基于专家系统随机逼近的激光传感器的温度补偿研究

樊 荣，侯媛彬，张轶斌，郑茂全，孙 维，郭清华

(1．西安科技大学 电气与控制工程院，陕西 西安 710054；2．中煤科工集团重庆研究院有限公司 测控分院，重庆 400039)

基于专家系统随机逼近的激光传感器的温度补偿研究

樊 荣1，2，侯媛彬1，张轶斌1，郑茂全1，孙 维2，郭清华2

(1．西安科技大学 电气与控制工程院，陕西 西安 710054；2．中煤科工集团重庆研究院有限公司 测控分院，重庆 400039)

在实验测试及分析矿用激光甲烷传感器特性的基础上，针对激光传感器测量气体时对温度敏感的不足，提出一种基于专家系统的随机逼近的激光传感器的温度补偿的方法。首先根据分析实验测试数据推导出测量甲烷浓度与温度影响的关系式，然后根据测试的随机温度建立了专家规则，并设计制作出传感器补偿部分电路，最后对温度补偿效果进行了验证。实验结果表明，在温度随机变化下减少了测试数据的波动，使补偿后测试时间和测量精度都有较大的改善。该方法可对矿井气体检测安全生产具有一定的参考价值。

激光甲烷传感器；温度补偿；随机逼近；专家规则

0 引 言

激光传感器是利用激光技术进行测量的传感器，它由激光器、激光检测器和测量电路组成。激光传感器是新型测量仪表，它的优点是能实现无接触、远距离测量，速度快，精度高，量程大，抗电磁干扰能力强。目前激光传感技术主要用于光通讯、测距等领域，测距采用二维激光传感器已有应用。对于激光甲烷传感器，其组成除了激光器、激光检测器和测量电路之外，还包括激光腔(气室)，其有效光程长度是关键的测量性能参数。激光甲烷传感器在恒温条件下能精确地测量出甲烷的含量，温度变化对其测量精度影响较大。国内外专家们对激光传感及其补偿作了大量的研究，澳大利亚的专家Shemshad，Javad探讨了1种光纤多点顺序传感器，使用1个可调谐二极管对激光波长1 666 nm附近的瓦斯检测，采用波长调制光谱的二次谐波(2F)进行检测，利用激光的平均强度和检测器对2F的增益信号来调整传输变化[1]。沙特阿拉伯的Es-sebbar，Et-touhami，Farooq，Aamir提出对激光的强度在V3波段扩大或缩小甲烷参数的方法来提高甲烷浓度测试的精度[2]；印度专家Upadhyay，Abhishek；Chakraborty，Arup Lal基于可调谐半导体激光吸收光谱技术的甲烷传感器在1 650 nm波段对甲烷的吸附力最强的特点，激光二极管用于甲烷线形状恢复相位正交频率，实现剩余幅度调制方法[3]。英国斯凯莱德大学的Lengden，Michael和Cunningham，Robert等对可调谐二极管激光为基础的测量方法对固体氧化物燃料电池的水蒸气和甲烷的浓度测试进行了研究，在固体燃料的现场使用可调谐二极管激光光谱试验台，提出了甲烷浓度测量战术数据链系统，采用气相色谱(GC)比较了浓度测量[4]。对传感器的补偿，国内天津大学和中国计量科学研究院的专家Li，Jianshuang；Huang，Xiaorong对大型激光光路的空气温度校正进行了比较研究[5]，文献[6]“可调谐半导体激光吸收光谱式甲烷传感器温度补偿技术”的论文，对重庆煤科院测控分院研制矿用激光甲烷传感去做了大量实验测试，提出了1种基于分段插值和重心插值的自适应融合的迭代补偿算法，实验验证在高瓦斯情况下，测量误差减小到1%，在低浓度瓦斯情况下，测量误差减小到0.01%.文献[7-8]采用了不受力温度补偿法，解决了相似模拟实验中光栅测试的交叉敏感问题；在光纤传感应力检测的相似模拟实验中，将光纤光栅传感器和温度传感器埋设在相应的层位，提高了测试的精度。”

以上研究一类是根据激光的光谱在吸附甲烷敏感区波段设法改进提高测量精度；二是从测试数据链的处理和光的色谱比较来获得气体浓度信息；三是温度补偿方法研究，通过温度补偿促进测量气体、测量压力、测量温度等被测变量的测量精度提高。但未见到传感器硬件和软件配合进行温度补偿，从而提高气体测量精度的提高。文中针对煤矿井下温度随机变化较大，而激光传感器测量气体时温度恒定精度高，其测量精度随温度变化而波动，提出1种基于专家系统的随机逼近的激光传感器的温度补偿的方法，首先建立甲烷浓度、发射激光强度、传感器的有效光程及其温度影响的关系式，进而推导出温度补偿的方法，并开发了补偿软件，设计制作出传感器补偿部分电路，在温度随机变化情况下，实验验证测试结果比未补偿的测量精度得到改善。

1 温度变化对甲烷测量精度的影响

1.1 温度实验测试分析

在煤炭生产中，正常情况井下的温度约20左右，但在不同地域或不同环境下，温度变化较大。对中煤科工集团重庆研究院有限公司测控分院生产的未补偿前型号为GJG100J激光甲烷传感器的在重庆哈丁科技有限公司生产的温度控制箱里实验测试，温箱参数：电压380 V,频率50 Hz,功率10 kW，初始温度和终止温度均可在0～100 ℃随意设定。将GJG100J激光甲烷传感器放在温度控制箱内，设定温度在18～0 ℃之间变化，实测被测体激光甲烷传感器的温度如图1所示。

图1是从测试的多组数据中抓取的6幅测试记录，在每幅图中，左侧为温度，右侧为湿度；在测试类似传感器的设备时，不打开湿度测试；左侧的中部是温度目标设定值，上部是被测体的实际温度，下侧为对应实际的测试时间。从图1可见，设定温度从设置从16.6 ℃上升到18 ℃再降到0 ℃.在温度控制箱内的激光甲烷传感器测试的温度比设定值有一定滞后，测试结果见表1．

表1中，测试时间为“分：秒”，设定和测试温度为摄氏度(℃)。根据给定温度和激光甲烷传感器测试温度变化绘制出图2(a)，其跟踪误差绘如图2(b)所示。从表1和图2可知，温度滞后跟踪误差在-9.7和1.8之间波动。

表1 设定温度及激光甲烷传感器的温度实验测试值

图1 温控箱设定温度及实测被测体激光甲烷传感器实验测试实拍照片Fig.1 Photo of temperature control box setting temperature and laser gas sensor experiment

如果假设环境温度在0～15 ℃，0～25 ℃，0～40 ℃变化，则激光甲烷传感器测试温度和设定温度的关系可近似为图2(c)所示。如果假设环境温度在15～0 ℃，25～0 ℃，40～0 ℃变化，则激光甲烷传感器测试温度和设定温度的关系可近似如图2(d)所示。

图2 激光甲烷传感器在温度控制箱的实验测试Fig.2 Laser methane sensor in temperature control box test

从实验数据和上述图表可见，传感器的对环境温度的变化反应不仅有一定滞后而且产生随机的温度波动(振荡)。

1.2 温度变化对甲烷浓度测试精度的影响分析

根据煤矿操作规程，考虑到低瓦斯矿开采、考虑到高瓦斯矿开采及瓦斯抽放等对工程需求，对甲烷传感器在不同甲烷浓度下，温度T在-10～50 ℃范围内变换作了实验测试，第一组数据甲烷浓度是0.5%，第二组组数据甲烷浓度是1.94%，第三组数据甲烷浓度是7.94%，测试结果见表2.

表2 补偿前甲烷不同浓度在不同温度下测量数据

从表2温度在-10～50 ℃范围内变化的实验测试数据可见，温度对不同甲烷浓度的测量精度均有影响，甲烷浓度越高温度对甲烷浓度的测量精度影响越大。

1.3 激光甲烷传感器温度补偿模型建立

基于专家系统的随机逼近的激光传感器的温度补偿的方法的思路如图3所示。

图3中，激光腔体是激光甲烷传感器的核心部件，MAX1978为激光甲烷传感器控制器，该控制器根据给温度和温度反馈之差，并接收专家温度补偿器的输出，将调节运算输出的PWM脉冲加在半导体制冷器件TEC上，其输出给激光腔体，只有在恒温下或温度波动不大时，激光腔体内激光的光程恒定，甲烷传感器才能准确测量出井下的甲烷浓度。因此，针对GJG100J激光甲烷传感器，为防

止温度变化引起的非线性振荡，设计了基于专家规则随机逼近的温度给定补偿器。

图3 激光传感器的温度补偿的方法的结构图Fig.3 Structure diagram of temperature compensation method for laser gas sensor

2 激光甲烷传感器温度补偿硬件

设计的基于嵌入式系统的激光甲烷传感器温度补偿硬件电路如图4所示。

图4 激光甲烷传感器温度补偿硬件电路Fig.4 Hardware circuit of temperature compensation for laser gas sensor

如图4所示，U1为基于嵌入式系统的温度补偿控制器，采用STC89C52单片机；U2为给定输入键盘接口；U3为温度A/D转换模块；U4为温度采集数据接口；U5为液晶显示模块LCD12864.U2采用4×4复位按键键盘，与U1的P1口相连；U3的输入与温度传感器相连，其信号为温度的模拟量，U3的输出为转换后的数字量，与U4相连；U4将转换后的温度数字量输入给U1；U5与U1相连；

温度补偿控制器U1接收由温度A/D转换接口U4发送的温度采集数据，与给定输入键盘给定的温度进行比较，根据温度补偿给定算法确定输出，将经过优化的温度给定数据输出至MAX1978中。同时，可以将给定温度、采集温度以及输出的温度值通过LCD12864液晶模块进行显示。

3 基于专家规则的随机逼近温度补偿算法

在环境温度随机变换情况下，为了减小如图2所示温度控制过程中滞后和随机振荡问题，在激光甲烷传感器的温度补偿算法中，假设环境温度从设定Tc℃降到0 ℃，把随机过程的局部看作为线性变化的，采用基于专家系统的线性插补输出给定方法。根据温度控制实验中得到的温度Tc和调节时间tT来确定随机过程中的这一段线性基准线f(t)及与纵向(温度坐标)倾角θ，若温度Tc不同，则倾角不同。随机过程的局部线性插补过程如图5(a)所示。

图5 随机过程的局部线性插补机理Fig.5 Local linear interpolation theory of random process

(1)

4 不同初始温度的局部线性插补补偿

根据式(1)，为了确定线性补偿给定输出，需要得到在某初始温度下的线性基准线f(t)及其倾角θ.在环境温度发生变化时，设定2种情况下的初始温度分别为T1与T2，降到0 ℃所需时间分别为t1和t2，得到2种不同的插补斜率如图5(b)所示。由三角函数公式有

(2)

若T1

根据式(2)有tanθ1>tanθ2，在θ1,θ2∈[0°，90°]范围内，可以得出θ1>θ2.因此在降温过程中初始值由T1变为T2时，温度变化曲线的倾角有如下变化关系：不同初始温度的局部线性插补斜率如图5(b)所示。对于任意的初始温度，温度控制倾角θi表示为式(3)。

θi=θ1±Δθ,

(3)

式中，若Ti>T1，θi=θ1-Δθ，若TiT1，θ2=θ1-Δθ.

在煤矿井下环境中，一般情况下，环境温度为25 ℃左右。在温度补偿控制算法中，以25 ℃环境下调节过程为基准，来确定不同温度下的调节输出。根据实验数据，在初始温度为25 ℃时，温度调节为0 ℃需要时间t25=18 s，温度初始值为T25=25 ℃，此时

(4)

(5)

根据式(3)可以得到从任意初始温度T降温至0 ℃时随机过程的局部线性基准线倾角为

θT=θ25±Δθ.

(6)

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

由式(6)可以得到初始温度T的线性基准线fT(t)为 fT(t)=T-cotθT·t,

(7)

将式(6)(7)所得到的θT和fT(t)带入式(1)可以得到任意初始温度T降温至0 ℃时的k时刻的温度输出，输出如式(8)所示，式中，T(k)为k时刻温度采集值，fr(k)为k时刻的温度线性基准值。该输出施加在图3的MAX1978控制器上，实现温度补偿控制。

(8)

利用式(8)，对环境温度随机变化进行补偿，同时采用文献[6]的可调谐半导体激光吸收光谱式甲烷传感器温度补偿技术中提出的一种基于分段插值和重心插值的自适应融合的迭代补偿算法，对甲烷在温度变化下随机测量值进行补偿，实验验证在瓦斯浓度为0.5%，1.94%和7.94%情况下，作了补偿实验及测试，补偿前与补偿后的测试值如图6所示。在甲烷浓度为7.94%情况下，最大测试误差从补偿前的25%减小到补偿后的1%.

图6 对瓦斯浓度为0.5%，1.94%和7.94%情况下的补偿前与补偿后的测试Fig.6 Gas test in cases of concentration is 0.5%， 1.94% and 7.94% before compensation and after compensation

5 结 论

文中针对GJG100J激光甲烷传感器作了大量实验测试，对激光甲烷传感器在不同浓度下随温度变化的实验测量数据进行了分析，在此基础上，提出1种基于专家系统的随机逼近的激光传感器的温度补偿的方法；并设计了基于嵌入式系统的专家温度补偿器；同时采用课题组提出的1种基于分段插值和重心插值的自适应融合的迭代补偿算法，对不同甲烷浓度下在-10～50 ℃进行测量实验验证。实验结果表明，补偿算法在温度随机变化的情况下减少了调节过程中的波动，消除了温度变化过程的振荡，并减少了激光甲烷传感器温度控制的滞后。在瓦斯浓度为0.5%，1.94%和7.94%情况下的补偿实验中，将最大测试误差从补偿前的25%减小到补偿后的1%.该补偿方法可对矿井气体检测安全生产具有一定的参考价值。

References

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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 责任编辑：高 佳

十二五国家科技重大专项子课题(2011ZX05041-004)

樊 荣(1968-)，男，陕西岐山人，研究员，E-mail: Houyb@xust.edu.cn

10.13800/j.cnki.xakjdxxb.2015.0415

1672-9315(2015)04-0492-06

TD 712

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