杜銳

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

中圖分類號(hào)：TP212.14 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)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(cè)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(cè)系統(tǒng)來檢測(cè)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(cè)過程煩瑣，只能檢測(cè)特定氣體的濃度，且檢測(cè)準(zhǔn)確性不高。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法彌補(bǔ)了傳統(tǒng)算法在檢測(cè)、識(shí)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(diǎn)，在光纖傳感氣體檢測(cè)工作中，可以準(zhǔn)確地檢測(cè)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(jì)了光纖傳感氣體檢測(cè)系統(tǒng)。

1光纖傳感氣體檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)主要包含3個(gè)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(cè)系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)方案，光源將收集到的電信號(hào)轉(zhuǎn)換為光信號(hào)，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(yùn)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(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，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(cè)氣體的目標(biāo)。

1.1.1光源模塊

在光纖傳感氣體檢測(cè)系統(tǒng)中，為了將采集到的光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，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(dòng)模塊。SLD光源模塊中的主要芯片是AND8831。當(dāng)采集到電信號(hào)時(shí)，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(shí)，SLD模塊中的電阻溫度傳感器（resistance temperature detector，RTD）即溫度傳感器會(huì)檢測(cè)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(bǔ)償放大器，可對(duì)這種變化進(jìn)行補(bǔ)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(shí)現(xiàn)光纖傳感系統(tǒng)中的電信號(hào)轉(zhuǎn)換為光信號(hào)。

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(huì)產(chǎn)生一定的漂移現(xiàn)象，導(dǎo)致氣體檢測(cè)系統(tǒng)的檢測(cè)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(hào)TC和設(shè)定溫度電流TS相比較，將電壓控制在一個(gè)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(gè)運(yùn)算器，它將同時(shí)對(duì)電壓跟隨器的兩個(gè)輸入端進(jìn)行比較，并計(jì)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(shí)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(cè)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(hào)以電壓信號(hào)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(yùn)算放大器。由于前置放大器的增益很高，因此可以探測(cè)到光纖傳感系統(tǒng)中很微弱的光波信號(hào)。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(yùn)算放大器的輸入端，采集到的光波信號(hào)經(jīng)二極管轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換。

1.2系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

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

要實(shí)現(xiàn)對(duì)某種氣體的定性檢測(cè)，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(gè)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(jì)。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(shí)驗(yàn)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(cè)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(jì)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(shí)現(xiàn)對(duì)某一種氣體的定性檢測(cè)，同時(shí)本系統(tǒng)還可以對(duì)混合氣體進(jìn)行定量檢測(cè)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(hào)，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(duì)該混合氣體的響應(yīng)就是一個(gè)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(jì)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(duì)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行算法訓(xùn)練，最后把采集到的實(shí)驗(yàn)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(shí)現(xiàn)對(duì)單一氣體的定性檢測(cè)和對(duì)混合氣體的定量檢測(cè)。

2系統(tǒng)測(cè)試

2.1實(shí)驗(yàn)說明

為了驗(yàn)證本文設(shè)計(jì)的氣體檢測(cè)系統(tǒng)的可行性，利用對(duì)比實(shí)驗(yàn)的方式對(duì)本系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試。本次實(shí)驗(yàn)中，在實(shí)驗(yàn)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(duì)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(shí)驗(yàn)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(gè)神經(jīng)元；輸入單元的神經(jīng)元數(shù)目設(shè)定為8個(gè)；輸出單元的神經(jīng)元為待檢測(cè)氣體的類別數(shù)即3個(gè)。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(cè)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

2.2對(duì)比結(jié)果

在本次實(shí)驗(yàn)中，分別采用本文設(shè)計(jì)的氣體檢測(cè)系統(tǒng)和傳統(tǒng)氣體檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)上述9組不同濃度的混合氣體進(jìn)行檢測(cè)，在這9組樣本中選取其中3組作為實(shí)驗(yàn)的測(cè)試樣本，剩余6組作為訓(xùn)練樣本，分別統(tǒng)計(jì)兩種檢測(cè)系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)輸出值并計(jì)算每種氣體檢測(cè)結(jié)果的平均相對(duì)誤差。平均相對(duì)誤差計(jì)算公式如下：

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

由表3可知，相較于傳統(tǒng)氣體檢測(cè)系統(tǒng)，本文設(shè)計(jì)的光纖傳感氣體檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)CO₂、H₂S和CH₄的網(wǎng)絡(luò)輸出值更接近氣體的實(shí)際濃度值，且其對(duì)每種氣體濃度檢測(cè)的平均相對(duì)誤差均低于傳統(tǒng)檢測(cè)系統(tǒng)。因此本文設(shè)計(jì)的光纖傳感氣體檢測(cè)系統(tǒng)可以很好地檢測(cè)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(cè)領(lǐng)域中有一定的應(yīng)用價(jià)值。

3結(jié)語

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