CN111830110A - 一种氧气传感器自校准方法、装置及系统 - Google Patents

一种氧气传感器自校准方法、装置及系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种氧气传感器自校准方法，包括氧气传感器和主控MCU，本发明通过压力传感器读取到当前环境的大气压，利用一个标准大气压下的电压值以及随时间的变化氧气传感器在空气中的信号偏移量，结合公式计算得出当前环境下的氧气浓度值，再根据温度和湿度对含氧量的影响，对当前环境下的氧气浓度值进行校正，得出当前环境的精准的氧气浓度值，一旦发现氧气浓度值较低，立即发送报警信息，通过报警器报警，提高安全系数。本发明不需要使用外部校准的方式，提高的整个系统的精度,延长了氧气传感器的使用寿命。

Description

一种氧气传感器自校准方法、装置及系统
技术领域
本发明涉及氧气分析，具体是一种氧气传感器自校准方法、装置及系统。
背景技术
目前现有的所有的氧气分析装置内的氧气传感器都是采用电化学的工作方式，即通过与氧气的反应在信号两端输出一个电压信号或者电流信号。然而电化学式的方式随着时间的流逝，两端的电压信号会发生很大的变化；氧气分析装置一般是在上电初期读取到一个普通空气环境的数值作为基准点，然后在运行的过程中，根据读取到的不同的电压值数据，换算出当前环境下的氧气浓度值；氧气分析装置在运行的过程中，电压值在不断的变化，装置就需要将当前的电压值设置为基准点，即使当前环境有异常也仍然会这样工作；这就导致了当环境出现缺氧的情况下时，装置不会发出报警状态；给进入室内巡检的人员带来了很大的安全隐患。
发明内容
为解决上述现有技术的缺陷，本发明提供一种氧气传感器自校准方法、装置及系统，本发明通过压力传感器以及高精度时钟模块可以很清楚的计算出不同时间点下的基准点下的氧气传感器输出电压值，不需要使用外部校准的方式，提高的整个系统的精度，可以正确的反映当前环境的氧气浓度值，当出现缺氧情况可以及时的发出报警信息，提醒工作人员及时处理异常信息，提高了整个系统的安全性,延长了氧气传感器的使用寿命。
为实现上述技术目的，本发明采用如下技术方案：一种氧气传感器自校准方法，包括氧气传感器和主控MCU，所述主控MCU执行以下步骤，
(1)读取当前环境下的大气压值P；
(2)计算出当前大气压P下的电压初始值VO，
其中，
Figure BDA0002636057180000011
式中，V1为一个标准大气压1013mbar下的标准输出电压；
(3)读取所述氧气传感器的上电运行时长t，根据所述上电运行时长t得到不同时间点下的信号偏移S；
(4)计算出当前时间点下的基准电压值VS，
其中，VS＝VO×(1+S) ②；
式中，VO为公式①计算得出的电压初始值，S为当前时间点下的信号偏移量；
(5)读取当前环境下的环境电压值VC，计算出当前环境下的氧气浓度值
Figure BDA0002636057180000021
其中，
Figure BDA0002636057180000022
式中，系数21是指标准情况的氧气含量值21％，VS为公式②计算得出的基准电压值；
(6)读取当前环境下的温度值T和湿度值H，根据温度对含氧量的影响图得出该温度值T的影响百分比Tp，根据湿度对含氧量的影响图得出该湿度值H的影响百分比Hp，对当前环境下的氧气浓度值
Figure BDA0002636057180000023
进行修正，计算出最终的氧气浓度值Vf，
其中，
Figure BDA0002636057180000026
式中，
Figure BDA0002636057180000025
为公式③计算得出的当前环境下的氧气浓度值。
进一步地，在步骤(3)中，读取所述氧气传感器的上电运行时长t时，是通过内部高精度时钟模块读取的，所述时钟模块电连接至所述主控MCU。
进一步地，所述主控MCU还电连接有压力传感器、温度传感器、湿度传感器，其中，所述压力传感器用于读取当前环境下的大气压值P，所述温度传感器和所述湿度传感器分别用于读取当前环境下的温度值T和湿度值H。
进一步地，所述所述压力传感器的SCL脚一路通过电阻R15连接至电源，一路连接至所述主控板的SCL脚；所述压力传感器的SDA脚一路通过电阻R14连接至电源，一路连接至所述主控板的SDA脚；所述压力传感器的2脚和3脚均连接电源，7脚接地，2脚和7脚之间串联电容C12。
进一步地，所述氧气传感器连接有运算放大电路，所述氧气传感器的输出端电连至所述运算放大电路，所述运算放大电路输出端电连至所述主控MCU的输入端。
进一步地，所述运算放大电路包括接头JP1，所述接头JP1连接至所述氧气传感器；所述接头JP1的3脚通过电感L1连接至第一运算放大器U1A的同向输入端，其中，所述电感L1的一端通过电阻R2接电源，另一端通过电容C3接电源；所述第一运算放大器U1A的8脚一路接电源，一路通过电容C1接电源，一路通过电容C2接电源；所述第一运算放大器U1A的反向输入端通过电阻R5接电源，4脚一路连接至反向输入端，一路通过电容C5接电源，一路通过电阻R4连接至1脚；所述第一运算放大器U1A的1脚连接至第二运算放大器U1B的同向输入端，所述第二运算放大器U1B的反向输入端通过电阻R6接电源，7脚一路通过电阻R3连接至反向输入端，一路通过电阻R3和电容C6接电源；所述第二运算放大器U1B的7脚连接有电阻R1，所述电阻R1一路通过电容C4接电源，一路连接至所述主控板的OxAdc脚。
一种氧气传感器自校准装置，所述自校准装置至少包括主控MCU，所述主控MCU电连接有氧气传感器，所述主控MCU执行上述方案中任一项所述的自校准方法。
一种氧气传感器自校准系统，所述自校准系统包括上述方案中所述的自校准装置，所述自校准系统还设有报警器，所述报警器电连接至所述主控MCU的报警输出接点。
综上所述，本发明取得了以下技术效果：通过压力传感器以及高精度时钟模块可以很清楚的计算出不同时间点下的基准点下的氧气传感器输出电压值，不需要使用外部校准的方式，提高的整个系统的精度，可以正确的反映当前环境的氧气浓度值，当出现缺氧情况可以及时的发出报警信息，提醒工作人员及时处理异常信息，提高了整个系统的安全性。
附图说明
图1是本发明实施例提供的校正方法流程图；
图2是本发明实施例提供的空气中信号随时间偏移曲线；
图3是本发明实施例提供的温度对含氧量的影响曲线；
图4是本发明实施例提供的湿度对含氧量的影响曲线；
图5是本发明实施例提供的系统框图；
图6是主控MCU的电路原理图；
图7是压力传感器的电路原理图；
图8是氧气传感器的电路原理图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步详细说明。
本具体实施例仅仅是对本发明的解释，其并不是对本发明的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本发明的权利要求范围内都受到专利法的保护。
实施例：
一种氧气传感器自校准方法，包括氧气传感器和主控MCU，主控MCU还电连接有压力传感器、温度传感器、湿度传感器、高精度时钟模块，氧气传感器连接有运算放大电路。本实施例中，利用软件建模以及数据分析对比的方法对氧气传感器的基准点进行校正，提高的整个系统的精度。
在出厂之前，将氧气传感器一个标准大气压下的相应数值录入到主控MCU的存储区，便于后续的调用以及分析计算。
主控MCU执行以下步骤，
(1)当装置在现场上电以后，主控MCU通过压力传感器读取当前环境下的大气压值P；
(2)主控MCU计算出当前大气压P下的电压初始值VO，
其中，
Figure BDA0002636057180000041
式中，V1为一个标准大气压1013mbar下的标准输出电压，V1为压力传感器出厂时固化到程序中的数值，即最开始的压力数值；
(3)主控MCU通过内部的高精度时钟模块读取氧气传感器的上电运行时长t，根据上电运行时长t得到不同时间点下的信号偏移S，可知当前时间点下的信号偏移量S；其中，空气中信号随时间偏移的曲线如图2所示，由图可知，随着时间的变化，信号在空气中的偏移量也在不断的变化，可以得知在当前时间点下的信号偏移量S(％)；
(4)主控MCU计算出当前时间点下的基准电压值VS，
其中，VS＝VO×(1+S)②；
式中，VO为公式①计算得出的电压初始值，S为当前时间点下的信号偏移量；
(5)主控MCU读取当前环境下的环境电压值VC，与计算出的基准电压值VS进行换算，计算出当前环境下的氧气浓度值
Figure BDA0002636057180000042
其中，
Figure BDA0002636057180000043
式中，系数21是指标准情况的氧气含量值21％，VS为公式②计算得出的基准电压值；
(6)主控MCU通过温度传感器和湿度传感器读取当前环境下的温度值T和湿度值H，根据温度对含氧量的影响图得出该温度值T的影响百分比Tp(％)，根据湿度对含氧量的影响图得出该湿度值H的影响百分比Hp(％)，对当前环境下的氧气浓度值
Figure BDA0002636057180000044
进行修正，计算出最终的氧气浓度值Vf，
其中，
Figure BDA0002636057180000045
式中，
Figure BDA0002636057180000046
为公式③计算得出的当前环境下的氧气浓度值。
其中，如图3所示，
在10-30℃温度范围内，Tp＝0.03；
在0-10℃温度范围内，Tp＝0.05-(T*0.002)；
在30-50℃温度范围内，Tp＝0.03+((T-40)*0.002)。
如图4所示，
在温度为0-15℃时，Hp＝-0.017*H，其中，H为湿度(下同)；
在温度为15-25℃时，Hp＝-0.032*H；
在温度为25-35℃以及35°以上时，Hp＝-0.055*H。
本实施例中，由于氧气的浓度变化与水蒸气的稀释效果直接相关，通过温湿度传感器读取当前环境的温湿度值，然后根据温湿度对氧含量的影响图，对读取到的氧气浓度进行修正，得到最后的氧气浓度值。如图3和图4所示，图3中示出了温度对含氧量的影响曲线，由该曲线即可得知当前温度值T所对应的氧气影响的百分比值Tp(％)；图4中示出了一定温度下湿度对氧浓度的影响曲线，由该曲线即可得知当前湿度值H所对应的氧气影响的百分比值Hp(％)。再由温度影响百分比Tp和湿度影响百分比Hp，对当前环境下的氧气浓度值
Figure BDA0002636057180000051
进行修正，计算得出最终的氧气浓度值Vf。
如图5所示，主控MCU电连接有压力传感器、温度传感器、湿度传感器、高精度时钟模块，氧气传感器通过运算放大电路连接至主控MCU，除此之外，主控MCU还设有无源输出接点、电源接口、通讯接口等。
如图6所示，主控MCU采用芯片STM32L011，芯片STM32L011的引脚连接关系如图所示。
如图7所示，压力传感器的SCL脚一路通过电阻R15连接至电源，一路连接至主控板的SCL脚(17脚)；压力传感器的SDA脚一路通过电阻R14连接至电源，一路连接至主控板的SDA脚(18脚)；压力传感器的2脚和3脚均连接电源，7脚接地，2脚和7脚之间串联电容C12。
如图5所示，氧气传感器连接有运算放大电路，氧气传感器的输出端电连至运算放大电路，运算放大电路输出端电连至主控MCU的输入端。如图8所示，运算放大电路包括接头JP1，接头JP1连接至氧气传感器00A-101，将氧气含量输送至MCU；接头JP1的3脚通过电感L1连接至第一运算放大器U1A的同向输入端，其中，电感L1的一端通过电阻R2接电源，另一端通过电容C3接电源；第一运算放大器U1A的8脚一路接电源，一路通过电容C1接电源，一路通过电容C2接电源；第一运算放大器U1A的反向输入端通过电阻R5接电源，4脚一路连接至反向输入端，一路通过电容C5接电源，一路通过电阻R4连接至1脚；第一运算放大器U1A的1脚连接至第二运算放大器U1B的同向输入端，第二运算放大器U1B的反向输入端通过电阻R6接电源，7脚一路通过电阻R3连接至反向输入端，一路通过电阻R3和电容C6接电源；第二运算放大器U1B的7脚连接有电阻R1，电阻R1一路通过电容C4接电源，一路连接至主控板的OxAdc脚。
在另一个实施例中，提供一种氧气传感器自校准装置，该自校准装置至少包括主控MCU，主控MCU电连接有氧气传感器，主控MCU执行上述任一方案任一项的自校准方法。
在另一个实施例中，提供一种氧气传感器自校准系统，自校准系统包括上述方案中所述自校准装置，自校准系统还设有报警器，报警器电连接至主控MCU的报警输出接点。
本发明通过压力传感器读取到当前环境的大气压，利用一个标准大气压下的电压初始值以及随时间的变化氧气传感器在空气中的信号偏移量，结合公式计算得出当前环境下的氧气浓度值，再根据温度和湿度对含氧量的影响，对当前环境下的氧气浓度值进行校正，得出当前环境的精准的氧气浓度值，一旦发现氧气浓度值较低，立即发送报警信息，通过报警器报警，提高安全系数。
以上所述仅是对本发明的较佳实施方式而已，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改，等同变化与修饰，均属于本发明技术方案的范围内。

Claims (8)

1.一种氧气传感器自校准方法，包括氧气传感器和主控MCU，其特征在于：所述主控MCU执行以下步骤，
(1)读取当前环境下的大气压值P；
(2)计算出当前大气压P下的电压初始值VO，
其中，
Figure FDA0002636057170000011
式中，V1为一个标准大气压1013mbar下的标准输出电压；
(3)读取所述氧气传感器的上电运行时长t，根据所述上电运行时长t得到不同时间点下的信号偏移S；
(4)计算出当前时间点下的基准电压值VS，
其中，VS＝VO×(1+S) ②；
式中，VO为公式①计算得出的电压初始值，S为当前时间点下的信号偏移量；
(5)读取当前环境下的环境电压值VC，计算出当前环境下的氧气浓度值
Figure FDA0002636057170000012
其中，
Figure FDA0002636057170000013
式中，系数21是指标准情况的氧气含量值21％，VS为公式②计算得出的基准电压值；
(6)读取当前环境下的温度值T和湿度值H，根据温度对含氧量的影响图得出该温度值T的影响百分比Tp，根据湿度对含氧量的影响图得出该湿度值H的影响百分比Hp，对当前环境下的氧气浓度值
Figure FDA0002636057170000014
进行修正，计算出最终的氧气浓度值Vf，
其中，
Figure FDA0002636057170000015
式中，
Figure FDA0002636057170000016
为公式③计算得出的当前环境下的氧气浓度值。
2.根据权利要求1所述的一种氧气传感器自校准方法，其特征在于：在步骤(3)中，读取所述氧气传感器的上电运行时长t时，是通过内部高精度时钟模块读取的，所述时钟模块电连接至所述主控MCU。
3.根据权利要求2所述的一种氧气传感器自校准方法，其特征在于：所述主控MCU还电连接有压力传感器、温度传感器、湿度传感器，其中，所述压力传感器用于读取当前环境下的大气压值P，所述温度传感器和所述湿度传感器分别用于读取当前环境下的温度值T和湿度值H。
4.根据权利要求3所述的一种氧气传感器自校准方法，其特征在于：所述所述压力传感器的SCL脚一路通过电阻R15连接至电源，一路连接至所述主控板的SCL脚；所述压力传感器的SDA脚一路通过电阻R14连接至电源，一路连接至所述主控板的SDA脚；所述压力传感器的2脚和3脚均连接电源，7脚接地，2脚和7脚之间串联电容C12。
5.根据权利要求5所述的一种氧气传感器自校准方法，其特征在于：所述氧气传感器连接有运算放大电路，所述氧气传感器的输出端电连至所述运算放大电路，所述运算放大电路输出端电连至所述主控MCU的输入端。
6.根据权利要求5所述的一种氧气传感器自校准方法，其特征在于：所述运算放大电路包括接头JP1，所述接头JP1连接至所述氧气传感器；所述接头JP1的3脚通过电感L1连接至第一运算放大器U1A的同向输入端，其中，所述电感L1的一端通过电阻R2接电源，另一端通过电容C3接电源；所述第一运算放大器U1A的8脚一路接电源，一路通过电容C1接电源，一路通过电容C2接电源；所述第一运算放大器U1A的反向输入端通过电阻R5接电源，4脚一路连接至反向输入端，一路通过电容C5接电源，一路通过电阻R4连接至1脚；所述第一运算放大器U1A的1脚连接至第二运算放大器U1B的同向输入端，所述第二运算放大器U1B的反向输入端通过电阻R6接电源，7脚一路通过电阻R3连接至反向输入端，一路通过电阻R3和电容C6接电源；所述第二运算放大器U1B的7脚连接有电阻R1，所述电阻R1一路通过电容C4接电源，一路连接至所述主控板的OxAdc脚。
7.一种氧气传感器自校准装置，其特征在于：所述自校准装置至少包括主控MCU，所述主控MCU电连接有氧气传感器，所述主控MCU执行如权利要求1-6任一项所述的自校准方法。
8.一种氧气传感器自校准系统，其特征在于：所述自校准系统包括如权利要求7所述的自校准装置，所述自校准系统还设有报警器，所述报警器电连接至所述主控MCU的报警输出接点。
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