CN106706859A - 气体传感器温度补偿装置及方法 - Google Patents

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张奇
聂飞
陈练
杜寿兵
王祎玮
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胡东平
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Abstract

本发明一种气体传感器温度补偿装置，包括用于监测气体浓度、感受气体温度高低变化、监测环境温度值的探头模块；用于一次温度补偿、温度传感器信号调理、实现气体浓度与环境温度数据采集的信号调理与数据采集模块；用于二次温度补偿的计算机模块；一种气体传感器温度补偿方法，包括一次温度补偿、信号处理、二次温度补偿：本发明通过一次温度补偿，实现了对气体传感器的粗略温度补偿；通过计算机进行二次温度补偿，实现了对气体传感器的精准温度补偿；利用气体传感器附近的温敏电阻，实现了气体传感器温漂变化量信号的获取；该方法提高了温度补偿效果，避免了调试的繁琐和耗时，同时算法简单、收敛，实现容易，避免了高复杂度造成的成本提升。

Description

气体传感器温度补偿装置及方法
技术领域
本发明属于气体浓度测量技术领域，具体涉及一种气体传感器温度补偿装置及方法。
背景技术
气体传感器在气体浓度在线监测过程中，由于环境温度的波动，其测量值与实际值会产生一定的误差，在高精度、低浓度的气体监测过程中，环境温度的影响尤为显著。
目前，气体传感器的温度补偿方法主要有基于硬件电路的温度补偿和基于神经网络的软件温度补偿这两种方式。基于硬件电路的温度补偿方法主要是通过传感器附近的温敏电阻，进行信号调理，得到与传感器温漂特性近似一致的温补电路，传感器输出与温补电路输出做差，即实现基于硬件的温度补偿。
基于神经网络的软件温度补偿方法主要是通过测量气体传感器不同温度下的输出值，利用线性网络函数拟合、多次迭代，得到最小误差下的权值。结合气体传感器附件的温度传感器的测试值和迭代的权值，可以实现基于神经网络的软件温度补偿。
上述传统技术中，对于基于硬件温度补偿方法，由于温补电路调试、需要调节电阻值，实现起来过程繁琐、耗时，一般只能进行粗略的温度补偿，较难实现精准地温度补偿。
对于基于神经网络的软件温度补偿方法，由于神经网络算法需要建立较多的网络结构，受到软件算法的复杂度、实时性约束等因素，存在不收敛的可能性。在实现上，增加了系统软件的复杂度和耗时成本，软件结构较为复杂，对于气体浓度在线监测的实用性较差。
另外对于采用两个传感器进行温度补偿，即选择一个传感器作为温度传感器，对另外一个传感器进行温度补偿，可以实现气体传感器的动态环境下的温度补偿，由于受到传感器加工工艺的限制，很难实现两个气体传感器的灵敏度特性和温度特性完全一致的情况，采用该补偿方法，气体传感器的输出值会引入两个气体传感器不一致性的误差，也存在一定问题。
发明内容
本发明的目的就在于为了解决上述问题而提供一种气体传感器温度补偿装置及方法。
本发明通过以下技术方案来实现上述目的：
气体传感器温度补偿装置，
包括用于监测气体浓度、感受气体温度高低变化、监测环境温度值的探头模块；
用于一次温度补偿、温度传感器信号调理、实现气体浓度与环境温度数据采集的信号调理与数据采集模块；
用于二次温度补偿的计算机模块；
探头模块的信号输出端与信号调理与数据采集模块的信号输入端连接，信号调理与数据采集模块的信号输出端与计算机模块的信号输入端连接。
具体地，探头模块包括气体传感器、温敏电阻和用于直接监测环境温度值的数字式温度传感器，信号调理与数据采集模块包括硬件温度补偿电路、温度传感器的测量电路、减法电路、A/D转换器、主控单元FPGA和USB转换电路，硬件温度补偿电路的信号输入端分别与温敏电阻的信号输出端和气体传感器的信号输出端连接，温度传感器的信号输出端与温度传感器的信号调理电路的信号输入端连接，硬件温度补偿电路的气体传感器输出信号端与减法电路的(+)端连接，硬件温度补偿电路的温度补偿输出信号端与减法电路的(-)端连接，减法电路的信号输出端与A/D转换器的信号输入端连接，A/D转换器的信号输出端与主控单元FPGA的信号输入端连接，主控单元FPGA的信号输出端与USB转换电路的信号输入端连接，USB转换电路的信号输出端与计算机模块的信号输入端连接，数字式温度传感器的信号输出端与温度传感器的测量电路的信号输入端连接，温度传感器的测量电路以I2C接口与主控单元FPGA连接。
一种气体传感器温度补偿方法，包括以下步骤：
一、一次温度补偿：
①通过温敏电阻感受被测气体温度高低变化，将产生的信号传输至硬件温度补偿电路进行放大、滤波，得到与气体传感器温漂变化大体一致的输出信号；通过气体传感器对被测气体浓度进行测量，硬件温度补偿电路将气体传感器测得的浓度信号进行放大、滤波，得到气体传感器较高信噪比的输出信号；
②将与气体传感器温漂变化大体一致的输出信号与气体传感器较高信噪比的输出信号分别送入减法电路的(-)端和(+)端，通过该减法电路实现气体传感器的一次温度补偿，得到第一次补偿后的气体浓度信号；
二、信号处理：
①主控单元FPGA控制A/D转换器将第一次补偿后的气体浓度信号进行A/D转换，对第一次补偿后的气体浓度信号进行数字化，得到转换后的第一次补偿后的气体浓度数字信号；
②将第一次补偿后的气体浓度数字信号由主控单元FPGA送入USB转换电路；
③USB转换电路将第一次补偿后的气体浓度数字信号转换为标准的USB通信信号,并送入计算机；
④数字式温度传感器测量被测气体得到数字式温度信号，数字式温度信号由主控单元FPGA送入USB转换电路，再送入计算机。
三、二次温度补偿：
①计算机首先是测试并记录不同温度条件下，气体传感器经过一次温度补偿后的气体浓度值；其中标准温度为T0，气体传感器测试值为H0；T1、T2、T3和T4为不同的温度值，记录T1，T2(T1&T2<T0)温度下气体传感器测试值H1，H2；记录T3，T4(T3&T4>T0)温度下气体传感器测试值H3，H4；
根据公式Hm＝A×Tm+B；用最小二乘拟合算法，得到温度修正参数A、B的数值；
为将Tm温度下的气体传感器测试值拟合到标准温度为T0下的浓度值，再根据公式H＝Hm-A×(Tm-T0)；
即可得到第二次温度补偿后的浓度测试值；
正式开始浓度监测时，调用气体传感器对应的温度修正参数A、B，结合数字式温度传感器实时测得的环境温度值，对气体浓度数据进行二次温度补偿修正，即得到第二次温度补偿后的浓度值。
本发明的有益效果在于：
本发明通过一次温度补偿，实现了对气体传感器的粗略温度补偿；通过计算机进行二次温度补偿，实现了对气体传感器的精准温度补偿；利用气体传感器附近的温敏电阻，实现了气体传感器温漂变化量信号的获取；该方法提高了温度补偿效果，避免了调试的繁琐和耗时，同时算法简单、收敛，实现容易，避免了高复杂度造成的成本提升。
附图说明
图1是本发明的结构框图；
图2是本发明中信号调理与数据采集模块的结构示意图。
图中：101、探头模块；102、信号调理与数据采集模块；103、计算机模块；201、硬件温度补偿电路；202、温度传感器的测量电路；203、减法电路；204、A/D转换器；205、主控单元FPGA；206、USB转换电路。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明：
如图1、图2所示，气体传感器温度补偿装置，
包括用于监测气体浓度、感受气体温度高低变化、监测环境温度值的探头模块101；
用于一次温度补偿、温度传感器信号调理、实现气体浓度与环境温度数据采集的信号调理与数据采集模块102；
用于二次温度补偿的计算机模块103；
探头模块101的信号输出端与信号调理与数据采集模块102的信号输入端连接，信号调理与数据采集模块102的信号输出端与计算机模块103的信号输入端连接。
具体地，探头模块101包括气体传感器、温敏电阻和用于直接监测环境温度值的数字式温度传感器，信号调理与数据采集模块102包括硬件温度补偿电路201、温度传感器的测量电路202、减法电路203、A/D转换器204、主控单元FPGA205和USB转换信电路206，硬件温度补偿电路201的信号输入端分别与温敏电阻的信号输出端和气体传感器的信号输出端连接，温度传感器的信号输出端与温度传感器的信号调理电路的信号输入端连接，硬件温度补偿电路201的气体传感器输出信号端与减法电路203的(+)端连接，硬件温度补偿电路201的温度补偿输出信号端与减法电路203的(-)端连接，减法电路203的信号输出端与A/D转换器204的信号输入端连接，A/D转换器204的信号输出端与主控单元FPGA205的信号输入端连接，主控单元FPGA205的信号输出端与USB转换信电路206的信号输入端连接，USB转换信电路206的信号输出端与计算机模块103的信号输入端连接，数字式温度传感器的信号输出端与温度传感器的测量电路202的信号输入端连接，温度传感器的测量电路202以I2C接口与主控单元FPGA205连接。
一种气体传感器温度补偿方法，包括以下步骤：
一、一次温度补偿：
①通过温敏电阻感受被测气体温度高低变化，将产生的信号传输至硬件温度补偿电路201进行放大、滤波，得到与气体传感器温漂变化大体一致的输出信号；通过气体传感器对被测气体浓度进行测量，硬件温度补偿电路201将气体传感器测得的浓度信号进行放大、滤波，得到气体传感器较高信噪比的输出信号；
②将与气体传感器温漂变化大体一致的输出信号与气体传感器较高信噪比的输出信号分别送入减法电路203的(-)端和(+)端，通过该减法电路203实现气体传感器的一次温度补偿，得到第一次补偿后的气体浓度信号；
二、信号处理：
①主控单元FPGA205控制A/D转换器204将第一次补偿后的气体浓度信号进行A/D转换，对第一次补偿后的气体浓度信号进行数字化，得到转换后的第一次补偿后的气体浓度数字信号；
②将第一次补偿后的气体浓度数字信号由主控单元FPGA205送入USB转换信电路206；
③USB转换信电路206将第一次补偿后的气体浓度数字信号转换为标准的USB通信信号,并送入计算机；
④数字式温度传感器测量被测气体得到数字式温度信号，数字式温度信号由主控单元FPGA205送入USB转换信电路206，再送入计算机。
三、二次温度补偿：
①计算机首先是测试并记录不同温度条件下，气体传感器经过一次温度补偿后的气体浓度值；其中标准温度为T0，气体传感器测试值为H0；T1、T2、T3和T4为不同的温度值，记录T1，T2(T1&T2<T0)温度下气体传感器测试值H1，H2；记录T3，T4(T3&T4>T0)温度下气体传感器测试值H3，H4；
根据公式Hm＝A×Tm+B；用最小二乘拟合算法，得到温度修正参数A、B的数值；
为将Tm温度下的气体传感器测试值拟合到标准温度为T0下的浓度值，再根据公式H＝Hm-A×(Tm-T0)；
即可得到第二次温度补偿后的浓度测试值；
正式开始浓度监测时，调用气体传感器对应的温度修正参数A、B，结合数字式温度传感器实时测得的环境温度值，对气体浓度数据进行二次温度补偿修正，即得到第二次温度补偿后的浓度值，第二次温度补偿后的浓度值为高精度、高稳定的数值。
本发明气体传感器温度补偿装置的主要特点：
(1)本专利采用先一次温度补偿，再计算机二次温度补偿的方式，实现气体传感器温度的精确补偿，保证了较高的测试精度要求。
(2)本专利采用了硬件温度补偿电路201，利用温敏电阻实现简单的温度补偿电路，设计思路简单，调试方便。
(3)本专利采用了计算机二次温度补偿的方法，利用最小二乘算法，实现温补参数求解，求解简单、易于实现，不存在不收敛的问题。
(4)本专利采用计算机控制方式调用温补参数，可以实现不同种类、不同温度特性的气体传感器的温度补偿。
(5)本专利设计的一次温补方法和二次温补方法结合的温补方案，也适用于非气体传感器的温度补偿。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其效物界定。

Claims (3)

1.气体传感器温度补偿装置，其特征在于：
包括用于监测气体浓度、感受气体温度高低变化、监测环境温度值的探头模块；
用于一次温度补偿、温度传感器信号调理、实现气体浓度与环境温度数据采集的信号调理与数据采集模块；
用于二次温度补偿的计算机模块；
探头模块的信号输出端与信号调理与数据采集模块的信号输入端连接，信号调理与数据采集模块的信号输出端与计算机模块的信号输入端连接。
2.根据权利要求1的气体传感器温度补偿装置，其特征在于：探头模块包括气体传感器、温敏电阻和用于直接监测环境温度值的数字式温度传感器，信号调理与数据采集模块包括硬件温度补偿电路、温度传感器的测量电路、减法电路、A/D转换器、主控单元FPGA和USB转换电路，硬件温度补偿电路的信号输入端分别与温敏电阻的信号输出端和气体传感器的信号输出端连接，温度传感器的信号输出端与温度传感器的信号调理电路的信号输入端连接，硬件温度补偿电路的气体传感器输出信号端与减法电路的(+)端连接，硬件温度补偿电路的温度补偿输出信号端与减法电路的(-)端连接，减法电路的信号输出端与A/D转换器的信号输入端连接，A/D转换器的信号输出端与主控单元FPGA的信号输入端连接，主控单元FPGA的信号输出端与USB转换电路的信号输入端连接，USB转换电路的信号输出端与计算机模块的信号输入端连接，数字式温度传感器的信号输出端与温度传感器的测量电路的信号输入端连接，温度传感器的测量电路以I2C接口与主控单元FPGA连接。
3.一种如权利要求1的气体传感器温度补偿方法，其特征在于：包括以下步骤：
一、一次温度补偿：
①通过温敏电阻感受被测气体温度高低变化，将产生的信号传输至硬件温度补偿电路进行放大、滤波，得到与气体传感器温漂变化大体一致的输出信号；通过气体传感器对被测气体浓度进行测量，硬件温度补偿电路将气体传感器测得的浓度信号进行放大、滤波，得到气体传感器较高信噪比的输出信号；
②将与气体传感器温漂变化大体一致的输出信号与气体传感器较高信噪比的输出信号分别送入减法电路的(-)端和(+)端，通过该减法电路实现气体传感器的一次温度补偿，得到第一次补偿后的气体浓度信号；
二、信号处理：
①主控单元FPGA控制A/D转换器将第一次补偿后的气体浓度信号进行A/D转换，对第一次补偿后的气体浓度信号进行数字化，得到转换后的第一次补偿后的气体浓度数字信号；
②将第一次补偿后的气体浓度数字信号由主控单元FPGA送入USB转换电路；
③USB转换电路将第一次补偿后的气体浓度数字信号转换为标准的USB通信信号,并送入计算机；
④数字式温度传感器测量被测气体得到数字式温度信号，数字式温度信号由主控单元FPGA送入USB转换电路，再送入计算机；
三、二次温度补偿：
①计算机首先是测试并记录不同温度条件下，气体传感器经过一次温度补偿后的气体浓度值；其中标准温度为T0，气体传感器测试值为H0；T1、T2、T3和T4为不同的温度值，记录T1，T2(T1&T2<T0)温度下气体传感器测试值H1，H2；记录T3，T4(T3&T4>T0)温度下气体传感器测试值H3，H4；
根据公式Hm＝A×Tm+B；用最小二乘拟合算法，得到温度修正参数A、B的数值；
为将Tm温度下的气体传感器测试值拟合到标准温度为T0下的浓度值，再根据公式H＝Hm-A×(Tm-T0)；
即可得到第二次温度补偿后的浓度测试值；
正式开始浓度监测时，调用气体传感器对应的温度修正参数A、B，结合数字式温度传感器实时测得的环境温度值，对气体浓度数据进行二次温度补偿修正，即得到第二次温度补偿后的浓度值。
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