CN105388937A - 一种用于气体传感器的精准恒温控制方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种用于气体传感器的精准恒温控制方法及装置，该方法步骤包括：1)在气体传感器的敏感芯体所在区域内布置测温组件；以预设温度值作为温度目标值，转入执行步骤2)；2)根据测温组件输出的测量温度值控制调节敏感芯体所在区域的温度，直至恒定达到温度目标值，转入执行步骤3)；3)实时检测气体传感器所处的当前环境温度，并根据检测到的当前环境温度对温度目标值进行修正，返回执行步骤2)，直至退出控制；该装置包括温度控制模块以及环境温度测量组件、测温组件，温度控制模块包括控制执行单元以及温度修正单元。本发明具有控制实现简单、能够实现气体传感器的恒温控制且控制精准的优点。

Description

一种用于气体传感器的精准恒温控制方法及装置

技术领域

本发明涉及气体传感器技术领域，尤其涉及一种用于气体传感器的精准恒温控制方法及装置。

背景技术

气体传感器的化学响应特性通常与温度有关，因此为提高气体传感器的检测精度需要对传感器的敏感芯体进行恒温控制。温度控制作为自动控制中误差控制技术应用的一种，目前通常是采用带测温反馈形成的闭环恒温控制方式，即获得需要控制点的温度，然后与设点的目标温度比较获得温度差值，根据该差值进行调整，使控制点温度保持恒定。

上述恒温控制方式能够精准控制实际上仅为测温点的温度，当应用于气体传感器中进行控温时，由于敏感芯体通常不能同时用于温度与气体浓度测量，需要增加额外的测温器件来测量温度，由测温器件的测量温度来表征敏感芯体的温度，但是不可避免地温度场存在不一致，且会随环境温度变化而变化，测温器件的测量温度并不能完全表征敏感芯体控制点的温度，因而采用上述恒温控制方式无法对敏感芯体的温度进行精准的控制。具体的说，在气体传感器中应用闭环恒温控制方式时，只能单温度点保证设定点与控温点重合，而在其他温度则会发生偏移，同时整体控温的精度很大程度上需要依赖于温度测量的准确性，且这种准确性又依赖于测温器件与敏感芯体的位置关系，当两者相距越远时，测量点与需要控制点的温差可能较大；当两者相距越近时，温差则可能较小，导致气体传感器恒温控制的精度不高。

发明内容

本发明要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种控制实现简单、能够实现气体传感器的恒温控制且控制精准的用于气体传感器的精准恒温控制方法及装置。

为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：

本发明公开一种用于气体传感器的精准恒温控制方法，步骤包括：

1)在气体传感器的敏感芯体所在区域内布置测温组件；启动控制，以预设温度值作为温度目标值，转入执行步骤2)；

2)根据所述测温组件输出的测量温度值控制调节敏感芯体所在区域的温度，直至恒定达到温度目标值，转入执行步骤3)；

3)实时检测气体传感器所处的当前环境温度，并根据检测到的当前环境温度对温度目标值进行修正，返回执行步骤2)，直至退出控制。

作为本发明方法的进一步改进：所述步骤2)中具体采用闭环控制调节敏感芯体所在区域的温度，所述闭环控制调节的具体步骤为：实时获取所述测温组件输出的测量温度值，并计算所述测量温度值与温度目标值之间的差值，根据所述差值进行控制调节。

作为本发明方法的进一步改进：所述步骤2)中具体通过调节布置在敏感芯体所在区域内的加热制冷组件的输出功率，调节敏感芯体所在区域的温度。

作为本发明方法的进一步改进，所述步骤3)中对温度目标值进行修正具体为：根据当前环境温度获取对应的测量温差值，并以所述测量温差值作为修正值对温度目标值进行修正，所述测量温差值为测温组件所在测温点与敏感芯体间的温差值。

作为本发明方法的进一步改进：根据预先建立的环境温度与测量温差值之间的关系获取所述当前环境温度对应的测量温度差值。

作为本发明方法的进一步改进，所述环境温度与测量温差值之间的关系的建立步骤为：分别获取不同环境温度下所述测温组件输出的测量温度值、敏感芯体的温度值，计算不同环境温度下的所述测量温差值；由不同环境温度下的所述测量温差值建立环境温度与测量温差值之间的关系。

作为本发明方法的进一步改进：所述不同环境温度下的所述测量温差值，具体采用函数拟合或分段线性插值建立环境温度与测量温差值之间的关系。

一种用于气体传感器的精准恒温控制装置，包括温度控制模块、以及分别与所述温度控制模块连接的用于实时检测气体传感器内环境温度的环境温度测量组件、布置在气体传感器的敏感芯体所在区域内的测温组件，所述温度控制模块包括控制执行单元以及温度修正单元，所述控制执行单元根据所述测温组件输出的测量温度值控制调节敏感芯体所在区域的温度，直至恒定达到温度目标值；所述温度修正单元用于在所述控制执行单元执行达到预设温度值的温度目标值时，根据所述环境温度测量组件检测到的环境温度对温度目标值进行修正，输出至所述控制执行单元。

作为本发明装置的进一步改进：还包括布置在气体传感器的敏感芯体所在区域内的加热制冷组件，所述加热制冷组件与所述温度控制模块连接，所述加热制冷组件在所述温度控制模块的控制下调节输出功率。

作为本发明装置的进一步改进：所述测温组件、加热制冷组件采用一体化的薄膜半导体结构。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1)本发明用于气体传感器的精准恒温控制方法及装置，通过布置测温组件测量气体传感器中敏感芯体所在区域温度，基于测温组件的测量温度值对气体传感器进行恒温预控制，恒定达到预设温度值的稳定状态时，再根据实时环境温度对温度目标值进行修正，以基于环境温度补偿温度控制点，从而能够减小环境温度变化引起的控制点温度偏移，实现不同环境温度下敏感芯体温度的精准控制；

2)本发明用于气体传感器的精准恒温控制方法及装置，进一步根据环境温度获取对应的测量温差值，即测温组件所在测温点与敏感芯体间的温差值，并以测量温差值作为修正值对温度目标值进行修正，从而能够结合环境温度能够有效补偿测温点与敏感芯体间的温差值，使得能够精准的控制气体传感器中敏感芯体的保持恒定；

3)本发明用于气体传感器的精准恒温控制方法及装置，进一步采用闭环控制调节敏感芯体所在区域的温度，以基于闭环控制调节精准的控制测温点的温度，从而保证环境温度不变时测温点温度的恒定；

4)本发明用于气体传感器的精准恒温控制方法及装置，进一步通过建立环境温度与测量温差值之间的关系，可以获得各环境温度下的测量温差值，从而根据当前环境温度值即可获取对应的测量温差值以对温度目标值进行修正，使得气体传感器中环境温度改变时仍然能够实现精准控制。

附图说明

图1是本实施例用于气体传感器的精准恒温控制方法的实现流程示意图。

图2是本实施例用于气体传感器的精准恒温控制方法的实现原理示意图。

图3是本实施例精准恒温控制方法所采用的恒温控制装置的结构示意图。

图4是本实施例恒温控制装置执行恒温预控制的实现原理示意图。

图5是本实施例恒温控制装置执行恒温控制的实现原理示意图。

图例说明：1、敏感芯体；2、温度控制模块；3、环境温度测量组件；4、测温组件；5、加热制冷组件。

具体实施方式

以下结合说明书附图和具体优选的实施例对本发明作进一步描述，但并不因此而限制本发明的保护范围。

如图1所示，本实施例用于气体传感器的精准恒温控制方法，步骤包括：

1)在气体传感器的敏感芯体所在区域内布置测温组件；启动控制，以预设温度值作为温度目标值，转入执行步骤2)；

2)根据测温组件输出的测量温度值控制调节敏感芯体所在区域的温度，直至恒定达到温度目标值，转入执行步骤3)；

3)实时检测气体传感器所处的当前环境温度，并根据检测到的当前环境温度对温度目标值进行修正，返回执行步骤2)，直至退出控制。

气体传感器中敏感芯体具有随温度变化的温度特性(类似铂电阻)，因而实际所获得的气体化学响应特性还叠加有敏感芯体的温度特性，本实施例通过对气体传感器的敏感芯体进行恒温控制，以固定敏感芯体的温度，可以消除敏感芯体的温度特性影响，从而获得精准的气体传感器特性。

本实施例通过布置测温组件测量气体传感器中敏感芯体所在区域温度，基于测温组件的测量温度值对气体传感器进行恒温预控制，直至恒定达到预设温度值的稳定状态时，再根据实时环境温度对温度目标值进行修正，以基于环境温度补偿温度控制点，从而能够减小环境温度变化引起的控制点温度偏移，实现不同环境温度下敏感芯体温度的精准控制。

本实施例在气体传感器中，测温组件与敏感芯体具体采用基于一体化薄膜技术的敏感探头，测温组件与敏感芯体紧密耦合，使得测温组件的测量区域与敏感芯体之间的温差较小，测温组件具体可以采用标准测温铂电阻或者一体化封装的感温电阻。

本实施例中，步骤2)中具体采用闭环控制调节敏感芯体所在区域的温度，闭环控制调节的具体步骤为：实时获取测温组件输出的测量温度值，并计算测量温度值与温度目标值之间的差值，根据差值控制调节敏感芯体所在区域的温度。基于闭环控制调节可以精准的控制测温点的温度，从而保证环境温度不变时测温点温度的恒定。

本实施例中，步骤2)中具体通过调节布置在敏感芯体所在区域内的加热制冷组件的输出功率，调节敏感芯体所在区域的温度。

本实施例中，步骤3)中对温度目标值进行修正具体为：根据当前环境温度获取对应的测量温差值，并以测量温差值作为修正值对温度目标值进行修正，测量温差值为测温组件所在测温点与敏感芯体间的温差值。由于在气体传感器中，特别是采用一体化薄膜技术的气体传感器中，测量组件所在的测温点与敏感芯体所在的控制点的温度存在温差且与随着环境温度变化会发生偏移，本实施例在闭环控制的基础上，实时根据环境温度对温度目标值进行修正，以环境温度对应的温差值作为修正值，从而能够结合环境温度有效补偿测温点与敏感芯体间的温差值，使得能够精准的控制气体传感器中敏感芯体的保持恒定。

本实施例中，根据预先建立的环境温度与测量温差值之间的关系获取当前环境温度对应的测量温度差值。测温点与控制点之间的温差会随环境温度改变，本实施例通过学习环境温度与测量温差值之间的关系，可以获得各环境温度下的测量温差值，从而根据当前环境温度值即可获取对应的测量温差值对温度目标值进行修正，使得气体传感器中环境温度改变时仍然能够实现精准控制。

本实施例中，环境温度与测量温差值之间的关系的建立步骤为：分别获取不同环境温度下测温组件输出的测量温度值、敏感芯体的温度值，计算不同环境温度下的测量温差值；由不同环境温度下的测量温差值建立环境温度与测量温差值之间的关系。

本实施例中，不同环境温度下的测量温差值，具体采用函数拟合或分段线性插值建立环境温度与测量温差值之间的关系。本实施例在每个环境温度点下，通过标定敏感芯体与需要控制温度的温差值，再以温度插值点作为自变量、温差值作为因变量对数据进行函数拟合或者线性插值，得到气体传感器整个工作温度范围内所对应的温差值，由所得到的温差值作为修正值修正温度目标值，即可实现对敏感芯体的精确温度控制，具体为：

首先获取不同环境温度下的测量温差值，如表1所示，具体将气体传感器置于不同的环境温度点，环境温度点可按照将整个气体传感器工作温度范围进行均匀插值、其他组合插值方式或根据经验值等设定(本实施例取T1～T5)，测量各环境温度点下敏感芯体与需要控制温度之间的温差值。

表1：测量温差值随环境温度变化表。

环境温度	温差(测量温差值)
		T1	E1
T2	E2
		T3	E3
T4	E4
		T5	E5

由于当调节测量组件的输出值达到预设温度值时，即达到恒温状态，则可以认为测量组件输出的测量温度值与需要控制温度一致，因此上述温差也即为敏感芯体的实际控制值(测量组件输出的测量温度值)与设定值(温度目标值)控温稳定情况下，测量温差值在不同环境温度下的关系，测量温差值最终以增量形式进行修正。

获取不同环境温度下的测量温差值后，再根据各测量温差值建立环境温度与测量温差值之间的关系，具体将各测量温差值(如表1所示)进行函数拟合，以环境温度为自变量t、以测量温差值为因变量e，获得拟合函数：e＝f(t)；或者将各测量温差值进行分段线性插值，如表2所示，将全温区均匀划分n个插值段，对应的温度区间为(Tn-1～Tn)，该段区域内的测量温差值为En，得到全温区内测量温差值；以测量温差值作为修正值，即得到全温区内修正值，如表2所示E1～En。

表2：全温区内环境温度与修正值对应关系。

环境温度	修正值
		T1	E1
T2	E2
		...	...
Tn	En

本实施例中，以测量温差值作为修正量对温度目标值进行修正，即以温度目标值与测量温差值之和作为修正后结果，得到最终温度目标值控制调节敏感芯体所在区域的温度。

如图2所示，本实施例首先以预设温度值作为温度目标值对气体传感器的敏感芯体进行恒温预控制；恒温预控制完成后，即测量组件输出的测量温度值恒定达到预设温度值，然后获取环境温度与测量温度差(测量组件所在的测温点与敏感芯体之间的温差)之间的关系；再基于不同环境温度对温度目标值进行修正，最后由测量组件测量敏感芯体所在区域的温度，并以修正后的温度目标值控制调节敏感芯体所在区域的温度，直至恒定达到温度目标值，完成对气体传感器的恒温控制，能够补偿不同环境下测温点与敏感芯体之间的温差值，同时减小环境温度变化引起的控制点温度偏移，实现不同环境温度下敏感芯体温度的精准控制。

如图3所示，本实施例所采用的恒温控制装置包括温度控制模块2、以及分别与温度控制模块2连接的用于实时检测气体传感器内环境温度的环境温度测量组件3、布置在气体传感器的敏感芯体1所在区域内的测温组件4，还包括布置在气体传感器的敏感芯体所在区域内的加热制冷组件5，加热制冷组件5与温度控制模块2连接，其中敏感芯体1与测温组件4以及加热制冷组件5构成敏感探头，且测温组件4与敏感芯体1紧密耦合；加热制冷组件5在温度控制模块2的控制下，通过加热或制冷调节输出功率以使敏感探头处于恒定的温度。温度控制模块2、测温组件4以及环境温度测量组件3形成闭合的控制环路，测温组件4用来测量敏感芯体所在区域的温度，反馈给温度控制模块2，温度控制模块2设置在控制盒中，用来根据测温组件4的温度反馈值、环境温度测量组件3反馈的环境温度值调整加热制冷组件5的输出功率；环境温度测量组件3用于测量气体传感器所处的整个环境温度，反馈给温度控制模块2以进行温度目标值修正。

本实施例温度控制模块2具体包括控制执行单元以及温度修正单元，控制执行单元根据测温组件4输出的测量温度值控制调节敏感芯体1所在区域的温度，直至恒定达到温度目标值；温度修正单元用于在控制执行单元执行达到预设温度值的温度目标值时，根据环境温度测量组件3检测到的环境温度对温度目标值进行修正，输出至控制执行单元，气体传感器中气体部件完成传感器检测调整等。本实施例敏感芯体1与测温组件4以及加热制冷组件5构成的敏感芯体采用一体化的薄膜半导体结构，可以使得测温组件4的测量区域与敏感芯体所在区域的温度温差较小。

如图4所示，本实施例恒温控制装置执行恒温预控制时，获取测温组件4输出的温度测量值，并与预设温度值(温度设定值)进行比较，由比较得到的误差值控制热制冷组件的输出功率，从而闭环控制调整测温组件4输出的温度测量值，即调整测温点的温度输出，直至温度测量值达到预设温度值，完成恒温预控制；如图5所示，本实施例恒温控制装置在恒温控制过程中，执行完恒温预控制后，还根据测温点温度输出、敏感芯体温度输出之差(测量温度差)对温度目标值进行修正以重新设定温度目标值，以修正的温度目标值控制重新执行闭环控制，直至达到恒温状态。

上述只是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何形式上的限制。虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均应落在本发明技术方案保护的范围内。

Claims (10)

1.一种用于气体传感器的精准恒温控制方法，其特征在于步骤包括：

1)在气体传感器的敏感芯体所在区域内布置测温组件；启动控制，以预设温度值作为温度目标值，转入执行步骤2)；

2)根据所述测温组件输出的测量温度值控制调节敏感芯体所在区域的温度，直至恒定达到温度目标值，转入执行步骤3)；

3)实时检测气体传感器所处的当前环境温度，并根据检测到的当前环境温度对温度目标值进行修正，返回执行步骤2)，直至退出控制。

2.根据权利要求1所述的用于气体传感器的精准恒温控制方法，其特征在于，所述步骤2)中具体采用闭环控制调节敏感芯体所在区域的温度，所述闭环控制调节的具体步骤为：实时获取所述测温组件输出的测量温度值，并计算所述测量温度值与温度目标值之间的差值，根据所述差值进行控制调节。

3.根据权利要求2所述的用于气体传感器的精准恒温控制方法，其特征在于：所述步骤2)中具体通过调节布置在敏感芯体所在区域内的加热制冷组件的输出功率，调节敏感芯体所在区域的温度。

4.根据权利要求1或2或3所述的用于气体传感器的精准恒温控制方法，其特征在于，所述步骤3)中对温度目标值进行修正具体为：根据当前环境温度获取对应的测量温差值，并以所述测量温差值作为修正值对温度目标值进行修正，所述测量温差值为测温组件所在测温点与敏感芯体间的温差值。

5.根据权利要求4所述的用于气体传感器的精准恒温控制方法，其特征在于：根据预先建立的环境温度与测量温差值之间的关系获取所述当前环境温度对应的测量温度差值。

6.根据权利要求5所述的用于气体传感器的精准恒温控制方法，其特征在于，所述环境温度与测量温差值之间的关系的建立步骤为：分别获取不同环境温度下所述测温组件输出的测量温度值、敏感芯体的温度值，计算不同环境温度下的所述测量温差值；由不同环境温度下的所述测量温差值建立环境温度与测量温差值之间的关系。

7.根据权利要求6所述的用于气体传感器的精准恒温控制方法，其特征在于：所述不同环境温度下的所述测量温差值，具体采用函数拟合或分段线性插值建立环境温度与测量温差值之间的关系。

8.一种用于气体传感器的精准恒温控制装置，其特征在于包括温度控制模块(2)、以及分别与所述温度控制模块(2)连接的用于实时检测气体传感器内环境温度的环境温度测量组件(3)、布置在气体传感器的敏感芯体(1)所在区域内的测温组件(4)，所述温度控制模块(2)包括控制执行单元以及温度修正单元，所述控制执行单元根据所述测温组件(4)输出的测量温度值控制调节敏感芯体(1)所在区域的温度，直至恒定达到温度目标值；所述温度修正单元用于在所述控制执行单元执行达到预设温度值的温度目标值时，根据所述环境温度测量组件(3)检测到的环境温度对温度目标值进行修正，输出至所述控制执行单元。

9.根据权利要求8所述的用于气体传感器的精准恒温控制装置，其特征在于：还包括布置在气体传感器的敏感芯体(1)所在区域内的加热制冷组件(5)，所述加热制冷组件(5)与所述温度控制模块(2)连接，所述加热制冷组件(5)在所述温度控制模块(2)的控制下调节输出功率。

10.根据权利要求9所述的用于气体传感器的精准恒温控制装置，其特征在于：所述测温组件(4)、加热制冷组件(5)采用一体化的薄膜半导体结构。