CN110231370A - 基于传感器的丙酮检测装置及方法 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种基于传感器的丙酮检测装置及方法。该基于传感器的丙酮检测装置包括包括：半导体气敏传感器、光学气敏传感器、辅助传感器、修正模块、以及计算模块，其中：辅助传感器检测用于辅助计算气体中丙酮浓度的环境数据；半导体气敏传感器通过气敏原件检测气体中丙酮浓度的第一数据；光学气敏传感器通过光检测原件检测气体中丙酮浓度的第二数据；修正模块用于根据所述环境数据对所述半导体气敏传感器检测到的气体丙酮浓度第一数据进行修正；计算模块用于对数据进行处理，得出气体中丙酮浓度的最终数据。本申请解决了现有基于半导体气敏传感器的丙酮检测装置容易受到干扰，导致丙酮浓度数据误差较大的技术问题。

Description

基于传感器的丙酮检测装置及方法

技术领域

本申请涉及传感器领域，具体而言，涉及一种基于传感器的丙酮检测装置及方法。

背景技术

丙酮为一种在常温常压下具有特殊芳香气味的易挥发性无色透明液体。丙酮作为一种常见的有机溶剂被广泛的应用于涂料、农药、医药等领域。但是同时丙酮也是一种易燃、易爆、有毒的有机液体，其燃点为465摄氏度，而且丙酮蒸汽与空气能形成爆炸性混合物，因此一旦发生丙酮泄露事件，很容易引发安全事故，因此高效、准确的丙酮的检测就变的十分必要。

目前市场上用于检测丙酮气体的装置多为利用含有气敏原件的半导体气敏传感器，这种传感器不仅能检测丙酮气体，而且还能与其他多种气体产生作用，很容易受到干扰，导致丙酮浓度数据误差较大，而且这种半导体气敏传感器易受环境影响，例如温度、湿度等都会对检测精度造成影响，造成丙酮浓度数据不准确。针对上述问题，目前尚未提出有效的解决方案。

发明内容

本申请的主要目的在于提供一种基于传感器的丙酮检测装置及一种基于传感器的丙酮检测方法，以解决现有基于半导体气敏传感器的丙酮检测装置容易受到环境干扰，导致丙酮浓度数据误差较大的技术问题。

为了实现上述目的，根据本申请的一个方面，提供了一种基于传感器的丙酮检测装置，该装置包括：半导体气敏传感器、光学气敏传感器、辅助传感器、修正模块、以及计算模块，其中：所述辅助传感器检测用于辅助计算气体中丙酮浓度的环境数据；所述半导体气敏传感器通过气敏原件检测气体中丙酮浓度的第一数据；所述光学气敏传感器通过光检测原件检测气体中丙酮浓度的第二数据；所述修正模块用于根据所述环境数据对所述半导体气敏传感器检测到的气体丙酮浓度第一数据进行修正，并得出修正后的丙酮浓度第三数据；所述计算模块依据所述第一数据、所述第二数据和所述第三数据，计算出气体中丙酮浓度的第四数据。

进一步的，所述辅助传感器包括：检测环境温度数据的温度传感器，所述修正模块包括：根据所述环境温度数据对所述半导体气敏传感器检测到的丙酮浓度第一数据进行温度补偿的温度修正模块。

进一步的，所述光学气敏传感器包括：发射红外光并照射在气体上的光源装置；检测气体中光吸收数据的光检测装置；储存丙酮吸收光谱数据的存储器；以及对比检测到的所述光吸收数据与储存在所述存储器中的丙酮吸收光谱数据，并得出气体中丙酮浓度的微控制器。

进一步的，所述半导体气敏传感器包括：用于给所述半导体气敏传感器的气敏原件提供工作温度的加热装置。

进一步的，所述基于传感器的丙酮检测装置包括：根据用户的选择指令，显示所述第一数据、所述第二数据、所述第三数据、所述第四数据、以及所述环境数据其中一个或多个的显示装置。

进一步的，所述基于传感器的丙酮检测装置包括：用于把所述第一数据、所述第二数据、所述第三数据、所述第四数据、以及所述环境数据其中一个或多个传输到终端的通信模块。

为了实现上述目的，根据本申请的另一方面，提供了一种基于传感器的丙酮检测方法，该方法包括：

获取环境数据；

通过半导体气敏传感器检测气体中丙酮浓度的第一数据；

通过光学气敏传感器检测气体中丙酮浓度的第二数据；

依据所述环境数据对检测到的所述丙酮浓度的第一数据进行修正，得到修正后的丙酮浓度第三数据；

依据所述第一数据、所述第二数据和所述第三数据，计算出气体中丙酮浓度第四数据。

进一步的，所述依据所述环境数据对检测到的所述丙酮浓度的第一数据进行修正，得到修正后的丙酮浓度第三数据包括：依据环境温度数据对检测到的所述丙酮浓度第一数据进行温度补偿，得到温度补偿后的丙酮浓度第三数据。

进一步的，所述通过光学气敏传感器检测气体中丙酮浓度的第二数据具体包括：

红外光照射待检测气体；

检测气体中光吸收数据；

对比所述光吸收数据与丙酮吸收光谱数据，得出丙酮浓度的第二数据。

进一步的，所述依据所述第一数据、所述第二数据和所述第三数据，计算出气体中丙酮浓度第四数据具体包括：

判断所述第三数据相对与所述第一数据的修正幅度是否超过一预设百分比；

当所述修正幅度超过所述预设百分比，则采用所述第二数据为所述第四数据；

当所述修正幅度低于所述预设百分比，则计算所述第三数据和所述第二数据的平均值为所述第四数据。

在本申请实施例中，在采用半导体气敏传感器检测气体中丙酮浓度数据的同时，采用了另一种检测丙酮浓度的光学气敏传感器来检测气体中丙酮浓度的第二组数据，通过两组数据的对比及合成，有效的解决了半导体气敏传感器易受到其他气体的干扰，导致误差较大的问题。而所述半导体气敏传感器也容易受到环境的影响导致检测误差，本申请中采用了修正环境误差的修正模块对半导体气敏传感器的检测结果进行修正，进一步提高了检测的准确性。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本申请的进一步理解，使得本申请的其它特征、目的和优点变得更明显。本申请的示意性实施例附图及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：

图1是基于传感器的丙酮检测装置的结构图；

图2是光学气敏传感器的结构图；

图3是基于传感器的丙酮检测方法的流程图；

图4是基于传感器的丙酮检测方法的流程图；

图5是基于传感器的丙酮检测方法的流程图；以及

图6是基于传感器的丙酮检测方法的流程图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本申请保护的范围。

需要说明的是，本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施例。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。

如图1所示，本申请涉及一种基于传感器的丙酮检测装置，该装置包括：半导体气敏传感器2、光学气敏传感器1、辅助传感器3、修正模块4、以及计算模块5。其中，所述半导体气敏传感器2通过其气敏原件来检测气体中丙酮浓度的第一数据；所述光学气敏传感器1通过其光检测原件检测气体中丙酮浓度的第二数据；所述辅助传感器3检测用于辅助计算气体中丙酮浓度的环境数据；所述修正模块4用于根据所述环境数据对所述半导体气敏传感器2检测到的气体丙酮浓度第一数据进行修正，并得出修正后的丙酮浓度第三数据；所述计算模块5依据所述第一数据、所述第二数据和所述第三数据，计算出气体中丙酮浓度的第四数据。

本申请为了解决半导体气敏传感器2容易受到干扰，导致丙酮浓度数据误差较大的问题，采用了一种检测丙酮的光学气敏传感器1对所述半导体气敏传感器2的检测结果进行修正，以此得到更准确的丙酮浓度值。所述半导体气敏传感器2具有灵敏度高、响应快、成本低、使用简单等优点。在本申请的一可选实施例中所述半导体气敏传感器2采用了掺杂有二氧化钛TiO₂的氧化锌ZnO薄膜，通过700摄氏度的退火处理后，对丙酮有很高的灵敏度和很好的选择性，且响应及恢复时间很短，响应时间2秒，恢复时间3秒，其最佳的工作温度为300摄氏度，在300摄氏度的工作温度下，其对1000ppm的丙酮气体的灵敏度可以达到60左右。

在本实施例中由于所述半导体气敏传感器2的最佳工作温度为300摄氏度，为了使所述半导体气敏传感器2处于最佳工作温度，在所述半导体气敏传感器2的气敏原件下方设置了用于给所述气敏原件加热的加热装置，所述加热装置经过控制器的控制使加热温度保持在300度，在本申请的一可选实施例中所述加热装置为加热电阻。

如图1所示，由于所述半导体气敏传感器2容易受到环境影响，例如环境温度、环境湿度、大气压等都会对所述半导体气敏传感器2产生影响，本申请为了修正环境对半导体气敏传感器2的影响，提高检测准确率，采用了辅助传感器3检测用于辅助计算气体中丙酮浓度的环境数据，采用了修正模块4用于根据所述辅助传感器3检测到的环境数据对所述半导体气敏传感器2检测到的气体丙酮浓度第一数据进行修正，并得出修正后的丙酮浓度第三数据。

本申请中考虑到环境温度对所述半导体气敏传感器2影响较大，采用了温度补偿模块对所述半导体气敏传感器2检测到的气体中丙酮浓度的第一数据进行补偿修正。由于所述半导体气敏传感器2的气敏原件的电阻随着温度变化，其阻值也会发生变化，例如当环境温度较高时，阻值略小，而当环境温度较低时，阻值略大，所以在实际应用中会因环境的温度变化使所述半导体气敏传感器2发生检测不准或漏测的情况发生。因此在本申请中采用了温度补偿模块，以此来提高了所述半导体气敏传感器2的测量精度和可靠性。在本申请的一可选实施例中所述温度补偿模块采用LS-SVR算法建立了温度漂移补偿模型，经过实验得出，通过温度漂移补偿模块修正后可以使测量误差限制在百分之1.3之内，极大地提高了检测精度。

如图2所示，所述光学气敏传感器1包括：光源装置101、光检测装置102、AD转换器103、微控制器104、以及存储器105。其中，所述光源装置101用于发射红外光并照射在气体上；所述光检测装置102检测气体中的光吸收信号；所述AD转换器103用于把所述光检测装置102检测到的光吸收信号转换为光吸收数据；所述存储器105用于储存丙酮吸收光谱数据；所述微控制器104对比检测到的气体的所述光吸收数据与储存在所述存储器105中的丙酮吸收光谱数据，得出气体中丙酮浓度。

本申请中采用了所述光学气敏传感器1检测到了气体中丙酮浓度的第二数据，采用了所述半导体气敏传感器2检测到的气体中丙酮浓度的第一数据，通过修正模块4对所述半导体气敏传感器2检测到的第一数据进行修正，得到气体中丙酮浓度的第三数据，为了降低环境因素对传感器的影响，以及提高测量准确性，计算所述光学气敏传感器1检测到的第二数据和通过修正模块4对所述第一数据修正后得出的所述第三数据其两者的平均值作为较为准确的气体丙酮浓度的参考数值即所述第四数据。由于所述修正模块4的修正模型是在实验数据的基础上建立而成的，只能在一定范围内准确性较高，当环境参数超出模型的范围时会产生较大误差，为了尽可能消除这种误差，则需先判断所述修正模块4修正后的第三数据的有效性，经过实验得出，经过所述修正模块4修正后的第三数据与修正前的所述第一数据的修正幅度最大不超过百分之2，因此当所述修正幅度超过百分之2时所述第三数据被视为误差数据。因此在计算气体丙酮浓度的参考数值时，需提前判断所述修正后的第三数据与修正前的所述第一数据的修正幅度是否超过一预设百分比，当所述修正后的第三数据与修正前的所述第一数据的修正幅度超过预设百分比时，所述第三数据被视为误差数据，则采用所述第二数据为气体丙酮浓度的参考数值；当所述修正后的第三数据与修正前的所述第一数据的修正幅度未超过预设百分比时，则计算所述第三数据和所述第二数据的平均值为气体丙酮浓度的参考数值。

本申请的基于传感器的丙酮检测装置还包括：根据用户的选择指令，显示所述第一数据、所述第二数据、所述第三数据、所述第四数据、以及所述环境数据其中一个或多个的显示装置。用户可以根据需要来查看所述光学气敏传感器1、所述半导体气敏传感器2、以及所述辅助传感器3检测到的数据，以及对比计算出的所述参考数值第四数据与所述光学气敏传感器1、所述半导体气敏传感器2检测到的数据，同时显示多组数据，给用户更好的参考。

本申请的基于传感器的丙酮检测装置还包括：用于把所述第一数据、所述第二数据、所述第三数据、所述第四数据、以及所述环境数据其中一个或多个传输到终端的通信模块。本申请考虑到实现远距离的检测丙酮浓度、远程丙酮浓度过量警报、以及简单便捷的对丙酮浓度数据进行记录保存，在装置上设置了通信模块，把检测到的数据传输到后台服务器中，当检测到的丙酮浓度超过预设值时会进行警报，使用户尽早得知，所述后台服务器还可以对检测到的丙酮浓度数据和环境数据进行记录保存，便于用户分析和监视。

本申请的另一方面，提供了一种基于传感器的丙酮检测方法，如图3所示，该方法包括：步骤S101至步骤S105,

步骤S101，通过所述辅助传感器3检测环境数据；

步骤S102，通过所述半导体气敏传感器2检测气体中丙酮浓度的第一数据；

步骤S103，通过所述光学气敏传感器1检测气体中丙酮浓度的第二数据；

步骤S104，依据所述辅助传感器3检测环境数据，通过所述修正模块4对所述半导体气敏传感器2检测到的所述丙酮浓度的第一数据进行修正，得到修正后的丙酮浓度第三数据；

步骤S104，通过所述计算模块5对所述第一数据、所述第二数据和所述第三数据进行处理，计算出气体中丙酮浓度的第四数据。

如图4所示，所述通过光学气敏传感器检测气体中丙酮浓度的第二数据具体包括：步骤S201至步骤S202，

步骤S201，通过所述光源装置101发射红外光并照射在待检测的气体上；

步骤S202,通过所述光检测装置102检测气体中的光吸收信号；

步骤S203,通过所述微控制器104对比检测到的气体的所述光吸收数据与储存在所述存储器105中的丙酮吸收光谱数据，得出气体中丙酮浓度的第二数据。

如图5所示，所述依据所述环境数据对检测到的所述丙酮浓度的第一数据进行修正，得到修正后的丙酮浓度第三数据包括：步骤S301，

步骤S301，依据所述温度传感器检测到的环境温度数据，通过所述温度补偿模块对检测到的所述丙酮浓度第一数据进行温度补偿，得到温度补偿后的丙酮浓度第三数据。

如图6所示，所述依据所述第一数据、所述第二数据和所述第三数据，计算出气体中丙酮浓度第四数据具体包括：步骤S401至步骤S403，

步骤S401，所述计算模块5判断所述第三数据相对与所述第一数据的修正幅度是否超过一预设百分比；

步骤S402，当所述修正幅度超过所述预设百分比，则采用所述第二数据为所述第四数据；

步骤S403，当所述修正幅度低于所述预设百分比，则计算所述第三数据和所述第二数据的平均值为所述第四数据。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于传感器的丙酮检测装置，其特征在于，包括：半导体气敏传感器、光学气敏传感器、辅助传感器、修正模块、以及计算模块，其中：

所述辅助传感器检测用于辅助计算气体中丙酮浓度的环境数据；

所述半导体气敏传感器通过气敏原件检测气体中丙酮浓度的第一数据；

所述光学气敏传感器通过光检测原件检测气体中丙酮浓度的第二数据；

所述修正模块用于根据所述环境数据对所述半导体气敏传感器检测到的气体丙酮浓度第一数据进行修正，并得出修正后的丙酮浓度第三数据；

所述计算模块依据所述第一数据、所述第二数据和所述第三数据，计算出气体中丙酮浓度的第四数据。

2.根据权利要求1所述的基于传感器的丙酮检测装置，其特征在于，所述辅助传感器包括：检测环境温度数据的温度传感器，所述修正模块包括：根据所述环境温度数据对所述半导体气敏传感器检测到的丙酮浓度第一数据进行温度补偿的温度修正模块。

3.根据权利要求1所述的基于传感器的丙酮检测装置，其特征在于，所述光学气敏传感器包括：发射红外光并照射在气体上的光源装置；检测气体中光吸收数据的光检测装置；储存丙酮吸收光谱数据的存储器；以及对比检测到的所述光吸收数据与储存在所述存储器中的丙酮吸收光谱数据，并得出气体中丙酮浓度的微控制器。

4.根据权利要求1所述的基于传感器的丙酮检测装置，其特征在于，所述半导体气敏传感器包括：用于给所述半导体气敏传感器的气敏原件提供工作温度的加热装置。

5.根据权利要求1所述的基于传感器的丙酮检测装置，其特征在于，所述基于传感器的丙酮检测装置包括：根据用户的选择指令，显示所述第一数据、所述第二数据、所述第三数据、所述第四数据、以及所述环境数据其中一个或多个的显示装置。

6.根据权利要求1所述的基于传感器的丙酮检测装置，其特征在于，所述基于传感器的丙酮检测装置包括：用于把所述第一数据、所述第二数据、所述第三数据、所述第四数据、以及所述环境数据其中一个或多个传输到终端的通信模块。

7.一种基于传感器的丙酮检测方法，其特征在于，包括：

获取环境数据；

通过半导体气敏传感器检测气体中丙酮浓度的第一数据；

通过光学气敏传感器检测气体中丙酮浓度的第二数据；

依据所述环境数据对检测到的所述丙酮浓度的第一数据进行修正，得到修正后的丙酮浓度第三数据；

依据所述第一数据、所述第二数据和所述第三数据，计算出气体中丙酮浓度第四数据。

8.根据权利要求7所述的基于传感器的丙酮检测方法，其特征在于，所述依据所述环境数据对检测到的所述丙酮浓度的第一数据进行修正，得到修正后的丙酮浓度第三数据包括：

依据环境温度数据对检测到的所述丙酮浓度第一数据进行温度补偿，得到温度补偿后的丙酮浓度第三数据。

9.根据权利要求7所述的基于传感器的丙酮检测方法，其特征在于，所述通过光学气敏传感器检测气体中丙酮浓度的第二数据具体包括：

红外光照射待检测气体；

检测气体中光吸收数据；

对比所述光吸收数据与丙酮吸收光谱数据，得出丙酮浓度的第二数据。

10.根据权利要求7所述的基于传感器的丙酮检测方法，其特征在于，所述依据所述第一数据、所述第二数据和所述第三数据，计算出气体中丙酮浓度第四数据具体包括：

判断所述第三数据相对与所述第一数据的修正幅度是否超过一预设百分比；

当所述修正幅度超过所述预设百分比，则采用所述第二数据为所述第四数据；

当所述修正幅度低于所述预设百分比，则计算所述第三数据和所述第二数据的平均值为所述第四数据。