以基于紅外熱成像機(jī)理測(cè)量真空絕熱板(VIP)的真空度為研究對(duì)象。鑒于目前此方案測(cè)量真空度存在精度低的問(wèn)題，本文提出一種基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的真空度測(cè)量精度改進(jìn)方法。針對(duì)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)存在易陷入局部最優(yōu)、收斂速度慢等缺陷，本文巧妙利用思維進(jìn)化算法優(yōu)化BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的初始權(quán)值和閾值，從而彌補(bǔ)以上缺陷。最終實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，利用思維進(jìn)化算法優(yōu)化BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)創(chuàng)建的數(shù)學(xué)模型大大提高了真空絕熱板真空度的測(cè)量精度，其實(shí)際測(cè)量精度優(yōu)于2%。因此，本文所提方法具有廣泛推廣的應(yīng)用價(jià)值。

　　真空絕熱板(Vacuum Insulation Panel，VIP)是當(dāng)今世界上最先進(jìn)的高效保溫材料，相當(dāng)于普通絕熱材料的十倍甚至更高，而其厚度僅為普通絕熱材料的1/7，因此具有環(huán)保和高效節(jié)能的特性。VIP主要依靠其內(nèi)部的真空度來(lái)提高絕熱性能。VIP內(nèi)部真空度越高，其導(dǎo)熱系數(shù)則越低，保溫效果則越佳。在生產(chǎn)制造VIP的過(guò)程中，對(duì)生產(chǎn)高真空度的VIP提出了較高的要求，因此有必要精確測(cè)量VIP的真空度。另外，VIP使用長(zhǎng)久之后，氣體會(huì)滲透到板內(nèi)，使板內(nèi)真空度破壞，引起導(dǎo)熱系數(shù)提高，保溫性能下降。因此，為了檢測(cè)VIP的老化程度，也有必要精確測(cè)量VIP的真空度。

　　本文以基于熱紅外技術(shù)測(cè)量真空絕熱板真空度為研究對(duì)象。然而目前此方案測(cè)量真空絕熱板真空度一般會(huì)導(dǎo)致10%的誤差。鑒于上述測(cè)量精度低的問(wèn)題，本文致力于研究出一種基于思維進(jìn)化算法優(yōu)化BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的測(cè)量精度改進(jìn)方法。其測(cè)量范圍為1～100Pa，測(cè)量時(shí)間約為3min。最終實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，實(shí)際測(cè)量精度優(yōu)于2%。

1、基于紅外熱成像機(jī)理的VIP真空度測(cè)量原理

　　圖1所示為VIP導(dǎo)熱系數(shù)與其內(nèi)部氣體壓強(qiáng)的關(guān)系曲線。從圖1中可以看出，當(dāng)內(nèi)部氣體壓強(qiáng)下降到10kPa時(shí)，VIP導(dǎo)熱系數(shù)維持為常數(shù)；當(dāng)內(nèi)部氣體壓強(qiáng)在1～10³ Pa之間，VIP導(dǎo)熱系數(shù)隨內(nèi)部氣體壓強(qiáng)呈線性變化；當(dāng)內(nèi)部氣體壓強(qiáng)低于1Pa時(shí)，VIP導(dǎo)熱系數(shù)逐漸減小且趨于常數(shù)。所以，在生產(chǎn)制作VIP時(shí)，選擇VIP板內(nèi)的真空度通常在1Pa以下。

圖1 VIP導(dǎo)熱系數(shù)與內(nèi)部氣體壓強(qiáng)的關(guān)系曲線

　　紅外熱成像機(jī)理就是利用光學(xué)系統(tǒng)和紅外探測(cè)器接受被測(cè)目標(biāo)的紅外輻射能量，然后將能量分布圖反映到紅外探測(cè)器的光敏元件上，從而獲得紅外熱像圖。

　　在傳熱學(xué)中，熱量傳遞有導(dǎo)熱、對(duì)流和熱輻射三種基本方式。導(dǎo)熱、對(duì)流這兩種熱量傳遞方式只在有物質(zhì)存在的條件下才能實(shí)現(xiàn)，而在真空環(huán)境下，物體以輻射方式傳遞熱量最為有效。根據(jù)Stefan-Boltzmann定律描述了黑體輻射力隨表面溫度的變化規(guī)律，即

　　式中，E(T)為黑體的輻射熱流密度；σ=5.67×10^-8 W/(m²·K⁴)，稱為黑體輻射常數(shù)；T 為黑體表面的熱力學(xué)溫度。由Stefan-Boltzmann定律可知，黑體的輻射熱流密度隨溫度升高而迅速增大。設(shè)一個(gè)電阻被內(nèi)置于表面積為A 的VIP內(nèi)部，VIP處于溫度為Tsurr的環(huán)境中。當(dāng)電阻被加熱到溫度Ts時(shí)，電阻與周圍環(huán)境之間的凈輻射傳熱量為

　　式中，ε為電阻的表面發(fā)射率，取值范圍為0～1，是描述電阻與黑體在發(fā)射熱輻射能力上差別的物理量。在室溫相同，置于VIP內(nèi)部電阻的初始溫度(遠(yuǎn)高于室溫)相同的條件下，VIP內(nèi)部氣體壓強(qiáng)越大，電阻熱輻射強(qiáng)度的變化也就越快，紅外探測(cè)器采集到的紅外熱像圖變化也就越快。為了改善熱像圖的畫質(zhì)，使圖像顯示效果更加清晰，本文將獲得的熱像圖通過(guò)MATLAB進(jìn)行灰度變換處理，轉(zhuǎn)化為灰度圖像。當(dāng)電阻的輻射強(qiáng)度越大，圖像的灰度值則越高，也就越亮。

2、測(cè)量系統(tǒng)的建立

　　根據(jù)上述VIP真空度測(cè)量原理，設(shè)計(jì)測(cè)量系統(tǒng)的整體框圖如圖2所示。

圖2　測(cè)量系統(tǒng)的整體框圖

　　該測(cè)量系統(tǒng)的工作流程為：首先在PC機(jī)軟件界面上按下“開(kāi)始檢測(cè)”按鈕，該信號(hào)通過(guò)232串口通信模塊傳送給PIC單片機(jī)模塊，然后PIC單片機(jī)產(chǎn)生一有效電平啟動(dòng)無(wú)線供電模塊。無(wú)線供電模塊基于磁耦合共振技術(shù)，將能量無(wú)線傳送給內(nèi)置熱輻射模塊中的無(wú)線供電接收電路，從而為整個(gè)內(nèi)置熱輻射模塊供電。此時(shí)內(nèi)置熱輻射模塊中的被加熱電阻開(kāi)始加熱，紅外探測(cè)器接收到被加熱電阻的紅外輻射，此時(shí)光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。該電信號(hào)經(jīng)信號(hào)調(diào)理電路、圖像采集卡轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，再傳送給PC機(jī)。當(dāng)內(nèi)置熱輻射模塊中的被加熱電阻達(dá)到預(yù)設(shè)的溫度值時(shí)，其內(nèi)部的加熱控制電路自動(dòng)控制被加熱電阻停止加熱。在相同環(huán)境溫度，相同的被加熱電阻(被置于VIP內(nèi)部的位置、初始溫度均相同)的條件下，由于不同VIP板的內(nèi)部氣體壓強(qiáng)存在差異，導(dǎo)致電阻熱輻射強(qiáng)度的變化不同。最后將采集到的紅外熱像圖，經(jīng)圖像處理、算法分析，計(jì)算得到VIP的真空度。

3、結(jié)論

　　MEA和BPNN作為一種分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的新方法，目前已廣泛應(yīng)用于非線性函數(shù)逼近、機(jī)器人控制、故障診斷等眾多領(lǐng)域。本文提出利用MEA優(yōu)化BPNN 初始權(quán)值和閾值的方法，從而進(jìn)行VIP真空度測(cè)量中的非線性補(bǔ)償。最終實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該方法不但實(shí)現(xiàn)了全局最優(yōu)的目標(biāo)，而且彌補(bǔ)了以往真空度測(cè)量中測(cè)量精度低的缺陷。因此，本文所提方法具有廣泛推廣的應(yīng)用價(jià)值，有利于推動(dòng)國(guó)內(nèi)高精度真空度測(cè)量的發(fā)展。