CN115236135B - 用于气体传感器的基线校准方法、控制装置和气体传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明实施例提供一种用于气体传感器的基线校准方法，属于气体检测技术领域。所述用于气体传感器的基线校准方法包括：根据预设的频率获取所述传感器的实时响应值，并根据所获取的所述实时响应值得到响应值的平均变化率；以及若所述响应值的平均变化率在预设的响应值变化率阈值之内，且所述传感器的基线漂移对应的响应值在预设的响应值之内，则根据当前的所述实时响应值对基线响应值进行校准。该技术方案降底甚至消除由传感器件本身或者环境等因素导致的基线漂移带来的影响，进而提高传感器的响应速度、灵敏度、准确性、重复性和使用寿命，同时也可以大幅降低功耗。
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的基线校准方法、控制装置和气体传感器。
背景技术
随着电子技术的发展和人们对安全环保领域需求的日渐提升，越来越多的环境检测监测设备正成为日常生产生活不可或缺的部分，这些仪器的核心是各种类型的传感器。
现有的气体探测器由于小型化、低功耗、价格低廉、结构简单、兼容性好、使用灵活等诸多优点而广泛应用于各种检测监测场景。其中传感器的基线是待测气体浓度为0ppm时传感器的响应值，是气体浓度计算的重要参数。目前绝大多数气体传感器的输出信号会受到一系列复杂因素的影响，这些因素包括环境因素(例如，温度、湿度、气压、气流、干扰气体等)、敏感材料自身因素(例如，材料应力、材料退化、材料污染、接触面特性等)以及其他因素(例如，电信号的稳定性、加热板的稳定性等)。这些因素的综合影响表现为气体传感器的输出信号的基线会产生一定范围内的变化，即基线漂移。基线漂移会不同程度地影响传感器的响应速度、准确度、重复性等重要性能指标，严重的甚至会导致传感器失效。
目前可以通过以下方法减少传感器基线漂移带来的影响：
1)通过主元分析、小波变换等数据分析方法对传感器漂移状态进行分析和模式识别，进而对传感器输出进行修正；
2)使用一个完全相同的参考传感器或者预测器构建的虚拟传感器或者校准仪器作为参考，利用参考传感器与待修正传感器之间输出值的差值进行漂移的识别与修正。
对于方法1)，这种方法可以对某些类型的漂移实现准确的识别与补偿，但是基线漂移的机理非常复杂，规律难以掌握，人们很难建立一个在任何环境因素下都适用的模型，因此该方法识别和补偿的效果有限，对于随机的环境干扰无法实现相应功能，此外复杂的运算和大量的数据也使其难以应用到独立的小型设备上。
对于方法2)，该方法硬件投入较大，并且需要多数传感器(三分之二以上)保持稳定；同时该方法对大幅漂移比较有效，而对影响传感器低浓度测量准确性与响应速度的缓慢漂移抑制作用有限；最重要的是这种方法常常建立在两个传感器漂移完全一样的假设基础上，现实中几乎不可能实现。
发明内容
本发明实施例的目的是提供一种用于气体传感器的基线校准方法，该基线校准方法能解决传感器基线漂移带来的影响。
为了实现上述目的，本发明实施例提供一种用于气体传感器的基线校准方法，所述用于气体传感器的基线校准方法，包括：根据预设的频率获取所述传感器的实时响应值，并根据所获取的所述实时响应值得到响应值的平均变化率；以及若所述响应值的平均变化率在预设的响应值变化率阈值之内，且所述传感器的基线漂移对应的响应值在预设的响应值阈值之内，则根据当前的所述实时响应值对基线响应值进行校准。
优选的，在所述根据预设的频率获取所述传感器的实时响应值之后，所述基线校准方法还包括：对用于存储所述实时响应值的实时响应值数组进行初始化，并设置数组长度；以及获取当前的所述实时响应值，将所述当前的所述实时响应值存储在所述实时响应值数组的最后一位，并将所述实时响应值数组中的其他所述实时响应值依次向前移动一位。
优选的，所述根据所获取的所述实时响应值得到响应值的平均变化率包括：获取所述实时响应值数组内前置位预设长度的所述实时响应值和后置位所述预设长度的所述实时响应值；以及通过下式，得到所述响应值的平均变化率Rate_live：
其中，i表示预设长度，R0_live[]为实时响应值数组，数组长度为i≤n/2。
优选的，所述响应值变化率阈值包括响应值变化率上限和响应值变化率下限，其中，通过下式，得到所述响应值变化率上限Rate_a：
Rate_a＝a*R0/1sec
通过下式，得到所述响应值变化率下限Rate_b：
Rate_b＝-b*R0/1sec
其中，R0为基线响应值，参数a、b在[0-1]之间，1sec表示一秒。
优选的，所述响应值阈值包括响应值上限和响应值下限，其中，通过下式，得到所述响应值上限R0_a：
R0_a＝c*R0
通过下式，得到所述响应值下限R0_b：
R0_b＝d*R0
其中，R0为基线响应值，参数c、d在[0-100]之间。
本发明实施例还提供一种气体检测方法，所述气体检测方法包括：在所述传感器预热完成后，通过该传感器的传感芯片获取的响应值作为基线响应值；根据上述任意一项所述的用于气体传感器的基线校准方法对所述基线响应值进行实时校准；根据所述传感器的实时响应值、所校准的基线响应值以及预设的转换关系确定待测气体的浓度。
优选的，在预热所述传感器之前，所述气体检测方法还包括：设置该传感器的响应值变化率阈值，所述响应值变化率的阈值包括响应值变化率上限和响应值变化率下限；设置该传感器的基线漂移对应的响应值阈值，所述响应值阈值包括响应值上限和响应值下限；以及设置该传感器的第一报警浓度阈值和第二报警浓度阈值。
优选的，在所述确定待测气体的浓度之后，所述气体检测方法还包括：当所述待测气体的浓度超多所述第一报警浓度阈值，则控制发出预报警信号；以及当所述待测气体的浓度超多所述第二报警浓度阈值，则控制发出报警信号。
本发明实施例还提供一种用于气体传感器的基线校准控制装置，所述基线校准控制装置包括：存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序，以实现上任意一项所述的用于气体传感器的基线校准方法、和/或上述任意一项所述的气体检测方法。
本发明实施例还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，该指令使得机器执行上述任意一项所述的用于气体传感器的基线校准方法、和/或上述任意一项所述的气体检测方法。
本发明实施例还提供一种气体传感器，所述传感器包括：传感芯片，用于获取气体浓度对应的物理信号；上述的用于气体传感器的基线校准控制装置，电性连接所述传感芯片，用于根据获取的所述传感器的实时响应值对其基线响应值进行校准，并根据所述实时响应值、所校准的基线响应值以及预设的转换关系确定待测气体的浓度。
优选的，所述气体传感器还包括：采集模块，设置在所述传感芯片和所述基线校准控制装置之间，用于将所获取气体浓度对应的物理信号转换成实时响应值对应的电信号。
优选的，所述气体传感器还包括：加热控制模块，位于所述传感芯片和所述基线校准控制装置之间，用于对所述传感芯片进行预加热。
优选的，所述气体传感器还包括：存储模块，电性连接所述基线校准控制装置，用于存储所述实时响应值的实时响应值数组。
优选的，所述气体传感器还包括报警模块，电性连接所述基线校准控制装置，用于：当所述待测气体的浓度超多所述第一报警浓度阈值，根据所述基线校准控制装置的控制发出预报警信号；以及当所述待测气体的浓度超多所述第二报警浓度阈值，根据所述基线校准控制装置的控制发出报警信号。
通过上述技术方案，本发明实施例根据传感器输出实时响应值的变化判断传感器当前状态，控制传感器基线在适当时刻进行动态变化实现自校准功能，从而降底甚至消除由器件本身或者环境等因素导致的基线漂移带来的影响，进而提高传感器的响应速度、灵敏度、准确性、重复性和使用寿命，同时也可以大幅缩短传感器预热时间，降低功耗。进一步地，本发明实施例运算简单，不会对传感器原始的计算程序产生影响，不需要额外的硬件电路，同时适用于响应值与气体浓度关系为线性或非线性关系的传感器，可以灵活的植入小型智能传感器程序中，增强了传感器应对环境变化的能力。
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是本发明实施例一提供的用于气体传感器的基线校准方法的流程示意图
图2是本发明实施例二提供的气体检测方法的流程示意图；
图3是本发明实施例三提供的一种气体传感器的结构示意图；
图4为本发明实施例的示例的流程示意图；
图5为示例一对应的在环境变化下应用传感器基线自校准方法的响应值变化效果图；
图6为示例一对应的应用本发明中传感器基线自校准方法过程中环境变化情况；
图7为对比例一应用固定基线方法对应的响应值变化效果图；
图8为示例二在环境变化下应用本发明中传感器基线自校准方法对应的响应值变化效果图；
图9为示例二在环境变化下应用本发明中传感器基线自校准方法对应的气体浓度效果图；
图10为对比例二应用固定基线方法对应的响应值变化效果图；
图11为对比例二应用固定基线方法对应的气体浓度效果图；
图12为示例三对应的响应值变化效果图；
图13为示例三对应的目标气体浓度输出效果图；
图14为对比例三固定基线对应的响应值变化效果图；
图15为对比例三对应的目标气体浓度输出效果图。
附图标记说明
10基线校准控制装置 11传感芯片
12采集模块 13加热控制模块
14存储模块 15报警模块
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。
图1是本发明实施例一提供的用于气体传感器的基线校准方法的流程示意图，请参考图1，该用于气体传感器的基线校准方法可以包括以下步骤：
步骤S110：根据预设的频率获取所述传感器的实时响应值，并根据所获取的所述实时响应值得到响应值的平均变化率。
本发明实施例中传感器的实时响应值可以是该传感器通过其传感芯片获取模块获取并转换得到的电阻值Rx。需要说明，传感器的响应值可以是通过读取模块直接获得的电流值、电压值等信号，也可以是对原始信号经过一定的处理或者对处理后数据二次处理获得信号值，例如电阻值、电导率、R0/Rx、Rx/R0、(R0-Rx)/R0等，其中R0为当前传感器基线响应值，Rx为当前传感器实时响应值，。
优选的，在所述根据预设的频率获取所述传感器的实时响应值之后，所述基线校准方法还包括：对用于存储所述实时响应值的实时响应值数组进行初始化，并设置数组长度；以及获取当前的所述实时响应值，将所述当前的所述实时响应值存储在所述实时响应值数组的最后一位，并将所述实时响应值数组中的其他所述实时响应值依次向前移动一位。
举例说明，实时响应值用Rx表示，初始化后的实时响应值数组为R0_live[n]，数组长度n可以根据传感器使用需求设置在10-60位之间，其中，该实时响应值数组R0_live[n]为数据暂存数组，即当该传感器在暂停工作等工况下，该数组R0_live[n]将释放其中所有数据，在该传感器重新工作时，会控制重新初始化数组R0_live[n]；每次获取实时响应值Rx后，实时响应值数组R0_live[]会进行更新，即数组内所有数据向前移位一位，最新的Rx赋值给R0_live[n]的最后一位。
进一步地，所述根据所获取的所述实时响应值得到响应值的平均变化率包括：获取所述实时响应值数组内前置位预设长度的所述实时响应值和后置位所述预设长度的所述实时响应值；以及可以通过下式，得到所述响应值的平均变化率Rate_live：
其中，i表示预设长度，取数组R0_live[]内前i位与后i位(i可根据传感器特性进行调整，i≤n/2)实时响应值，通过式(1)计算响应值的平均变化率。
部分传感器，例如MEMS传感器，比较灵敏，相应的噪音水平、稳定性都没有电化学传感器那么好，因此取多个实时响应值进行求平均变化率可以避免传感器受到噪声影响产生的误判。
步骤S120：若所述响应值的平均变化率在预设的响应值变化率阈值之内，且所述传感器的基线漂移对应的响应值在预设的电阻响应值之内，则根据当前的所述实时响应值对基线响应值进行校准。
其中，以基线响应值为R0为例，R0为待测气体浓度为0时传感器的响应值，优选可以在传感器开机后，通过对其传感芯片进行预热后，第一个获取的电阻值。
优选的，所述响应值变化率阈值包括响应值变化率上限和响应值变化率下限，可以通过下式，得到所述响应值变化率上限Rate_a：
Rate_a＝a*R0/1 sec (2)
可以通过下式，得到所述响应值变化率下限Rate_b：
Rate_b＝-b*R0/1sec (3)
其中，参数a、b在[0-1]之间调整，1sec表示一秒。Rate_a、Rate_b也可以根据实际需求设置为固定值。
所述响应值阈值包括响应值上限和响应值下限，可以通过下式，得到所述响应值上限R0_a：
R0_a＝c*R0 (4)
可以通过下式，得到所述响应值下限R0_b：
R0_b＝d*R0 (5)
其中，参数c、d在[0-100]之间调整。R0_a、R0_b也可以根据实际需求设置为固定值。
举例说明，当响应值平均变化率Rate_live在设定的响应值变化率阈值上限Rate_a和下限Rate_b之间，以及Rx在允许的基线响应值上限R0_a和响应值下限R0_b之内时(即，Rx在R0_a和R0_b之内)，基线响应值R0跟随实时传感器响应值Rx进行调整。当实时响应值Rx变化状态不符合条件时(例如，待测气体到来或离去导致实时响应值Rx大幅变化，或者有一股持续并且浓度稳定的气体导致传感器响应值在存在气体相对应的响应值区间之内保持稳定)，基线响应值R0会保持固定，否则会导致基线错误改变，严重情况下会导致传感器对气体浓度检测失效。
图2是本发明实施例二提供的气体检测方法的流程示意图，请参考图2，该气体检测方法可以包括以下步骤：
步骤S210：在所述传感器预热完成后，通过该传感器的传感芯片获取的响应值作为基线响应值。
优选的，在预热所述传感器之前，所述气体检测方法还包括：设置该传感器的响应值变化率阈值，所述响应值变化率的阈值包括响应值变化率上限和响应值变化率下限；设置该传感器的基线漂移对应的响应值阈值，所述响应值阈值包括响应值上限和响应值下限；以及设置该传感器的第一报警浓度阈值和第二报警浓度阈值。
其中，响应值变化率阈值可以通过式(2)和式(3)设置，响应值阈值通过式(4)和式(5)设置，此处不再赘述。
步骤S220：根据权利要求1-5中任意一项所述的用于气体传感器的基线校准方法对所述基线响应值进行实时校准。
根据上述步骤S110-S120的基线校准方法，对该传感器的基线响应值进行实时校准。具体过程请参考步骤S110-S120，此处不再赘述。
步骤S230：根据所述传感器的实时响应值、所校准的基线响应值以及预设的转换关系确定待测气体的浓度。
其中，对于部分气体，例如硫化氢、氢气、甲烷等，传感器响应值与实际气体浓度的对应关系为近似幂函数关系。
优选的，在所述确定待测气体的浓度之后，所述气体检测方法还包括：当所述待测气体的浓度超多所述第一报警浓度阈值，则控制发出预报警信号；以及当所述待测气体的浓度超多所述第二报警浓度阈值，则控制发出报警信号。
举例说明，根据实时响应值Rx、当前的基线响应值R0以及相应预置的转换关系计算待测气体浓度Cx。当Cx超过预设的第一报警浓度阈值Cx_a1时发出相应的预报警信号，当超过预设的第一报警浓度阈值Cx_a2时发出相应的更强烈的报警信号。其中，报警信号优选声、和/或光报警信号。
优选的，该气体传感器在实时确定待测气体的浓度之后，可以通过其通信模块将当前的时间、基线响应值R0、实时响应值Rx、待测气体浓度Cx等数据发送给外部控制装置，并在获取到下一个实时响应值Rx时，重复步骤S220-S230。
本发明实施例还一种用于气体传感器的基线校准控制装置，所述基线校准控制装置包括：存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序，以实现步骤S110-S120的用于气体传感器的基线校准方法、和/或步骤S210-S230的气体检测方法。
同时，本发明实施例还提供一种机器可读存储介质，其特征在于，该机器可读存储介质上存储有指令，该指令使得机器执行步骤S110-S120的用于气体传感器的基线校准方法、和/或步骤S210-S230的气体检测方法。
图3是本发明实施例三提供的一种气体传感器的结构示意图，请参考图3，该传感器可以包括：传感芯片11，用于获取气体浓度对应的物理信号；用于气体传感器的基线校准控制装置10，电性连接所述传感芯片11，用于根据获取的所述传感器的实时响应值对其基线响应值进行校准，并根据所述实时响应值、所校准的基线响应值以及预设的转换关系确定待测气体的浓度。
其中，基线校准控制装置10可以为该传感器配置的微处理器控制装置，对传感器的基线校准、确定待测气体浓度的过程请参考步骤S110-S120以及步骤S210-S230，此处不再赘述。
优选的，所述气体传感器还包括：采集模块12，设置在所述传感芯片11和所述基线校准控制装置10之间，用于将所获取气体浓度对应的物理信号转换成实时响应值对应的电信号。
采样模块12一般不会直接感受被测量，而是会按照预置的转换关系将传感芯片11输出的模拟信号转化为电信号并进行放大调制，完成A/D转换过程。其中，部分类型的传感器不含转换元件，敏感材料可以直接产生电信号进行调制发送，如热电偶、光电器件、压电器件等。
举例说明，该传感器的采样模块12对传感芯片11输出的物理信号进行采样和A/D转换，基线校准控制装置10对自采样模块12获得的物理信号进行处理、发送和存储。
优选的，所述气体传感器还包括：加热控制模块13，位于所述传感芯片11和所述基线校准控制装置10之间，用于对所述传感芯片进行预加热。
该传感器开机或开始工作后，加热控制模块13根据微基线校准控制装置10的指令控制传感芯片11的加热状态，包括例如预热状态、保温状态以及不同加热温度的控制。传感芯片11在工作状态下直接检测到被测量，将与被测物理量转化为有一定规律的信号，例如将气体浓度转化为敏感材料的电导率变化、将压力转化为应变片的形变。需要说明的是，发送给微处理器控制模块的响应信号的类型可以是电流、电压等直接响应信号，也可以是经过初步转换的电阻值、电导率等信号，在此不一一举例。
优选的，所述气体传感器还包括：存储模块14，电性连接所述基线校准控制装置10，用于存储所述实时响应值的实时响应值数组R0_live[]。存储模块14还可以存储该传感器工作过程中产生的其他数据。
优选的，所述气体传感器还包括报警模块15，电性连接所述基线校准控制装置，用于：当所述待测气体的浓度超多所述第一报警浓度阈值，根据所述基线校准控制装置的控制发出预报警信号；以及当所述待测气体的浓度超多所述第二报警浓度阈值，根据所述基线校准控制装置的控制发出报警信号。该报警模块15可以为声光报警装置，但报警方式不限于声音和灯光。
优选的，所述气体传感器还可以包括电源模块，用于给传感器供电。其中，采用的电源模块可以是充电/非充电电池提供的直流电源。
优选的，气体传感器还可以包括电源模块通信模块，用于与外部通信设备进行数据交换。其中，通信模块的通信方式包括但不限于蓝牙、蜂窝移动数据、WiFi、LoRa或硬件接口等。
需要说明，本发明实施例的气体传感器包括但不限于用于检测CO、CO2、NO、NO2、H2S、VOCs、O3的传感器，传感器的敏感机理包括但不限于金属氧化物式、电化学式、催化燃烧式、红外式等。
本发明实施例一至三提供的技术方案，至少有以下技术效果：
1、传感器终端获取实际信号后进行判断，对基线进行自校准，不需要额外添加辅助传感器或者辅助校准设备，运算量较小，可以轻易装载到小型智能传感终端上，大幅节约成本易于推广。
2、该传感器尤其适用于由材料或环境等因素引起的传感器各种长期漂移与短期漂移的抑制，也适用于“浓度/传感器响应信号”关系为线性或者非线性的传感器。
3、在提升传感器检测准确性与重复性的同时大幅缩短响应时间，降低最低检出浓度，延长使用寿命，从而显著增强传感器性能。
进一步，图4为本发明实施例的示例的流程示意图，请参考图4，并通过以下示例描述本发明实施例一至三的实施过程和有益效果：
步骤S11，传感器自动预热。
步骤S12，预热完成后，初始化基线响应值R0和实时响应值数组R0_live[]。
步骤S13，传感器通过其传感芯片获取实时响应值Rx。
步骤S14，更新实时响应值数组R0_live[]，数组R0_live[]内的所有数据向前移动一位，将当前的Rx存入数组的最后一位，并通过式(1)计算响应值平均变化率Rate_live。
步骤S15，判断该Rate_a>Rate_live>Rate_b,且R0_a≥Rx≥R0_b条件是否满足，其中Rate_a、Rate_b、R0_a、R0_b请参考式(1)、式(2)、式(3)以及式(4)。
步骤S16，若满足上述条件，则根据实时响应值Rx校准R0。
步骤S17，根据Rx、R0以及对应关系确定待测气体浓度Cx。
步骤S18，并根据待测气体浓度Cx，判断是否需要报警。
步骤S19，存储并发送相关数据，并重复执行步骤S13。
示例一
示例中采用的是基于金属氧化物材料H2S气体传感系统，基线校准控制装置，例如该传感器的微处理器控制装置读取的响应信号是传感芯片的电阻值，本示例以电阻值作为响应值，该电阻值与实际气体浓度的对应关系为近似幂函数关系，据实际需求设定响应值变化率上限Rate_a＝0.025*R0/1sec＝100kΩ/sec和响应值变化率下限Rate_b＝-0.0125*R0/1sec＝-50kΩ/sec，电阻上限R0_a＝3000kΩ和电阻下限R0_b＝50000kΩ，设定电阻暂存数组R0_live[]的长度为n＝20，平均变化率取样位数i＝5；根据职业卫生健康规范，预报警值Cx_a1＝5ppm，报警值Cx_a2＝6ppm，报警模块采用多色LED灯光和蜂鸣器；同时该传感器系统还配备有温湿度传感器，可以探测环境温度Tx和湿度Hx，传感器系统采用蓝牙向智能终端发送采样时间、Cx、Rx、R0、Tx、Hx等信息。
本示例中传感器系统要求在稳定无泄漏的环境中启动并进行16min的预热；预热完成后微处理器控制装置会读取当前传感芯片电阻值作为基线电阻R0，同时初始化实时响应值数组R0_live[]所有元素的值为R0；初始化完成后微处理器控制装置以1Hz的速度控制采样模块读取传感芯片实时响应值，即电阻Rx。
每次读取实时电阻Rx后，实时响应值数组R0_live[20]会进行更新。数组内所有数据向前移位一位，最新的Rx赋值给R0_live[20]的最后一位。
通过式(1)，取R0_live[20]内前5位与后5位数据的平均值计算响应值平均变化率Rate_live，当平均变化率Rate_live在[-50kΩ/sec,100kΩ/sec]之间以及允许的基线漂移的电阻在[3000kΩ，50000kΩ]之内时，则基线电阻R0跟随实时传感器电阻Rx进行调整，对应的传感器基线校准效果请参考图5。
当实时响应值Rx变化状态不符合上述条件时(例如，待测气体到来或离去导致实时电阻Rx大幅变化)，基线电阻R0会保持固定，对应的传感器基线校准效果请参考图8。
进一步地，微处理器控制模块根据实时电阻Rx、当前的基线电阻R0以及预置转换关系来计算待测气体浓度Cx，当Cx超过预设的预报警浓度Cx_a1＝5ppm时发出橘色灯光和间断式蜂鸣音，当超过预设的报警浓度阈值Cx_a2＝6ppm时发出相应的更强烈的红色灯光和长鸣蜂鸣音。
存储模块和通信模块分别存储和发送当前时间、Cx、Rx、R0、Tx、Hx等数据，在下一个信号到达前返回获取实时响应值Rx。
图6为应用本发明中传感器基线自校准方法过程中环境变化情况，结合图5和图6，本发明实施例的基线校准方法应用在硫化氢传感系统上的效果：在温湿度稳定无气流的环境中开机充分预热16min，预热结束后携带该传感系统进行静置、走动、进入不同温湿度的房间、放入实验容器中，伴随环境温湿度以及气流等状态的变化，传感器的基线发生了不同程度的漂移，本发明实施例中的基线自校准方法可以很好的校准基线。
对比例一
与上述示例一进行对比，本对比例使用了一个与上述示例结构完全相同的H2S气体传感系统，在未应用本发明实施例提供的基线校准方法的传感系统中采用的是固定基线方法，即将开机预热完成后获得的第一个实时信号值设定为传感器的基线值。将本对比例的传感器与示例一的传感器在相同环境下开机预热，预热结束后一同携带静置、走动、进入不同温湿度的房间、放入实验容器中，请参考图6和图7，随着环境的变化传感器基线值发生了漂移，当前环境下的基线与原有开机预热后获得的固定基线值已经产生较大的误差，进而影响了气体浓度的检测结果。
示例二
示例二为H2S气体传感器系统，其参数与示例一相同，请参考图8-图9，研究应用基线校准方法的H2S传感器在待测气体来临时的检测效果，其中，图7为本示例的在环境变化下应用本发明中传感器基线自校准方法对应的响应值变化的效果图、图9为本示例的目标气体浓度输出的效果图、将传感系统开机预热后放入容器静置2h后，通入7ppm的气体H2S，并保持4min，继续通入3ppm的气体H2S，并保持4min，打开换气口使容器内气体迅速变为空气。在图8和图9中，实时响应值Rx为传感器实时电阻值，R0_fix为本示例校准后的基线电阻值，Cx_live为使用R0_fix计算得出的气体浓度，Cx_Original为不考虑气体扩散情况下理想的通向传感器的待测气体浓度，由图可知，经过移动与长时间的静置，传感器的基线电阻R0_fix已经发生了大幅漂移，应用基线校准方法可以准确的对基线进行校准进而对目标气体进行识别。
对比例二
与示例二进行对比，本对比例采用了与示例二中相同的H2S气体传感系统，在与示例二完全相同的条件下进行开机预热与测试。图10为传感器固定基线检测的目标气体浓度输出的效果图，请结合图10图11，Rx为传感器实时电阻值，R0_fix为开机后第一次读取获得的固定电阻值，Cx_fix为使用R0_fix计算得出的气体浓度，Cx_Original为不考虑气体扩散情况下理想的通向传感器的待测气体浓度。可以明显看出，与示例二相比，示例二应用了基线校准方法的传感器可以消除传感器系统在使用中因环境的变化导致的基线漂移问题，极大提高了传感系统的响应速度和准确性，降低了传感器的检出限，延长了使用寿命，大大提高了传感系统在不同环境下的适应能力，很好的反映了真实的气体浓度。
示例三
本示例采用的是金属氧化物材料CO气体传感系统，微处理器控制装置读取的响应信号是传感芯片的电阻值，电阻值与实际浓度的对应关系为近似幂函数关系，根据实际需求设定响应值变化率上限Rate_a＝0.001*R0/1sec＝30kΩ/sec和响应值变化率下限Rate_b＝-0.001*R0/1sec＝-30kΩ/sec，电阻上限R0_a＝10*R0＝40000kΩ和电阻下限R0_b＝0.5*R0＝2000kΩ，设定电阻暂存数组R0_live[]的长度为n＝30，平均变化率取样位数i＝10；根据职业卫生健康规范，预报警值Cx_a1＝50ppm，报警值Cx_a2＝100ppm，报警模块采用多色LED灯光和蜂鸣器；同时本传感系统还配备有温湿度传感器，可以探测环境温度Tx和湿度Hx，传感系统采用蓝牙向智能终端发送采样时间、Cx、Rx、R0、Tx、Hx等信息。
图12为本示例应用基线校准方法的传感器检测的气体浓度效果图，图13为另一应用极限校准方法的传感器的目标气体浓度输出效果图，请结合图12和图13，CO传感器在待测气体来临时的检测效果：将传感系统开机预热后放入容器静置2h后，通入300ppm的气体CO，并保持5min，打开换气口使容器内气体迅速变为空气。在图12和图13中，Rx为传感器实时电阻值，R0_fix为校准后的基线电阻值，Cx_live为使用R0_fix计算得出的气体浓度,Cx_Original为不考虑气体扩散情况下理想的通向传感器的待测气体浓度。由图可知，经过移动与长时间的静置，传感器的基线电阻已经发生了大幅漂移，应用本基线自校准方法可以快速准确的对基线进行校准进而对目标气体进行识别。
对比例三
与示例三进行对比，本对比例采用了与示例三相同的CO传感器系统，仅将基线设定方法修改为固定基线方法，即开机预热完成后获取的第一个实时电阻值作为基线电阻值，在与示例三完全相同的条件下进行开机预热与测试。图14和图15为对应于图12和图13的固定基线应用于一氧化碳气体传感系统中的效果，请参考图14和图15，Rx为传感器实时电阻值，R0_fix为开机后第一次读取获得的固定电阻值，Cx_fix为使用R0_fix计算得出的气体浓度，Cx_Original为不考虑气体扩散情况下理想的通向传感器的待测气体浓度。由图可知，相比于应用固定基线方法的传感器系统，基线校准方法的应用可以消除传感器系统在使用中因环境的变化导致的基线漂移问题，极大提高了传感系统的响应速度和准确性，降低了传感器的检出限，延长了使用寿命，大大提高了传感系统在不同环境下的适应能力，很好的反映了真实的气体浓度。
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 (14)
1.一种用于气体传感器的基线校准方法，其特征在于，所述用于气体传感器的基线校准方法，包括：
根据预设的频率获取所述传感器的实时响应值，并根据所获取的所述实时响应值得到响应值的平均变化率；以及
若所述响应值的平均变化率在预设的响应值变化率阈值之内，且所述传感器的实时响应值在预设的响应值阈值之内，则根据当前的所述实时响应值对基线响应值进行校准，在所述根据预设的频率获取所述传感器的实时响应值之后，所述基线校准方法还包括：
对用于存储所述实时响应值的实时响应值数组进行初始化，并设置数组长度；以及
获取当前的所述实时响应值，将所述当前的所述实时响应值存储在所述实时响应值数组的最后一位，并将所述实时响应值数组中的其他所述实时响应值依次向前移动一位，
所述根据所获取的所述实时响应值得到响应值的平均变化率包括：
获取所述实时响应值数组内前置位预设长度的所述实时响应值和后置位所述预设长度的所述实时响应值；以及
通过下式，得到所述响应值的平均变化率：
其中，i表示预设长度，[]为实时响应值数组，数组长度为i/>。
2.根据权利要求1所述的用于气体传感器的基线校准方法，其特征在于，所述响应值变化率阈值包括响应值变化率上限和响应值变化率下限，
其中，通过下式，得到所述响应值变化率上限：
通过下式，得到所述响应值变化率下限：
Rate_b＝-b*R0/1sec
其中，为基线响应值，参数a、b在[0-1]之间，/>表示一秒。
3.根据权利要求1所述的用于气体传感器的基线校准方法，其特征在于，所述响应值阈值包括响应值上限和响应值下限，
其中，通过下式，得到所述响应值上限 ：
通过下式，得到所述响应值下限：
其中，为基线响应值，参数c、d在[0-100]之间。
4.一种气体检测方法，其特征在于，所述气体检测方法包括：
在所述传感器预热完成后，通过该传感器的传感芯片获取的响应值作为基线响应值；
根据权利要求1-3中任意一项所述的用于气体传感器的基线校准方法对所述基线响应值进行实时校准；
根据所述传感器的实时响应值、所校准的基线响应值以及预设的转换关系确定待测气体的浓度。
5.根据权利要求4所述的气体检测方法，其特征在于，在预热所述传感器之前，所述气体检测方法还包括：
设置该传感器的响应值变化率阈值，所述响应值变化率的阈值包括响应值变化率上限和响应值变化率下限；
设置该传感器的基线漂移对应的响应值阈值，所述响应值阈值包括响应值上限和响应值下限；以及
设置该传感器的第一报警浓度阈值和第二报警浓度阈值。
6.根据权利要求5所述的气体检测方法，其特征在于，在所述确定待测气体的浓度之后，所述气体检测方法还包括：
当所述待测气体的浓度超过所述第一报警浓度阈值，则控制发出预报警信号；以及
当所述待测气体的浓度超过所述第二报警浓度阈值，则控制发出报警信号。
7.一种用于气体传感器的基线校准控制装置，其特征在于，所述基线校准控制装置包括：存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序，以实现根据权利要求1至3中任意一项所述的用于气体传感器的基线校准方法、和/或4-6中任意一项所述的气体检测方法。
8.一种机器可读存储介质，其特征在于，该机器可读存储介质上存储有指令，该指令使得机器执行根据权利要求1至3中任意一项所述的用于气体传感器的基线校准方法、和/或4-6中任意一项所述的气体检测方法。
9.一种气体传感器，其特征在于，所述传感器包括：
传感芯片，用于获取气体浓度对应的物理信号；
权利要求7所述的用于气体传感器的基线校准控制装置，电性连接所述传感芯片，用于根据获取的所述传感器的实时响应值对其基线响应值进行校准，并根据所述实时响应值、所校准的基线响应值以及预设的转换关系确定待测气体的浓度。
10.根据权利要求9所述的气体传感器，其特征在于，所述气体传感器还包括：
采集模块，设置在所述传感芯片和所述基线校准控制装置之间，用于将所获取气体浓度对应的物理信号转换成实时响应值对应的电信号。
11.根据权利要求9所述的气体传感器，其特征在于，所述气体传感器还包括：
加热控制模块，位于所述传感芯片和所述基线校准控制装置之间，用于对所述传感芯片进行预加热。
12.根据权利要求9所述的气体传感器，其特征在于，所述气体传感器还包括：
存储模块，电性连接所述基线校准控制装置，用于存储所述实时响应值的实时响应值数组。
13.根据权利要求9所述的气体传感器，其特征在于，所述用于气体传感器的基线校准控制装置还用于：
设置该传感器的响应值变化率阈值，所述响应值变化率的阈值包括响应值变化率上限和响应值变化率下限；
设置该传感器的基线漂移对应的响应值阈值，所述响应值阈值包括响应值上限和响应值下限；以及
设置该传感器的第一报警浓度阈值和第二报警浓度阈值。
14.根据权利要求13所述的气体传感器，其特征在于，所述气体传感器还包括：
报警模块，电性连接所述基线校准控制装置，用于：
当所述待测气体的浓度超过所述第一报警浓度阈值，根据所述基线校准控制装置的控制发出预报警信号；以及
当所述待测气体的浓度超过所述第二报警浓度阈值，根据所述基线校准控制装置的控制发出报警信号。
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