人机环境气体测试及动态补偿方法研究

江虹颖，王玉，赖富文，王文廉

（1.中北大学 仪器科学与动态测试教育部重点实验室，山西 太原 030051；2.中国人民解放军63853 部队，吉林 白城 137000）

武器装备的“人-机-环境”包含有害气体、振动、温湿度、噪声等因素[1]，这些环境因素的联合作用将严重危害作战人员的身体健康，进而影响参战人员的战斗力[2]-4]。因此，研制用于武器试验环境下的气体测试系统对提高作战人员身心健康和作战效能十分重要；同时对战场环境数据的建设具有重大意义，并能为部队训练环境的重建、军事防护提供一定的数据依据[5]。

目前，国内外对武器试验现场的气体测试多采用先收集后实验室分析和单点检测的方法[6]。传统的测试方法不具备实时性，而气体浓度变化的时效性是气体测试的重要指标之一[7]。试验现场高冲击、高振动、气体扩散快的恶劣工况环境对测试系统的动态特性提出了较高的要求，该文采用电化学传感技术和采集存储技术实现自动记录功能，并结合PSO 算法建立动态补偿滤波器，实现对武器试验现场气体实时快速的测试，保证了作战人员的身心健康。

1 人机环境气体测试系统设计

1.1 测试系统组成及工作原理

人机环境气体测试系统的构成如图1 所示。气体传感器阵列及信号调理部分可适应测试需求，灵活选择不同的电化学传感器进行气体测试，并通过偏压配置提升测试系统的交叉灵敏度，保持传感器电流输出与气体浓度的线性度。采集存储控制部分使用基于FPGA 的微控制器采集气体浓度信息和振动信息，自启动现场气体测试。测试完成后，可通过USB 接口回读气体浓度数据，采用应用软件对数据进行补偿，可更直观精确地显示现场气体浓度的变化过程。

图1 人机环境气体测试系统结构

1.2 信号调理电路

系统选用三电极电化学传感器构建气体传感器阵列进行武器试验下气体浓度的测试，并设计了如图2 所示的信号调理电路。采用零漂移、rail-to-rail输入/输出的AD8572、AD8571 运算放大器，具有最高5 μV 的偏置电压和最大50 pA 的输入偏置电流。用U1A设计的恒电位电路向对电极提供电流以平衡传感器工作电极的电流输出。用U1B的传感器测量电路，使传感器输出电压满足UO=IsensorRGain，其中，Isensor是传感器的输出电流，RGain是I/V 转换电路的反馈电阻。通过U2 的电压跟随器改善阻抗，减少信号输出部分与采集存储之间的信号干扰，进一步提高测试系统的稳定性。采用型号为J177 的P 沟道结型场效应晶体管防止断电时传感器极化，确保测试系统工作时能够快速响应。通过对3.3 V 的分压，为偏压电化学传感器提供满足Vbias=VS-VR的偏置电压。

1.3 采集存储控制电路

为实现ppb级别和长时间的气体浓度测试，使用无延迟、低功耗的LTC2486芯片设计16 bit的模数转换电路，可实现4路单极性模拟量信号的采集和转换，使采样率达到每通道12 Sps。采用3线SPI接口与FPGA芯片进行通信，将采集转换后的气体浓度信号缓存到FPGA的FIFO中，最后存入Flash。考虑到武器试验现场的空间局限性和极端恶劣的环境因素，为确保能够获取试验过程中现场气体浓度的变化趋势，需进行外部存储电路的设计。使用容量为1 GB的MT29F1G08 NAND Flash 芯片，通过异步数据接口实现气体浓度数据的存储。系统的采集存储控制原理如图3所示。

图3 系统采集存储控制原理

1.4 自动记录

为使系统更加智能化，简化整个测试过程的操作，使用软件与硬件结合多线程的触发方式实现气体信号的自动记录，自动记录的工作流程如图4 所示。软件触发包括命令触发和0～255 min 定时触发的方式，主要用于实验室标定和模拟试验验证过程的自启动测试系统，对气体浓度信号进行记录。硬件触发有振动信号触发与气体信号阈值触发方式，能够在无人操作的情况下，自主完成气体浓度的测试，适用于武器试验现场的气体测试。

图4 自动记录工作流程

2 气体测试系统的动态特性补偿

2.1 动态特性补偿方法

由于武器试验现场的气体受外部因素影响，气体扩散速度快，因此对气体浓度测试系统的动态特性提出了较高的要求，且电化学传感器本身固有的响应特性，会进一步增加系统对测试现场气体浓度变化响应的延时[8-10]，因此提出了基于PSO 优化算法的动态补偿方法，动态补偿原理图如图5 所示。采用逆建模的方式构建动态补偿滤波器模型，以确保系统测试的准确性，并提高其响应速度[11-14]。

图5 动态补偿原理图

图5 中，X(t)为输入系统的气体阶跃信号，U(k)为理想的气体阶跃响应信号，X(k)是X(t)通过测试系统采集、存储的气体响应信号，Y(k)为经过动态补偿滤波器修正后的气体序列信号，e(k)为拟合残差。对电化学传感的人机环境气体测试系统的动态补偿机理即使Y(k)无限趋近于U(k)，满足e(k)能最大限度地减小。

由于电化学传感气体测试系统是线性时不变系统[15]，气体信号通过系统采集以特定速率输出离散的气体响应信号。为此对X(k)和Y(k)建立如下差分方程，求得动态补偿滤波器H(z)，如下所示：

式中，b0，b1，…，bm和a0，a1，…，an表示滤波器传递函数的系数，m和n表示动态补偿滤波器的阶次。

2.2 PSO算法的处理

粒子群优化算法（PSO）是一种基于群体智能的迭代搜索算法，具有稳定性高、收敛性好、全局搜寻能力强的特点。因此，文中采用该算法进行电化学气体测试系统的动态特性补偿，具体PSO 处理流程如图6 所示，以群体中每个粒子的个体适应值大小作为进化的依据，确定全局最优值，进而建立动态补偿滤波器优化系统[16]。为评价每个粒子对参考模型的适应度，用e(k)的均方差J来定义每个粒子的适应度值，如式（3）所示。J越小则当前粒子越能达到理想的气体响应，补偿效果也越好。

式中，N为采样点数。

每个粒子通过迭代更新其速度和位置，进行粒子个体间及全局间的对比，得到全局最优值。在d维空间下，第i个粒子的速度和位置分别按照式（4）和式（5）进行更新。

式中，i=1,2,…,N；d=1,2,…,D，且维数D=m+n；k表示迭代次数，k=1,2,…,K；p表示粒子当前个体最佳位置，g表示当前全局最佳解；w为惯性因子，取(0.8,1.2)间的任意值；c1、c2为学习因子，取为(0，1)区间的任意数。

3 试验验证

为验证系统动态补偿特性的效果，进行试验。采用阶跃变化的CO 气体作为测试系统的输入，对系统进行多次重复动态标定试验，其中,系统在CO浓度从0 跃变为8×10-4时的动态响应曲线如图7（a）所示。试验数据选用粒子数N=1 200，维数D=12，迭代次数I=100 进行相应的动态补偿优化，系统补偿前后信号的对比图如图7（b）所示，得到的动态补偿滤波器系数如表1 所示。

表1 动态补偿滤波器系数

图7 系统动态特性补偿效果

根据图7 所示，系统补偿前的上升时间为t90=15.25 s，系统补偿后的上升时间t90=3.42 s，其中，t90定义为系统输出稳态值的10%变化到稳态值的90%所需要的上升时间。可以看出，使用5 阶滤波器对测试系统进行动态补偿，使响应时间t90提高了77.5%，能为实际武器试验现场提供更准确快速的气体浓度变化测试方法。

为验证气体测试系统的可靠性，进行模拟试验，模拟试验的示意图如图8 所示。采用炜盛科技公司的型号为MEu-CO 的三电极CO 传感器和精讯畅通公司的JEC-NO 三电极NO 传感器进行测试，CO 传感器的量程为0～1.0×10-3，响应时间不大于15 s，NO传感器的量程为0～2.0×10-3，响应时间不大于30 s。使用一定量的火药燃烧模拟武器试验现场气体浓度变化的过程，将人机环境气体测试系统置于半密闭试验箱中，对气体浓度进行自动采集存储。试验结束后，使用应用软件读取测试结果，并用上述得到的补偿滤波器对试验数据进行动态补偿。系统模拟试验的组结果如图9 所示。

图8 模拟试验示意图

图9 系统模拟试验响应曲线

图9（a）是在半密闭条件下测得的CO 和NO 的气体浓度变化曲线，测得的CO 和NO 气体浓度峰值分别达5.628 13×10-4和4.020 5×10-5。图9（b）是在（a）的情况下增加密闭面积测得的CO 和NO 的气体浓度变化曲线，其中，CO 浓度达到了6.030 14×10-4的峰值浓度，NO 浓度达到了5.025 6×10-5的峰值浓度。由于模拟试验环境下，NO 气体浓度变化不明显，主要对CO 气体浓度变化曲线进行动态补偿，动态补偿的结果如图10 所示。

图10 测试及动态补偿结果

图10（a）和（b）分别是对图9 中试验得到的（a）和（b）中CO 气体响应曲线的动态补偿图，图10（a）是对半密闭测试条件下的CO 响应的动态补偿图，补偿后时间从13.81 s 减少到了8.40 s，图10（b）中补偿后时间从16.63 s 减少到了11.06 s。从试验结果可以看出，基于PSO 算法的动态补偿滤波器有效地减少了测试系统的动态响应时间，提高了测试的准确性，能够用于武器试验现场对气体浓度变化信号的测试。

4 结论

针对武器试验现场的气体浓度响应测试的需求，设计并研制了基于电化学传感的人机环境气体测试系统，该系统具有灵活性强、智能化、动态特性好的特点。通过多线程触发方式，自动记录试验过程中气体浓度的变化过程，可实现48 Sps 的采样速率和1 GB 的存储。根据武器试验现场恶劣环境，对气体测试系统的动态特性提出的较高要求，采用PSO 的逆建模方法，建立了5 阶动态补偿滤波器模型优化系统。通过模拟试验验证，补偿后系统的响应时间减小为3.42 s。结果表明基于该动态补偿环节的测试系统能改善气体动态响应特性，达到减小响应时间的目的，对人机环境气体浓度变化过程的测试具有一定的实用性。