CN116738145A - Mos气体传感器阵列信号的预处理方法及装置 - Google Patents

Mos气体传感器阵列信号的预处理方法及装置 Download PDF

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CN116738145A CN202310608808.7A CN202310608808A CN116738145A CN 116738145 A CN116738145 A CN 116738145A CN 202310608808 A CN202310608808 A CN 202310608808A CN 116738145 A CN116738145 A CN 116738145A
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Abstract

本发明涉及MOS气体传感器阵列技术领域，为了解决使MOS气体传感器阵列信号在同一尺度范围内变化，同时消除干扰因素的影响的问题，本发明提供一种MOS气体传感器阵列信号的预处理方法，包括：驱使目标气体进入气室内，替换气室内的空气，且在驱使目标气体进入气室内的过程中，根据预设采集频率获取MOS气体传感器输出的第一电信号；对第一电信号进行滤波处理，获得第二电信号；对第二电信号进行尺度变换处理，获得第三电信号。本发明的滤波处理能够消除电信号中的异常波动，从而提高MOS气体传感器获取电信号的稳定性。尺度变换处理能够使信号在同一尺度范围内变化，同时消除干扰因素的影响，从而有效提高信号的一致性和稳定性。

Description

MOS气体传感器阵列信号的预处理方法及装置
技术领域
本发明涉及MOS气体传感器阵列技术领域，具体提供一种MOS气体传感器阵列信号的预处理方法及装置。
背景技术
MOS气体传感器即金属氧化物半导体气体传感器，其主要敏感材料为金属氧化物半导体。MOS气体传感器的主要原理是，其在空气中的电阻值是R0，在一定条件下，与其接触的目标气体浓度越高，MOS气体传感器电阻值RS越低，RS/R0符合灵敏度特性曲线。将MOS气体传感器与一个负载电阻RL串联在一起，并在该串联电路的两端施加一个直流的回路电压VC，负载电阻两端电压VRL的采集值，即为MOS气体传感器的信号值，如图1所示。
多种MOS气体传感器组成MOS气体传感器阵列，通过MOS气体传感器阵列与目标气体接触产生多路信号，结合模式识别、深度学习等算法，可用于气体种类或气味识别，如危化品、污染物、疾病标志物、白酒种类、食品变质程度等的识别。气体种类或气味识别算法通常要求输入信号具有较高的一致性和稳定性，即在同一尺度范围内变化，且受干扰因素的影响尽可能小。
然而，不同型号的MOS气体传感器，其信号值变化尺度范围不一致，存在较大差异，通常表现为信号的初始值和幅值相差较大；同时，同一型号的MOS气体传感器，也会受多种干扰因素影响，其信号值在不同个体间和不同条件下存在一致性和稳定性差异，通常表现为信号的初始值、最大值不同以及信号存在异常波动等，其干扰因素至少包括：
1.制造批次：受制造过程影响，同一型号传感器存在个体差异，导致MOS气体传感器信号不一致；
2.电路条件：施加在前述串联电路两端的回路电压不同或产生波动或MOS气体传感器与负载电阻的电阻值大小关系不同，导致MOS气体传感器信号不一致、不稳定；
3.采集系统：采集系统的电压信号ADC(模数转换)位数不同，相同的被采集电压转换得到的数字量不同，导致MOS气体传感器信号不一致；
4.所处环境：环境中的温度、湿度、背景气体浓度不同或产生波动，导致MOS气体传感器信号不一致、不稳定；
5.使用方式：预热时间不同或连续使用时传感器的恢复程度不同，导致MOS气体传感器信号不一致、不稳定。
MOS气体传感器应用在气体探测报警器中时，与MOS气体传感器阵列应用在气体种类或气味识别中的情况有所不同。气体探测报警器通常是通过测量某种单一气体(如甲烷)的浓度,并根据报警设定值进行报警。出厂前，通过向MOS气体传感器通入已知种类和浓度的标准气体，可以对MOS气体传感器信号进行校准，包括零点校准、报警值校准、量程点校准、拟合曲线校准等，并将校准数据存储到气体探测报警器的测量程序中。经过校准后的气体探测报警器在实际使用时可以测量出该气体的浓度，在一定程度上可以排除上述干扰因素1、2、3的影响，但一般无法排除上述干扰因素4、5的影响。
在气体种类或气味识别应用中，获取MOS气体传感器阵列的采样信号之后，还需要对信号进行预处理。预处理的主要目的是排除各种干扰因素，获得MOS气体传感器的真实响应，同时使MOS气体传感器阵列信号更加一致和稳定，以降低后续识别的难度，提高识别算法的性能。常见的预处理方法包括基线处理和归一化处理等。基线处理的作用是消除信号的零点差异。归一化处理的作用是使信号值在同一尺度范围内变化。
然而，在气体种类或气味识别应用中，目标气体的种类是变化的和未知的，甚至可能是成分不完全确定的混合物(如人呼出的气体)，目标气体的最大浓度更无法给出具体限定范围，因此无法通过标准气体校准方法消除干扰因素1、2、3，也无法通过基线处理和归一化处理使MOS气体传感器阵列信号在同一尺度范围内变化的同时还能消除干扰因素1至5的影响。目前尚无一种MOS气体传感器阵列信号的预处理方法及装置，可以使MOS气体传感器阵列信号在同一尺度范围内变化，同时可以消除干扰因素1至5的影响。
因此，本领域亟需一种MOS气体传感器阵列信号的预处理方法及装置来解决上述问题。
发明内容
本发明旨在解决上述技术问题，即，解决使MOS气体传感器阵列信号在同一尺度范围内变化，同时消除干扰因素对MOS气体传感器的影响的问题。
在第一方面，本发明提供一种MOS气体传感器阵列信号的预处理方法，所述MOS气体传感器阵列包括多个MOS气体传感器，多个所述MOS气体传感器设置在气室内，所述预处理方法包括以下步骤：
驱使空气进入所述气室内，替换所述气室内的原有气体，当所述MOS气体传感器输出的电信号达到稳定状态时，获取所述MOS气体传感器输出的第一输出值；
驱使目标气体进入所述气室内，替换所述气室内的空气，且在驱使目标气体进入所述气室内的过程中，根据预设采集频率获取所述MOS气体传感器输出的第一电信号，且将所述第一输出值作为所述第一电信号的第一次采集信号值；
对所述第一电信号进行滤波处理，获得第二电信号；
对所述第二电信号进行尺度变换处理，获得第三电信号。
在上述预处理方法的具体实施方式中，“对所述第一电信号进行滤波处理，获得第二电信号”包括：
AF[0][i]＝AL[0][i]；
AF[tmax][i]＝AL[tmax][i]；
其中，t为获取所述第一电信号的时刻编号，t的取值范围为从0到tmmax，t＝0代表第一次采集，t＝tmmax代表最后一次采集，AL为所述第一电信号，AF为所述第二电信号，i为所述MOS气体传感器的编号。
在上述预处理方法的具体实施方式中，“对所述第一电信号进行滤波处理，获得第二电信号”还包括：
判断t不等于0或tmmax时的AL[t][i]是否符合预设条件，如果符合预设条件则进行滤波处理，如果不符合预设条件则AF[t][i]＝AL[t][i]。
在上述预处理方法的具体实施方式中，“判断t不等于0或tmax时的AL[t][i]是否符合预设条件，如果符合预设条件则进行滤波处理”包括：
如果AL[t][i]＜AF[0][i]，则AF[t][i]＝AF[0][i]。
在上述预处理方法的具体实施方式中，“判断t不等于0或tmax时的AL[t][i]是否符合预设条件，如果符合预设条件则进行滤波处理”还包括：
如果AL[t][i]＞AF[t-1][i]且AL[t][i]≥AL[t+1][i]，或AL[t][i]＜AF[t-1][i]且AL[t][i]＝AL[t+1][i]，则AF[t][i]＝AF[t一1][i]；
其中，t+1代表第t次采集的下一次采集，t一1代表第t次采集的上一次采集。
在上述预处理方法的具体实施方式中，“判断t不等于0或tmax时的AL[t][i]是否符合预设条件，如果符合预设条件则进行滤波处理”还包括：
如果AL[t][i]＜AF[t-1][i]且AL[t][i]＜AL[t+1][i]，则AF[t][i]＝min{AF[t-1][i]，AL[t+1][i]}；
其中min{}代表取{}内两个元素中的最小值。
在上述预处理方法的具体实施方式中，“判断t不等于0或tmax时的AL[t][i]是否符合预设条件，如果符合预设条件则进行滤波处理”还包括：
如果AL[t][i]≥Amax[t]，则AF[t][i]＝Amax[t]-1；
其中，Amax[t]为在获取AL[t][i]时获取的所述MOS气体传感器阵列的回路电压采集值。
在上述预处理方法的具体实施方式中，“对所述第二电信号进行尺度变换处理，获得第三电信号”包括：
其中，AP代表第三电信号，Amax[0]为在获取AL[0][i]时获取的所述MOS气体传感器阵列的回路电压采集值。
第二方面，本发明提供一种MOS气体传感器阵列信号的预处理装置，包括：
气室；
MOS气体传感器阵列，其设置在所述气室内；
控制模块，其配置为执行如上述的预处理方法。
在采用上述技术方案的情况下，本发明对MOS气体传感器获取的第一电信号进行滤波处理和尺度变换处理。滤波处理能够消除电信号中的异常波动，从而提高MOS气体传感器获取电信号的稳定性。尺度变换处理能够使MOS气体传感器阵列信号在同一尺度范围内变化，同时消除干扰因素的影响，从而有效提高MOS气体传感器获取信号的一致性和稳定性。
附图说明
下面结合附图来描述本发明的优选实施方式，附图中：
图1是本发明提供的多个MOS气体传感器及其附属电路组成的MOS气体传感器阵列电路图；
图2是本发明提供的第一测试条件下的第一电信号图；
图3是本发明提供的第一测试条件下的第二电信号图；
图4是本发明提供的第一测试条件下的第三电信号图；
图5是本发明提供的第一测试条件下的对第一电信号不作滤波处理，直接进行尺度变换处理的电信号图；
图6是本发明提供的第一测试条件下的对第一电信号进行相对差分基线处理和对数函数归一化处理的电信号图；
图7是本发明提供的第二测试条件下的第一电信号图；
图8是本发明提供的第二测试条件下的第二电信号图；
图9是本发明提供的第二测试条件下的第三电信号图；
图10是本发明提供的第二测试条件下的对第一电信号不作滤波处理，直接进行尺度变换处理的电信号图；
图11是本发明提供的第二测试条件下的对第一电信号进行相对差分基线处理和对数函数归一化处理的电信号图；
图12是本发明提供的第三测试条件下的第一电信号图；
图13是本发明提供的第三测试条件下的第二电信号图；
图14是本发明提供的第三测试条件下的第三电信号图；
图15是本发明提供的第三测试条件下的对第一电信号不作滤波处理，直接进行尺度变换处理的电信号图；
图16是本发明提供的第三测试条件下的对第一电信号进行相对差分基线处理和对数函数归一化处理的电信号图。
具体实施方式
下面参照附图来描述本发明的优选实施方式。本领域技术人员应当理解的是，这些实施方式仅仅用于解释本发明的技术原理，并非旨在限制本发明的保护范围。
需要说明的是，在本发明的描述中，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”等指示的方向或位置关系的术语是基于附图所示的方向或位置关系，这仅仅是为了便于描述，而不是指示或暗示所述装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
此外，还需要说明的是，在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，还可以是两个元件内部的连通。对于本领域技术人员而言，可根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
为解决使MOS气体传感器阵列信号在同一尺度范围内变化，同时消除干扰因素对MOS气体传感器的影响的问题。
本实施例公开了一种MOS气体传感器阵列信号的预处理装置，主要用于气体种类或气味识别，也可以用于气体浓度识别、气体探测报警等。
该预处理装置包括气室、MOS气体传感器阵列和控制模块。
气室设置有进气口和出气口。外部气体能够通过进气口进入气室，气室内的气体能够通过出气口排出。优选地，进气口和出气口的尺寸较小，以避免外界气流扰动影响到气室内部。进一步地，出气口连接吸气泵，吸气泵能够驱使气室内的原有气体从出气口排出，同时驱使外部气体通过进气口进入气室。如果进气口处连接目标气体，吸气泵便能驱使气室内的原有气体排出，以使目标气体进入气室，从而替换气室内的原有气体。
参照图1，MOS气体传感器阵列包括多个MOS气体传感器及其附属电路，其设置在气室内部。当MOS气体传感器与气室内的气体接触时，能够产生电信号。每个MOS气体传感器还设置有附属电路，如图1所示，MOS气体传感器RS与负载电阻RL串联，并在该串联电路的两端施加直流的回路电压VC，为MOS气体传感器RS与负载电阻RL供电。负载电阻RL两端为信号端口，通过信号端口采集信号电压VRL。
控制模块包括供电模块、采样模块、多通道模数转换器。供电模块与上述附属电路的电源端口连接，为MOS气体传感器RS与负载电阻RL供电。采样模块与附属电路的信号端口连接，从而接收电压VRL的信号。多通道模数转换器能够对电压VRL的信号进行采样，以获取第一电信号；多通道模数转换器还能够对回路电压VC进行采样，以获取回路电压的采集值Amax。在本实施例中，控制模块的主体为单片机，多通道模数转换器为设置在单片机上的ADC模块；在其他实施例中，多通道模数转换器也可以替换为设置在单片机外部的多通道模数转换器芯片或多个单通道模数转换器芯片。
控制模块还被配置为执行MOS气体传感器阵列信号的预处理方法，该预处理方法包括以下步骤：
S1：启动吸气泵，驱使空气进入气室内，以使气室内的原有气体排出，换言之，通过充入空气来清洗气室内的原有气体。当MOS气体传感器输出的电信号达到稳定状态时，关闭吸气泵，并通过多通道模数转换器获取MOS气体传感器输出的电信号值，即第一输出值。具体地，当MOS气体传感器输出的电信号的方差降低到预设阈值时，即代表“MOS气体传感器输出的电信号达到稳定状态”。进一步地，当MOS气体传感器输出的电信号达到稳定状态时，还要获取MOS气体传感器阵列的回路电压采集值Amax[0]。
S2：再次启动吸气泵，驱使目标气体进入气室，替换气室内的空气。
S3：在驱使目标气体进入气室的过程中，根据预设采集频率，驱使多通道模数转换器获取MOS气体传感器输出的电信号值，即为第一电信号，记作AL[t][i]，AL代表第一电信号，t代表采集信号的时刻编号，t的取值范围为0至tmax，t＝0代表第一次采集，t＝tmax代表最后一次采集，i代表MOS气体传感器阵列中MOS气体传感器的编号。并且将上述第一输出值作为第一电信号的第一次采集信号值，记作AL[0][i]。进一步地，当“根据预设采集频率，驱使多通道模数转换器获取MOS气体传感器输出的电信号值”时，获取对应时刻的MOS气体传感器阵列的回路电压采集值Amax[t]。
S4：对第一电信号进行滤波处理，获得第二电信号。具体地，包括以下步骤：
S41：AF[0][i]＝AL[0][i]，AF[tmax][i]＝AL[tmax][i]，其中AF代表经过滤波处理的第二电信号。
S42：判断t不等于0或tmax时的AL[t][i]是否符合预设条件，如果符合预设条件则进行滤波处理，如果不符合预设条件则AF[t][i]＝AL[t][i]。其中，“如果符合预设条件则进行滤波处理”具体包括以下步骤：
S421：如果AL[t][i]＜AF[0][i]，则AF[t][i]＝AF[0][i]。
S422：如果AL[t][i]＞AF[t-1][i]且AL[t][i]≥AL[t+1][i]，或AL[t][i]＜AF[t-1][i]且AL[t][i]＝AL[t+1][i]，则AF[t][i]＝AF[t一1][i]。其中，t+1代表第t次采集的下一次采集，t-1代表第t次采集的上一次采集。
S423：如果AL[t][i]＜AF[t-1][i]且AL[t][i]＜AL[t+1][i]，则AF[t][i]＝min{AF[t-1][i]，AL[t+1][i]}。其中，min{}代表取{}内两个元素中的最小值。
S424：如果AL[t][i]≥Amax[t]，则AF[t][i]＝Amax[t]-1。
通过上述步骤即完成“S4：对第一电信号进行滤波处理”，获得第二电信号AF[t][i]。
S5：对第二电信号进行尺度变换处理，获得第三电信号。具体地，其中，AP代表第三电信号。
其中，S4中对第一电信号进行滤波处理，能够消除电信号中的异常波动。S5中对第二电信号进行尺度变换处理，能将电信号调整到同一尺度范围内，同时消除干扰因素对MOS气体传感器的影响。
具体地，参照图2至图16，其中图2为第一测试条件下的第一电信号图，图3为对图2中的第一电信号进行滤波处理后的第二电信号图，图4为对图3中的第二电信号进行尺度变换处理后的第三电信号图，图5为对图2中的第一电信号不作滤波处理，直接进行尺度变换处理后的电信号图，图6为对图2中的第一电信号进行相对差分基线处理和对数函数归一化处理后的电信号图。图7为第二测试条件下的第一电信号图，图8为对图7中的第一电信号进行滤波处理后的第二电信号图，图9为对图8中的第二电信号进行尺度变换处理后的第三电信号图，图10为对图7中的第一电信号不作滤波处理，直接进行尺度变换处理后的电信号图，图11为对图7中的第一电信号进行相对差分基线处理和对数函数归一化处理后的电信号图。图12为第三测试条件下的第一电信号图，图13为对图12中的第一电信号进行滤波处理后的第二电信号图，图14为对图13中的第二电信号进行尺度变换处理后的第三电信号图，图15为对图12中的第一电信号不作滤波处理，直接进行尺度变换处理后的电信号图，图16为对图12中的第一电信号进行相对差分基线处理和对数函数归一化处理后的电信号图。
第一测试条件与第二测试条件的采集气体种类和浓度相同，两者的区别为引入MOS气体传感器、电路条件、采集系统、所处环境和使用方法等干扰因素(即背景技术中的干扰因素1至5)，具体为Amax和AL[0][i]不同。第一测试条件与第三测试条件的区别为采集气体浓度不同。
具体地，图2至图16的横坐标为采样时刻编号t，纵坐标为电信号值。
对比图2和图4，可以明显看出，经过预处理后的第三电信号相比于未作预处理的第一电信号，不同型号的MOS气体传感器信号的初始值变得一致(均为0)，且信号的幅值相差较小，这代表采用本发明提供的信号预处理方法后，能够使MOS气体传感器阵列信号在同一尺度范围内变化，提高了MOS气体传感器获取信号的一致性。
对比图6和图11，可以明显看出两者的曲线不同，这代表采用现有技术的对第一电信号进行相对差分基线处理和对数函数归一化处理的方法，无法消除干扰因素1至5对电信号的影响，导致MOS气体传感器获取的信号结果不一致、不稳定。而对比图4和图9，可以明显看出两者的曲线基本一致，这代表采用本发明提供的信号预处理方法后，能够有效消除干扰因素1至5的影响，从而提高了MOS气体传感器获取信号的一致性和稳定性。
图5示出了对第一电信号不作滤波处理，直接进行尺度变换处理后的电信号，可以明显看出，不进行滤波处理的电信号会出现大量波动。而图4中的第三电信号在尺度变换处理前还进行了滤波处理，从图中可以明显看出，异常波动基本消失，获取电信号的稳定性得到了提高。对比图9和图10，图14和图15，也可以验证上述效果。
而且综合第一测试条件、第二测试条件和第三测试条件的测试结果，本发明的方法在不同的测试条件下，均可提高MOS气体传感器获取信号的一致性和稳定性。
至此，已经结合附图所示的优选实施方式描述了本发明的技术方案，但是，本领域技术人员容易理解的是，本发明的保护范围显然不局限于这些具体实施方式。在不偏离本发明的原理的前提下，本领域技术人员可以对相关技术特征作出等同的更改或替换，这些更改或替换之后的技术方案都将落入本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种MOS气体传感器阵列信号的预处理方法，其特征在于，所述MOS气体传感器阵列包括多个MOS气体传感器，多个所述MOS气体传感器设置在气室内，所述预处理方法包括以下步骤：
驱使空气进入所述气室内，替换所述气室内的原有气体，当所述MOS气体传感器输出的电信号达到稳定状态时，获取所述MOS气体传感器输出的第一输出值；
驱使目标气体进入所述气室内，替换所述气室内的空气，且在驱使目标气体进入所述气室内的过程中，根据预设采集频率获取所述MOS气体传感器输出的第一电信号，且将所述第一输出值作为所述第一电信号的第一次采集信号值；
对所述第一电信号进行滤波处理，获得第二电信号；
对所述第二电信号进行尺度变换处理，获得第三电信号。
2.根据权利要求1所述的预处理方法，其特征在于，“对所述第一电信号进行滤波处理，获得第二电信号”包括：
AF[0][i]＝AL[0][i]；
AF[tmax][i]＝AL[tmax][i]；
其中，t为获取所述第一电信号的时刻编号，t的取值范围为从0到tmax，t＝0代表第一次采集，t＝tmax代表最后一次采集，AL为所述第一电信号，AF为所述第二电信号，i为所述MOS气体传感器的编号。
3.根据权利要求2所述的预处理方法，其特征在于，“对所述第一电信号进行滤波处理，获得第二电信号”还包括：
判断t不等于0或tmax时的AL[t][i]是否符合预设条件，如果符合预设条件则进行滤波处理，如果不符合预设条件则AF[t][i]＝AL[t][i]。
4.根据权利要求3所述的预处理方法，其特征在于，“判断t不等于0或tmax时的AL[t][i]是否符合预设条件，如果符合预设条件则进行滤波处理”包括：
如果AL[t][i]＜AF[0][i]，则AF[t][i]＝AF[0][i]。
5.根据权利要求4所述的预处理方法，其特征在于，“判断t不等于0或tmax时的AL[t][i]是否符合预设条件，如果符合预设条件则进行滤波处理”还包括：
如果AL[t][i]＞AF[t-1][i]且AL[t][i]≥AL[t+1][i]，或AL[t][i]＜AF[t-1][i]且AL[t][i]＝AL[t+1][i]，则AF[t][i]＝AF[t-1][i]；
其中，t+1代表第t次采集的下一次采集，t-1代表第t次采集的上一次采集。
6.根据权利要求5所述的预处理方法，其特征在于，“判断t不等于0或tmax时的AL[t][i]是否符合预设条件，如果符合预设条件则进行滤波处理”还包括：
如果AL[t][i]＜AF[t-1][i]且AL[t][i]＜AL[t+1][i]，则AF[t][i]＝min{AF[t-1][i]，AL[t+1][i]}；
其中min{}代表取{}内两个元素中的最小值。
7.根据权利要求6所述的预处理方法，其特征在于，“判断t不等于0或tmax时的AL[t][i]是否符合预设条件，如果符合预设条件则进行滤波处理”还包括：
如果AL[t][i]≥Amax[t]，则AF[t][i]＝Amax[t]-1；
其中，Amax[t]为在获取AL[t][i]时获取的所述MOS气体传感器阵列的回路电压采集值。
8.根据权利要求7所述的预处理方法，其特征在于，“对所述第二电信号进行尺度变换处理，获得第三电信号”包括：
其中，AP代表第三电信号，Amax[0]为在获取AL[0][i]时获取的所述MOS气体传感器阵列的回路电压采集值。
9.一种MOS气体传感器阵列信号的预处理装置，其特征在于，包括：
气室；
MOS气体传感器阵列，其设置在所述气室内；
控制模块，其配置为执行如权利要求1-8中任一项所述的预处理方法。
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