基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的光纖傳感氣體檢測系統(tǒng)

杜銳

關(guān)鍵詞：人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)；光纖傳感；氣體檢測；系統(tǒng)設(shè)計

中圖分類號：TP212.14 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

0引言

現(xiàn)階段，由于光纖通信得到了廣泛應(yīng)用，光纖傳感技術(shù)深入發(fā)展，光纖傳感氣體的檢測也得到了越來越多的關(guān)注。利用傳統(tǒng)光纖傳感氣體檢測系統(tǒng)來檢測混合氣體濃度具有局限性，如可調(diào)范圍小、硬件結(jié)構(gòu)復(fù)雜、檢測過程煩瑣，只能檢測特定氣體的濃度，且檢測準(zhǔn)確性不高。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法彌補了傳統(tǒng)算法在檢測、識別、優(yōu)化和數(shù)據(jù)信息處理等方面的不足，因其特有的非線性組合適應(yīng)性處理數(shù)據(jù)信息濃度的能力，被廣泛應(yīng)用于模擬人類認(rèn)知工業(yè)控制和人工智能等領(lǐng)域。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)因其本身具有的各種優(yōu)點，在光纖傳感氣體檢測工作中，可以準(zhǔn)確地檢測出混合氣體中不同氣體的濃度。因此，本文利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法設(shè)計了光纖傳感氣體檢測系統(tǒng)。

1光纖傳感氣體檢測系統(tǒng)設(shè)計

1.1系統(tǒng)硬件設(shè)計

本系統(tǒng)的硬件設(shè)計主要包含3個模塊：光源模塊、光柵恒溫模塊和光電轉(zhuǎn)換模塊，如圖1所示。

參照光纖傳感氣體檢測系統(tǒng)的整體設(shè)計方案，光源將收集到的電信號轉(zhuǎn)換為光信號，保證光波在光纖傳感器中正常傳播；經(jīng)過光柵恒溫模塊，將因外界因素而產(chǎn)生折射率漂移的光波通過內(nèi)部運算放大器整合成折射率正常的光波；然后經(jīng)光電轉(zhuǎn)換模塊將光信號轉(zhuǎn)換為電信號，傳輸給系統(tǒng)軟件部分，最終將數(shù)據(jù)處理的結(jié)果輸出，完成檢測氣體的目標(biāo)。

1.1.1光源模塊

在光纖傳感氣體檢測系統(tǒng)中，為了將采集到的光信號轉(zhuǎn)換成電信號，本系統(tǒng)選擇超輻射發(fā)光二極管（super luminescent diode，SLD）光源作為光源驅(qū)動模塊。SLD光源模塊中的主要芯片是AND8831。當(dāng)采集到電信號時，AND8831芯片可以通過內(nèi)部電流分壓器來設(shè)定SLD光源的目標(biāo)電壓值。當(dāng)SLD的電壓超出目標(biāo)電壓時，SLD模塊中的電阻溫度傳感器（resistance temperature detector，RTD）即溫度傳感器會檢測到變化，并產(chǎn)生相應(yīng)的電流變化。而后AND8831感知到這種變化，AND芯片帶有高穩(wěn)定性、低噪聲的PID補償放大器，可對這種變化進(jìn)行補償操作，最終反映到半導(dǎo)體（TEC），TEC通過升高或者降低電流來穩(wěn)定SLD的電壓，使其達(dá)到目標(biāo)電壓，進(jìn)而實現(xiàn)光纖傳感系統(tǒng)中的電信號轉(zhuǎn)換為光信號。

1.1.2光柵恒溫模塊

光柵恒溫模塊的電路主要是確保光纖傳感系統(tǒng)中光波的折射率不發(fā)生改變。在光纖傳感中，由于外界環(huán)境條件或者人為操作的干擾，光纖傳感器中的紅外光波波段的反射率和折射率會產(chǎn)生一定的漂移現(xiàn)象，導(dǎo)致氣體檢測系統(tǒng)的檢測準(zhǔn)確性變差。因此為了維持光波的正常折射率，本系統(tǒng)中采用光柵恒溫模塊來保持光波的正常傳播以及系統(tǒng)的穩(wěn)定性。光柵恒溫模塊將溫度傳感器的感知信號TC和設(shè)定溫度電流TS相比較，將電壓控制在一個恒定的值，從而控制了溫度恒定。其中，溫度傳感器可以感知周圍環(huán)境的溫度，經(jīng)內(nèi)部轉(zhuǎn)換電路，把溫度轉(zhuǎn)換為電壓，通過電壓跟隨器，可以將輸入電壓與預(yù)設(shè)的電壓值進(jìn)行比較。這一過程涉及一個運算器，它將同時對電壓跟隨器的兩個輸入端進(jìn)行比較，并計算它們之間的差值。然后經(jīng)反饋放大電路，反復(fù)調(diào)節(jié)流過二極管中的電流，使二極管產(chǎn)生不同的目標(biāo)溫度，來實現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)光柵模塊的溫度恒定，從而保證了光纖傳感系統(tǒng)中光波的折射率，進(jìn)而保證了系統(tǒng)的檢測精度和穩(wěn)定性。本系統(tǒng)選用的標(biāo)準(zhǔn)光柵模塊是FBG，其主要性能參數(shù)如表1所示。

1.1.3光電轉(zhuǎn)換模塊

光電轉(zhuǎn)換模塊在系統(tǒng)中的主要作用是將傳感器中已經(jīng)處理完成的光波信號以電壓信號形式反映出來。光電轉(zhuǎn)換模塊主要性能參數(shù)如表2所示。

光電轉(zhuǎn)換模塊主要包括前置放大電路與運算放大器。由于前置放大器的增益很高，因此可以探測到光纖傳感系統(tǒng)中很微弱的光波信號。前置放大電路與硬件部分中的光柵恒溫模塊的兩端直接相連，其中的光電二極管正接于運算放大器的輸入端，采集到的光波信號經(jīng)二極管轉(zhuǎn)換成電壓信號，從而實現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換。

1.2系統(tǒng)軟件設(shè)計

光纖傳感器氣體檢測系統(tǒng)是將采集到的光波經(jīng)光源模塊轉(zhuǎn)換成電信號，再通過光電轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換成電壓信號，以便于系統(tǒng)的識別和檢測。為了提高檢測系統(tǒng)的檢測精度，將人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法應(yīng)用到系統(tǒng)中，實現(xiàn)對某種單一氣體和混合氣體的分類檢測。本系統(tǒng)的軟件設(shè)計結(jié)構(gòu)如圖2所示。

要實現(xiàn)對某種氣體的定性檢測，需要考慮人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入單元和輸出單元以及每個單元的神經(jīng)元數(shù)目等方面。

輸入單元和輸出單元的網(wǎng)絡(luò)設(shè)計。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入和輸出單元的神經(jīng)元數(shù)目是根據(jù)具體的實驗類型來設(shè)置的。在本系統(tǒng)人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入單元中，輸入單元的數(shù)目為，n，檢測類別的數(shù)目為m，確定輸入單元的神經(jīng)元數(shù)目為T，訓(xùn)練樣本為X。若訓(xùn)練樣本X的類別屬于第j類，則神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸出單元輸出的結(jié)果Y計算式如下：

光纖傳感技術(shù)與人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)合使用能夠高效、精確地實現(xiàn)對某一種氣體的定性檢測，同時本系統(tǒng)還可以對混合氣體進(jìn)行定量檢測分析。

假設(shè)某種混合氣體是由a種不同氣體混合而成，其濃度分別為c₁，C₂，…，c_a，收集該混合氣體在光纖傳感器中的光波信息，經(jīng)光電轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換為電壓信號，將其向量輸入到神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入單元層，那么系統(tǒng)對該混合氣體的響應(yīng)就是一個非線性組合。若矩陣的維數(shù)是m，則系統(tǒng)的響應(yīng)可以表達(dá)為：

通過設(shè)計系統(tǒng)中人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入單元數(shù)、輸出單元數(shù)、隱藏單元數(shù)以及調(diào)整網(wǎng)絡(luò)的權(quán)值和閾值，再對神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行算法訓(xùn)練，最后把采集到的實驗數(shù)據(jù)經(jīng)硬件部分各模塊的處理，再傳輸給系統(tǒng)軟件部分的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入單元中，得到輸出結(jié)果，實現(xiàn)對單一氣體的定性檢測和對混合氣體的定量檢測。

2系統(tǒng)測試

2.1實驗說明

為了驗證本文設(shè)計的氣體檢測系統(tǒng)的可行性，利用對比實驗的方式對本系統(tǒng)進(jìn)行測試。本次實驗中，在實驗室條件下由專業(yè)的配氣裝置調(diào)配一定濃度的混合氣體，其中包括CO₂、H₂S和CH₄等3種氣體，另外對這3種氣體再分別調(diào)配3組不同濃度的混合氣體，由此可以獲得9組混合氣體的實驗樣本。在系統(tǒng)軟件部分的人工神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)的隱藏單元設(shè)定20個神經(jīng)元；輸入單元的神經(jīng)元數(shù)目設(shè)定為8個；輸出單元的神經(jīng)元為待檢測氣體的類別數(shù)即3個。輸出單元的輸出結(jié)果則表示9組混合氣體中的不同氣體濃度值。其氣體檢測的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

2.2對比結(jié)果

在本次實驗中，分別采用本文設(shè)計的氣體檢測系統(tǒng)和傳統(tǒng)氣體檢測系統(tǒng)對上述9組不同濃度的混合氣體進(jìn)行檢測，在這9組樣本中選取其中3組作為實驗的測試樣本，剩余6組作為訓(xùn)練樣本，分別統(tǒng)計兩種檢測系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)輸出值并計算每種氣體檢測結(jié)果的平均相對誤差。平均相對誤差計算公式如下：

網(wǎng)絡(luò)輸出的濃度值越接近氣體實際濃度值，且平均相對誤差越小，則說明該氣體檢測系統(tǒng)的檢測效果越好。兩種檢測系統(tǒng)的檢測對比結(jié)果如表3所示。

由表3可知，相較于傳統(tǒng)氣體檢測系統(tǒng)，本文設(shè)計的光纖傳感氣體檢測系統(tǒng)對CO₂、H₂S和CH₄的網(wǎng)絡(luò)輸出值更接近氣體的實際濃度值，且其對每種氣體濃度檢測的平均相對誤差均低于傳統(tǒng)檢測系統(tǒng)。因此本文設(shè)計的光纖傳感氣體檢測系統(tǒng)可以很好地檢測出多種混合氣體中不同氣體的濃度值，在光纖傳感氣體檢測領(lǐng)域中有一定的應(yīng)用價值。

3結(jié)語

本文設(shè)計了基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的光纖傳感氣體檢測系統(tǒng)，通過設(shè)計系統(tǒng)硬件與軟件部分，實現(xiàn)了對多種混合氣體的濃度檢測。系統(tǒng)測試表明，本文設(shè)計的氣體檢測系統(tǒng)具有極高的有效性，可以達(dá)到實際應(yīng)用要求。