第33卷，第10期 2013年10月
光谱学与光谱分析 Spectroscopy and Spectral Analysis
Vol.33,No.10,pp2646-2650
October,2013
基于数据挖掘技术的瓦斯气体红外光谱定量分析方法的研究
张爱菊
中南财经政法大学信息与安全工程学院，湖北武汉430073
摘要瓦斯气体的监测是影响煤矿安全的重要因素之一，对其的在线实时监测成为煤矿安全的重要保障。本文采用红外光谱分析技术，对瓦斯气体的红外定量分析算法进行了研究。为提高模型分析精度，将数据挖掘技术应用在分析算法中。通过增加基于K平均非分层聚类分析对数据进行处理发现，带聚类分析的偏最小二乘算法比单纯采用偏最小二乘算法在精度上明显占优。另外，为减少模型中个别定标样本误差对精度
的影响，采用聚类分析的方式进行了数据预处理，发现这种去噪方法在分析精度上又有所提高。关键词
日红外光谱分析；瓦斯气体；偏最小二乘法；数据挖掘
中图分类号：0657.3 引言
文献标识码：A
D0I:10.3964/j.issn.1000-0593(2013)10-2646-05
了检测，很少见到对瓦斯气体中的CO，CO；等混合气体进行整体研究，存在不足。对瓦斯混合气体的分析，能更加全面实现对井下的瓦斯进行监测，对煤矿的安全生产，具有重
瓦斯气体是煤矿井下各种气体的总称，主要成分是甲烷(CH），二氧化碳(CO,），一氧化碳（CO)等。当浓度达到 5%以上时，就达到爆炸极限，当达到40%时就能使人立即中毒死亡。从2012年全国的统计数据来看，煤矿一次死亡 10人以上的特大事故中有74%是瓦斯爆炸或瓦斯煤尘爆炸事故[，
目前，瓦斯气体的检测方法主要有：载体催化燃烧式，热导式、光干涉式、红外吸收式。红外吸收法特点是灵敏度高、防煤性好、抗电磁干扰能力强、响应快，寿命长，可远距离遥测，相比其他方法优势明显。国内外对瓦斯气体的研究有：Lyulin等[?]记录了甲烷，N和O:混合物的红外光谱，提出了多光谱拟合时减少误差的一些方法。Shemshad等[] 描述了光纤传感测试矿井瓦斯气体的网络，结合现场试验，实现了采用可调激光器对气体的检测。Bowles等{↑设计了一种新的测量甲烷气体的红外传感器结构，并给出了相应的测量和比较模型。Kernen等[S]设计了一种采用微机电传感器和发光二极管的传感器来测量甲烷CO和CO，等气体浓度灵敏度可达到30ppm。国内这方面的研究起步晚，随着国家将其列人重点资助范围，近儿年新成热点。Zhang等对瓦斯红外传感系统进行了研究，设计了一种消除背景干扰的方法。Liu等开发设计了双通道和双波长的瓦斯气体红外探测便携传感器，对装置的精度，测量范围，温度稳定性进行了研究[8。上述研究，采用红外吸收方法只对甲烷浓度进行
收稿日期：2013-02-11，修订日期：2013-04-26
基金项目：中央高校基本科研业务专项资金项目(2011091)资助
要意义。
红外光谱吸收方法
瓦斯气体含有：甲烷(CH)，硫化氨（H,S)，一复化磁(CO)，二氧化碳(CO,），烷类气体等。一般气体有多个吸收峰，瓦斯气体的相关特征峰如表1。
Table1
Characteristic peaks of methane gas
气体种类 CH4 Hs co cO2 02 NH
驳收峰波长/nm
1654 1590 1567 1573 761 1544
朗伯-比尔定律是红外定量分析的理论依据，数学模型如下
A= abc
(1)
式中：A为吸光度(也称光密度)；a为摩尔吸收系数(或称消光系数)；6一般表示光程长度；c为样品中待测物质的浓度。 a和6一般为常量，吸光度A与被测物的浓度c成正比。不
作者简介：张爱菊，1978年生，中南财经政法大学信息与安全工程学院讲师万方数据
e-mail;2002zaj@163.com