CN112595767B - 一种半导体式气体传感器的校准方法、系统、设备 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种半导体式气体传感器的校准方法、系统和设备，方法包括判断传感器输出信号是否平稳；设定预制环境，判断传感器响应速度是否达标；筛选出输出信号平稳、响应速度达标的传感器；通过内置算法自动识别预制环境变化，与其预制步骤先后顺序对应，从而达到自动识别预制环境中对应的气体浓度数据，并保存；记录每次通、断电的时间点数据；结合获得的数据，通过实际环境下零点值电压与预设环境下零点电压直接的差值建模，通过算法处理计算出实际环境下报警点的电压值，最终补偿报警点阈值。并提供上述方法的系统和设备。实现简化传感器在应用产品生产过程中的生产复杂度，并通过简单方便的校准实际报警阈值，提高产品一致性、准确度、降低环境对传感器的产品应用影响。

Description

一种半导体式气体传感器的校准方法、系统、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。但因为半导体传感器基础技术本身的生产工艺、电化学反应强度易受环境影响，导致应用时产品一致性差，容易误报。因此，传感器应用时需从要进一步筛选、校准。现有传感器校准方法大都基于对传感器在预设环境下进行标定，筛选方法主要依赖传感器厂商根据标准环境电压差异做分档处理。由于，传感器的受环境(温湿度以及其它气体)影响较大，使得预设环境标定的工作点漂移，在实际使用中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。因此，通过追踪标准环境标定值变化，修正实际环境动作值成为了该领域的研究方向。

申请号：CN2019108177661介绍了一种专利半导体式气体传感器的校准方法、系统和设备，该专利通过两个以上预设气体浓度下的传感器输出的电压拟合成曲线，根据曲线求出实际环境中报警点的偏差与参考点的偏差之间的相关函数，根据函数关系修正报警精度。然而该专利中对预设环境电压获取，需要通过上位机控制才能实现，此种方法实际操作复杂，没对传感器自身稳定性进行筛选判断，其次实际环境中设备断电后，在某些环境下，如：低浓度情况时通电后将无法获取真实差值而失去校准精度，甚至校准失效。

[发明内容]

针对上述缺点，本发明实施例的目的在于提供一种新的半导体气体传感器校准的方法、系统及设备，旨在解决半导体传感器基础技术本身的生产工艺、电化学反应强度易受环境影响给应用产品带来的一致性、稳定性差的问题，化简应用产品生产过程中的复杂程度，提高传感器在低浓度环境下对标准环境信号的补偿精度。

本发明的技术方案如下：

一方面提供一种半导体式气体传感器的校准方法，包含如下步骤：

S1.循环交替控制传感器通电、断电，并通过软件算法监测传感器输出信号，判断传感器输出信号是否平稳；

S2.输出信号平稳的传感器进入设定预制环境，通过算法判定预制环境下，传感器响应速度是否达标；

S3.筛选出输出信号平稳、响应速度达标的传感器；

S4.通过内置算法自动识别预制环境变化，与其预制步骤先后顺序对应，从而达到自动识别预制环境中对应的气体浓度数据，并保存；

S5.记录每次通、断电的时间点数据；

S6.结合对步骤S5获得的数据，通过实际环境下零点值电压与预设环境下零点电压直接的差值建模，通过算法处理计算出实际环境下报警点的电压值，最终补偿报警点阈值。

进一步地，在步骤S1中，还包括传感器输出信号值的离散系数的计算，计算步骤如下：

首选计算出所有n个传感器采样数据的总体均值；其次，计算出所有n个传感器采样数据的标准差；最后根据上述两个数据计算出传感器采样的数据离散系数P。

进一步地，若系统设定的稳定离散阈值为α；如果计算出P<α；则判断传感器输出信号平稳，可进入下一步骤；反之，如果计算出P>α；则此传感器被标记，不能进入下一步骤。

进一步地，步骤S2中，通过对传感器输出信号是否达到平稳值以及达到输出平稳值所需的时间进行对比，从而判断传感器响应速度是否达标。

进一步地，在步骤S4中，还包括对传感器在预制环境下进行标定；所述标定包括应用标定，及气体报警浓度值标定。

另一方面，提供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、控制单元、标定单元、分析单元、修正单元五部分组成。

进一步地，所述测量单元负责采集传感器电压输出值和计算传感器通断电的时间及间隔。

进一步地，所述控制单元负责按照设定的控制时序对传感器进行电源供电、断电控制。

进一步地，所诉标定单元负责完成在预制环境中获取传感器设定的报警浓度值并存储在设备中。

进一步地，所述分析单元通过算法的支撑，负责整个系统筛选、校准过程数据的判断、处理。

进一步地，所述修正单元负责在传感器实际应用中对报警点阈值的补偿。

进一步地，所述控制单元、测量单元、分析单元、修正单元依次连接，所述标定单元分别连接分析单元和测量单元。

另一方面，本发明还提供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，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，所述设备实现如上述所述的半导体式气体传感器的校准方法。

本发明的校准方法设定预制环境过程中，对传感器信号响应速度进行检测，对响应缓慢、响应不稳定的传感器进行挑选。通过记录传感器使用过程通断电时间情况，结合实际使用时的零点电压，实现算法实时最终零点信号，最终补偿报警点阈值。通过算法筛选、记录通断电时间、标准环境下输出信号的变化情况，算法综合处理后校准实际报警阈值，提高产品一致性、准确度、降低环境对产品的影响。

[附图说明]

图1为本发明一个实施例中半导体式气体传感器的校准方法流程示意图。

图2为本发明一个实施例中半导体式气体传感器的系统结构示意图。

[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。

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。

实施例

本申请提供的半导体式气体传感器的校准方法解决半导体传感器基础技术本身的生产工艺、电化学反应强度易受环境影响给应用产品带来的一致性、稳定性差的问题，化简应用产品生产过程中的复杂程度，提高传感器在低浓度环境下对标准环境信号的补偿精度。

如图1所示，本实施例的半导体式气体传感器的校准方法流程示意图，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S1：传感器供电控制电路进行设计，通过软件循环交替控制传感器通电、断电，并通过软件算法监测传感器输出信号，判断传感器输出信号是否平稳。

结合图2的系统结构示意图，传感器通电、断电由系统控制单元负责，电源控制端连接系统中控处理器的脉冲宽度调制PWM接口，其通过预设的软件编程，循环输出高低电平，高电平ON时，传感器通电；低电平OFF时，传感器断电；其占空比：高电平时间/低电平时间始终保持一致；其频率为f。

判断传感器信号是否稳定的具体方法为：

传感器每次通电时，监测采样n个传感器输出信号值V，并对采样的n个数据进行均值处理，公式如下：

传感器进行通断电控制时间达到系统预设的时间阈值T后，对测量单元采集的m个传感器输出信号值数据进行离散度分析从而计算出传感器输出信号值的离散系数，具体算法如下：

1>计算出所有采样数据的总体均值

2>计算出所有采样数据的标准差

3>根据上述两个数据计算出传感器采样的数据离散系数

若系统设定的稳定离散阈值为α；如果计算出P<α；则判断传感器输出信号平稳，可进入下一步骤；反之，如果计算出P>α；则此传感器被标记，不能进入下一步骤。

步骤S2：输出信号平稳的传感器进入设定预制环境，通过算法判定预制环境下，传感器响应速度是否达标。

通过步骤S1后，将合格的传感器置于预制环境下，预制环境是设定一个固定的气体浓度值，通过对传感器输出信号是否达到平稳值以及达到输出平稳值所需的时间进行对比，从而判断传感器响应速度是否达标。具体为：

设定传感器响应时间阈值为t，计算传感器输出信号达到平稳值的时间为β；其计算条件为从将传感器放入预制环境中开始，传感器会由于检测到气体从而使传感器的输出信号产生变化，直至趋于稳定。设定LV为前N个采集数据的求平均值，RV为现N个采集数据的求平均值；则当RV-LV＝0时，表明传感器输出信号稳定，并计算出此过程所需的时间β。21

步骤S3：综合第一、第二步监测的数据结果，筛选出输出信号平稳、响应速度达标的传感器。

通过步骤S1、S2；系统获取传感器的数据离散系数P及响应速度β；并且当P小于设定的离散阈值α；β小于设定的时间阈值t同时满足时，此传感器即为合格。进而筛选出合格的传感器。

步骤S4：通过内置算法自动识别预制环境变化，与其预制步骤先后顺序对应，从而达到自动识别预制环境中对应的气体浓度数据，并保存。

通过步骤三后，只是筛选出了合格的传感器，还未对传感器进行产品应用标定。因此，需要再对传感器进行应用标定，及气体报警浓度值标定。在预制环境下，预制环境在筛选传感器时的初始状态为固定的气体浓度，且气体浓度值与报警浓度值不等。因此，首先将预制环境快速调整为气体报警浓度值，比如固定气体浓度值C1<标定报警浓度值C2；则需对预制环境进行加注气体。其加注气体应为浓度值为C2-C1的差值所对应气体容量。当加注气体后，通过对传感器输出值的判断，即当RV-LV>0时；则系统即自动识别预制环境已发生变化，正处于应用标定阶段。重复步骤2的算法，当传感器输出稳定后，记录并保存当前的报警浓度值C2所对应的采集数据。

步骤S5：记录每次通、断电的时间点数据。

系统内置实时时钟，应用时或存储时的每次通电时间、断电时间都会实时记录并存储于产品数据库中，通过记录每次通、断电的时间点数据，则可以得出断电间隔时长Ta。

步骤S6：结合对步骤S5获得的数据，通过实际环境下零点值电压与预设环境下零点电压直接的差值建模，通过算法处理计算出实际环境下报警点的电压值，最终补偿报警点阈值。

通过对第五步骤获得的数据，结合实际环境下零点值电压与预设环境下零点电压直接的差值建模。通过算法处理计算出实际环境下报警点的电压值；

根据传感器的工艺特性，传感器在长时间断电后，需要稳定一段时间才能输出稳定的信号。因此，监控传感器产品的断电时间，并根据传感器的断电时间从而精准的补偿实际环境中的报警点电压值非常有必要。根据前面的步骤，已经记录并存储了预制环境下的传感器零点值A,断电时长Ta，气体浓度报警点电压值V1，在实际环境中，根据前面的方法采样传感器输出零点值B。

从而能计算出实际环境下的报警点的电压值Va:

如果B>A,

Va＝V1+y+y2(3)

同理如果B<A，Va＝V1+y-y2(4)

本发明根据预制环境状态变化先后顺序，标定报警点、参考点，并根据参考点、通断电时间数据修正报警点，采用上述技术方案后，对气体传感器在断电一段时间后，即使在低浓度环境下重新通电工作，也不会因为出现对标准环境信号的对标失败从而引起的补偿失效，大大提升了产品的稳定性。

作为本发明的实施例之一，参考图2，系统由测量单元、控制单元、标定单元、分析单元、修正单元等五部分组成。修正单元负责在传感器实际应用中对报警点阈值的补偿；所述控制单元、测量单元、分析单元、修正单元依次连接，所述标定单元分别连接分析单元和测量单元。测量单元负责采集传感器电压输出值和计算传感器通断电的时间及间隔；控制单元负责按照设定的控制时序对传感器进行电源供电、断电控制；标定单元负责完成在预制环境中获取传感器设定的报警浓度值并存储在设备中；分析单元通过算法的支撑，负责整个系统筛选、校准等过程数据的判断、处理。

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。

凡是属于本发明原理的技术方案均属于本发明的保护范围。对于本领域的技术人员而言，在不脱离本发明的原理的前提下进行的若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种半导体式气体传感器的校准方法，其特征在于，包含如下步骤：

S1. 循环交替控制传感器通电、断电，并通过软件算法监测传感器输出信号，判断传感器输出信号是否平稳；

S2. 输出信号平稳的传感器进入设定预制环境，通过算法判定预制环境下，传感器响应速度是否达标；

S3. 筛选出输出信号平稳、响应速度达标的传感器；

S4. 通过内置算法自动识别预制环境变化，与其预制步骤先后顺序对应，从而达到自动识别预制环境中对应的气体浓度数据，并保存；

S5. 记录每次通、断电的时间点数据；

S6. 结合对步骤S5获得的数据，通过实际环境下零点值电压与预设环境下零点电压直接的差值建模，通过算法处理计算出实际环境下报警点的电压值，最终补偿报警点阈值；

具体地，根据前面的步骤，已经记录并存储了预制环境下的传感器零点值A,断电时长Ta，气体浓度报警点电压值V1，在实际环境中，根据前面的方法采样传感器输出零点值B，从而能计算出实际环境下的报警点的电压值Va:

如果B>A ,

Va = V1+y+y2

同理如果B<A，Va = V1+y-y2。

2.根据权利要求1所述的一种半导体式气体传感器的校准方法，其特征在于，在步骤S1中，还包括传感器输出信号值的离散系数的计算，计算步骤如下：

首选计算出所有n个传感器采样数据的总体均值；其次，计算出所有n个传感器采样数据的标准差；最后根据上述两个数据计算出传感器采样的数据离散系数P。

3.根据权利要求2所述的一种半导体式气体传感器的校准方法，其特征在于，若系统设定的稳定离散阈值为α；如果计算出P<α；则判断传感器输出信号平稳，可进入下一步骤；反之，如果计算出P>α；则此传感器被标记，不能进入下一步骤。

4.根据权利要求1所述的一种半导体式气体传感器的校准方法，其特征在于，步骤S2中，通过对传感器输出信号是否达到平稳值以及达到输出平稳值所需的时间进行对比，从而判断传感器响应速度是否达标。

5.根据权利要求1所述的一种半导体式气体传感器的校准方法，其特征在于，还包括对传感器在预制环境下进行标定；所述标定包括应用标定，及气体报警浓度值标定。

6.一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1-5任一项所述的半导体式气体传感器的校准方法。

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