10.3964/j.issn.1000-0593(2021)11-3632-07
基于TDLAS技术的CH4气体检测与温度补偿方法
C H4气体的精准检测对防止矿井瓦斯爆炸,确保安全生产至关重要.目前基于可调谐半导体激光吸收光谱技术(TDLAS)存在因温度变化导致气体浓度测量误差较大.探究了基于TDLAS的CH4气体检测系统与温度补偿方法,分析温度对CH4气体吸收谱线的影响,通过算法补偿模型消除环境温度对CH4气体检测的影响.依据TDLAS技术原理及相关理论,对系统发射单元、吸收池、信号接收单元、数据处理单元进行设计,搭建了基于TDLAS技术的CH4气体浓度检测系统,实验检测了不同环境温度(10～50℃)时0.04％CH4气体浓度,分析温度变化对CH4气体在波长为1.653μm处吸收谱线强度和半宽度的影响.为消除温度对CH4气体检测的影响并提高补偿效果,采用粒子群优化算法(PSO)优化BP神经网络(BPNN)的最佳权值和阈值,建立CH4气体的PSO-BP温度补偿模型,克服了BP神经网络收敛速度慢、易陷入局部最优的缺点.结果表明:(1)基于TDLAS的CH4气体检测浓度随环境温度升高而下降,整个实验温度内相对误差范围为4.25％ ～12.13％,不同环境温度下C H4气体检测浓度与温度之间的关系可用一元三次多项式表示;(2)CH4气体的吸收强度和半宽度随着温度的升高而下降,与温度变化之间的关系为单调递减函数,温度对CH4气体吸收谱线强度的相对变化率大于吸收谱线半宽度的相对变化率,CH4气体吸收谱线的强度更容易受温度变化的影响;(3)BP神经网络和PSO-BP模型测试样本的绝对平均误差(MAE)分别为12.88％ 和1.81％,平均绝对百分比误差(MAPE)分别为2.3％ 和0.3％,均方根误差(RMSE)分别为15.96％ 和2.69％,相关系数R2分别为0.9806和0.9996.通过建立PSO-BP温度补偿模型,补偿效果大部分分布在±1.0％ 的误差范围内,MAE,MAPE,RMSE和R2等评价指标均大幅度提升,对提高TDLAS技术在矿井C H4的精准检测具有一定的参考意义.
可调谐半导体激光吸收光谱;CH4浓度;精准检测;神经网络;粒子群优化;温度补偿
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TN249(光电子技术、激光技术)
国家重点研发项目2018YFC0808104
2021-11-15（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）
共7页
3632-3638
