纺织品甲醛检测系统的设计与实现.pdf

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纺织品甲醛检测系统的设计与实现
Design and implementationfor thedetermination system of formaldehyde in textiles
袁晔,王永忠
YUAN Ye, WANG Yong-zhong
(北京服装学院信息工程学院,北京100029)
摘要:纺织品甲醛含量的低浓度、小样本特性以及电化学反应的交叉干扰是制约电化学方法应用于纺
织品甲醛检测的主要技术瓶颈。为提高低浓度、小样本条件下的泛化性能,应用自回旧AR预
测模型对气态甲醛低浓度区同的晌应数据进行插值。为抑制电化学反应的交叉干扰,应用经
验模态分解,买现气态甲醛响应数据和高烦干扰的分离。在此基础上,通过分区间回归建模
逼近买际的气态甲醛响应,进一步别除附加在气态甲醛响应数据上的低频干扰。结合上述算
法,设计并买现了基于MSC1210控制器的纺织品甲醛检测系统。实验结果表明,设计的系
统能够有效抑制电化学反应的交叉干扰,降低橦測下限,提高榆測灵敏度。
关银词:纺织品甲检测測;经验模态分解;自回AR预测;分区同回归;MSC1210
中日分类号:TP212
文献标识码:A
文绵号:1009-0134(2015)06(上)-0140-05
Doi:10.3969/j.issn.1009-0134.2015.06(上).4
0引言
去除附加的低频干扰。在此基础上,设计基于MSC1210
甲醛含量是纺织品极为重要的安全卫生指标,纺织
微控制器的纺织品甲醛检测系统,实现纺织品甲醛含量
品中存在的可挥发性甲醛对人类健康的影响已日益引起
人们的关注。生态纺织品研究和检验的国际标准Oeko
益引起的动态测定。
Tex Standard100对纺织品中甲醛含量实行了严格限制。
响应模式提取与辨识
四大主要纺织产品:婴儿用品类、直接接触皮肤类、不1.1响应数据插值
直接接触皮肤类以及装饰类的甲醛含量分别不应超过
20mg/kg、75mg/kg、300mg/kg和300mgkg。因此,实
纺织品可挥发性甲醛的气态样本过于稀疏,难以
时、准确地检测纺织品中的微量甲醛对保障纺织品的安
拟合检测器的响应特性。需通过数据插值算法适当增加
全应用具有重要的现实意义。
系统响应的建模样本,尤其对于测量值较低而测量误差
与传统的检测纺织品甲醛含量的分析化学方法2~4
较大的区间插补足够的样木值以建立精确的系统响应模
相比,电化学方法具有响应速度快、检测时间短、可
型。在假定被测气态甲醛实际浓度值与预测浓度值线性
在线检测和实时监控的优势。但低浓度条件下的小样木
关联的条件下,本系统应用自回归AR模型对未测定数
特性制约了电化学方法检测下限的降低和泛化精度的提
据进行插补。即首先对检测器给出的测量数据进行AR
高。为解決这一问题,本文应用自回归AR模型对气态
建模,将AR模型的求解问题转化为测量数据线性组合
甲醛浓度值较低而测量误差较大的数据区间进行预测插
的系数求解问题。再应用检测得到的数据确定被测申醛
值,以增加低浓度区间的检测样本数量。另一方面,气
浓度自协方差函数的估计值,根据被测甲醛浓度自协方
敏材料的交又敏感性致使电化学反应的输出不仪包括
差函数的估计值建立并求解以AR模型的系数为自变量
气态甲醛的响应信息,还包括非甲醛类物质的响应信息
的Yule- Walker方程。将Yule- Walker方程的解代入AR模
形成的各种交又干扰。交叉干扰影响气态甲醛含量测定
型并计算AR模型的输出结果即为到待插值的数据
的准确性,严重甚至导致完全错误的检测结果。本文12响应模式提取
应用经验模态分解算法分离气态甲醛响应数据和高频干
电化学传感器MIC-50-CH20的工作原理是利用吸
扰,并对系统的响应模型分段进行定量辨识。对于低浓附在传感器电极上的气态甲醛分子与传感器电极气敏材
度的气态甲醛,将其响应拟合为一元线性回归模型;而料所发生的电化学反应,电化学反应所产生的响应电流
对于中高浓度的气态甲醛,则将其响应拟合为偏最小
与气态甲醛的浓度成正比。但由于气敏材料的交叉敏感
乘回归模型。通过分区间回归逼近实际的气态甲醛响应特性,其他挥发性有机物也可能形成传感器的响应电
收日期:2015-01-26
基金项目:北京市服装材料研究开发与评价重点实验室开放课题(2010ZK-09)
作者简介:袁晔(1967-),男,湖南省洞口人,工学博士,研究方向为信号与图像处理及其在纺织服装领域的应用。
140】第37卷第6期2015-06(上
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流。因此,气态甲醛检测器的响应信息不仅仅包括气态测。检测结果由控制单元传送至显示单元进行显示和动
甲醛的响应,还包括了其他挥发性物质所形成的干扰,态监控
气态甲醛检测器的全响应具有典型的多分量广谱特征。
上位机
本文将多分量信号的经验模态分解算法引入气态甲醛响
醛传感器
响应模式提取
LCD显示器
辨识算法
应的提取,通过经验模态分解将传感器的响应分解为
若千具有不同尺度结构的单分量信号与趋势信号,提取
信号调理单元
通信接口单元
显示接口模块
其中的趋势信号作为气态甲醛的响应信息。
ADC
串口0
并口
1.3响应模式辨识
单片机控制单元
如何辨识气态甲醛定量响应模式是本系统要解决的
关键技术问题。设计中采取的技术措施是:首先在标
图1纺织品甲醛含量检测系统总体结构框图
准的室内环境下,以传统标准方法对多批不同浓度的气
态甲醛进行检测,确定浓度值,同时以气态甲醛检测系2.2硬件系统设计
统对相应的气态甲醛样本进行检测,得到不同甲醛浓度2.2.1甲醛传感器的选取
的响应值。根据甲醛浓度实际值与响应值的对应关系将
为满足纺织品甲醛含量测定的精度和分辨率要求,
检测系统的响应特性划分为不同的区间,分段进行定量系统选用高精度、长寿命、在线检测的进口电化学甲醛传
识别。即低浓度区间采用一元线性回归模型,而中高浓感器MC-S00CH2O,其测量范围为0~10pm,分辨率为
度区间则采用偏最小二乘回归模型以去除冗余的传感器0.01ppm,精度为土3%FS,输出信号为4mA~20mA。
低频干扰,使建立的模型辨识精度更高。
2.2.2信号调理单元设计
低浓度条件下根据气态甲醛浓度的实际值与响应值
信号调理单元将甲醛传感器输出的4mA~20mA的电
的相关关系建立二者之间的线性回归方程。为确定回归流信号转换成0~5V的电压信号,以满足控制电路中的
方程的未知参数,以气态甲醛浓度的响应值与回归方程
AD转换器对输入信号的要求。信号转换电路输出电压
直线的平均离差最小为条件,通过最小二乘算法LMS求
如图2所示。其中,传感器输出电流为4mA~20mA,输
解出回归方程未知参数的值。回归模型定量辨识的优度
出电压V。』为0~5V。令R2=R3=1k,通过计算确定基准
由R-统计量进行检验,气态甲醛浓度的实际值与响应值
电压V-和电阻R1的值分别为+1.25V和156252
的相