呂鳴晨，劉清惓，孫 星 ，李東升

(1.南京信息工程大學(xué)電子與信息工程學(xué)院，江蘇南京 210044；2.南京信息工程大學(xué)大氣環(huán)境與裝備技術(shù)協(xié) 同創(chuàng)新中心，江蘇南京 210044；3.江蘇省氣象探測(cè)與信息處理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇南京 210044)

0 引言

在大氣觀測(cè)、生產(chǎn)、生活中，溫度的測(cè)量至關(guān)重要。相比接觸式測(cè)溫，非接觸式測(cè)溫運(yùn)用熱輻射原理測(cè)量目標(biāo)溫度，測(cè)溫元件與測(cè)溫目標(biāo)互不接觸，在測(cè)量遠(yuǎn)距離、帶電、移動(dòng)的目標(biāo)時(shí)具有較大優(yōu)勢(shì)。紅外測(cè)溫是非接觸式測(cè)溫的主要方式，該方法測(cè)溫響應(yīng)速度快，測(cè)量范圍廣[1]。

在醫(yī)療領(lǐng)域，JJF 1107—2003《測(cè)量人體溫度的紅外溫度計(jì)校準(zhǔn)規(guī)范》要求紅外測(cè)溫的最大允許誤差為±0.2 ℃[2]。在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域，Wang和Gartung將紅外測(cè)溫技術(shù)應(yīng)用在植物冠層溫度的測(cè)量上，表明在監(jiān)測(cè)植物冠層溫度時(shí)要求達(dá)到較高精度，否則會(huì)造成植被損害[3]。因此在醫(yī)療、農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域，提高紅外測(cè)溫的精度有較高的應(yīng)用需求。近些年，國(guó)內(nèi)外的學(xué)者針對(duì)不同應(yīng)用場(chǎng)合提出了一系列的紅外測(cè)溫技術(shù)。胡使用紅外測(cè)溫傳感器對(duì)動(dòng)物進(jìn)行體溫采集，通過17位模數(shù)轉(zhuǎn)換器將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，并運(yùn)用線性插值法得到最終溫度，誤差為±0.5 ℃[4]。Savage使用紅外測(cè)溫儀在固定環(huán)境溫度下測(cè)量散熱器表面的溫度，用多元線性回歸的方法，對(duì)紅外測(cè)溫儀進(jìn)行校準(zhǔn)，校準(zhǔn)后紅外測(cè)溫儀的絕對(duì)誤差在0.15 ℃以內(nèi)[5]。

由于在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，環(huán)境溫度和目標(biāo)溫度可能是變化的。因此紅外測(cè)溫需要在一個(gè)寬環(huán)境溫度范圍內(nèi)，對(duì)較大溫度范圍的物體精確測(cè)量。本文設(shè)計(jì)了一種高精度低噪聲的溫度測(cè)量電路，采用高精度高低溫試驗(yàn)箱提供穩(wěn)定的環(huán)境溫度，對(duì)溫度進(jìn)行采集。BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法廣泛應(yīng)用在各種場(chǎng)景，而在探究紅外測(cè)溫的影響參數(shù)時(shí)，BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法相比線性插值法和多元線性回歸法，非線性映射能力強(qiáng)，適應(yīng)性強(qiáng)，精確度高[6]。為了進(jìn)一步提高BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性，本文使用一種基于遺傳算法優(yōu)化的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法，實(shí)現(xiàn)了在環(huán)境溫度在0～40 ℃內(nèi)，對(duì)-10～+50 ℃物體溫度的高精度測(cè)量。

1 紅外溫度傳感器與測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 紅外測(cè)溫探頭

紅外溫度傳感器的探頭主要由熱電堆和熱敏電阻組成。探頭內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 探頭結(jié)構(gòu)圖

紅外測(cè)溫技術(shù)基于黑體輻射定律，一切溫度高于絕對(duì)零度的物體都在向周圍發(fā)出紅外輻射能量，通過測(cè)量物體自身的紅外輻射能量來測(cè)定其表面溫度[7]。紅外傳感器探頭接收到測(cè)溫目標(biāo)發(fā)出的紅外輻射之后，熱電堆產(chǎn)生溫差電動(dòng)勢(shì)，該電動(dòng)勢(shì)是一個(gè)模擬電壓信號(hào)。紅外溫度探頭上還集成了一個(gè)熱敏電阻，用于溫度補(bǔ)償[8]。通過信號(hào)采集電路可以測(cè)出熱電堆產(chǎn)生的電壓以及熱敏電阻的阻值，分別對(duì)應(yīng)實(shí)際的溫度差和環(huán)境溫度。

1.2 高精度測(cè)量電路設(shè)計(jì)

紅外溫度傳感器系統(tǒng)框圖如圖2所示。主要由Cortex-M3內(nèi)核的STM32F103處理器、紅外測(cè)溫探頭、溫度測(cè)量電路和半導(dǎo)體制冷器溫控模塊等組成。

圖2 傳感器系統(tǒng)框圖

測(cè)量電路實(shí)物圖如圖3所示。

圖3 測(cè)量電路實(shí)物圖

為提高溫度測(cè)量精度，采用內(nèi)置低噪聲放大器的24位∑-Δ模/數(shù)轉(zhuǎn)換器AD7794對(duì)信號(hào)進(jìn)行采集；采用噪聲1.2 μV，溫漂系數(shù)3 ppm/℃的外部基準(zhǔn)源ADR444為ADC提供基準(zhǔn)電壓；采用四線制法測(cè)量鉑電阻與紅外探頭內(nèi)熱敏電阻阻值，可降低由導(dǎo)線電阻引起的誤差；采用精度為 ± 0.01 %、5 ppm/℃溫漂的精密電阻作為參考電阻；電路的地平面設(shè)計(jì)采用模擬地和數(shù)字地2部分，用0 Ω電阻單點(diǎn)耦合數(shù)字地和模擬地，從而降低高頻數(shù)字信號(hào)對(duì)模擬信號(hào)的干擾。

使用Isotech的鎵固定點(diǎn)、Fluke的水三相點(diǎn)和電壓噪聲低至3 nV的Fluke1595A測(cè)溫電橋?qū)︺K電阻和探頭內(nèi)的熱敏電阻進(jìn)行校準(zhǔn)標(biāo)定。

溫控模塊采用多級(jí)半導(dǎo)體制冷器，通過改變輸入半導(dǎo)體制冷器的PWM波占空比和電流方向，實(shí)現(xiàn)對(duì)鋁片溫度的控制。

2 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)搭建與測(cè)試

紅外測(cè)溫的影響因素有很多，其中環(huán)境溫度是重要的影響因素[1]。為探求環(huán)境溫度、紅外探頭輸出電壓與目標(biāo)溫度的關(guān)系，搭建了如圖4所示的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。

圖4 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)實(shí)物圖

實(shí)驗(yàn)測(cè)量使用噴有高吸收率的啞光黑漆鋁片作為被測(cè)目標(biāo)，用鉑電阻直接測(cè)量其溫度。半導(dǎo)體制冷器用于控制鋁片溫度，為了保證半導(dǎo)體制冷器的制冷效果，需在其背面安裝散熱器。本文采用的紅外探頭的視場(chǎng)角為-17.5°～+17.5°，將紅外溫度傳感器和鋁片固定在基板上使得紅外探頭正對(duì)鋁片中心點(diǎn)，并保證鋁片完全覆蓋探頭視場(chǎng)。采用高低溫試驗(yàn)箱CTE-SGU9006-02F，提供實(shí)驗(yàn)環(huán)境溫度。

實(shí)驗(yàn)開始時(shí)，將高低溫試驗(yàn)箱設(shè)定為0 ℃，此溫度為環(huán)境溫度，通過紅外探頭上的熱敏電阻可以測(cè)得。待數(shù)值穩(wěn)定之后，控制半導(dǎo)體制冷器，將鋁片穩(wěn)定控制在-10 ℃，測(cè)量此時(shí)紅外探頭輸出的電壓值。隨后控制鋁片升溫，同時(shí)測(cè)量各自電壓值。

實(shí)驗(yàn)?zāi)M21個(gè)環(huán)境溫度，設(shè)定高低溫試驗(yàn)箱溫度從0～40 ℃每2 ℃改變，對(duì)每個(gè)溫度點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量。在每個(gè)環(huán)境溫度下，控制鋁片溫度從-10～+50 ℃變化，同時(shí)測(cè)量對(duì)應(yīng)的電壓值。通過串口將環(huán)境溫度、目標(biāo)溫度和電壓值3種數(shù)據(jù)，發(fā)送給上位機(jī)。繪制環(huán)境溫度為0、10、20、30、40 ℃時(shí)，目標(biāo)溫度與紅外探頭輸出電壓的關(guān)系圖如圖5所示。

圖5 不同環(huán)境溫度下輸出電壓與目標(biāo)溫度關(guān)系

由圖5結(jié)果可知，環(huán)境溫度一定時(shí)，目標(biāo)溫度越高，電壓值越大；目標(biāo)溫度一定時(shí)，環(huán)境溫度越高，電壓值越小。由于目標(biāo)溫度和電壓成非線性關(guān)系，直接使用線性插值法會(huì)產(chǎn)生一定誤差。因此本文使用經(jīng)過遺傳算法優(yōu)化的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法，減少誤差。

3 算法擬合與分析

3.1 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和遺傳算法擬合

BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有良好的非線性映射能力，其采用基于梯度下降和誤差逆向傳播的學(xué)習(xí)方法，使得網(wǎng)絡(luò)輸出與訓(xùn)練樣本的均方誤差最小，具有自學(xué)習(xí)和推廣概括的能力，適用于求解內(nèi)部機(jī)制復(fù)雜的問題[9]。將擬合得到的公式通過代碼的形式寫入程序中，就可以由紅外溫度傳感器測(cè)量到的環(huán)境溫度和電壓值求出目標(biāo)溫度。但初始權(quán)值和閾值對(duì)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練的結(jié)果影響很大，遺傳算法可以對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化。

遺傳算法是一種模擬自然界遺傳機(jī)制和生物進(jìn)化論而成的一種并行隨機(jī)搜索最優(yōu)化方法。按照所選擇的適應(yīng)度函數(shù)并通過遺傳中的選擇、交叉和變異對(duì)個(gè)體進(jìn)行篩選，使適應(yīng)度值好的個(gè)體被保留，適應(yīng)度差的個(gè)體被淘汰，新的群體既繼承了上一代的信息，又優(yōu)于上一代。反復(fù)循環(huán)，直至滿足條件。遺傳算法優(yōu)化BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的目的是通過遺傳算法得到更好的網(wǎng)絡(luò)初始權(quán)值和閾值[10]。

本文采用遺傳算法優(yōu)化的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，對(duì)采集到的21種不同環(huán)境溫度，共1 281個(gè)樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行訓(xùn)練，得到環(huán)境溫度、熱電堆輸出電壓值與目標(biāo)溫度的函數(shù)關(guān)系。BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)模型如圖6所示。

圖6 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型圖

設(shè)定BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸入層神經(jīng)元為2個(gè)，輸出層神經(jīng)元為1個(gè)，隱含層神經(jīng)元為15個(gè)，學(xué)習(xí)速率設(shè)為0.05，訓(xùn)練結(jié)果設(shè)為0.001，訓(xùn)練次數(shù)設(shè)為5 000，遺傳算法個(gè)體編碼長(zhǎng)度為61，種群規(guī)模選擇為50，交叉和變異概率分別為0.4和0.2。BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的隱含層傳遞函數(shù)選擇tansig函數(shù)，輸出層傳遞函數(shù)選擇purelin函數(shù)。經(jīng)過不斷迭代運(yùn)算，BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法擬合得到三者之間關(guān)系式：

TO=purelin{tansig(Ta·Wi1+V·Wi2+θi)·Wki+ak}

(1)

式中：Wi1和Wi2分別是環(huán)境溫度Ta和電壓值V對(duì)應(yīng)的由隱含層到輸入層的權(quán)值；Wki為輸出層到隱含層的權(quán)值；θi為隱含層閥值；ak為輸出層閥值。

具體值如下：

，

ak=0.684 793。輸入層節(jié)點(diǎn)數(shù)j=1，2，隱含層節(jié)點(diǎn)數(shù)i=1，2，…，15，輸出層節(jié)點(diǎn)數(shù)k=1。

3.2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比分析

為驗(yàn)證BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法擬合的結(jié)果，另外測(cè)量200組數(shù)據(jù)作為驗(yàn)證樣本。驗(yàn)證樣本不同于訓(xùn)練樣本。其中部分測(cè)量數(shù)據(jù)與BP預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)結(jié)果對(duì)比如表1所示。

表1 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)結(jié)果對(duì)比

對(duì)200個(gè)測(cè)試樣本進(jìn)行計(jì)算驗(yàn)證可知，經(jīng)過遺傳算法優(yōu)化的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法擬合，測(cè)量結(jié)果的最大絕對(duì)誤差為0.05 ℃，平均絕對(duì)誤差為0.033 ℃，均方根誤差為0.035 ℃。

4 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一種紅外測(cè)溫電路，采用內(nèi)置低噪聲放大器的24位∑-Δ模/數(shù)轉(zhuǎn)換器對(duì)信號(hào)采集。使用低噪聲的外部基準(zhǔn)源為ADC提供基準(zhǔn)電壓。將模擬地和數(shù)字地隔離，降低了干擾。通過遺傳算法優(yōu)化的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法，擬合不同環(huán)境溫度下傳感器輸出電壓和目標(biāo)溫度的對(duì)應(yīng)關(guān)系，得到精確的測(cè)溫結(jié)果。本文設(shè)計(jì)的紅外溫度傳感器實(shí)現(xiàn)在環(huán)境溫度為0～40 ℃時(shí)，對(duì)-10～+50 ℃目標(biāo)物體的測(cè)量。測(cè)量結(jié)果的最大絕對(duì)誤差為0.05 ℃，平均絕對(duì)誤差為0.033 ℃，均方根誤差為0.035 ℃。

本文提出的基于遺傳算法優(yōu)化的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法對(duì)紅外測(cè)溫有較好的結(jié)果，但是未考慮到濕度、風(fēng)力和太陽輻射等因素的影響。在后續(xù)的研究中，將搭建更完善的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，拓寬測(cè)溫范圍，并進(jìn)一步優(yōu)化算法，提高紅外測(cè)溫的精度。