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基于支持向量机的矿用红外瓦斯检测系统研究

作　者: 张丽
导　师: 王汝琳
学　校: 中国矿业大学（北京）
专　业: 控制理论与控制工程
关键词: 矿井红外瓦斯传感器支持向量机吸收建模
分类号: TP274.52
类　型: 博士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

本文深入研究了红外光谱的产生机理和红外辐射传播时的衰减规律,分析了气体吸收红外辐射能量的带模型的局限性。为了补偿干扰因素造成的误差,设计了反射型单光源双探测器和分光型双光源双探测器光路结构,理论分析和实验结果说明分光型双光源双探测器光路结构性能优良。为了克服硬件光路结构补偿能力有限以及红外吸收带模型的局限性,提高检测精度,建立和实现了基于支持向量机回归的红外瓦斯传感器数学模型。以统计学习理论为基础的支持向量机以小样本、非线性为特点,其算法与结构统一于一体。通过对模型进行训练和测试确定了模型结构,同时研究了模型参数的控制作用,实验结果验证了该模型的有效性和准确性。对应用于煤矿井下恶劣环境的红外瓦斯传感器和采用嵌入式实时系统的检测系统进行了研究和实现,并对样机性能进行了测试,实验结果表明该系统具有良好的抗干扰能力和稳定性,测量精度高,响应迅速并且功耗低,达到了预期的设计目标,满足了煤矿井下恶劣环境对瓦斯浓度测量的要求。

全文目录

摘要  5
Abstract  5-6
详细摘要  6-8
Detailed Abstract  8-14
1 引言  14-26
  1.1 课题的研究背景和意义  14-17
  1.2 矿井瓦斯气体检测的基本原理  17-20
    1.2.1 光干涉型瓦斯传感器  17
    1.2.2 载体催化型瓦斯传感器  17-18
    1.2.3 热导型瓦斯传感器  18
    1.2.4 气敏半导体型瓦斯传感器  18-19
    1.2.5 红外型瓦斯传感器  19-20
  1.3 红外检测技术国内外研究状况  20-22
  1.4 建立基于支持向量机的红外瓦斯传感器数学模型的必要性  22-24
    1.4.1 机器学习  22-23
    1.4.2 支持向量机  23
    1.4.3 建立支持向量机的红外瓦斯传感器数学模型的必要性  23-24
  1.5 论文的创新点和主要内容  24-26
    1.5.1 论文的创新点  24
    1.5.2 论文的主要内容  24-26
2 红外检测技术理论  26-36
  2.1 普朗克定律  26-28
  2.2 斯蒂芬—玻尔兹曼定律  28-29
  2.3 朗伯定律和朗伯—比耳定律  29-31
  2.4 红外吸收带模型  31-34
    2.4.1 爱尔撒司模型  32-33
    2.4.2 古迪模型  33-34
    2.4.3 随机模型  34
    2.4.4 准随机模型  34
  2.5 红外吸收带模型的局限性  34-35
  2.6 本章小结  35-36
3 基于支持向量机的矿用红外瓦斯传感器数学模型的相关理论研究  36-62
  3.1 最优化理论基础  36-43
    3.1.1 机器学习问题  36-39
    3.1.2 最优化问题  39-40
    3.1.3 凸最优化  40-42
    3.1.4 最优性条件  42-43
  3.2 支持向量机的基本思想  43-50
    3.2.1 最优超平面  43-46
    3.2.2 广义最优超平面  46-47
    3.2.3 支持向量机  47-50
  3.3 支持向量机回归  50-58
    3.3.1 回归问题  50-52
    3.3.2 损失函数  52-55
    3.3.3 支持向量机回归  55-58
  3.4 支持向量机应用  58-61
    3.4.1 模式识别  58-59
    3.4.2 回归估计  59-61
  3.5 本章小结  61-62
4 基于支持向量机的矿用红外瓦斯传感器数学模型的建立  62-82
  4.1 建立红外瓦斯传感器数学补偿模型的必要性  62-63
  4.2 红外瓦斯传感器校正补偿原理  63
  4.3 基于支持向量机的红外瓦斯传感器数学模型的建立  63-76
    4.3.1 ε-支持向量机回归模型  63-65
    4.3.2 最小二乘支持向量机模型  65-67
    4.3.3 ν-支持向量机回归模型  67
    4.3.4 核扩展  67-72
    4.3.5 模型参数的控制作用  72-76
  4.4 基于支持向量机的矿用红外瓦斯传感器模型的实现、训练和测试  76-79
  4.5 实验结果及分析  79
  4.6 本章小结  79-82
5 基于支持向量机的矿用红外瓦斯检测系统研究与实现  82-106
  5.1 红外瓦斯检测系统性能要求  82-83
  5.2 矿用红外瓦斯传感器研究与实现  83-93
    5.2.1 红外气体传感器基本组成  83-84
    5.2.2 矿用红外瓦斯传感器构件选型  84-86
    5.2.3 矿用红外瓦斯传感器气室光学结构  86-89
    5.2.4 矿用红外瓦斯传感器性能测试  89-93
  5.3 矿用红外瓦斯检测装置设计与实现  93-98
    5.3.1 系统电源模块设计与实现  93-94
    5.3.2 信号采集电路设计与实现  94-95
    5.3.3 LCD显示与人机交互模块电路设计与实现  95-96
    5.3.4 串口通信电路设计与实现  96-97
    5.3.5 系统其他电路设计与实现  97-98
  5.4 基于支持向量机的矿用红外瓦斯检测系统软件实现  98-103
    5.4.1 矿用红外瓦斯检测系统主程序设计与实现  99
    5.4.2 矿用红外瓦斯检测系统部分子程序设计与实现  99-103
  5.5 基于支持向量机的矿用红外瓦斯检测系统性能测试  103
  5.6 本章小结  103-106
6 结论与展望  106-108
  6.1 结论  106-107
  6.2 展望  107-108
参考文献  108-116
致谢  116-118
作者简介  118

基于支持向量机的矿用红外瓦斯检测系统研究

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