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面向煤矿混合气体检测的神经网络算法研究进展

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工矿自动化 2023年第9期49卷 115-121页

作者：焦明之沈中丽周扬明何新建贺耀宜矿山互联网应用技术国家地方联合工程实验室江苏徐州221116 中国矿业大学信息与控制工程学院江苏徐州221116 中国矿业大学安全学院江苏徐州221116 天地(常州)自动化股份有限公司江苏常州213015

煤矿气体传感器用于混合气体检测时测量信号之间有交叉干扰,难以保证检测准确性。对于相同的待识别气体,传统气体识别算法的识别精度低于基于神经网络的气体识别算法,神经网络通过调整其网络层、每层神经元的数量、神经元的激活函数和... 详细信息

煤矿气体传感器用于混合气体检测时测量信号之间有交叉干扰,难以保证检测准确性。对于相同的待识别气体,传统气体识别算法的识别精度低于基于神经网络的气体识别算法,神经网络通过调整其网络层、每层神经元的数量、神经元的激活函数和各层网络之间的权重等来实现更高的气体识别精度。介绍了煤矿混合气体检测系统结构,通过构建气体传感阵列,利用其多维空间气体响应模式,并结合特定的气体识别算法,实现对混合气体的定性定量识别。重点分析了几种面向煤矿混合气体检测的神经网络算法并进行了对比分析,主要包括反向传播(BP)神经网络、卷积神经网络(CNN)、循环神经网络(RNN)、径向基函数(RBF)神经网络:BP神经网络通常可以达到较高的分类精度,然而需要训练大量的参数,训练时间长,通常为了减少时长和提高精度,可以将BP神经网络与其他算法相结合;CNN可以自动提取数据特征,精度和训练速度都优于BP神经网络,但其易于陷入局部最优;RNN可以使用更少的数据并提取更有效的特征,但容易出现梯度消失等问题;RBF神经网络具有较强的鲁棒性和在线学习能力,但其通常需要大量数据完成模型训练。神经网络算法的应用将大幅提升煤矿混合气体的检测精度,保障煤矿智能化的实现。

关键词：煤矿安全监控混合气体检测神经网络算法传感器阵列反向传播神经网络卷积神经网络循环神经网络径向基函数神经网络

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基于神经网络的混合气体检测分析系统

基于神经网络的混合气体检测分析系统

作者：周杨杭州电子科技大学

学位级别：硕士

随着工业的快速发展,有毒有害气体的排放也随之增多,在无定量分析的情况下,排放任意浓度的气体,使得环境污染越来越严重。在工业中,若对气体进行定量的浓度测量,对达到一定浓度的气体进行处理后再排放,这会大大的减轻环境污染。但环境... 详细信息

随着工业的快速发展,有毒有害气体的排放也随之增多,在无定量分析的情况下,排放任意浓度的气体,使得环境污染越来越严重。在工业中,若对气体进行定量的浓度测量,对达到一定浓度的气体进行处理后再排放,这会大大的减轻环境污染。但环境中的气体往往是混合气体,在实际测量混合气体时难度极大,常常会因为不同气体之间的干扰,导致最终测量结果不稳定。本实验旨在使用深度学习的方法,使用电化学传感器阵列对混合气体的定量分析。本实验搭建了一套完整的测量分析系统,可以做到从数据产生到数据分析、浓度预测并且展示预测值界面。系统使用了随机深林、卷积神经网络等方法对数据进行了分析建模,并且使用Python语言编写了展示界面,使得结果观测更直观。本文主要研究内容及结论如下:(1)本实验系统由流量控制系统、自动采集系统、传感器系统以及数据分析系统组成。流量控制系统控制气体的流量,自动采集系统可以批量处理需要采集的气体浓度,传感器组用于和气体产生电信号,数据分析系统用于学习算法的建模,对生成的数据进行分析。(2)自动采集系统是在手动数据采集基础上产生的,其优点在于采集大量数据时可节约大量的时间,避免了重复工作,并同时保证了数据的一致性。采集系统使用上位机控制流量计,通过读取文件的方式批量性处理气体进出量。在使用自动采集上位机后,数据采集效率比之前提升了30%。(3)硬件电路设计包括传感器放大电路设计和控制芯片电路设计两部分。本实验中传感器电路使用了两级放大。将传感器和气体反应产生的电信号经过一次220倍放大后,再经由差分放大电路,将输出信号控制在0-5 V之间,以供搭载AD的主控芯片进行数据采集。在引入传感器阵列后,将ads1115模块换成AD7606模块,使得电路结构变得更简单,且能满足同时采集16路数据的需求。(4)数据分析阶段采用了线性分析法、随机森林、卷积神经网络等方法。分别对单个传感器和传感器阵列进行了模型训练。通过对两种模型进行数据测试,发现传感器阵列准确率明显高于单个传感器。本实验在构建模型时,对单个传感器和阵列分别进行了独立特征网络和共用特征网络建模,经过模型测试得出独立特征网络识别率更高的结论。

关键词：混合气体检测传感器阵列自动采集系统随机森林卷积神经网络

基于红外吸收技术的多组分混合气体检测的研究

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煤矿安全 2011年第3期42卷 5-8页

作者：刘彬童敏明王晶晶中国矿业大学信息与电气工程学院江苏徐州221008

针对多组分混合气体的检测问题,提出了基于红外吸收技术进行探测并利用BP神经网络进行信号分析处理的检测方法。该方法采用宽带中红外光源和前端带有窄带滤光片的探测器进行气体探测,探测器输出的每路微弱电信号对应1种气体吸收波长的光... 详细信息

针对多组分混合气体的检测问题,提出了基于红外吸收技术进行探测并利用BP神经网络进行信号分析处理的检测方法。该方法采用宽带中红外光源和前端带有窄带滤光片的探测器进行气体探测,探测器输出的每路微弱电信号对应1种气体吸收波长的光波,在对此电信号放大滤波后经A/D采样送达计算机。对实验采集到的数据利用BP神经网络进行分析,能够很好的消除各组分气体之间的干扰,测量相对误差在5%以内,测量拟合曲线呈现良好的线性关系,完全能够满足多组分气体鉴别和测量的要求。

关键词：混合气体检测红外气体吸收 BP神经网络宽带红外光源热电堆探测器

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基于多传感器的混合气体检测系统研究与设计

基于多传感器的混合气体检测系统研究与设计

作者：范俊武汉理工大学

学位级别：硕士

随着我国社会进程和工业技术的发展,一些易燃易爆、有毒有害的气体作为能源气体或是化工原料得到越来越广泛的使用,但在其使用、运输、存储等过程中存在严重的安全隐患。得益于气体检测技术的发展,出现了诸多对危险气体进行检测的设备,... 详细信息

随着我国社会进程和工业技术的发展,一些易燃易爆、有毒有害的气体作为能源气体或是化工原料得到越来越广泛的使用,但在其使用、运输、存储等过程中存在严重的安全隐患。得益于气体检测技术的发展,出现了诸多对危险气体进行检测的设备,为安全生产带来了有效保障。但这些设备通常使用单一传感器对一种气体进行检测,尽管这些传感器对气体选择性优秀,但不能保证只对一种气体敏感,在一些特殊场合,此类设备并不能满足对危险性气体的检测准确度需求,而采用多个传感器与模式识别方法结合的多传感器气体检测技术则为这一实现提供了可能。本课题作为与公司的合作项目,需要实现对环境中可能存在的甲烷或乙烯气体的定性和定量检测。由于甲烷和乙烯同属于易燃性有机气体,对甲烷敏感的传感器一般也能对乙烯敏感。基于此,课题采用多传感器气体检测技术实现对甲烷、乙烯两种危险气体的定性定量检测。全文的主要工作及研究内容如下:(1)完成了前端气体传感器单元的选型工作,课题选取了TGS2620、TGS2610、TGS2611、TGS813、MQ-4和MQ-9共6种半导体氧化物气体传感器,并进行了传感器的相关测试工作。(2)设计实现了用于对传感器单元输出响应信号进行采集的数据采集系统。其中采集系统底板以ATMEGA2560-16AU单片机为微控制器,保证了采集系统的整体效率。设计实现了基于LabView的控制和显示界面,使数据的读取和存储变得简单方便。(3)设计实现了专门的实验测试平台。平台主要包含真空测试箱和动态配气系统,真空测试箱具备优秀的气密性和抗压性能,动态配气系统能够以较高精度配制目标浓度的甲烷、乙烯混合气体,且整个实验平台的操作简单。(4)针对混合气体的定性和定量问题,分别实现了相应的模式识别算法。实现了基于支持向量机的定性识别算法,并引入蝙蝠算法对其进行改进,实验测试结果表明,蝙蝠算法改进后的支持向量机算法具有更优秀的定性识别性能,其对检测浓度范围内目标气体的平均定性识别正确率达到98%。实现了基于BP神经网络的定量预测算法,实验结果表明其对检测浓度范围内混合气体中甲烷和乙烯的平均浓度预测精度分别接近92.7%和93.3%,同样引入蝙蝠算法对BP神经网络进行改进,改进后的算法不仅收敛速度得到了提升,而且对甲烷和乙烯的平均浓度预测精度分别提高到95.4%和96.1%。

关键词：混合气体检测多传感器支持向量机 BP神经网络蝙蝠算法

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一种混合气体与温度同时检测的传感器阵列

传感技术学报 2023年第3期36卷 348-354页

作者：程珍珍张勇何国锋河南城建学院电气与控制工程学院河南平顶山467000 西安交通大学电气工程学院陕西西安710049

针对主要烟气污染物气体一氧化氮NO/二氧化硫SO_(2)监测存在的温漂大、温度补偿系统体积大、成本高的问题,采用MEMS工艺,研制了一种三电极碳纳米管传感器阵列。该阵列由三个不同极间距的传感器构成,分别检测NO、SO_(2)浓度及温度。研究... 详细信息

针对主要烟气污染物气体一氧化氮NO/二氧化硫SO_(2)监测存在的温漂大、温度补偿系统体积大、成本高的问题,采用MEMS工艺,研制了一种三电极碳纳米管传感器阵列。该阵列由三个不同极间距的传感器构成,分别检测NO、SO_(2)浓度及温度。研究了极间距、气体浓度和温度对传感器的影响,分析了传感器对气体浓度和温度的敏感机理。三个传感器在不同的气体浓度、不同的温度下,具有不同的单值敏感特性。传感器重复性好、灵敏度高;阵列可以不分离混合气体,直接检测NO、SO_(2)成分及温度,具有温度补偿的功能,能够用于解决烟气污染物检测在工作温度变化时存在的误报问题。

关键词：仪器科学与技术混合气体检测碳纳米管传感器阵列温度补偿

基于传感器阵列的危险污染气体检测系统设计与研究

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基于传感器阵列的危险污染气体检测系统设计与研究

作者：龚洋盐城工学院

学位级别：硕士

在工业场所、车站、医院、住宅等人群聚集场所,开展对某些特殊类型污染物的检测,是实现此类场所空气污染控制的关键。通常情况下,对于某些气体的检测,可以采用对所检测对象非常敏感的单一气敏元件,这样就可以实现对其进行检测、监控和... 详细信息

在工业场所、车站、医院、住宅等人群聚集场所,开展对某些特殊类型污染物的检测,是实现此类场所空气污染控制的关键。通常情况下,对于某些气体的检测,可以采用对所检测对象非常敏感的单一气敏元件,这样就可以实现对其进行检测、监控和报警。但目前已有研究发现,由于各敏感材料与混合气体之间的相互影响,使得其对特定的一种气体的灵敏度在各种情况下都会发生改变,无法实现对混合气体的准确分辨,导致其性能受到极大限制。针对该问题,本文将传感阵列与模式识别技术相融合,构建一种微型、便捷、低成本可用于特殊情况下对特定目标气体进行检测识别的无线探测系统。该系统由电源模块产生±5 V和3.3 V的基准电压输送给信号调理模块,并为STM32单片机进行供电。气体传感器阵列将气体探测元件采集到的模拟电压信号,经ADC调理模块转换为数字信号输出,并传输至STM32单片机上。以单片机为核心控制器,把检测到的温度、湿度、气体浓度等参数信息显示在单片机的OLED显示屏上。同时通过Lo Ra无线通信的方式,把采集到的数据传送给PC上位机。由于传统BP神经网络在混合气体检测中存在检测误差大、对初值与阈值依赖性较强等问题,本文将采用布谷鸟算法优化神经网络的权值和阈值,在迭代过程中,采用模拟退火操作来防止算法陷入局部极值,从而提高算法的稳定性和可靠性;同时,采用发现概率自适应调整策略来生成新的解,以确保算法能够不断地得到更新,来提高算法的性能。以最小化训练样本均方误差为目标,优化得到的参数即初始连接权值和阈值,将其应用于混合气体的定性定量识别。实验采用甲醛、氨气、硫化氢和二氧化硫作为混合气体样本。将传感器阵列的输出电压值作为算法的输入数据,混合气体的浓度值作为输出数据,分别对其进行归一化处理。通过测试获得300组数据并作为数据集,在300组样本数据中随机选择20个样本作为预测样本,对预测结果进行了验证。实验结果表明,用单一BP神经网络对混合气浓度进行预测,其预测准确率为81.7%,而用改进的BP神经网络对混合气浓度进行预测,其预测精度可达91.5%,改进算法更准确,精度更高。

关键词：混合气体检测半导体传感器传感器阵列 BP神经网络布谷鸟搜寻算法

金属氧化物气体传感器检测混合气体组分浓度的线性方法与原理

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传感技术学报 2009年第2期22卷 179-182页

作者：张正勇徐定钧于震中国科学院合肥智能机械研究所合肥230031 安徽省仿生感知与先进机器人技术重点实验室合肥230031 传感技术联合国家重点实验室合肥230031 中国科学技术大学信息科学技术学院自动化系合肥230027

金属氧化物气体传感器的交叉敏感特性给混合气体各组分浓度的定量检测带来了困难。基于传感器的灵敏度与被测气体浓度呈对数线性关系,同一传感器对不同被测气体具有不同的灵敏度,不同传感器对同一气体具有不同的敏感特性,描述了采用多... 详细信息

金属氧化物气体传感器的交叉敏感特性给混合气体各组分浓度的定量检测带来了困难。基于传感器的灵敏度与被测气体浓度呈对数线性关系,同一传感器对不同被测气体具有不同的灵敏度,不同传感器对同一气体具有不同的敏感特性,描述了采用多个传感器检测混合气体各组分浓度的线性原理与方法,并介绍了识别未知多组分混合气体中某一组分浓度的方法。分析结果表明,在传感器有效测试浓度范围内,有n种组分的混合气体各组分的浓度的对数等于n×n的指数矩阵乘以n×1的指前系数与传感器的输出的函数的对数矩阵。实验结果显示,对混合气体各组分浓度检测的相对误差小于7%。

关键词：混合气体检测金属氧化物敏感特性多传感器指数矩阵

功能化石墨烯材料在气体检测方面的应用研究进展

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化工新型材料 2018年第7期46卷 9-13页

作者：张星和杨晓娜符翠丽保山学院保山678000

石墨烯是一种具有单原子层厚度的二维蜂窝状碳材料,由于其具有奇异的比表面积效应、光电效应和机械强度等优点,在能源、环境、军事和航天等领域得到了大量的研究。石墨烯材料的功能化可对其结构、物化性质和光电性质等方面进行有益调整... 详细信息

石墨烯是一种具有单原子层厚度的二维蜂窝状碳材料,由于其具有奇异的比表面积效应、光电效应和机械强度等优点,在能源、环境、军事和航天等领域得到了大量的研究。石墨烯材料的功能化可对其结构、物化性质和光电性质等方面进行有益调整,从而拓宽了其对化学物质的检测范围。主要综述了近期利用化学改性、纳米颗粒修饰和聚合物复合方法对石墨烯材料进行功能化改性的研究进展,以及功能化石墨烯材料在提高灵敏度和选择性等气体传感特性方面的应用,并对该领域存在的挑战和前景进行了展望。

关键词：石墨烯改性修饰混合气体检测

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基于光声光谱技术的混合气体实时检测

基于光声光谱技术的混合气体实时检测

作者：郭红华中科技大学

学位级别：硕士

环境问题近年来越发引起人们的关注,尤其是大气污染,对空气质量和人们的身体健康都造成了一定的危害,而随着汽车使用量越大造成的尾气排放污染越多以及化石燃料燃烧等人类活动加剧,大气污染状况居高不下,因此有必要对大气中各污染气体... 详细信息

环境问题近年来越发引起人们的关注,尤其是大气污染,对空气质量和人们的身体健康都造成了一定的危害,而随着汽车使用量越大造成的尾气排放污染越多以及化石燃料燃烧等人类活动加剧,大气污染状况居高不下,因此有必要对大气中各污染气体成分的浓度进行实时监测。本文基于光声光谱气体检测技术,从混合气体成分检测和对检测结果定量分析两方面着手,详细分析了由大气中一些主要污染气体NH、CH、SF组成的混合气体成分检测。基于光声检测的光声效应原理,利用物理场仿真软件COMSOL Multiphysics对光声池进行有限元分析,仿真得到谐振状态和非谐振状态下的声压分布以及频率响应。根据气体分子红外吸收光谱理论,采用可调谐CO激光器作为光源,确定了NH、CH、SF的检测谱线分别为10.348μm、10.532μm、10.551μm,并提供了温度和气压变化时检测谱线对应的吸收系数修正方法。设计真空室、配气系统和基于LabVIEW的数据采集模块,构建光声气体检测系统,首先对单一气体NH和CH分别进行了测量,并对系统的准确性、稳定性和响应时间等性能进行分析,得到NH和CH的检测限分别为1.61 ppm、0.65 ppm。然后利用该检测系统通过不同激光波长照射光声池的方式实现混合气体成分测量,并分别采用最小二乘拟合和线性回归分析对检测结果进行处理,反演得到气体浓度。但CH气体检测存在与SF弱交叉吸收的情况,本文提出一种线性回归拟合的定量分析方法来实现气体分离,得到该混合气体检测系统对三种气体成分的检测限分别为1.65 ppm、0.6 ppm、0.023 ppm,其值与单一气体检测的结果相近。以上分析表明所设计的混合气体成分检测系统和浓度定量分析方法能够在大气环境下实现对NH、CH、SF的浓度监测,具有一定的实用价值。

关键词：光声光谱混合气体检测最小二乘拟合线性回归分析 COMSOL