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      一種半導體式氣體傳感器的校準方法、系統、設備與流程

      文檔序號:24543650發布日期:2021-04-02 10:50
      一種半導體式氣體傳感器的校準方法、系統、設備與流程

      [技術領域]

      本發明涉及氣體傳感器技術領域,特別是涉及一種半導體式氣體傳感器的校準方法、系統和設備。

      [

      背景技術:
      ]

      半導體式傳感器由于壽命長,價格便宜在氣體探測器上被廣泛使用。例如,甲烷氣體傳感器是一種常見的半導體式氣體傳感器,在消防領域起了重要的作用。但因為半導體傳感器基礎技術本身的生產工藝、電化學反應強度易受環境影響,導致應用時產品一致性差,容易誤報。因此,傳感器應用時需從要進一步篩選、校準?,F有傳感器校準方法大都基于對傳感器在預設環境下進行標定,篩選方法主要依賴傳感器廠商根據標準環境電壓差異做分檔處理。由于,傳感器的受環境(溫濕度以及其它氣體)影響較大,使得預設環境標定的工作點漂移,在實際使用中氣體濃度到達甚至超過報警下限時依舊不能及時發出響應。因此,通過追蹤標準環境標定值變化,修正實際環境動作值成為了該領域的研究方向。

      申請號:cn2019108177661介紹了一種專利半導體式氣體傳感器的校準方法、系統和設備,該專利通過兩個以上預設氣體濃度下的傳感器輸出的電壓擬合成曲線,根據曲線求出實際環境中報警點的偏差與參考點的偏差之間的相關函數,根據函數關系修正報警精度。然而該專利中對預設環境電壓獲取,需要通過上位機控制才能實現,此種方法實際操作復雜,沒對傳感器自身穩定性進行篩選判斷,其次實際環境中設備斷電后,在某些環境下,如:低濃度情況時通電后將無法獲取真實差值而失去校準精度,甚至校準失效。

      [

      技術實現要素:
      ]

      針對上述缺點,本發明實施例的目的在于提供一種新的半導體氣體傳感器校準的方法、系統及設備,旨在解決半導體傳感器基礎技術本身的生產工藝、電化學反應強度易受環境影響給應用產品帶來的一致性、穩定性差的問題,化簡應用產品生產過程中的復雜程度,提高傳感器在低濃度環境下對標準環境信號的補償精度。

      本發明的技術方案如下:

      一方面提供一種半導體式氣體傳感器的校準方法,包含如下步驟:

      s1.循環交替控制傳感器通電、斷電,并通過軟件算法監測傳感器輸出信號,判斷傳感器輸出信號是否平穩;

      s2.輸出信號平穩的傳感器進入設定預制環境,通過算法判定預制環境下,傳感器響應速度是否達標;

      s3.篩選出輸出信號平穩、響應速度達標的傳感器;

      s4.通過內置算法自動識別預制環境變化,與其預制步驟先后順序對應,從而達到自動識別預制環境中對應的氣體濃度數據,并保存;

      s5.記錄每次通、斷電的時間點數據;

      s6.結合對步驟s5獲得的數據,通過實際環境下零點值電壓與預設環境下零點電壓直接的差值建模,通過算法處理計算出實際環境下報警點的電壓值,最終補償報警點閾值。

      進一步地,在步驟s1中,還包括傳感器輸出信號值的離散系數的計算,計算步驟如下:

      首選計算出所有n個傳感器采樣數據的總體均值;其次,計算出所有n個傳感器采樣數據的標準差;最后根據上述兩個數據計算出傳感器采樣的數據離散系數p。

      進一步地,若系統設定的穩定離散閾值為α;如果計算出p<α;則判斷傳感器輸出信號平穩,可進入下一步驟;反之,如果計算出p>α;則此傳感器被標記,不能進入下一步驟。

      進一步地,步驟s2中,通過對傳感器輸出信號是否達到平穩值以及達到輸出平穩值所需的時間進行對比,從而判斷傳感器響應速度是否達標。

      進一步地,在步驟s4中,還包括對傳感器在預制環境下進行標定;所述標定包括應用標定,及氣體報警濃度值標定。

      另一方面,提供一種半導體式氣體傳感器的校準系統,包含以下單元:測量單元、控制單元、標定單元、分析單元、修正單元五部分組成。

      進一步地,所述測量單元負責采集傳感器電壓輸出值和計算傳感器通斷電的時間及間隔。

      進一步地,所述控制單元負責按照設定的控制時序對傳感器進行電源供電、斷電控制。

      進一步地,所訴標定單元負責完成在預制環境中獲取傳感器設定的報警濃度值并存儲在設備中。

      進一步地,所述分析單元通過算法的支撐,負責整個系統篩選、校準過程數據的判斷、處理。

      進一步地,所述修正單元負責在傳感器實際應用中對報警點閾值的補償。

      進一步地,所述控制單元、測量單元、分析單元、修正單元依次連接,所述標定單元分別連接分析單元和測量單元。

      另一方面,本發明還提供一種半導體式氣體傳感器的校準設備,包括半導體式的氣體探測器和與其相連的上位機,所述半導體式的氣體探測器包括半導體式的氣體傳感器,所述上位機用于發送預設的氣體濃度給氣體探測器,所述設備實現如上述所述的半導體式氣體傳感器的校準方法。

      本發明的校準方法設定預制環境過程中,對傳感器信號響應速度進行檢測,對響應緩慢、響應不穩定的傳感器進行挑選。通過記錄傳感器使用過程通斷電時間情況,結合實際使用時的零點電壓,實現算法實時最終零點信號,最終補償報警點閾值。通過算法篩選、記錄通斷電時間、標準環境下輸出信號的變化情況,算法綜合處理后校準實際報警閾值,提高產品一致性、準確度、降低環境對產品的影響。

      [附圖說明]

      圖1為本發明一個實施例中半導體式氣體傳感器的校準方法流程示意圖。

      圖2為本發明一個實施例中半導體式氣體傳感器的系統結構示意圖。

      [具體實施方式]

      為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白,以下結合附圖及實施例,對本發明進行進一步詳細說明。應當理解,此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發明,并不用于限定本發明。

      在本文中提及“實施例”意味著,結合實施例描述的特定特征、結構或特性可以包含在本申請的至少一個實施例中。在說明書中的各個位置出現該短語并不一定均是指相同的實施例,也不是與其它實施例互斥的獨立的或備選的實施例。本領域技術人員顯式地和隱式地理解的是,本文所描述的實施例可以與其它實施例相結合。

      實施例

      本申請提供的半導體式氣體傳感器的校準方法解決半導體傳感器基礎技術本身的生產工藝、電化學反應強度易受環境影響給應用產品帶來的一致性、穩定性差的問題,化簡應用產品生產過程中的復雜程度,提高傳感器在低濃度環境下對標準環境信號的補償精度。

      如圖1所示,本實施例的半導體式氣體傳感器的校準方法流程示意圖,該實施例中的半導體式氣體傳感器的校準方法包括以下步驟:

      步驟s1:傳感器供電控制電路進行設計,通過軟件循環交替控制傳感器通電、斷電,并通過軟件算法監測傳感器輸出信號,判斷傳感器輸出信號是否平穩。

      結合圖2的系統結構示意圖,傳感器通電、斷電由系統控制單元負責,電源控制端連接系統中控處理器的脈沖寬度調制pwm接口,其通過預設的軟件編程,循環輸出高低電平,高電平on時,傳感器通電;低電平off時,傳感器斷電;其占空比:高電平時間/低電平時間始終保持一致;其頻率為f。

      判斷傳感器信號是否穩定的具體方法為:

      傳感器每次通電時,監測采樣n個傳感器輸出信號值v,并對采樣的n個數據進行均值處理,公式如下:

      傳感器進行通斷電控制時間達到系統預設的時間閾值t后,對測量單元采集的m個傳感器輸出信號值數據進行離散度分析從而計算出傳感器輸出信號值的離散系數,具體算法如下:

      1>計算出所有采樣數據的總體均值

      2>計算出所有采樣數據的標準差

      3>根據上述兩個數據計算出傳感器采樣的數據離散系數

      若系統設定的穩定離散閾值為α;如果計算出p<α;則判斷傳感器輸出信號平穩,可進入下一步驟;反之,如果計算出p>α;則此傳感器被標記,不能進入下一步驟。

      步驟s2:輸出信號平穩的傳感器進入設定預制環境,通過算法判定預制環境下,傳感器響應速度是否達標。

      通過步驟s1后,將合格的傳感器置于預制環境下,預制環境是設定一個固定的氣體濃度值,通過對傳感器輸出信號是否達到平穩值以及達到輸出平穩值所需的時間進行對比,從而判斷傳感器響應速度是否達標。具體為:

      設定傳感器響應時間閾值為t,計算傳感器輸出信號達到平穩值的時間為β;其計算條件為從將傳感器放入預制環境中開始,傳感器會由于檢測到氣體從而使傳感器的輸出信號產生變化,直至趨于穩定。設定lv為前n個采集數據的求平均值,rv為現n個采集數據的求平均值;則當rv-lv=0時,表明傳感器輸出信號穩定,并計算出此過程所需的時間β。21

      步驟s3:綜合第一、第二步監測的數據結果,篩選出輸出信號平穩、響應速度達標的傳感器。

      通過步驟s1、s2;系統獲取傳感器的數據離散系數p及響應速度β;并且當p小于設定的離散閾值α;β小于設定的時間閾值t同時滿足時,此傳感器即為合格。進而篩選出合格的傳感器。

      步驟s4:通過內置算法自動識別預制環境變化,與其預制步驟先后順序對應,從而達到自動識別預制環境中對應的氣體濃度數據,并保存。

      通過步驟三后,只是篩選出了合格的傳感器,還未對傳感器進行產品應用標定。因此,需要再對傳感器進行應用標定,及氣體報警濃度值標定。在預制環境下,預制環境在篩選傳感器時的初始狀態為固定的氣體濃度,且氣體濃度值與報警濃度值不等。因此,首先將預制環境快速調整為氣體報警濃度值,比如固定氣體濃度值c1<標定報警濃度值c2;則需對預制環境進行加注氣體。其加注氣體應為濃度值為c2-c1的差值所對應氣體容量。當加注氣體后,通過對傳感器輸出值的判斷,即當rv-lv>0時;則系統即自動識別預制環境已發生變化,正處于應用標定階段。重復步驟2的算法,當傳感器輸出穩定后,記錄并保存當前的報警濃度值c2所對應的采集數據。

      步驟s5:記錄每次通、斷電的時間點數據。

      系統內置實時時鐘,應用時或存儲時的每次通電時間、斷電時間都會實時記錄并存儲于產品數據庫中,通過記錄每次通、斷電的時間點數據,則可以得出斷電間隔時長ta。

      步驟s6:結合對步驟s5獲得的數據,通過實際環境下零點值電壓與預設環境下零點電壓直接的差值建模,通過算法處理計算出實際環境下報警點的電壓值,最終補償報警點閾值。

      通過對第五步驟獲得的數據,結合實際環境下零點值電壓與預設環境下零點電壓直接的差值建模。通過算法處理計算出實際環境下報警點的電壓值;

      根據傳感器的工藝特性,傳感器在長時間斷電后,需要穩定一段時間才能輸出穩定的信號。因此,監控傳感器產品的斷電時間,并根據傳感器的斷電時間從而精準的補償實際環境中的報警點電壓值非常有必要。根據前面的步驟,已經記錄并存儲了預制環境下的傳感器零點值a,斷電時長ta,氣體濃度報警點電壓值v1,在實際環境中,根據前面的方法采樣傳感器輸出零點值b。

      從而能計算出實際環境下的報警點的電壓值va:

      如果b>a,

      va=v1+y+y2(3)

      同理如果b<a,va=v1+y-y2(4)

      本發明根據預制環境狀態變化先后順序,標定報警點、參考點,并根據參考點、通斷電時間數據修正報警點,采用上述技術方案后,對氣體傳感器在斷電一段時間后,即使在低濃度環境下重新通電工作,也不會因為出現對標準環境信號的對標失敗從而引起的補償失效,大大提升了產品的穩定性。

      作為本發明的實施例之一,參考圖2,系統由測量單元、控制單元、標定單元、分析單元、修正單元等五部分組成。修正單元負責在傳感器實際應用中對報警點閾值的補償;所述控制單元、測量單元、分析單元、修正單元依次連接,所述標定單元分別連接分析單元和測量單元。測量單元負責采集傳感器電壓輸出值和計算傳感器通斷電的時間及間隔;控制單元負責按照設定的控制時序對傳感器進行電源供電、斷電控制;標定單元負責完成在預制環境中獲取傳感器設定的報警濃度值并存儲在設備中;分析單元通過算法的支撐,負責整個系統篩選、校準等過程數據的判斷、處理。

      本發明實施例的半導體式氣體傳感器的校準系統與上述半導體式氣體傳感器的校準方法一一對應,在上述半導體式氣體傳感器的校準方法的實施例闡述的技術特征及其有益效果均適用于半導體式氣體傳感器的校準系統的實施例中。

      一種半導體式氣體傳感器的校準設備,包括半導體式的氣體探測器和與其相連的上位機,半導體式的氣體探測器包括半導體式的氣體傳感器,此外,該探測器還包括了可以顯示半導體式氣體傳感器的輸出電壓的儀器,以及可以進行數據處理的處理器。上位機用于發送預設的氣體濃度給氣體探測器。

      上述半導體式氣體傳感器的校準設備,通過在處理器上運行可執行程序,可以實現半導體式氣體傳感器的校準方法,可以提高半導體式氣體傳感器的準確度。

      凡是屬于本發明原理的技術方案均屬于本發明的保護范圍。對于本領域的技術人員而言,在不脫離本發明的原理的前提下進行的若干改進,這些改進也應視為本發明的保護范圍。

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