摘要：由于社会经济的快速发展，人们对生态环境的保护意识逐渐提升，使得气体浓度检测的应用价值日益增强。为了改善气体浓度检测效果，因此，提出基于无线传感器和激光技术的气体浓度检测方法，实现气体浓度的准确检测。传统方法通常采用气相色谱法检测气体浓度值，但是该种方法无法解决高温产生的不利干扰，检测效率低。
关键词：无线传感器；激光技术；气体浓度；检测
1基于无线传感器和激光技术的气体浓度检测
1.1气体检测节点硬件结构
通过无线传感器网络的气体检测节点，完成气体浓度检测信息的无线传递，无线传感器网络气体检测节点的硬件结构图，用图1描述。
上图中各模块的作用描述如下:
(1)激光气体检测仪:采用激光气体检测仪，通过动态温度调控方法确保气体传感器周期运行，采用DSP处理器管理气体传感器电路中的动态加热电路输出电压的频率以及占空比。
(2)信号调理电路:该电路可调控气体传感器的响应信号。为了解决气体传感器电阻动态波动区间大的问题，设置的信号调理电路的灵敏度应足够大，因此应选择有效的放大滤波电路。
(3)DSP信号采集操作和数据无线传输:提取信号调理电路操作后的信号，通过DSP高效处理信号数据，并采用DSP实现模式识别算法，获取最终的气体浓度检测结果，同时采用无线传输模块将检测结果反馈到上位机中，上位机界面用于完成气体检测系统的监测。
1.2无线传感器网络通信
无线传感器网络中的节点部署在被感知的气体内部以及周围，这些节点通过协同的手段感知、采集以及操作网络中的气体浓度信息，采用多跳网络将数据经通过Sink节点链路向上位机反馈信息。上位机管理和处理无线传感器网络节点。无线传感器网络气体检测节点包括传感器信号采集、DSP信号处理以及无线传感器模块。其中的无线传感器模块中的处理器是无线单片机CC2430，其将8051微处理器当成内核单片机。该种单片机具有低功耗以及高灵敏度的优势。CC2430在采集以及发射模式下，电流损耗小于27mA以及25mA。
1.3激光气体检测仪设计和实现
气体检测节点中的激光气体检测仪，基于迈克尔干涉仪在不同气体中光程差的不同，使得干涩条纹的位置和强度发生变化的原理，基于光干涉后的强度波动实现气体浓度的检测，光源采用He－Ne激光器以及两组干涉光路，气体传感器的光学系统结构用图2描述。
激光器通电后形成激光，此时激光气体检测仪中的光路通过半反半透分束镜1变成光强一致的两路光，透射光通过分束镜变成光路1、2反射光，并通过分束镜3分束成光路3和4，光路1、2光路3、4在分束镜进行干涉产生干涉条纹。将其中一组光路当成参考量，另一组光路当成检测值。通过激光分束法，确保相干涉的两束光的偏振方向一致，则有θ=00。正常状态下外界环境较为稳定时，四条光路一致，不存光程差。将3条光路部署到外界环境内，1条光路部署到气室内，则外界环境变化时，1路光强不发生变化，其它3条光路光强的变化一致。
如果两组光干涉后的光强分别是I0(x，y)和I0'(x，y)，I1表示各路光的光强，两个偏振光间的夹角用θ来描述，φi为相位角。将获得的两组数据通过减法来解决，排除对外界的困扰。则迈克耳逊干涉光强的表达式为:
式中，I1(x，y)=I2(x，y)=I3(x，y)3个光强一致，如果外界环境发生波动，则3路光强变化是，并且变化量一致，I4(x，y)未发生变化。此时将公式(1)简化成:
由于当激光通过气体时，由于气体的浓度变化，导致光通过时的光程不同，也就是产生了一个光程差，出现了相位角φ。而φ=2πΔ1/λ=2π1Δn/λ，Δnn即是由于气体浓度的变化导致的折射率的变化量，Δl为引起的光程差。
采用的He－Ne激光器的波长是6217nm，通过MatroxMeteorII/Standard图像采集卡采集气体图像，将线阵CCD芯片以及LD当成光源，通过LCD液晶显示获取的干涉条纹。拍摄到的一路干涉条纹1在外界环境的波动时，浓度相差1%，条纹产生变化，产生干涉条纹2。对获取的干涉条纹1和干涉条纹2实施操作，实现气体浓度的检测，具体过程是:通过图像采集卡获取气体图像，获取有价值信息并进行数值类型的变换，获取灰度值，也就是光强度信息，并通过示波器显示光强度信息，采用公式运算出气体浓度值，对比分析浓度值和要求的浓度值，若检测浓度值低于要求浓度值，则继续进行采集;否则当检测浓度值高于要求浓度值时，进行报警。
1.4温度补偿算法及实验测试
环境温度会对气体浓度检测值产生较高的干扰，使得检测结果存在一定的偏差。为了提高检测精度，应采用多变量自适应线性插值迭代方法，对无线传感器气体检测节点的温度特性实施补偿，通过实验测试获取的大量离散基础数据，通过线性拟合获取多条特定气体浓度下的温度波动特性，在其它不确定气体浓度以及温度情况下，通过插值法获取温度补偿系数，采用迭代法不断逼近实际的气体浓度，该补偿算法的流程用图3描述。
其中温度补偿函数Fc(T)是基于温度补偿系数Ac(T)，检测数据线性拟合并基于浓度C以及T进行插值获取的函数，其如实验部分的式(3)所示。
2仿真测试
2.1实验设置
设置温度T0的环境，由传感器和气体样本构成，气体样本的温度是T0。在气室内通入浓度时零的标准气样，气室充满N2，2.5分钟后保存显示器显示的零点值，再间隔0.8分钟保存零点值，共进行4次，取4次运算的均值。在气室中融入浓度时量程数值的标准气样，2.5分钟后保存显示器的数值，再间隔0.8分钟保存数值，取4次运算的均值。在气室中分布融入不同量程范围中的标准气样，2.5分钟后保存显示器的数值结果，再间隔0.8分钟保存数值，取4次运算的均值。采用上述过程设置温度的环境，并在气室中融入浓度是零、量程数值、不同量程范围的标准CH4气样。
2.2检测结果和运算
在一定温度的状态下，融入标准气样，保存显示值，运算显示值和标准气样间的误差，分析是否超过允许误差范围，结果用表1描述。
表1检测记录与运算
从表1中能够看出无线传感器温度是12℃和32℃情况下，检测到的标准CH4气样的数值，能够看出最终的检测结果满足“AQ6211－2008《煤矿用非色散甲烷传感器》”要求的甲烷传感器的允许误差，检测结果都是合格，说明采用本文方法可精确检测到CH4气体的浓度，其检测误差在允许误差区间内，是一种有效的气体浓度检测方法。
实验调控温度控制箱的温度，模拟温度变化对检测系统的干扰，在30～200℃区间，间隔20℃当成一个特征温度点，在该状态稳定后融入5.%，10%，20%的标准CH4，保存补偿前后的检测数据，结果用表2描述。
表2进行温度变化补偿前后的检测数据
CH4浓度是5%，在温度30－200℃区间中的温度补偿函数Fc(T)用式(1)描述，将检测温度T融入式(1)中能够获取补偿系数Ac(T)。Fc(T)=4．5503×10－8T3－3．186×10－6T2－0．0037T+0．135(3)本文方法前7次检测到的CH4浓度受到温度200℃的干扰出现显著的偏差，则通过温度补偿系数实施补偿后也会存在较高的偏差，通过多次迭代后运算的CH4浓度值同补偿系数都趋于平稳。CH4浓度的检测值同迭代次数的关系用图4描述，系统的实验检测结果用图5描述。
分析上述实验可得，在30－200℃温度波动区间，20%的标准CH4，系统浓度检测值波动区间由补偿前的20%－7.34%减少到20.2%－19.6%;对于10%的标准CH4，系统检测值波动区间由补偿前的10%－2.36%减少到10.2%－9.7%;对于5%的标准CH4，系统检测值波动区间由补偿前的5%－1.12%到5.02%－4.95%。30－200℃区间中，系统采用本文方法实施温度补偿后，检测CH4浓度值随温度的检测误差减少到2%以内，使得系统在温度波动环境下的气体浓度检测精度大大提升。
3结束语
为了有效处理温度就气体浓度检测的不利干扰，增强气体浓度检测精度，提出了基于无线传感器和激光技术的气体浓度检测方法，并通过多变量自适应线性插值迭代方法，对气体检测节点的温度特性进行温度补偿，实验结果表明，该检测克服了传统方法存在的缺陷，提高了气体浓度的检测精度，具有广泛的应用前景。
参考文献:
［1］张聪，余文峰，夏珉，等．光纤受激布里渊散射的光信号特性分析［J］．激光技术，2016，40(3):363－366．
［2］阴亚芳，周圆，杨，等．基于光子晶体光纤的气体传感系统设计与实现［J］．半导体光电，2015，36(5):811－814．
论文作者:杜海波,田亮亮,郝欣
论文发表刊物:《电力设备》2019年第6期
论文发表时间:2019/7/16
标签：浓度论文; 气体论文; 温度论文; 传感器论文; 节点论文; 激光论文; 光程论文; 《电力设备》2019年第6期论文;