申请/专利权人：国网湖南省电力有限公司;国网湖南省电力有限公司供电服务中心(计量中心);国家电网有限公司

申请日：2021-11-03

公开（公告）日：2024-04-16

公开（公告）号：CN114018326B

主分类号：G01D21/02

分类号：G01D21/02

优先权：

专利状态码：有效-授权

法律状态：2024.04.16#授权;2022.02.25#实质审查的生效;2022.02.08#公开

摘要：本发明公开了一种基于微系统传感器阵列的低压台区环境多参量检测方法，包括步骤：采用结构映射算法，建立微系统传感器阵列输出电流与各参量之间的一一对应关系，消除各参量之间的交叉干扰，获得多参量同时检测的准确模型；其中多参量包括温度、湿度、气体浓度、电流和磁场；所述微系统传感器阵列包括多个三电极结构电离式传感器；其中多个三电极结构电离式传感器的阴极制作在同一块极板上，引出极和收集极具有相同的结构，但极间距不同；获取微系统传感器阵列输出电流，再通过上述准确模型匹配得到低压台区环境多参量值。本发明集成度高，体积小，智能化及数字化水平高，成本低等优点。

主权项：1.一种基于微系统传感器阵列的低压台区环境多参量检测方法，其特征在于，包括步骤：采用结构映射算法，建立微系统传感器阵列输出电流与各参量之间的一一对应关系，消除各参量之间的交叉干扰，获得多参量同时检测的准确模型；其中多参量包括温度、湿度、气体浓度、电流和磁场；所述微系统传感器阵列包括多个三电极结构电离式传感器；其中多个三电极结构电离式传感器的阴极制作在同一块极板上，引出极和收集极具有相同的结构，但极间距不同；获取微系统传感器阵列输出电流，再通过上述准确模型匹配得到低压台区环境多参量值；采用脉冲电源作为传感器的激励；其中气体包括H2、C2H2和CH4，对应的温度干扰下的混合气体检测的数据融合过程为：其中结构映射算法为支持向量机，其中混合气体和温度的支持向量机模型包括输入层、核函数层和输出层；以传感器阵列输出电流向量I＝[IH2,IC2H2,IC2H4,IT]和支持向量Ik＝[IkH2,IkC2H2,IkC2H4,IkT]作为输入层，以混合气体中三个组份的浓度及温度计算值φ'H2、φ'C2H2、φ'C2H4、T'为模型输出层；输入层和输出层中间为核函数层，核函数有很多种形式，包括线性核函数、多项式核函数、RBF核函数及张量积核函数；支持向量机结构通过核函数KI,Ik运算将输入空间的数据映射到高维特征空间，之后通过由拉格朗日乘子a1k–a4k和偏移量b1–b4确定的线性回归函数实现数据拟合；温度干扰下NOSO2O2PM1PM2.5PM4PM10混合气体及颗粒物检测的数据融合过程为：用于微系统传感器阵列检测NOSO2O2PM1PM2.5PM4PM10混合气体、颗粒物及温度的支持向量机由输入层、核函数层以及输出层构成；输入层包括硅微米柱三电极传感器阵列中不同极间距传感器收集极电流构成的电流向量I＝[IT,INO,ISO2,IO2,IPM1,IPM2.5,IPM4,IPM10]和由传感器阵列标定实验数据作为训练样本构成的支持向量Ik＝[IkT,IkNO,IkSO2,IkO2,IkPM1,IkPM2.5,IkPM4,IkPM10]；核函数层则包括核函数KI,Ik、拉格朗日乘子α1k-α8k和阈值bk，n为训练样本数量；核函数层通过核函数将输入层数据映射到高维特征空间，通过拉格朗日乘子和阈值确定线性函数实现数据通融合；输出层则输出对应传感器阵列收集极电流向量I的温度、NO浓度、SO2浓度、O2浓度、PM1浓度、PM2.5浓度、PM4浓度和PM10浓度；温度检测理论依据为：三电极电离式传感器对温度极为敏感，有热发射、热电离的特征，可检测温度，具体地：I＝I0eαd1α＝APe-BPE2 其中，I是传感器输出电流；I0是初始放电电流；je是阴极发射电流密度；α是气体第一电离系数；d是α过程的距离；E是阴极纳米尖端电场强度；P是气体压强；A和B是与气体种类及温度有关的常量；ε0是绝对电容率；Φ是加电场前的电子逸出功；e为一个电子所带电荷量；BE是发射常数，其值与材料及表面条件有关；k是玻尔兹曼常数；收集电流Ic是I的一部分，则Ic＝fT；温度升高，电流Ic增加；湿度检测理论依据为：三电极电离式传感器收集极电流和相对湿度呈现单调上升的趋势，随着相对湿度的增加，传感器的收集极电流逐渐增大；其中相对湿度的测量公式如下所示：Pw＝RH×PS4式中，Pw是当前待测水蒸气的气压，Ps是饱和水蒸气产生的气压，Ps的计算采用Wexler公式： 式中T为水蒸气的绝对温度，C0＝-6.044×103；C1＝1.893×101；C2＝-2.824×10-2；C3＝1.724×10-5；C4＝2.858；在气体碰撞电离中，温度及激励电压固定时，水蒸气碰撞电离系数α主要取决于水蒸气压强Pw，表达式为： 其中烟雾检测理论依据为：第一电离系数α与气体种类及浓度有关，收集电流Ic的变化能够反映传感器电极间气体种类及浓度的变化，可以用来检测气体浓度；另外，当传感器电极间存在颗粒物时，一部分正离子和颗粒物相碰撞，转移电荷，使颗粒物荷电；带电的颗粒物和其余正离子在浓度梯度作用下，通过扩散作用向引出极运动；通过引出孔后，在反向电场的作用下向收集极加速运动；到达收集极后，收集极收集带电的颗粒物和正离子，产生收集极电流Ic；已知气体放电电流Ic＝I0eαd，α＝APe-BPE，及理想气体状态方程PV＝nRT，得到公式7、8、9，说明颗粒物浓度变化会引起放电电流的变化；式中P是气体压强；V是气体体积；R是理想气体常数； 其中电流检测理论依据为：根据电磁感应定律，对电流进行间接测量；对于载流长直导线内同方向电流I的任意微元电流dl产生的感应磁场微元dB方向相同，根据毕奥萨伐尔定律，可知A点处感应磁场为： 式中θ为A点与长直导线上任一点连线与长直导线之间的夹角；沿A点作垂线AO，AO长度为r0，导线微元dl距离O点l，得： 其中θ1、θ2为L1、L2两端对应的θ角度值，当导线L1、L2两点距离无限长时，θ1＝0、θ2＝π，带入公式11则有： 式13表明，当电流I通过导体时，会在导体周围产生磁感应强度B，且磁感应强度B正比于电流I；由此可见，电流传感器的基本原理是：准确测量电流传感器内部固定位置的磁感应强度B，通过信号处理得到被测电流的大小和方向；其中磁场检测理论依据为：三电极电离式传感器基于放电原理，置于磁场中时，由于放电区域附近磁场力的作用，自由电子产成了旋转和迁移运动即拉莫运动，延长了其运动路程，延长了在极板间的停留时间，增大了自由电子与气体分子的碰撞频率，有效的增强了放电电极附近气体分子的电离，提高了带电粒子浓度，使放电电流密度j增大；同时，根据磁场中的电子运动方程和电子能量方程，电子能量的增加使电子碰撞电离的几率增加，从而产生更多的正离子，使收集电流密度jc增加； 其中，μ为带电粒子迁移率，N为带电粒子密度，v为带电粒子速度，E为电场强度，DMGF为磁场作用下等离子体的扩散系数，B为磁感应强度；m为电子质量，e为电子电荷，ve为电子运动速度；Q为电子能量；同时，极间放电产生的电子和正离子，都会受到磁场的作用力；其中多参量同时检测的理论依据为：由于收集电流Ic和传感器极间距d的非线性关系，不同极间距的传感器输出电流值Ic不同，可用不同极间距的传感器同时检测多参量。

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