CN114112966A - 气体传感器测试装置、方法、机器可读存储介质及处理器 - Google Patents
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Abstract
本发明实施例提供一种气体传感器测试装置、方法、机器可读存储介质及处理器。该方法包括：对测试腔体及内部结构进行三维建模，生成测试腔体模型；对测试腔体模型进行通气模拟实验，分别记录气体监测通路的气体浓度平均值的变化过程M1(t)、排气管路处气体浓度值的变化过程M2(t)、待测气体传感器表面点的气体浓度值变化过程M3(t)；向测试腔体通入与通气模拟实验相同组分与流量的待测气体，记录光学气体监测仪的数据C1(t)，记录气体分析仪的数据C2(t)；根据M1(t)、M2(t)、M3(t)、C1(t)、C2(t)和待测气体传感器输出值确定待测气体传感器的响应性能。通过通气模拟实验与实测实验的反馈修正，获得气体传感器所接触的局部空间内的气体浓度变化过程，使气体传感器性能评价结果更准确。
Description
技术领域
本发明涉及气体检测技术领域，具体地涉及一种气体传感器测试装置、方法、机器可读存储介质及处理器。
背景技术
近年来，危害气体泄漏导致的各类安全事故频发，对国家和人民生命财产安全构成严重威胁，在真实的危害气体泄漏事故情景中，泄漏气体的浓度和总量从零开始随时间推移而增大，直至引发安全事故，如果能在气体泄漏初期发现并采取措施，就可以及时制止事故发生，显著降低事故危害。
随着材料合成技术与半导体制造工艺的飞速发展，各种具有更优性能的新型气体传感器相继问世，灵敏度高至10-9级、响应速度快至毫秒级的新型气体传感器为突破传统气体检测技术瓶颈、提前预警泄漏事故提供了更多的可能性。随着传感器性能的不断提升，对与之配套的分析测试方法和装置也提出了更高的要求。
现阶段的气体传感器性能测试与评价装置，可以满足主流气体传感器的测试需求，但在面对高灵敏度气体传感器时，其气体配制误差远大于传感器的分辨率，且难以精确模拟真实泄漏场景中危害气体浓度由低至高的动态实验，无法准确得到气体浓度上升过程中传感器的动态响应过程。
发明内容
本发明实施例的目的是提供气体传感器测试装置、方法、机器可读存储介质及处理器，以准确模拟实际泄漏工况，构建高时空分辨率的低浓度扩散式气体测试环境，实现对高灵敏度的新型气体传感器的动态响应性能评价。
为了实现上述目的，本发明实施例提供一种气体传感器测试装置，包括：测试腔体、扰流装置、气体浓度检测设备、上位机，其中，所述测试腔体包括进气管路和排气管路；所述扰流装置设置于所述测试腔体内，用于对从所述进气管路输入所述测试腔体的待测气体进行扰流，经扰流后的待测气体均匀流向所述测试腔体的内部；所述气体浓度检测设备用于检测所述测试腔体内经扰流后的待测气体的第一实测浓度、检测所述排气管路排出的所述待测气体的第二实测浓度；所述上位机用于根据待测气体传感器的输出值、所述第一实测浓度、所述第二实测浓度确定所述待测气体传感器的响应性能。
可选的，所述气体浓度检测设备，包括：光学气体监测装置，用于监测所述测试腔体内经扰流后的待测气体的第一实测浓度；气体分析仪，用于分析所述排气管路排出的所述待测气体的第二实测浓度。
可选的，所述测试腔体还包括：腔体上盖与腔体底盖；以及两个光学透镜，所述两个光学透镜对称嵌于所述测试腔体上盖对侧，所述两个光学透镜之间形成气体监测通路，所述光学气体监测装置与所述两个光学透镜同轴心摆放，用于监测所述气体监测通路中待测气体的第一实测浓度。
可选的，其特征在于，所述气体传感器测试装置，还包括：传感器信号采集装置，设置于所述测试腔体内，用于采集设置于所述测试腔体内部的所述待测气体传感器的输出值。
可选的，所述气体传感器测试装置，还包括：标准气源和配气装置；所述标准气源与所述配气装置连接，所述配气装置从所述标准气源获取气体，用于配制待测气体，并通入所述测试腔体的进气管路。
可选的，所述扰流装置，包括：扰流部件和扰流网格；所述扰流部件设有三组空隙，其中第一组、第二组空隙为水平和垂直方向的条形空隙，第三组空隙为所述扰流部件两侧对称的多枚气孔，所述扰流部件对所述待测气体进行第一步扰流；所述扰流网格设有网格状的空隙，对所述待测气体进行第二步扰流，所述扰流网格与所述扰流部件之间形成气体扩散缓冲区，使所述待测气体扩散更加均匀。
可选的，所述光学气体监测装置，包括：全反射镜与光学气体监测仪，或者对射式光学气体监测仪的发射端与接收端。
可选的，所述光学气体监测仪包括：红外开路式光学监测仪、紫外开路式光学监测仪、激光开路式光学监测仪。
可选的，所述气体分析仪包括：气相色谱仪、气质联用仪。
可选的，所述配气装置包括动态配气仪。
另一方面，本发明提供一种气体传感器测试方法，应用于以上任意一种所述气体传感器测试装置，包括：对所述测试腔体及内部结构进行三维建模，生成测试腔体模型；对所述测试腔体模型进行通气模拟实验，分别确定所述测试腔体模型中气体监测通路的气体浓度平均值的变化过程，作为第一模拟浓度M1(t)、所述测试腔体模型中排气管路处气体浓度值的变化过程，作为第二模拟浓度M2(t)、所述测试腔体模型中待测气体传感器表面点的气体浓度值变化过程，作为第三模拟浓度M3(t)；向所述测试腔体通入与所述通气模拟实验相同组分与流量的待测气体，记录光学气体监测装置的监测数据作为第一实测浓度C1(t)，记录气体分析仪的分析数据作为第二实测浓度C2(t)；根据所述第一模拟浓度M1(t)、第二模拟浓度M2(t)、第三模拟浓度M3(t)、第一实测浓度C1(t)、第二实测浓度C2(t)和待测气体传感器输出值确定待测气体传感器的响应性能。
可选的，所述C1(t)与M1(t)、C2(t)与M2(t)用于对M3(t)进行偏差修正。
可选的，所述根据所述第一模拟浓度M1(t)、第二模拟浓度M2(t)、第三模拟浓度M3(t)、第一实测浓度C1(t)、第二实测浓度C2(t)和待测气体传感器输出值确定待测气体传感器的响应性能，包括：将C1(t)与M1(t)以时间为横坐标，以气体浓度值为纵坐标作图，将C2(t)与M2(t)以时间为横坐标，以气体浓度值为纵坐标作图；分别取C1(t)与M1(t)曲线的起始响应时刻记作Ts1与Ts2，令ΔTs1＝Ts1-Ts2作为气体监测通路内气体的模拟浓度上升过程与实测浓度上升过程之间的时间延迟，将M1(t)曲线的时刻值与ΔTs1相加得到M′1(t)曲线，使C1(t)与M′1(t)两条曲线的气体浓度值在相同时刻开始上升，以及分别取C2(t)与M2(t)曲线的起始响应时刻记作Ts3与Ts4，令ΔTs2＝Ts3-Ts4作为排气管路处气体的模拟浓度上升过程与实测浓度上升过程之间的时间延迟，将M2(t)曲线的时刻值与ΔTs2相加得到M′2(t)曲线，使C2(t)与M′2(t)两条曲线的气体浓度值在相同时刻开始上升；记浓度修正曲线
将M3(t)曲线的时刻值与ΔTs1相加得到M′3(t)，记
以X(t)作为引发待测气体传感器响应的待测气体浓度值，记待测气体传感器输出值为Y(t)，建立因变量Y(t)与自变量X(t)的函数关系，作为待测气体传感器的响应函数。
可选的，所述确定所述测试腔体模型中气体监测通路的气体浓度平均值的变化过程，作为第一模拟浓度M1(t)，包括：在所述测试腔体模型中气体监测通路内选取多个点作为取样点，取所述取样点的气体浓度值的变化过程，用于计算所述测试腔体模型中气体监测通路的气体浓度平均值的变化过程，作为第一模拟浓度M1(t)。
另一方面，本发明提供一种机器可读存储介质，该机器可读存储介质上存储有指令，该指令用于使得机器执行本申请上述任一种气体传感器测试方法。
另一方面，本发明提供一种处理器，用于运行程序，其中，所述程序被运行时用于执行本申请上述任一种气体传感器测试方法。
上述技术方案提供的气体传感器测试装置，通过测试腔体结构与扰流装置结构，使待测气体混合均匀，浓度均匀上升，排除气体流速、方向对待测气体传感器的影响，可以模拟实际泄漏时待测气体浓度由低至高的过程，另外，上述技术方案提供的气体传感器测试方法通过通气模拟实验与实测实验的反馈修正，获得了真正引发气体传感器响应的气体传感器所接触的局部空间内的气体浓度变化，有利于更准确地测试与评价高灵敏度气体传感器的性能。
本发明实施例的其它特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。
附图说明
附图是用来提供对本发明实施例的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明实施例，但并不构成对本发明实施例的限制。在附图中：
图1为本发明实施例二提供的一种气体传感器测试装置的结构示意图；
图2为本发明实施例三提供的气体传感器测试装置中的测试腔体的结构示意图；
图3为本发明实施例三提供的气体传感器测试装置中的测试腔体结构的右视图；
图4为本发明实施例三提供的气体传感器测试装置中的测试腔体结构的俯视图；
图5是本发明实施例四提供的一种气体传感器测试方法的流程示意图。
附图标记说明
1-标准气源；2-配气装置；3-全反射镜；4-测试腔体；5-光学气体监测仪；6-在线气体分析仪；7-上位机；8-测试腔体上盖；9-进气管路；10-排气管路；11-光学透镜；12-传感器数据采集装置；13-扰流部件；14-扰流网格；15-测试腔体底座。
具体实施方式
以下结合附图对本发明实施例的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明实施例，并不用于限制本发明实施例。
危害气体泄漏有可能导致各类安全事故发生，对国家和人民生命财产安全构成严重威胁。在真实的危害气体泄漏事故情景中，泄漏的危害气体的浓度和总量从零开始随时间推移而增大，直至引发安全事故；如果能在泄漏初期发现并采取措施，就可以及时制止事故发生，显著降低事故危害。然而，大部分企业对于低浓度的危害气体没有引起足够的重视，仅仅在浓度或总量积累到一定程度后才开始应对与处理。导致这种现状的主要原因有两个，一是低浓度危害气体不足以引发安全问题，容易受到忽视；二是受制于传统气体传感器与检测仪的检测性能，无法准确检测低浓度危害气体。微小泄漏如果没有被及时发现和处理，受到致灾刺激后瞬间加剧，浓度急速增加，很可能引发安全事故。因此，对于低浓度危害气体和浓度变化速率的实时监测不应被忽视，同样具有重要的安全意义。
随着材料合成技术与半导体制造工艺的飞速发展，各种具有更优性能的新型气体传感器相继问世，灵敏度高至10-9级、响应速度快至毫秒级的新型气体传感器为突破传统气体检测技术瓶颈提供了更多的可能性。随着气体传感器性能的不断提升，对与之配套的分析测试方法和装置也提出了更高的要求。如何准确模拟实际泄漏工况，构建高时空分辨率的测试气氛环境，对高灵敏度的新型气体传感器与检测设备的性能评价具有重要意义。
现阶段的扩散式气体传感器/检测仪的测试装置与测试方法层出不穷，但是在使用这类测试装置来测试高灵敏度的新型气体传感器的性能时，会导致三方面的问题：
第一，现阶段扩散式气体传感器测试装置与方法大多需要四个步骤：首先由待测气体浓度、气源浓度、腔体体积等条件计算通气量；再将测试腔体抽真空；通入计算得到的一定量的高浓度待测气体；再通入一定量的背景气体稀释并平衡腔体气压。在配气与混合气体过程中，没有实际浓度的反馈修正步骤，计算误差、通气误差、抽真空效果等因素会导致待测气体浓度误差，且该误差无法估计。当待测气体浓度较高时，一般可以忽略此误差；但是当待测气体浓度较低时，误差部分的绝对量相对于通入气体的总绝对量占比增大，如果忽略，则会显著影响气体传感器的性能表征准确性。
第二，如使用上述四个步骤的扩散式气体传感器测试装置与方法，只能开展气体传感器响应的静态测试实验，当测试腔体内部待测气体扩散均匀后，建立气体传感器响应值与待测气体浓度的稳态关系。因为腔体内气体扩散均匀所需要的时间远远大于新型高灵敏度气体传感器的响应时间，所以采用以上测试装置与方式无法测试新型气体传感器的响应速度。
第三，以往的扩散式气体传感器稳态实验中，通过加入气体混合装置、延长混合时间等方式，可以使腔体内部待测气体尽可能地混合均匀。微小的浓度分布的空间差异，相对于较高的待测气体浓度值是可以忽略的，此时使用测试腔体中待测气体的平均浓度，即可作为引起传感器响应的气体浓度。但是在进行低浓度气体传感器测试时，待测气体浓度很低，浓度分布的空间差异相对于气体传感器极高的灵敏度而言已不能忽略。在这种情况下，真正导致气体传感器输出值变化的是传感器表面接触到的局部空间的待测气体，以及该局部空间内的温湿度、气体流速、气体流向等因素。在实验过程中，我们需要控制住与待测气体浓度无关的其他变量，同时掌握气体传感器表面局部空间内的待测气体浓度变化，才能准确表征气体传感器性能。
为解决上述问题，本发明实施例提供一种气体传感器测试装置、方法、机器可读存储介质及处理器，通过此技术方案，本发明设计了具备实时气体浓度反馈的气体传感器测试装置，通过设计腔体结构与气体扰流结构，使待测气体混合均匀，浓度均匀上升，并排除气流速度、方向对气体传感器的影响；通过软件模拟测试腔体内部待测气体浓度由低至高的变化过程，并使用两种高精度在线分析设备的实测值对软件模拟结果进行偏差修正，使用同等的偏差修正对软件模拟结果中气体传感器表面的局部空间气体变化情况进行修正，使用修正后的气体浓度变化值作为最终的气体传感器响应关系自变量，最终得到高时空分辨率的气体传感器性能评价结果，可完整描述测试腔体内部气体动态变化过程，显著提高气体传感器在低浓度动态测试实验中的准确性。
实施例一
实施例一提供一种气体传感器测试装置，包括：测试腔体、扰流装置、气体浓度检测设备、上位机。
其中，所述测试腔体包括进气管路和排气管路，所述扰流装置设置于所述测试腔体内，用于对从所述进气管路输入所述测试腔体的待测气体进行扰流，经扰流后的待测气体均匀流向所述测试腔体的内部，再从所述排气管路排出。
所述气体浓度检测设备用于检测所述测试腔体内经扰流后的待测气体的第一实测浓度，以及检测所述排气管路排出的所述待测气体的第二实测浓度，所述第一实测浓度和所述第二实测浓度用于对待测气体传感器处的气体浓度值进行偏差修正。
所述上位机用于根据待测气体传感器的输出值、所述第一实测浓度、所述第二实测浓度确定所述待测气体传感器的响应性能，具体见本发明实施例四提供的一种气体传感器测试方法。
实施例一提供的气体传感器测试装置通过布置扰流装置，使待测气体混合均匀，排除气体流速、方向对气体浓度检测设备以及待测气体传感器检测到的气体浓度值的影响，并且使用两种气体浓度检测设备所采集到的气体浓度实测值辅助得到更准确的待测气体传感器处的气体浓度值，提高气体传感器性能测试的准确性。
实施例二
图1为本发明实施例二提供的气体传感器测试装置的结构示意图。如图1所示，所述气体传感器测试装置包括：
测试腔体4、光学气体监测装置3和5、气体分析仪6、传感器信号采集装置、上位机7、扰流装置。
所述气体传感器测试装置，还包括标准气源1和配气装置2，标准气源1由高浓度待测气体和底气组成，所述标准气源1与所述配气装置2连接，所述配气装置2从所述标准气源1获取气体，用于配制并输出待测气体，并通入如图2所示的所述测试腔体的进气管路9，优选的，所述配气装置2可以是动态配气仪。
优选的，所述扰流装置，如图2、3、4所示，包括扰流部件13和扰流网格14，所述扰流装置13和14被置于所述测试腔体内，用于对从所述进气管路9输入所述测试腔体的待测气体进行扰流，经扰流后的待测气体均匀流向所述测试腔体的内部。所述扰流部件13设有三组空隙，其中第一组、第二组空隙为水平和垂直方向的条形空隙，第三组空隙为所述扰流部件两侧对称的多枚气孔，所述扰流部件对所述待测气体进行第一步扰流，使配置好的待测气体均匀从气孔散出，避免直吹待测气体传感器，排除气流方向、流速对气体传感器响应的干扰；所述扰流网格14设有网格状的空隙，对所述待测气体进行第二步扰流，所述扰流网格与所述扰流部件之间形成气体扩散缓冲区，使待测气体扩散更加均匀。所述待测气体从所述进气管路9进入所述测试腔体，经过所述扰流部件13从所述扰流部件两侧的气孔散出，再经过所述扰流网格14的空隙向所述测试腔体内部排出。
本发明提供的气体传感器测试装置使用两种高精度气体浓度检测设备对待测气体进行浓度监测，以显著提高气体传感器在低浓度动态测试实验中的准确性，所述两种高精度气体浓度检测设备包括光学气体监测装置以及气体分析仪。
如图1所示，优选的，所述光学气体监测装置，可以是全反射镜3与光学气体监测仪5，除此之外，还可以是对射式光学气体监测仪的发射端与接收端，优选的，所述光学气体监测仪可根据待测气体的种类选择不同的仪器，包括：红外开路式光学监测仪、紫外开路式光学监测仪、激光开路式光学监测仪。
如图2所示，所述测试腔体还包括：腔体上盖8与腔体底盖15，以及两个光学透镜11，两个光学透镜11对称嵌于所述腔体上盖8对侧，如图1所示，所述光学气体监测装置3和5与所述两个光学透镜同轴心摆放，光学透镜为光学气体监测装置3和5提供光学通路，因而在测试腔体内的两个光学透镜之间形成气体监测通路，所述气体监测通路一般根据光学透镜的形状可以是圆柱形空间，所述光学透镜根据使用的光学气体监测装置原理选择合适的透光材料；所述光学气体监测装置用于监测所述气体监测通路中待测气体的第一实测浓度，并将监测数据实时传输给上位机7。
所述气体分析仪6用于分析所述测试腔体4的排气管路处的待测气体的第二实测浓度，并将分析数据实时传输给上位机7，优选的，所述气体分析仪可根据测试条件选择不同的仪器，包括：气相色谱仪、气质联用仪。
如图2所示，所述传感器信号采集装置12设置于所述测试腔体内，用于采集设置于所述测试腔体内部的待测气体传感器的输出值并传输给上位机，为使数据传输方便，该传感器信号采集装置具有无线传输功能，自带电池供电，通过蓝牙或其他无线传输方式将监测的数据传输给上位机。
所述上位机7用于接收来自所述光学气体监测仪5、所述气体分析仪6和传感器信号采集装置12的数据，根据所述待测气体传感器的输出值、所述第一实测浓度、所述第二实测浓度确定所述待测气体传感器的响应性能，具体见本发明实施例四提供的一种气体传感器测试方法。
实施例二提供的气体传感器测试装置通过设计测试腔体结构与扰流装置结构，使待测气体混合均匀，浓度均匀上升，并排除气体流速、方向对待测气体传感器的影响，并且使用两种高精度气体浓度在线检测设备对待测气体进行浓度检测，以显著提高气体传感器在低浓度动态测试实验中的准确性。
实施例三
图2为本发明实施例三提供的气体传感器测试装置中的测试腔体的结构示意图，图3为本发明实施例三提供的气体传感器测试装置中的测试腔体结构的右视图，图4为本发明实施例三提供的气体传感器测试装置中的测试腔体结构的俯视图。如图2-4所示，所述测试腔体包括：腔体上盖8、进气管路9、排气管路10与腔体底盖15。
另外，如实施例二所述，传感器信号采集装置12、扰流部件13和扰流网格14被置于所述测试腔体内，所述两个光学透镜11对称嵌于所述测试腔体的腔体上盖8对侧。
在所述测试腔体内的两个光学透镜之间形成气体监测通路，气体监测通路设置在待测气体传感器正上方并且接近并垂直于所述待测气体传感器表面且不能被待测气体传感器遮挡，使用此种结构，可以实现气体监测通路处的气体浓度环境与待测气体传感器表面的气体浓度环境相似。
实施例三提供的测试腔体结构通过设置气体监测通路与待测气体传感器的位置关系，使得光学气体监测装置可以实时监测真正引起气体传感器响应的局部空间内的气体浓度，更有利于传感器性能测试的准确性。
实施例四
图5是本发明实施例四提供的一种气体传感器测试方法的流程示意图。所述方法应用于上述任意一实施例所述气体传感器测试装置，包括三个阶段，分别为准备阶段、测试阶段以及修正阶段。准备阶段是测试阶段前由上位机进行的通气模拟实验，通过软件执行，包括S501-S502；测试阶段是使用上述实施例一或实施例二或实施例三提供的气体传感器测试装置进行通气实测实验，包括S503；修正阶段是上位机根据通气模拟实验的数据以及通气实测实验的数据来对通气模拟实验中气体传感器感应到的气体浓度进行偏差修正以确定待测气体传感器的响应性能的过程，包括S504。
如图5所示，所述气体传感器测试方法包括S501-S504：
S501，对所述测试腔体及内部结构进行三维建模，生成测试腔体模型。
例如，可使用Solidworks软件(一种三维CAD系统)建立测试腔体及内部结构的三维模型，该测试腔体即本发明上述实施例所提供的所述测试腔体，结构如图2所示。
S502，对所述测试腔体模型进行通气模拟实验，分别确定所述测试腔体模型中气体监测通路的气体浓度平均值的变化过程，作为第一模拟浓度M1(t)、所述测试腔体模型中排气管路处气体浓度值的变化过程，作为第二模拟浓度M2(t)、所述测试腔体模型中待测气体传感器表面点的气体浓度值变化过程，作为第三模拟浓度M3(t)。
可使用Fluent(一种CFD软件包)等CFD(Computational Fluid Dynamics，计算流体动力学)流体力学模拟软件，对测试腔体进行通气模拟实验，记录通气过程中腔体内部待测气体浓度上升的过程数据。由于本气体传感器测试方法测试的是气体传感器的动态响应性能，因此需要获取的数据都是气体浓度的变化过程，所述第一模拟浓度M1(t)、第二模拟浓度M2(t)、第三模拟浓度M3(t)以及后续测试阶段测得的第一实测浓度C1(t)、第二实测浓度C2(t)都是不同时刻气体浓度值组成的气体浓度值序列。
由于气体监测通路的空间较大，因此取气体监测通路内多个点的气体浓度的平均值作为气体监测通路的气体浓度，优选的，所述第一模拟浓度M1(t)，可以采用下述方法确定：在所述测试腔体模型中气体监测通路内选取多个点作为取样点，取所述取样点的气体浓度值的变化过程，用于计算所述测试腔体模型中气体监测通路的气体浓度平均值的变化过程，作为第一模拟浓度M1(t)。
S503，向所述测试腔体通入与所述通气模拟实验相同组分与流量的待测气体，记录光学气体监测仪的监测数据作为第一实测浓度C1(t)，记录气体分析仪的分析数据作为第二实测浓度C2(t)。
S504，根据所述第一模拟浓度M1(t)、第二模拟浓度M2(t)、第三模拟浓度M3(t)、第一实测浓度C1(t)、第二实测浓度C2(t)和待测气体传感器输出值确定待测气体传感器的响应性能。
实施例四提供的气体传感器测试方法首先通过软件模拟测试腔体内气体浓度由低至高的变化过程，再借助两种高精度在线分析设备：光学气体监测装置和气体分析仪这两者在气体传感器所处的附近区域内进行气体浓度监测，获得了真正引发气体传感器响应的气体传感器所接触的局部空间内的气体浓度变化，对通气模拟实验和实测实验的数据进行处理，从而得到具有高时空分辨率的气体传感器动态响应性能评价结果，本方法所记录的各气体浓度值序列可完整描述测试腔体内部气体动态变化过程，提高气体传感器在低浓度动态测试实验中的准确性。
实施例五
在上述实施例四中，所述C1(t)与M1(t)、C2(t)与M2(t)用于对M3(t)进行偏差修正；在这之前，可先对两个实测浓度C1(t)、C2(t)进行异常点去除、平滑去噪处理。具体的，所述根据所述第一模拟浓度M1(t)、第二模拟浓度M2(t)、第三模拟浓度M3(t)、第一实测浓度C1(t)、第二实测浓度C2(t)和待测气体传感器输出值确定待测气体传感器的响应性能，优选包括S601至S605：
S601，将C1(t)与M1(t)以时间为横坐标，以气体浓度值为纵坐标作图，将C2(t)与M2(t)以时间为横坐标，以气体浓度值为纵坐标作图。
S602，分别取C1(t)与M1(t)曲线的起始响应时刻记作Ts1与Ts2，令ΔTs1＝Ts1-Ts2作为气体监测通路内气体的模拟浓度上升过程与实测浓度上升过程之间的时间延迟，将M1(t)曲线的时刻值与ΔTs1相加得到M′1(t)曲线，使C1(t)与M′1(t)两条曲线的气体浓度值在相同时刻开始上升，以及
分别取C2(t)与M2(t)曲线的起始响应时刻记作Ts3与Ts4，令ΔTs2＝Ts3-Ts4作为排气管路处气体的模拟浓度上升过程与实测浓度上升过程之间的时间延迟，将M2(t)曲线的时刻值与ΔTs2相加得到M′2(t)曲线，使C2(t)与M′2(t)两条曲线的气体浓度值在相同时刻开始上升。
S603，记浓度修正曲线
S604，将M3(t)曲线的时刻值与ΔTs1相加得到M′3(t)，记
S605，以X(t)作为引发待测气体传感器响应的待测气体浓度值，记待测气体传感器输出值为Y(t)，建立因变量Y(t)与自变量X(t)的函数关系，作为待测气体传感器的响应函数。
具体实施时，可以不限于所述步骤S601至S605，例如，可以在执行步骤S601之后，对C1(t)与M1(t)曲线、C2(t)与M2(t)曲线进行修正之后，再执行步骤S602，其中，修正方法可以是任意的。
实施例五提供的气体传感器测试方法，在实施例四的基础上，进一步通过光学气体监测装置和气体分析仪这两者的实测值对软件模拟的相同位置处的气体浓度值变化过程进行偏差修正，再使用同等的偏差修正对软件模拟的气体传感器表面的气体浓度值变化过程进行修正，使用修正后的气体浓度值作为最终的气体传感器响应函数的自变量，再以气体传感器输出值为因变量Y(t)，得到待测气体传感器的响应函数；能有效排除气体浓度值误差对实验结果的影响，使气体传感器的响应函数更能准确表征待测气体传感器的响应性能。
实施例六
以高灵敏度甲烷传感器的性能测试实验为例，对气体传感器测试方法进行说明，包括S701-S707：
S701，确定实验方案：待测甲烷气体浓度为1ppm，通气流量为1L/min。使用Solidworks软件建立测试腔体和内部结构的三维模型。
S702，将三维模型导入Fluent软件中进行网格划分，输入实验初始条件，在圆柱形光学监测通路中随机选取5个点作为取样点建立浓度监测点，建立传感器表面和排气管路处的浓度监测点，对测试腔体进行计算步长为1s，共30min的CFD仿真模拟；
记录并储存30min模拟实验过程中，7个浓度监测点的气体浓度随时间的变化曲线，记模拟结果中光学监测通路中的5个监测点气体浓度曲线为Ms1(t)至Ms5(t)，计算5个监测点浓度的均值得到Ms(t)，记传感器表面和排气管路处的浓度曲线为Msen(t)和Ms7(t)。
S703，准备100ppm的甲烷标准气体、压缩空气标准气体，分别接入动态配气仪，动态配气仪的输出端接入测试腔体的进气管路；
将待测气体传感器与传感器信号采集装置连接，将传感器信号采集装置开机，通过蓝牙与上位机连接，将传感器的实时输出值传输给上位机，上位机记录并储存为Ysen(t)；
将传感器信号采集装置放置于测试腔体内部，放置于光学透镜的下方，将扰流部件和扰流网格放置于测试腔体内部，具体位置如图3、图4所示；
使用TDLAS(Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy，可调谐半导体激光吸收光谱)原理的激光对射式甲烷检测仪，放置于测试腔体的两侧，使监测光路通过光学透镜，将对射式甲烷检测仪开机，连接上位机，记录第一甲烷浓度监测值Cmon1(t)；
使用在线气体浓度分析仪，连接排气管路，设备开机后记录第二甲烷浓度监测值Cmon2(t)；
使用动态配气仪配置1ppm的甲烷气体，输出流量设置为1L/min，开启配气，持续30分钟，记录各项监测数据Ysen(t)、Cmon1(t)和Cmon2(t)。
S704，对各项监测数据进行平滑去噪、异常点剔除处理；
分别取Cmon1(t)与Ms(t)曲线的起始响应时刻记作Tc1与Tm1，则ΔTs1＝Tc1-Tm1即为模拟浓度上升过程与实测浓度上升过程之间的时间延迟，将Ms(t)曲线的时刻值与ΔTs1相加得到M′s(t)；
同理分别取Cmon2(t)与Ms7(t)曲线的起始响应时刻记作Tc2与Tm2，则ΔTs2＝Tc2-Tm2即为模拟浓度上升过程与实测浓度上升过程之间的时间延迟，将Ms7(t)曲线的时刻值与ΔTs2相加得到M′s7(t)；
S705，记浓度修正曲线
S706，将Msen(t)的时刻值与ΔTs1相加得到M′sen(t)，记
S707，使用Xsen(t)作为引发气体传感器响应的待测气体浓度值，使用Ysen(t)作为气体传感器输出值，拟合建立因变量Ysen(t)与自变量Xsen(t)的函数关系，即可建立甲烷传感器的输出响应特征曲线，完成对甲烷传感器的性能评价。
实施例六以本发明实施例五提供的气体传感器测试方法为基础，对甲烷传感器进行低浓度动态测试实验，显著提高甲烷传感器响应函数在低浓度动态测试实验中的准确性。
实施例七
本发明实施例七提供一种机器可读存储介质，该机器可读存储介质上存储有指令，该指令用于使得机器执行上述实施例四至实施例六所述的气体传感器测试方法。
实施例八
本发明实施例七提供一种处理器，用于运行程序，其中，所述程序被运行时用于执行上述实施例四至实施例六所述的气体传感器测试方法。
本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
在一个典型的配置中，计算设备包括一个或多个处理器(CPU)、输入/输出接口、网络接口和内存。
存储器可能包括计算机可读介质中的非永久性存储器，随机存取存储器(RAM)和/或非易失性内存等形式，如只读存储器(ROM)或闪存(flash RAM)。存储器是计算机可读介质的示例。
计算机可读介质包括永久性和非永久性、可移动和非可移动媒体可以由任何方法或技术来实现信息存储。信息可以是计算机可读指令、数据结构、程序的模块或其他数据。计算机的存储介质的例子包括，但不限于相变内存(PRAM)、静态随机存取存储器(SRAM)、动态随机存取存储器(DRAM)、其他类型的随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)、快闪记忆体或其他内存技术、只读光盘只读存储器(CD-ROM)、数字多功能光盘(DVD)或其他光学存储、磁盒式磁带，磁带磁磁盘存储或其他磁性存储设备或任何其他非传输介质，可用于存储可以被计算设备访问的信息。按照本文中的界定，计算机可读介质不包括暂存电脑可读媒体(transitory media)，如调制的数据信号和载波。
还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。
以上仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请。对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围之内。
Claims (16)
1.一种气体传感器测试装置，其特征在于，包括：测试腔体、扰流装置、气体浓度检测设备、上位机，其中，
所述测试腔体包括进气管路和排气管路；
所述扰流装置设置于所述测试腔体内，用于对从所述进气管路输入所述测试腔体的待测气体进行扰流，经扰流后的待测气体均匀流向所述测试腔体的内部；
所述气体浓度检测设备用于检测所述测试腔体内经扰流后的待测气体的第一实测浓度、检测所述排气管路排出的所述待测气体的第二实测浓度；
所述上位机用于根据待测气体传感器的输出值、所述第一实测浓度、所述第二实测浓度确定所述待测气体传感器的响应性能。
2.根据权利要求1所述的气体传感器测试装置，其特征在于，所述气体浓度检测设备，包括：
光学气体监测装置，用于监测所述测试腔体内经扰流后的待测气体的第一实测浓度；
气体分析仪，用于分析所述排气管路排出的所述待测气体的第二实测浓度。
3.根据权利要求2所述的气体传感器测试装置，其特征在于，所述测试腔体还包括：
腔体上盖与腔体底盖；
以及两个光学透镜，所述两个光学透镜对称嵌于所述测试腔体上盖对侧，所述两个光学透镜之间形成气体监测通路，所述光学气体监测装置与所述两个光学透镜同轴心摆放，用于监测所述气体监测通路中待测气体的第一实测浓度。
4.根据权利要求1所述的气体传感器测试装置，其特征在于，所述气体传感器测试装置，还包括：
传感器信号采集装置，设置于所述测试腔体内，用于采集设置于所述测试腔体内部的所述待测气体传感器的输出值。
5.根据权利要求1所述的气体传感器测试装置，其特征在于，所述气体传感器测试装置，还包括：
标准气源和配气装置；
所述标准气源与所述配气装置连接，所述配气装置从所述标准气源获取气体，用于配制待测气体，并通入所述测试腔体的进气管路。
6.根据权利要求1所述的气体传感器测试装置，其特征在于，所述扰流装置，包括：
扰流部件和扰流网格；
所述扰流部件设有三组空隙，其中第一组、第二组空隙为水平和垂直方向的条形空隙，第三组空隙为所述扰流部件两侧对称的多枚气孔，所述扰流部件对所述待测气体进行第一步扰流；
所述扰流网格设有网格状的空隙，对所述待测气体进行第二步扰流，所述扰流网格与所述扰流部件之间形成气体扩散缓冲区，使所述待测气体扩散更加均匀。
7.根据权利要求2所述的气体传感器测试装置，其特征在于，所述光学气体监测装置，包括：
全反射镜与光学气体监测仪，或者对射式光学气体监测仪的发射端与接收端。
8.根据权利要求7所述的气体传感器测试装置，其特征在于，所述光学气体监测仪包括：红外开路式光学监测仪、紫外开路式光学监测仪、激光开路式光学监测仪。
9.根据权利要求2所述的气体传感器测试装置，其特征在于，所述气体分析仪包括：气相色谱仪、气质联用仪。
10.根据权利要求5所述的气体传感器测试装置，其特征在于，所述配气装置包括动态配气仪。
11.一种气体传感器测试方法，应用于权利要求1-10任意一项所述气体传感器测试装置，其特征在于，包括：
对所述测试腔体及内部结构进行三维建模，生成测试腔体模型；
对所述测试腔体模型进行通气模拟实验，分别确定所述测试腔体模型中气体监测通路的气体浓度平均值的变化过程，作为第一模拟浓度M1(t)、所述测试腔体模型中排气管路处气体浓度值的变化过程，作为第二模拟浓度M2(t)、所述测试腔体模型中待测气体传感器表面点的气体浓度值变化过程，作为第三模拟浓度M3(t)；
向所述测试腔体通入与所述通气模拟实验相同组分与流量的待测气体，记录光学气体监测装置的监测数据作为第一实测浓度C1(t)，记录气体分析仪的分析数据作为第二实测浓度C2(t)；
根据所述第一模拟浓度M1(t)、第二模拟浓度M2(t)、第三模拟浓度M3(t)、第一实测浓度C1(t)、第二实测浓度C2(t)和待测气体传感器输出值确定待测气体传感器的响应性能。
12.根据权利要求11所述的气体传感器测试方法，其特征在于，所述C1(t)与M1(t)、C2(t)与M2(t)用于对M3(t)进行偏差修正。
13.根据权利要求12所述的气体传感器测试方法，其特征在于，所述根据所述第一模拟浓度M1(t)、第二模拟浓度M2(t)、第三模拟浓度M3(t)、第一实测浓度C1(t)、第二实测浓度C2(t)和待测气体传感器输出值确定待测气体传感器的响应性能，包括：
将C1(t)与M1(t)以时间为横坐标，以气体浓度值为纵坐标作图，将C2(t)与M2(t)以时间为横坐标，以气体浓度值为纵坐标作图；
分别取C1(t)与M1(t)曲线的起始响应时刻记作Ts1与Ts2，令ΔTs1＝Ts1-Ts2作为气体监测通路内气体的模拟浓度上升过程与实测浓度上升过程之间的时间延迟，将M1(t)曲线的时刻值与ΔTs1相加得到M′1(t)曲线，使C1(t)与M′1(t)两条曲线的气体浓度值在相同时刻开始上升，以及
分别取C2(t)与M2(t)曲线的起始响应时刻记作Ts3与Ts4，令ΔTs2＝Ts3-Ts4作为排气管路处气体的模拟浓度上升过程与实测浓度上升过程之间的时间延迟，将M2(t)曲线的时刻值与ΔTs2相加得到M′2(t)曲线，使C2(t)与M′2(t)两条曲线的气体浓度值在相同时刻开始上升；
记浓度修正曲线
将M3(t)曲线的时刻值与ΔTs1相加得到M′3(t)，记
以X(t)作为引发待测气体传感器响应的待测气体浓度值，记待测气体传感器输出值为Y(t)，建立因变量Y(t)与自变量X(t)的函数关系，作为待测气体传感器的响应函数。
14.根据权利要求11所述的气体传感器测试方法，其特征在于，所述确定所述测试腔体模型中气体监测通路的气体浓度平均值的变化过程，作为第一模拟浓度M1(t)，包括：
在所述测试腔体模型中气体监测通路内选取多个点作为取样点，取所述取样点的气体浓度值的变化过程，用于计算所述测试腔体模型中气体监测通路的气体浓度平均值的变化过程，作为第一模拟浓度M1(t)。
15.一种机器可读存储介质，该机器可读存储介质上存储有程序，该程序用于使得机器执行根据权利要求11至14中任一项气体传感器测试方法。
16.一种处理器，其特征在于，用于运行程序，其中，所述程序被运行时用于执行根据权利要求11至14中任一项气体传感器测试方法。
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2020
- 2020-09-01 CN CN202010906199.XA patent/CN114112966A/zh active Pending
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