基于GA-WNN溫度補(bǔ)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(xué),物理與光電工程學(xué)院,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,南京 210044;3.南京信息工程大學(xué),江蘇省氣象探測與信息處理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(fù)面影響[1-2],如:造成全球溫室效應(yīng),導(dǎo)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(shí)時(shí)監(jiān)測已勢在必行,該項(xiàng)研究具有重要的現(xiàn)實(shí)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(xué)式、電容式和熱傳導(dǎo)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(diǎn)得到了廣泛應(yīng)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(guān),因此,如何在小型化與降低開發(fā)成本的同時(shí),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(jì)算流體動(dòng)力學(xué)CFD(Computational Fluid Dynamics)模擬仿真和實(shí)驗(yàn)對比驗(yàn)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(guān)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(jìn)行了標(biāo)定和測試實(shí)驗(yàn),并且采用遺傳小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法對傳感器的溫度漂移進(jìn)行補(bǔ)償修正,提高了傳感器的測量精度,同時(shí)通過實(shí)驗(yàn)測試驗(yàn)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(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)的。氣體分子對紅外光譜的吸收強(qiáng)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(qiáng),I為有氣體吸收時(shí)出射光強(qiáng),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(jìn)(出)氣孔、探測器及信號(hào)處理部分組成。考慮到實(shí)際測量過程中,傳感器腔體內(nèi)壁的反射率不可能達(dá)到100%,假設(shè)其內(nèi)壁的反射率為β。內(nèi)壁面的吸收會(huì)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(xì)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(guān)系。

圖1 示意圖

2 ANSYS FLUENT模擬仿真與分析

ANSYS FLUENT是當(dāng)前國際主流的CFD軟件,是求解流體流動(dòng)和傳熱問題強(qiáng)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(jìn)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(shè)置、初始化并迭代計(jì)算、最后查看分析CFD計(jì)算結(jié)果[10-11]。根據(jù)實(shí)體模型的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),選用了適用性較強(qiáng)的非結(jié)構(gòu)化四面體網(wǎng)格,同時(shí)采用了k-ε湍流模型和DO輻射模型進(jìn)行CFD穩(wěn)態(tài)仿真。仿真過程中紅外輻射源設(shè)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(jì)算的真實(shí)性,本文將傳感器周圍設(shè)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(jì)算要求[10-11]。下面詳細(xì)討論圓柱腔體時(shí),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(shè)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(guān)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(shí),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(guān)系圖

3 傳感器系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

圖4為傳感器系統(tǒng)的組成框架圖。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)入光學(xué)腔體,出射光被紅外熱電堆探測器TPS2534接收,探測器將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào),再經(jīng)過放大處理,輸入至AD轉(zhuǎn)換器中,最后傳至單片機(jī)處理分析轉(zhuǎn)換為濃度信號(hào),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(jī)采用STM32F103ZET6,它是一種低功耗、低價(jià)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(yīng)用的低功耗、低噪聲、完整模擬前端、內(nèi)置一個(gè)低噪聲24位/16位的6路差分輸入的Σ-ΔADC;運(yùn)算放大電路采用Intersil公司的ICL7650斬波穩(wěn)零運(yùn)算放大器,它是目前精度最高的一款運(yùn)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(jī)PC通信。

圖5是光源驅(qū)動(dòng)電路,包括運(yùn)算放大電路和開關(guān)電路。由于單片機(jī)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(jī)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(dǎo)通MOS管2N7002,R5為1 Ω的保護(hù)電阻,光源由 5 V電源供電。

圖5 光源驅(qū)動(dòng)電路

本文所選用的雙通道熱電堆探測器TPS2534共有4個(gè)引腳,分別為輸出CO2通道、參考通道、溫度通道信號(hào)以及一個(gè)接地引腳。圖6(a)為CO2通道信號(hào)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(hào)的放大電路與上述電路相同,參考通道的設(shè)計(jì)主要是為了消除光強(qiáng)波動(dòng)和紅外探測器響應(yīng)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(hào)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(jìn)行分壓,然后經(jīng)過放大,最終將電阻信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào),該信號(hào)可用來表征傳感器光學(xué)腔體的溫度情況。

圖6 探測器信號(hào)檢測電路

4 實(shí)驗(yàn)對比驗(yàn)證與分析

4.1 腔長對比實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

為了驗(yàn)證前文FLUENT腔長優(yōu)化仿真計(jì)算的準(zhǔn)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(shí)驗(yàn)研究。考慮到要進(jìn)行大量濃度點(diǎn)的標(biāo)定實(shí)驗(yàn),構(gòu)建了如圖7所示的成本較低的對比實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。CO2氣體和高純氮?dú)?N2)從氣罐中輸送至22MX-1型氣體配比儀,進(jìn)行相應(yīng)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(tái)灣比較先進(jìn)的二氧化碳檢測儀AZ77535,可以實(shí)時(shí)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(jī),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(shí)驗(yàn)平臺(tái)

4.2 對比實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

利用上述實(shí)驗(yàn)平臺(tái)分別對3個(gè)不同腔長的CO2傳感器開展一系列實(shí)驗(yàn),所有實(shí)驗(yàn)在相同環(huán)境條件下進(jìn)行,通過實(shí)驗(yàn)記錄各腔長下氣體濃度從0變化到1 500×10-6時(shí)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(shí)探測信號(hào)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(guān),因?yàn)殡S著CO2氣體濃度的增大,更多的光能被氣體吸收,從而導(dǎo)致傳感器測量通道接收的光能下降,產(chǎn)生的電動(dòng)勢差也隨之下降,而參考通道的電動(dòng)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(yù)期。

圖8(b)、8(c)、8(d)分別為6 cm、8 cm、10 cm腔長下探測信號(hào)峰-峰值比值f和濃度信號(hào)的擬合曲線圖,運(yùn)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(xiàng),該常數(shù)與傳感器的本身有關(guān),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(gè)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(biāo)定公式。

圖8 腔長對比實(shí)驗(yàn)結(jié)果

下面我們具體討論和分析一下腔長對比實(shí)驗(yàn)的結(jié)果。首先將實(shí)驗(yàn)過程中參考儀器測得的最低濃度下的信號(hào)即高純氮?dú)庀碌妮敵鲂盘?hào)作為0×10-6CO2氣體濃度下的信號(hào)輸出值,此時(shí)定義存在一定氣體濃度x時(shí)測量信號(hào)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?dú)庀聹y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(gè)與探測靈敏度相關(guān)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(shí)驗(yàn)條件下,8 cm和10 cm腔長的氣室檢測信號(hào)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(fù)性與長期穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)結(jié)果

為了驗(yàn)證前面式(5)換算CO2氣體濃度C的準(zhǔn)確性,在相同實(shí)驗(yàn)條件下對8 cm腔長氣室開展了重復(fù)性及長期穩(wěn)定性的實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)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(gè)數(shù)據(jù),從圖中可以看出,曲線有輕微的波動(dòng),但是波動(dòng)幅度很小;如圖10(b)所示,重復(fù)性實(shí)驗(yàn)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(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn),待測得10個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)后,間隔0.5 h繼續(xù)測量,重復(fù)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(huì)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(hào)作比值處理去除了光源與探測電路部分由于溫度所導(dǎo)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(huì)導(dǎo)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(shí)驗(yàn)研究,并采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法對氣體濃度的溫度漂移誤差進(jìn)行補(bǔ)償。

5 基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法補(bǔ)償?shù)臏囟葘?shí)驗(yàn)研究

5.1 實(shí)驗(yàn)裝置和結(jié)果

利用標(biāo)準(zhǔn)濃度的CO2氣體標(biāo)氣瓶,瓶中的混合氣為氮?dú)?對已經(jīng)裝配好的氣體傳感器樣機(jī)進(jìn)行測試實(shí)驗(yàn),同時(shí)檢測其性能。在標(biāo)定過程中,實(shí)驗(yàn)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(biāo)準(zhǔn)CO2氣體以及高純氮?dú)?高純氮?dú)鉂舛葹?9.999%,每次實(shí)驗(yàn)至少平均測量3組數(shù)據(jù),然后取平均值。溫度實(shí)驗(yàn)平臺(tái)如圖11 所示,使用的是C180溫濕度實(shí)驗(yàn)箱,實(shí)驗(yàn)箱右側(cè)接入裝置的電源以及PC電腦接收數(shù)據(jù);實(shí)驗(yàn)箱左側(cè)接入通氣管,給裝置通入標(biāo)準(zhǔn)濃度的氣體。

圖11 溫度實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

在進(jìn)行溫度實(shí)驗(yàn)時(shí),將環(huán)境的濕度設(shè)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(gè)測試點(diǎn)。將C180溫濕度箱設(shè)置一個(gè)溫濕度值后,啟動(dòng)裝置,待溫濕度環(huán)境恒定并保持45 min后,通入標(biāo)準(zhǔn)濃度的CO2氣體或者高純氮?dú)?等待1 min,待腔體內(nèi)充滿標(biāo)準(zhǔn)的標(biāo)氣,記錄各個(gè)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(shí)驗(yàn)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(hào)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(shí),探測信號(hào)比值的變化幅度較小,溫度在25 ℃～45 ℃之間時(shí),探測信號(hào)比值的變化幅度明顯增大。

圖12 不同溫度下實(shí)驗(yàn)結(jié)果

5.2 溫度補(bǔ)償與系統(tǒng)性能分析

根據(jù)上述溫度實(shí)驗(yàn)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(luò)(GA-WNN)融合算法對CO2氣體傳感器進(jìn)行溫度誤差補(bǔ)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(jìn)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(luò)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(jì)算的不同溫度下的各個(gè)氣體濃度標(biāo)定點(diǎn)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(jì)算出不同溫度下各個(gè)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(shí)驗(yàn)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(yīng)的變化,且在各個(gè)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(shí),探測信號(hào)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(shí),探測信號(hào)的變化幅度很大,呈現(xiàn)明顯的遞增趨勢。總體上來說,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(jì)算不同溫度下的氣體濃度,需要通過GA-WNN算法進(jìn)行溫度漂移誤差補(bǔ)償從而提高測量精度。

當(dāng)基于遺傳算法改進(jìn)的小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練完畢,經(jīng)過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法補(bǔ)償?shù)玫嚼碚撋系臍怏w濃度輸出值與標(biāo)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(gè)標(biāo)定氣體濃度點(diǎn)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(biāo)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(biāo)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(jìn)的小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)融合后的氣體濃度值與標(biāo)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(biāo)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(luò)效果良好,此時(shí)取出小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)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(luò),寫成C語言程序,編譯燒寫到STM32單片機(jī),經(jīng)過寫有算法的STM32單片機(jī)系統(tǒng)運(yùn)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(shí)際預(yù)測效果,也開展了測試分析與驗(yàn)證實(shí)驗(yàn),本文選10 ℃為環(huán)境溫度(非樣本溫度點(diǎn)),在每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)氣體濃度下重復(fù)測試了5次,間隔時(shí)間為5 min。圖16(a)給出了GA-WNN算法預(yù)測輸出(星號(hào))與期望輸出(圓點(diǎn))的關(guān)系曲線,從圖中不難發(fā)現(xiàn),圓點(diǎn)與星號(hào)比較接近,說明GA-WNN神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可以削弱溫度影響,以較小的誤差預(yù)測出紅外CO2傳感器的真實(shí)氣體濃度。具體地,在溫度為非樣本點(diǎn)10 ℃條件下,各個(gè)濃度下氣體傳感器的重復(fù)性均較好,根據(jù)計(jì)算得到整體重復(fù)性誤差為8.047%。如果將5次測量的結(jié)果取平均進(jìn)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(biāo)氣瓶的標(biāo)準(zhǔn)氣體濃度值,帶有GA-WNN算法補(bǔ)償?shù)那闆r下,本文設(shè)計(jì)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(diǎn)(10 ℃)條件下GA-WNN算法的五次預(yù)測濃度及平均值濃度與它們的期望濃度之間的關(guān)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(jìn)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(shí)性能較優(yōu)的結(jié)論。在此基礎(chǔ)上,通過實(shí)驗(yàn)的方法來驗(yàn)證FLUENT仿真分析的可靠性,并對傳感器的重復(fù)性誤差和長期穩(wěn)定性進(jìn)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(jìn)行了補(bǔ)償修正,預(yù)測和驗(yàn)證結(jié)果表明,傳感器的溫度漂移得到較大的削弱,測量誤差顯著減小。在0～2 000×10-6量程范圍內(nèi),GA-WNN算法補(bǔ)償過的傳感器系統(tǒng)整體平均誤差小于±100×10-6,重復(fù)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。