CN110646466A - 半导体式气体传感器的校准方法、系统和设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种半导体式气体传感器的校准方法、系统和设备，属于气体传感器技术领域，根据两个以上预设气体浓度以及该浓度下半导体式气体传感器的输出电压得到一条气体浓度与电压之间的自然对数拟合曲线，并根据该拟合曲线对量程范围内各个气体浓度尤其是报警点进行标定，而后，在半导体式气体传感器的实际应用环境下，求出报警点的偏差和参考点的偏差之间的相关函数，再根据这个函数计算出报警点补偿电压值，由标定的报警点电压值以及补偿电压值就可以得到更为准确的实际报警电压值。此种半导体式气体传感器可以减小环境因素的影响，降低误差，提高报警准确度。

Description

半导体式气体传感器的校准方法、系统和设备

技术领域

本发明涉及气体传感器技术领域，特别是涉及一种半导体式气体传感器的校准方法、系统和设备。

背景技术

半导体式传感器由于寿命长，价格便宜在气体探测器上被广泛使用。例如，甲烷气体传感器是一种常见的半导体式气体传感器，在消防领域起了重要的作用。

但在实现本发明过程中，发明人发现如上所述的技术中，至少存在如下问题：半导体式的气体传感器线性范围窄，更多地应用在不带数显功能的探测器上，只能实现单点报警功能，在全量程范围内气体浓度测量精度低，测量误差大。同时，半导体式传感器的受环境(温湿度以及其它气体)影响较大，使得工作点漂移，在气体浓度到达甚至超过报警下限时依旧不能及时发出响应。

发明内容

基于此，有必要针对气体传感器测量误差大，工作点漂移的问题，提供一种半导体式气体传感器的校准方法。

为达到上述目的，本发明采用如下半导体式气体传感器的校准方法，包括如下步骤：

在预设参数环境中，测量两个以上预设气体浓度对应的半导体式气体传感器输出的电压；

将各个预设气体浓度和对应的半导体式气体传感器输出的电压拟合为自然对数函数曲线；

根据自然对数曲线对各个气体浓度与半导体式气体传感器的输出电压进行标定；

获取半导体式气体传感器在实际环境中测量得到的实测电压，根据实测电压和半导体式气体传感器的标定电压获取电压补偿函数，根据电压补偿函数对标定电压进行校准。

上述半导体气体传感器的校准方法，根据两个以上预设气体浓度以及该浓度下半导体式气体传感器的输出电压得到一条气体浓度与电压之间的自然对数拟合曲线，该曲线在预设的环境参数中，对量程范围内的各个气体浓度相对应的电压的表征均在误差范围内，在半导体式气体传感器的实际应用环境下，求出报警点的偏差和参考点的偏差之间的电压补偿函数，再根据这个函数计算出报警点补偿电压值，由标定的报警点电压值以及补偿电压值就可以得到更为准确的实际报警电压值，也就是说，报警误差减小，工作点的准确度变高,工作点偏移问题减轻。

在其中一个实施例中，测量两个以上预设气体浓度对应的半导体式气体传感器输出的电压中的预设气体浓度包含报警点浓度。

在其中一个实施例中，根据自然对数曲线对半导体式气体传感器的气体浓度与电压进行标定的步骤之后，还包括以下步骤：

测试所述半导体式传感器是否在误差允许的报警气体浓度区间内触发报警，若触发报警，判定标定成功。

在其中一个实施例中，获取半导体式气体传感器在实际环境中测量得到的实测电压，包括：

在实际环境中测量得到气体浓度为参考点时的参考点实测电压，以及气体浓度为预设的报警点气体浓度时的报警点实测电压；其中实际环境是半导体气体传感器的应用场所的环境。

在其中一个实施例中，根据实测电压和标定电压获取电压补偿函数的步骤包括：

计算第一差值和第二差值，第一差值为参考点实测电压和参考点标定电压的差值，第二差值为报警点实测电压和报警点标定电压的差值；

根据两组以上第一差值和第二差值获取报警点电压差值随参考点电压差值变化的线性的电压补偿函数。

在其中一个实施例中，根据电压补偿函数对半导体式气体传感器的标定电压进行校准，包括：

根据当前参考点电压本底值以及电压补偿函数获取当前报警点补偿值，根据报警点标定电压和报警点补偿值得到校准后的报警电压值，其中，参考点电压本底值是参与补偿的参考点在一段时间内的电压瞬时值的平均值。

在其中一个实施例中，根据电压补偿函数对半导体式气体传感器的标定电压进行校准，还包括以下步骤：

若报警点补偿值为负数，对报警点的标定电压进行补偿。

在其中一个实施例中，根据电压补偿函数对半导体式气体传感器的标定电压进行校准，还包括以下步骤：

在预设周期内，每隔预设时间记录参考点的一个电压采样瞬时值；

将预设周期内记录的参考点的电压采样瞬时值的平均值作为预设周期内的参考点本底值电压。

在其中一个实施例中，根据电压补偿函数对半导体式气体传感器的标定电压进行校准，还包括以下步骤：

若参考点的电压采样瞬时值的平均值在预设范围内，且参考点的电压采样瞬时值的数据离散度和偏差均在误差允许范围内，将参考点瞬时值的平均值记录为该周期的参考点本底值电压；

若参考点的电压采样瞬时值的平均值超出预设范围或者采样值的数据离散度和偏差超出误差允许范围，返回至在预设周期内，每隔预设时间记录参考点的一个电压采样瞬时值这一步骤。

根据所得的自然对数曲线和预设的报警点气体浓度，就可以得到报警点的标定电压以及参考点标定电压，再根据两组以上实际测量的报警点电压以及参考点电压，又可以得到一条报警点电压偏差值随着参考点电压偏差值变化的曲线，即电压补偿曲线，该电压补偿曲线是综合了温度、湿度、其他气体影响等环境因素根据实际应用场景而得到的，补偿更为全面和准确，也进一步使得报警电压的准确度更高。

一种半导体式气体传感器的校准系统，包含以下单元：

测量单元，用于在预设参数环境中，测量两个以上预设气体浓度对应的电压以及用于获取半导体式气体传感器在实际环境中的实测电压

标定单元，用于将各个预设气体浓度和对应的电压拟合为自然对数函数曲线并且根据自然对数曲线对半导体式气体传感器的气体浓度与电压进行标定；

补偿单元，根据实测电压和标定电压获取线性的电压补偿函数，根据电压补偿函数对半导体式气体传感器的标定电压进行校准。

在其中一个实施例中，标定单元将各个预设气体浓度和对应的电压拟合为自然对数函数曲线时包括预设的报警点气体浓度。

在其中一个实施例中，标定单元还用于实现以下步骤：

测试所述半导体式传感器是否在误差允许的报警气体浓度区间内触发报警，若触发报警，判定标定成功。

在其中一个实施例中，标定单元用于根据自然对数曲线获取气体浓度为参考点时的参考点标定电压和气体浓度为预设的报警点气体浓度时的报警点标定电压。

在其中一个实施例中，测量单元用于在实际环境中测量得到气体浓度为参考点时的参考点实测电压，以及气体浓度为预设的报警点气体浓度时的报警点实测电压。实际环境是半导体气体传感器的应用场所的环境。

在其中一个实施例中，补偿单元用于计算第一差值和第二差值，其中第一差值为参考点实测电压和参考点标定电压的差值，第二差值为报警点实测电压和报警点标定电压的差值，并且，根据两组以上第一差值和第二差值获取报警点电压差值随参考点电压差值变化的线性的电压补偿函数。

在其中一个实施例中，补偿单元用于根据当前参考点电压本底值以及电压补偿函数获取当前报警点补偿值，根据报警点标定电压和报警点补偿值得到校准后的报警电压值，其中，参考点电压本底值是参与补偿的参考点在一段时间内的电压瞬时值的平均值。

在其中一个实施例中，补偿单元还用于在预设周期内，每隔预设时间记录参考点的一个电压采样瞬时值，并且将预设周期内记录的参考点的电压采样瞬时值的平均值作为预设周期内的参考点电压本底值。

在其中一个实施例中，补偿单元用于判定，若参考点的电压采样瞬时值的平均值在预设范围内，且参考点的电压采样瞬时值的数据离散度和偏差均在误差允许范围内，将参考点瞬时值的平均值记录为该周期的参考点电压本底值；

若参考点的电压采样瞬时值的平均值超出预设范围，或者，采样值的数据离散度或偏差超出误差允许范围，则返回至在预设周期内，每隔预设时间记录参考点的一个电压采样瞬时值的步骤。

在其中一个实施例中，补偿单元在报警点补偿值为负数时对报警点的标定电压进行补偿。

一种半导体式气体传感器的校准设备，包括半导体式的气体探测器和与其相连的上位机，半导体式的气体探测器包含半导体式的气体传感器，上位机用于发送预设的气体浓度给气体探测器，上述设备实现上述的半导体式气体传感器的校准方法。

一种计算机存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现上述的半导体式气体传感器的校准方法。

上述校准半导体气体传感器的系统、设备和计算机存储介质，通过电压与气体浓度之间的自然对数曲线拟合以及标定，再结合报警点的补偿电压差值与参考点电压差值之间的函数关系，通过对参考点电压的实时测量来获得报警点电压的偏移值，从而实现了在变化的环境因素影响下，半导体式气体传感器的报警点电压的精确计算。

附图说明

图1为一个实施例中的半导体式气体传感器的校准方法的流程示意图；

图2为一个实施例中的半导体式气体传感器的校准系统的结构示意图；

图3为另一个实施例中的半导体式气体传感器的校准系统的结构示意图；

图4为一个实施例中的半导体传感器0-10％LEL范围内特性曲线及拟合曲线实例图；

图5为一个实施例中的参考点差值与报警点差值曲线图；

图6为一个实施例中的参考点学习流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

需要说明的是，本发明实施例所涉及的术语“第一\第二”仅仅是是区别类似的对象，不代表针对对象的特定排序，可以理解地，“第一\第二”在允许的情况下可以互换特定的顺序或先后次序。应该理解“第一\第二”区分的对象在适当情况下可以互换，以使这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。

本发明实施例的术语“包括”和“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤或(模块)单元的过程、方法、系统、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元，而是可选地还包括没有列出的步骤或单元，或可选地还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

在本文中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本申请的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域技术人员显式地和隐式地理解的是，本文所描述的实施例可以与其它实施例相结合。

本申请提供的半导体式气体传感器的校准方法可以应用于各种气体浓度监测以及报警场景下。在有可能发生可燃气体泄漏的场景下，可燃气体探测器报警的准确性对保证人身和财产安全起到了至关重要的作用。半导体式气体传感器由于价格低廉寿命长被广泛地应用于气体探测器上，通过本申请的方案，可以实现半导体式气体传感器的准确报警。

请参考图1，其示出了本发明半导体式气体传感器的校准方法的流程示意图。该实施例中的半导体式气体传感器的校准方法包括以下步骤：

步骤S110：在预设参数环境中，测量两个以上预设气体浓度对应的半导体式气体传感器输出的电压；

在本步骤中，预设参数环境是传感器的标定环境，一般在传感器的说明书上会直接给出，有温度、湿度等参数。这些参数一般是一个范围，例如标定温度为20-25度，在选取预设参数时就在其范围内选取一个固定的数值。在这个预设的环境里，通过上位机给定两个以上气体浓度并且测量各个气体浓度下气体传感器的输出电压，得到气体浓度和输出电压一一对应的测量数据组。

步骤S120：将各个预设气体浓度和对应的半导体式气体传感器输出的电压拟合为自然对数函数曲线；

在本步骤中，建立横轴为气体浓度，纵轴为传感器输出电压的坐标轴，并且将测量得到的数据组描入该坐标轴内。然后将这些点拟合为一条自然对数曲线并求出y＝aln(x)+b的系数a和b，也就是确定了该拟合曲线的函数表达式。其中，x为气体浓度，y为传感器的输出电压。

步骤S130：根据自然对数曲线对各个气体浓度与半导体式气体传感器的输出电压进行标定；

在本步骤中，根据已经计算出的拟合曲线的函数表达式，可以对各个气体浓度所对应的传感器输出电压进行标定。

步骤S140：获取半导体式气体传感器在实际环境中测量得到的实测电压，根据实测电压和半导体式气体传感器的标定电压获取电压补偿函数，根据获得的电压补偿函数对标定电压进行校准。

在本步骤中，将传感器放到了实际应用的环境中。受到温度湿度以及其它气体的影响，传感器在指定的气体浓度下输出电压会发生改变，这也会导致报警点电压的偏移。于是，通过观察实际应用环境中传感器输出电压与标定电压的变化，并且将这个变化关系量化为一个函数，那么就可以通过这个函数得到一个电压的偏移值，或者称为补偿值。最终，通过标定值和补偿值来得到一个更准确的报警点电压值，从而使得报警更加准确、及时。

在本实施例中，根据两个以上预设气体浓度以及该浓度下半导体式气体传感器的输出电压得到一条气体浓度与电压之间的自然对数拟合曲线，该曲线在预设的环境参数中，对量程范围内的各个气体浓度相对应的电压的表征均在误差范围内，在半导体式气体传感器的实际应用环境下，求出报警点的偏差和参考点的偏差之间的电压补偿函数，再根据这个函数计算出报警点补偿电压值，由标定的报警点电压值以及补偿电压值就可以得到更为准确的实际报警电压值，也就是说，报警误差减小，工作点的准确度变高，工作点偏移问题减轻。

在一个实施例中，在求取自然对数曲线的系数时，将报警点气体浓度和输出电压作为其中一组数据。

在本实施例中，由于实际应用中，报警点是传感器的响应工作点，是校准的主要对象，因此在计算系数时取该点可以减小报警点附近的拟合误差。

在一个实施例中，根据自然对数曲线对半导体式气体传感器的气体浓度与电压进行标定的步骤之后，还包括以下步骤：

测试所述半导体式传感器是否在误差允许的报警气体浓度区间内触发报警，若触发报警，判定标定成功。具体地，在实际应用中，气体的报警浓度不仅仅是一个浓度点而是一个误差允许的范围，为了保证标定的正确性，可以测试传感器在误差允许的报警气体浓度区间内是否做出报警响应，传感器在该区间下限之前报警称为早报，在该区间上限之后才报警称为晚报，早报和晚报都不符合要求，不能通过测试，只有在该区间内做出报警响应的传感器通过测试，视为标定成功。

在本实施例中，在根据自然对数曲线对半导体式气体传感器的气体浓度与电压进行标定之后还加入了标定的验证步骤。这一过程进一步地提高了标定的准确度，使得标定后的气体传感器应当满足报警实际值与设定值的差值远小于工业上允许的误差范围。

在一个实施例中，根据自然对数曲线对半导体式气体传感器的气体浓度与电压进行标定，包括：

根据自然对数曲线获取气体浓度为参考点时的参考点标定电压和气体浓度为预设的报警点气体浓度时的报警点标定电压，其中，报警点气体浓度高于参考点气体浓度。

在本实施例中，根据得到的自然对数曲线对报警点电压的进行了标定，标定后的报警点电压就是预设的标准环境下传感器的工作电压。额外地，在本实施例中还选取了一个参考点进行标定，这个参考点是一个易于观察的浓度点，其目的在于，在实际应用环境中可以与报警点电压进行对比，从参考点的电压变化来对报警点的电压变化进行预测。

优选地，参考点可以选择被探测气体在常态下的浓度。比如说，某种气体在空气中的含量为1％VOL，那么在正常情况下，就可以选择1％VOL为参考点，因为这是最容易监测到的浓度。对于空气中含量远小于百分之一的，则可以选择零点为参考点。

在一个实施例中，获取半导体式气体传感器在实际环境中测量得到的实测电压，包括：

在实际环境中测量得到气体浓度为参考点时的参考点实测电压，以及气体浓度为预设的报警点气体浓度时的报警点实测电压；实际环境是半导体气体传感器的应用场所的环境。

在本实施例中，将传感器置于实际应用环境中并测量该环境下的报警点实测电压，这是在标定的基础上，综合了实际应用时的各方面环境因素，对报警点电压的进一步校准。额外地，在本实施例中还选取了一个参考点进行标定，这个参考点是一个易于观察的浓度点，其目的在于，在实际应用环境中可以与报警点电压进行对比，从参考点的电压变化来对报警点的电压变化进行预测。优选地，参考点可以选择被探测气体在常态下的浓度。

在一个实施例中，根据实测电压和标定电压获取电压补偿函数的步骤包括：

计算第一差值和第二差值，第一差值为参考点实测电压和参考点标定电压的差值，第二差值为报警点实测电压和报警点标定电压的差值；

根据两组以上第一差值和第二差值获取报警点电压差值随参考点电压差值变化的线性的电压补偿函数。

具体地，本实施例通过实测数据，找到报警点的实测电压和标定电压差值与参考点的实测电压和标定电压差值之间的函数关系，这里的差值也可以被称为补偿值，因此也可以将该函数关系称为补偿函数。

优选地，可以将补偿函数模糊相似为线性公式Δy＝c*Δx+d，其中x为参考点电压，Δx为参考点实测电压和标定电压差值，y为报警点电压，Δy为报警点实测电压和标定电压差值。通过多组实测数据以及拟合，就可以得到系数c和常数d。

在本实施例中，通过发现参考点的实测电压和标定电压的差值和报警点的实测电压和标定电压的差值之间的函数关系，由于参考点的实测电压是方便观察和测量的，而报警点的实测电压是用于报警的预测值。通过上述函数关系，就可以根据参考点的实测电压，更加精确地计算出报警点的实测电压和标定电压的差值，也就是电压补偿值，从而在标定电压的基础上进一步提高报警点电压的准确性。除了上述实施例中提到的线性函数，也可以通过观察实际测量数据，将参考点的电压差值和报警点的电压差值之间的关系拟合为最接近的一种函数以进一步提高补偿精度。

在一个实施例中，根据电压补偿函数对半导体式气体传感器的标定电压进行校准，包括：

根据当前参考点电压本底值以及电压补偿函数获取当前报警点补偿值，根据报警点标定电压和报警点补偿值得到校准后的报警电压值，其中，参考点电压本底值是参与补偿的参考点在一段时间内的电压瞬时值的平均值。

在本实施例中，获得补偿函数之后，在传感器实际应用时，就可以通过监测参考点的实测电压与标定电压的差值，实时计算报警点的电压差值，也就可以实时地在报警电压标定值的基础上对报警电压进行补偿。此外，在计算时还引入了本底值电压，本底值电压就是参与补偿的参考点一段时间、一段区间内的电压瞬时值的平均值，单个区间内，本底值大小不变，即参与报警点补偿的是同一个值，但每个瞬时值仍然实时转换为气体浓度值且进行差值补偿。例如，单个区间时间跨度为80分钟，80分钟内本底值都不会更新，但探测器每秒采样多个瞬时值，每个瞬时值都将换算为气体浓度值，只是换算输入参数之一的本底值是同一个值。在一个时间周期内，参与报警点电压补偿的参考点电压实测值均为该本底值电压，节省了计算资源，增加了计算效率。

在一个实施例中，根据电压补偿值对半导体式气体传感器的标定电压进行校准，还包括以下步骤：

若报警点补偿值为负数，对报警点的标定电压进行补偿。

在本实施例中，在补偿时，当传感器灵敏度变小，参考点电压负偏，也就是说参考点实测电压与参考点标定电压的差值为负数，报警点电压也负偏，那么补偿前包含该传感器的气体探测器会出现报警晚报的现象，补偿之后晚报现象减轻。但是，如果传感器灵敏度变大，零点电压正偏，报警点电压也正偏，由于正向补偿不利于探测器报警的实时性，这种情况下则不予以补偿。

根据实际应用，在传感器报警电压负偏，也就是补偿值为负数时才对报警点电压进行补偿，因为这种情况下会出现报警晚报现象，这可能会造成严重的后果，必须对报警电压进行补偿。而在报警电压正偏的情况下，报警会出现早报现象，但是早报是无害的，因此这种情况表并不对报警电压进行补偿。

在一个实施例中，根据电压补偿函数对半导体式气体传感器的标定电压进行校准，包括：

在预设周期内，每隔预设时间记录参考点的一个电压采样瞬时值；

将预设周期内记录的参考点的电压采样瞬时值的平均值作为预设周期内的参考点本底值电压。

进一步地，若参考点的电压采样瞬时值的平均值在预设范围内，且参考点的电压采样瞬时值的数据离散度和偏差均在误差允许范围内，将参考点瞬时值的平均值记录为该周期的参考点本底值电压；

若参考点的电压采样瞬时值的平均值超出预设范围或者采样值的数据离散度和偏差超出误差允许范围，返回至在预设周期内，每隔预设时间记录参考点的一个电压采样瞬时值的步骤。

具体地，本底值电压就是参与补偿的参考点一段时间、一段区间内的电压瞬时值的平均值，一段时间是指可以根据对探测器的精确度要求设为12h、24h、48h等等固定的时间间隔。而一段区间包含了多方面的含义，首先，是在当前这一时间间隔中，采样的平均值应当在一个合理的范围内；其次，当前一个周期的本底值与上一周期的本底值也不应当出现不合常理的大幅度改变；此外，所有电压采样瞬时值的数据离散度和偏差也应该在误差允许范围内。只有同时满足以上条件的电压采样瞬时值的平均值才会被成功地记录为当前本底值电压，任一条件不满足都会导致新一周期的采样的开始。

在本实施例中，由于计算报警点的补偿电压时需要用到参考点的实测电压，而实测电压是实时变化的，如果每个时刻都要计算补偿电压值会造成很大的计算成本，就气体探测器而言也没有实时计算的必要，因此，在这里引入本底值电压的概念，在一个时间周期内对实测电压进行定时采样然后计算这些采样的平均值，大幅节省了计算资源。此外，从统计学角度要求采样数据的离散度、偏差都在误差范围内，以及要求所得到的本底值点电压与上一周期的本底值电压的差值在合理的波动范围内，都更好地保证了最终得到的本底值电压是合理、可靠的。

根据上述半导体式气体传感器的校准方法，本发明实施例还提供一种半导体式气体传感器的校准系统，以下就半导体式气体传感器的校准系统的实施例进行详细说明。

参见图2所示，为一个实施例的半导体式气体传感器的校准系统的结构示意图。该实施例中的半导体式气体传感器的校准系统包括：

测量单元210，用于在预设参数环境中，测量两个以上预设气体浓度对应的电压以及获取半导体式气体传感器在实际环境中测量得到的实测电压，

标定单元220，用于将各个预设气体浓度和对应的电压拟合为自然对数函数曲线并且根据自然对数曲线对半导体式气体传感器的气体浓度与电压进行标定；

补偿单元230，用于根据实测电压和标定电压获取线性的电压补偿函数，根据电压补偿函数对半导体式气体传感器的标定电压进行校准。

在本实施例中，测量单元210负责测量半导体式的传感器的输出电压，在预设环境中的测量结果输出给标定单元220用于自然对数函数曲线的拟合，在实际环境中的测量结果输出给补偿单元230用于计算电压补偿函数的计算。

标定单元220接收测量单元210发送的预设环境中的电压测量结果，结合对应的气体浓度可以计算出自然对数函数曲线的系数并且根据该曲线对半导体式气体传感器进行标定。

补偿单元230接收测量单元210发送的实际环境中的电压测量结果，在传感器使用之前，先根据实测电压和标定电压获取线性的电压补偿函数，然后在投入使用时再根据实测电压以及电压补偿函数对半导体式气体传感器的标定电压进行校准。

在一个实施例中，标定单元220将各个预设气体浓度和对应的电压拟合为自然对数函数曲线时包括预设的报警点气体浓度。

在一个实施例中，标定单元220还用于实现以下步骤：

据预设的报警气体浓度区间配置气体传感器的报警电压区间，在报警气体浓度区间上限和下限时，测试半导体式传感器报警是否被触发，若是，判定标定成功。

在一个实施例中，标定单元220用于根据自然对数曲线获取气体浓度为参考点时的参考点标定电压和气体浓度为预设的报警点气体浓度时的报警点标定电压。

在一个实施例中，测量单元210用于在实际环境中测量得到气体浓度为参考点时的参考点实测电压，以及气体浓度为预设的报警点气体浓度时的报警点实测电压。实际环境是半导体气体传感器的应用场所的环境。

在一个实施例中，补偿单元230用于计算第一差值和第二差值，其中第一差值为参考点实测电压和参考点标定电压的差值，第二差值为报警点实测电压和报警点标定电压的差值，并且，根据两组以上第一差值和第二差值获取报警点电压差值随参考点电压差值变化的线性的电压补偿函数。

在一个实施例中，如图3所示，补偿单元230还包括采样单元232和电压本底值学习单元234，用于根据当前参考点电压本底值以及电压补偿函数获取当前报警点补偿值，根据报警点标定电压和报警点补偿值得到校准后的报警电压值，其中，参考点电压本底值是参与补偿的参考点在一段时间内的电压瞬时值的平均值。

进一步地，采样单元232用于在预设周期内，每隔预设时间记录参考点的一个电压采样瞬时值，电压本底值学习单元234用于将预设周期内记录的参考点的电压采样瞬时值的平均值作为预设周期内的参考点电压本底值。

在其中一个实施例中，电压本底值学习单元234用于在参考点的电压采样瞬时值的平均值在预设范围内，且参考点的电压采样瞬时值的数据离散度和偏差均在误差允许范围内时，将参考点瞬时值的平均值记录为该周期的参考点电压本底值；

在参考点的电压采样瞬时值的平均值超出预设范围，或者，采样值的数据离散度或偏差超出误差允许范围时，则采样单元232重新执行在预设周期内，每隔预设时间记录参考点的一个电压采样瞬时值。

在其中一个实施例中，补偿单元230在报警点补偿值为负数时对报警点的标定电压进行补偿。

本发明实施例的半导体式气体传感器的校准系统与上述半导体式气体传感器的校准方法一一对应，在上述半导体式气体传感器的校准方法的实施例阐述的技术特征及其有益效果均适用于半导体式气体传感器的校准系统的实施例中。

一种半导体式气体传感器的校准设备，包括半导体式的气体探测器和与其相连的上位机，半导体式的气体探测器包括半导体式的气体传感器，此外，该探测器还包括了可以显示半导体式气体传感器的输出电压的仪器，以及可以进行数据处理的处理器。上位机用于发送预设的气体浓度给气体探测器。

上述半导体式气体传感器的校准设备，通过在处理器上运行可执行程序，可以实现半导体式气体传感器的校准方法，可以提高半导体式气体传感器的准确度，减小报警误差。

一种计算机存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该程序被处理器执行时实现上述半导体式气体传感器的校准方法。

本领域的技术人员可以理解：实现上述方法实施例的全部或部分步骤可以通过程序指令相关的硬件来完成，前述的程序可以存储于计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，执行包括上述方法实施例的步骤；而前述的存储介质包括：移动存储设备、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

在一个具体的实施例中，报警阈值根据不同的气体有不同的标准，本实例以甲烷为例，可燃气体在空气中能爆炸的最低体积百分比浓度被称为爆炸下限，甲烷的气体爆炸下限值＝5.0％VOL＝50000PPM＝100.0％LEL。对于仅有一个报警值的探测器，设定值应在[1.0％,25.0％]LEL范围内，探测器常见报警值有4％LEL(2000PPM)、5％LEL(2500PPM)、7％LEL(3500PPM)。而实际的报警动作值与报警设定值之差不应超过±3％LEL；量程范围内测量误差不应超过±5％LEL。

半导体传感器实测电压值与气体浓度值接近自然对数函数曲线，标定过程实际上就是将实际测量的传感器特性曲线拟合为一条自然对数曲线的过程。将采样点映射到横轴为气体浓度，纵轴为采样电压的坐标轴上，拟合后根据坐标点求取自然对数函数的系数。

这个过程中需要上位机给传感器发送预设的气体浓度，而且这个标定过程是在一个预设的环境参数下完成的，通常这个预设的环境是半导体式传感器说明书上给定的标准工作坏境，在上位机设定的各个气体浓度下，探测器设备都会输出对应的电压真实值，保存两组以上这样的浓度和电压相对应的采样数据组。

选取采样数据组中的两组非零坐标，报警点为其中一组，依据这两组数据求取自然对数函数y＝aln(x)+b的系数a和常数b，其中x为气体浓度，y为采样电压。如图4所示为半导体传感器在0-10％LEL范围内的特性曲线以及其拟合曲线。

标定后可以对设备进行合格性验证：通过上位机输入报警动作值范围的上下限，测试在上限以及下限浓度时探测器的报警状态，若在这两个气体浓度时探测器均正常报警，则验证通过，标定成功。

经过标定后的报警实际值与设定值差值远小于±3％LEL的误差范围，而且量程范围[0,5000]PPM内采样电压和气体浓度值的拟合曲线远小于±5％LEL的误差范围。

经标定后的设备实测在变化环境中灵敏度受温度、湿度或干扰气体等因素影响明显。灵敏度随环境变化而变化，影响因素复杂难以一一量化。基于灵敏度对传感器特性曲线应成倍数关系的认识，找寻在环境因素综合作用下，以零点为参考点，通过零点电压实时值与零点标定值差值，对报警点标定值进行差值补偿的简化的线性补偿算法。

在多组实测数据中，比较两点电压差值关系，模糊相似得到线性补偿公式：Δy＝c*Δx+d，其中x为零点电压，y为报警点电压，系数c和常数的d与电路分压配比相关。图5所示为两点差值与报警点差值曲线及其模糊相似得到的线性补偿曲线。

该系统使用向补偿设计，补偿规律整体上符合如下规律：

灵敏度变小，零点电压负偏，报警点电压负偏，补偿前设备晚报，补偿后晚报现象普遍减轻；

灵敏度变大，零点电压正偏，报警点电压正偏，正向补偿不利于设备报警实时性，不予以补偿。

此外，设备自带本底值学习功能，本底值即参与补偿的参考点一段时间、一段区间内的电压瞬时值的平均值。本实施例中参考点本底值为零点本底值，是48h周期内，80min间隔记录的36组零点瞬时值的平均值。若该平均值本身在一个允许的误差范围内且采样值的离散度和偏差也在预设的误差范围内，则本底值视为学习成功，该平均值被记录为最新的零点本底值且被用于当前报警点补偿值的计算中。本底值学习流程如图6所示。

最终，根据报警点标定值和补偿值，就可以得到一个校准后的更为精确的报警值，经过零点差值补偿的设备在全量程范围内将环境因素引起的误差减小到±3％LEL内。

本方案的经过标定和补偿两个步骤，解决了半导体式气体传感器测量误差大，工作点漂移的问题。标定阶段采用了自然对数曲线对半导体式气体传感器的特性曲线进行拟合，使得量程范围内各个气体浓度的标定都在误差范围内。补偿阶段则采用了线性补偿函数，将报警点的偏移量映射到零点的偏移量上，通过对零点电压偏移值的实时监测，计算出报警点电压的补偿值。在得到报警点标定电压的基础上，对其进行补偿，进一步提高了报警点的精确度，使得半导体式气体传感器可以实现误差范围内的准确报警响应。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (13)

1.一种半导体式气体传感器的校准方法，其特征在于，包括如下步骤：

在预设参数环境中，测量两个以上预设气体浓度对应的半导体式气体传感器输出的电压；

将各个所述预设气体浓度和对应的半导体式气体传感器输出的电压拟合为自然对数函数曲线；

根据所述自然对数曲线对各个所述气体浓度与所述半导体式气体传感器的输出电压进行标定；

获取所述半导体式气体传感器在实际环境中测量得到的实测电压，根据所述实测电压和所述半导体式气体传感器的标定电压获取电压补偿函数，根据所述电压补偿函数对所述标定电压进行校准。

2.根据权利要求1所述的半导体式气体传感器的校准方法，其特征在于，所述预设气体浓度包括预设的报警点气体浓度。

3.根据权利要求1所述的半导体式气体传感器的校准方法，其特征在于，所述根据所述自然对数曲线对所述半导体式气体传感器的气体浓度与电压进行标定的步骤之后，还包括以下步骤：

测试所述半导体式传感器是否在误差允许的报警气体浓度区间内触发报警，若触发报警，判定标定成功。

4.根据权利要求1所述的半导体式气体传感器的校准方法，其特征在于，所述根据所述自然对数曲线对所述半导体式气体传感器的气体浓度与电压进行标定，包括：

根据所述自然对数曲线获取气体浓度为参考点时的参考点标定电压和气体浓度为预设的报警点气体浓度时的报警点标定电压，其中，报警点气体浓度高于所述参考点气体浓度。

5.根据权利要求4所述的半导体式气体传感器的校准方法，其特征在于，所述获取所述半导体式气体传感器在实际环境中测量得到的实测电压，包括：

在实际环境中测量得到气体浓度为参考点时的参考点实测电压，以及气体浓度为预设的报警点气体浓度时的报警点实测电压；所述实际环境是所述半导体气体传感器的应用场所的环境。

6.根据权利要求5所述的半导体式气体传感器的校准方法，所述根据所述实测电压和标定电压获取电压补偿函数的步骤包括：

计算第一差值和第二差值，所述第一差值为所述参考点实测电压和所述参考点标定电压的差值，所述第二差值为所述报警点实测电压和所述报警点标定电压的差值；

根据两组以上所述第一差值和第二差值获取报警点电压差值随参考点电压差值变化的线性的电压补偿函数。

7.根据权利要求4所述的半导体式气体传感器的校准方法，其特征在于，所述根据所述电压补偿函数对所述半导体式气体传感器的标定电压进行校准，包括：

根据当前参考点电压本底值以及所述电压补偿函数获取当前报警点补偿值，根据所述报警点标定电压和报警点补偿值得到校准后的报警电压值，其中，所述参考点电压本底值是参与补偿的参考点在一段时间内的电压瞬时值的平均值。

8.根据权利要求7中所述的半导体式气体传感器的校准方法，其特征在于，所述根据所述电压补偿值对所述半导体式气体传感器的标定电压进行校准，还包括以下步骤：

若所述报警点补偿值为负数，对报警点的标定电压进行补偿。

9.根据权利要求7中所述的半导体式气体传感器的校准方法，其特征在于，还包括以下步骤：

在预设周期内，每隔预设时间记录参考点的一个电压采样瞬时值；

将所述预设周期内记录的参考点的电压采样瞬时值的平均值作为所述预设周期内的参考点电压本底值。

10.根据权利要求9所述的半导体式气体传感器的校准方法，其特征在于，还包括以下步骤：

若所述参考点的电压采样瞬时值的平均值在预设范围内，且所述参考点的电压采样瞬时值的数据离散度和偏差均在误差允许范围内，将所述参考点瞬时值的平均值记录为该周期的参考点电压本底值；

若所述参考点的电压采样瞬时值的平均值超出预设范围，或者，采样值的数据离散度或偏差超出误差允许范围，返回至所述在预设周期内，每隔预设时间记录参考点的一个电压采样瞬时值的步骤。

11.一种半导体式气体传感器的校准系统，其特征在于，包含以下单元：

测量单元，用于在预设参数环境中，测量两个以上预设气体浓度对应的电压以及用于获取半导体式气体传感器在实际环境中的实测电压

标定单元，用于将各个所述预设气体浓度和所述对应的电压拟合为自然对数函数曲线并且根据所述自然对数曲线对所述半导体式气体传感器的气体浓度与电压进行标定；

补偿单元，根据所述实测电压和标定电压获取线性的电压补偿函数，根据所述电压补偿函数对所述半导体式气体传感器的标定电压进行校准。

12.一种半导体式气体传感器的校准设备，其特征在于，包括半导体式的气体探测器和与其相连的上位机，所述半导体式的气体探测器包括半导体式的气体传感器，所述上位机用于发送预设的气体浓度给气体探测器，所述设备实现如权利要求1至10任意一项所述的半导体式气体传感器的校准方法。

13.一种计算机存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该程序被处理器执行时实现如权利要求1至10任意一项所述的半导体式气体传感器的校准方法。

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