CN113624929A - 一种气体传感器全量程自动标定方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种气体传感器全量程自动标定方法，包括步骤：分析模块实时检测气体产生模块所产生的待测气体浓度；待测气体传感器接收分析模块输出的待测气体，并检测待测气体的浓度，所述待测气体传感器处于待测状态；实时获取并存储所述分析模块和所述待测气体传感器所检测的气体浓度，根据分析模块检测的气体浓度对待测气体传感器检测的气体浓度做线性拟合，从而确定待测气体传感器的全量程范围，以及线性区间的起始点。本发明可以一次性就完成对待测气体传感器的全量程测试，并且在线式自动反馈标定，控制气体产生模块输出准连续的待测气体，能够更精确地确定量程的线性区间范围。

Description

一种气体传感器全量程自动标定方法

技术领域

本发明涉及传感器测量技术领域，特别涉及一种气体传感器全量程自动标定方法。

背景技术

气体传感器在研发阶段需要对特征曲线进行标定，如何快速准确地找出气体传感器的特征曲线，对于研究气体传感器的性质尤为重要。在限定温湿度的情况下，表征气体传感器特性的参数有：线性度、灵敏度、分辨率等。

现有技术对于气体传感器标定特征曲线的方法一般采用某一标准浓度的气体形成测试环境，用于测试传感器的性能。使用某一标准浓度的气体原因在于能提供测量值的追溯标准，但缺点只能选择两个或多个离散的标准浓度进行测试，无法实现全量程特征曲线的测量。

由于采用离散的标准浓度气体进行测试，无法准确确定线性区间的起止点，实践中，通常会根据测试数据拟合出线性区间的起止点，或者删除输出值高于某值的数据，将剩下的数据所对应的曲线（或直线）作为线性区间。但是上述方法仅仅是粗略地确定线性区间，灵敏度和分辨率不够，不利于气体传感器的研发，同时也会影响到气体传感器的使用性能。

比如现有技术侧重对改进型气体传感器的标定方法的优化提升（参考文献CN108918751B），或者通过预设采样点的方式，提高特征曲线的选取精确度（参考文献CN109115257A），或者是采用自动测试的方法优化单个或多个测量点的标定准确度（参考文献CN111624302A），或者是前期预设特征曲线模型，后期通过实测值来优化模型参数的方式，减少标定工作（参考文献CN110763808A）。

但是现有技术都没有解决在研发阶段，如何完成气体传感器全量程特征曲线的测量以及线性度的测量，这对于选取气体传感器的线性测量区间至关重要；也没有较为精细地测量气体传感器全量程特征曲线，这导致无法根据气体传感器的个体差异表征对应的灵敏度、分辨率。

发明内容

本发明的目的在于对气体传感器进行全量程特征曲线测量以及线性度的测量，从而能选取气体传感器的线性测量区域，以及能根据气体传感器的个体差异表征对应的灵敏度、分辨率，提供一种气体传感器全量程自动标定方法。

为了实现上述发明目的，本发明实施例提供了以下技术方案：

一种气体传感器全量程自动标定方法，包括以下步骤：

步骤S1：分析模块实时检测气体产生模块所产生的待测气体浓度；

步骤S2：待测气体传感器接收分析模块输出的待测气体，并检测待测气体的浓度，所述待测气体传感器处于待测状态；

步骤S3：实时获取并存储所述分析模块和所述待测气体传感器所检测的气体浓度，根据分析模块检测的气体浓度对待测气体传感器检测的气体浓度做线性拟合，从而确定待测气体传感器的全量程范围，以及线性区间的起始点。

在上述方案中，能一次性完成对待测气体传感器的全量程测试，并且在线式自动反馈标定，控制气体产生模块输出准连续的待测气体，能够更精确地确定量程的线性区间范围。

所述分析模块实时检测气体产生模块所产生的待测气体浓度的步骤之前，还包括步骤：

气体产生模块产生设定浓度值的待测气体，输送至分析模块；

所述气体产生模块根据外部触发信号，产生不同设定浓度值的待测气体，，且产生的待测气体浓度值准连续，待测气体浓度值的最小间隔小于所述分析模块的分辨率。

在上述方案中，所述气体产生模块可以产生不同设定浓度值的待测气体，且产生的待测气体是准连续的，即气体产生模块产生的待测气体浓度值的最小间隔小于所述分析模块的分辨率，以便于在后续确定待测气体传感器的全量程范围和线性区间起始点。

所述气体产生模块包括第一气体气瓶、第二气体气瓶，其中第一气体气瓶用于存储待测气体，第二气体气瓶用于存储纯度为99.999%的氮气；

通过气体配气仪对第一气体气瓶中的待测气体和第二气体气瓶中的氮气进行混合形成混合气体后，对混合气体的质量进行测量和控制，从而配置出不同设定浓度值的待测气体。

所述第一气体气瓶中存储的待测气体为50000ppm浓度的CH4。

在上述方案中，通过对待测气体和氮气的气流质量进行测量和控制，从而控制混合气体的浓度，使得气体配气仪能配置出不同设定浓度值的待测气体。

所述根据分析模块检测的气体浓度对待测气体传感器检测的气体浓度做线性拟合，从而确定待测气体传感器的全量程范围，以及线性区间的起始点的步骤，具体包括：

步骤S31：分析模块检测的气体浓度序列为m1，作为标准值，并使标准值呈线性；

步骤S32：待测气体传感器检测的气体浓度序列为m2，作为测量值，对比分析序列m1和序列m2的差值情况，使用序列m1对序列m2进行线性拟合；

步骤S33：根据差值情况和线性拟合，在差值异常点和斜率突变点，触发气体产生模块输出浓度值准连续，从而在差值异常点缩小差值比例，从而确定待测气体传感器的全量程范围，以及精确斜率突变点，从而确定待测气体传感器的线性区间的起始点。

所述差值异常点是指测量值与标准值之间的差值比例大于标定精度要求的比例。

在步骤S33中，精确斜率突变点，从而确定待测气体传感器的线性区间的起始点的步骤，包括：

步骤S331：当待测气体传感器检测到待测气体的浓度值未达到待测气体传感器的测量量程下限时，待测气体传感器无响应或测量值为0；直到待测气体浓度值达到待测气体传感器的测量量程下限时，待测气体传感器开始响应，使得测量值出现第一个斜率突变点；

步骤S332：随着待测气体浓度值的递增，待测气体传感器的测量值也递增，直到待测气体浓度值达到待测气体传感器的测量量程上限时，待测气体传感器无响应或测量值饱和，使得测量值出现第二个斜率突变点；

步骤S333：第一个斜率突变点和第二个斜率突变点之间的测量值为待测气体传感器的线性区间。

在上述方案中，由于气体产生模块所产生的待测气体的浓度值是从0开始线性递增的，那么分析模块所检测到的气体浓度值也是从0开始线性递增的；但当气体浓度未达到待测气体传感器的测量量程下限时，待测气体传感器无响应，测量值不会随着待测气体浓度值的递增而递增；同样当气体浓度达到待测气体传感器的测量量程上限时，待测气体传感器饱和，测量值也不会随着待测气体浓度值的递增而递增；在待测气体传感器的测量下限和上限之间，正常工作，测量值随着气体浓度值的递增而递增，但是不一定呈线性关系，因此根据通过气体产生模块输出浓度值准连续，修正差值异常点，精确斜率突变点的测量值下限和上限。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

本发明可以一次性就完成对待测气体传感器的全量程测试，并且在线式自动反馈标定，控制气体产生模块输出准连续的待测气体，能够更精确地确定量程的线性区间范围。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍， 应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本发明自动标定过程示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中附图，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。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。同时，在本发明的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性，或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。

实施例：

本发明通过下述技术方案实现，如图1所示，一种气体传感器全量程自动标定方法，包括以下步骤：

步骤S1：分析模块实时检测气体产生模块所产生的待测气体浓度。

气体产生模块产生设定浓度值的待测气体，输送至分析模块。所述气体产生模块根据外部触发信号，产生的待测气体为浓度值准连续的，即气体产生模块产生的待测气体浓度值的最小间隔小于所述分析模块的分辨率，以便于在后续确定待测气体传感器的全量程范围和线性区间起始点。

气体产生模块实现输出浓度值准连续的待测气体的方法为，气体产生模块包括第一气体气瓶、第二气体气瓶，其中第一气体气瓶用于存储待测气体（比如50000 ppm的CH4），第二气体气瓶用于存储纯度高达99.999%的氮气，通过气体配气仪对第一气体气瓶中的待测气体和第二气体气瓶中的氮气进行混合形成混合气体后，对混合气体的质量进行测量和控制，从而配置出不同设定浓度值的待测气体。所述气体配气仪可以采用的型号有：研创众诚YC-ZC200配气仪。

所述分析模块可以为激光干涉气体分析仪，采用TDLAS技术，通过快速调制激光频率使其扫过被测气体吸收谱线的定频率范围，根据被气体吸收后透射谱线中的谐波分量来分析气体浓度，可采用的商品型号有速跃自动SY-TDLS激光气体分析仪。

步骤S2：待测气体传感器接收分析模块输出的待测气体，并检测待测气体的浓度，所述待测气体传感器处于待测状态。

气体传感器刚制造出厂时，需要对其测量量程进行标定，或者使用一段时间后会有一定的漂移，需要对其进行校验标定，目的都是为了使气体传感器的测量精度提高。所述待测气体传感器即为需要进行标定的气体传感器，比如日本费加罗FIGARO品牌的可燃气体传感器TGS2611，再比如日本NEMOTO品牌的可燃气体传感器NAP-57A。气体传感器的构造、结构属于现有技术，采用任意现有气体传感器的型号即可，目的在于对这些现有的气体传感器进行量程标定，气体传感器即为用于测量气体浓度的传感器，其测量原理属于现有技术，故不再赘述，是本领域技术人员皆知的内容。在本方案中，待测气体传感器与现有的气体传感器构造、结构、原理相同，只不过由于本方案需要对气体传感器进行量程标定，所以将其定义为“待测气体传感器”。

分析模块检测的气体浓度值为标准值，是准确的，但待测气体传感器检测的气体浓度值为测量值，不一定是准确的。

步骤S3：数据处理模块实时获取并存储所述分析模块和所述待测气体传感器所检测的气体浓度，根据分析模块检测的气体浓度对待测气体传感器检测的气体浓度做线性拟合，从而确定待测气体传感器的全量程范围，以及线性区间的起始点。

所述数据处理模块可以使用单片机等处理器，硬件结构属于现有技术，不为本申请所要保护的内容，但数据处理模块的功能实现属于本申请的创新点。分析模块检测的气体浓度序列为m1，作为标准值，并保证标准值呈线性。待测气体传感器检测的气体浓度序列为m2，作为测量值，对比分析序列m1和序列m2的差值情况，使用序列m1对序列m2进行线性拟合。

根据差值情况和线性拟合，在差值异常点和斜率突变点，触发气体产生模块输出浓度值准连续，从而在差值异常点缩小差值比例，从而确定待测气体传感器的全量程范围，以及精确斜率突变点，从而确定待测气体传感器的线性区间的起始点。

差值异常点是指测量值与标准值之间的差值比例大于标定精度要求的比例，标定精度要求可以根据实际情况而定，比如标定精度要求比例为小于等于±1%，在标定过程中，如果出现测量值与标准值的差值比例大于±1%，则视为差值异常点；那么就需要缩小差值异常点的差值比例，比如在标定时将测量值与标准值的差值比例缩小到±1%以内。

气体产生模块输出浓度值准连续是指气体产生模块产生的待测气体的浓度值间隔很小，比如气体产生模块先后分别产生浓度值为N2和N1的待测气体，则浓度值间隔为N2-N1（假设浓度值N2>N1）；且气体产生模块产生的待测气体浓度值是准连续的，即气体产生模块产生的待测气体浓度值的最小间隔小于所述分析模块的分辨率。

由于气体产生模块所产生的待测气体的浓度值是从0开始线性递增的，那么分析模块所检测到的气体浓度值也是从0开始线性递增的；但当气体浓度未达到待测气体传感器的测量量程下限时，待测气体传感器无响应，测量值不会随着待测气体浓度值的递增而递增；同样当气体浓度达到待测气体传感器的测量量程上限时，待测气体传感器饱和，测量值也不会随着待测气体浓度值的递增而递增；在待测气体传感器的测量下限和上限之间，正常工作，测量值随着气体浓度值的递增而递增，但是不一定呈线性关系，因此根据通过气体产生模块输出浓度值准连续，修正差值异常点，精确斜率突变点的测量值下限和上限。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，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，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。

Claims (7)

1.一种气体传感器全量程自动标定方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤S1：分析模块实时检测气体产生模块所产生的待测气体浓度；

步骤S2：待测气体传感器接收分析模块输出的待测气体，并检测待测气体的浓度，所述待测气体传感器处于待测状态；

步骤S3：实时获取并存储所述分析模块和所述待测气体传感器所检测的气体浓度，根据分析模块检测的气体浓度对待测气体传感器检测的气体浓度做线性拟合，从而确定待测气体传感器的全量程范围，以及线性区间的起始点。

2.根据权利要求1所述的一种气体传感器全量程自动标定方法，其特征在于：所述分析模块实时检测气体产生模块所产生的待测气体浓度的步骤之前，还包括步骤：

气体产生模块产生设定浓度值的待测气体，输送至分析模块；

所述气体产生模块根据外部触发信号，产生不同设定浓度值的待测气体，且产生的待测气体浓度值准连续，待测气体浓度值的最小间隔小于所述分析模块的分辨率。

3.根据权利要求2所述的一种气体传感器全量程自动标定方法，其特征在于：所述气体产生模块包括第一气体气瓶、第二气体气瓶，其中第一气体气瓶用于存储待测气体，第二气体气瓶用于存储纯度为99.999%的氮气；

通过气体配气仪对第一气体气瓶中的待测气体和第二气体气瓶中的氮气进行混合形成混合气体后，对混合气体的质量进行测量和控制，从而配置出不同设定浓度值的待测气体。

4.根据权利要求3所述的一种气体传感器全量程自动标定方法，其特征在于：所述第一气体气瓶中存储的待测气体为50000ppm浓度的CH4。

5.根据权利要求1所述的一种气体传感器全量程自动标定方法，其特征在于：所述根据分析模块检测的气体浓度对待测气体传感器检测的气体浓度做线性拟合，从而确定待测气体传感器的全量程范围，以及线性区间的起始点的步骤，具体包括：

步骤S31：分析模块检测的气体浓度序列为m1，作为标准值，并使标准值呈线性；

步骤S32：待测气体传感器检测的气体浓度序列为m2，作为测量值，对比分析序列m1和序列m2的差值情况，使用序列m1对序列m2进行线性拟合，在差值异常点缩小差值比例；

步骤S33：根据差值情况和线性拟合，在差值异常点和斜率突变点，触发气体产生模块输出浓度值准连续，从而在差值异常点缩小差值比例，从而确定待测气体传感器的全量程范围，以及精确斜率突变点，从而确定待测气体传感器的线性区间的起始点。

6.根据权利要求5所述的一种气体传感器全量程自动标定方法，其特征在于：所述差值异常点是指测量值与标准值之间的差值比例大于标定精度要求的比例。

7.根据权利要求5所述的一种气体传感器全量程自动标定方法，其特征在于：在步骤S33中，精确斜率突变点，从而确定待测气体传感器的线性区间的起始点的步骤，包括：

步骤S331：当待测气体传感器检测到待测气体的浓度值未达到待测气体传感器的测量量程下限时，待测气体传感器无响应或测量值为0；直到待测气体浓度值达到待测气体传感器的测量量程下限时，待测气体传感器开始响应，使得测量值出现第一个斜率突变点；

步骤S332：随着待测气体浓度值的递增，待测气体传感器的测量值也递增，直到待测气体浓度值达到待测气体传感器的测量量程上限时，待测气体传感器无响应或测量值饱和，使得测量值出现第二个斜率突变点；

步骤S333：第一个斜率突变点和第二个斜率突变点之间的测量值为待测气体传感器的线性区间。

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