CN110018275A

CN110018275A - 一种带补偿功能的气体探测器和补偿方法

Info

Publication number: CN110018275A
Application number: CN201910284768.9A
Authority: CN
Inventors: 徐向阳
Original assignee: Nanjing Can Kai Electronic Technology Co Ltd
Current assignee: Nanjing Can Kai Electronic Technology Co Ltd
Priority date: 2019-04-10
Filing date: 2019-04-10
Publication date: 2019-07-16

Abstract

本发明公开了一种带补偿功能的气体探测器的补偿方法，首先建立气体传感器读数的补偿算法模型，然后在气体探测器中的存储器内置应用补偿算法模型的气体传感器补偿程序，在实际工作中对气体探测器输出读数进行补偿。气体传感器输出不但与被测气体浓度相关，还与环境温度、环境湿度和传感器累计使用时间有关，环境温度、环境湿度和累计使用时间是干扰物理量。本发明设计的带补偿功能的气体探测器，不但安装有气体传感器，还配置了温度、湿度探测器，记录了气体传感器累积工作时间，并内置了补偿修正算法，在实际工作中计算环境温度、环境湿度和累计使用时间对气体传感器读数的影响，消除干扰物理量，准确反映目标气体的浓度。

Description

一种带补偿功能的气体探测器和补偿方法

技术领域

本发明涉及气体探测器，尤其是一种带补偿功能的气体探测器和补偿方法。

背景技术

气体传感器被广泛应用于家庭环境检测、工业、消防等领域。但在实际应用环境中，环境温度、湿度都会对气体传感器的读数产生影响，而且随着气体传感器的累计使用时间增加，气体传感器的性能还会产生衰减，其读数会发生长期偏移，这种偏移是累积性的，如果不进行补偿，会造成依赖气体传感器的气体探测器产生错误的度数，对实际气体环境状况产生误判或漏判。目前在现实使用中采用对传感器定期校准的方法进行校正，但这种方法不便于气体探测器安装在密闭空间和不便拆装的场所。

专利公布号CN102680518提出了一种补偿式气体传感器及其温湿度补偿方法，此方法考虑了温度和湿度因素对气体传感器输出的影响，但没有考虑传感器累积工作时间对气体传感器造成的长期累积偏移。此外，此专利中采用建立补偿系数数据库，通过从补偿系数查询数据库中查得其所对应的补偿系数然后进行计算的方式对气体传感器读数进行修正，其精度与建立对照表的样本密度相关，如果要取得高精度，需要建立数据量大的数据库，在实际过程中需要大量的查询计算，不便于在嵌入式系统中应用。

发明内容

气体传感器输出与气体浓度、环境温度、环境湿度和累计使用时间有关。气体浓度是被测物理量而环境温度、环境湿度和累计使用时间是干扰物理量。本发明中应用补偿修正方法，通过计算环境温度、环境湿度和累计使用时间对气体传感器输出的影响，消除干扰物理量，反演出准确的气体浓度，重新建立传感器气体浓度和输出读数的正确映射关系。

技术方案：

本发明公开了一种带补偿功能的气体探测器的补偿方法，该方法首先建立气体传感器读数的补偿算法模型，然后在气体探测器中的存储器内置应用补偿算法模型的气体传感器补偿程序，在实际工作中对气体探测器输出读数进行补偿；

建立补偿算法模型的步骤如下：

1)采集被测目标气体从0ppm到满量程浓度的多组不同温度、不同湿度下新的气体传感器样本读数集，每组样本数据可表示为[g’， g，r，h]，其中

r：温度传感器读数；

h：湿度传感器读数；

g’：样本气体浓度值；

g：气体传感器读数；

2)应用步骤(1)中采集到的数据，采用二元m次多项式回归分析的方法获取气体传感器读数经过温度、湿度变量补偿反映真实气体浓度的修正系数G的公式：

0≤i≤m，0≤j≤m，0≤i+j≤m g’＝G×g

其中：a_ij为通过此步回归分析确定的参数组的值；

3)在上述修正公式中再添加气体传感器累计工作时间偏移补偿系数对气体探测器的读数结果进行修正，传感器累计工作时间偏移补偿系数包括气体传感器累计使用时间t和气体传感器长期衰减系数b，最终得到如下补偿公式：

G′＝G×(b×t×g)＝(∑_i，ja_ijrⁱh^j)×(b×t×g)，0≤i≤m，0≤j≤ m，

0≤i+j≤m

其中：

r：温度传感器读数；

h：湿度传感器读数；

g：气体传感器读数；

t：气体传感器累计使用时间；

b：气体传感器长期衰减系数；

G’：经过补偿的气体浓度读数。

作为第一种气体传感器使用寿命偏移补偿系数b的获取方式，自出厂说明书中获得。

作为第二种气体传感器使用寿命偏移补偿系数b的获取方式，通过查询数据库获得。

本发明还公开了一种用于实现补偿功能的气体探测器，气体探测器由气体传感器、信号放大器、AD转换电路、温度传感器、湿度传感器、微处理器、预处理电路组成，所述气体传感器顺次通过信号放大器、AD转换电路与微处理器相连，所述温度传感器通过预处理电路与微处理器相连，所述湿度传感器通过预处理电路与微处理器相连，所述微处理器附带有存储器，存储器中存放着气体传感器补偿程序。

优选的，气体传感器、信号放大器、AD转换电路、温度传感器、湿度传感器、微处理器、存储器、预处理电路集成在一块集成电路板上，封装在一个壳体内。

本发明的有益效果是：

采用本发明的方法，能够大大提高气体探测器的在工况环境下的探测精度，延长气体传感器的校准周期，提高气体探测器的可用性。特别是在不便于对气体传感器进行校准的恶劣工作环境中，例如车载锂离子动力电池箱内部，有很高的实际应用价值。

附图说明

图1是本发明气体探测器的一种实施方式信息流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述：

本方法在实际应用中可以分两个部分，首先通过机器学习的方法归纳出传感器读数排除温度、湿度等干扰因素的修正公式，建立补偿修正方法，然后制造带补偿功能的气体探测器，将补偿修正方法应用在气体探测器的实际工作中。

以可燃气体探测器采用CO电化学气体传感器为例，环境温度和湿度对气体传感器的读数有着综合影响，在进行读数补偿的时应综合考虑进行计算。在具体应用中，可以根据气体传感器的量程和使用特性，从0～1000ppm、温度从- 20℃～50℃、湿度15～90％RH范围对传感器读数进行大量采集。应用回归分析的方法用采集到的数据样本对补偿模型进行训练，计算出最优的数据拟合公式的参数，确定补偿算法模型。

气体传感器随着累计使用时间增加其性能呈现线性衰减，这种衰减具有累积效应而且是不可逆的，可通过气体传感器的累计使用时间和累计使用时间偏移补偿系数的乘积对其累积偏移量进行补偿，一般气体传感器的生产厂商会在规格说明书中标明累计使用时间衰减偏移系数。

在气体探测器的实际使用过程中，将实时测得的温度、湿度、气体传感器读数和存储器中记录的气体传感器累计使用时间数值带入公式，就能够得到经过补偿的准确气体浓度读数。

可燃气体探测器的微处理器可采用STM32芯片，芯片内置flash存储器，可对传感器的使用时间进行记录用于进行时间偏移补偿。温度传感器可采用 ds18b20型号的数字温度传感器，湿度传感器可采用集成式湿度传感器HIH- 3610。

结合图1，气体传感器、信号放大器、AD转换电路、温度传感器、湿度传感器、微处理器、存储器、预处理电路集成在一块集成电路板上，封装在一个壳体内，组成可燃气体探测器。

取一只安装有全新气体传感器的探测器，从0～1000ppm、温度从-20℃～ 50℃、湿度15～90％RH范围采集约5000组数据，每组样本数据可表示为[g’， g，r，h]，应用Python中sklearn模块中的多项式特征工具对样本数据进行二元多次多项式回归分析：

0≤i≤m，0≤j≤m，0≤i+j≤m g’＝G×g

对回归训练结果进行记录。

另取多只全新传感器重复上述步骤。

经过对上述数据和结果的交叉验证比较得出对此类气体传感器如下形式二元二次多项式的拟合效果和泛化结果最好：

0≤i≤2，0≤j≤2，0≤i+j≤2

最终确定最优的传感器度数补偿的计算公式为二元二次多项式，并确定其参数组a₀₀，a₀₁，a₁₀，a₁₁，a₂₀，a₀₂的值。

再结合传感器的具体的累计使用时间t和长期衰减系数b。获得最终的补偿公式：

G′＝(a₂₀×r²+a₀₂×h²+a₁₁×r×h+a₁₀×r+a₀₁×h+a₀₀) ×(b×t×g)

其中：

r：温度传感器读数；

h：湿度传感器读数；

g：气体传感器直接输出读数；

t：气体传感器累计使用时间；

b：气体传感器长期衰减系数；

G’：经过补偿的气体探测器气体浓度读数。

气体传感器长期衰减系数b按照所选气体传感器的规格说明中所列每年漂移衰减值经过换算获得。

取一只使用多年的气体探测器，将上述补偿公式植入其存储器内的补偿程序中以便对气体传感器的读数进行测量补偿；在测试环境注入标准气源，并在不同温度、湿度环境对气体探测器的读数和气体光谱分析仪的读数对比，得出经过补偿后的探测读数与环境气体的真实浓度非常接近。

上面所述的案例仅仅是对本发明的一种实施方式进行描述，并非对本发明的构思和范围进行限定，在不脱离本发明设计构思所做出的各种变型和改进，均应落入本发明的保护范围。

Claims

1.一种带补偿功能的气体探测器的补偿方法，其特征是首先建立气体传感器读数的补偿算法模型，然后在气体探测器中的存储器内置应用补偿算法模型的气体传感器补偿程序，在实际工作中对气体探测器输出读数进行补偿；

建立补偿算法模型的步骤如下：

1)采集被测目标气体从0ppm到满量程浓度的多组不同温度、不同湿度下新的气体传感器样本读数集，每组样本数据可表示为[g’，g，r，h]，其中

r：温度传感器读数；

h：湿度传感器读数；

g’：样本气体浓度值；

g：气体传感器读数；

g’＝G×g

其中：a_ij为通过此步回归分析确定的参数组的值；

3)补偿公式：

G′＝G×(b×t×g)＝(∑_i,ja_ijrⁱh^j)×(b×t×g),0≤i≤m,0≤j≤m,

0≤i+j≤m

其中：

r：温度传感器读数；

h：湿度传感器读数；

g：气体传感器读数；

t：气体传感器累计使用时间；

b：气体传感器长期衰减系数；

G’：经过补偿的气体浓度读数。

2.根据权利要求1所述的一种补偿方法，其特征是气体传感器长期衰减系数b自出厂说明书中获得。

3.根据权利要求1所述的一种补偿方法，其特征是气体传感器长期衰减系数b通过查询数据库获得。

4.一种用于实现权利要求1所述补偿功能的气体探测器，其特征是气体探测器由气体传感器、信号放大器、AD转换电路、温度传感器、湿度传感器、微处理器、预处理电路组成，所述气体传感器顺次通过信号放大器、AD转换电路与微处理器相连，所述温度传感器通过预处理电路与微处理器相连，所述湿度传感器通过预处理电路与微处理器相连，所述微处理器附带有存储器，存储器中存放着气体传感器补偿程序。

5.根据权利要求1所属的一种带补偿功能的气体探测器，其特征在于气体传感器、信号放大器、AD转换电路、温度传感器、湿度传感器、微处理器、存储器、预处理电路集成在一块集成电路板上，封装在一个壳体内。