《電子技術(shù)應(yīng)用》
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基于SCA-PSO的支持向量回歸車(chē)輛尾氣傳感器溫濕度補(bǔ)償方法研究
電子技術(shù)應(yīng)用
呂應(yīng)明，袁文平
北京市科學(xué)技術(shù)研究院智能裝備研究所
摘要： 氮氧化物和顆粒物是柴油機(jī)車(chē)尾氣排放的兩種主要污染物。利用車(chē)輛尾氣檢測(cè)裝置對(duì)柴油機(jī)車(chē)進(jìn)行尾氣排放監(jiān)控是治理城市空氣污染的一項(xiàng)有效措施。對(duì)于氮氧化物氣體傳感器而言，基于其檢測(cè)原理，溫度和濕度會(huì)對(duì)其檢測(cè)過(guò)程發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生較大影響，因此需要相應(yīng)的溫濕度補(bǔ)償方法來(lái)提升傳感器測(cè)量精度。為此，設(shè)計(jì)了一種車(chē)載式車(chē)輛尾氣檢測(cè)裝置，并提出了一種基于正余弦優(yōu)化算法（SCA）和改進(jìn)式粒子群優(yōu)化算法（PSO）的支持向量回歸（SVR）的傳感器溫濕度補(bǔ)償方法，通過(guò)傳感器實(shí)時(shí)檢測(cè)氮氧化物氣體和顆粒物濃度，并利用補(bǔ)償模型對(duì)傳感器檢測(cè)值進(jìn)行溫濕度補(bǔ)償。經(jīng)過(guò)測(cè)試數(shù)據(jù)訓(xùn)練和驗(yàn)證，補(bǔ)償模型可以有效降低由溫濕度造成的誤差，能夠滿(mǎn)足工程需求。
中圖分類(lèi)號(hào)：TP212.9；TP277；TP391 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A DOI: 10.16157/j.issn.0258-7998.245963
中文引用格式： 呂應(yīng)明，袁文平. 基于SCA-PSO的支持向量回歸車(chē)輛尾氣傳感器溫濕度補(bǔ)償方法研究[J]. 電子技術(shù)應(yīng)用，2025，51(5)：38-43.
英文引用格式： Lv Yingming，Yuan Wenping. Research on temperature and humidity compensation method of vehicle gas sensor based on SCA-PSO support vector regression[J]. Application of Electronic Technique，2025，51(5)：38-43.
Research on temperature and humidity compensation method of vehicle gas sensor based on SCA-PSO support vector regression
Lv Yingming，Yuan Wenping
Institute of Intelligent Equipment， Beijing Academy of Science and Technology
Abstract： Nitrogen oxides and particulate matter are the two main pollutants emitted by diesel locomotive exhaust. It is an effective measure to control urban air pollution to monitor the exhaust emission of diesel locomotives by using the vehicle exhaust gas detection device. For a nitrogen oxide gas sensor, based on its detection principle, temperature and humidity will have a greater impact on the chemical reaction in the detection process, so a corresponding temperature and humidity compensation method is required to improve the measurement accuracy of the sensor. In this paper, a vehicle-mounted vehicle exhaust gas detection device is designed and a sensor temperature and humidity compensation method based on Support Vector Regression (SVR), Sine Cosine Algorithm(SCA) and Particle Swarm Optimization (PSO) is proposed. The concentration of nitrogen oxide gas and particulate matter, and the compensation model is used to compensate the temperature and humidity of the sensor detection value. After testing data training and validation, the compensation model can effectively reduce errors caused by temperature and humidity, and can meet engineering requirements.
Key words : exhaust gas detection；Internet of Things；SVM；SCA；PSO；temperature and humidity compensation

引言

近些年，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，各類(lèi)車(chē)輛的保有量迅速增加，車(chē)輛尾氣是城市空氣污染的重要來(lái)源之一[1]。尾氣中存在大量的一氧化碳、氮氧化物以及顆粒物和粉塵[2]。其中氮氧化物（Nitrogen Oxide, NOx）和顆粒物（Particulate Matter, PM）是對(duì)人體危害較大的兩種污染物。氮氧化物會(huì)對(duì)人的眼、鼻、喉以及支氣管造成較大的損傷[3]。顆粒物主要是指PM10（可吸入顆粒物），經(jīng)人體吸入后容易沉積在肺泡內(nèi)并可能致癌[4]。

在上述兩種污染物的主要排放源中柴油機(jī)車(chē)占了總量的80%~90%[5]。在這樣的情況下，2020年我國(guó)開(kāi)始實(shí)施柴油車(chē)的第四階段管理標(biāo)準(zhǔn)[6]。從上述各方面來(lái)看，柴油車(chē)尾氣污染物排放的控制與監(jiān)管對(duì)控制環(huán)境污染與提升大氣質(zhì)量來(lái)說(shuō)至關(guān)重要。針對(duì)這個(gè)問(wèn)題，本文將設(shè)計(jì)并搭建一款車(chē)載式尾氣檢測(cè)平臺(tái)，利用單片機(jī)與傳感器模塊，實(shí)時(shí)在線(xiàn)檢測(cè)車(chē)輛尾氣中NOx氣體和PM的濃度，并利用物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸模塊實(shí)時(shí)將檢測(cè)數(shù)據(jù)上傳至云端平臺(tái)。

檢測(cè)平臺(tái)中的NOx傳感器原理基于電化學(xué)反應(yīng)，利用催化電極將氮氧化物氣體分解成氮?dú)夂脱鯕?，之后利用氧氣的濃度與分解前氮氧化物氣體濃度成比例的特點(diǎn)，檢測(cè)出氮氧化物氣體濃度。而上述反應(yīng)一般會(huì)受到溫度、濕度等因素影響[7]。在檢測(cè)平臺(tái)中，除溫濕度兩者會(huì)隨使用環(huán)境或檢測(cè)設(shè)備變化外，其余影響因素均已確定。因此可以利用溫濕度補(bǔ)償方法來(lái)降低其對(duì)輸出結(jié)果的影響。在NOx氣體傳感器內(nèi)部沒(méi)有集成溫度和濕度補(bǔ)償器的情況下，只能選用軟件溫濕度補(bǔ)償?shù)姆绞絹?lái)進(jìn)行。

軟件補(bǔ)償是傳感器補(bǔ)償?shù)囊环N方式，整體思路是用檢測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)模型進(jìn)行訓(xùn)練后得到補(bǔ)償模型，之后利用該模型對(duì)檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)補(bǔ)償。一般來(lái)說(shuō)，支持向量機(jī)訓(xùn)練的模型在存儲(chǔ)與識(shí)別過(guò)程中僅需要依賴(lài)支持向量，即識(shí)別方法具有更高的響應(yīng)速度，具有較好的實(shí)時(shí)性，十分適合用于車(chē)載式尾氣檢測(cè)。基于上述優(yōu)點(diǎn)，本文提出了一種基于支持向量回歸（Support Vector Regression, SVR）以及正余弦優(yōu)化算法（Sine Cosine Algorithm, SCA）改進(jìn)式粒子群優(yōu)化算法（Particle Swarm Optimization, PSO）的傳感器溫濕度補(bǔ)償方法，用于補(bǔ)償NOx氣體傳感器由于溫濕度引起的誤差。


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作者信息：

呂應(yīng)明，袁文平

（北京市科學(xué)技術(shù)研究院智能裝備研究所，北京 100061）


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