一種基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的甲醛測(cè)量儀設(shè)計(jì)

王文輝+王磊+袁圓+肖兵

摘要：人的一生80%在室內(nèi)度過，室內(nèi)空氣質(zhì)量的優(yōu)劣直接影響著人體的健康。甲醛是重要的室內(nèi)污染氣體，長期接觸會(huì)對(duì)人體產(chǎn)生很大的危害。本文應(yīng)用氣體傳感器陣列作為甲醛氣體檢測(cè)器件，將金屬氧化物氣體傳感器陣列和有教師指導(dǎo)的前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)相結(jié)合，構(gòu)成甲醛氣體的精確定量識(shí)別系統(tǒng)，對(duì)氣體陣列傳感器的氣體交叉敏感性進(jìn)行氣體敏感性分析實(shí)驗(yàn)分析，設(shè)計(jì)一種基于BP算法的前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，并對(duì)該網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練，最終得到一個(gè)泛化性能較好的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，對(duì)甲醛氣體進(jìn)行預(yù)測(cè)及補(bǔ)償。

關(guān)鍵詞：室內(nèi)空氣質(zhì)量；甲醛；氣體傳感器陣列；前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)；BP算法

中圖分類號(hào)：TP211+.5 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-9416（2017）11-0127-04

隨著生活水平的不斷提高，人們對(duì)于自身生活品質(zhì)和身體健康越來越重視，甲醛（HCHO），作為新裝修房屋內(nèi)氣體的主要污染源之一，越來越受到人們的關(guān)注，因此，對(duì)室內(nèi)甲醛氣體的檢測(cè)具有很大的現(xiàn)實(shí)意義。

根據(jù)國家強(qiáng)制性標(biāo)準(zhǔn)，關(guān)閉門窗1小時(shí)后，每立方米室內(nèi)空氣中，甲醛釋放量不得大于0.08毫克；如達(dá)到0.1-2.0毫克，50%的正常人能聞到臭氣；達(dá)到2.0-5.0毫克，眼睛、氣管將受到強(qiáng)烈刺激，出現(xiàn)打噴嚏、咳嗽等癥狀[1]；達(dá)到10毫克以上，呼吸困難；達(dá)到50毫克以上，會(huì)引發(fā)肺炎等危重疾病，甚至?xí)?dǎo)致死亡。我國居室空氣中甲醛標(biāo)準(zhǔn)如表1所示。

甲醛的檢測(cè)方法可謂是百花齊放，推陳出新。世界各國推出很多檢測(cè)方法，例如比色法，色譜法，熒光法，光譜法，傳感器法等，以及電子鼻等先進(jìn)的檢測(cè)技術(shù)。在便攜的手持式甲醛測(cè)量儀中，使用的較多的是電化學(xué)傳感器作為甲醛的檢測(cè)單元[2]，但電化學(xué)型甲醛測(cè)試儀由于其成本較高，且壽命較短，不適合普遍推廣[3]。

本文運(yùn)用氣體傳感器整列作為甲醛的檢測(cè)單元，并運(yùn)用前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)甲醛含量進(jìn)行補(bǔ)償，具有結(jié)構(gòu)簡單，性價(jià)比高等優(yōu)勢(shì)。

1 氣體陣列傳感器

本文采用德國UST公司的XPC100系列高精度、可定量測(cè)量有毒有害氣體濃度的陣列傳感器，該傳感器技術(shù)已經(jīng)BMW汽車傳感器的知名供應(yīng)商。該傳感器由三個(gè)敏感單元組成，可以測(cè)量氧化、還原、氧化還原三類氣體，可以定量測(cè)量一氧化碳（CO），碳?xì)浠衔铮⊿O2） ，氮氧化物（NOx），易揮發(fā)物質(zhì)（VOC）和微粒懸浮物（PM2.5）等多種氣體。

德國UST的金屬氧化物氣體傳感器[4]敏感機(jī)理是敏感膜表面的氧化還原反應(yīng)，考慮到氣體監(jiān)測(cè)的交叉敏感性和復(fù)雜性，UST傳感器利用成熟的模式識(shí)別算法可以解算得到混合氣體各組分的定量濃度[5]。

此外，UST傳感器可以適應(yīng)船舶尾氣檢測(cè)裝置復(fù)雜的工作環(huán)境，被檢測(cè)船舶尾氣氣體溫度高。正常負(fù)荷運(yùn)行時(shí)排氣總管廢氣溫度約達(dá) 525度，廢氣渦輪增壓器前廢氣溫度大約450-480度，增壓器后出口為375-400度，廢氣鍋爐前約為320-350度，廢氣鍋爐后約為260-280度。而UST陣列氣體傳感器的工作溫度隨著測(cè)量環(huán)境溫度的變化而變化，通常可以達(dá)到300-550度，并在相應(yīng)的工作溫度下達(dá)到最佳的工作狀態(tài)，因此溫度過高并不會(huì)影響UST陣列傳感器檢測(cè)數(shù)據(jù)的正確性。傳感器結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，傳感器實(shí)物圖如圖2所示。

2 傳感器接口電路及信號(hào)處理

氣體傳感器檢測(cè)電路包括基準(zhǔn)調(diào)零、X9C103電橋分壓電路、LM324電壓跟隨、AD620差分放大電路。傳感器分壓端接入AD620三儀表運(yùn)放后采集到Arduino處理器中。AD620具有高共模抑制比與低溫漂的特性。由于氣體傳感器對(duì)不同氣體，以及同種氣體不同濃度的響應(yīng)具差異較大，故要求系統(tǒng)有較大的動(dòng)態(tài)響應(yīng)范圍[6]。（用面包板測(cè)試過，大概是變化到10K --1M）本文三端可調(diào)電阻由可編程數(shù)控電位器X9C103實(shí)現(xiàn)。

X9C103是美國Xicor公司生產(chǎn)的高精度100階數(shù)字電位器，其阻值變化范圍為40Ω-10KΩ。滑動(dòng)單元的位置由、、三個(gè)輸入端控制。可實(shí)現(xiàn)氣體電阻值量程的自動(dòng)調(diào)節(jié)，即實(shí)現(xiàn)自動(dòng)變量程、變分辨率測(cè)量（就是當(dāng)氣體濃度變化范圍較大時(shí)，及敏感電阻變化較大時(shí)，對(duì)應(yīng)的變位器阻值也增加，這樣保持分壓比例永遠(yuǎn)是差不多的，輸入運(yùn)放時(shí)可以保證在AD620的線性工作范圍內(nèi)）[7]。氣體陣列傳感器信號(hào)采集原理框圖如圖3所示。電路仿真圖如圖4所示。

3 前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

由于氣體的交叉敏感特性，混合氣體濃度定量測(cè)量一直是氣體檢測(cè)領(lǐng)域的難點(diǎn)。在檢測(cè)目標(biāo)氣體濃度時(shí)，時(shí)常會(huì)受到具有相同氧化還原性的氣體的干擾，從而影響測(cè)量的精確性。本文利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練算法[8]， 并選取甲醛、乙醇、氨氣三種氣體作為進(jìn)行定量分析，其中，乙醇是需要被精確測(cè)量的檢測(cè)氣體，甲醛和氨氣則是相應(yīng)的干擾氣體，前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的作用就是對(duì)模型進(jìn)行訓(xùn)練，從而在干擾氣體的影響下輸出精確的待測(cè)氣體的值。

混合氣體與氣體陣列敏感單元輸出形成一一對(duì)應(yīng)的高維響應(yīng)模式。設(shè)被測(cè)量的混合氣體有n種成分，濃度分別為C1，C2，…，Cn， ，氣體陣列傳感器有m個(gè)敏感單元，則其高維響應(yīng)模式：

4 實(shí)驗(yàn)

為了測(cè)試氣體傳感器陣列的氣體交叉敏感性，在氣體配氣裝置中先充入不同濃度的甲醛氣體，在本實(shí)驗(yàn)中，甲醛氣體的濃度從一開始的0.01ppm逐漸增加到2.6ppm，氣體配氣裝置如圖6所示。

由于數(shù)據(jù)量較為龐大，在本文中僅列出一部分實(shí)驗(yàn)結(jié)果，R1，R2，R3分別為三個(gè)敏感單元，從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中可以看到，三個(gè)敏感單元對(duì)乙醇?xì)怏w有不同程度的響應(yīng)，其中以R3變化最為明顯。

通過大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，可以使氣體陳列傳感器對(duì)甲醛氣體進(jìn)行較為精確地標(biāo)定，但在實(shí)際情況下往往在被測(cè)氣體中含有部分干擾氣體，對(duì)此，需要對(duì)氣體傳感器陣列的交叉敏感性做出測(cè)試，并且根據(jù)測(cè)試結(jié)果對(duì)傳感器的輸出做出修正。

在本實(shí)驗(yàn)中，選取乙醇與氨氣作為干擾氣體進(jìn)行測(cè)試，考慮到分析的準(zhǔn)確性，僅對(duì)單一干擾氣體進(jìn)行氣體交叉敏感性實(shí)驗(yàn)。endprint

在氣體配置裝置中首先配置1ppm甲醛氣體，再逐漸增加干擾氣體，測(cè)試傳感器對(duì)混合氣體的響應(yīng)，測(cè)試結(jié)果如表3，表4所示。

5 實(shí)驗(yàn)與分析

BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)功能強(qiáng)大之處在于對(duì)于函數(shù)的逼近，這種對(duì)于函數(shù)的逼近可以用于未知的模型識(shí)別，其原理可以視為一個(gè)黑盒，通過大量對(duì)應(yīng)輸入與輸出的測(cè)量[9]，利用所得實(shí)際過程的輸入輸出數(shù)據(jù)來訓(xùn)練一個(gè)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。

本文用具有單一隱含層的前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)氣體進(jìn)行定性測(cè)量，網(wǎng)絡(luò)輸入層神經(jīng)元個(gè)數(shù)等于氣體傳感器陣列的維數(shù)；輸出層的神經(jīng)元個(gè)數(shù)等于所要測(cè)量的氣體種類數(shù)[10]。即：該神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入為陣列中三個(gè)敏感單元所測(cè)得的值，網(wǎng)絡(luò)的輸出為測(cè)量結(jié)果。

在matlab中，構(gòu)建一個(gè)前向BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)[11]，實(shí)測(cè)得100組數(shù)據(jù)，將100組數(shù)據(jù)分成兩類，前80組數(shù)據(jù)用來對(duì)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練，即系統(tǒng)建模，剩余20組數(shù)據(jù)用來檢驗(yàn)該神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是否符合性能指標(biāo)。構(gòu)建前置BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)如圖7所示，訓(xùn)練結(jié)果如圖8所示。

經(jīng)過訓(xùn)練之后，該網(wǎng)絡(luò)可以精確地測(cè)量混合氣體中甲醛的濃度，利用金屬氧化物傳感器陣列以及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可以很好的對(duì)甲醛氣體進(jìn)行定量測(cè)量。加之金屬氧化物氣體傳感器陳列有著壽命長，成本低等優(yōu)點(diǎn)，比之現(xiàn)在市面上較常見的電化學(xué)傳感器有很大優(yōu)勢(shì)。

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Abstract：Person spends 80% lifetime indoors. Indoor air quality directly affects the health of human body. Formaldehyde is an important indoor pollution gas， and with a longtime contact can cause great harm to human. Gas sensor array is applied in this article as formaldehyde gas detection device. In this article， formaldehyde gas precise quantitative recognition system is made of the combination of the metal oxide gas sensor array and a feed-forward neural network technology. The gas cross sensitivity of gas sensor array is analyzed by several experiment. The design of a feed-forward neural network based on BP algorithm， and the network is trained， end up with a good generalization capability of neural network， the formaldehyde gas prediction and compensation.

Key Words：Indoor air quality； formaldehyde； gas sensor array； feed-forward neural network； BP algorithmendprint