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原文传递一种NDIR气体传感器系统及温湿度补偿方法

专利名称：	一种NDIR气体传感器系统及温湿度补偿方法
摘要：	本发明涉及一种NDIR气体传感器系统，包括红外传感器单元、微处理器和浓度显示单元，所述微处理系统分别和红外传感器单元和浓度显示单元连接；使用本发明的采样气室可以有效的延长光程，并控制气室体积，有利于传感器小型化。溴化钾(KBr)窗片的设置避免热释电探测器的腐蚀，延长传感器寿命，测量通道和参比通道光路完全对称，因此单光源双光路的结构设计能够在一定程度上消除光源抖动、光学器件污染等外界因素对测量精度带来的影响。本发明采用GSO‑BP神经网络进行温度与湿度补偿，弥补了现有的经验公式补偿法、电路补偿法的多项缺点，使补偿过程更加简便、精确，与现有技术相比具有精度高、成本低，结构小等特点。
专利类型：	发明专利
国家地区组织代码：	江苏;32
申请人：	南京信息工程大学
发明人：	常建华;赵勇毅;李红旭;沈婉;豆晓雷;房九龙
专利状态：	有效
申请日期：	2019-05-05T00:00:00+0800
发布日期：	2019-07-12T00:00:00+0800
申请号：	CN201910366207.3
公开号：	CN110006837A
代理机构：	南京钟山专利代理有限公司
代理人：	戴朝荣
分类号：	G01N21/3504(2014.01);G;G01;G01N;G01N21
申请人地址：	210044 江苏省南京市江北新区宁六路219号
主权项：	1.一种NDIR气体传感器系统，其特征在于：包括红外传感器单元、微处理器和浓度显示单元，所述微处理系统分别和红外传感器单元和浓度显示单元连接；所述红外传感器单元包括红外传感器的采样气室、温度传感器、湿度传感器、两个热释电探测器、红外光源、第一溴化钾窗片、第二溴化钾窗片和第三溴化钾窗片，所述采样气室为由两个椭球状腔室构成的爱心状，两个所述腔室的一端共焦点，且两个腔室以公共焦点到两个腔室的交点的直线为对称轴对称设置，所述红外光源安装于采样气室内部的公共焦点处，两个热释电探测器分别置于两个腔室的另一端焦点处，且所述温度传感器和湿度传感器也分别固定在两个腔室内部靠近热释电探测器的部位，所述第一溴化钾窗片固定于采样气室靠近红外光源的内侧壁上，所述第二溴化钾窗片和第三溴化钾窗片分别固定于两个腔室靠近热释电探测器的内侧壁上，两个所述腔室的两侧分别设有进气口和出气口。 2.根据权利要求1所述的一种NDIR气体传感器系统，其特征在于：所述采样气室内壁镀金处理。 3.根据权利要求1所述的一种NDIR气体传感器系统，其特征在于：所述第一溴化钾窗片、第二溴化钾窗片和第三溴化钾窗片均与采样气室内壁密封固定。 4.根据权利要求1所述的一种NDIR气体传感器系统，其特征在于：所述进气口均设于第一溴化钾窗片和第二溴化钾窗片之间，所述出气口设于第一溴化钾窗片和第三溴化钾窗片之间，且所述进气口和出气口相互远离设置。 5.根据权利要求1所述的一种NDIR气体传感器系统，其特征在于：所述微处理系统内部嵌有GSO-BP神经网络算法。 6.根据权利要求1所述的一种NDIR气体传感器系统，其特征在于：所述热释电探测器、温度传感器和湿度传感器均通过引脚穿出采样气室与微处理系统连接，所述引脚穿出采样气室的位置与采样气室密封。 7.一种NDIR气体传感器的温湿度补偿方法，其特征在于：具体包括以下步骤：（1）创建一个BP神经网络，即设定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；（2）将某一时刻两个热释电探测器分别检测到的测量通道的输出电压值V1和参比通道的输出电压值V2、温度传感器输出电压值T以及湿度传感器输出电压值H发送到微处理系统，微处理器对这些数据进行归一化处理，作为神经网络的输入样本；（3）对神经网络进行初始化种群：对个体进行编码，包括输入层与隐含层连接权值、隐含层与输出层连接权值、隐含层阈值、输出层阈值，设定误差精度；（4）采用萤火虫算法寻找最优解；（5）输出补偿结果：利用输入样本的数据训练神经网络，达到预定的误差精度时，则模型训练完成，以此确定微处理器中的GSO-BP神经网络模型；（6）在实际的气体测量过程中，基于GSO-BP神经网络温湿度补偿的红外气体传感器系统将当前的测量通道与参比通道的输出电压值、温度传感器以及湿度传感器的输出电压值均发送到微处理系统，送入已确定的GSO-BP神经网络模型的输入层，经过GSO-BP神经网络的算法处理后，输出层得到温度与湿度补偿后的气体浓度；（7）微处理系统对补偿后的气体浓度数据进行反归一化处理后，将气体浓度信息发送至浓度显示单元进行显示。 8.根据权利要求7所述的一种NDIR气体传感器的温湿度补偿方法，其特征在于：所述步骤（4）中的萤火虫算法步骤为： i种群初始化：设定个萤火虫随机分布在搜索空间内，且每个萤火虫都携带相同的初始亮度和感知半径； ii亮度更新：采用适应度函数先计算出时刻萤火虫的适应值，再通过采用时刻亮度值加上一个与时刻萤火虫的适应值成正比的数来更新亮度，亮度更新采用的公式为：； iii位置更新：当萤火虫个体在感知范围内搜寻到亮度比自己高的萤火虫存在时，亮度低的萤火虫会向亮度高的萤火虫移动一个量，位移公式为：； iv感知范围更新：由于空间中萤火虫密度不一致，在萤火虫移动过程中要保证每个个体搜寻到相同数量的其他个体，因此要不断调整感知范围，当周围萤火虫密度小时，要增加感知半径，否则就要减小感知半径，半径公式为：。 9.根据权利要求8所述的一种NDIR气体传感器的温湿度补偿方法，其特征在于：所诉步骤ii中的适应度函数的计算公式为：，其中，为常数，为输出层节点，为节点的输出期望值，为节点的预测输出值。
所属类别：	发明专利