CN103543178A - 提高半导体一氧化碳气体传感器测量精度的方法 - Google Patents

Abstract

提高半导体一氧化碳气体传感器测量精度的方法，它包括：利用一氧化碳气体通过半导体一氧化碳传感器输出正弦波的特性排除其他气体的干扰；找出一氧化碳浓度与半导体一氧化碳传感器输出波形周期(P-T)曲线的图形特征；利用曲线在一氧化碳气体浓度拐点后与坐标横轴趋于平行的特征寻找报警点；对浓度拐点（约170ppm）进行判定及计算；根据标定平均注气速度V标和测量平均注气速度ν_测比较，判断标定起振浓度对应的测量起振浓度。无论半导体一氧化碳传感器处在任何检测环境和泄漏速度的条件下，对采集的数据处理和修正后，都可以把所有因素对半导体一氧化碳传感器测量造成的系统误差函括其中，并通过找到检测曲线与标定曲线的关系来准确检测一氧化碳气体浓度；具有很好的应用和推广价值。

Description

提高半导体一氧化碳气体传感器测量精度的方法

技术领域

本发明公开了一种提高半导体一氧化碳气体传感器测量精度的方法。 

背景技术

天然气、液化气是我们日常生活中经常接触和使用到的气体；当使用人工煤气发生泄露和使用天然气、液化气不完全燃烧时都会产生一氧化碳气体的聚集；由于一氧化碳是一种无色、无味、无刺激、无法用五官感知的有毒气体，使得一般人在意外中毒时无法自我察觉，最终酿成重大伤害甚至死亡，因此成为日常生活中的“隐形杀手”。 

半导体一氧化碳气体传感器即是一种用于检测空气中一氧化碳是否超出安全标准的报警装置，它通过半导体一氧化碳传感器感应空气中一氧化碳气体的浓度将其转变成电流或电压信号，再经过一级或两级信号放大，传送给单片机进行信号比较与处理，当超过预定的阈值时单片机就发出声光报警信号，或驱动相应的执行机构，或信号传输。根据传感器工作原理的不同，气体传感器大致可分为：光谱型气体传感器，电化学型气体传感器，半导体气敏传感器等。其中光谱型气体传感器可以有效地分辨气体的种类，准确测定气体浓度，然而该类仪器价格昂贵，多适用于实验室精确测定，在民用上并不经济。电化学型传感器在灵敏度、选择性、稳定性方面也比较突出，是以往制造一氧化碳报警器的主要传感元件；但电化学型传感器造价高、寿命短、维护要求高的缺点使其难以进一步作为民用报警器来推广。而一氧化碳半导体气敏传感器则具有体积小、造价低、灵敏度高、寿命长、易于维护等优点，是制造普及型一氧化碳报警器的理想元件， 非常适合居家使用。但它也同时存在两个致命缺陷：一是稳定性差，零点输出随时间漂移严重；另一缺点是对一氧化碳气体的选择性差，半导体一氧化碳传感器易受其它气体干扰，造成误报警现象。这两个缺陷使得半导体一氧化碳传感器技术和相关产品在市场中的应用受到限制。 

半导体一氧化碳传感器其输出波型为正弦波，其振荡频率与浓度成正比，即其振荡周期与浓度成反比。如图1所示，从图中可以看到随着一氧化碳气体浓度的增加，振荡周期逐渐减小，频率逐渐变快，波峰电压逐渐升高。图1和图2为同一半导体一氧化碳传感器分别在不同条件下的测量图形。 

由于半导体一氧化碳传感器材料的改性和掺杂，其输出波形不是传统的抛物线形态，而是一个正弦波，且正弦波的频率和一氧化碳气体浓度成正比的关系。该特性为研究半导体一氧化碳传感器的应用开辟了一个崭新的途径。利用各种气体对这种半导体一氧化碳传感器反复验证，只有一氧化碳气体才能对此产生正弦波，而别的气体都不会。因此该半导体一氧化碳传感器有效地解决了一氧化碳气体浓度测量的选择性，使得半导体一氧化碳气传感器器不会有误报现象。 

从图1和图2中还可以看出，即使是对同一只半导体一氧化碳传感器测量条件不同、注气的速率不同等因素都会导致半导体一氧化碳传感器正弦波的形态不同，但首个脉冲的产生都是在特定浓度条件下才会发生，这就为研究提高半导体一氧化碳传感器的测量精度提供了又一技术关键。 

理论上半导体一氧化碳传感器测量一氧化碳气体浓度的方法即是在标 定过程中记录下设定报警浓度所对应的脉冲周期值，在测量曲线中每个正弦波振荡周期与标定周期值相比较，如果小于等于标定周期值即可输出报警信号。然而由于半导体一氧化碳传感器稳定性较差，实际工作中受工作环境（如压力、温度、湿度以及一氧化碳气体泄漏速度等外界因素）的影响较大，还会随着材料的老损，使得半导体一氧化碳传感器的灵敏度下降，起振时间也会延长。如果只是简单就检测脉冲周期值与标定周期值相比较，则气体测量精度会相差甚远。因此半导体一氧化碳传感器精确测量难以保障。图2为同一半导体一氧化碳传感器在另一实验条件下显示的振荡波形，对比图1可观察到，该正弦波的起振时间明显较长且初始振荡波的周期较大。 

如图3所示，以一氧化碳气体浓度为横坐标，以波形振荡周期为纵坐标，任取同一半导体一氧化碳传感器数次实验测定的浓度、周期作P-T曲线图。图3是同一只半导体一氧化碳传感器反复测试浓度和振荡周期的曲线图。从图中不难看出该半导体一氧化碳传感器的重复性很难趋同，但其曲线的形态和走势显示一氧化碳气体浓度与波形周期所成的反比关系与实验条件无关，都会通过拐点浓（约170ppm）后进入饱和区间，然后逐渐走平。然而由于各曲线的起始点（起振时间）不同、斜率变化不同，我们不能利用简单的数量比例关系从周期、频率或电压中推算气体浓度。经过多次实验后统计发现，由于半导体一氧化碳传感器存在稳定性较差的特点，即便是同一个传感器在相同环境条件和相同气体浓度下每一次测量对应的周期、频率和电压也不尽相同。若将半导体一氧化碳传感器标定周期值和测量周期值直接比较，就会使半导体一氧化碳气体传感器这种以点概面的 测定方法忽视了现实环境的众多影响因素，在实际测量中势必是行不通的，为亟待解决的技术问题。 

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术的不足，提供了一种提高半导体一氧化碳气体传感器测量精度的方法。 

本发明通过以下技术方案实现： 

提高半导体一氧化碳气体传感器测量精度的方法，它包括以下步骤： 

S1、利用一氧化碳气体通过半导体一氧化碳传感器输出正弦波的特性排除其他气体的干扰； 

S2、找出一氧化碳浓度与波形周期以及P-T曲线的关系； 

S3、利用曲线在拐点后与坐标横轴趋于平行的特征确定报警点； 

S4、对拐点浓度170ppm进行判定及计算； 

S5、根据已知的标定注气速度判断测量曲线平均注气速度ν_测，并进行计算，找到标定起振浓度对应的测量起振浓度； 

S6、判断报警点。 

进一步地，如权利要求1所述的提高半导体一氧化碳气体传感器测量精度的方法，如S2中所述：一氧化碳气体浓度与波形周期成反比例关系，浓度增加至拐点浓度（见浓度周期（P-T）曲线图），约在170ppm左右。在0-170ppm的区间里，波形周期随浓度升高而迅速减小，浓度超过170ppm后曲线趋于平缓，逐渐与X轴平行，曲线与坐标轴横轴间距趋于常数。 

进一步地，如权利要求1所述的提高半导体一氧化碳气体传感器测量精度的方法，如S3中所述，当气体浓度接近170ppm左右时，相邻波形前后周期之差约为0.5s，当气体浓度接近230ppm左右时，相邻波形前后周期之差一般不超过0.2s（见表一）。 

进一步地，如权利要求1所述的提高半导体一氧化碳气体传感器测量精度的方法，如S6中所述，根据标定起振浓度找到测量起振浓度，首个标定和测量（如P-T曲线图中所示第n个）波形周期值对应后通过计算找到测量的拐点浓度（约170ppm）对应的测量周期值,然后根据进入饱和区间后P-T曲线走平（周期变化较小）以及标定曲线与测量曲线平行（随着浓度增加标定周期与测量周期的差值约成定值），通过计算找到报警点。 

本发明在利用波形周期和气体浓度反比例关系不变的前提下，通过对大量实验生成的数据的统计和分析，找出一种针对不同曲线图形变化规律的数据分析处理方法；半导体一氧化碳传感器经过初始标定后，存储标定曲线数据；当半导体一氧化碳传感器实际测量时，无论其处在何种检测环境、何种泄漏速度的条件下，对采集的数据处理和修正后，都可以把所有因素对半导体一氧化碳传感器测量造成的系统误差函括其中，并通过找到检测曲线与标定曲线的关系来准确检测一氧化碳气体浓度；具有很好的应用和推广价值。 

附图说明

图1为半导体一氧化碳传感器的输出波形； 

图2为同一半导体一氧化碳传感器在另一实验条件下显示的振荡波形； 

图3为同一半导体一氧化碳传感器反复测试浓度和振荡周期的曲线图； 

图4为将半导体一氧化碳传感器置于密闭的实验箱中并以恒定注气速度将一氧化碳气体注入实验箱时的半导体一氧化碳传感器的输出波形； 

图5为同一半导体一氧化碳传感器的标定曲线（下方）和模拟一氧化碳气体泄露的测量曲线（上方）。 

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。 

本发明提供了提高半导体一氧化碳气体传感器测量精度的方法，它包括以下步骤：S1、利用一氧化碳气体通过半导体一氧化碳传感器输出正弦波的特性排除其他气体的干扰，杜绝误报现象；S2、找出一氧化碳浓度与波形周期曲线的图形特征；S3、利用曲线在拐点后P-T曲线走平（周期几乎不变）以及标定曲线与测量曲线平行（随着浓度增加标定周期与测量周期的差值成定值）找报警点；S4、对拐点浓度170ppm进行判定及计算；S5、据已知的标定注气速度判断测量曲线平均注气速度；S6、判断报警点。 

作为本发明实施例的一个方面，在S2中，气体浓度与波形周期成反比例关系，曲线以170ppm为拐点，在0-170ppm的区间里，波形周期随浓度升高而迅速减小，浓度超过170ppm后曲线趋于平缓，逐渐与X轴平行，曲线与坐标轴横轴间距趋于常数。 

作为本发明实施例的另一个方面，在S3中，当气体浓度接近170ppm左右时，相邻波形前后周期之差约为0.5s，当气体浓度接近230ppm左右时， 相邻波形前后周期之差一般不超过0.2s。（见表一） 

作为本发明实施例的另一个方面，在S6中，根据标定起振浓度找到测量起振浓度，首个标定和测量（如P-T曲线图中所示第n个）波形周期值对应后通过计算找到测量的拐点浓度（约170ppm）对应的测量周期值,然后根据进入饱和区间后P-T曲线走平（周期变化较小）以及标定曲线与测量曲线平行（随着浓度增加标定周期与测量周期的差值约成定值），通过计算找到报警点，如本专利中以230ppm为例说明报警点的确定。 

无论处在何种环境条件下，一氧化碳的气体浓度均与其波形周期成反比关系；从图3中不难看出每条测量曲线（呈抛物线状）几乎都在特定浓度进入抛物线的饱和区间，可以把此浓度（170ppm）定义为拐点浓度。在0-170ppm的区间里，波形周期随浓度升高而迅速减小，浓度超过170ppm后曲线趋于平缓，逐渐与X轴平行，曲线与坐标轴横轴间距趋于常数。虽然半导体材料有限的稳定性使得测量曲线往往呈现较大的差异性，为准确测定气体浓度增加了难度，但如果将报警点设在平行饱和区间段，那么这种变化之中的相似性则会为半导体一氧化碳传感器判断气体浓度是否接近报警点提供了有利线索和途径。根据国家标准规定，一氧化碳报警器的报警点范围为50ppm-300ppm，报警点容差范围为±50ppm，综合考虑，本测量方法将报警点设定为230ppm。当一氧化碳气体浓度为230ppm时，测量曲线与坐标轴横轴基本平行，测量曲线已进入饱和区间，这种良好的图形特性为测量一氧化碳浓度奠定了基础。 

1、半导体一氧化碳气体传感器的标定 

将半导体一氧化碳传感器置于密闭的实验箱中，以恒定注气速度将一氧化碳气体注入实验箱。半导体一氧化碳传感器的输出波形如图4，通过图形监视软件可以看到当箱内有一定量的一氧化碳气体时，半导体一氧化碳传感器输出电压开始发生变化。 

随着气体浓度的增加，半导体一氧化碳传感器电压动态分布呈现振荡波形，且波形周期随气体浓度上升而减小，波峰电压随气体浓度上升而增大。将一氧化碳气体定量注入体积已知的实验箱中，当气体浓度达到230ppm（报警点）时停止注气。实验箱内气体浓度不再变化时波形周期值也趋于一致，依据半导体一氧化碳传感器测量原理，此时波形波峰电压值达到最大值，波形周期达到最小值，此状态下的周期值为后续测量的报警条件参数。此外还需对相关测量数据进行计算和处理，具体实施步骤如下： 

从稳定性和数据采集代表性考虑，标定和测量均取第二个波形的数据作为计算参数。 

a.记录从注入气体至波形起震所经历的时间t_1标； 

b.记录从开始反应到出现第二个波形经历的时间t_2标以及第二个波形的周期T_2标； 

c.记录从开始反应到230ppm对应波形所经历的时间t_230标； 

d.计算平均注气速度ν_标=230/t_230标； 

e.计算第二个波形对应的浓度P₂=t_2标·ν_标； 

f.计算注入气体浓度达到170ppm的时间，t_170标=170/ν_标； 

g.查询t_170标所对应的波形周期T_170标； 

h.记录230ppm所对应的波形周期T_230标，完成标定。 

2、半导体一氧化碳气体传感器的检测 

（1）、拐点浓度和报警动作值的选取 

依据半导体一氧化碳传感器测量原理，波形振荡频率与浓度成正比，随着一氧化碳气体浓度的增加，振荡波形频率逐渐增大，周期逐渐减小。由于报警点230ppm所在区间图形特征为与X轴平行的曲线段，故考虑采用以前后相邻周期值逐差判断近似平行的方式来寻求报警点。实验统计结果如表一，当气体浓度接近拐点浓度170ppm左右时，相邻波形前后周期之差约为0.5s，当一氧化碳气体浓度接近230ppm左右时，相邻波形前后周期之差一般不超过0.2s。因此根据这些实验数据，首先要确定与标定初始周期对应相同浓度的测量初始周期，然后根据相 

对误差理论，找到测量曲线的拐点浓度170ppm，通过拐点进入饱和区间后，根据实验数据，利用相邻波形周期之差ΔT≤0.2s这一条件来判别测量曲线是否趋于走平，测量曲线走平同时也应与标定饱和区间曲线保持平行。因此再次运用相对误差理论计算测量曲线走平区间与标定报警点区间是否平行，如果平行则可确定测量曲线230ppm报警点。 

一氧化碳气体由低浓度到高浓度相邻周期差值表，单位：秒； 

表一 

然而由于一氧化碳气体浓度与波形周期曲线并不呈严格规律的反比关系，在不饱和区间曲线有时会存在起伏和波动，所以单纯用上述条件并不能准确判断报警点，而会导致测量结果存在漂移，往往是提前报警。因此，如何准确判断拐点170ppm从而找到报警点所在的饱和区间则成为了提高半导体一氧化碳传感器报警精确度的关键。 

根据半导体一氧化碳气体传感器测量原理，虽然波形周期与一氧化碳气体浓度存在一定关联性，然而受限于半导体器件较差的稳定性，并不能直接利用标定曲线中拐点170ppm所对应的周期在其他测量曲线上定位气体浓度，相反需要经过特定修正来辅助判断。考虑到170ppm之前的气体浓度值在非饱和区间，测量曲线与标定曲线之间的平行度较差，而气体浓度大 于170ppm后，两曲线平行关系较好，因此对该临界值的判定以标定曲线上的T₁₇₀值为基准，经过一定的修正后与测量曲线上对应的相同浓度点的脉冲周期值进行比较判断来确定。 

（2）相同浓度条件下，首个标定周期值与第n个测量周期值的对应关系 

图5是同一半导体一氧化碳传感器的标定曲线（下方）和模拟一氧化碳气体泄露的测量曲线（上方）。从图5中可以看出气体的泄露速度慢于标定过程中的注气速度，这使得测量图形初始脉冲周期值相对于标定初始脉冲周期值较大，其对应的气体浓度值较小。因而当测量图形反映到坐标轴上时，测量曲线位于标定曲线的上方，且首个波形周期起点先于标定曲线首个波形周期起点。 

从图5可以看出，如果用一条平行于纵轴垂直于横轴的直线切于标定和测量曲线，标定曲线首个波形周期与直线相交，该直线于测量曲线的第3个波形周期相交。虽然两曲线的首个波形周期均在特定浓度下产生，但是由于波形周期受测量条件的诸多因素影响，而均不相同。所以不能简单地取曲线首个波形一一对应按照公式3）计算，而是以标定首个波形周期对应浓度为基准，通过用时间系数ξ对测量曲线进行修正，找出相同浓度条件下首个标定周期值对应的测量曲线第n个波形周期值（如果以图5为例n=3）。修正后的测量曲线第n个周期值与标定曲线首个波形周期值才能用公式3）计算。其中ξ=（t1测-t1标）/t1标 

（3）tn测的计算 

测量开始注气到产生第n个波形周期的时间tn测，按已知条件t1标和t1测，再用时间修正系数ξ对其进行修正： 

有：V_标=V_测(1-γ)   1) 

式中：γ=(T_1测-T_1标)/T_1标

t_n测=ξ*（P_1标/ν_测）   2) 

根据计算所得到的时间t_n测所对应的测量波形周期值为Tn测，从图5中显然有标定曲线和测量曲线相似平行的关系，即可标定周期值与测量周期值按3）式计算。从稳定性和数据采集代表性考虑，取标定曲线的第二个脉冲作为起点计算的周期值。 

T_2标=T_n测（1-β1）   3) 

（4）测量波形拐点170ppm的计算 

由3）式求得β1后，如果： 

T_n测≤T_170标（1+β1），   4） 

即可得到T_n测对应拐点浓度约为170ppm。 

反之，则计算：T_3标=T_n+1测（1-β2）   5） 

由5）式求得β2后，如果： 

T_n+1测≤T_170标（1+（β1+β2）/2）   6） 

即可得到T_n+1测对应拐点浓度约为170ppm。 

反之，则计算：T_4标=T_n+2测（1-β3）   7） 

由7）式求得β3后，如果： 

T_n+2测≤T_170标（1+（β1+β2+β3）/3）   8） 

即可得到T_n+1测对应拐点浓度约为170ppm。 

反之，则计算：T_5标=T_n+3测（1-β4）   9） 

…… 

以此类推直至计算T_n标=T_n+n-2测（1-βn-1）   10） 

由10）式求得βn-1后，如果： 

T_n+n-2测≤T_170标（1+（β1+β2+β3+……βn-1）/n-1）   11） 

即可得到T_n+1测对应拐点浓度约为170ppm。 

由此，单片机可根据T_N来定量判断测量曲线上浓度为170ppm这一拐点，大量实验结果显示，该方法测定的精确度很高，误差通常不超过±20ppm。（5）报警点230ppm的计算 

拐点浓度确定后，在测量曲线的饱和区间内即可利用上述相邻波形周期之差ΔT≤0.2s这一条件来判别230ppm这一报警点。为进一步确保测定值的精确度，通常需要连续两组相邻波形的周期差满足以0.2s为临界点的判定条件。此外，还需将T_230测与T_230标比较；如图5所示，如果测量曲线一氧化碳气体注气（扩散）速度小于标定曲线气体注气（扩散）速度（单片机可通过比较初始波形周期判断），则T_230测>T_230标，反之亦然。 

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发 明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。 

Claims (4)

1.提高半导体一氧化碳气体传感器测量精度的方法，其特征在于：它包括以下步骤：

S1、利用一氧化碳气体通过半导体一氧化碳传感器输出正弦波的特性排除其他气体的干扰；

S2、找出一氧化碳浓度与波形周期以及P-T曲线的关系；

S3、利用曲线在拐点后与坐标横轴趋于平行的特征确定报警点；

S4、对拐点浓度170ppm进行判定及计算；

S5、根据已知的标定注气速度判断测量曲线平均注气速度ν_测，并进行计算，找到标定起振浓度对应的测量起振浓度；

S6、判断报警点。

2.如权利要求1所述的提高半导体一氧化碳气体传感器测量精度的方法，其特征在于：如S2中所述，一氧化碳气气体浓度与波形周期成反比例关系，浓度增加至拐点浓度（见浓度周期（P-T）曲线图），约在170ppm左右；在0-170ppm的区间里，波形周期随浓度升高而迅速减小，浓度超过170ppm后曲线趋于平缓，逐渐与X轴平行，曲线与坐标轴横轴间距趋于常数。

3.如权利要求1所述的提高半导体一氧化碳气体传感器测量精度的方法，其特征在于：如S3中所述，当气体浓度接近170ppm左右时，相邻波形前后周期之差约为0.5s，当气体浓度接近230ppm左右时，相邻波形前后周期之差一般不超过0.2s（见表一）。

4.如权利要求1所述的提高半导体一氧化碳气体传感器测量精度的方法，其特征在于：如S6中所述，根据标定起振浓度找到测量起振浓度，首个标定和测量（如P-T曲线图中所示第n个）波形周期值对应后通过计算找到测量的拐点浓度（约170ppm）对应的测量周期值,然后根据进入饱和区间后P-T曲线走平（周期变化较小）以及标定曲线与测量曲线平行（随着浓度增加标定周期与测量周期的差值约成定值），通过计算找到报警点。

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