基于AGNES优化BP神经网络的红外气体传感器及气压补偿方法技术

本发明专利技术公开了一种基于AGNES优化BP神经网络的红外气体传感器，包括红外传感器、气压传感器和微处理器系统；微处理器系统内设置有一气压补偿模块，气压补偿模块内配置有一基于AGNES‑BP神经网络模型；微处理器系统接收热释电探测器发送的测量电压和参比电压、以及气压传感器发送的气压电压，归一化处理后，发送至气压补偿模块进行气压补偿计算，以获取经气压补偿后的气体浓度。本发明专利技术利用AGNES优化BP神经网络对气体传感器进行气压补偿，减小了环境气压波动较大情况下的气体传感器测量误差，降低了检测设备的制造成本和后期维护成本，有利于缩减传感器的体积，同时，提出了一种新型多反射气室，使气体与红外光充分接触，提高测量精度，便于系统小型化设计。

【技术实现步骤摘要】
基于AGNES优化BP神经网络的红外气体传感器及气压补偿方法
本专利技术涉及红外气体传感器
，具体而言涉及一种基于AGNES优化BP神经网络的红外气体传感器及气压补偿方法。
技术介绍
红外气体传感器因其具有极高的气体选择性在化工、电力、环境气体监测及煤炭开采等众多领域得到广泛的应用。这种检测技术在精度、价格、使用寿命、功耗、稳定性等方面具有明显的优势。由于红外光谱吸收检测技术在气体检测领域具有诸多的优势，所以国内外科研机构对该技术的应用进行了较为深入的研究。然而，非色散红外SF6气体传感器在实际使用过程中，其检测精度易受周围环境气压的影响，导致测量精度下降。目前，为了消除环境气压波动对非色散红外SF6气体传感器造成的影响，主要采用如下两种补偿方案：一是拟合公式法，即采用最小二乘迭代方法确定拟合公式的相关系数,建立数学公式模型实现对SF6气体传感器的气压补偿。但是此方法是在数据采集后利用系数标定的方法进行气压补偿，计算过程繁杂、使用局限性大；二是恒压补偿法，即采用硬件电路模块使检测环境气压保持动态平衡，消除气压变化引起的气体传感器测量误差。但是此方法是在系统中添加了硬件电路，不仅增加了功耗和制造成本，而且降低了设备的可靠性。
技术实现思路
本专利技术目的在于提供一种基于AGNES优化BP神经网络的红外气体传感器及气压补偿方法，利用AGNES优化BP神经网络对气体传感器进行气压补偿，减小了环境气压波动较大情况下的气体传感器测量误差，降低了检测设备的制造成本和后期维护成本，有利于缩减传感器的体积，同时，提出了一种新型多反射气室，使气体与红外光充分接触，提高测量精度，便于系统小型化设计。为达成上述目的，结合图1、图2，本专利技术提出一种基于AGNES优化BP神经网络的红外气体传感器，所述红外气体传感器包括红外传感器、气压传感器和微处理器系统；所述红外传感器、气压传感器分别与微处理器系统电连接；所述红外传感器包括采样气室、以及安装在采样气室内的红外光源、热释电探测器；所述红外传感器采用具有单光束多波长结构的红外光源，其发出的光束至少包括两种不同的波长，这两种波长分别被定义成测量波长和参比波长；所述红外光源发出的光束在采样气室内经多次反射后被热释电探测器接收，热释电探测器响应于接收到红外光源发出的光束，将其中属于测量波长的分量光转换成测量电压U0、属于参比波长的分量光转换成参比电压U1，再将转换生成的测量电压U0和参比电压U1发送至微处理器系统；所述气压传感器安装在采样气室内，被设置成实时探测采样气室内气压值，并将探测的气压值转换成一气压电压U2发送至微处理器系统；所述微处理器系统内设置有一气压补偿模块，气压补偿模块内配置有一基于AGNES-BP神经网络模型；所述微处理器系统接收热释电探测器发送的测量电压U0和参比电压U1、以及气压传感器发送的气压电压U2，归一化处理后，发送至气压补偿模块进行气压补偿计算，以获取经气压补偿后的气体浓度。进一步的实施例中，所述红外气体传感器还具有一无线传输模块和一显示终端；所述无线传输模块电连接微处理器系统和显示终端，用以建立微处理器系统和显示终端之间的数据链路。优选的，所述无线传输模块采用LoRa无线技术。进一步的实施例中，所述采样气室沿纵长方向设置有第一端部和第二端部，第一端部和第二端部均为封闭端，采样气室顶部设置有一进气口；所述采样气室包括红外光源、第一反光镜、第二反光镜、热释电探测器、旋风式抽气泵；所述第一反光镜、第二反光镜为凹面镜，分别固定在第一端部、第二端部，两者镜面相对；所述红外光源和热释电探测器均固定安装在采样气室的第一端部、并且朝向第二端部设置，红外光源发出的光束经第一反光镜和第二反光镜交替、并且至少两次反射后被热释电探测器接收；所述红外光源和热释电探测器均与微处理器系统电连接；所述旋风式抽气泵固定安装在进气口上，与微处理器系统电连接。进一步的实施例中，所述采样气室的进气口内侧设置有防水透气膜。进一步的实施例中，所述第一反光镜、第二反光镜的两端与采样气室连接处的外侧均设置有防水透气膜。结合图3，基于前述红外气体传感器结构，本专利技术还提及一种基于AGNES优化BP神经网络的红外气体传感器气压补偿方法，所述气压补偿方法包括：S1：创建以测量电压、参比电压、气压电压为参数的基于AGNES-BP神经网络模型；S2：接收热释电探测器发送的测量电压U0和参比电压U1、以及气压传感器发送的气压电压U2，进行归一化处理；S3：将归一化处理后的数据发送至已创建的基于AGNES-BP神经网络模型的输入层，基于AGNES-BP神经网络模型对其进行气压补偿计算后，由基于AGNES-BP神经网络模型的输出层输出计算结果，将输出的计算结果作为经气压补偿后的气体浓度。进一步的实施例中，所述方法还包括：将计算得出的经气压补偿后的气体浓度经无线网络发送至显示终端以显示。结合图4，进一步的实施例中，步骤S1中，创建以测量电压、参比电压、气压电压为参数的基于AGNES-BP模型的方法包括以下步骤：S101：创建一个BP神经网络，设定BP神经网络的输入层的神经元个数、隐含层的神经元个数和输出层的神经元个数；S102：将热释电探测器的各个测量通道和参考通道输出的电压值的比值及气压传感器的输出电压值进行数据归一化处理；S103：将步骤S102中经归一化处理后的测量通道与参考通道的比值、气压电压这2个参数发送至BP神经网络的输入端作为输入向量V＝(v1,v2)，其中，v1表示测量通道的输出电压和参考通道输出电压的比值，v2表示气压传感器的输出电压经过归一化处理后的数据；S104：将归一化之后的输入数据进行AGNES算法聚类，找出每一类输入样本偏差最大的一组数据剔除；S105：将BP神经网络的输入层中所有神经元之间的连续权值与阈值、隐含层中所有神经元之间的连续权值与阈值和输出层中所有神经元之间的连续权值与阈值设定为狼群内的每个个体；S106：在搜索空间中利用Logistic混沌映射初始化狼群Xi,i＝1,2,…,N，设定最大迭代次数和精度误差；S107：计算狼群内每个个体的适应度值并进行排序，进而确定历史最优解xα、优解xβ、次优解xδ；S108：对每只灰狼，按照下述公式初步计算灰狼位置且判断算法当前的迭代次数是否为最大迭代次数，若满足则进入步骤S109，否则返回执行步骤S106：其中，ωj(j＝α,β,δ)表示α,β,δ的权重系数，f(Xj(t))表示第j只狼在t时刻的适应度值；S109：输出最优灰狼个体位置X，并将其作为BP网络的初始权值和阈值并进行训练。S110：在训练的过程中，选取M组样本数据，按照步骤S101至步骤S108进行数据的预处理、网络的创建，当达到预定的误差精度时，训练模型完成；进一步的实施例中，步骤S101中，所述隐含层的激励函数为Sigmoid函数。进一步的实施例中，步骤S102中，采用premnmx函数对热释电探测器的各个测量通道和参考通道输出的电压值的比值及气压传感器的输出电压值进行数据归一化处理。以上本专利技术的技术方案，与现有相比，其显著的有益效果在于：1)本专利技术提出了一种多反射式气室，使得气体能够与红外光充分接触。通过旋风式抽气泵，使得待测气体充分进入检测系统，红外光经待测气体充本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于AGNES优化BP神经网络的红外气体传感器，其特征在于，所述红外气体传感器包括红外传感器、气压传感器和微处理器系统；所述红外传感器、气压传感器分别与微处理器系统电连接；所述红外传感器包括采样气室、以及安装在采样气室内的红外光源、热释电探测器；所述红外传感器采用具有单光束多波长结构的红外光源，其发出的光束至少包括两种不同的波长，这两种波长分别被定义成测量波长和参比波长；所述红外光源发出的光束在采样气室内经多次反射后被热释电探测器接收，热释电探测器响应于接收到红外光源发出的光束，将其中属于测量波长的分量光转换成测量电压U0、属于参比波长的分量光转换成参比电压U1，再将转换生成的测量电压U0和参比电压U1发送至微处理器系统；所述气压传感器安装在采样气室内，被设置成实时探测采样气室内气压值，并将探测的气压值转换成一气压电压U2发送至微处理器系统；所述微处理器系统内设置有一气压补偿模块，气压补偿模块内配置有一基于AGNES‑BP神经网络模型；所述微处理器系统接收热释电探测器发送的测量电压U0和参比电压U1、以及气压传感器发送的气压电压U2，归一化处理后，发送至气压补偿模块进行气压补偿计算，以获取经气压补偿后的气体浓度。...

【技术特征摘要】
1.一种基于AGNES优化BP神经网络的红外气体传感器，其特征在于，所述红外气体传感器包括红外传感器、气压传感器和微处理器系统；所述红外传感器、气压传感器分别与微处理器系统电连接；所述红外传感器包括采样气室、以及安装在采样气室内的红外光源、热释电探测器；所述红外传感器采用具有单光束多波长结构的红外光源，其发出的光束至少包括两种不同的波长，这两种波长分别被定义成测量波长和参比波长；所述红外光源发出的光束在采样气室内经多次反射后被热释电探测器接收，热释电探测器响应于接收到红外光源发出的光束，将其中属于测量波长的分量光转换成测量电压U0、属于参比波长的分量光转换成参比电压U1，再将转换生成的测量电压U0和参比电压U1发送至微处理器系统；所述气压传感器安装在采样气室内，被设置成实时探测采样气室内气压值，并将探测的气压值转换成一气压电压U2发送至微处理器系统；所述微处理器系统内设置有一气压补偿模块，气压补偿模块内配置有一基于AGNES-BP神经网络模型；所述微处理器系统接收热释电探测器发送的测量电压U0和参比电压U1、以及气压传感器发送的气压电压U2，归一化处理后，发送至气压补偿模块进行气压补偿计算，以获取经气压补偿后的气体浓度。2.根据权利要求1所述的基于AGNES优化BP神经网络的红外气体传感器，其特征在于，所述红外气体传感器还具有一无线传输模块和一显示终端；所述无线传输模块电连接微处理器系统和显示终端，用以建立微处理器系统和显示终端之间的数据链路。3.根据权利要求1所述的基于AGNES优化BP神经网络的红外气体传感器，其特征在于，所述采样气室沿纵长方向设置有第一端部和第二端部，第一端部和第二端部均为封闭端，采样气室顶部设置有一进气口；所述采样气室包括红外光源、第一反光镜、第二反光镜、热释电探测器、旋风式抽气泵；所述第一反光镜、第二反光镜为凹面镜，分别固定在第一端部、第二端部，两者镜面相对；所述红外光源和热释电探测器均固定安装在采样气室的第一端部、并且朝向第二端部设置，红外光源发出的光束经第一反光镜和第二反光镜交替、并且至少两次反射后被热释电探测器接收；所述红外光源和热释电探测器均与微处理器系统电连接；所述旋风式抽气泵固定安装在进气口上，与微处理器系统电连接。4.根据权利要求1所述的基于AGNES优化BP神经网络的红外气体传感器，其特征在于，所述采样气室的进气口内侧设置有防水透气膜。5.根据权利要求1所述的基于AGNES优化BP神经网络的红外气体传感器，其特征在于，所述第一反光镜和第二反光镜的两端与采样气室连接处的外侧均设置有防水透气膜。6.一种基于AGNES优化BP神经网络的红外气体传感器气压补偿方法，其特征在于，所述气压补偿方法包括：S1：创建以测量电压、参比电压、气压电压为参数的基于AGNES-BP神经网络模型；S2：接收热释电探测器发送的测量电压U0和参比电压U1、以及气压传感器发送的气压电压U2...

【专利技术属性】
技术研发人员：常建华，沈婉，赵勇毅，赵正杰，
申请(专利权)人：南京信息工程大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32