CN109682858B - 一种利用气体传感器实时检测气体浓度的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种利用气体传感器实时检测气体浓度的方法。该方法包括：实时采集气体传感器的电阻值，并实时计算一预设时段内气体传感器的电阻变化率；根据前一时刻空气中是否存在所述目标气体来预判当前时刻空气中是否存在所述目标气体；若不存在目标气体，则判断连续的m个电阻变化率中是否有m‑x个电阻变化率大于第一电阻变化率阈值θ_r1，若有，则计算此刻传感器的第一响应值α₁，其中，m为大于零且小于n的正整数，x为远小于m的正整数；判断第一响应值α₁是否大于第一响应阈值α_s1，若是，则确定当前空气中存在目标气体；调取响应值‑浓度公式，根据响应值‑浓度公式计算获得目标气体浓度值。该方法解决了基础电阻漂移问题。

Description

一种利用气体传感器实时检测气体浓度的方法

技术领域

本发明涉及气体浓度检测技术领域，尤其涉及一种利用气体传感器实时检测气体浓度的方法。

背景技术

气体传感器是将与气体种类及浓度有关的信息转换成电信号的变化，根据这些电信号的变化达到对待测气体在环境中的定性及定量的识别及判断，从而可以进行特定气体的实时检测、监控以及报警。传统的传感器信号处理方法无法克服基线漂移及长期稳定性不够给测量带来的误差。

目前，通常采用的气体检测技术中，大部分气体传感器对气体浓度的检测方法主要是，根据气体传感器在接触气体前后其电阻值都在特定的范围内而判断出是否有目标气体，并根据气体传感器电阻值的变化计算出气体浓度。这种检测气体浓度的方式对气体传感器的要求相对较高，需要气体传感器的基础电阻比较稳定，且该传感器在特定浓度气体的环境下响应电阻应在一定的范围内。如若气体传感器的基础电阻不在一定范围内或气体传感器在特定浓度气体的环境下或者在特定温湿度环境影响下气体传感器的响应电阻不在一定范围内，但气体传感器对特定气体的灵敏度在一定范围内，上述计算气体浓度的方法就不能适用于这一类气体传感器。因此，现有的检测技术具有一定的限制，使之不能广泛应用在各类气体传感器上。

有报道提出将一个测量做完后返回寻找基线和峰值，通过计算基线和峰值的相对值来对气体传感器进行定量分析。然而由于这需要实验员参与其中找出基线和峰值，而在实际应用中，无法实现实验员的主动参与，传感器自身并无法获知信号何时进来，因此，上述定量分析的方法无法进行实际应用。

发明内容

本发明的一个目的是为了解决现有技术中对气体传感器的基础电阻要求较高，且要求气体传感器在在特定浓度气体的环境下响应电阻应在一定的范围内，从而只能适用于特定气体传感器上的技术问题。

本发明的另一个目的是要解决现有技术中的浓度检测方法不能广泛适用于不同类型气体传感器的技术问题。

特别地，本发明还提供了一种利用气体传感器实时检测气体浓度的方法，包括如下步骤：

实时采集所述气体传感器的电阻值，并实时计算一预设时段内所述气体传感器的电阻变化率，获得与数据集合{ΔT₁，ΔT₂，……，ΔT_n}一一对应的数据集合{θ₁，θ₂，……，θ_n}，其中，ΔT_n为第n预设时段，θ_n为第n预设时段内对应的电阻变化率；

根据前一时刻空气中是否存在所述目标气体来预判当前时刻空气中是否存在所述目标气体；

若预判不存在所述目标气体，则进一步判断连续的m个电阻变化率中是否有m-x个电阻变化率大于第一电阻变化率阈值θ_r1，若有，则计算此刻传感器的第一响应值α₁，其中，m为大于零且小于n的正整数，x为远小于m的正整数；

判断所述第一响应值α₁是否大于第一响应阈值α_s1，若是，则确定当前空气中存在所述目标气体；

调取响应值-浓度公式，并根据所述响应值-浓度公式计算获得此刻所述目标气体的浓度值。

可选地，根据所述响应值-浓度公式计算获得电阻变化率为正值时的最小电阻变化率θ_min以及电阻变化率为负值时最大电阻变化率θ_max；其中

所述第一电阻变化率阈值θ_r1稍小于或等于所述最小电阻变化率θ_min。

可选地，所述方法还包括：

若判断连续的m个电阻变化率中没有m-x个电阻变化率大于第一电阻变化率阈值θ_r1，则返回实时采集所述气体传感器的电阻值的步骤。

可选地，若判断所述第一响应值α₁不大于第一响应阈值α，则返回实时采集所述气体传感器的电阻值的步骤。

可选地，所述根据所述响应值-浓度公式计算获得所述目标气体的浓度值之后，返回实时采集所述气体传感器的电阻值的步骤。

可选地，若预判存在所述目标气体，则进一步判断连续的s个电阻变化率中是否有s-y个电阻变化率小于第二电阻变化率阈值θ_r2，若有，则计算当前预设时段ΔT内电阻变化Δβ，其中，s为大于零且小于n的正整数，y为远小于s的正整数；

判断所述电阻变化Δβ是否大于电阻变化阈值Δβ_s，若是，则确定当前空气中不存在所述目标气体。

可选地，所述第二电阻变化率阈值θ_r2稍大于或等于所述最大电阻变化率θ_max。

可选地，若连续的s个电阻变化率中没有s-y个电阻变化率小于第二电阻变化率阈值θ_r2，则计算此刻传感器的第二响应值α₂，并根据所述第二响应值α₂及所述响应值-浓度公式计算此刻所述目标气体的浓度值。

可选地，若所述电阻变化Δβ没有大于电阻变化阈值Δβ_s，则根据所述第二响应值α₂及所述响应值-浓度公式计算此刻所述目标气体的浓度值。

可选地，所述实时采集所述气体传感器的电阻值之后、所述并实时计算一预设时段内所述气体传感器的电阻变化率之前，还包括如下步骤：对所述气体传感器的当前电阻值进行预处理；

其中，所述预处理包括数据去噪与归一化处理。

根据本发明实施例的方案，通过计算气体传感器的电阻变化率来预判是否存在目标气体，并再次通过响应值来进一步确定是否真正存在目标气体，在确定存在目标气体之后根据当前响应值来确定目标气体的浓度。即确定是否存在目标气体以及获取目标气体的浓度都只需要计算电阻变化率以及响应值这两个参数即可，并不关心某一时刻的电阻值，也不关心传感器的基础电阻值。因此，即便气体传感器的基础电阻存在漂移的现象，也不影响检测结果，从而从根本上解决了气体传感器的基础电阻不稳定以及漂移问题。

本发明的方法不再要求传感器走基线是固定值或固定的范围内。并且，对基础电阻也没有任何要求，解决了大批传感器基础电阻不在一定范围内而需要使用多套算法的问题，降低了大批量传感器的制作成本。因此，可以解决较小浓度的目标气体不能识别的问题，降低了对测试环境的要求，可以更有效地消除环境干扰，提高了传感器的重复性与一致性。因而，本发明的方法可以适用于更多类型的传感器如纳米材料气体传感器，适用于更为广泛的测试环境，尽可能地避免传感器在空气背景下由于基线不问导致误判成有目标气体进来的情况，也尽可能地避免传感器不能识别有较小响应目标气体的情况。

根据下文结合附图对本发明具体实施例的详细描述，本领域技术人员将会更加明了本发明的上述以及其他目的、优点和特征。

附图说明

后文将参照附图以示例性而非限制性的方式详细描述本发明的一些具体实施例。附图中相同的附图标记标示了相同或类似的部件或部分。本领域技术人员应该理解，这些附图未必是按比例绘制的。附图中：

图1是根据本发明一个实施例的利用气体传感器实时检测气体浓度的方法的示意性流程图；

图2是根据本发明一个实施例的利用气体传感器实时检测气体浓度的方法的示意性整体流程图；

图3是根据本发明另一个实施例的利用气体传感器实时检测气体浓度的方法的示意性流程图。

具体实施方式

图1示出了根据本发明一个实施例的利用气体传感器实时检测气体浓度的方法的示意性流程图。图2示出了根据本发明一个实施例的利用气体传感器实时检测气体浓度的方法的示意性整体流程图。如图1和图2所示，该方法包括：

步骤S1，实时采集气体传感器的电阻值，并实时计算一预设时段内气体传感器的电阻变化率，获得与数据集合{ΔT₁，ΔT₂，……，ΔT_n}一一对应的数据集合{θ₁，θ₂，……，θ_n}，其中，ΔT_n为第n预设时段，θ_n为第n预设时段内对应的电阻变化率；

步骤S2，根据前一时刻空气中是否存在所述目标气体来预判当前时刻空气中是否存在所述目标气体；

步骤S3，若预判不存在目标气体，则进一步判断连续的m个电阻变化率中是否有m-x个电阻变化率大于第一电阻变化率阈值θ_r1，若有，则计算此刻传感器的第一响应值α₁，其中，m为大于零且小于n的正整数，x为远小于m的正整数；

步骤S4，判断第一响应值α₁是否大于第一响应阈值α_s1，若是，则确定当前空气中存在目标气体；

步骤S5，调取响应值-浓度公式，并根据响应值-浓度公式计算获得目标气体的浓度值。

步骤S1中，实时采集气体传感器的电阻值时，每采集一个电阻值就对其进行预处理。其中，预处理包括数据去噪、归一化处理、移动平移等。一个预设时段内实时采集的数据例如可以为下表1所示：

表1

T<sub>t+1</sub>

T<sub>t+2</sub>

T<sub>t+3</sub>

T<sub>t+4</sub>

T<sub>t+5</sub>

T<sub>t+6</sub>

T<sub>t+7</sub>

R<sub>t+1</sub>

R<sub>t+2</sub>

R<sub>t+3</sub>

R<sub>t+4</sub>

R<sub>t+5</sub>

R<sub>t+6</sub>

R<sub>t+7</sub>

其中，t为包含零的任一正整数。T_t+a为第t+a时刻，R_t+a为第t+a时刻时采集的气体传感器的电阻值。以时刻T为横轴，电阻值R为纵轴，可以得到T-R点图。点图中的多个点可以连接在一起，由于每个电阻值都是经过预处理的，最终多个点连接在一起时可以连出一条直线。该直线的斜率即可以作为该预设时段内的气体传感器的电阻变化率。

例如t取值为0时，上述表1中包含T₁至T₇时刻对应的电阻值R₁至R₇。例如t取值为1时，上述表1中包含T₂至T₈时刻对应的电阻值R₂至R₈。例如t取值为2时，上述表1中包含T₃至T₉时刻对应的电阻值R₃至R₉。例如t取值为n-1时，上述表1中包含T_n至T_n+6时刻对应的电阻值R_n至R_n+6。那么，可以取ΔT₁＝T₇-T₁，ΔT₂＝T₈-T₂，ΔT₃＝T₉-T₃，……ΔT_n＝T _n+6-T_n。而ΔT₁时段内电阻变化率(即该时段内直线的斜率)为θ₁，ΔT₂时段内电阻变化率为θ₂，而ΔT₃时段内电阻变化率为θ₃，……，ΔT_n时段内电阻变化率为θ_n。将上述数据做成表格形式，如下表2中所示：

表2

ΔT<sub>T+1</sub>

ΔT<sub>T+2</sub>

ΔT<sub>T+3</sub>

ΔT<sub>T+4</sub>

ΔT<sub>T+5</sub>

ΔT<sub>T+6</sub>

ΔT<sub>T+7</sub>

θ<sub>T+1</sub>

θ<sub>T+2</sub>

θ<sub>T+3</sub>

θ<sub>T+4</sub>

θ<sub>T+5</sub>

θ<sub>T+6</sub>

θ<sub>T+7</sub>

上述仅为一个实施例，在其他实施例中ΔT可以根据响应值-浓度公式进行分析确定。

步骤S2中，可以通过比较当前预设时段内的电阻变化率与前一预设时段内对应的电阻变化率来判断当前空气中是否存在目标气体。例如，当前预设时段为ΔT₃，则前一预设时段为ΔT₂。ΔT₃对应的电阻变化率为θ₃，ΔT₂对应的电阻变化率为θ₂，若θ₃等于或约等于θ₂，那么说明当前状态与前一时段状态一致，若前一时段有目标气体进入，则当前也有目标气体进入，若前一时段没有目标气体进入，则当前也没有目标气体进入。

步骤S3中，若判断当前没有目标气体进入，即当前空气中不存在目标气体，则需进一步判断连续的m个电阻变化率中是否有m-x个电阻变化率大于第一电阻变化率阈值θ_r1。例如，m为6，x为2。即要进一步判断连续的六个电阻变化率中是否有四个电阻变化率大于第一电阻变化率阈值θ_r1。根据上表2可知，连续的六个电阻变化率可以为ΔT_T+1至ΔT_T+6预设时段内对应的电阻变化率θ_T+1至θ_T+6。将θ_T+1至θ_T+6的值分别与θ_r1进行比较，若有四个的电阻变化率大于θ_r1，则计算此刻传感器的第一响应值α₁。其中，响应值为气体传感器技术领域的公知常识，此处不再赘述其定义。x远小于m，其中远小于的概念例如可以为，m取5、6、7、8、9、10或11，或者更大数值，而x一般取值为1、2或3，一般情况下，不会超过3。

步骤S4中，需要继续判断第一响应值α₁是否大于第一响应阈值α_s1，如此可以确定是否真正存在目标气体。

步骤S5中，响应值-浓度公式是通过训练获得的。响应值-浓度公式能够反应气体传感器的响应值和目标气体的浓度之间关系。训练时，可以先通入空气，再通入目标气体，并且逐渐增加目标气体的浓度，再逐渐减小目标气体的浓度，直至没有目标气体，采集这整个过程中传感器电阻的所有数据。分析该整个过程的数据，从而确定步骤S1至S5中所有涉及到的阈值以及响应值-浓度公式。

根据响应值-浓度公式计算获得电阻变化率为正值时的最小电阻变化率θ_min以及电阻变化率为负值时最大电阻变化率θ_max；其中，第一电阻变化率阈值θ_r1稍小于或等于最小电阻变化率θ_min，如：θ_r1取0.9*θ_min的值，但需要确保θ_r1大于噪音的电阻变化率。

根据本发明实施例的方案，通过计算气体传感器的电阻变化率来预判是否存在目标气体，并再次通过响应值来进一步确定是否真正存在目标气体，在确定存在目标气体之后根据当前响应值来确定目标气体的浓度。即确定是否存在目标气体以及获取目标气体的浓度都只需要计算电阻变化率以及响应值这两个参数即可，并不关心某一时刻的电阻值，也不关心传感器的基础电阻值。因此，即便气体传感器的基础电阻存在漂移的现象，也不影响检测结果，从而从根本上解决了气体传感器的基础电阻不稳定以及漂移问题。

本发明的方法不再要求传感器走基线是固定值或固定的范围内。并且，对基础电阻也没有任何要求，解决了大批传感器基础电阻不在一定范围内而需要使用多套算法的问题，降低了大批量传感器的制作成本。因此，可以解决较小浓度的目标气体不能识别的问题，降低了对测试环境的要求，可以更有效地消除环境干扰，提高了传感器的重复性与一致性。因而，本发明的方法可以适用于更多类型的传感器如纳米材料气体传感器，适用于更为广泛的测试环境，尽可能地避免传感器在空气背景下由于基线不问导致误判成有目标气体进来的情况，也尽可能地避免传感器不能识别有较小响应目标气体的情况。

如图2所示，在上述步骤S3中，若判断连续的m个电阻变化率中没有m-x个电阻变化率大于第一电阻变化率阈值θ_r1，则返回步骤S1。在上述步骤S4中，若判断第一响应值α₁不大于第一响应阈值α，则返回步骤S1。上述步骤S5之后，返回步骤S1。

图3示出了根据本发明另一个实施例的利用气体传感器实时检测气体浓度的方法的示意性流程图。如图2和图3所示，该利用气体传感器实时检测气体浓度的方法包括：

步骤S1，实时采集气体传感器的电阻值，并实时计算一预设时段内气体传感器的电阻变化率，获得与数据集合{ΔT₁，ΔT₂，……，ΔT_n}一一对应的数据集合{θ₁，θ₂，……，θ_n}，其中，ΔT_n为第n预设时段，θ_n为第n预设时段内对应的电阻变化率；

步骤S2，根据当前预设时段内对应的电阻变化率与前一预设时段内对应的电阻变化率来预判当前空气中是否存在目标气体；

步骤S6，若预判存在目标气体，则进一步判断连续的s个电阻变化率中是否有s-y个电阻变化率小于第二电阻变化率阈值θ_r2，若有，则计算当前预设时段ΔT内电阻变化Δβ，其中，s为大于零且小于n的正整数，y为远小于s的正整数；

步骤S7，判断电阻变化Δβ是否大于电阻变化阈值Δβ_s，若是，则确定当前空气中不存在目标气体。

步骤S1和步骤S2中的内容与前述步骤S1和S2中的内容一致，此处不再赘述。

在步骤S6中，例如，s为6，y为2。即要进一步判断连续的六个电阻变化率中是否有四个电阻变化率小于第二电阻变化率阈值θ_r2。根据上表2可知，连续的六个电阻变化率可以为ΔT_T+1至ΔT_T+6预设时段内对应的电阻变化率θ_T+1至θ_T+6。将θ_T+1至θ_T+6的值分别与θ_r2进行比较，若有四个的电阻变化率大于θ_r2，则计算当前预设时段ΔT内电阻变化Δβ。第二电阻变化率阈值θ_r2稍大于或等于最大电阻变化率θ_max，如：θ_r1取1.05*θ_min的值，但需要确保θ_r2小于噪音的电阻变化率。

若连续的s个电阻变化率中没有s-y个电阻变化率小于第二电阻变化率阈值θ_r2，则计算此刻传感器的第二响应值α₂，并根据第二响应值α₂及响应值-浓度公式计算此刻目标气体的浓度值。若电阻变化Δβ没有大于电阻变化阈值Δβ_s，则根据第二响应值α₂及响应值-浓度公式计算此刻所述目标气体的浓度值。

至此，本领域技术人员应认识到，虽然本文已详尽示出和描述了本发明的多个示例性实施例，但是，在不脱离本发明精神和范围的情况下，仍可根据本发明公开的内容直接确定或推导出符合本发明原理的许多其他变型或修改。因此，本发明的范围应被理解和认定为覆盖了所有这些其他变型或修改。

Claims (9)

1.一种利用气体传感器实时检测气体浓度的方法，其特征在于，包括：

实时采集所述气体传感器的电阻值，并实时计算一预设时段内所述气体传感器的电阻变化率，获得与数据集合{ΔT₁，ΔT₂，……，ΔT_n}一一对应的数据集合{θ₁，θ₂，……，θ_n}，其中，ΔT_n为第n预设时段，θ_n为第n预设时段内对应的电阻变化率；

根据前一时刻空气中是否存在目标气体来预判当前时刻空气中是否存在所述目标气体；

若预判不存在所述目标气体，则进一步判断连续的m个电阻变化率中是否有m-x个电阻变化率大于第一电阻变化率阈值θ_r1，若有，则计算此刻传感器的第一响应值α₁，其中，m为大于零且小于n的正整数，x为远小于m的正整数；

判断所述第一响应值α₁是否大于第一响应阈值α_s1，若是，则确定当前空气中存在所述目标气体；

调取响应值-浓度公式，并根据所述响应值-浓度公式计算获得此刻所述目标气体的浓度值；

还包括：

若预判存在所述目标气体，则进一步判断连续的s个电阻变化率中是否有s-y个电阻变化率小于第二电阻变化率阈值θ_r2，若有，则计算当前预设时段ΔT内电阻变化Δβ，其中，s为大于零且小于n的正整数，y为远小于s的正整数；

判断所述电阻变化Δβ是否大于电阻变化阈值Δβ_s，若是，则确定当前空气中不存在所述目标气体。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述响应值-浓度公式还用于计算获得电阻变化率为正值时的最小电阻变化率θ_min以及电阻变化率为负值时最大电阻变化率θ_max；其中

所述第一电阻变化率阈值θ_r1稍小于或等于所述最小电阻变化率θ_min。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，还包括：

若判断连续的m个电阻变化率中没有m-x个电阻变化率大于第一电阻变化率阈值θ_r1，则返回实时采集所述气体传感器的电阻值。

4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，还包括：

若判断所述第一响应值α₁不大于第一响应阈值α，则返回实时采集所述气体传感器的电阻值。

5.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述根据所述响应值-浓度公式计算获得所述目标气体的浓度值之后，还包括：

返回实时采集所述气体传感器的电阻值。

6.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述第二电阻变化率阈值θ_r2稍大于或等于所述最大电阻变化率θ_max。

7.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，还包括：

若连续的s个电阻变化率中没有s-y个电阻变化率小于第二电阻变化率阈值θ_r2，则计算此刻传感器的第二响应值α₂，并根据所述第二响应值α₂及所述响应值-浓度公式计算此刻所述目标气体的浓度值。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，还包括：

若所述电阻变化Δβ没有大于电阻变化阈值Δβ_s，则根据所述第二响应值α₂及所述响应值-浓度公式计算此刻所述目标气体的浓度值。

9.根据权利要求1-8中任一项所述的方法，其特征在于，在所述实时采集所述气体传感器的电阻值之后，在所述并实时计算一预设时段内所述气体传感器的电阻变化率之前，还包括：

对所述气体传感器的当前电阻值进行预处理；

其中，所述预处理包括数据去噪与归一化处理。

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