樊 榮，侯媛彬，張軼斌，鄭茂全，孫 維，郭清華

(1．西安科技大學(xué) 電氣與控制工程院，陜西 西安 710054；2．中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司 測(cè)控分院，重慶 400039)

基于專家系統(tǒng)隨機(jī)逼近的激光傳感器的溫度補(bǔ)償研究

樊 榮1，2，侯媛彬1，張軼斌1，鄭茂全1，孫 維2，郭清華2

(1．西安科技大學(xué) 電氣與控制工程院，陜西 西安 710054；2．中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司 測(cè)控分院，重慶 400039)

在實(shí)驗(yàn)測(cè)試及分析礦用激光甲烷傳感器特性的基礎(chǔ)上，針對(duì)激光傳感器測(cè)量氣體時(shí)對(duì)溫度敏感的不足，提出一種基于專家系統(tǒng)的隨機(jī)逼近的激光傳感器的溫度補(bǔ)償?shù)姆椒āＪ紫雀鶕?jù)分析實(shí)驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)推導(dǎo)出測(cè)量甲烷濃度與溫度影響的關(guān)系式，然后根據(jù)測(cè)試的隨機(jī)溫度建立了專家規(guī)則，并設(shè)計(jì)制作出傳感器補(bǔ)償部分電路，最后對(duì)溫度補(bǔ)償效果進(jìn)行了驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在溫度隨機(jī)變化下減少了測(cè)試數(shù)據(jù)的波動(dòng)，使補(bǔ)償后測(cè)試時(shí)間和測(cè)量精度都有較大的改善。該方法可對(duì)礦井氣體檢測(cè)安全生產(chǎn)具有一定的參考價(jià)值。

激光甲烷傳感器；溫度補(bǔ)償；隨機(jī)逼近；專家規(guī)則

0 引 言

激光傳感器是利用激光技術(shù)進(jìn)行測(cè)量的傳感器，它由激光器、激光檢測(cè)器和測(cè)量電路組成。激光傳感器是新型測(cè)量?jī)x表，它的優(yōu)點(diǎn)是能實(shí)現(xiàn)無(wú)接觸、遠(yuǎn)距離測(cè)量，速度快，精度高，量程大，抗電磁干擾能力強(qiáng)。目前激光傳感技術(shù)主要用于光通訊、測(cè)距等領(lǐng)域，測(cè)距采用二維激光傳感器已有應(yīng)用。對(duì)于激光甲烷傳感器，其組成除了激光器、激光檢測(cè)器和測(cè)量電路之外，還包括激光腔(氣室)，其有效光程長(zhǎng)度是關(guān)鍵的測(cè)量性能參數(shù)。激光甲烷傳感器在恒溫條件下能精確地測(cè)量出甲烷的含量，溫度變化對(duì)其測(cè)量精度影響較大。國(guó)內(nèi)外專家們對(duì)激光傳感及其補(bǔ)償作了大量的研究，澳大利亞的專家Shemshad，Javad探討了1種光纖多點(diǎn)順序傳感器，使用1個(gè)可調(diào)諧二極管對(duì)激光波長(zhǎng)1 666 nm附近的瓦斯檢測(cè)，采用波長(zhǎng)調(diào)制光譜的二次諧波(2F)進(jìn)行檢測(cè)，利用激光的平均強(qiáng)度和檢測(cè)器對(duì)2F的增益信號(hào)來(lái)調(diào)整傳輸變化[1]。沙特阿拉伯的Es-sebbar，Et-touhami，F(xiàn)arooq，Aamir提出對(duì)激光的強(qiáng)度在V3波段擴(kuò)大或縮小甲烷參數(shù)的方法來(lái)提高甲烷濃度測(cè)試的精度[2]；印度專家Upadhyay，Abhishek；Chakraborty，Arup Lal基于可調(diào)諧半導(dǎo)體激光吸收光譜技術(shù)的甲烷傳感器在1 650 nm波段對(duì)甲烷的吸附力最強(qiáng)的特點(diǎn)，激光二極管用于甲烷線形狀恢復(fù)相位正交頻率，實(shí)現(xiàn)剩余幅度調(diào)制方法[3]。英國(guó)斯凱萊德大學(xué)的Lengden，Michael和Cunningham，Robert等對(duì)可調(diào)諧二極管激光為基礎(chǔ)的測(cè)量方法對(duì)固體氧化物燃料電池的水蒸氣和甲烷的濃度測(cè)試進(jìn)行了研究，在固體燃料的現(xiàn)場(chǎng)使用可調(diào)諧二極管激光光譜試驗(yàn)臺(tái)，提出了甲烷濃度測(cè)量戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)，采用氣相色譜(GC)比較了濃度測(cè)量[4]。對(duì)傳感器的補(bǔ)償，國(guó)內(nèi)天津大學(xué)和中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院的專家Li，Jianshuang；Huang，Xiaorong對(duì)大型激光光路的空氣溫度校正進(jìn)行了比較研究[5]，文獻(xiàn)[6]“可調(diào)諧半導(dǎo)體激光吸收光譜式甲烷傳感器溫度補(bǔ)償技術(shù)”的論文，對(duì)重慶煤科院測(cè)控分院研制礦用激光甲烷傳感去做了大量實(shí)驗(yàn)測(cè)試，提出了1種基于分段插值和重心插值的自適應(yīng)融合的迭代補(bǔ)償算法，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證在高瓦斯情況下，測(cè)量誤差減小到1%，在低濃度瓦斯情況下，測(cè)量誤差減小到0.01%.文獻(xiàn)[7-8]采用了不受力溫度補(bǔ)償法，解決了相似模擬實(shí)驗(yàn)中光柵測(cè)試的交叉敏感問(wèn)題；在光纖傳感應(yīng)力檢測(cè)的相似模擬實(shí)驗(yàn)中，將光纖光柵傳感器和溫度傳感器埋設(shè)在相應(yīng)的層位，提高了測(cè)試的精度。”

以上研究一類是根據(jù)激光的光譜在吸附甲烷敏感區(qū)波段設(shè)法改進(jìn)提高測(cè)量精度；二是從測(cè)試數(shù)據(jù)鏈的處理和光的色譜比較來(lái)獲得氣體濃度信息；三是溫度補(bǔ)償方法研究，通過(guò)溫度補(bǔ)償促進(jìn)測(cè)量氣體、測(cè)量壓力、測(cè)量溫度等被測(cè)變量的測(cè)量精度提高。但未見(jiàn)到傳感器硬件和軟件配合進(jìn)行溫度補(bǔ)償，從而提高氣體測(cè)量精度的提高。文中針對(duì)煤礦井下溫度隨機(jī)變化較大，而激光傳感器測(cè)量氣體時(shí)溫度恒定精度高，其測(cè)量精度隨溫度變化而波動(dòng)，提出1種基于專家系統(tǒng)的隨機(jī)逼近的激光傳感器的溫度補(bǔ)償?shù)姆椒?，首先建立甲烷濃度、發(fā)射激光強(qiáng)度、傳感器的有效光程及其溫度影響的關(guān)系式，進(jìn)而推導(dǎo)出溫度補(bǔ)償?shù)姆椒?，并開(kāi)發(fā)了補(bǔ)償軟件，設(shè)計(jì)制作出傳感器補(bǔ)償部分電路，在溫度隨機(jī)變化情況下，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證測(cè)試結(jié)果比未補(bǔ)償?shù)臏y(cè)量精度得到改善。

1 溫度變化對(duì)甲烷測(cè)量精度的影響

1.1 溫度實(shí)驗(yàn)測(cè)試分析

在煤炭生產(chǎn)中，正常情況井下的溫度約20左右，但在不同地域或不同環(huán)境下，溫度變化較大。對(duì)中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司測(cè)控分院生產(chǎn)的未補(bǔ)償前型號(hào)為GJG100J激光甲烷傳感器的在重慶哈丁科技有限公司生產(chǎn)的溫度控制箱里實(shí)驗(yàn)測(cè)試，溫箱參數(shù)：電壓380 V,頻率50 Hz,功率10 kW，初始溫度和終止溫度均可在0～100 ℃隨意設(shè)定。將GJG100J激光甲烷傳感器放在溫度控制箱內(nèi)，設(shè)定溫度在18～0 ℃之間變化，實(shí)測(cè)被測(cè)體激光甲烷傳感器的溫度如圖1所示。

圖1是從測(cè)試的多組數(shù)據(jù)中抓取的6幅測(cè)試記錄，在每幅圖中，左側(cè)為溫度，右側(cè)為濕度；在測(cè)試類似傳感器的設(shè)備時(shí)，不打開(kāi)濕度測(cè)試；左側(cè)的中部是溫度目標(biāo)設(shè)定值，上部是被測(cè)體的實(shí)際溫度，下側(cè)為對(duì)應(yīng)實(shí)際的測(cè)試時(shí)間。從圖1可見(jiàn)，設(shè)定溫度從設(shè)置從16.6 ℃上升到18 ℃再降到0 ℃.在溫度控制箱內(nèi)的激光甲烷傳感器測(cè)試的溫度比設(shè)定值有一定滯后，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1．

表1中，測(cè)試時(shí)間為“分：秒”，設(shè)定和測(cè)試溫度為攝氏度(℃)。根據(jù)給定溫度和激光甲烷傳感器測(cè)試溫度變化繪制出圖2(a)，其跟蹤誤差繪如圖2(b)所示。從表1和圖2可知，溫度滯后跟蹤誤差在-9.7和1.8之間波動(dòng)。

表1 設(shè)定溫度及激光甲烷傳感器的溫度實(shí)驗(yàn)測(cè)試值

圖1 溫控箱設(shè)定溫度及實(shí)測(cè)被測(cè)體激光甲烷傳感器實(shí)驗(yàn)測(cè)試實(shí)拍照片F(xiàn)ig.1 Photo of temperature control box setting temperature and laser gas sensor experiment

如果假設(shè)環(huán)境溫度在0～15 ℃，0～25 ℃，0～40 ℃變化，則激光甲烷傳感器測(cè)試溫度和設(shè)定溫度的關(guān)系可近似為圖2(c)所示。如果假設(shè)環(huán)境溫度在15～0 ℃，25～0 ℃，40～0 ℃變化，則激光甲烷傳感器測(cè)試溫度和設(shè)定溫度的關(guān)系可近似如圖2(d)所示。

圖2 激光甲烷傳感器在溫度控制箱的實(shí)驗(yàn)測(cè)試Fig.2 Laser methane sensor in temperature control box test

從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和上述圖表可見(jiàn)，傳感器的對(duì)環(huán)境溫度的變化反應(yīng)不僅有一定滯后而且產(chǎn)生隨機(jī)的溫度波動(dòng)(振蕩)。

1.2 溫度變化對(duì)甲烷濃度測(cè)試精度的影響分析

根據(jù)煤礦操作規(guī)程，考慮到低瓦斯礦開(kāi)采、考慮到高瓦斯礦開(kāi)采及瓦斯抽放等對(duì)工程需求，對(duì)甲烷傳感器在不同甲烷濃度下，溫度T在-10～50 ℃范圍內(nèi)變換作了實(shí)驗(yàn)測(cè)試，第一組數(shù)據(jù)甲烷濃度是0.5%，第二組組數(shù)據(jù)甲烷濃度是1.94%，第三組數(shù)據(jù)甲烷濃度是7.94%，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表2.

表2 補(bǔ)償前甲烷不同濃度在不同溫度下測(cè)量數(shù)據(jù)

從表2溫度在-10～50 ℃范圍內(nèi)變化的實(shí)驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)可見(jiàn)，溫度對(duì)不同甲烷濃度的測(cè)量精度均有影響，甲烷濃度越高溫度對(duì)甲烷濃度的測(cè)量精度影響越大。

1.3 激光甲烷傳感器溫度補(bǔ)償模型建立

基于專家系統(tǒng)的隨機(jī)逼近的激光傳感器的溫度補(bǔ)償?shù)姆椒ǖ乃悸啡鐖D3所示。

圖3中，激光腔體是激光甲烷傳感器的核心部件，MAX1978為激光甲烷傳感器控制器，該控制器根據(jù)給溫度和溫度反饋之差，并接收專家溫度補(bǔ)償器的輸出，將調(diào)節(jié)運(yùn)算輸出的PWM脈沖加在半導(dǎo)體制冷器件TEC上，其輸出給激光腔體，只有在恒溫下或溫度波動(dòng)不大時(shí)，激光腔體內(nèi)激光的光程恒定，甲烷傳感器才能準(zhǔn)確測(cè)量出井下的甲烷濃度。因此，針對(duì)GJG100J激光甲烷傳感器，為防

止溫度變化引起的非線性振蕩，設(shè)計(jì)了基于專家規(guī)則隨機(jī)逼近的溫度給定補(bǔ)償器。

圖3 激光傳感器的溫度補(bǔ)償?shù)姆椒ǖ慕Y(jié)構(gòu)圖Fig.3 Structure diagram of temperature compensation method for laser gas sensor

2 激光甲烷傳感器溫度補(bǔ)償硬件

設(shè)計(jì)的基于嵌入式系統(tǒng)的激光甲烷傳感器溫度補(bǔ)償硬件電路如圖4所示。

圖4 激光甲烷傳感器溫度補(bǔ)償硬件電路Fig.4 Hardware circuit of temperature compensation for laser gas sensor

如圖4所示，U1為基于嵌入式系統(tǒng)的溫度補(bǔ)償控制器，采用STC89C52單片機(jī)；U2為給定輸入鍵盤接口；U3為溫度A/D轉(zhuǎn)換模塊；U4為溫度采集數(shù)據(jù)接口；U5為液晶顯示模塊LCD12864.U2采用4×4復(fù)位按鍵鍵盤，與U1的P1口相連；U3的輸入與溫度傳感器相連，其信號(hào)為溫度的模擬量，U3的輸出為轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量，與U4相連；U4將轉(zhuǎn)換后的溫度數(shù)字量輸入給U1；U5與U1相連；

溫度補(bǔ)償控制器U1接收由溫度A/D轉(zhuǎn)換接口U4發(fā)送的溫度采集數(shù)據(jù)，與給定輸入鍵盤給定的溫度進(jìn)行比較，根據(jù)溫度補(bǔ)償給定算法確定輸出，將經(jīng)過(guò)優(yōu)化的溫度給定數(shù)據(jù)輸出至MAX1978中。同時(shí)，可以將給定溫度、采集溫度以及輸出的溫度值通過(guò)LCD12864液晶模塊進(jìn)行顯示。

3 基于專家規(guī)則的隨機(jī)逼近溫度補(bǔ)償算法

在環(huán)境溫度隨機(jī)變換情況下，為了減小如圖2所示溫度控制過(guò)程中滯后和隨機(jī)振蕩問(wèn)題，在激光甲烷傳感器的溫度補(bǔ)償算法中，假設(shè)環(huán)境溫度從設(shè)定Tc℃降到0 ℃，把隨機(jī)過(guò)程的局部看作為線性變化的，采用基于專家系統(tǒng)的線性插補(bǔ)輸出給定方法。根據(jù)溫度控制實(shí)驗(yàn)中得到的溫度Tc和調(diào)節(jié)時(shí)間tT來(lái)確定隨機(jī)過(guò)程中的這一段線性基準(zhǔn)線f(t)及與縱向(溫度坐標(biāo))傾角θ，若溫度Tc不同，則傾角不同。隨機(jī)過(guò)程的局部線性插補(bǔ)過(guò)程如圖5(a)所示。

圖5 隨機(jī)過(guò)程的局部線性插補(bǔ)機(jī)理Fig.5 Local linear interpolation theory of random process

(1)

4 不同初始溫度的局部線性插補(bǔ)補(bǔ)償

根據(jù)式(1)，為了確定線性補(bǔ)償給定輸出，需要得到在某初始溫度下的線性基準(zhǔn)線f(t)及其傾角θ.在環(huán)境溫度發(fā)生變化時(shí)，設(shè)定2種情況下的初始溫度分別為T1與T2，降到0 ℃所需時(shí)間分別為t1和t2，得到2種不同的插補(bǔ)斜率如圖5(b)所示。由三角函數(shù)公式有

(2)

若T1

根據(jù)式(2)有tanθ1>tanθ2，在θ1,θ2∈[0°，90°]范圍內(nèi)，可以得出θ1>θ2.因此在降溫過(guò)程中初始值由T1變?yōu)門2時(shí)，溫度變化曲線的傾角有如下變化關(guān)系：不同初始溫度的局部線性插補(bǔ)斜率如圖5(b)所示。對(duì)于任意的初始溫度，溫度控制傾角θi表示為式(3)。

θi=θ1±Δθ,

(3)

式中，若Ti>T1，θi=θ1-Δθ，若TiT1，θ2=θ1-Δθ.

在煤礦井下環(huán)境中，一般情況下，環(huán)境溫度為25 ℃左右。在溫度補(bǔ)償控制算法中，以25 ℃環(huán)境下調(diào)節(jié)過(guò)程為基準(zhǔn)，來(lái)確定不同溫度下的調(diào)節(jié)輸出。根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，在初始溫度為25 ℃時(shí)，溫度調(diào)節(jié)為0 ℃需要時(shí)間t25=18 s，溫度初始值為T25=25 ℃，此時(shí)

(4)

(5)

根據(jù)式(3)可以得到從任意初始溫度T降溫至0 ℃時(shí)隨機(jī)過(guò)程的局部線性基準(zhǔn)線傾角為

θT=θ25±Δθ.

(6)

式中，若T>25 ℃，θT=θ25-Δθ，若T<25 ℃，θT=θ25+Δθ.

由式(6)可以得到初始溫度T的線性基準(zhǔn)線fT(t)為 fT(t)=T-cotθT·t,

(7)

將式(6)(7)所得到的θT和fT(t)帶入式(1)可以得到任意初始溫度T降溫至0 ℃時(shí)的k時(shí)刻的溫度輸出，輸出如式(8)所示，式中，T(k)為k時(shí)刻溫度采集值，fr(k)為k時(shí)刻的溫度線性基準(zhǔn)值。該輸出施加在圖3的MAX1978控制器上，實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償控制。

(8)

利用式(8)，對(duì)環(huán)境溫度隨機(jī)變化進(jìn)行補(bǔ)償，同時(shí)采用文獻(xiàn)[6]的可調(diào)諧半導(dǎo)體激光吸收光譜式甲烷傳感器溫度補(bǔ)償技術(shù)中提出的一種基于分段插值和重心插值的自適應(yīng)融合的迭代補(bǔ)償算法，對(duì)甲烷在溫度變化下隨機(jī)測(cè)量值進(jìn)行補(bǔ)償，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證在瓦斯?jié)舛葹?.5%，1.94%和7.94%情況下，作了補(bǔ)償實(shí)驗(yàn)及測(cè)試，補(bǔ)償前與補(bǔ)償后的測(cè)試值如圖6所示。在甲烷濃度為7.94%情況下，最大測(cè)試誤差從補(bǔ)償前的25%減小到補(bǔ)償后的1%.

圖6 對(duì)瓦斯?jié)舛葹?.5%，1.94%和7.94%情況下的補(bǔ)償前與補(bǔ)償后的測(cè)試Fig.6 Gas test in cases of concentration is 0.5%， 1.94% and 7.94% before compensation and after compensation

5 結(jié) 論

文中針對(duì)GJG100J激光甲烷傳感器作了大量實(shí)驗(yàn)測(cè)試，對(duì)激光甲烷傳感器在不同濃度下隨溫度變化的實(shí)驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析，在此基礎(chǔ)上，提出1種基于專家系統(tǒng)的隨機(jī)逼近的激光傳感器的溫度補(bǔ)償?shù)姆椒ǎ徊⒃O(shè)計(jì)了基于嵌入式系統(tǒng)的專家溫度補(bǔ)償器；同時(shí)采用課題組提出的1種基于分段插值和重心插值的自適應(yīng)融合的迭代補(bǔ)償算法，對(duì)不同甲烷濃度下在-10～50 ℃進(jìn)行測(cè)量實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，補(bǔ)償算法在溫度隨機(jī)變化的情況下減少了調(diào)節(jié)過(guò)程中的波動(dòng)，消除了溫度變化過(guò)程的振蕩，并減少了激光甲烷傳感器溫度控制的滯后。在瓦斯?jié)舛葹?.5%，1.94%和7.94%情況下的補(bǔ)償實(shí)驗(yàn)中，將最大測(cè)試誤差從補(bǔ)償前的25%減小到補(bǔ)償后的1%.該補(bǔ)償方法可對(duì)礦井氣體檢測(cè)安全生產(chǎn)具有一定的參考價(jià)值。

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Temperature compensation of laser sensor by stochastic approximation based on expert system

FAN Rong1，2，HOU Yuan-bin1，ZHANG Yi-bin1，ZHENG Mao-quan1，SUN Wei2，GUO Qing-hua2

(1.CollegeofElectricalandControlEngineering,Xi’anUniversityofScienceandTechnology,Xi’an710054,China； 2.MeasurementandControlTechnologyResearchBranch，ChongqingResearchInstituteofChinaCoalTechnology&EngineeringGroupCorp.Chongqing，400039，China)

Based on the performance analysis of laser gas sensor and experimental test data，aiming at the insufficient that gas concentration measurement is sensitive to temperature，a temperature compensation method is presented for laser gas sensor，which is based on the expert system and stochastic approximation method.Firstly，according to the analysis of test data，the relationship formula between gas concentration and the temperature is deduced.Then，the expert rule is established by the stochastic data of test，and compensation circuit of the laser gas sensor is designed.Finally，the experiments are carried out，the experimental results show that temperature compensation method reduced the fluctuation of stochastic temperature，and improved the test time and the measurement accuracy.The method will have reference value for the safety production of mine gas detection.

laser gas sensor；temperature compensation；stochastic approximation；expert rule

2015-05-10 責(zé)任編輯：高 佳

十二五國(guó)家科技重大專項(xiàng)子課題(2011ZX05041-004)

樊 榮(1968-)，男，陜西岐山人，研究員，E-mail: Houyb@xust.edu.cn

10.13800/j.cnki.xakjdxxb.2015.0415

1672-9315(2015)04-0492-06

TD 712

A