硕士学位论文-智能无线瓦斯传感器的研制.pdf

山东大学硕士学位论文智能无线瓦斯传感器的研制姓名：魏书芳申请学位级别：硕士专业：控制理论与控制工程指导教师：郭源生孙同景20070420山东大学硕士学位论文摘要瓦斯爆炸是造成煤矿安全事故的重大因素之一，给国家和人们生命财产造成了重大损失。因此对瓦斯进行实时检测在煤矿安全生产系统中显得非常重要，而要实现瓦斯的连续动态检测，智能化、无线化的瓦斯传感器是必不可缺少的条件。载体催化瓦斯传感器以其灵敏度高、测量范围大、频率响应范围宽、体积小等优点，广泛应用于煤矿的瓦斯浓度检测系统。但也存在着“零漂”和受温度影响非线性误差比较大的缺点，从而影响了传感器的测量精度。改进型BP神经网络具有良好的非线性逼近能力，广泛应用于传感器的非线性校正；ZigBee是一种低复杂度、低功耗、低成本、低数据速率、短距离双向无线通信技术，可以实现传感器数据的无线传输。本文的基本出发点就是利用现有瓦斯传感器，综合计算机处理技术、ZigBee无线通信技术，提高传感器工作稳定性，拓展其功能，并赋予了其智能化特性。本文的工作主要集中在以下几个方面：基于对瓦斯传感器检测原理的研究，采用载体催化传感器作为智能无线传感器的传感单元。针对载体催化瓦斯传感器的“零漂”和非线性，利用单片机进行“零漂”的智能校正，采用改进型BP神经网络对传感器进行非线性校正，并在此基础上对BP算法进行了改进。研究了改进型BP神经网络的计算规则和过程误差反向传播算法，总结出具体的算法步骤，并根据算法步骤画出程序流程图。设计了一个输入层、一个隐含层、一个输出层的改进型BP神经网络，在计算机上通过对测量数据的仿真试验，该方法达到了预期的校正效果，并给出了测量数据非线性校正的仿真结果。通过对ZigBee、蓝牙、WiFi等无线通信技术的比较，采用ZigBee技术作为智能传感器的通信方式，深入探讨了该技术的优势，在此基础上对Freescalc单片机MC9S08GT60和射频芯片MCl3193的功能结构和工作原理进行了研究，并且以它们为基础，设计了ZigBee模块，完成了智能传感器无线通信平台的硬件山东大学硕士学位论文搭建。然后对传感器信号调理电路以及瓦斯传感器与ZigBee模块的接口进行了设计，实现了智能无线瓦斯传感器，并对传感器工作模式进行了低功耗设计。给出了智能无线瓦斯传感器的整体硬件结构框图，软件方面设计了整体流程和两个传感器之间的通信流程。综合了瓦斯传感器非线性校正的仿真结果，以表格的形式存储在单片机的Flash中，在PC机上借助串口调试工具实现了两个传感器点对点方式的无线通信。关键字：瓦斯传感器：非线性；ZigBee；MCl3193山东大学硕士学位论文!lE!自|!SS!s!g!自!自!自!|!g!自E目目EABSTRACTThegasexplosionisoneofthesignificantfactorsincoalminesecurityaccidents，andithascausedtheheavylossesfornationalandthepeopleslifeandthepropertiesTherefore，itisimportanttocarryonthemethanerealtimemonitoringincoalmineproductionsafetysystemIfthemethanedetectionistobecarriedoutdynamicallyandcontinuouslytheintellectualizedandwirelessmethanesensoristheessentialconditionThesupportcatalyticmethanesensorhasbeenwidelyusedinmethanemonitoringsystemofcoalminebecauseofitsexcellencequalitiesofhighsensitivitylargerangeofmeasurementwiderangeoffrequencyresponse，smallvolumeandsooilButtheexistingsupportcatalyticmethanesensorhasthedisadvantagesof”zerodrifting”andseriousnonlinearerroraffectedbytemperatureThesedisadvantageshaveinfluencedmeasuringaccuracyofthesensoLImprovedBPneuralnetworkhasexcellencecapabilityfornonlinearapproximation，andiswidelyselectedtoachievenonlinearcorrectionforsensorzigBeeisalowcomplexitylowpowerconsumptionlowcost，lowdatarate，shortrangetwo-waywirelesscommunicationtechnologyandbythistechnologywirelesstransmissionforsensordataisachievedByintegratingcomputerprocessingtechnologyandZigBeewirelesscommunicationtechnologytheintelligentandwirelessmethanesensorwithmeritsofgoodworkstabilityandmultifunctionisdesignedinthisthesisbasedontheexistingmethanesensorThemaincontentstobestudiedareshownasfollowing：MethanesensordetectingprincipleisstudiedThesupportcatalyticmethanesensorisselectedasthesensingunitoftheintelligentandwirelessSenSOLSCM(SingleChipMicyoco)isusedtointelligentlyadjust”zerodrifting”TheadvancedBPneuralnetworkisusedtoproofreadthenonlinearityofthesensorandtheBPIn山东大学硕士学位论文algorithmisimprovedThecomputationrulesandtheerrorbackpropagationtransitionarestudiedinthispaperThenthedetailedprocedureisgeneralizedAndtheprogramflowchartisdrawTheimprovedBPneuralnetworkwithonelayefonehiddenlayerandoneoutputlayerisdesigned，andthroughthesimulationexperimentincomputerforthemeasurementdatathishasachievedanticipatedcompensatesAndthesimulationresultsforthemeasurementdataaregivenThewirelesscommunicationtechnologiesofZigBee，Bluetooth，andwiFiarecomparedandZigBeeisselectedasthecommunicationforintelligentsensoLThen，thetechnologyadvantagesofzigseearestudiedindepthThefunctionaldiagramandtheoperationprincipleofMC9S08GT60andMCl3193madeinFreescalearestudiedinthispaperBasedonthestudies，theZigSeemoduleisdesigned，andthehardwareplatforwirelesscommunicationbetweentwointelligentsensorsiscreatedNext，thesensorsignalconditionercircuitandtheinterfaceethanesensorandZigBeemodulearedesigned，andthisintelligentwirelessmethanesensorisrealizedLowpowerofoperatemodeforthesensorisdesignedinparticularThewholediagraminhardwareoftheintelligentwirelessmethanesensorisgiven，andinsoftwarethewholeflowchartandthecommunicationflowchartbetweentwosensorisdrawThesimulationresultsofthenonlinearcorrectionethanesensorareintegrated，andarestoredintheHashofSCMintheoftableThenthewirelesscommunicationbetweentwosensorsisrealizedbyserialdebuggingtoolinPCKeywords：MethaneSensor；Nonlinearity；ZigBee；MCl3193原创性声明本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人承担。论文作者签名：塑蒸盖日期：订木关于学位论文使用授权的声明本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。(保密论文在解密后应遵守此规定)论文作者签名：堑复茎导师签名：五缅鹾日期：兰翌E生塑山东大学硕士学位论文第一章绪论11选题的背景随着煤炭工业的发展，安全问题日益成为迫切需要解决的首要问题。在我国煤矿安全事故中，瓦斯爆炸事故造成的伤亡占所有重大事故伤亡人数的50以上，成为实现安全生产的最大障碍。矿井瓦斯是多种易燃易爆气体的总称，其主要成分是甲烷(CIl4)，它与空气混合，当其体积百分比为3516时，遇明火就会发生爆炸。瓦斯灾害给煤矿带来的最大危害是威胁井下人员生命，摧毁矿井设施，迫使矿井停产，并需要投入大量人力物力抢险救灾【”。因此，对瓦斯进行实时检测在煤矿生产安全系统中显得非常重要，要实现瓦斯的动态连续检测，高性能的智能无线瓦斯传感器是必不可缺少的条件。目前，我国生产的智能型瓦斯传感器主要有：昆明贵金属研究所生产的KG8型等多种型号的瓦斯传感器，镇江中煤电子研究所生产的I【J10145型甲烷传感器和KGJl5型智能遥控甲烷传感器，煤炭科学研究总院常州自动化研究所的KG3015型瓦斯传感器，抚顺煤矿安全仪器总厂的KGJ2高低浓度甲烷传感器，宜兴市三恒自动化仪表有限公司的KG儿5型智能遥控甲烷传感器等。现场普遍反映瓦斯传感器存在寿命短、稳定性差、调节周期短等问题，具体表现如下【21：(1)检测元件使用寿命短。由于现有的检测元件性能较差，平均只能使用36个月，如果元件活性下降，又未及时发现，轻则精度下降，重则呈现“死探头”，即对瓦斯根本不起反应。(2)传感器的准确度与线性度达不到产品检定规程规定的基本误差范围，指示值与实际值之间误差太大，或低端较准，高端不准，或高端较准，低端不准。(3)性能不稳定，显示数字乱跳。有的元件在测量范围内受到较高浓度的瓦斯(如2左右)冲击后，几分钟之内就失效了，有的虽然没有失效，但元件灵敏度显著下降。山东大学硕士学位论文(4)传感器受到震动(如放炮或移动碰撞)和风速变化影响时数字跳动，零点漂移，造成工作不稳定。由于以上原因瓦斯传感器每周就要调校一次，而频繁的调校使传感器的机芯受潮又影响传感器仪表的性能和寿命。因此，有必要研制高性能的智能瓦斯传感器，来解决以上不足。综合国内外煤矿安全系统的特点，我们还发现，现阶段随着矿井开采深度的增加，系统的扩展性和现行通信网络的灵活性不强，造成了已经存在的信息安全系统的更新速度不够。由于开采计划伴随井下煤矿的分布情况而变化，有线网络的扩展性跟不上开采的实际要求，使得网络的数据可靠性和实时性得不到保证，难以确保重要的安全数据、控制数据和井下仪表的检测数据的及时传输。现行的无线网络技术还没有适合煤矿安全系统的具体应用。ZigBee技术作为一个最近新出现的短距离通信技术，以其协议简单、成本低、功耗低、组网容易等特点，在家用系统控制、楼宇自动化、工业控制领域具有广阔的市场空间13，4】。因此，煤矿安全无线网络的可行性和重要性就提到一个比较高的层面上来讨论。我国煤矿安全信息技术的网络化程度不高，井下安全信息不能及时传到井上安全控制中心，导致煤矿事故频繁发生。现有的煤矿安全信息系统大多是通过有线网络建立的，随着煤矿开采的日益变化，煤矿井下的物理结构日新月异地改变着，原先设计好的有线网络传输系统很难做到完全的监测覆盖，重新建立新的有线网络系统，在成本上，人力上，扩展性等方面都不符合实际情况的发展。因此，建立一套灵活，可靠，扩展性强的煤矿安全无线传输网络迫在眉睫。针对目前各种煤矿安全产品的多样性，以及煤矿开采过程中井下空间的多变性，煤矿安全无线网络应该具有兼容现行煤矿安全系统数据传输方式的功能，具有很好的灵活性，可扩展性和自组网络的能力。由于矿井下特殊的应用环境，比如外界的环境影响，比较广阔的覆盖范围等因素，对于井下无线网络的数据传输提出了很高的要求。我们从无线路由和灵活性组网的角度出发，结合低功耗的设计思想，将先进的无线网络协议引进到煤矿安全系统中来，进行通信协议研究，使得煤矿安全系统的数据传输性能和效率都得到大大的提高，也为今后更进一步2山东大学硕士学位论文的研究作了一个基础，从而提高我国整个煤矿行业的信息技术化进程，降低系统扩展所需的成本。为实现无线传感器网络的组网，本文设计了智能无线瓦斯传感器，这将为以后进一步组网奠定基础。此智能无线瓦斯传感器可以连续自动地将井下瓦斯浓度转换成标准电信号输送给关联设备，并且采用ZigBee无线通信技术实现设备间信号的传输。12传感器的智能化传感器是获取信息的工具，是信息技术(包括传感与控制技术、通讯技术和计算机技术)的三大支柱之一，它位于信息系统的最前端，其特性的好坏、输出信息的可靠性对整个系统质量至关重要。因此，传感器的性能必须适应系统使用的要求。近年来国内外都将传感器技术列为尖端技术而倍加重视，并投入大量人力物力进行开发和研究。当今传感器技术的主要研究力一向有两个：一是开展基础研究，重点研究构造传感器的新材料、新工艺；二是实现传感器的数字化、非接触化和智能化。然而，传统的传感器技术已接近其技术极限，它的“手工艺品”式的制作过程，制作材料的多品种，高要求，使它的性能价格比不可能再有大的提高，成为制约自动化系统发展的瓶颈，也为智能传感器的出现奠定了基础。智能传感器系统是一门现代综合技术，它将传感器、计算机和通讯技术有机地结合在一起构成系统，是当今世界正在迅速发展的高新技术，至今还没有形成规范化的定义。以往人们主要强调在工艺上将传感器与微处理器两者紧密结合，认为“传感器的敏感元件及其信号调理电路与微处理器集成在一块芯片上就是智能传感器”，然而，这样的提法没有突出智能传感器系统的主要特点，同时在实际应用中并不总是必须将传感器与微处理器集成在一块芯片上才构成智能传感器系统。智能传感器系统的主要特点是把计算机技术和现代通讯技术融入传感器系统中，它一方面使传感器在计算机的管理下更好地发挥信息检测功能，降低对元器件的要求，从而降低成本：另一方面在软件的支持下使传感器具有较强的信息处理和通讯能力，具备较高的智能，极大地提高传感器系统的性能。因此，有3山东大学硕士学位论文人认为：智能传感器系统是指传感器(通过信号调理电路)与微处理器赋予智能的结合，兼有信息检测、信息处理及通汛功能的传感器系统。这些提法突破了传感器与微处理器结合必须在工艺上集成在一块芯片上的框框，而着重于两者赋予智能的结合，使传感器系统的功能由以往只起信息检测作用扩展到兼而具有信息处理功能。智能传感器系统与传统传感器相比，具有如下一些特点【5叫：1高精度智能传感器系统由于采用微型计算机管理及数据处理，因而可采用多种方案来保证它的高精度，通过软件不仅可修正各种确定性系统误差(如传感器输入输出的非线性误差、温度误差、零点误差、正反行程误差等)而且还可适当地补偿随机误差、降低噪声，大大提高了传感器精度。2高可靠性集成传感器系统小型化，消除了传统结构的某些不可靠因素，改善了整个系统的抗干扰性能；同时它具有自诊断、自校准和数据存储功能(对于智能结构系统还有自适应功能)，具有良好的稳定性。3高性能价格比在相同精度的要求下，多功能智能传感器与单一功能的普通传感器相比，性能价格比明显提高，尤其是在采用较便宜的单片机后更为明显。4。多功能化智能传感器可以实现多传感器多参数综合测量，可编程扩大测量与使用范围：有一定的自适应能力，根据检测对象或条件的改变，相应地改变量程及输出数据的形式；具有数字通信接口功能，直接送入远地计算机进行处理：具有多种数据输出形式，适配各种应用系统。由此可见，智能传感器系统较之传统传感器有了质的飞跃，它代表了传感器的发展方向，是传感技术克服自身落后向前发展的必然趋势。13研究内容在研究比较各种瓦斯检测原理的基础上，选定载体催化传感器为本文所使用的瓦斯检测传感器，然后利用单片机对瓦斯传感器进行“零漂”的智能校正，采4山东大学硕士学位论文用改进型BP神经网络对传感器进行非线性校正，设计了ZigBee模块，实现了瓦斯传感器与ZigBee模块的接口设计，在此基础上实现了智能无线瓦斯传感器的无线通信。拟解决的关键问题：(1)载体催化瓦斯传感器“零漂”的智能校正；(2)利用改进型BP神经网络对瓦斯传感器进行非线性校正；(3)瓦斯传感器与ZigBee模块的接口的设计与实现；(4)传感器低功耗工作模式的设计。14论文安排本文分六章对本课题的研究工作进行阐述：第一章绪论简要介绍无线智能瓦斯传感器的研究背景，传感器的智能化，阐述论文研究的主要内容，以及说明本文的内容安排。第二章瓦斯浓度的检测原理分析研究瓦斯浓度的检测方法和载体催化瓦斯传感器的检测原理，利用单片机实现瓦斯传感器“零漂”的智能校正。第三章瓦斯传感器的非线性校正利用改进型BP神经网络对瓦斯传感器的输出进行非线性校正，设计了一个输入层，一个隐含层，一个输出层的三层BP网络，在此基础上改进算法，通过在仿真试验，验证了该方法的可行性，采用改进型BP神经网络在计算机上实现了传感器的非线性校正，给出了测量数据的仿真结果。第四章无线传感器的硬件设计通过对ZigBee、蓝牙、WiFi等短距离无线通信技术的比较，选用ZigBee技术作为智能传感器的通信方式，并深入探讨了该技术的优势。采用Freescale单片机MC9S08GT60和射频芯片MCl3193搭建了ZigBee模块的硬件平台，并设计了传感器输出信号的调理电路，实现了瓦斯传感器和该模块的接口设计。对传感器工作模式进行了低功耗设计。5山东大学硕士学位论文第五章智能无线瓦斯传感器的实现给出了智能无线瓦斯传感器的整体结构框图，软件方面给出了整体流程图和两个传感器的通信流程图。总结了非线性校正的仿真数据结果，以表格的形式存储在单片机的Flash中，以供查找。借助串口调试工具AccessPort在PC机上实现了智能传感器点对点方式的无线通信。第六章总结与展望总结了本文的主要工作，实现了瓦斯传感器的智能化无线化，性能达到了预期的要求。同时指出了本文工作存在的不足，并对下一步即将组建无线传感器网络进行了展望。6山东大学硕士学位论文第二章瓦斯浓度的检测原理21瓦斯浓度检测的基本方法本世纪以来，人们就对瓦斯检测进行了大量的研究，提出了许多检测方法，如安全灯法、半导体气敏传感器法、热传导法、光干涉法、催化燃烧法等。以这些方法为基本原理研制出的各种检测仪器曾在不同的时期，不同的应用场合发挥过重要作用。1安全灯法安全灯也叫瓦斯检定灯，是一种利用金属网将火焰罩住的特制的煤油灯，当矿井内空气通过金属网眼流进罩内时，空气中的瓦斯与火焰接触，立即燃烧，从而将火焰拉长。瓦斯浓度愈高，灯焰愈长。据火焰伸长的数值，可以判断出空气中的瓦斯浓度。由于金属网罩散热性好，灯焰产生的热量几乎全部被吸收和散掉，因而不会引起网外瓦斯燃烧或爆炸。但是，当瓦斯含量在5以上时，灯内可能发生爆炸，爆炸后火焰熄灭，在这种情况下使用安全灯很危险191。瓦斯检定灯构造简单，能测缺氧状况，但测量精度低，且不能用于高浓度瓦斯测量，操作不当又容易引起瓦斯爆炸事故，故现已基本被淘汰。2半导体气敏传感器法此法是在六十年代初期研制成功的。它是利用某些金属氧化物，如氧化锌(ZnO)、氧化锡(Sn02)、氧化铁(Fe203)等，制成气敏元件，在加热条件下(600C左右)其薄膜电阻随着接触的可燃性气体浓度的增加而下降的特性来实现对可燃气体的检测的，利用这一原理可以测量瓦斯浓度【n12J。半导体气敏元件灵敏度高，当混合气体中待测气体的含量不到千分之一时，元件的阻值就会发生足够大的变化，并且它具有结构简单、使用方便、价格便宜等优点，因而在检漏、报警、分析测量等方面获得广泛应用。但半导体气敏元件在低浓度下灵敏度高，而在高浓度下元件的电阻变化较小，所以，它只适合检测低浓度气体。而且气敏元件对很多气体都能吸附，因此选择性不好。另外，这类7山东大学硕士学位论文元件在不通电情况下放置一段时间后，通电时元件并不能立即投入工作，而是需要一个初期恢复时间(短期存放)或初期稳定时间(长期存放)，这一时间短则几分钟，长则几天。3热传导法此法是利用不同气体的热传导率随气体分子量和分子结构的不同而不同的原理，把性能相同的一对敏感元件(通常采用电阻温度系数较大的铂丝或钨丝)分别接在电桥的两个对应桥臂上，测量元件放置于被测气样的气室中，补偿元件放在充满标准大气的密封气室中作为补偿桥臂。当两只敏感元件被加以同样的电流之后，产生的热量相等。但是，由于散热介质不同，两只元件存在一定的温差，两个桥臂就会形成对应的电阻差，电桥就会失去平衡，输出一个与瓦斯浓度变化对应的电信号。瓦斯的相对导热系数是1318，空气的相对导热系数接近于1。该法用于高浓度瓦斯测量时，效果较好。而当瓦斯浓度较低时，由于其热导率与空气热导率相近，输出信号很弱，灵敏度很低，所以该法不适用于低浓度瓦斯的检测。另外，它受气温的影响较大，其它气体引起的空气组分变化也会导致热导率的变化，引起测量误差。4光干涉法此法利用瓦斯的折射率与标准大气的折射率不同的原理，当由同一光源发出的两束光分别经过充有标准大气的参考气室和充有待测气样的测量气室后，再相遇时两束光将产生干涉条纹。待测气样中瓦斯浓度不同，干涉条纹的位置就不同，根据干涉条纹的位置即可测定瓦斯的浓度。光干涉式瓦斯检测仪具有结构简单，安全性好，测量精度高，寿命长，使用可靠，适用气种广泛，故障少等优点。故历时半个多世纪，至今仍在煤矿井下被广泛使用，客观存在的主要缺点是测量时受环境气压和温度的影响(考虑修正值后可减小其影响)；测量时受背景气体影响；其浓度读数必须由人眼去直视判断，使用不太方便，且没有电信号输出，只能用作单个检测仪器，不能形成系统。目前，一些国内外研究者致力于用线阵CCD摄像器件实现光电转换，将光干涉条8山东大学硕士学位论文纹的位移量转换成电信号输出。但所有与大气折射率不同的气体与瓦斯一样，也均会产生干涉条纹，造成误检测，这是无法克服的缺点。5催化燃烧法利用以上几种原理都可制成瓦斯测量仪器，由于各自都有某些缺点，在矿井瓦斯浓度定量测量中均未得到广泛的应用。在矿井瓦斯和其他可燃性气体的检测中，最常用的是热燃烧式催化传感器。热燃烧式催化传感器(简称“催化传感器”)是一种化学原理的气敏传感器113l，由于它具有体积小、重量轻、构造简单、使用方便、消耗功率小、性能稳定等一系列优点，成为目前国内外自动检测矿井瓦斯浓度的主要传感器，对保障煤矿安全生产、防止瓦斯爆炸事故的发生，发挥了重要的作用。目前，我国的催化传感器主要有两类：一类是只采用催化原件只能检测04低浓度的瓦斯传感器；另一类是同时采用催化原件和热导元件，能够检测0100浓度的瓦斯传感器。催化燃烧式瓦斯检测原理为：利用敏感元件对甲烷的催化作用，使甲烷在元件表面上发生无焰燃烧，放出热量，使元件温度上升，电阻增大，桥路失去平衡，输出电压变量，该电压变量随气体浓度增大而成正比例增大，从而测定甲烷浓度。22载体催化瓦斯传感器此类瓦斯传感器使用的敏感元件，有铂丝催化元件和载体催化元件两种。铂丝催化元件，一般用纯度很高(99。99)的铂丝制成螺旋线圈，并对铂丝进行特殊处理，铂丝既是催化剂，又是加热器。这种催化元件结构简单，稳定性好，受硫化物中毒影响小。但铂丝的催化性低，必须在900。C以上高温才能使元件工作，不仅耗电量大，而且高温会导致元件表面蒸发，使铂丝变细、电阻增加、仪器零位漂移。此外，铂丝催化元件机械强度低，由于振动或自重的影响，其几何形状将发生变化，也要改变传感器的参数，影响检测的准确度。1954年，英国采矿安全研究所(sMRE)研制了载体催化元件，它克服了铂丝催化元件的不足，在煤矿得到普遍应用。下面着重介绍载体催化元件的工作原理。载体催化元件一般由一个带催化剂的敏感元件(俗称黑元件)和一个不带催化剂的补偿元件(俗称白元件)构成。9山东大学硕士学位论文两个载体催化元件的结构和尺寸均相同。载体催化元件的构造如图21所示，最里层是铂丝螺旋圈，通常用妒002妒OOSmm高纯铂丝绕制，外面是载体和催化剂形成的催化外壳。通过一定电流后铂丝被加热，元件温度升高，用于加热催化外壳，维持瓦斯催化燃烧反应所需温度，同时又兼作感温元件，检测在催化反应中催化外壳温度的变化。载体的作用是使催化剂具有良好的分散度，并提供足够的反应面积。通常使用的是K型氧化铝(AJ203)，经过良好处理的K型氧化铝是坚硬的多孔状材料，具有每克几十平方米的表面积。常用的催化剂是铂(Pt)、钯(Pd)、钍(Th)等元素。3211一铂丝螺旋圈2一载体3一催化剂幽21载俸惟化兀仟采用催化元件检测瓦斯时，只要维持甲烷一空气混合气体中有足够量的氧，并维持一定的高温条件，在催化剂的作用下，甲烷就会在元件表面产生无焰燃烧。甲烷氧化过程如下：CH+三02lc3伽+1298KJ(21)CH，OH+三D2-旦cH：D+H20+1475KJ(22)CH：o+三D2半们D伽+2754尉(23)HCOOH+三02J2c02+日20+2428KJ(242总的反应方程式为CH4+201乇屿COz+2HzO+795510(25)10山东大学硕士学位论文根据催化原理，由于催化剂Pt、Pd的存在，这一反应过程降低了瓦斯(CH4)和氧气(Oh)发生链反应的活化能，在催化剂表面的活化中心附近，被吸附的CH4分子内部结构离开了稳定状态而活化裂解，从而加速链反应的进行。C14与02在Pt、Pd催化下的反应是一种多相反应。在这种反应中，气体在催化剂表面上的吸附与否、活化的程度与催化剂反应密切相关。金属催化剂的吸附能力取决于金属和气体分子结构以及吸附条件。另外，催化剂的分散度对化学反应也有重要影响。催化反应过程中无焰燃烧放出热量，增加了敏感元件铂丝的电阻值，通过图22所示的惠斯登电电阻变化量。图22测量电路图中，催化元件Tl(黑元件)作为工作元件，没有浸渍催化剂的元件T2(白元件)为补偿元件。将Tl和T2置于同一测量气室中，测量电桥由稳压电源或恒流源供电。在无瓦斯的新鲜空气中，Tt。12，通过调整w2使电桥平衡，信号输出端电压u0=0。当瓦斯进入气室时，瓦斯与氧气在敏感元件Tl表面上催化燃烧，放出热量Q，反应热被元件吸收引起温度升高T。由于铂丝是电阻温度系数很高的热敏材料，元件的温度增量T将引起电阻增量R，而补偿元件T2阻值不变，从而电桥失去平衡，产生一个与瓦斯浓度成正比的输出信号。湿度对催化型仪器没有影响，因为催化原件工作在400450C的高温，载体催化元件表面的化学反应本身也产生水蒸气。环境温度变化时，由于白元件的补偿作用，对催化型仪器无影响。因此，可以看出，用催化型瓦斯传感器测量山东大学硕士学位论文矿井瓦斯浓度比用上节介绍的传感器更合理、更方便。23KG8型瓦斯传感器在本文的设计中，选用贵研铂业股份有限公司生产的微功耗可燃性气体载体催化传感器KG8型瓦斯传感器，具体工作原理与普通的载体催化传感器相同，上节已经详细讲过。可燃性气体催化传感器是热敏传感器的重要分支，也叫催化接触燃烧式传感器。该类产品在石油，化工，煤矿，冶金，消防，环保及家用等许多领域中可对可燃性气体准确测量，报警和监控。技术水平：微功耗及双功能催化传感器是最近几年开始发展起来的高技术新型传感器，目前，国际上仅二三个国家掌握此两种传感器技术，贵研铂业股份有限公司已跻身于此领域，并采用自主知识产权技术研制成功的长寿命微功耗可燃性气体催化传感器。1997年通过美国质量认证，并得到国内外专家学者的高度评价。其性能指标如表21所示。表21KG8型催化燃烧式甲烷传感器性能指标测鼍范闱0100LEL工作电压(v)25q-01工作电流(mA)9510催化灵敏度=15mV(mY1aL)响应时问(s)=30非线性误差5平均值(空气中)=20mV零漂(48小时)卸8mV注：LEL(LawExplosiveLimit)，爆炸下限24瓦斯传感器的自动校零目前瓦斯检测仪器的瓦斯敏感元件大多采用载体催化元件，然而现场并不能满足元件已达到的性能指标，迫切需要提供更好的元件，其中特别要求进一步提高元件的长期工作稳定性和延长使用寿命。在瓦斯传感器的研究中，如何克服零点漂移，提高稳定性一直是研究的重点之一。本文从研究矿井智能瓦斯传感器工12山东大学硕士学位论文作原理及自动调校机理出发，求得补偿零点的依据，采用智能化仪表来实现矿井瓦斯传感器的自动校零，从而提高元件的稳定性和测量精度。在智能仪器中，自动校零一般有两种类型：一种是软件的校零技术，另一种是软件和硬件相结合的校零技术，这种方法用于消除系统误差中的恒定系统误差，利用校准数据即可实现校正l掉161。载体催化型瓦斯传感器的工作原理上面已经介绍过。自动校零的设计思想如下：通过对单片机设计，使元件在工作一段时间后，自动降低其工作电流，使元件的温度降低NHfHU不起燃的温度(如元件正常工作温度为400C，可以使其降为330。C左右，要求该温度为使元件不反应的最高温度)，也就是说此时元件完全不与井下的瓦斯气体反应，可以认为此时测量到的检测值即为零漂值。将此时的“零漂值”存储在单片机系统的Flash中。这一过程结束后，通过升高元件工作电压，将元件恢复到工作状态，重新开始检测瓦斯过程。将检测到的瓦斯浓度数据送入单片机中进行相应的处理，在处理过程中，将原始数据均减去在上一过程中得到的存储在Flash中的“零漂值”，使得检测值得到补偿而更加准确。这样就实现了单片机对原始瓦斯测量数据的自动校零。通过这种方法进行自动校零的主要意图在于，模拟在井上大气(无瓦斯)环境中在工作温度下的校零。因为，此时元件不会和瓦斯气体反应，这一点类似于大气中的无瓦斯环境。另外，使传感器在刚刚不起燃的温度下调零，其催化载体元件本身特性应与工作温度下的特性相似。综上两点，这种方法在原理上是完全可行的。唯一的问题在于，实际上，这种完全在矿井环境中进行的校零有可能会与在大气环境中的正常校零有一点差别，即在这两个校零值之间存在一个差值。该差值有很大可能会与元件本身的特性有关。如果这个可能性成立，我们就完全可以通过一定的检测手段在元件出厂时对元件的该项指标参数进行标定，或者是在传感元件每一次安装在瓦斯检测仪器仪表上时测出这一参数，并通过在瓦斯检测系统外设置的键盘将这一值当作初始化数据输入单片机并存储在Flash中，以便系统能够实时快速地对外围采样信号进行数据处理。这样，即使在第二种可能性下，我们也仍可以通过上述的处理步骤修正井下调零值并对要传送的甲山东大学硕士学位论文烷浓度值进行精确的补偿。两种可能性之间唯一的差别在于第二种可能性中，针对检测仪要使用的每一对不用的检测原件，都要进行零点补偿值的标定和设置。本文选用的敏感元件为KG8型甲烷检测元件。在煤矿进行了现场测试，每过10天将探头上井，通以不同浓度的标准瓦斯气样，测量其输出值。测试结果表明，随着瓦斯浓度的升高，元件输出增加量明显减少，使元件在检测较高浓度瓦斯时，呈较严重的非线性特性，且在测量初期同元件每次测量输出值呈减小趋势，其变化量(相对值)基本呈等比变化趋势，使用一段时间以后，元件输出基本呈不变的非线性特性。根据以上结果，将测量相对变化量数值及相对变化量修正系数存入单片机中，每次校正时，根据相对变化量数值及其修正系数，采用单片机程序处理，校正元件的输出值。同时改进型BP神经网络对传感器输出值与瓦斯浓度之间的非线性特性进行补偿(具体见第三章)，此法具有处理精度高的特点。14山东大学硕士学位论文第三章瓦斯传感器的非线性校正31传感器非线性校正假设一个受多变量影响的传感器的输入输出特性为：Y-，0，fl，f2，气)(31)式中：X为被测目标参量；tlt2，气为k个非目标参量；Y为传感器输出；，0，f1，t2ctk)为一非线性函数【“。为了校正传感器的非线性误差，一般采用逆向建模的方法，如图31所示。传感单元神经网络补偿I。l：Y。7￥一；n：传感器I1逆模型J【Jl一如非目标-参量图31非线性补偿原理图补偿环节的特性函数：z-，4()，f1，f：，)，z为补偿后的输出。显然，补偿环节的输出z等于被测量z，从而实现非线性校正。f-Io，fl，f2，)也是一非线性函数，往往难以求出，故利用补偿算法学习并逼近，4()，f1，乞，tk)，实现传感器的非线性校正。根据上一章介绍的瓦斯传感器的检测原理，本文采用的KG8型瓦斯传感器，其输入与输出之间存在着较严重的非线性，为了获得较高的检测准确度，需要进行非线性校正。实际应用中般采用分段线性化校正的方法，这在一些检测精度要求较高的场合往往达不到实际需要，因此必须进行高精度的线性化校正。本文采用一种基于改进型BP神经网络的瓦斯传感器的非线性校正方法，利用神经网山东大学硕士学位论文络良好的非线性映射能力，通过试验数据训练神经网络，使网络逐步调节层间的连接权，逼近非线性函数，利用该函数传感器实现按非线性特性输出系统的被测量，从而提高瓦斯测量的精度。32BP神经网络校正321神经网络基础人工神经网络(ANN，ArtificialNeuralNetwork)是在人类对其大脑神经网络认识理解的基础上人工构造的能够实现某种功能的神经网络。它实际上是由大量功能简单而具有自适应能力的信息处理单元一人工神经元(以下简称为神经元，它可以是电子元件、光学元件)按照大规模并行的方式，通过一定的拓扑结构连接而成的复杂网络，具有高度的非线性，能够进行复杂的逻辑操作和非线性关系实现的系统。人工神经网络是在现代科学研究成果的基础上提出来的，反映人脑功能的若干基本特征，是模拟人的智能的重要途径。作为控制和信息的基本单元的神经元和其组成的神经系统，具有以下特征：(1)各种类型神经元的基本结构相似，细胞体对所收到的信息进行处理；树突用于接受信息；轴突用于发出信息；树突和轴突的结合部分称为突触，它决定神经元之间的相互作用的强弱性质，从而组成了一广泛连接的网络系统。(2)神经元之间的信息传递是以毫秒计的，这比普通电子计算机慢得多，但人通常能在不到一秒的时问内对外界事物做出判断和决策，这表明人脑的计算是建立在大规模并行处理基础上的，且这种并行不是简单的“以空间的复杂性”代替“时间的复杂性”，而是反映了不同的“计算”原理。神经网络中信息的处理是在大量单元中并行而有层次地进行的，因此运算速度极快。由于其信息处理能力是由整个网络决定的，所以具有较强的冗错能力和鲁棒性(强壮性)。(3)人脑具有很强的容错性和联想功能，善于概括，类比，推广。如人可以很快辨别出多年未见面貌已改的老友，能根据不完整的照片做出辨认，将不同知识领域结合起来灵活运用等。这种大脑的功能是存储信息的方式决定的。一条信息不是存储在某一地址中，而是分布在整个网络中；网络的某一处，也不是只山东大学硕士学位论文存储某一条外部信息，因此这种分布式的存储方法，在信息存储时已对信息进行了加工，即存储区和操作区是合二为一的。正是基于这一特点，即使网络局部受损，也不会对整个网络造成很大影响，还可以根据不完整或模糊的信息联想出完整的信息，导出正确的输出，另外，针对一个不完整或模糊的信息，神经网络可以联想出存储在记忆里某个完整清晰的图像。(4)人脑具有很强的自适应和自组织性。神经网络的功能取决于其学习适应的过程，同一网络，因学习方式和学习内容不同，可具有不同的功能，可通过训练样本，根据周围环境来改变自己的网络，并根据变化的信息，调整自身的结构。只有能够学习的系统才有可能不断完善自己，具有创新的特点。(5)神经网络系统是一大规模非线性动力系统，具有一般非线性动力系统的一切特征，具有不可预测性，不可逆性，多个吸引子，会出现混沌现象等。神经网络的以上特点，决定了它处理信息的能力。可以列出在一些主要领域的应用情况：1模式识别与图像处理印刷体和手写体字符识别，语音识别，签字识别，指纹识别，面部特征的精确定位，颜色识别，RNA与DNA序列分析，癌细胞识别，目标检测与识别，心电图、脑电图分类，油气藏检测，加速器故障检测，电机故障检测，图像压缩、复原。2控制及优化化工过程控制、机械手运动控制、运载体轨迹控制及电弧炉控制。3金融预测与管理股票市场预测、有价证券管理、借贷风险分析以及信用卡欺骗检测。4通信自适应均衡、回声抵消、路由选择、ATM网络中呼叫接纳识别及控制、导航及多媒体处理系统。5其他如知识如发现和数据挖掘、气象与地球科学等ils-25。17山东大学硕士学位论文|11E!s自，目!e=目s!目!=E!目!=sE!自=!自目日!自!皇322BP神经网络模型BP(BackPropagation)网络是目自U应用最广泛的神经网络模型，它是对非线性可微可分函数进行权值训练、基于误差反向传播算法的多层前向神经网络。个BP网络由一个输入层、一个或多个隐含层和一个输出层组成，隐含层的数目通常取12层，实际上有一个隐含层就可以达到逼近任意非线性函数的功能，各层间由传递信息的连接权连接。一个典型的三层BP网络结构如图32所示，其中，()表示神经元的输入，O(Output)表示神经元输出，f为输入层神经元下标变元(i一1，2，f)，为隐含层神经元下标变元(Jsl，2，埘)，七为输出层神经元下标变元(k一12，栉)；，1()、，2()和，3()分别表示输入层、隐含层和输出层的激发函数，上标(1)、(2)和(3)分别表示相应的层数；w。表示输入层第i个神经元到隐含层第J个神经元的连接权值，表示隐含层第，个神经元到输出层第k个神经元的连接权值。输入信息沿着图所示的方向正向传递，误差则反向传递。输入层隐含层输出层毋渤彭如扛竺厂洫譬也厂巡生!掣丛h盟信息正向传递与_j图32典型BP神经网络的结构设共有P个样本。对于第p(P；1，2，P)个样本，图32所示的输入输出关系为：输入层：输入为堙(32)输出为嘴一彬，fsl2，z(33)山东大学硕士学位论文隐含层：输入为，。(D一oj)(34)输出为D一，伫(，笋)，J-12，m(35)输出层：输入为，乎一(D一吼)(36)输出为og-，3(，2)，k-12，开(37)式(34)和式(36)中的口，和吼分别表示第二层和第三层神经元的阀值。323BP网络算法的基本思想BP算法是由信息的正向传递和误差反向修正两部分构成。把网络学习时在输出层出现的与期望值仍不符的误差，归结为各层各个节点连接权和阈值的“过错”，通过把输出层误差逐层向输入层反向传递，把误差“分摊”给各个节点，计算各节点的参考误差，由此调整各个权值和阈值，直至误差最小，最终达到期望的目标值。BP算法是利用梯度下降算法LMS，权值沿误差函数的负梯度方向改变，使误差逐渐减小，并逼近非线性函数。定义网络的期望输出Oe与实际输出之差的平方和为误差函数易，即啪)-去耄羹一og)2c3鼬式中，0缸为输出层各节点的期望值，k一1，2，雄。324调整网络连接权值权值修iEmAw0+1)、(r+1)和E，p)的负梯度关系为嵋“叩鲁吣q鼍式中，卵为学习率。1计算p+1)鲁一专筹z羔009器筹9，Mqal嚣awq。8l嚣mq“j1920山东大学硕士学位论文由式(36)，得由式(37)，得由式(38)，得于是，有望；D望舢b“筹_，(硝(，护)a，P”川嘉P主(埘)d雠台“7(310)(311)(312)鼍；耋(哪)，(秭睇m将式(313)代入p+1)，得p+1)一鲁妻(一嘴)，+(，P)D罗(3“)1p-I2计算峨+1)即aE。aWH由式(36)，得由式(35)，得由式(34)，得al窖匆筹叫z_，罗)a，。”箬叫(315)(316)(317)(318)坚毗丝矽盟雒生醒。娶望毗丝哗堡蟛l望鸭生醒I生鸭望毗丝蛉望蟛丝蚓堡哗。擎山东大学硕士学位论文将式(311)、式(312)和式(316)式(318)代入式(315)，得鲁一荟P荟(吼雠)尸(毋Wq，(2y(毋哕(3-9)将上式代入p+1)，得Awii(r+1)-；妻蠢(以一啡)，f37(，乎)，127(，)。啡(