CN112683838B - 一种基于九点拟合的红外二氧化碳传感器的浓度检测方法 - Google Patents

一种基于九点拟合的红外二氧化碳传感器的浓度检测方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于九点拟合的红外二氧化碳传感器的浓度检测方法，包括以下步骤：S1：计算得到三个温度值T1、T2、T3；S2：计算得到三个二氧化碳浓度值C1、C2、C3；S3：计算输出电压值；S4：构建二氧化碳浓度C1下的二次拟合函数公式；S5：求出理论上二氧化碳浓度C1下的输出电压值；S6：构建温度T0下的二次拟合函数公式；S7：构建温度T0下的二次拟合函数公式；S8：U0作为U值代入拟合好的二次函数曲线得到的C值。在本发明中，该浓度检测方法只需预先采集三个不同温度节点下对应9组数据点，即可对红外二氧化碳传感器的浓度值进行准确的预估，从而使得数据采集所耗费的时间成本较小，而且配气所耗的物力成本也较低。

Description

一种基于九点拟合的红外二氧化碳传感器的浓度检测方法
技术领域
本发明涉及二氧化碳浓度检测技术领域，尤其涉及一种基于九点拟合的红外二氧化碳传感器的浓度检测方法。
背景技术
随着全球气候的变暖，大气环境中二氧化碳浓度的逐渐上升，不管是工业生产还是居家生活，监测二氧化碳的浓度显得尤为重要。二氧化碳传感器应运而生，检测二氧化碳浓度的方法也有好几种，但比较常用的还是非色散红外(NDIR)检测技术。由于气体浓度与吸收光谱强度遵循Lambert-Beer定律，故当气体透过滤光片时，可以对CO2气体浓度进行定量分析。
市场上二氧化碳传感器也是多种多样。以电导变化型厚膜式传感器、固体电解质传感器为代表的传统CO2气体传感器多多少少存在着频繁需要校准、气体选择性差、误报率高的致命缺陷。CO2气体检测技术也非停滞不前，光电与微电子技术的发展给它带来了创新，最典型的为非色散红外吸收光学式传感器，其具有精度高、测量范围广、反应快、灵敏度高等特点。但是国内对于红外气体传感器起步较晚，上世纪90年代才有点成果，研究的深度还是不够，与国外的传感器还是存在一定的差距，主要表现在稳定性差，响应速度较慢等方面。温湿度等环境因素对红外传感器造成的影响是需要解决的一个重点。
为了解决上述问题，可以从硬件入手解决，但是制作成本高。软件补偿方法相对而言就比较灵活，成本低，实现简单，效果明显。现有软件补偿方法也很多，比如说先在节点的标定阶段采集大量不同温度、不同浓度下的输出电压，然后基于这些采集的样本数据，构造二氧化碳浓度估计模型，比如说基于BP神经网络的二氧化碳浓度估计模型。这些已有方法对数据量的采集要求不明确且耗时长，配气成本高。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有技术中存在的缺点，而提出基于九点拟合的方式，降低采集所耗费的时间成本，也降低配气所耗费物力成本的一种基于九点拟合的红外二氧化碳传感器的浓度检测方法。
为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：一种基于九点拟合的红外二氧化碳传感器的浓度检测方法，包括以下步骤：
S1：对于一个基于红外技术的二氧化碳浓度检测传感器节点，根据其所应用的环境温度范围[Tmin,Tmax]，计算得到三个温度节点的温度值T1、T2、T3；
S2：根据其二氧化碳浓度测量范围[Cmin,Cmax]，计算得到三个节点的二氧化碳浓度值C1、C2、C3；
S3：在T1、T2、T3环境温度下，分别采集C1、C2、C3这3个不同二氧化碳浓度下的传感节点输出电压值，分别标记为：U1,1、U1,2、U1,3、U2,1、U2,2、U2,3、U3,1、U3,2和U3,3；
S4：基于(T1，U1,1)、(T2，U2,1)、(T3，U3,1)这三个数据点，构建二氧化碳浓度C1下的二次拟合函数公式(1)：U＝aT2+bT+c；
S5：当将该节点进行使用时，针对当前温度为T0和输出电压值U0，将T0作为T值代入上述根据公式(1)拟合好的二次函数曲线，可以求出理论上二氧化碳浓度C1下的输出电压值；
S6：如果T0≤T2，令
Figure BDA0002917335200000021
基于/>
Figure BDA0002917335200000022
Figure BDA0002917335200000023
这三个数据点，构建温度T0下的二次拟合函数公式(2)：U＝eC2+fC+g；
S7：如果T0>T2，令
Figure BDA0002917335200000024
基于/>
Figure BDA0002917335200000025
Figure BDA0002917335200000026
这三个数据点，构建温度T0下的二次拟合函数公式(3)：U＝eC2+fC+g；
S8：将传感器实际输出值U0作为U值代入拟合好的二次函数曲线U＝eC2+fC+g，得到的C值即为环境温度T0下的二氧化碳浓度估计值。
作为上述技术方案的进一步描述：
所述步骤S1中，三个温度节点处的温度值的计算公式分别为：T1＝Tmin，T2＝0.5(Tmax+Tmin)，T3＝Tmax。
作为上述技术方案的进一步描述：
所述步骤S2中，三个节点的二氧化碳浓度值的计算公式分别为：C1＝Cmin，C2＝0.5(Cmax+Cmin)，C3＝Cmax。
作为上述技术方案的进一步描述：
所述步骤S3中，采集获得的输出电压值中，U1,1、U1,2和U1,3、为T1温度下，U2,1、U2,2和U2,3为T2温度下，U3,1、U3,2和U3,3为T3温度下。
作为上述技术方案的进一步描述：
所述步骤S4的公式(1)中，温度T为自变量，传感节点输出电压值U为因变量，a，b，c为拟合函数的参数。
作为上述技术方案的进一步描述：
所述步骤S5中，理论上二氧化碳浓度C1下的输出电压值的计算公式为：
Figure BDA0002917335200000031
作为上述技术方案的进一步描述：
所述步骤S6的公式(2)中，二氧化碳浓度C为自变量，传感节点输出电压值U为因变量，e，f，g为拟合函数的参数。
作为上述技术方案的进一步描述：
所述步骤S7的公式(3)中，二氧化碳浓度C为自变量，传感节点输出电压值U为因变量，e，f，g为拟合函数的参数。
本发明提供了一种基于九点拟合的红外二氧化碳传感器的浓度检测方法。具备以下有益效果：
该浓度检测方法只需预先采集三个不同温度节点下对应9组数据点，即可对红外二氧化碳传感器的浓度值进行准确的预估，避免大量数据实时检测方式带来的高成本，从而使得数据采集所耗费的时间成本较小，而且配气所耗的物力成本也较低，具有较强的使用效果。
具体实施方式
下面将对本发明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发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
一种基于九点拟合的红外二氧化碳传感器的浓度检测方法，包括以下步骤：
S1：对于一个基于红外技术的二氧化碳浓度检测传感器节点，根据其所应用的环境温度范围[Tmin,Tmax]，计算得到三个温度节点的温度值T1、T2、T3；
S2：根据其二氧化碳浓度测量范围[Cmin,Cmax]，计算得到三个节点的二氧化碳浓度值C1、C2、C3；
S3：在T1、T2、T3环境温度下，分别采集C1、C2、C3这3个不同二氧化碳浓度下的传感节点输出电压值，分别标记为：U1,1、U1,2、U1,3、U2,1、U2,2、U2,3、U3,1、U3,2和U3,3；
S4：基于(T1，U1,1)、(T2，U2,1)、(T3，U3,1)这三个数据点，构建二氧化碳浓度C1下的二次拟合函数公式(1)：U＝aT2+bT+c；
S5：当将该节点进行使用时，针对当前温度为T0和输出电压值U0，将T0作为T值代入上述根据公式(1)拟合好的二次函数曲线，可以求出理论上二氧化碳浓度C1下的输出电压值；
S6：如果T0≤T2，令
Figure BDA0002917335200000041
基于/>
Figure BDA0002917335200000042
Figure BDA0002917335200000051
这三个数据点，构建温度T0下的二次拟合函数公式(2)：U＝eC2+fC+g；
S7：如果T0>T2，令
Figure BDA0002917335200000052
基于/>
Figure BDA0002917335200000053
Figure BDA0002917335200000054
这三个数据点，构建温度T0下的二次拟合函数公式(3)：U＝eC2+fC+g；
S8：将传感器实际输出值U0作为U值代入拟合好的二次函数曲线U＝eC2+fC+g，得到的C值即为环境温度T0下的二氧化碳浓度估计值。
该浓度检测方法只需预先采集三个不同温度节点下对应9组数据点，即可对红外二氧化碳传感器的浓度值进行准确的预估，避免大量数据实时检测方式带来的高成本，从而使得数据采集所耗费的时间成本较小，而且配气所耗的物力成本也较低，具有较强的使用效果。
步骤S1中，三个温度节点处的温度值的计算公式分别为：T1＝Tmin，T2＝0.5(Tmax+Tmin)，T3＝Tmax。
步骤S2中，三个节点的二氧化碳浓度值的计算公式分别为：C1＝Cmin，C2＝0.5(Cmax+Cmin)，C3＝Cmax。
步骤S3中，采集获得的输出电压值中，U1,1、U1,2和U1,3、为T1温度下，U2,1、U2,2和U2,3为T2温度下，U3,1、U3,2和U3,3为T3温度下。
步骤S4的公式(1)中，温度T为自变量，传感节点输出电压值U为因变量，a，b，c为拟合函数的参数。
步骤S5中，理论上二氧化碳浓度C1下的输出电压值的计算公式为：
Figure BDA0002917335200000055
步骤S6的公式(2)中，二氧化碳浓度C为自变量，传感节点输出电压值U为因变量，e，f，g为拟合函数的参数。
步骤S7的公式(3)中，二氧化碳浓度C为自变量，传感节点输出电压值U为因变量，e，f，g为拟合函数的参数。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种基于九点拟合的红外二氧化碳传感器的浓度检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：对于一个基于红外技术的二氧化碳浓度检测传感器节点，根据其所应用的环境温度范围[Tmin,Tmax]，计算得到三个温度节点的温度值T1、T2、T3；
S2：根据其二氧化碳浓度测量范围[Cmin,Cmax]，计算得到三个节点的二氧化碳浓度值C1、C2、C3；
S3：在T1、T2、T3环境温度下，分别采集C1、C2、C3这3个不同二氧化碳浓度下的传感节点输出电压值，分别标记为：U1,1、U1,2、U1,3、U2,1、U2,2、U2,3、U3,1、U3,2和U3,3，采集获得的输出电压值中，U1,1、U1,2和U1,3为T1温度下，U2,1、U2,2和U2,3为T2温度下，U3,1、U3,2和U3,3为T3温度下；
S4：基于(T1，U1,1)、(T2，U2,1)、(T3，U3,1)这三个数据点，构建二氧化碳浓度C1下的二次拟合函数公式(1)：U＝aT2+bT+c，温度T为自变量，传感节点输出电压值U为因变量，a，b，c为拟合函数的参数；
S5：当将该节点进行使用时，针对当前温度为T0和输出电压值U0，将T0作为T值代入上述根据公式(1)拟合好的二次函数曲线，可以求出理论上二氧化碳浓度C1下的输出电压值，理论上二氧化碳浓度C1下的输出电压值的计算公式为：
Figure FDA0004176940210000011
S6：如果T0≤T2，令
Figure FDA0004176940210000012
基于
Figure FDA0004176940210000021
这三个数据点，构建温度T0下的二次拟合函数公式(2)：U＝eC2+fC+g，二氧化碳浓度C为自变量，传感节点输出电压值U为因变量，e，f，g为拟合函数的参数；
S7：如果T0>T2，令
Figure FDA0004176940210000022
基于
Figure FDA0004176940210000023
这三个数据点，构建温度T0下的二次拟合函数公式(3)：U＝eC2+fC+g，二氧化碳浓度C为自变量，传感节点输出电压值U为因变量，e，f，g为拟合函数的参数；
S8：将传感器实际输出值U0作为U值代入拟合好的二次函数曲线U＝eC2+fC+g，得到的C值即为当前环境温度T0下的二氧化碳浓度估计值。
2.根据权利要求1所述的一种基于九点拟合的红外二氧化碳传感器的浓度检测方法，其特征在于：所述步骤S1中，三个温度节点处的温度值的计算公式分别为：T1＝Tmin，T2＝0.5(Tmax+Tmin)，T3＝Tmax。
3.根据权利要求1所述的一种基于九点拟合的红外二氧化碳传感器的浓度检测方法，其特征在于：所述步骤S2中，三个节点的二氧化碳浓度值的计算公式分别为：C1＝Cmin，C2＝0.5(Cmax+Cmin)，C3＝Cmax。
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