CN106093178A - Voc气体传感器的浓度和温度漂移的补偿电路及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了VOC气体传感器的浓度和温度漂移的补偿电路及方法，补偿电路包括VOC光离子传感器，A/D转换器，VOC光离子传感器与A/D转换器通过测量电桥连接，A/D转换器与温度传感器与单片机连接；首先对VOC光离子气体传感器在常温下通入不同浓度的标气，将所对应的输出电压值进行记录，并确定其随浓度的变化规律；其次进行高低温实验，以确定其输出值随温度漂移的曲线；再利用温度传感器对仪表的工作温度进行实时测量，使用单片机程序对VOC光离子气体传感器在浓度和温度两个维度上进行软件补偿计算，解决了VOC光离子气体传感随气体浓度、温度漂移造成的测量误差问题。

Description

VOC气体传感器的浓度和温度漂移的补偿电路及方法
【技术领域】
本发明涉及气体分析领域，具体是VOC气体传感器的浓度和温度漂移的补偿电路及方法。
【背景技术】
VOC是“Volatile Organic Compounds”的缩写，即可挥发有机物，如甲苯、乙苯、苯乙烯、甲醛、乙醇、十四碳烷、TVOC等。
VOC室外主要来自燃料燃烧和交通运输；室内主要来自燃煤和天然气等燃烧产物、吸烟、采暖和烹调等得烟雾，建筑和装饰材料、家具、家用电器、清洁剂和人体本身的排放等。
目前市场上很多仪表是通过电位器调节传感器的灵敏度和零点的，也就是将传感器本身视作线性输出器件，但很多气体传感器是非线性特性的，电位器调节并不能解决传感器的非线性补偿问题，且电位器自身也有温度漂移问题。而VOC传感器在浓度与温度两个维度上都是非线性的。
【发明内容】
为解决现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供VOC气体传感器的浓度和温度漂移的补偿电路及方法，本发明能够针对VOC光离子传感器的2维非线性进行的补偿，并将所有的补偿参数存储，也省去了电位器。
本发明所采用的技术方案如下：
VOC气体传感器的浓度和温度漂移的补偿电路，包括：
VOC光离子传感器，用于获取VOC气体浓度；
测量电桥，用于获取VOC光离子传感器随气体浓度变化时输出电压信号；
A/D转换器，用于将电压信号变换为测量数据；
单片机，用于控制A/D转换器进行测量和处理测量数据；
温度传感器，用于测量温度并将温度信息传输给单片机。
所述的A/D转换器为16位差分Σ-ΔA/D转换器。
所述的单片机为内置段式液晶驱动模块的单片机。
所述的测量电桥包括依次与VOC光离子传感器的输出引脚相连的电阻R31和电容C26，电容C26的另一端接地，电阻R31和电容C26之间的中间点连接至A/D转换器的输入端正极；
还包括电阻R7和电阻R8，电阻R7和电阻R8串联，电阻R7的另一端与VOC光离子传感器电源引脚所接的电源连接，电阻R8的另一端接地，电阻R7与电阻R8之间的中间点依次连接有电阻R32和电容C28，电容C28的另一端接地，电阻R32和电容C28之间的中间点连接至A/D转换器的输入端负极，A/D转换器的输入端正极与输入端负极之间连接有电容C27。
所述的电源电压为3V，电阻R7＝10KΩ，电阻R8＝180Ω，电阻R31＝R32＝10KΩ，电容C26＝C28＝1μF，电容C27＝10μF。
VOC气体传感器的浓度和温度漂移的补偿方法，包括如下步骤：分别对VOC光离子气体传感器进行不同浓度的不同温度试验和常温下不同浓度标气试验，获得测量数据，再根据测量数据分别对VOC光离子气体传感器的输出随浓度变化的非线性数据和随温度的漂移数据进行曲线拟合，并分别在两个维度上进行线性化补偿。
在对测量数据进行曲线拟合之前进行归一化处理。
所述的线性补偿的过程为：
先对VOC气体的浓度变化规律进行补偿，浓度补偿结果＝传感器实测电压值×F(consistence)，其中F(consistence)是VOC传感器随输入浓度变化规律的拟合函数；
再对VOC气体的温度漂移进行补偿，输出PPM值＝浓度补偿结果×F(temperature)，其中F(temperature)是VOC传感器随温度变化规律的拟合函数。
得到输出PPM值后，再对温度数据起伏的温度区间内的数据漂移进行线性修正，最终输出PPM值＝输出PPM值+K(temp[])，其中K(temp[])是指局部温度范围temp[]内的数据起伏进行修正的补偿值。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
本发明的VOC气体传感器的浓度和温度漂移的补偿电路通过VOC光离子传感器获取VOC气体浓度，再通过测量电桥获取VOC光离子传感器随气体浓度变化时输出电压信号，再通过A/D转换器将测量电桥输出的电压信号变换为测量数据，通过单片机控制A/D转换器进行测量和处理测量数据，通过温度传感器测量VOC气体的温度并将温度信息传输给单片机，本发明的补偿方法通过分别对VOC光离子气体传感器进行不同浓度的不同温度试验和常温下不同浓度标气试验，获得测量数据，再根据测量数据分别对VOC光离子气体传感器的输出随浓度变化的非线性数据和随温度的漂移数据进行曲线拟合，并分别在两个维度上进行线性化补偿。
【附图说明】
图1(a)为本发明的VOC气体传感器的浓度和温度漂移的补偿电路图；图1(b)为温度传感器的示意图；
图2为本发明的补偿电路测得的常温下输出电压-浓度关系曲线图；
图3(a)为本发明的补偿电路检测的不同浓度的不同温度试验时的温度与电压输出之间的关系图，图3(b)为本发明的补偿方法对测量数据的温度-电压曲线拟合图，图3(c)为本发明在不同浓度的不同温度试验时的经过归一化处理的温度与电压补偿图，图3(d)为本发明的补偿方法在不同浓度的不同温度试验时的温度-电压-PPM补偿图。
【具体实施方式】
下面结合附图来对本发明作进一步的说明。
如图1(a)与图1(b)所示，本发明的VOC气体传感器的浓度和温度漂移的补偿电路，包括：VOC光离子传感器，用于获取VOC气体浓度；测量电桥，用于获取VOC光离子传感器随气体浓度变化时输出电压信号；16位差分Σ-ΔA/D转换器，用于将电压信号变换为测量数据；内置段式液晶驱动模块的单片机，用于控制A/D转换器进行测量和处理测量数据以及控制显示器显示；温度传感器，用于测量温度并将温度信息传输给单片机；
本发明的测量电桥包括依次与VOC光离子传感器的输出引脚相连的电阻R31和电容C26，电容C26的另一端接地，电阻R31和电容C26之间的中间点连接至A/D转换器的输入端正极；
还包括电阻R7和电阻R8，电阻R7和电阻R8串联，电阻R7的另一端与VOC光离子传感器电源引脚所接的电源连接，电阻R8的另一端接地，电阻R7与电阻R8之间的中间点依次连接有电阻R32和电容C28，电容C28的另一端接地，电阻R32和电容C28之间的中间点连接至A/D转换器的输入端负极，A/D转换器的输入端正极与输入端负极之间连接有电容C27。
本发明的VOC光离子传感器的电源引脚、接地引脚和输出引脚分别与端子的3脚、2脚和1脚连接，端子的3脚接+3V稳压电源，端子的1脚接地引脚接模拟地，端子的2脚依次接电阻R31，电容C26到地形成低通滤波，以滤出差共模干扰，电阻R31和电容C26中间点接A/D转换器的+VIN脚，即传感器的输出电压最终接到AD转换器输入的正端；
电阻R7、电阻R8经+3V稳压电源分压，作为传感器的零点补偿电压，经电阻R32和电容C28以滤除共模干扰，电阻R32和电容C28中间点接A/D转换器的-VIN脚，即分压点输出电压最终接到A/D转换器输入的负端。电容C27接在A/D转换器的+VIN和-VIN之间接，作为差模滤波电容；
其中R7＝10KΩ，R8＝180Ω，分压的结果是53mv，以此作为传感器输出的零点抵消电压，且电阻R7，电阻R8采用千分之一精度的精密电阻，R31＝R32＝10KΩ，C26＝C28＝1μF，C27＝10μF。
本发明的VOC气体传感器测量电桥和温度传感器电路，共同作为仪器的传感器部分；
设计当中并未使用调零电位器，而是在标定时以单片机的EPROM记录传感器的零点电压，并在测量过程中将零点电压减掉即可；
本发明的补偿电路基于数据采集、存储、补偿的全数字运算方式的补偿方法，并未使用调零电位器和增益灵敏度调整电位器这些硬件；
本发明采用的A/D转换器为16位差分Σ-ΔA/D转换器，其特点在于内部可编程增益控制器PGA可由单片机进行增益控制，省去了外部运算放大器电路，使系统的电路设计更为简洁；
本发明使用液晶显示器为定制段式液晶显示器，其控制灵活、功耗低，且其显示内容为专为此项目设计，简化了程序设计难度，降低系统的功耗，使用单片机为内置段式液晶驱动模块的单片机；
本发明的参数包括零点和补偿系数均存储在单片机内部自带的EEPROM当中；
当VOC传感器在不同的浓度环境和温度环境下工作时，内部的软件补偿程序会根据其对应浓度的输出值和当前工作温度值进行二维的补偿运算，得出最终的PPM示值；
特点：将所有的测量结果均数字化，并使用软件进行补偿，并对所有的仪器参数进行掉电保存，对温度变化进行实时测量、并对传感器测量结果进行补偿。
本发明的补偿电路首先对VOC光离子气体传感器在常温下通入不同浓度的标气，将所对应的输出电压值进行记录，并确定其随浓度的变化规律；其次进行高低温实验，以确定其输出值随温度漂移的曲线；再利用温度传感器对仪表的工作温度进行实时测量，使用单片机程序对VOC光离子气体传感器在浓度和温度两个维度上进行软件补偿计算，解决了VOC光离子气体传感随气体浓度、温度漂移造成的测量误差问题。
如图2所示，为本发明的补偿电路测得的常温下输出电压-浓度关系曲线图，通入不同浓度值的标气时，输出电压和各浓度之间的对应关系曲线，依照这一曲线可以对VOC光离子气 体传感器随浓度变化的非线性进行补偿。
如图3(a)至图3(d)所示，显示了本发明的补偿方法在补偿时的温度漂移及温漂校正过程，通入不同浓度值的标气，并做高低温实验，并对传感器输出电压值进行归一化处理，并进行曲线拟合，依照这一变化规律即可对VOC传感器输出的温度漂移进行非线性补偿。
本发明的VOC气体传感器的浓度和温度漂移的补偿方法，包括如下步骤：分别对VOC光离子气体传感器进行不同浓度的不同温度试验和常温下不同浓度标气试验，获得测量数据并进行归一化处理，再根据测量数据分别对VOC光离子气体传感器的输出随浓度变化的非线性数据和随温度的漂移数据进行曲线拟合，并分别在两个维度上进行线性化补偿；
线性补偿的过程为：
先对VOC气体的浓度变化规律进行补偿，浓度补偿结果＝传感器实测电压值×F(consistence)，其中F(consistence)是VOC传感器随输入浓度变化规律的拟合函数；
再对VOC气体的温度漂移进行补偿，输出PPM值＝浓度补偿结果×F(temperature)，其中F(temperature)是VOC传感器随温度变化规律的拟合函数；
得到输出PPM值后，再对某些温度区间(如温度数据起伏的温度区间)内的数据漂移进行线性修正，最终输出PPM值＝输出PPM值+K(temp[])，其中K(temp[])是指局部温度范围temp[]内的数据起伏进行修正的补偿值，依实验结果进行修正，以求得更准确的PPM示值。
由于按照最小二乘法的基本步骤对于传感器的测量曲线进行拟合的计算量比较大，所以本发明采用Matlab进行数据处理，这样不但可以减少复杂的计算过程，而且还可以保证较高的计算精度。
补偿结果如表1所示：

Claims (9)

1.VOC气体传感器的浓度和温度漂移的补偿电路，其特征在于，包括：
VOC光离子传感器，用于获取VOC气体浓度；
测量电桥，用于获取VOC光离子传感器随气体浓度变化时输出电压信号；
A/D转换器，用于将电压信号变换为测量数据；
单片机，用于控制A/D转换器进行测量和处理测量数据；
温度传感器，用于测量温度并将温度信息传输给单片机。
2.根据权利要求1所述的VOC气体传感器的浓度和温度漂移的补偿电路，其特征在于，所述的A/D转换器为16位差分Σ-ΔA/D转换器。
3.根据权利要求1所述的VOC气体传感器的浓度和温度漂移的补偿电路，其特征在于，所述的单片机为内置段式液晶驱动模块的单片机。
4.根据权利要求1所述的VOC气体传感器的浓度和温度漂移的补偿电路，其特征在于，所述的测量电桥包括依次与VOC光离子传感器的输出引脚相连的电阻R31和电容C26，电容C26的另一端接地，电阻R31和电容C26之间的中间点连接至A/D转换器的输入端正极；
还包括电阻R7和电阻R8，电阻R7和电阻R8串联，电阻R7的另一端与VOC光离子传感器电源引脚所接的电源连接，电阻R8的另一端接地，电阻R7与电阻R8之间的中间点依次连接有电阻R32和电容C28，电容C28的另一端接地，电阻R32和电容C28之间的中间点连接至A/D转换器的输入端负极，A/D转换器的输入端正极与输入端负极之间连接有电容C27。
5.根据权利要求4所述的VOC气体传感器的浓度和温度漂移的补偿电路，其特征在于，所述的电源电压为3V，电阻R7＝10KΩ，电阻R8＝180Ω，电阻R31＝R32＝10KΩ，电容C26＝C28＝1μF，电容C27＝10μF。
6.基于权利要求1所述的补偿电路的VOC气体传感器的浓度和温度漂移的补偿方法，其特征在于，包括如下步骤：分别对VOC光离子气体传感器进行不同浓度的不同温度试验和常温下不同浓度标气试验，获得测量数据，再根据测量数据分别对VOC光离子气体传感器的输出随浓度变化的非线性数据和随温度的漂移数据进行曲线拟合，并分别在两个维度上进行线性化补偿。
7.根据权利要求6所述的VOC气体传感器的浓度和温度漂移的补偿方法，其特征在于，在对测量数据进行曲线拟合之前进行归一化处理。
8.根据权利要求6所述的VOC气体传感器的浓度和温度漂移的补偿方法，其特征在于，所述的线性补偿的过程为：
先对VOC气体的浓度变化规律进行补偿，浓度补偿结果＝传感器实测电压值×F(consistence)，其中F(consistence)是VOC传感器随输入浓度变化规律的拟合函数；
再对VOC气体的温度漂移进行补偿，输出PPM值＝浓度补偿结果×F(temperature)，其中F(temperature)是VOC传感器随温度变化规律的拟合函数。
9.根据权利要求8所述的VOC气体传感器的浓度和温度漂移的补偿方法，其特征在于，得到输出PPM值后，再对温度数据起伏的温度区间内的数据漂移进行线性修正，最终输出PPM值＝输出PPM值+K(temp[])，其中K(temp[])是指局部温度范围temp[]内的数据起伏进行修正的补偿值。
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