激光甲烷傳感器檢測誤差溫壓補(bǔ)償修正模型分析

尹昌園，楊亞玉

（遵義市產(chǎn)品質(zhì)量檢驗(yàn)檢測院，貴州 遵義 563000）

激光甲烷傳感器在環(huán)境監(jiān)測和工業(yè)安全等領(lǐng)域中扮演著重要角色。然而，溫度和壓力的變化對激光甲烷傳感器的性能和測量結(jié)果產(chǎn)生了重要影響。在實(shí)際應(yīng)用中，溫度和壓力的波動會引起激光甲烷傳感器的檢測誤差，進(jìn)而影響測得的甲烷濃度數(shù)值的準(zhǔn)確性。文章旨在探討溫度和壓力對激光甲烷傳感器的影響，并基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)溫壓補(bǔ)償修正模型，以提高傳感器的測量精度。

1 壓力和溫度對激光甲烷傳感器的影響

1.1 不同溫度對CH4氣體吸收譜線的影響

1.1.1 溫度實(shí)驗(yàn)

在實(shí)驗(yàn)中，首先準(zhǔn)備了一個(gè)具備溫度控制功能的高低溫箱，以確保氣體吸收池內(nèi)的溫度準(zhǔn)確控制，避免氣體泄漏，并維持恒定溫度條件。接著，在氣體吸收池中注入CH4氣體，設(shè)定不同濃度（400 ppm、500 ppm、600 ppm、700 ppm）以研究各濃度下的吸收譜線。使用高低溫箱來調(diào)控氣體吸收池的溫度，進(jìn)行各溫度下的測量，以觀察溫度對CH4吸收特性的影響。然后啟動數(shù)據(jù)采集與處理軟件，開始記錄光譜數(shù)據(jù)，通過激光器發(fā)射的光穿過氣體吸收池后，由光電探測器測量并傳輸至計(jì)算機(jī)。最后，對所記錄的光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，研究不同溫度和濃度條件下CH4的吸收譜線，可能需要運(yùn)用數(shù)學(xué)模型來處理數(shù)據(jù)，以得出溫度和濃度之間的關(guān)系。

1.1.2 溫度實(shí)驗(yàn)結(jié)果

不同溫度下CH4氣體濃度變化如圖1所示，從圖中可以看出，隨著溫度的升高，CH4氣體濃度逐漸增加，這一趨勢在-5～10 ℃范圍內(nèi)尤為顯著。然而，在10～50 ℃，CH4氣體濃度開始緩慢下降。該現(xiàn)象的發(fā)生，主要是因?yàn)闇囟瘸霈F(xiàn)了顯著的變化，進(jìn)而對CH4氣體的光譜吸收率產(chǎn)生了較強(qiáng)的作用，對于檢測信號也產(chǎn)生了較大的影響，最終得到的濃度數(shù)值并不精確，應(yīng)進(jìn)一步加強(qiáng)實(shí)踐控制手段。

圖1 甲烷氣體濃度隨溫度變化圖

在低溫條件下，CH4氣體的吸收譜線變得更加窄，但需要注意的是，在這種情況下，由于壓力逐漸增大，測量值實(shí)際上呈上升趨勢。這是因?yàn)槲粘貎?nèi)的氣體在低溫下吸收得更加充分，因此測得的濃度值較高。在高溫條件下，CH4氣體的吸收譜線變得更寬，同時(shí)信號強(qiáng)度減弱。此外，由于分子間距離增大，這也導(dǎo)致測量到的濃度值下降。這是因?yàn)楦邷厥沟脷怏w分子更加活躍，分子間的相互作用減弱，導(dǎo)致吸收信號減弱以及測量濃度降低。

1.2 不同壓力對CH4氣體吸收譜線的影響

1.2.1 壓力實(shí)驗(yàn)

在實(shí)驗(yàn)前，充填氣袋至3/4以上容量，使用500 mL/min氣泵不斷注入已知濃度的CH4氣體，關(guān)閉吸收池出氣口，確保測量數(shù)據(jù)穩(wěn)定。隨后，校準(zhǔn)標(biāo)氣和背景氣，將恒溫恒濕箱設(shè)為-5 ℃，關(guān)閉吸收池出氣口的閥門。通過氣袋和氣泵將400 ppm待測氣體注入吸收池，觀察壓力示數(shù)表，記錄達(dá)到60 kPa時(shí)的氣體濃度。接著，在不同壓強(qiáng)下記錄氣體壓強(qiáng)與濃度的關(guān)系，壓強(qiáng)范圍為0～60 kPa，每5 kPa一檔。最后，在逐漸升高溫度的條件下，記錄不同溫度下氣體壓強(qiáng)與濃度的關(guān)系，從0 ℃增加至50 ℃，完成一組實(shí)驗(yàn)。

1.2.2 壓力實(shí)驗(yàn)結(jié)果

本次實(shí)驗(yàn)過程中選擇了不同的溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，主要是選用0 ℃、15 ℃、30 ℃、45 ℃4個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行研究。在實(shí)驗(yàn)結(jié)果方面，發(fā)現(xiàn)無論溫度高也好、低也好，濃度在測量的時(shí)候，會隨著壓強(qiáng)的變化而變化，并且整體趨勢上是比較一致的。因此，壓強(qiáng)即便是逐步增加的條件下，CH4氣體的檢測濃度依然會不斷減小，不同壓力下CH4濃度變化趨勢如圖2所示。

圖2 甲烷氣體濃度所壓強(qiáng)變化曲線

根據(jù)圖2顯示的內(nèi)容來看，壓強(qiáng)在不斷增加的條件下，CH4氣體的測量濃度表現(xiàn)出了持續(xù)的下降趨勢，并且下降比較穩(wěn)定。這種現(xiàn)象的發(fā)生，主要是因?yàn)閴簭?qiáng)的變化情況，對CH4氣體的分子密度變化產(chǎn)生了較大的影響，并且針對分子之間的碰撞展寬概率也產(chǎn)生了較強(qiáng)的作用。尤其是在壓強(qiáng)數(shù)值持續(xù)增加的過程中CH4氣體的密度會不斷地增加，另外，當(dāng)輸出光信號減弱的時(shí)候，也會導(dǎo)致測量的濃度低于已知的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)值。

2 基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的溫壓補(bǔ)償修正模型

對于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)而言，其主要是一種比較常見的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，該項(xiàng)技術(shù)在應(yīng)用的時(shí)候，主要是通過反向傳播算法學(xué)習(xí)輸入技術(shù)的應(yīng)用，以及輸出的映射關(guān)系特點(diǎn)來完成的。BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)成并不復(fù)雜，包括輸入結(jié)構(gòu)、輸出結(jié)構(gòu)、隱藏結(jié)構(gòu)，通過前向傳播計(jì)算輸出，然后通過反向傳播根據(jù)誤差信號優(yōu)化權(quán)重和閾值，采用梯度下降算法逐步接近期望輸出。這種網(wǎng)絡(luò)可用于分類、回歸和模式識別等問題，但需要注意過擬合和局部最小值，其學(xué)習(xí)能力源自反向傳播的優(yōu)化過程，為復(fù)雜問題提供了有效的機(jī)器學(xué)習(xí)方法。

圖3所示BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖，圖中X1、X2、Xn為輸入值，Y1、Y2、Ym為預(yù)測值，iωij和iωjk為權(quán)值。

圖3 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

研究過程中將輸出節(jié)點(diǎn)設(shè)置為m，將輸出節(jié)點(diǎn)設(shè)置為n，將BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練的整個(gè)過程看作是n個(gè)變量到m個(gè)因變量之間的函數(shù)映射關(guān)系，因此在BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練時(shí)，具體的流程如下所示：

（1）網(wǎng)絡(luò)初始化流程：明確輸出層節(jié)點(diǎn)、輸入層節(jié)點(diǎn)、隱含層節(jié)點(diǎn)，并了解其連接權(quán)值、隱含層等數(shù)據(jù)信息。

（2）隱含層輸出計(jì)算流程：根據(jù)各個(gè)層面的閾值變化，計(jì)算出隱含層的輸出情況。

假設(shè)隱含層輸出為Hj，隱含層函數(shù)為f(，節(jié)點(diǎn)數(shù)為l，表達(dá)式如下：

筆者希望能通過研究它的兩種重要模式——主題學(xué)習(xí)模式和基于問題的學(xué)習(xí)模式，使教育工作者在開展信息技術(shù)與課程整合時(shí)有一定的依據(jù)和借鑒，促使他們充分發(fā)揮并利用已建好的設(shè)施和資源的優(yōu)勢，在一定程度上也能推動信息技術(shù)與課程整合的發(fā)展。

（3）輸出計(jì)算：假設(shè)隱含層輸出為Hj，預(yù)測輸出為Ok，輸出層和隱含層連接權(quán)值為iωjk，閾值為bk，表達(dá)式如下：

（4）誤差計(jì)算：利用期望輸出Yk和預(yù)測輸出Ok，計(jì)算網(wǎng)絡(luò)預(yù)測誤差ek，表達(dá)式如下：

（5）權(quán)值更新：設(shè)網(wǎng)絡(luò)連接權(quán)值為ωij，學(xué)習(xí)速率為η，利用以上參數(shù)和網(wǎng)絡(luò)預(yù)測誤差對ωjk進(jìn)行更新，表達(dá)式如下：

（6）閾值更新：設(shè)學(xué)習(xí)速率為η，根據(jù)誤差ek對網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)閾值aj、bk進(jìn)行更新，表達(dá)式如下：

經(jīng)過以上步驟后，判斷BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是否迭代完成，如果未完成則返回步驟2再次進(jìn)行迭代。

3 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)補(bǔ)償模型試驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)CH4傳感器溫壓補(bǔ)償方法，設(shè)置不同溫度和壓力對CH4傳感器測量精度進(jìn)行驗(yàn)證。

3.1 溫度測試

首先在壓力為100 kPa下，調(diào)節(jié)不同溫度對CH4傳感器進(jìn)行測試，溫度分別設(shè)置為15 ℃、23 ℃、30 ℃、35 ℃，測試結(jié)果如表1所示。

表1 溫度影響試驗(yàn)數(shù)據(jù)測試

BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的溫度補(bǔ)償算法可提高激光甲烷傳感器的測量精度，通過修正溫度對傳感器測量結(jié)果的影響，實(shí)現(xiàn)更準(zhǔn)確地甲烷濃度測量。

3.2 壓力測試

除了溫度補(bǔ)償，還需要進(jìn)一步進(jìn)行壓力補(bǔ)償?shù)膶?shí)驗(yàn)，以驗(yàn)證BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在不同壓力條件下的性能。在23 ℃的環(huán)境中，融入濃度為1.5%的甲烷氣體，利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對甲烷傳感器進(jìn)行測試，設(shè)置壓力分別為8 kPa、90 kPa、100 kPa、110 kPa，測試結(jié)果如表2所示。

表2 壓力影響試驗(yàn)數(shù)據(jù)測試

從表2的結(jié)果可以看出，在不同壓力條件下，使用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)補(bǔ)償算法的甲烷傳感器與非補(bǔ)償算法傳感器的測量結(jié)果存在差異。以1.5%標(biāo)準(zhǔn)濃度為例，80 kPa壓力下，BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)補(bǔ)償傳感器測量結(jié)果為1.493，而非補(bǔ)償傳感器為1.487，表明BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的壓力補(bǔ)償算法改善了測量精度。在其他壓力條件下，如90 kPa、100 kPa和110 kPa，BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)補(bǔ)償傳感器的測量結(jié)果分別為1.493、1.501和1.511，略優(yōu)于非補(bǔ)償傳感器結(jié)果，分別為1.499、1.505和1.518。

4 結(jié)束語

（1）低溫下，由于吸收譜線變窄，導(dǎo)致測量值呈上升趨勢；高溫下，吸收譜線變寬且光信號強(qiáng)度減弱，導(dǎo)致測量濃度下降。因此，為了獲得準(zhǔn)確的甲烷濃度值，必須對測量數(shù)據(jù)進(jìn)行溫度補(bǔ)償修正。

（2）由于壓強(qiáng)變化導(dǎo)致甲烷氣體分子密度變化，影響了分子間碰撞的展寬概率，導(dǎo)致不同壓力下甲烷傳感器檢測精度降低。

（3）基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的溫壓補(bǔ)償修正模型能夠提高激光甲烷傳感器的測量精度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)補(bǔ)償算法相對于非補(bǔ)償算法的優(yōu)勢。無論是在不同溫度還是不同壓力條件下，通過補(bǔ)償修正后的傳感器能夠獲得更準(zhǔn)確的甲烷濃度測量結(jié)果。