CN105806898B - 一种用于气体传感器的气体浓度标定方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于气体传感器的气体浓度标定方法，属于气体传感器技术领域。本发明操作简单，只需对不同气体浓度下采集的响应数据求一阶差分极值、二阶差分极值或对上述极值进行变换处理得到标定值，以标定值为纵坐标，检测气体浓度为横坐标得到散点图，线性拟合后得到标定曲线图，通过标定曲线图即可判断气体浓度。运用本发明检测速度很快，提高检测灵敏度和准确性；本发明检测结果更客观，浓度检测无需人为确定响应数据的范围，不受主观因素影响，不受数据量影响；本发明不受参数估计算法影响；本发明处理后的标定值与气体浓度之间线性关系更明显，便于进行浓度检测。

Description

一种用于气体传感器的气体浓度标定方法
技术领域
本发明属于传感器技术领域，具体涉及一种用于气体传感器快速检测的气体浓度标定方法。
背景技术
气体传感器是气体检测系统的核心，是一种将气体的体积分数转化成对应电信号的器件。气体传感器是依靠与气体相互作用时产生表面吸附或反应，引起传感器电导率、自身质量或其他特性的改变，从而检测出被测气体的浓度。
目前对气体浓度的检测数据，一般根据“响应”来处理。响应时间定义为:当测试气体注入后，测试值变化量达到其总变化量的90％所需的时间，恢复时间定义为:当测试气体从测试环境移除后，测试值恢复到总变化量10％所需的时间。
根据响应时间和恢复时间确定出测试数据范围，在此基础上，“响应”定义为Δy/y0，其中Δy＝yg-y0，yg代表在第一次待测气体引入后传感器的实时测试值,y0代表在第一次待测气体引入前传感器的测试基线值。根据不同气体浓度与相应“响应值”的线性度可判断气敏材料与制备工艺的优劣。然而，这样的处理方法存在以下几方面缺点：
1.主观性强；这主要在于“测试值变化量达到其总变化量的90％”难以精确界定，要确定总变化量往往需要较长时间，因此确定出测试的数据范围一般是根据经验主观确定，存在随机误差。
2.浓度估计存在模型误差；对于多次重复测试，存在基线漂移且响应值逐渐趋于某个饱和极限，因此响应也会逐渐趋于某个上限或下限，不同浓度的响应与浓度是非线性的。多次重复测试的响应是非线性的，而一般处理时将这个非线性关系近似线性化处理，用“线性度”来衡量，采用这样的方法来估计浓度存在模型误差。
3.耗时较长；根据“响应”来估算浓度，需要等到“测试值变化量达到其总变化量的90％”，这是一段较长的时间，对于某些特殊领域例如剧毒气体的检测，这段时间是致命的。
鉴于上文所述，发明一种简单、准确、客观、快速的气体浓度标定方法，对于气体传感器的研究和应用具有重要意义。
发明内容
本发明的目的在于：提供一种简单、准确、客观、快速的应用于气体传感器的气体浓度标定方法，解决常规方法人为确定数据范围带来的误差问题，避免主观性；本发明基于差分极值的气体浓度标定方法相较于其他模型更加合理，并且操作简单易行。
本发明所提出的技术问题是这样解决的：
提供一种用于气体传感器的气体浓度标定方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：将待标定的气体传感器置于标定环境中，通入已知浓度的检测气体，采集时间间隔相同的气体传感器响应值，得到一组响应数据[y1,y2,…,yn]进行处理，定义Δyi＝yi+1-yi，其中i＝1,2,3…n-1，数据应满足|Δyi|逐渐减小趋近于0；
步骤2：对步骤1所得数据进行以下处理：
(1)求一阶差分：Δyi＝yi+1-yi，其中i＝1,2,3…n-1；
(2)求一阶差分极值；
(3)求二阶差分：Δ2yi＝Δyi+1-Δyi＝(yi+2-yi+1)-(yi+1-yi)＝yi+2-2yi+1+yi，其中i＝1,2,3…n-2；
(4)求二阶差分的极大值和极小值；
步骤3：改变通入检测气体的浓度，重复步骤1与步骤2得到标定值为纵坐标，检测气体浓度为横坐标的散点图，线性拟合后得到标定曲线图，所述标定值可以是一阶差分极值或二阶差分极大值或二阶差分极小值；
所述步骤1中采集数据的时间间隔范围为1秒～10秒；
所述步骤1中气体传感器响应值为电阻值或电流值；一般主要用于电阻式气体传感器与OTFT(有机薄膜晶体管)气体传感器；
所述步骤3中标定值可以进行开根号变换作为纵坐标，以检测气体浓度为横坐标绘制散点图，线性拟合后得到标定曲线图；
相比于现有技术，本发明具有以下有益效果：
①快速，差分极值出现较早，对应时间很短，常规方法响应时间按分钟计算，本发明仅需几十秒，提高了检测的灵敏度，对于某些特殊领域例如剧毒气体的检测，快速响应是极为重要的；
②操作简单只需进行差分并找出差分极值进行变换；数据客观，常规方法确定测试的数据范围一般是根据经验主观确定，存在随机误差，本发明无需人为确定检测数据范围；
③准确，不涉及参数估计，不受参数估计算法影响；克服现有模型的弊端现有浓度估计模型中，多次重复测试的响应是非线性的，不同浓度的响应与浓度是非线性的，一般处理时将这个非线性关系近似线性化处理，采用这样的方法来估计浓度存在模型误差。而本发明的标定方法处理后得到的二阶差分极值与气体浓度之间线性关系明显。
附图说明
图1为采集时间间隔为4秒时的标定曲线图。
图2为时间间隔相同的情况下，氨气(NH3)测试浓度为60ppm时单独一段响应数据的差分处理过程；其中，(a)为原始数据图，(b)为数据一阶差分处理图，(c)为数据二阶差分处理图。
图3为采集时间间隔为1秒时的标定曲线图。
图4为采集时间间隔为2秒时的标定曲线图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述：
实施例1：
步骤1：采用空气环境下测试氨气(NH3)数据，以500ppm干燥空气为基气，通入20ppm氨气(NH3)作为检测气体，采集时间间隔为4秒，得到一组响应数据[R1,R2,…,Rn]，这里数据为通入氨气后的测试电阻值；
步骤2：对步骤1所得数据[y1,y2,…,yn]＝[R1,R2,…,Rn]进行以下处理：
(1)求一阶差分：Δyi＝yi+1-yi，其中i＝1,2,3…n-1；
(2)求一阶差分极值；
(3)求二阶差分：Δ2yi＝Δyi+1-Δyi＝(yi+2-yi+1)-(yi+1-yi)＝yi+2-2yi+1+yi，其中i＝1,2,3…n-2；
(4)求二阶差分的两个极值；
步骤3：依次改变通入检测气体的浓度为40ppm、60ppm、80ppm、100ppm，重复步骤1与步骤2得到另外四组数据，优选二阶差分极小值为标定值，以标定值为纵坐标，检测气体浓度为横坐标作散点图，线性拟合后得到标定曲线图，结果如图1所示。
结合说明书附图2所示，以氨气浓度为60ppm时的响应数据为例，原始数据如如图2(a)；求一阶差分处理：Δyi＝yi+1-y，结果如图2(b)，一阶差分存在极小值；求二阶差分Δ2yi＝Δyi+1-Δyi＝(yi+2-yi+1)-(yi+1-yi)＝yi+2-2yi+1+yi，结果如图2(c)，二阶差分存在极小值和极大值；原始数据测试时间15分钟，而本发明中，二阶差分极大值在第5个测试点出现，其时间仅需18.329秒；二阶差分极小值出现在5～8秒之内，但对于检测技术的精密度、灵敏度有所要求。
实施例2：
步骤1：采用空气环境下测试二氧化氮(NO2)数据，以500ppm干燥氮气为基气，通入20ppm二氧化氮(NO2)作为检测气体，采集时间间隔为1秒，得到一组响应数据[R1,R2,…,Rn]，这里数据为通入二氧化氮后的测试电阻值；
步骤2：对步骤1所得数据[y1,y2,…,yn]＝[R1,R2,…,Rn]进行以下处理：
(1)求一阶差分：Δyi＝yi+1-yi，其中i＝1,2,3…n-1；
(2)求一阶差分极值；
(3)求二阶差分：Δ2yi＝Δyi+1-Δyi＝(yi+2-yi+1)-(yi+1-yi)＝yi+2-2yi+1+yi，其中i＝1,2,3…n-2；
(4)求二阶差分的两个极值；
步骤3：依次改变通入检测气体的浓度为40ppm、60ppm、80ppm、100ppm，重复步骤1与步骤2得到另外四组数据，优选二阶差分极小值为标定值，以标定值为纵坐标，检测气体浓度为横坐标作散点图，线性拟合后得到标定曲线图，结果如图3所示。
实施例3：
步骤1：采用空气环境下测试二氧化氮(NO2)数据，以500ppm干燥氮气为基气，通入20ppm二氧化氮(NO2)作为检测气体，采集时间间隔为2秒，得到一组响应数据[R1,R2,…,Rn]，这里数据为通入二氧化氮后的测试电阻值；
步骤2：对步骤1所得数据[y1,y2,…,yn]＝[R1,R2,…,Rn]进行以下处理：
(1)求一阶差分：Δyi＝yi+1-yi，其中i＝1,2,3…n-1；
(2)求一阶差分极值；
(3)求二阶差分：Δ2yi＝Δyi+1-Δyi＝(yi+2-yi+1)-(yi+1-yi)＝yi+2-2yi+1+yi，其中i＝1,2,3…n-2；
(4)求二阶差分的两个极值；
步骤3：依次改变通入检测气体的浓度为40ppm、60ppm、80ppm、100ppm，重复步骤1与步骤2得到另外四组数据，优选二阶差分极小值为标定值，以标定值为纵坐标，检测气体浓度为横坐标作散点图，线性拟合后得到标定曲线图，结果如图4所示。
根据图1、图3、图4所示，标定值与检测气体浓度之间线性关系显著。按照本发明的气体浓度标定方法，当气体浓度降低时，标定值也随之降低。
综上所述可反映出本发明中气体浓度标定方法的优势与效果。

Claims (4)

1.一种用于气体传感器的气体浓度标定方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：将待标定的气体传感器置于标定环境中，通入已知浓度的检测气体，采集时间间隔相同的气体传感器响应值，得到一组响应数据[y1,y2,…,yn]进行处理，定义Δyi＝yi+1-yi，其中i＝1,2,3…n-1，数据应满足|Δyi|逐渐减小趋近于0；
步骤2：对步骤1所得数据进行以下处理：
(1)求一阶差分：Δyi＝yi+1-yi，其中i＝1,2,3…n-1；
(2)求一阶差分极值；
(3)求二阶差分：Δ2yi＝Δyi+1-Δyi＝(yi+2-yi+1)-(yi+1-yi)＝yi+2-2yi+1+yi，其中i＝1,2,3…n-2；
(4)求二阶差分的极大值和极小值；
步骤3：改变通入检测气体的浓度，重复步骤1与步骤2得到标定值为纵坐标，检测气体浓度为横坐标的散点图，线性拟合后得到标定曲线图，所述标定值是一阶差分极值或二阶差分极大值或二阶差分极小值。
2.根据权利要求1所述的气体浓度标定方法，其特征在于，所述步骤3中标定值进行开根号变换作为纵坐标，以检测气体浓度为横坐标得到散点图，线性拟合后得到标定曲线图。
3.根据权利要求1或2所述的气体浓度标定方法，其特征在于，采集数据的时间间隔范围为1秒～10秒。
4.根据权利要求1或2所述的气体浓度标定方法，其特征在于，所述气体传感器响应值为电阻值或电流值。
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