CN106248584A - 一种提高气体浓度检测精度的方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明实施例公开了一种提高气体浓度检测精度的方法和系统，包括：在不导入被测量气体时，对测量通道和参考通道中不同光强红外光信号进行采样并获取补偿曲线；导入被测量气体，获取测量通道和参考通道的光强红外光信号的采样值，计算二者差值，并根据补偿曲线，对所述差值进行补偿；将补偿后的差值输入气体浓度算法，计算气体浓度。本发明所做的对称性补偿，既弥补了硬件对称性设计的难点，也排除了装置由于时间积累导致的硬件电路对称性恶化，不仅提高了气体浓度的检测精度，而且还降低了硬件设计成本。

Description

一种提高气体浓度检测精度的方法和系统

技术领域

本发明涉及医疗器械领域，特别涉及一种提高气体浓度检测精度的方法和系统。

背景技术

气体检测领域，特别是医疗器械领域的气体检测技术，如呼末二氧化碳浓度、麻醉气体浓度检测技术，通常的检测方式是使用非分光红外法来隔离气体样本的吸收特性。其测量原理是：特定气体会吸收特定波长的红外能量，且气体浓度越大，对红外光的吸收就越多，利用该非分光红外法设计的气体浓度测量装置可以通过窄带滤光片来区分气体种类，通过衰减后的光强来计算气体浓度；光电传感器一般用来检测衰减后的光强，其通过I/V转换得到一定的电压值，经AD转换后，输入到计算单元计算得到气体浓度。

目前，为了得到衰减后的光强，一般采用测量通道和参考通道两个采样通道采集，并在各自通道进行I/V转换，滤波，信号放大，模数转换等步骤，采样数据进入微处理器，微处理器计算得到两个通道的采样差值，再进行相应的计算，最终得到被测量气体的浓度。

以上所提及的两个采样通道需对称设计，这样才能保证它们的差值对应衰减的光强，从而得到被测量气体所对应的吸收量，得到正确的测量结果。但实际情况是，采集通道的电路设计很难做到对称，并且在不同的使用环境和使用时间下，两个采集通道的电路增益将存在不可预期的偏差，这样会导致：即使在测量前进行校零，但由于电路增益的偏差，采集的结果偏差将随着信号的增大而增加。这样的电路对称性偏差就会降低气体浓度测量结果的准确性。

因此，现有技术需要进一步改进和优化。

发明内容

本发明实施例提供了一种提高气体浓度检测精度的方法和系统，以减小电路对称性偏差对气体浓度测量结果的影响，提高气体浓度测量结果的准确性。

本发明所采用的技术方案如下：

一种提高气体浓度检测精度的方法，包括：

在不导入被测量气体时，对测量通道和参考通道中不同光强红外光信号进行采样并获取补偿曲线；

导入被测量气体，获取测量通道和参考通道的光强红外光信号的采样值，计算二者差值，并根据补偿曲线，对所述差值进行补偿；

将补偿后的差值输入气体浓度算法，计算被测量气体的气体浓度；

其中，所述对测量通道和参考通道中不同光强红外光信号进行采样并获取补偿曲线的步骤具体包括：

以从小到大的驱动值驱动红外光源，以得到不同光强的红外光。

对应所述不同光强的红外光，获得并存储测量通道和参考通道所对应的信号采样值；

根据获得的两个通道的采样值，拟合两条采样值和光强的关系曲线；

将测量通道关系曲线和参考通道关系曲线作差值，得到补偿曲线。

所述的方法，其中，在对光强红外光信号采样前判断预热是否完成，并在预热完成后启动采样操作。

所述的方法，其中，对测量通道和参考通道的光强红外光信号的采样值的差值进行补偿的步骤具体包括：

在所述补偿曲线上定位该次信号采样对应的补偿点；

对测量通道和参考通道的光强红外光信号的采样值的差值与所述补偿点对应的差值做差，得到补偿后的差值。

所述的方法，其中，在计算气体浓度之前，计算预定数量采样点对应的补偿后的差值，以完成一次气体浓度计算。

还提供了一种提高气体浓度检测精度的系统，所述系统包括：

补偿曲线获取单元，用于在不导入被测量气体时，对测量通道和参考通道中不同光强红外光信号进行采样并获取补偿曲线；

差值补偿计算单元，用于根据导入测量气体时获取的测量通道和参考通道的光强红外光信号的采样值，计算二者差值，并根据补偿曲线，对所述差值进行补偿；

浓度转换单元，用于根据将补偿后的差值输入气体浓度算法，计算被测量气体的气体浓度；

其中，所述系统具体还包括：中央处理单元，用于控制驱动器以从小到大的驱动值驱动红外光源，以得到不同光强的红外光；控制补偿曲线获取单元根据不同光强的红外光所获得并存储的测量通道和参考通道所对应的信号采样值，拟合两条采样值和光强的关系曲线，以及将测量通道关系曲线和参考通道关系曲线作差值，得到补偿曲线。

所述的系统，其中，所述系统还包括：加热单元，用于对系统进行预热；所述加热单元由中央处理单元控制，并判断在对光强红外光信号采样前预热是否完成，在预热完成后启动采样操作。

所述的系统，其中，所述差值补偿计算单元具体还用于在所述补偿曲线上定位该次信号采样对应的补偿点，并对测量通道和参考通道的光强红外光信号的采样值的差值与所述补偿点对应的差值做差，得到补偿后的差值。

所述的系统，其中，所述中央处理单元还用于在计算气体浓度之前，判断采样点对应的补偿后的差值的数量是否达到以完成一次气体浓度计算的预定值。

所述的系统，其中，所述系统还包括：

气体通道选择控制器，用于控制气体通道选择执行器进行气道来源切换；

气体通道选择执行器，用于在所述气体通道选择控制器的驱动下，进行导入被测量气体及导入零浓度气体间的切换。

所述的系统，其中，所述系统还包括：

测量通道红外传感器和参考通道红外传感器，分别用于接收测量通道和参考通道中吸收后的红外光，将对应光信号转换为电信号，并分别输入到测量通道处理电路和参考通道处理电路；

测量通道处理电路和参考通道处理电路分别接收所述测量通道红外传感器和所述参考通道红外传感器转换得到的电信号，进行I/V转换、滤波、信号放大的信号处理，并将处理后的模拟信号分别输出给模数转换单元；

模数转换单元，用于接收测量通道处理电路以及参考通道处理电路的模拟信号，将其转换为数字信号。

从以上技术方案可以看出，本发明实施例具有以下优点：在每次启动测量时重新进行测量通道的对称性检查，再对测量通道和参考通道的差值进行对称性补偿，这样既弥补了硬件对称性设计的难点，也排除了系统由于时间积累导致的硬件电路对称性恶化，不仅提高了气体浓度的检测精度，而且还降低了硬件设计成本。

附图说明

图1为本发明提供的一种提高气体浓度检测精度的方法的工作流程示意图；

图2为本发明的计算得到补偿曲线的工作流示意图；

图3为本发明的测量通道和参考通道的采样曲线描述坐标示意图；

图4为本发明的一次有效采样点描述坐标示意图；

图5为本发明的测量通道和参考通道的采样值的差值进行补偿的工作流示意图；

图6是本发明提供的提高气体浓度检测精度的系统的结构框图。

具体实施方式

为了使发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进一步详细说明。

本发明实施例提供了一种提高气体浓度检测精度的方法，如图1所示，包括步骤：

S100、判断预热是否完成；

在对光强红外光信号采样前判断系统温度是否达到预定温度且稳定，即判断预热是否完成，以获得稳定的系统工作温度环境，若预热完成，则进入下一个步骤。

步骤S200、将测量气路切换到零气体通道，即不导入被测量气体；

将测量气路切换到零气体通道，零气体通道即不含被测量气体的气体通道，这样是为了测量通道和参考通道的光电传感器不受被测量气体浓度的影响，以使两个通道的光电传感器处于同等的光强之下。一般临床上，如测量呼吸末二氧化碳或者麻醉气体的浓度，参考气体为大气，即认为大气中含被测量气体的气体浓度为零。

步骤S300、获得测量通道和参考通道的采样值与光强的关系曲线，即补偿曲线，并保存；

采样值与光强的关系曲线是由光电传感器转换效率，以及I/V转换、滤波、信号放大、模数转换等采样通道的综合增益决定的，这个决定因素在本实施例中统一用转换增益来表示，即测量通道和参考通道的采样值与光强的关系曲线是由各自采样通道的转换增益决定的。

以下结合图2，对步骤S300进行详细的描述：

步骤S301、以从小到大的驱动值驱动红外光源，以得到不同光强的红外光；

从小到大按照一定的间隔调节光源驱动值，得到不同光强的红外光，以模拟被不同浓度的被测量气体吸收后的红外光光强。当然，调节光源驱动值的方法并不限于此，上述仅仅是用于解释本实施例中调节光源驱动值的一种方法，具体可根据实际情况调整。

步骤S302、对应步骤S301中不同光强的红外光，获得并存储测量通道和参考通道的相应的信号采样值；

其中，获得测量通道和参考通道的相应的信号采样值时，不同光强的红外光会先由光电传感器转换，得到相应的电信号，然后通过I/V转换、滤波、信号放大、模数转换等模拟信号处理，由此获得对应的测量通道和参考通道的数字采样值，并保存。

步骤S303、根据获得的两个通道的采样值，拟合两条采样值和光强的关系曲线；

如图3所示坐标系，横坐标表示按一定间隔调节的红外光强，纵坐标表示测量通道和参考通道相应的信号采样值。通过所获得的两个通道的采样值，如表1，即两个通道的采样值与光强的对应表，据此拟合出两条关系曲线，即测量通道关系曲线和参考通道关系曲线。由于两个通道的转换增益并非完全一致，两个通道在同一光强下的采样值没有重合。

表1测量通道和参考通道的采样值与光强的对应表

光强

Q1

Q2

Q3

Q4

Q5

...

Qn

参考通道采样值

Uref1

Uref2

Uref3

Uref4

Uref5

...

Urefn

采样通道采样值

Us1

Us2

Us3

Us4

Us5

...

Usn

其中，表1中的光强Q从Q1到Qn，以模拟被不同浓度的被测量气体吸收后的红外光光强。对应的采样值U从Us1-Uref1到Usn-Urefn，光强和采样值的关系可用如下函数表示：

Usn＝f(Qn，Gs) (公式1-1)

公式1-1表示测量通道采样值与光强的关系，其中Gs为该通道的转换增益；

Urefn＝h(Qn，Gref) (公式1-2)

公式1-2表示参考通道采样值与光强的关系，其中Gref为该通道的转换增益。

具体地，上述公式中，n表示实际应用的有限个采样点。依据实际的气体浓度测量范围，为了尽可能的精确，从Q1到Qn的范围，应该包含对应气体浓度测量范围下的红外光光强的范围。假设对应气体浓度测量范围下的红外光光强的范围为Qmin到Qmax，则有Q1≤Qmin，且Qn≥Qmax。

步骤304、将测量通道关系曲线和参考通道关系曲线作差值，即得到补偿曲线。

为了方便描述，用Ud来表示补偿曲线，该补偿曲线是通过将测量通道关系曲线和参考通道关系曲线作差值得到的，如图4所示，可表示补偿曲线为Udn＝Usn-Urefn，用函数z表示，则表示如下：Udn＝Usn-Urefn＝f(Qn，Gs)-h(Qn，Gref)＝z(Qn，Gd)。该补偿曲线对应两条关系曲线在纵坐标的差值，即是针对测量通道和参考通道硬件不对称性的描述。

步骤S400、将测量气路切换到被测量气体通道，即导入被测量气体；

在获取补偿曲线后，将测量气路切换到被测量气体通道，进入正常测量状态。

步骤S500、获得某一次信号采样的测量通道和参考通道的采样值；

进入正常测量状态后，被被测量气体吸收后的红外光经光电传感器转换，得到相应的电信号，然后经过I/V转换、滤波、信号放大、模数转换等模拟信号处理，由此获得对应气体浓度的测量通道和参考通道的有效采样值，为了描述，本实施例将该次采样对应气体浓度的光电传感器接收到的光强为Q0，测量通道和参考通道的有效采样值分别表示为Us0及Uref0，即如图4所示的A(Q0，Us0)，B(Q0，Uref0)两点。

步骤S500、获取该次信号采样的测量通道和参考通道的差值；

在此，测量通道和参考通道的差值用ΔU0表示，则ΔU0＝Us0-Uref0。

步骤S700、根据补偿曲线，对该次信号采样的测量通道和参考通道的采样值的差值进行补偿。

下面结合图5，对步骤S700的差值补偿过程进行详细的描述：

步骤S701、在所述补偿曲线上定位该次信号采样对应的补偿点。

该次信号采样中，接收的光强为Q0，则根据补偿曲线Udn＝z(Qn，Gd)，对应图4中的C(Q0，Ud0)点，即为该次信号采样对应的补偿点。

步骤S702、根据该次信号采样补偿点，对测量通道和参考通道的采样值的差值进行补偿。

根据该次信号采样补偿点，对测量通道和参考通道的采样值的差值进行补偿，这里便于描述，将补偿后差值用ΔU0’表示，则ΔU0’＝ΔU0-Ud0。

步骤S800、判断采样点是否足够一次浓度计算；

一次气体浓度计算，需要采样足够多的采样点，才能计算出气体浓度。当然，对采样点数量的判断并不限于在此步骤进行，具体什么时候判断采样点是否足够，可以在恰当地时候进行判断，本实施例仅仅用于解释浓度计算对所需采样点数量的要求。如果采样点数量不足以进行一次气体浓度计算，则返回到步骤S500，进行下一次采样，如果采样点已经足够，则进入步骤S900。

步骤S900、将足够多的采样点对应的补偿后的差值输入到后端气体浓度算法，计算被测量气体的气体浓度；

将足够多的采样点对应的补偿后的差值输入到后端气体浓度算法，假设需要N次采样，则对应的补偿后的差值可表示为ΔU01’、ΔU02’、ΔU03’、...、ΔU0N’。后端气体浓度算法再综合其他的环境变量，计算出一次气体浓度值。完成一次气体浓度计算后，回到步骤S500进行下一次浓度计算。

通过本发明的上述方法处理后，气体检测过程中的测量通道和参考通道采样值的差值得到有效补偿，这样确保了两个通道达到了一定程度上对称，减少了浓度测量的误差，提高了浓度检测的精度。

基于上述方法，本发明还提供了一种提高气体浓度检测精度的系统，如图6所示，具体包括：加热单元601、光源驱动器602、红外光源603、气体通道选择控制器604、气体通道选择执行器608、测量通道红外传感器6011、参考通道红外传感器6012、测量通道处理电路6014、参考通道处理电路6015、模数转换单元6013、补偿曲线获取单元6010、差值补偿计算单元609、浓度转换单元605、存储单元607和中央处理单元606，下面针对各单元做具体描述。

加热单元601在中央处理单元606的控制下，对系统进行加热，达到预热的效果，使系统工作在一个相对稳定的热环境中。光源驱动器602在中央处理单元606的控制下，对红外光源603进行驱动控制，按照本发明的方法，可以调整光源驱动器的驱动值，实现光源能产生不同的光强以及频率的光源。红外光源603在光源驱动器602的驱动下工作，其发出特定光强及频率的光源。被测量气体将吸收部分光强，测量通道红外传感器6011以及参考通道红外传感器6012感应来自被被测量气体吸收后的红外光，产生相应大小的采样信号。气体通道选择控制器608在中央处理单元606的控制下，控制气体通道选择执行器608进行气道来源切换，即控制导入被测量气体还是导入零浓度气体。测量通道红外传感器6011接收吸收后的红外光，将光信号转换为电信号，即转换为相应测量通道的采样信号，输入到后端测量通道处理电路6014。参考通道红外传感器6012接收吸收后的红外光，将光信号转换为电信号，即转换为相应参考通道的采样信号，输入到后端参考通道处理电路6015。测量通道处理电路6014接收测量通道红外传感器6011转换来的测量通道的电信号，然后进行I/V转换、滤波、信号放大等信号处理，将处理后的模拟信号输出给模数转换单元6013。参考通道处理电路6015接收参考通道红外传感器6012转换来的参考通道的电信号，然后进行I/V转换、滤波、信号放大等信号处理，将处理后的模拟信号输出给模数转换单元6013。

模数转换单元6013接收测量通道处理电路6014以及参考通道处理电路6015的模拟信号，将其转换为数字信号。对应本发明描述，若将测量气路切换到零气体通道，则转化后的数字信号先通过补偿曲线获取单元6010，进入中央处理单元606；若将测量气路切换到被测量气体，即导入被测量气体时，则转化后的数字信号先通过差值补偿计算单元609，进入浓度转换单元605，再进入中央处理单元606。补偿曲线获取单元6010在测量气路切换到零气体通道时，接收模数转换单元6013的两个通道的数字采样信号，由中央处理单元606调用，以获取补偿曲线。差值补偿计算单元609在导入被测量气体时，接收模数转换单元6013的两个通道的数字采样信号，根据补偿曲线获取单元6010获取的补偿曲线，对两个通道的采样值差值进行补偿，并将补偿后的差值输出到浓度转换单元605。浓度转换单元605接收差值补偿计算单元609输出的补偿差值，再综合其他的环境变量，结合中央处理单元606，进行浓度计算。存储单元607元存储获得的补偿曲线，以及各单元计算需要的临时数据。

中央处理单元606控制加热单元601加热单元进行加热，控制光源驱动器602输出不同的驱动值以及驱动频率，控制气体通道选择控制器604进行测量通道切换。同时，结合补偿曲线获取单元6010，计算获取补偿曲线，以及结合浓度转换单元605进行气体浓度计算。

以上各处理单元组合对应于本发明的描述内容，但组合方式可以不限于以上组合。

所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。

在本申请所提供的实施例中，应该理解到，所揭露的方法和系统，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的系统实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。

另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。

所述集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-OnlyMemory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

以上所述，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种提高气体浓度检测精度的方法，其特征在于，包括：

在不导入被测量气体时，对测量通道和参考通道中不同光强红外光信号进行采样并获取补偿曲线；

导入被测量气体，获取测量通道和参考通道的光强红外光信号的采样值，计算二者差值，并根据补偿曲线，对所述差值进行补偿；

将补偿后的差值输入气体浓度算法，计算被测量气体的气体浓度；

其中，所述对测量通道和参考通道中不同光强红外光信号进行采样并获取补偿曲线的步骤具体包括：

以从小到大的驱动值驱动红外光源，以得到不同光强的红外光。

对应所述不同光强的红外光，获得并存储测量通道和参考通道所对应的信号采样值；

根据获得的两个通道的采样值，拟合两条采样值和光强的关系曲线；

将测量通道关系曲线和参考通道关系曲线作差值，得到补偿曲线。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在对光强红外光信号采样前判断预热是否完成，并在预热完成后启动采样操作。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，对测量通道和参考通道的光强红外光信号的采样值的差值进行补偿的步骤具体包括：

在所述补偿曲线上定位该次信号采样对应的补偿点；

对测量通道和参考通道的光强红外光信号的采样值的差值与所述补偿点对应的差值做差，得到补偿后的差值。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在计算气体浓度之前，计算预定数量采样点对应的补偿后的差值，以完成一次气体浓度计算。

5.一种提高气体浓度检测精度的系统，其特征在于，所述系统包括：

补偿曲线获取单元，用于在不导入被测量气体时，对测量通道和参考通道中不同光强红外光信号进行采样并获取补偿曲线；

差值补偿计算单元，用于根据导入测量气体时获取的测量通道和参考通道的光强红外光信号的采样值，计算二者差值，并根据补偿曲线，对所述差值进行补偿；

浓度转换单元，用于根据将补偿后的差值输入气体浓度算法，计算被测量气体的气体浓度；

其中，所述系统具体还包括：中央处理单元，用于控制驱动器以从小到大的驱动值驱动红外光源，以得到不同光强的红外光；控制补偿曲线获取单元根据不同光强的红外光所获得并存储的测量通道和参考通道所对应的信号采样值，拟合两条采样值和光强的关系曲线，以及将测量通道关系曲线和参考通道关系曲线作差值，得到补偿曲线。

6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述系统还包括：加热单元，用于对系统进行预热；所述加热单元由中央处理单元控制，并判断在对光强红外光信号采样前预热是否完成，在预热完成后启动采样操作。

7.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述差值补偿计算单元具体还用于在所述补偿曲线上定位该次信号采样对应的补偿点，并对测量通道和参考通道的光强红外光信号的采样值的差值与所述补偿点对应的差值做差，得到补偿后的差值。

8.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述中央处理单元还用于在计算气体浓度之前，判断采样点对应的补偿后的差值的数量是否达到以完成一次气体浓度计算的预定值。

9.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述系统还包括：

气体通道选择控制器，用于控制气体通道选择执行器进行气道来源切换；

气体通道选择执行器，用于在所述气体通道选择控制器的驱动下，进行导入被测量气体及导入零浓度气体间的切换。

10.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述系统还包括：

测量通道红外传感器和参考通道红外传感器，分别用于接收测量通道和参考通道中吸收后的红外光，将对应光信号转换为电信号，并分别输入到测量通道处理电路和参考通道处理电路；

测量通道处理电路和参考通道处理电路分别接收所述测量通道红外传感器和所述参考通道红外传感器转换得到的电信号，进行I/V转换、滤波、信号放大的信号处理，并将处理后的模拟信号分别输出给模数转换单元；

模数转换单元，用于接收测量通道处理电路以及参考通道处理电路的模拟信号，将其转换为数字信号。