基于径向基网络温度补偿的红外气体传感器及检测方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于红外气体传感器技术领域，具体涉及一种基于径向基网络温度补偿的 红外气体传感器及检测方法，尤其涉及红外气体传感器检测技术、基于径向基函数神经网 络温度补偿的气体浓度检测方法，是一种可以进行温度补偿的红外气体传感器。
【背景技术】
[0002] 红外气体传感器具有选择性好、可靠稳定、反应迅速、不易中毒、使用寿命长等诸 多优点，已被广泛应用于化工、煤炭、冶金、电力、环境监测等众多场所，是确保正常生产、保 障人员安全的重要工具。
[0003] 常见的光学气体检测技术有非色散红外检测技术、可调谐激光器光谱技术、声光 光谱技术等，其中，基于宽谱红外光源、非色散的红外气体传感器结构最简单、性能稳定、反 应迅速，适用于轻巧设备，具有巨大的商业价值。其基本原理利用了气体分子的选择性光谱 吸收理论，由于气体分子结构的迥异，致使其具有不同的能级，因此在不同频率处对红外辐 射的吸收程度也各不相同，且气体对红外辐射的吸收遵循朗伯一比尔吸收定律。西班牙巴 塞罗那大学J.Fonollosa等研发检测乙烯气体浓度的装置应用于水果的存储过程，仪器的 最小可检测分辨率为30ppm。俄罗斯圣彼得堡物理技术研究所的S. Aleksandrov等研发的 非色散甲烷气体传感器，采用LED和光电二极管组成的单光源双光路结构，其精度已经大 大超出了工业检测标准。哈尔滨工业大学孙辉等设计了基于非色散红外吸收原理的多组分 气体检测仪，利用光源复用结构，能够同时检测二氧化硫、一氧化氮和氧气。
[0004] 然而，在进行气体浓度检测时，检测环境温度的变化是影响红外气体传感器测量 精度的一个重要因素。在不同的环境温度下，红外气体传感器的双通道热释电探测器两个 电极间会产生温度感应电流，混入测量信号中，从而导致温度漂移的产生。此外，由气体状 态方程PV = nRT可知，当气体的摩尔数一定时，在压强P不变的情况下，随着温度T的升高， 气体体积V将增大。相反的，随着温度T的降低，气体体积V将减少。由于红外气体传感器 的气室体积是固定的，温度的升高将造成气室内气体分子摩尔数的减少，从而降低了气体 的浓度，减弱了气体对红外辐射的吸收，导致测量误差的产生。
[0005] 目前，消除检测环境温度变化影响的方法主要有两种。一是经验公式法，即采用最 小二乘拟合进行迭代，确定经验公式的相关系数，从而补偿温度变化带来的误差，这种方法 在数据采集后使用系数标定进行温度补偿，但计算量较大，且经验公式的使用具有一定局 限性；二是温度控制法，即采用温控模块使检测环境温度保持动态平衡，从而避免因温度变 化带来的测量误差，这种方法利用硬件电路使红外气体传感器处于相对恒温的检测环境， 但温控模块的加入增加了红外气体传感器的制造成本，且不利于小型化。
【发明内容】
[0006] 本发明的目的提供一种基于径向基网络温度补偿的红外气体传感器及检测方法， 也就是基于径向基函数神经网络温度补偿的气体浓度检测方法和一种基于径向基温度补 偿的红外气体传感器。不仅使红外气体传感器可以消除因检测环境温度变化产生的测量误 差，而且相比于现有的经验公式法，因为径向基网络具有训练速度较快、结构自适应确定、 输出与初始权值无关的特点，使温度补偿的过程更加简便且适用性更广；相比于现有的温 度控制法，因为只需加入嵌有径向基函数神经网络算法的芯片即可，避免了红外气体传感 器体积的增加，更利于传感器的小型化和低成本。
[0007] 为了克服现有技术中的不足，本发明提供了一种基于径向基网络温度补偿的红外 气体传感器及检测方法的解决方案，具体如下：
[0008] -种基于径向基网络温度补偿的红外气体传感器，包括红外气体传感器、温度传 感器、嵌入了径向基函数神经网络算法的微处理器系统，所述的红外传感器采用单光源双 光路结构，所述的红外传感器包括气室，所述的气室顶部设有进气口 1和出气口 2,气室内 壁设有镀金反射膜3,气室内部两端分别设置有红外宽谱光源4和双通道热释电探测器9， 并且红外宽谱光源4位于设置在气室内部的椭圆聚光罩5的焦点处，此外，双通道热释电探 测器9与电调制宽谱红外光源4位于同一基准面上，气室内的底部设有温度传感器8,所述 的红外气体传感器、温度传感器同嵌入了径向基函数神经网络算法的微处理器系统13相 连接，所述的嵌入了径向基函数神经网络算法的微处理器系统13还同显示单元15相连接。
[0009] 所述的红外宽谱光源4为电调制的红外宽谱光源。
[0010] 基于径向基函数神经网络温度补偿的气体浓度检测方法主要包括以下步骤：
[0011] (1)将红外气体传感器的双通道热释电探测器测量通道和参比通道的输出电压以 及温度传感器的输出电压进行归一化处理；
[0012] (2)将步骤（1)中归一化处理后得到的数据送入径向基函数神经网络输入层的输 入向量X = (Xl，x2, x3)，其中，^为双通道热释电探测器的测量通道输出电压经过归一化处 理后的数据；x2为双通道热释电探测器的参比通道输出电压经过归一化处理后的数据；x3为温度传感器的输出电压经过归一化处理后的数据；
[0013] (3)选取高斯函数作为本发明中径向基函数神经网络的激励函数，即
，其中，| Idistl |为输入向量和权值向量之间的欧氏距离， 通过输入向量和加权矩阵的行向量的乘积得到；s为高斯函数的方差；I |Xp-Ci| I为欧氏范 数，XP为第p个输入样本，C 径向基函数神经网络隐含层结点的中心；
[0014] (4)由步骤（3)可知径向基函数神经网络隐含层的输入为
i，j e [1，3]，其中，wly为隐含层每个神经元与输入层相连的权值；b i为阈值；而径向基函 数神经网络隐含层的输出为 ，其中，I IwlfXl |为权值向量和阈值向 量之间的距离；
[0015] (5)由步骤（4)可知径向基函数神经网络输出层的输出为
[0017] 其中，为隐含层每个神经元与输出层相连的权值；
[0018] (6)从0个神经元开始训练，通过检查输出误差使网络自动增加神经元，不断循环 训练，使网络产生的最大误差所对应的输入向量作为权值wl，产生一个新的隐含层神经元， 然后检查新网络的误差，重复此过程直到达到误差要求或最大隐含层神经元数为止；
[0019] (7)选取N组样本数据，按照步骤⑴至步骤（6)进行径向基函数神经网络的数据 预处理、创建、训练，得到最佳权值w和阈值h，从而确定该网络模型；
[0020] (8)在实际测量气体浓度时，基于径向基网络温度补偿的红外气体传感器将双通 道热释电探测器测量通道和参比通道的输出电压以及温度传感器的输出电压进行归一化 处理后送入步骤（7)已确定的网络模型中，通过径向基函数函数神经网络的预测得到经过 温度补偿的待测气体浓度信息。
[0021] 本发明的优点是：与现有技术相比，克服了现有红外气体传感器在温度补偿方面 的不足，弥补了经验公式法标定复杂、适用性差以及温度控制法不利于小型化的缺点，将红 外气体传感器的双通道热释电探测器测量通道和参比通道的输出电压以及温度传感器的 输出电压经过归一化处理后，送入径向基函数神经网络的输入层，经网络的创建、训练、预 测后，由输出层得到经过温度补偿的气体浓度信息。使温度补偿的过程更加简便、适用性更 广、利于小型化等优点。
【附图说明】
[0022] 图1是红外气体传感器的结构示意图；
[0023] 图2是径向基函数神经网络的结构示意图；
[0024] 图3是基于径向基网络温度补偿的红外气体传感器工作流程示意图；
[0025] 其中，1为进气口；2为出气口；3为镀金反射膜；4为电调制宽谱红外光源；5为椭 圆聚光罩；6为测量光路；7为参比光路；8为温度传感器；9为双通道热释电探测器；I为双 通道热释电探测器的测量通道；II为双通道热释电探测器的参比通道；10为双通道热释电 探测器测量通道的输出电压；11为双通道热释电探测器参比通道的输出电压；12为温度传 感器的输出电压；13为微处理器系统；14为径向基函数神经网络算法；15为显示单元。
【具体实施方式】
[0026] 下面结合附图和实施例对
【发明内容】
作进一步说明：
[0027] 参照图1、图2、图3所示，基于径向基网络温度补偿的红外气体传感器，包括红外 气体传感器、温度传感器、嵌入了径向基函数神经网络算法的微处理器系统，所述的红外传 感器采用单光源双光路结构，所述的红外传感器包括气室，所述的气室顶部设有进气口 1 和出气口 2,待测混合气体从进气口 1进入气室，经过整个气室后从出气口 2排出。气室内 壁设有镀金反射膜3,用以增强红外辐射的反射。气室内部两端分别设置有红外宽谱光源4 和双通道热释电探测器9,并且红外宽谱光源4位于设置在气室内部的椭圆聚光罩5的焦点 处，用以增强红外辐射的聚光性。此外，双通道热释电探测器9与电调制宽谱红外光源4位 于同一基准面上，气室内的底部设有温度传感器8,用以获取检测环境的温度值；所述的红 外气体传感器、温度传感器同嵌入了径向基函数神经网络算法的微处理器系统13相连接， 所述的嵌入了径向基函数神经网络算法的微处理器系统13还同显示单元15相连接。
[0028] 所述的红外宽谱光源4为电调制的红外宽谱光源。
[0029] 电调制宽谱红外光源4发出的红外辐射经待测混合气体吸收后，分别到达双通道 热释电探测器的测量通道I和双通道热释电探测器的参比通道II。目标气体在参比光路7 中对红外辐射不产生吸收作用，只在测量光路6中吸收相应谱段的红外辐射。对应地，背景 气体在参比光路7和测量光路6中对红外辐射均不产生或只存在很小的吸收作用。通过参 比通道II测得的红外辐射强度信息可推得测量环境的原始值，而参比通道II和测量通道I 的测量值之差，即是目标气体对相应谱段红外辐射的吸收量，这种差分测量方法一定程度 上消除了由于电调