線性度,補(bǔ)償效果明顯,是提高氣體濃度測(cè)量精度的主要方法,其中人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法以其獨(dú)特的優(yōu)越性成為目前紅外氣體傳感器采用的主要軟件補(bǔ)償方式[11-14]。
盡管有關(guān)CO2濃度測(cè)量系統(tǒng)溫度補(bǔ)償?shù)难芯繄?bào)告較多,但針對(duì)相對(duì)濕度對(duì)氣體測(cè)量結(jié)果影響的報(bào)道較少[15-16]。為此,本文結(jié)合自主設(shè)計(jì)的扁錐腔高靈敏紅外CO2氣體傳感器[17]開(kāi)展了相關(guān)研究。首先對(duì)三種不同鍍膜氣室進(jìn)行了對(duì)比實(shí)驗(yàn),分析其實(shí)驗(yàn)結(jié)果,對(duì)最佳鍍膜氣室進(jìn)行了標(biāo)定和測(cè)試實(shí)驗(yàn),然后搭建了濕度實(shí)驗(yàn)平臺(tái),采用基于遺傳算法改進(jìn)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法(GA-BP)著重對(duì)傳感器進(jìn)行了濕度補(bǔ)償,傳感器系統(tǒng)濕度漂移現(xiàn)象得到了很好的抑制,算法補(bǔ)償后的CO2濃度測(cè)量誤差在±110×10-6內(nèi)。本文研究滿足實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)室內(nèi)環(huán)境中CO2濃度的需求,對(duì)紅外CO2氣體傳感器結(jié)構(gòu)優(yōu)化和測(cè)量精度的提高具有重要的參考價(jià)值。
圖1為基于非分光紅外檢測(cè)技術(shù)的CO2氣體傳感器系統(tǒng)的組成框架圖。STM32單片機(jī)控制光源驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)白熾燈光源HSL5-115-S,光源輻射出紅外光進(jìn)入扁錐腔采樣氣室,出射光被紅外熱電堆探測(cè)器TPS2534接收,探測(cè)器將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào),再經(jīng)過(guò)放大處理,輸入至AD轉(zhuǎn)換器中,然后傳至單片機(jī)處理分析轉(zhuǎn)換為濃度信號(hào),最后串口輸出與上位機(jī)顯示[17]。
圖1 CO2氣體濃度測(cè)量系統(tǒng)示意圖
為提高腔體壁面反射,氣室內(nèi)壁通常進(jìn)行打磨、拋光以及鍍膜處理,采用高反射率的金屬材料進(jìn)行鍍膜,值得注意的是,金屬導(dǎo)電系數(shù)越高,其穿透深度越淺則反射率越高,所以,金屬反射膜材料大都選用高導(dǎo)電率的金、銀、銅等材料,且這三種金屬在中紅外波段的反射率都為96%,符合設(shè)計(jì)要求?;诖?,為研究不同鍍膜對(duì)非色散扁錐腔CO2氣體傳感器的紅外吸收效率和靈敏度的影響,本文選擇了鍍銅、鍍銀、鍍金的氣室進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn),經(jīng)機(jī)械加工并通過(guò)電鍍的工藝對(duì)腔體進(jìn)行了金屬鍍膜,鍍膜厚度均為0.01 mm,得到如圖2所示光學(xué)氣室實(shí)物,由圖可知,腔體內(nèi)壁光滑且反射率較高。
圖2 不同鍍膜的氣室實(shí)物圖
為了研究不同鍍膜氣室對(duì)CO2氣體傳感器測(cè)量結(jié)果的影響,分別對(duì)加工好的鍍銅、鍍銀、鍍金氣室在同一實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn),具體實(shí)驗(yàn)步驟如圖3所示。
圖3 不同鍍膜氣室對(duì)比實(shí)驗(yàn)步驟圖
①連接裝置:連接CO2氣體傳感器測(cè)量裝置,通入99.999%高純氮?dú)?,待氣室?nèi)氣體排空,測(cè)量CO2氣體傳感器出氣口氣體濕度,濕度為0%,則外界與氣室內(nèi)部無(wú)氣體交換,關(guān)閉氮?dú)忾y門(mén)。開(kāi)啟CO2氣體傳感器測(cè)量裝置,等待30 min,檢測(cè)裝置是否工作正常。②裝置通入氣體:開(kāi)啟溫濕度實(shí)驗(yàn)箱,設(shè)置實(shí)驗(yàn)箱內(nèi)溫度為25℃,濕度為50%,由于外界與氣室內(nèi)無(wú)氣體交換,即實(shí)驗(yàn)箱中濕度與氣室內(nèi)氣體無(wú)影響,待實(shí)驗(yàn)箱內(nèi)溫濕度穩(wěn)定后,打開(kāi)并固定高純氮?dú)鈿馄繙p壓閥,氣流速度略大于空氣流速,持續(xù)穩(wěn)定通氣2 min,以保證氣室內(nèi)無(wú)雜氣干擾。③記錄并整理數(shù)據(jù):通過(guò)串口調(diào)試助手,實(shí)時(shí)記錄下六組CO2氣體傳感器測(cè)量通道的輸出電壓值和參考通道的輸出電壓值,然后更換不同標(biāo)準(zhǔn)濃度CO2氣體進(jìn)行實(shí)驗(yàn),最后對(duì)三種不同金屬鍍膜氣室CO2氣體傳感器記錄的各通道數(shù)據(jù)進(jìn)行整理分析。
取參考通道電壓信號(hào)的峰-峰值為U r和探測(cè)通道電壓信號(hào)的峰-峰值為U e,設(shè)兩電壓信號(hào)的比值為f,其表達(dá)式為:
每組實(shí)驗(yàn)下參考通道與探測(cè)通道的電壓比值f i(i=6為實(shí)驗(yàn)組數(shù))的平均值與標(biāo)準(zhǔn)CO2氣體濃度的關(guān)系如圖4(a)、4(b)和4(c)所示。由圖4可知,對(duì)于三種不同金屬鍍膜氣室的CO2氣體傳感器,檢測(cè)結(jié)果的電壓比值平均值都隨CO2氣體濃度的升高而增大。這主要是因?yàn)樵诖藱z測(cè)過(guò)程中隨著CO2氣體濃度的增大,探測(cè)通道對(duì)應(yīng)波段的紅外光更多地被吸收,導(dǎo)致傳感器探測(cè)通道接收到的紅外光能量下降,輸出的電壓值Ue也隨之下降,而參考通道對(duì)應(yīng)的紅外光波段因無(wú)氣體吸收,輸出的電壓值U r基本保持不變。從擬合公式可以看出,三種不同金屬鍍膜氣室CO2氣體傳感器都基本滿足朗伯一比爾定律,確保了檢測(cè)結(jié)果的正確性,不同的是多了數(shù)值約為1的常數(shù)項(xiàng),該常數(shù)項(xiàng)與傳感器系統(tǒng)的本身設(shè)計(jì)有關(guān),比如傳感器系統(tǒng)光源部分的入射光并未垂直照射吸光物質(zhì),且光源為發(fā)散非單色光光源等。為具體分析三種不同金屬鍍膜氣室CO2氣體傳感器對(duì)比實(shí)驗(yàn)結(jié)果,繪制出三種不同金屬鍍膜氣室六組實(shí)驗(yàn)測(cè)量電壓比值平均值隨CO2氣體濃度變化的曲線,如圖4(d)所示。在相同溫濕度環(huán)境中,在0~2000×10-6量程范圍內(nèi),鍍金、鍍銀和鍍銅氣室電壓信號(hào)比值f增量分別為0.0328,0.0323和0.0249,且在信號(hào)相同放大倍數(shù)情況下,鍍金氣室電壓信號(hào)比值f高于鍍銀氣室,這說(shuō)明鍍金氣室具有更高的紅外吸收效率和靈敏度,再者,金的化學(xué)穩(wěn)定性比銅和銀好的多,且不易受氧化,所以,鍍金氣室更符合設(shè)計(jì)要求。
圖4 不同鍍膜氣室實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)標(biāo)定結(jié)果
針對(duì)鍍金氣室,對(duì)CO2濃度測(cè)量系統(tǒng)的進(jìn)行了性能測(cè)試。理論上講,上述擬合的指數(shù)公式的反函數(shù)即為傳感器的標(biāo)定公式,然而實(shí)際測(cè)量過(guò)程中CO2吸收系數(shù)受溫度和濕度影響,該標(biāo)定公式誤差偏大,后續(xù)考慮環(huán)境溫度和濕度誤差補(bǔ)償時(shí),利用指數(shù)或?qū)?shù)關(guān)系進(jìn)行標(biāo)定將限制傳感器的測(cè)量范圍,而采用多項(xiàng)式擬合效果要好些,操作也更為簡(jiǎn)單。因此,將六組標(biāo)定實(shí)驗(yàn)測(cè)量的電壓比值平均值作為自變量,標(biāo)準(zhǔn)CO2濃度作為因變量,選用多項(xiàng)式函數(shù)擬合,其函數(shù)關(guān)系如圖5所示,擬合系數(shù)為0.992,從而獲得CO2氣體濃度C的具體標(biāo)定公式如下:
圖5 CO2氣體傳感器裝置標(biāo)定結(jié)果
式中:CO2濃度C的單位為10。
考慮到環(huán)境濕度與氣體濃度之間呈現(xiàn)復(fù)雜的非線性關(guān)系,下文選取鍍金的氣體傳感器開(kāi)展?jié)穸葘?shí)驗(yàn)研究,以此來(lái)衡量環(huán)境濕度對(duì)傳感器系統(tǒng)的影響。
針對(duì)外界環(huán)境中的濕度影響,在25℃環(huán)境下,通過(guò)外界加濕的方式對(duì)CO2濃度測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行了濕度實(shí)驗(yàn)研究,其濕度實(shí)驗(yàn)裝置示意圖如圖6所示。將實(shí)驗(yàn)裝置放置于C180溫濕度實(shí)驗(yàn)箱內(nèi),由圖可知,將CO2標(biāo)氣瓶與兩個(gè)密封杯相接,為保證CO2氣體流通,杯子密封蓋處開(kāi)有兩個(gè)小孔,且一個(gè)杯子中盛有清水,用來(lái)給干燥的CO2氣體加濕,通過(guò)控制杯中的水量來(lái)調(diào)節(jié)進(jìn)入光學(xué)氣室的氣體濕度,為防止通氣時(shí)氣流過(guò)大導(dǎo)致小水滴進(jìn)入腔體,在盛水的杯子和氣體傳感器中間加入一個(gè)無(wú)水的杯子用來(lái)濾去氣體帶來(lái)的小水滴,傳感器出氣口處放置一個(gè)濕度傳感器,可實(shí)時(shí)測(cè)量氣體濕度。加濕裝置實(shí)物圖如圖7所示,值得注意的是,溫濕度箱工作時(shí)會(huì)有輕微晃動(dòng),為防止杯中水溢出造成不必要的麻煩,將兩個(gè)水杯呈上下放置,加濕杯置于下層,濾水杯和傳感器置于上層,且將其通過(guò)膠帶固定。
圖6 濕度實(shí)驗(yàn)裝置示意圖
圖7 加濕裝置實(shí)物圖
室內(nèi)環(huán)境濕度一般在50%左右,所以本文實(shí)驗(yàn)相對(duì)濕度范圍選為40%~80%,實(shí)驗(yàn)對(duì)象為不同標(biāo)準(zhǔn)濃度的CO2氣體,其實(shí)驗(yàn)流程如圖8所示,具體步驟如下:①首先檢測(cè)裝置穩(wěn)定性,排除故障,然后往加濕杯中加入一些水,連接裝置,開(kāi)啟標(biāo)氣閥門(mén),等待2 min,觀察相對(duì)濕度值RH的顯示值,是否在40%附近。若濕度過(guò)小,則關(guān)閉標(biāo)氣閥門(mén),取下加濕杯,繼續(xù)加水;若濕度過(guò)大,則倒掉部分水,直至濕度達(dá)到要求。②啟動(dòng)溫濕度實(shí)驗(yàn)箱,設(shè)置溫度為25℃,濕度為50%,等待1 h,待箱內(nèi)溫濕度恒穩(wěn),開(kāi)啟標(biāo)氣閥門(mén),通入氣體,等待2 min,直至標(biāo)氣充滿氣室。③待RH顯示穩(wěn)定,記錄下此時(shí)RH及六組參考通道和測(cè)量通道的電壓值。④改變標(biāo)氣濃度,重復(fù)步驟2和3。⑤取下杯2,再注入一些水,使得RH在50%、60%、70%和80%附近,重復(fù)步驟①至④。
圖8 濕度實(shí)驗(yàn)流程圖
將扁錐腔CO2傳感器系統(tǒng)的參考通道與測(cè)量通道電壓值分別輸出,畫(huà)出它們與相對(duì)濕度的關(guān)系圖,如圖9和圖10所示。從圖中可以看出,在40%~70%的濕度范圍內(nèi),隨著傳感器氣室內(nèi)濕度的增加,參考通道與測(cè)量通道電壓值基本保持不變;而在70%~80%的濕度范圍內(nèi),參考通道與測(cè)量通道的電壓值隨著濕度增加呈現(xiàn)指數(shù)規(guī)律下降,且兩者下降的電壓幅度基本一致。該結(jié)果主要是由于傳感器氣室內(nèi)濕度逐漸增高,水蒸氣的含量也越來(lái)越多,當(dāng)氣室內(nèi)的濕度達(dá)到70%左右時(shí),水蒸氣將會(huì)產(chǎn)生顯著的散射增強(qiáng)效應(yīng),此時(shí)水蒸氣的散射系數(shù)與濕度之間滿足指數(shù)增長(zhǎng)規(guī)律[18],從而使得透射光強(qiáng)指數(shù)衰減,即探測(cè)器接受的光信號(hào)指數(shù)衰減,于是探測(cè)器參考通道與測(cè)量通道輸出的電壓信號(hào)均呈指數(shù)衰減。此外考慮到水蒸氣和CO2會(huì)產(chǎn)生微弱結(jié)合形成水合物,使CO2吸收光譜發(fā)生相應(yīng)變化[19],致使探測(cè)器測(cè)量通道接收的光強(qiáng)信號(hào)改變,但這部分的影響十分微弱,與水蒸氣散射的效果相比可以忽略不計(jì)。
圖9 氣體濃度一定時(shí),扁錐腔CO2傳感器系統(tǒng)輸出的參考通道電壓與相對(duì)濕度關(guān)系(點(diǎn)是實(shí)驗(yàn)值,線是擬合曲線)
圖10 氣體濃度一定時(shí),扁錐腔CO2傳感器系統(tǒng)輸出的測(cè)量通道電壓與相對(duì)濕度關(guān)系(點(diǎn)是實(shí)驗(yàn)值,線是擬合曲線)
在上述不同濕度下,將實(shí)測(cè)濃度值與標(biāo)準(zhǔn)濃度值之間的絕對(duì)誤差繪制成曲線,如圖11所示,從圖中不難發(fā)現(xiàn),在40%~80%濕度范圍內(nèi),對(duì)于某一濃度CO2氣體,隨著濕度的混入,實(shí)測(cè)濃度與標(biāo)準(zhǔn)濃度出現(xiàn)了較大波動(dòng)性偏差,且絕對(duì)誤差最高達(dá)到645×10-6。
圖11 不同濕度下,實(shí)測(cè)濃度與標(biāo)準(zhǔn)濃度之間的絕對(duì)誤差
為消除環(huán)境濕度對(duì)CO2濃度測(cè)量系統(tǒng)帶來(lái)的誤差,常見(jiàn)的方法主要是對(duì)氣室進(jìn)行防水透氣和干燥處理與軟件補(bǔ)償[20],由于一般的防水透氣膜很難將濕度全部濾除,采用這種辦法只能輕微降低濕度影響。隨著時(shí)間的推移,干燥劑的效果也會(huì)有所降低,需要定期更換,因此上述方法雖然簡(jiǎn)單但實(shí)際效果也有限,因此,本文選用軟件補(bǔ)償法對(duì)CO2濃度測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行了濕度補(bǔ)償。
考慮到參考通道與測(cè)量通道的電壓隨濕度的變化規(guī)律均為式(3)和式(4)的指數(shù)函數(shù),則兩個(gè)通道的電壓比值f與濕度RH之間必定為一復(fù)雜函數(shù)關(guān)系,即f與RH之間不再是單調(diào)關(guān)系,那么由電壓比值f反演的CO2氣體濃度值C與RH之間也不再是單調(diào)關(guān)系,因此利用實(shí)測(cè)濃度值C修正濕度帶來(lái)的濃度測(cè)量誤差不可行,下面直接利用測(cè)量通道的電壓信號(hào)修正濕度誤差。
式中:a r,b r,c r,a e,b e,c e為函數(shù)的擬合系數(shù)。
從圖10可知,氣體傳感器測(cè)量通道的電壓信號(hào)隨RH的增大指數(shù)衰減,本文將以濕度值和實(shí)測(cè)測(cè)量通道的電壓作為輸入,標(biāo)準(zhǔn)濃度C P作為期望輸出,采用GA-BP融合算法對(duì)CO2氣體傳感器進(jìn)行濕度誤差補(bǔ)償與分析。由于測(cè)量時(shí)濕度不能控制,本文采用密集采點(diǎn)的方式,在圖10每條曲線上取了21個(gè)樣本點(diǎn)作為訓(xùn)練數(shù)據(jù),同時(shí)選取了40%、50%、60%、70%和80%濕度下的數(shù)據(jù)作為預(yù)測(cè)數(shù)據(jù),設(shè)置網(wǎng)格訓(xùn)練速率為0.1,網(wǎng)格訓(xùn)練精度為10-5,設(shè)置初始化種群規(guī)模為126,變異概率為0.08,交叉概率為0.75,迭代次數(shù)為1000,由于濕度樣本數(shù)量有限且樣本相關(guān)性較差,為減小誤差,設(shè)置權(quán)值閾值自動(dòng)更新10000次。經(jīng)數(shù)據(jù)融合后的輸出結(jié)果如圖12(a)所示,其預(yù)測(cè)值在期望值(標(biāo)準(zhǔn)濃度值)附近上下波段,將各濕度下輸出值與標(biāo)準(zhǔn)濃度作比較,如圖12(b)所示,圖中,GA-BP算法補(bǔ)償后的CO2氣體濃度隨濕度漂移變化較小,說(shuō)明濕度漂移現(xiàn)象得到了抑制。
圖12 濕度40%~80%范圍內(nèi),經(jīng)GA-BP算法融合后濃度輸出結(jié)果
圖13給出了算法修正后測(cè)量誤差值,由圖可知,算法處理后輸出濃度值與標(biāo)準(zhǔn)濃度之間的絕對(duì)誤差在±110×10-6內(nèi),由此可見(jiàn),GA-BP融合算法對(duì)濕度影響具有很好的補(bǔ)償效果,將濕度引起的CO2氣體濃度測(cè)量誤差降低了很多,可見(jiàn)GA-BP融合算法補(bǔ)償修正的可行性。
圖13 算法補(bǔ)償后輸出結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)濃度之間的絕對(duì)誤差
在上述GA-BP融合算法基礎(chǔ)上得到濕度修正后的CO2氣體濃度公式如下:
為了驗(yàn)證算法補(bǔ)償效果,本文選取了45%和65%濕度下(非樣本濕度)數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行驗(yàn)證。圖14分別給出了45%和65%濕度下GA-BP算法預(yù)測(cè)輸出與期望輸出之間的絕對(duì)誤差曲線,由圖14(a)可知,當(dāng)濕度為45%時(shí),其預(yù)測(cè)值與期望值之間的絕對(duì)誤差在±45×10-6內(nèi),從圖14(b)中可以看出,65%濕度環(huán)境下,GA-BP算法預(yù)測(cè)輸出與期望輸出之間的絕對(duì)誤差在±90×10-6內(nèi)。說(shuō)明GA-BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法能夠用于修正環(huán)境濕度引起的測(cè)量誤差。
圖14 非樣本濕度下,算法補(bǔ)償后絕對(duì)誤差
本文開(kāi)展了基于非色散技術(shù)的CO2傳感器系統(tǒng)的組裝與實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的搭建。首先對(duì)不同鍍膜氣室進(jìn)行標(biāo)定實(shí)驗(yàn),通過(guò)對(duì)比選擇了靈敏度最高的鍍金氣室作為研究對(duì)象。鑒于濕度的顯著影響,本文著重利用GA-BP算法對(duì)CO2氣體傳感器的濕度漂移進(jìn)行了補(bǔ)償修正,預(yù)測(cè)和驗(yàn)證結(jié)果表明,傳感器的溫度漂移得到較大的削弱,測(cè)量誤差顯著減小。在0~2000×10-6量程范圍內(nèi),GA-BP算法補(bǔ)償過(guò)的傳感器系統(tǒng)整體誤差小于±110×10-6,表明所研制的紅外CO2氣體傳感器具有良好的性能。本文研究滿足實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)環(huán)境中CO2濃度的需求,對(duì)紅外CO2氣體傳感器結(jié)構(gòu)優(yōu)化和測(cè)量精度的提高具有一定的參考價(jià)值。