Luận án Nghiên cứu nâng cao chất lượng đo nồng dộ khí độc hại trong môi trường công nghiệp dùng mạng nơ ron

1 
MỞ ĐẦU 
1. Tính cấp thiết của đề tài 
Hiện nay, chất lượng không khí trong môi trường dân sinh cũng như môi 
trường công nghiệp ngày càng xuống thấp. Sự gia tăng các nguồn khí thải 
nhân tạo từ các hoạt động công nghiệp và sinh hoạt đã đưa vào khí quyển 
hàng trăm tấn khí độc hại như: H2S, NH3, SO2, NOx, CO, CO2, O3... Đây là 
một trong những hiểm họa trong cuộc sống hiện đại khi mà lĩnh vực sản xuất 
ngày càng phát triển. Bên cạnh việc nâng cao chất lượng sản xuất có tính bền 
vững và bảo vệ môi trường thì công tác giám sát, cảnh báo chất lượng không 
khí cũng rất quan trọng. Trong môi trường công nghiệp các loại khí độc hại 
nếu vượt quá một tỷ lệ giới hạn nhất định sẽ ảnh hưởng trực tiếp đến sức khỏe 
người lao động cũng như môi trường sống của con người. Do vậy, vấn đề 
nâng cao chất lượng đo lường, giám sát các loại khí độc hại để đưa ra các giải 
pháp hạn chế, loại bỏ chúng là nhiệm vụ cấp bách và quan trọng trong việc 
bảo vệ môi trường và an sinh xã hội. 
Về vấn đề này, trên thế giới và Việt Nam đã và đang có nhiều các nhà 
khoa học quan tâm và công bố nhiều kết quả nghiên cứu của mình. Tuy nhiên, 
môi trường công nghiệp rất phức tạp với sự pha trộn của rất nhiều loại khí, 
bên cạnh đó yếu tố nhiệt độ và độ ẩm của môi trường cũng dẫn đến làm suy 
giảm độ chính xác của các phép đo. Vì vậy vấn đề nghiên cứu nâng cao chất 
lượng cho các phép đo nồng độ khí vẫn còn tồn tại nhiều bất cập, hạn chế cần 
phải tiếp tục nghiên cứu, hoàn thiện. 
2. Mục đích nghiên cứu 
Mục đích nghiên cứu của luận án là ứng dụng ANN để nâng cao chất 
lượng cảm biến bán dẫn đo nồng độ khí H2S, NH3 và CO. 
2 
3. Đối tượng nghiên cứu và phạm vi nghiên cứu 
 Đối tượng nghiên cứu của luận án là các cảm biến loại bán dẫn đo nồng 
độ khí độc hại trong môi trường công nghiệp. 
 Phạm vi nghiên cứu: Các loại cảm biến bán dẫn có đặc tính phi tuyến 
làm việc trong điều kiện bị ảnh hưởng của yếu tố môi trường như nhiệt độ và 
độ ẩm với hỗn hợp khí đầu vào, từ đó đề xuất các cấu trúc cảm biến ANN để 
nâng cao độ chính xác cho phép đo. 
4. Phương pháp nghiên cứu 
4.1. Nghiên cứu lý thuyết 
Luận án tập trung phân tích những ưu, nhược điểm các cảm biến bán dẫn 
là phần tử quan trọng trong hệ thống đo và phát hiện nồng độ các khí độc hại 
trong môi trường công nghiệp để đề xuất phương pháp nâng cao chất lượng 
phép đo. 
Nghiên cứu lý thuyết ANN nói chung và ANN MLP nói riêng, ứng dụng 
ANN đề xuất xây dựng cấu trúc cảm biến có tích hợp ANN để nâng cao chất 
lượng cảm biến bán dẫn. 
4.2. Mô phỏng và thực nghiệm kiểm chứng kết quả 
Kiểm chứng các kết quả nghiên cứu lý thuyết bằng mô phỏng off-line 
trên phần mềm Matlab để đánh giá những kết quả đạt được của các giải pháp 
đã đề xuất. 
Xây dựng mô hình thực nghiệm tiến hành kiểm chứng bằng thực nghiệm 
trên cảm biến thực cho ứng dụng loại trừ sai số của yếu tố ảnh hưởng. 
 5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài 
Luận án có ý nghĩa khoa học và thực tiễn trong lĩnh vực đo lường và 
ANN. 
Ý nghĩa khoa học: Sử dụng phương pháp ứng dụng ANN, là công cụ với 
khả năng tính toán song song, bền với nhiễu và lỗi của số liệu đầu vào, có khả 
3 
năng thực thi dưới dạng phần mềm hoặc phần cứng để nâng cao chất lượng 
của cảm biến đo nồng độ khí. 
Ý nghĩa thực tiễn: Kết quả nghiên cứu của luận án có thể sử dụng để tích 
hợp, cải tiến, chế tạo mới các cảm biến bán dẫn đo nồng độ chất khí trong môi 
trường công nghiệp. 
6. Những đóng góp mới của luận án 
Nghiên cứu một số vấn đề lý luận và mô phỏng, kiểm nghiệm thực tế 
nhằm ứng dụng ANN để nâng cao chất lượng cảm biến bán dẫn đo nồng độ 
khí H2S, NH3 và CO trong khí thải công nghiệp cụ thể là trong các ứng dụng: 
 Xây dựng cấu trúc cảm biến ứng dụng mạng ANN để bù sai số của 
yếu tố ảnh hưởng, ANN có cấu trúc đơn giản có một đầu vào là nhiệt 
độ, số nơ-ron lớp ẩn thấp chỉ từ 1→2 nơ-ron để xấp xỉ chính xác các 
đặc tính ảnh hưởng của nhiệt độ và độ ẩm tới kết quả đo, từ đó làm cơ 
sở cho ứng dụng bù, phần bù chỉ dùng phương pháp nội suy tuyến tính 
và tính toán, đây là đóng góp mới và khác biệt với các công trình khác 
sử dụng ANN có hai đầu vào là nhiệt độ, độ ẩm và số lớp ẩn, số nơ-
ron lớp ẩn lớn. 
 Xây dựng cấu trúc cảm biến ứng dụng mạng ANN có khả năng loại 
trừ tính phản ứng đa khí đó là có khả năng phân biệt và ước lượng 
chính xác được nồng độ khí thành phần có trong hỗn hợp khí đầu vào. 
 Xây dựng cấu trúc cảm biến ứng dụng mạng ANN có thể điều chỉnh 
đặc tính của cảm biến. 
 Ngoài ra còn đóng góp xây dựng cấu trúc cảm biến tích hợp ba chức 
năng như: Bù sai số nhiệt độ và độ ẩm, khắc phục tính phản ứng đa 
khí và điều chỉnh đặc tính của cảm biến. 
4 
7. Kết cấu của luận án 
Mở đầu: Trình bày các vấn đề chung của luận án, tóm tắt về nội dung 
nghiên cứu, những đóng góp mới và kết cấu của luận án. 
Chương 1. Tổng quan về các cảm biến bán dẫn đo nồng độ khí trong 
môi trường công nghiệp. 
Giới thiệu về cảm biến bán dẫn, một số yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng 
phép đo, tổng quan các công trình đã nghiên cứu và các phương pháp nâng 
cao chất lượng cảm biến bán dẫn, từ đó tổng hợp lại các vấn đề còn tồn tại cần 
tiếp tục nghiên cứu cho giải pháp nâng cao chất lượng đo nồng độ khí độc hại 
trong môi trường công nghiệp. 
Chương 2. Ứng dụng mạng nơ-ron nhân tạo nâng cao chất lượng cảm 
biến bán dẫn đo nồng độ khí. 
Đây là nội dung nghiên cứu chính của luận án, luận án đề xuất cấu trúc 
cảm biến ứng dụng ANN, cụ thể là ANN MLP để giảm sai số ảnh hưởng, loại 
trừ tính phản ứng đa khí và điều chỉnh đặc tính để nâng cao chất lượng cho 
cảm biến bán dẫn đo nồng độ chất khí. 
Chương 3. Mô phỏng các giải pháp nâng cao chất lượng cảm biến đo 
nồng độ khí đề xuất. Ở chương này tác giả thực hiện mô phỏng trên phần 
mềm Matlab/Mfile các giải pháp đề xuất của luận án. Sử dụng cơ sở lý thuyết 
và cấu trúc đã đề xuất trong chương 2. 
Chương 4. Xây dựng hệ thống thực nghiệm ứng dụng ANN bù sai số 
của yếu tố ảnh hưởng của cảm biến. 
Với kết quả của chương 3 xác định được thông số tối ưu của cấu trúc 
ANN để triển khai trên thiết bị thực. Sử dụng nồng độ khí chuẩn và cảm biến 
MQ136 có ứng dụng ANN để bù sai số của các yếu tố ảnh hưởng đo nồng độ 
khí H2S nhằm khẳng định kết quả nghiên cứu lý thuyết. 
Phần cuối cùng là kết luận và hướng phát triển, danh mục các tài liệu 
tham khảo và các công trình đã công bố của luận án. 
5 
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ CÁC CẢM BIẾN BÁN DẪN ĐO NỒNG 
ĐỘ KHÍ TRONG MÔI TRƯỜNG CÔNG NGHIỆP 
Trong chương này sẽ trình bày tiêu chuẩn chất lượng một số chất khí độc 
hại trong môi trường không khí, để từ đó làm cơ sở lựa chọn các cảm biến đo 
nồng độ khí trong môi trường công nghiệp. Tiếp theo là nghiên cứu một số 
yếu tố ảnh hưởng đến cảm biến, tổng quan các công trình đã nghiên cứu và 
các phương pháp nâng cao chất lượng cảm biến, tổng hợp lại các vấn đề còn 
tồn tại cần tiếp tục nghiên cứu cho giải pháp nâng cao chất lượng cảm biến đo 
nồng độ khí độc hại trong môi trường công nghiệp. 
1.1. Tầm quan trọng của các loại cảm biến đo nồng độ khí độc hại 
1.1.1. Ảnh hưởng của các chất khí độc hại đến sức khỏe con người 
Như chúng ta biết, con người không thể sống được nếu môi trường sống 
thiếu không khí. Tuy nhiên môi trường không khí hiện nay đang bị ô nhiễm 
rất nặng nề. Ô nhiễm môi trường không khí đang là một vấn đề bức xúc đối 
với môi trường đô thị, công nghiệp và các làng nghề ở nước ta trong giai đoạn 
phát triển hiện nay. Ô nhiễm môi trường không khí có tác động xấu đến sức 
khoẻ con người, ảnh hưởng đến các hệ sinh thái và biến đổi khí hậu,... Công 
nghiệp hoá càng mạnh, đô thị hoá càng phát triển thì nguồn khí thải gây ô 
nhiễm môi trường không khí càng nhiều, áp lực làm biến đổi chất lượng 
không khí theo chiều hướng xấu càng lớn do đó yêu cầu bảo vệ môi trường 
không khí càng quan trọng. Trong các loại khí độc hại đó phải kể tới: Khí CO 
(nguồn khí thải từ các lò than, động cơ ô tô, xe máy), khí H2S và khí NH3 
(nguồn khí thải trong sản xuất nông nghiệp) là ba trong các loại khí độc hại 
hàng ngày con người chúng ta thường xuyên tiếp xúc. 
- Khí CO (Cacbomonoxit), là loại khí không màu, không mùi, không vị, 
tạo ra do sự cháy không hoàn toàn của nguyên liệu chứa Các bon (C). Khi hít 
6 
phải CO sẽ đi vào máu khiến cho cơ thể bị ngạt. Ở nồng độ nhỏ có thể gây 
đau đầu chóng mặt. Ở những nồng độ lớn hơn có thể gây tổn hại đến hệ thống 
tim mạch thậm chí gây tử vong. Khí CO hình thành ở những nơi đốt than 
thiếu ôxy, như từ khói thải của lò gạch nơi mà than cháy không triệt để, ống 
khói nhà máy nhiệt điện dùng than đá, các nồi nấu nhựa đường, khí xả động 
cơ ô tô, xe máy hay bếp than... 
- Khí H2S (hidrosunfua), mang mùi hôi thum thủm như trứng thối, cực 
độc và dễ cháy nổ. H2S là khí gây ngạt vì chúng tước đoạt ôxy rất mạnh; khi 
hít phải nạn nhân có thể bị ngạt, bị viêm màng kết do H2S tác động vào mắt, 
bị các bệnh về phổi vì hệ thống hô hấp bị kích thích mạnh do thiếu ôxy, có thể 
gây thở gấp và ngừng thở. H2S ở nồng độ cao có thể gây tê liệt hô hấp và nạn 
nhân bị chết ngạt. Khí H2S xuất hiện do đốt cháy không hoàn toàn các nhiên 
liệu (than đá, dầu...) chứa nhiều lưu huỳnh. H2S cũng bốc lên từ bùn ao, đầm 
thiếu ôxy (là nguyên nhân làm cá chết ngạt) hay trong các trang trại nuôi gia 
cầm công nghiệp. 
- Khí NH3 (amoniac) là một chất khí độc, có mùi khai, tan nhiều trong 
nước. Trong môi trường tự nhiên, amoniac có ở đất, do các vi khuẩn tạo ra và 
quá trình phân hủy xác động, thực vật, chất thải từ động vật. NH3 còn xuất 
phát từ các nguồn khí và nước thải trong nông nghiệp, công nghiệp, được xem 
là chất gây độc hại môi trường. Độc tính của chất này tùy thuộc vào nồng độ 
và dạng tiếp xúc. Ở hàm lượng thấp, NH3 gây cảm giác cay buốt, hàm lượng 
cao có thể khiến mù lòa, mùi có thể làm con người dị ứng nghiêm trọng. Chất 
này được xem là nguyên nhân lâu dài của bệnh viêm cuống phổi. 
Xuất phát từ những ảnh hưởng xấu của một số chất khí độc hại trên, Bộ 
Tài nguyên môi trường đã đưa ra những quy chuẩn nồng độ tối đa cho phép 
của một số khí này như trong bảng 1.1 
7 
Bảng 1.1. Nồng độ tối đa cho phép của một số chất độc hại trong không khí xung 
quanh [1, 2] 
TT Thông số Công thức hóa học Nồng độ cho phép 
(g/m3) 
1 Amoniac [2] NH3 200 
2 Hydrosunfua [2] H2S 42 
3 Cacbon monoxit [1] CO 30000 
Dựa vào các thông số trên bảng 1.1 làm cơ sở lựa chọn các cảm biến đo 
và cảnh báo nồng độ khí trong môi trường công nghiệp. 
1.1.2. Giới thiệu chung về cảm biến đo nồng độ khí 
Trên hình 1.1 trình bày sơ đồ nguyên lý một hệ thống đo và giám sát khí 
trong môi trường công nghiệp. Các nồng độ khí cần đo và cảnh báo được cảm 
nhận bằng các cảm biến tương ứng, xử lý tín hiệu đo rồi qua các bộ chuyển 
đổi, truyền thông để lưu trữ, hiển thị, cảnh báo. Trong hệ thống này một trong 
những khâu rất quan trọng quyết định đến chất lượng của hệ thống đó là các 
cảm biến đo nồng độ khí bởi nó là khâu đầu tiên trong toàn bộ hệ thống, tiếp 
xúc trực tiếp với môi trường đo. 
Cảm biến
Cảm biến
Xử lí tín hiệu Chuyển đổi
-Hiển thị
-Lưu trữ
-In kết quả
Xử lí tín hiệu Chuyển đổi
Truyền thông tin 
qua mạng 
Ethernet công 
nghiệp
Khí H2S
Khí CO
............................
Hình 1.1. Sơ đồ hệ thống giám sát nồng độ chất khí trong môi trường công nghiệp 
8 
Đo nồng độ các loại khí người ta thường dùng các loại cảm biến khác 
nhau [8, 23]. Các cảm biến đo nồng độ khí truyền thống có độ chính xác cao 
đó là sắc ký khí, thiết bị phân tích phổ linh động ion, thiết bị phân tích phổ 
khối lượng và thiết bị phân tích phổ hấp thụ hồng ngoại... Tuy nhiên, các thiết 
bị đo này có hạn chế như: kích thước lớn, cấu tạo phức tạp, giá thành cao, quá 
trình vận hành sử dụng thiết bị khó khăn và thời gian phân tích dài. Vì lý do 
đó, các thiết bị này đều được lắp đặt cố định và không thích hợp cho việc thực 
hiện phân tích nhanh và trực tiếp tại hiện trường. Để đáp ứng được với yêu 
cầu thực tế, các cảm biến khí hóa học trên cơ sở vật liệu dạng rắn (solid-state 
chemical gas sensor), cảm biến bán dẫn, cảm biến nhiệt xúc tác, cảm biến 
điện hóa, cảm biến dựa trên hiệu ứng trường của một số linh kiện bán dẫn, 
v.v. được nghiên cứu và ứng dụng nhiều trong thực tế. 
Cảm biến nhiệt xúc tác phù hợp cho phát hiện khí cháy nổ trong vùng 
nồng độ cao. Trong khi đó cảm biến bán dẫn phù hợp cho phát hiện khí oxy 
hóa/khử trong vùng nồng độ thấp, được sử dụng nhiều trong các hệ thống đo 
và phát hiện khí độc hại trong môi trường công nghiệp. Do vậy mà cảm biến 
bán dẫn được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp. 
Nguyên lý làm việc của các cảm biến bán dẫn là dựa trên sự thay đổi độ 
dẫn điện của màng bán dẫn khi hấp thụ chất khí trên bề mặt ở nhiệt độ từ 
150
o
C ÷ 500
o
C. Có hai loại cảm biến bán dẫn được sử dụng thông dụng nhất 
được làm từ ô xít kim loại: 
Loại màng dày làm từ ô-xít thiếc (SnO2): loại này không có tính chọn lọc 
và thường được dùng để phát hiện sự thay đổi lớn lượng khí độc và khí cháy; 
Loại cảm biến màng mỏng được làm từ VO3 (tri-ôxít vonfam): được 
dùng chủ yếu để phát hiện khí hydro sunfua. 
 Loại màng dày (SnO2) [8, 23] 
Loại cảm biến màng dày trên hình 1.2 thường được cấu tạo bằng cách 
nung kết ô-xít thiếc lên một điện cực bằng gốm. Điện cực này có thể là một 
9 
mặt phẳng với sợi nung ở một mặt còn lại, hoặc ở dạng ống với sợi nung 
xuyên qua ống. 
Hình 1.2. Cảm biến bán dẫn màng dầy thiếc ô-xít (SnO2) 
Cơ chế phát hiện khí cần đo loại này rất phức tạp, đặc biệt là với khí độc. 
Nó là sự kết hợp các phản ứng trên bề mặt bao gồm cả sự hấp thụ khí cần đo. 
Khi cảm biến không được cấp nguồn, khí cần đo bám vào bề mặt dễ dàng hơn 
và hậu quả là cảm biến phải mất rất nhiều giờ để ổn định lại, điều này xảy ra 
ngay cả khi cảm biến không được cấp nguồn hay nhiệt độ làm việc thấp trong 
thời gian rất ngắn. Khi cảm biến phát hiện có khí, điện trở của lớp ô-xít thiếc 
giảm xuống tỉ lệ với nồng độ khí. Tỉ lệ thay đổi của điện trở không tuyến tính 
với nồng độ khí, do đó nó cần phải được tuyến tính hoá. Cảm biến loại này dễ 
bị ảnh hưởng bởi độ ẩm và ô-xy. Với một lượng nhỏ độ ẩm hoặc ô-xy cũng có 
thể gây mất ổn định cho cảm biến, thậm chí không làm việc cho đến khi các 
điều kiện làm việc bình thường được phục hồi trở lại. 
 Loại màng mỏng (VO3) [8, 23] 
Cảm biến màng mỏng được cấu tạo bằng một vật liệu nền không dẫn 
điện gắn với hai hoặc nhiều điện cực dẫn điện. Vật liệu ô-xít kim loại được 
Cuộn dây 
Cuộn dây 
Lớp thiếc 
Lớp thiếc 
10 
gắn vào giữa các điện cực. Các bộ phận này được nung nóng ở nhiệt độ làm 
việc thích hợp. 
Bề mặt lớp ô-xít kim loại bình thường sẽ hấp thụ ô-xy và tạo ra một 
trường điện từ đẩy các electron ra khỏi bề mặt. Khi có khí cần đo, khí này sẽ 
đẩy ô-xy (bằng cách chiếm chỗ hoặc phản ứng), từ đó giải phóng các electron 
để dẫn điện, nó thay đổi độ dẫn điện của chất bán dẫn. Độ dẫn điện của chất 
bán dẫn chính là nguồn tín hiệu. 
Do được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp nên cảm biến bán dẫn 
luôn đượ ... các chữ viết tắt và kí hiệu...................................................................vi 
Danh mục các bảng.............................................................................................vii 
Danh mục các hình.............................................................................................viii 
MỞ ĐẦU .............................................................................................................. 1 
1. Tính cấp thiết của đề tài .................................................................................... 1 
2. Mục đích nghiên cứu ......................................................................................... 1 
3. Đối tượng nghiên cứu và phạm vi nghiên cứu .................................................. 2 
4. Phương pháp nghiên cứu ................................................................................... 2 
5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài .......................................................... 2 
6. Những đóng góp mới của luận án ..................................................................... 3 
7. Kết cấu của luận án ........................................................................................... 4 
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ CÁC CẢM BIẾN BÁN DẪN ĐO NỒNG 
ĐỘ KHÍ TRONG MÔI TRƯỜNG CÔNG NGHIỆP ...................................... 5 
1.1. Tầm quan trọng của các loại cảm biến đo nồng độ khí độc hại ..................... 5 
1.1.1. Ảnh hưởng của các chất khí độc hại đến sức khỏe con người .................... 5 
1.1.2. Giới thiệu chung về cảm biến đo nồng độ khí ............................................ 7 
1.2. Tổng quan về một số giải pháp nâng cao chất lượng cảm biến đo nồng độ 
khí10 
1.2.1. Các ưu, nhược điểm của cảm biến bán dẫn đo nồng độ khí ..................... 10 
1.2.2. Tổng quan các giải pháp nâng cao chất lượng .......................................... 12 
1.3. Tình hình nghiên cứu nâng cao chất lượng cảm biến bán dẫn đo nồng độ 
khí22 
1.3.1. Tình hình nghiên cứu ngoài nước ............................................................. 22 
1.3.2. Tình hình nghiên cứu trong nước ............................................................. 23 
1.4. Định hướng nghiên cứu của luận án ............................................................ 23 
iv 
1.5. Kết luận chương 1 ........................................................................................ 24 
CHƯƠNG 2. ỨNG DỤNG MẠNG NƠ-RON NHÂN TẠO NÂNG CAO 
CHẤT LƯỢNG CẢM BIẾN BÁN DẪN ĐO NỒNG ĐỘ KHÍ ..................... 26 
2.1. Cơ sở lý thuyết của ANN MLP .................................................................... 26 
2.1.1. Những điểm mạnh của ANN ..................................................................... 26 
2.1.2. Mạng nơ-ron MLP .................................................................................... 31 
2.2. Cấu trúc cảm biến ứng dụng ANN nâng cao chất lượng cảm biến ............. 33 
2.2.1. Cấu trúc cảm biến ứng dụng ANN nâng cao chất lượng cảm biến .......... 33 
2.2.2. Sử dụng ANN bù sai số của các yếu tố ảnh hưởng của nhiệt độ và độ ẩm
 ............................................................................................................................. 34 
2.2.3. Sử dụng ANN khắc phục tính phản ứng đa khí của cảm biến .................. 42 
2.2.4. Sử dụng ANN điều chỉnh đặc tính của cảm biến ...................................... 44 
2.3. Tích hợp hai chức năng bù sai số của yếu tố ảnh hưởng và điều chỉnh đặc 
tính cảm biến ....................................................................................................... 49 
2.4. Tích hợp ba chức năng bù sai số của yếu tố ảnh hưởng, loại trừ tính phản 
ứng đa khí và tuyến tính hóa đặc tính ................................................................. 49 
2.5. Kết luận chương 2 ........................................................................................ 50 
CHƯƠNG 3. MÔ PHỎNG CÁC GIẢI PHÁP NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG 
CẢM BIẾN ĐO NỒNG ĐỘ KHÍ ĐỀ XUẤT .................................................. 52 
3.1. Thiết kế ANN ............................................................................................... 52 
3.2. Bù sai số các yếu tố ảnh hưởng .................................................................... 55 
3.2.1. Xấp xỉ đường đặc tính phụ thuộc nhiệt độ, độ ẩm của cảm biến .............. 55 
3.2.2. Tính toán bù sai số .................................................................................... 59 
3.3. Loại trừ tính phản ứng đa khí của cảm biến................................................. 64 
3.3.1. Thiết kế ANN ............................................................................................ 64 
3.3.2. Kết quả mô phỏng khi dùng bộ ba cảm biến MQ136, TGS2602 và 
SP3AQ2 ............................................................................................................... 65 
3.3.3. Kết quả mô phỏng khi dùng bộ 4 cảm biến MQ136, TGS2602, TGS2444 
và SP3AQ2 .......................................................................................................... 68 
3.4. Điều chỉnh đặc tính của cảm biến ................................................................ 71 
v 
3.4.1. Kết quả mô phỏng ..................................................................................... 72 
3.4.2. Nhận xét .................................................................................................... 79 
3.5. Tích hợp hai chức năng bù nhiệt độ - độ ẩm và điều chỉnh đặc tính cho cảm 
biến..79 
3.6. Tích hợp ba chức năng bù nhiệt độ, độ ẩm, loại trừ tính đa khí và tuyến tính 
hóa đặc tính đầu ra của cảm biến ........................................................................ 83 
3.7. Kết luận chương 3 ........................................................................................ 87 
CHƯƠNG 4. XÂY DỰNG HỆ THỐNG THỰC NGHIỆM ỨNG DỤNG 
ANN BÙ SAI SỐ ẢNH HƯỞNG CỦA CẢM BIẾN ...................................... 89 
4.1. Đặt vấn đề ..................................................................................................... 89 
4.2. Kết quả triển khai ......................................................................................... 90 
4.3. Kết luận chương 4 ...................................................................................... 100 
KẾT LUẬN ...................................................................................................... 101 
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ ..................................... 103 
TÀI LIỆU THAM KHẢO .............................................................................. 105 
PHỤ LỤC...PL 
vi 
DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU 
Chữ viết tắt Giải thích 
ART Adaptive Resonance Theory 
ICA Independent Component Analysis 
LUT Look Up Table 
MLP Multi Layer Perceptron 
ANN Artificial Neural Network 
PCA Principal Component Analysis 
RF Random Forest 
SOM Self Organizing Maps 
VLSI Very Large Scale Integrated 
IW Các trọng số giữa đầu vào và các nơ-ron ẩn 
b
1
 Các trọng số giữa đầu vào bias và các nơ-ron ẩn 
LW Các trọng số giữa các nơ-rôn ẩn và đầu ra 
b
2
 Các trọng số giữa đầu vào bias và các nơ-rôn ẩn 
vii 
DANH MỤC CÁC BẢNG 
Số bảng Tên bảng Trang 
1.1 Nồng độ tối đa cho phép của một số chất độc hại trong 
không khí xung quanh 
7 
2.1 Bảng số liệu LUT về sai số do yếu tố ảnh hưởng 37 
3.1 Các cảm biến lựa chọn và dải đo của chúng 52 
3.2 Bộ thông số cấu trúc của ANN 53 
3.3 Các cảm biến lựa chọn mô phỏng và dải đo của chúng 64 
3.4 Bộ thông số của ANN với cấu trúc 3x3x2 66 
3.5 Bộ thông số của ANN với cấu trúc 3x4x2 67 
3.6 Bộ thông số của ANN với cấu trúc 4x3x2 69 
3.7 Bộ thông số của ANN với cấu trúc 4x4x2 70 
3.8 Bộ thông số cấu trúc của mạng 1x1x1 80 
3.9 Bộ thông số của ANN với cấu trúc 3x3x2 84 
4.1 Kết quả mô phỏng và thực nghiệm đo nồng độ khí H2S khi 
chưa bù với nhiệt độ thay đổi (20÷50)oC và độ ẩm RH=33% 
93 
4.2 Kết quả mô phỏng và thực nghiệm đo nồng độ khí H2S khi 
chưa bù với nhiệt độ thay đổi (20÷50)oC và độ ẩm RH=85% 
94 
4.3 Kết quả mô phỏng và thực nghiệm đo nồng độ khí H2S khi 
đã bù 
94 
viii 
DANH MỤC CÁC HÌNH 
Số hình Tên hình Trang 
1.1 Sơ đồ hệ thống giám sát khí trong môi trường công nghiệp 7 
1.2 Cảm biến bán dẫn màng dầy thiếc ô-xít (SnO2) 9 
1.3 Đặc tính sự phụ thuộc của cảm biến MQ136 vào nhiệt độ và 
độ ẩm 
10 
1.4 Phản ứng đa khí của cảm biến MQ7 (a) và MQ136 (b) 11 
1.5 Tuyến tính hóa từng đoạn dựa trên một số điểm mẫu 21 
2.1 Sơ đồ cấu trúc chung của cảm biến sơ cấp nơ-ron 33 
2.2 Giải pháp bù nhiệt độ bằng điện trở nhiệt (a) và so sánh mức 
độ bám của điện áp tham chiếu khi không có bù (các điểm o) 
và khi có bù (các điểm ) theo điện áp đích (các điểm ) 
35 
2.3 Cấu trúc cảm biến được đề xuất bù sai số của yếu tố ảnh 
hưởng 
39 
2.4 Xấp xỉ lại hai đặc tính f1(T
o
) và f2(T
o
) 40 
2.5 Mạch chuẩn hóa đầu ra cho cảm biến bán dẫn 40 
2.6 Đặc tính fx(T
o
) được nội suy theo f1 và f2 41 
2.7 Cấu trúc cảm biến được đề xuất loại trừ tính phản ứng đa khí 43 
2.8 Phương pháp nội suy tuyến tính 45 
2.9 Cấu trúc cảm biến được đề xuất điều chỉnh đặc tính 48 
2.10 Sơ đồ khối của hệ tích hợp hai chức năng bù sai số và điều 
chỉnh đặc tính 
49 
2.11 Sơ đồ khối của hệ tích hợp ba chức năng bù, loại trừ tính 
phản ứng đa khí và tuyến tính hóa đặc tính 
50 
3.1 Lưu đồ thuật toán cho quá trình luyện ANN 54 
3.2 Các điểm mẫu (a) và đường xấp xỉ biến thiên theo độ ẩm và 
nhiệt độ bằng hàm tuyến tính (b) 
56 
ix 
3.3 Đường xấp xỉ biến thiên theo nhiệt độ và độ ẩm bằng ANN 
MLP 
57 
3.4 Biểu đồ biến thiên theo nhiệt độ và độ ẩm của cảm biến 
MQ7 
57 
3.5 Xấp xỉ đặc tính phụ thuộc của đầu ra cảm biến MQ7 vào 
nhiệt độ và (a) độ ẩm RH%= 33% và (b) RH%=85% 
57 
3.6 Biểu đồ biến thiên theo nhiệt độ và độ ẩm của cảm biến 
MQ136 
58 
3.7 Xấp xỉ đặc tính phụ thuộc của đầu ra cảm biến MQ136 với 
nhiệt độ và độ ẩm (a) là RH%= 33% và (b) là RH%=85% 
58 
3.8 Biểu đồ biến thiên theo nhiệt độ và độ ẩm của cảm biến 
TSG2602 
59 
3.9 Xấp xỉ đặc tính phụ thuộc của đầu ra cảm biến TGS 2602 
với nhiệt độ và độ ẩm (a) là RH%= 40% và (b) là 
RH%=85% 
59 
3.10 Kịch bản cho ứng dụng mô phỏng 60 
3.11 Kết quả bù sai số khi đo nồng độ khí CO=100(ppm) 61 
3.12 Kết quả bù sai số khi đo nồng độ khí CO=500(ppm) 61 
3.13 Kết quả bù sai số khi đo nồng độ khí H2S=50(ppm) 62 
3.14 Kết quả bù sai số khi đo nồng độ khí H2S=100(ppm) 62 
3.15 Kết quả bù sai số khi đo nồng độ khí NH3=5(ppm) 63 
3.16 Kết quả bù sai số khi đo nồng độ khí NH3=10(ppm) 63 
3.17 Cấu trúc mạng 3x3x2 65 
3.18 Kết quả ước lượng nồng độ khí NH3 với cấu trúc mạng 
3x3x2 
66 
3.19 Kết quả ước lượng nồng độ khí H2S với cấu trúc 3x3x2 66 
3.20 Cấu trúc mạng 3x4x2 67 
3.21 Kết quả ước lượng nồng độ khí NH3 với cấu trúc mạng 
3x4x2 
68 
x 
3.22 Kết quả ước lượng nồng độ khí H2S với cấu trúc mạng 
3x4x2 
68 
3.23 Cấu trúc mạng 4x3x2 68 
3.24 Kết quả ước lượng nồng độ khí NH3 với cấu trúc mạng 
4x3x2 
69 
3.25 Kết quả ước lượng nồng độ khí H2S với cấu trúc mạng 
4x3x2 
69 
3.26 Cấu trúc mạng 4x4x2 70 
3.27 Kết quả ước lượng nồng độ khí NH3 với cấu trúc mạng 
4x4x2 
71 
3.28 Kết quả ước lượng nồng độ khí H2S với cấu trúc mạng 
4x4x2 
71 
3.29 Cấu trúc mạng được lựa chọn 1x1x1 72 
3.30 Đặc tính của cảm biến MQ135 đo nồng độ khí CO 72 
3.31a Xấp xỉ đặc tính của cảm biến MQ135 đo khí CO 73 
3.31b Mạng MLP chuẩn hóa điện áp đầu ra của cảm biến từ 0÷5V 73 
3.31c Đặc tính của cảm biến MQ135 sau khi tuyến tính hóa 74 
3.32 Đặc tính của cảm biến TGS2600 đo nồng độ khí CO 74 
3.33a Xấp xỉ đặc tính của cảm biến TGS2600 75 
3.33b Mạng MLP chuẩn hóa điện áp đầu ra 75 
3.33c Đặc tính của cảm biến TGS2600 sau khi tuyến tính hóa 76 
3.34 Đặc tính của cảm biến MQ7 đo nồng độ khí CO 76 
3.35a Mạng MLP chuẩn hóa điện áp đầu ra 77 
3.35b Đặc tính của cảm biến MQ7 sau khi tuyến tính hóa 77 
3.35c Đặc tính sau khi hiệu chỉnh của cảm biến MQ7 77 
xi 
3.36 Đặc tính của cảm biến TGS2444 đo nồng độ khí NH3 78 
3.37a Xấp xỉ đặc tính của cảm biến TGS2444 đo khí NH3 78 
3.37b Mạng MLP chuẩn hóa điện áp đầu ra 78 
3.37c Đặc tính của cảm biến TGS2444 sau khi tuyến tính hóa 79 
3.38 Các kết quả bù ảnh hưởng nhiệt độ và độ ẩm và tuyến tính 
hóa đặc tính của cảm biến khi nồng độ khí biến thiên 
(T=35
o
C, RH=80%) 
81 
3.39 Kết quả bù ảnh hưởng nhiệt độ và độ ẩm và tuyến tính hóa 
đặc tính của cảm biến khi nồng độ khí biến thiên (T=35oC, 
RH=80%) (a) và sai lệch so với đặc tính tuyến tính lý tưởng 
(b) 
81 
3.40 Kết quả bù ảnh hưởng nhiệt độ và độ ẩm và tuyến tính hóa 
đặc tính của cảm biến khi nhiệt độ và độ ẩm thay đổi (nồng 
độ khí là 1000ppm không thay đổi) 
82 
3.41 Kết quả ước lượng thành phần khí NH3 khi chưa bù của ba 
cảm biến trong trường hợp nhiệt độ biến thiên ngẫu nhiên từ 
30÷35
oC, độ ẩm từ 45÷50% 
85 
3.42 Các kết quả ước lượng thành phần NH3 khi đã bù của ba 
cảm biến trong trường hợp nhiệt độ biến thiên ngẫu nhiên từ 
30÷35
oC, độ ẩm từ 4 ÷50% 
86 
3.43 Các kết quả ước lượng thành phần khí H2S khi chưa bù của 
ba cảm biến trong trường hợp nhiệt độ biến thiên ngẫu nhiên 
từ 30÷35oC, độ ẩm từ 45÷50% 
86 
3.44 Các kết quả ước lượng thành phần khí H2S từ giá trị đo đã 
bù của ba cảm biến trong trường hợp nhiệt độ biến thiên 
ngẫu nhiên từ 30 ÷ 35oC, độ ẩm từ 45 ÷ 50% 
87 
4.1 Sơ đồ khối của thiết bị đo 90 
4.2 Thiết bị chế tạo 91 
4.3 Thiết bị đo với bình khí chuẩn H2S 92 
xii 
4.4 Lò tạo môi trường đo có nhiệt độ và độ ẩm chuẩn đạt 
T
o
C=20
o
C, RH=65% 
92 
4.5 Thiết bị đặt trong khoang lò để tạo các giá trị độ ẩm và nhiệt 
độ khác nhau 
92 
4.6 Lò tạo môi trường đo có nhiệt độ và độ ẩm đạt T
o
C=40
o
C, 
RH=33% 
93 
4.7 Lò tạo môi trường đo có nhiệt độ và độ ẩm đạt T
o
C=30
o
C, 
RH=85% 
93 
4.8 Kết quả so sánh trước và sau khi bù ANN bằng mô phỏng 
với nhiệt độ thay đổi (20÷50)oC và độ ẩm RH=33% 
95 
4.9 Kết quả so sánh trước và sau khi bù ANN bằng thực nghiệm 
với nhiệt độ thay đổi (20÷50)oC và độ ẩm RH=33% 
95 
4.10 Kết quả so sánh trước khi bù bằng mô phỏng và trước khi bù 
bằng thực nghiệm với nhiệt độ thay đổi (20÷50)oC và độ ẩm 
RH=33% 
96 
4.11 Kết quả so sánh sau khi bù bằng mô phỏng và sau khi bù 
ANN bằng thực nghiệm với nhiệt độ thay đổi (20÷50)oC và 
độ ẩm RH=33% 
97 
4.12 Kết quả so sánh trước và sau khi bù ANN bằng mô phỏng 
với nhiệt độ thay đổi (20÷50)oC và độ ẩm RH=85% 
97 
4.13 Kết quả so sánh trước và sau khi bù bằng thực nghiệm với 
nhiệt độ thay đổi (20÷50)oC và độ ẩm RH=85% 
98 
4.14 Kết quả so sánh trước khi bù bằng mô phỏng và trước khi bù 
bằng thực nghiệm với nhiệt độ thay đổi (20÷50)oC và độ ẩm 
RH=85% 
98 
4.15 Kết quả so sánh khi bù bằng mô phỏng và nồng độ khí 
chuẩn =10ppm với nhiệt độ thay đổi (20÷50)oC 
99 
4.16 Kết quả so sánh khi bù bằng thực nghiệm và nồng độ khí 
chuẩn =10ppm với nhiệt độ thay đổi (20÷50)oC 
99