CN104807968A

CN104807968A - 气体传感器及其识别与校准方法

Info

Publication number: CN104807968A
Application number: CN201510239176.7A
Authority: CN
Inventors: 郭功剑
Original assignee: Hangzhou North Star Photoelectricity Technology Corp Ltd
Current assignee: Hangzhou North Star Photoelectricity Technology Corp Ltd
Priority date: 2015-05-11
Filing date: 2015-05-11
Publication date: 2015-07-29

Abstract

本发明提供了一种能被自动识别、可单独校准的气体传感器及其识别和校准的方法，且不同类型的气体传感器可应用于同一探测器主机；包括气敏元件、转换模块和接口模块，所述的气敏元件通过转换模块连接至接口模块；所述的转换模块包括信号处理子模块和微处理器子模块；所述的信号处理子模块包括气敏元件驱动电路、信号放大电路，气敏元件在所述驱动电路的作用下输出微弱模拟信号，并被所述的信号放大电路放大；所述的微处理器子模块包括微处理器、模数转换电路、温度补偿电路和数据存储器，其中模数转化电路、温度补偿电路和数据存储器均连接至所述的微处理器，微处理器通过模数转换电路采集放大后的模拟信号，经处理后得到浓度值。

Description

气体传感器及其识别与校准方法

技术领域

本发明涉及一种气体传感器及其识别与校准方法。

背景技术

气体传感器是气体探测器的核心元件。常规的气体传感器，如电化学传感器、催化燃烧传感器、红外传感器、半导体传感器、PID传感器等，一般仅输出模拟信号，探测器不能自动识别或读出传感器信息，也不能对传感器进行校准等。在探测器安装现场，若传感器出现故障或者寿命已到，则需要快速更换传感器，但如果换上错误的传感器而不能被识别出来，就会留下隐患，或者现场误报警或者不报警。

传感器随着时间推移，其零点和灵敏度都会出现漂移，因此，需要定期对其进行校准。另外，新更换的传感器也要进行校准。由于常规气体传感器不能单独进行校准，故通常需要配合探测器主机才能完成校准工作。也就是说，只有在探测器安装现场配合标气，才能完成校准，使用非常不便，而且有毒有害标气还会污染环境或带来危险。

各种常规的气体传感器规格各异，因此，不同类型的传感器无法应用到同一款探测器主机上，造成不同种类的传感器替换十分不便。另外，针对不同类型的传感器，需要开发不同版本的探测器主机，不利于版本管理，增加研发成本。

发明内容

为了解决现有技术中存在的上述不足，本发明提供了一种能被自动识别、可单独校准的气体传感器，且不同类型的气体传感器可应用于同一探测器主机，替换十分便捷。

为了实现上述目的，本发明提出了一种气体传感器，包括气敏元件、转换模块和接口模块，所述的气敏元件通过转换模块连接至接口模块；

所述的转换模块包括信号处理子模块和微处理器子模块；

所述的信号处理子模块包括气敏元件驱动电路、信号放大电路，气敏元件在所述驱动电路的作用下输出微弱模拟信号，并被所述的信号放大电路放大；

所述的微处理器子模块包括微处理器、模数转换电路、温度补偿电路和数据存储器，其中模数转化电路、温度补偿电路和数据存储器均连接至所述的微处理器，微处理器通过模数转换电路采集放大后的模拟信号，经处理后得到浓度值；温度补偿电路用于修正由温度造成的测量误差；数据存储器是电可擦可编程只读存储器，用于存储所述气体传感器的参数和测量值；

所述的接口模块至少包括两个电源引脚、两个数字信号通信引脚，

在气体传感器内存储有一个基本识别码，该识别码能最低限度的表示本气体传感器的类型。

所述的气体传感器的参数包括类别码，和测量气体名称、量程、响应时间、分辨率、零点、调零系数、标定系数、温度补偿系数以上参数中的一种或多种，并作为气体传感器的识别码。

所述的接口模块至少包括两个电源引脚、两个数字信号通信引脚。所述的数字信号通信引脚是串口引脚。外部电源通过所述的电源引脚给所述的气体传感器供电。外部主机通过所述的串口引脚与所述的气体传感器通信。所述的接口模块还可以包括一个模拟信号输出引脚。

气体传感器包含全球唯一的编码。

为了实现上述目的，本发明提出了一种气体传感器识别方法：

把所述的参数做成一个数据文件保存在所述的数据存储器中，且所述的数据文件中含有全球唯一的编码。所述的全球唯一的编码是所述气体传感器的身份标识，厂家可通过所述的编码追踪所述的气体传感器。

选取所述参数中的类别码和测量气体名称作为识别所述气体传感器的基本识别码。也可根据实际需要，在所述基本识别码的基础上，增加所述参数中的其他参数一同作为识别所述气体传感器的识别码。

所述的气体传感器与气体探测器主机正确连接后，上电开机。在气体探测器开机自检过程中，气体探测器主机通过所述的串口向所述的气体传感器发出参数读取指令，读取所述的参数。气体探测器主机根据定义好的识别码，判断所述气体传感器的识别码与定义的识别码是否匹配。若两者相匹配，则所述气体传感器通过识别，气体探测器进入检测模式；否则，不能通过识别，则气体探测器发出报警，并进入报警模式。

为了实现上述目的，本发明提出了一种气体传感器的校准方法，所述的校准包括温度补偿、调零和标定。

所述的温度补偿方法是：

通过机理研究建立各类气体传感器器的温度补偿模型，通过实验获取所述气体传感器输出信号随温度的变化数据，对所述的输出信号进行归一化处理，再对归一化的输出信号-温度数据进行曲线回归，确定温度补偿系数，用所述的温度补偿系数对所述气体传感器的输出信号进行修正。

制造商在出厂前会对所述的气体传感器进行温度补偿，而客户在使用过程中无需对所述的气体传感器重新进行温度补偿。

所述的调零和标定方法是：

把所述的气体传感器安装在校准工装上，并与上位机校准***连接。通过所述的校准工装以规定流量对所述的气体传感器通零气，待所述气体传感器的输出值稳定后，通过所述的上位机校准***发送调零指令，完成调零工作；再通过所述的校准工装以规定流量对所述的气体传感器通标准气体，待所述气体传感器的输出值稳定后，通过所述的上位机校准***发送标定指令，完成标定工作。所述的气体传感器每次在执行完调零和标定之后，自动保存所得到的调零系数和标定系数。

制造商在出厂前会对所述的气体传感器进行调零和标定，客户在使用过程中也可对所述的气体传感器进行调零和标定。

与现有技术相比，本发明具有的有益效果为：

a.对每个气体传感器设置了识别码，传感器主机可以根据该识别码自动识别气体传感器，避免误报警或不报警。

b.利用接口模块的作用，使得气体传感器能够脱离气体探测器主机单独进行校准，在现场可实现“即插即用”。

c.可在专门的实验室进行批量校准，安全可靠效率高。

d.接口模块具有通用接口，不同种类气体传感器可应用在同一气体探测器主机上。

e.可全面检测气体传感器性能，提前预估传感器的正常剩余寿命，了解传感器是否异常，确保每台仪表的性能达到最佳。

f.利用基本识别码，可跟踪气体传感器的使用情况。

附图说明

图1是本发明的气体传感器的基本结构示意图

图2是本发明的气体传感器的识别流程图

图3是本发明的气体传感器的校准流程图

具体实施方式

下面通过实施例结合附图，对本发明做进一步说明。

实施例1：

图1给出了本发明的气体传感器的一种基本结构。

所述的气体传感器包括气敏元件、转换模块、接口模块，所述的气敏元件通过所述的转换模块连接至所述的接口模块。

所述的气敏元件可以是常规的电化学传感器，也可以是常规的催化燃烧传感器、红外传感器、PID传感器、半导体传感器等，这些常规的传感器只对外输出模拟信号。在应用时，可根据现场检测需求选择合适的气敏元件，例如，检测煤矿中的瓦斯气体，则选择催化燃烧甲烷传感器或红外甲烷传感器。

所述的转换模块包括信号处理子模块和微处理器子模块。所述的信号处理子模块包括气敏元件驱动电路、信号放大电路。所述的气敏元件在所述驱动电路的作用下输出微弱模拟信号，并被所述的信号放大电路放大；所述的微处理器子模块包括微处理器、模数转换电路、温度补偿电路和数据存储器，所述的模数转化电路、温度补偿电路和数据存储器均连接至所述的微处理器。所述的微处理器通过所述的模数转换电路采集放大后的模拟信号，经处理后得到浓度值。所述的微处理器可以是单片机。所述的温度补偿电路用于修正由温度造成的检测误差。所述的数据存储器是电可擦可编程只读存储器。

所述的接口模块至少包括两个电源引脚、两个数字信号通信引脚。所述的数字信号通信引脚是RS232串口引脚。外部电源通过所述的电源引脚给所述的气体传感器供电。外部主机通过所述的RS232串口引脚与所述的气体传感器通信。所述的接口模块还可以包括一个模拟信号输出引脚，用于对外输出浓度值所对应的模拟信号。

图2给出了本发明的气体传感器的一种识别方法。

第一步，封装传感器参数。所述的气体传感器在出厂前，其参数被做成一个数据文件保存在所述的数据存储器中，且所述的数据文件中含有全球唯一的编码。所述的参数包括所述气体传感器的类别码、测量气体名称、量程、响应时间、分辨率、零点等规格参数，以及调零系数、标定系数、温度补偿系数等校准系数；所述的全球唯一的编码是所述气体传感器的身份标识，厂家可通过所述的编码追踪所述的气体传感器。

第二步，定义识别码。选取所述参数中的类别码和测量气体名称作为识别所述气体传感器的基础识别码，用基础识别码进行定义。例如，类别码＝“电化学”、测量气体名称＝“CO”。也可根据实际需要，在所述基础识别码的基础上，增加其他参数一同作为识别所述气体传感器的加强识别码，用加强识别码进行定义。例如，类别码＝“电化学”、测量气体名称＝“CO”、响应时间<30s。

第三步，更换传感器。把新气体传感器或校准后的旧气体传感器与气体探测器主机相连，检查无误后准备上电开机。

第四步，读取数据文件。气体探测器上电开机后进入自检状态，探测器主机通过串口向所述的气体传感器发出参数读取指令，读取所述气体传感器的参数。

第五步，验证识别码。气体探测器主机根据定义的识别码，判断所述气体传感器的识别码与定义的识别码是否匹配。若两者相匹配，则所述的气体传感器通过识别验证，否则就不通过识别验证。

例如，识别码定义如下：类别码＝“电化学”、测量气体名称＝“CO”。探测器主机对所述气体传感器的识别码进行判断，若所述气体传感器的类别码＝“电化学”、测量气体名称＝“CO”，则所述的气体传感器通过识别，气体探测器进入检测模式，否则所述的气体传感器不能通过识别，气体探测器发出报警，并进入报警模式，提醒用户重新更换传感器。

图3给出了本发明的气体传感器的一种校准方法，所述气体传感器的校准包括温度补偿、调零和标定。

所述的温度补偿方法是：

第一步，建立温度补偿模型。通过机理研究建立各类气体传感器的温度补偿模型，以气敏元件是常规电化学传感器的气体传感器为例，其温度补偿模型为：

U_Comp＝U/f(T) (1)

上式中，U是数模转换电路所采集的模拟信号；f(T)是归一化的温度补偿函数；T是所述温度补偿电路返回的温度值；U_Comp是经温度补偿后的模拟信号。

第二步，确定温度补偿系数。通过实验获取所述的模拟信号U随温度的T变化数据，然后用室温(20℃)所对应的模拟信号U₀对模拟信号U进行归一化处理(即所有模拟信号U除以U₀)，得到归一化的模拟信号U_Norm，再对归一化的模拟信号U_Norm-温度T进行曲线回归，获得归一化的温度补偿函数f(T)，得到并保存温度补偿系数。

第三步，修正模拟信号。用归一化的温度补偿函数对数模转化电路所采集的模拟信号U进行修正，得到温度补偿后的模拟信号U_Comp。

所述的调零和标定方法是：

第一步，建立调零标定模型。通过机理研究建立各类气体传感器的调零标定模型，以气敏元件为常规电化学传感器的气体传感器为例，其调零标定模型为

C＝K*(U_Comp-Zero) (2)

上式中，U_Comp是经温度补偿后的模拟信号；Zero是零点值，即调零系数，为常量；K为灵敏度值，即标定系数，为常量；C是待测气体的浓度。

第二步，连接传感器。把多只需要校准的气体传感器安装在校准工装上，并通过所述的串口与所述的上位机校准***连接。

第三步，调零。通过所述的校准工装以规定流量对所有的气体传感器通零气(如清洁空气)，待所有的气体传感器的输出值稳定后，通过所述的上位机校准***发送调零指令，各气体传感器根据公式(3)计算并保存各自的调零系数，完成批量调零工作。

Zero＝U_Comp (3)

上式中，U_Comp是各传感器采集的经温度补偿后的模拟信号；Zero是各传感器的调零系数。

第四步，标定。通过所述的校准工装以规定流量对所有的气体传感器通标准气体(如500ppmCO)，待所有的气体传感器的输出值稳定后，通过所述的上位机校准***发送标定指令，各气体传感器根据公式(4)计算并保存各自的标定系数，完成批量标定工作。

K＝C/(U_Comp-Zero) (4)

上式中，C是标准气体浓度，为500ppm；Zero是各传感器的调零系数，为常量；U_Comp是各传感器采集的经温度补偿后的模拟信号，K是各传感器的标定系数。

所述气体传感器的校准可以在实验室的校准工装上单独进行，单台校准工装一次可连接多颗传感器，并结合上位机校准软件，单次可对传感器进行批量校准。另外，所述气体传感器的校准可脱离气体探测器主机，不用在探测器安装现场进行。

所述气体传感器校准之后进入检测模式，实时采集模拟信号U和温度T，根据公式(1)对模拟信号U进行温度补偿，得到补偿后的模拟信号U_Comp，再根据公式(2)计算待测气体浓度C，并把浓度值转换成对应的数字信号或模拟信号对外输出。

所述气体传感器工作一段时间后，其零点和灵敏度会出现漂移，需要重新调零标定。

Claims

1.一种气体传感器，包括气敏元件、转换模块和接口模块，其特征是所述的气敏元件通过转换模块连接至接口模块；

所述的转换模块包括信号处理子模块和微处理器子模块；

所述的接口模块至少包括两个电源引脚、两个数字信号通信引脚，在气体传感器内存储有一个基本识别码，该识别码能最低限度的表示本气体传感器的类型。

2.根据权利要求1所述的气体传感器，其特征是所述气体传感器的参数包括类别码，和测量气体名称、量程、响应时间、分辨率、零点、调零系数、标定系数、温度补偿系数以上参数中的一种或多种，并作为气体传感器的识别码。

3.根据权利要求1或2所述的气体传感器，其特征是所述的接口模块上设有一个模拟信号输出引脚。

4.根据权利要求1所述的气体传感器，其特征是所述的气体传感器包含全球唯一的编码。

5.一种如权利要求1所述气体传感器的识别方法，其特征是包括气体传感器和气体探测器主机，在气体探测机主机内存储有各种不同类型气体传感器的基本识别码，并预先定义好所需要使用的气体传感器的基本识别码，待气体传感器与气体探测器主机正确连接后，上电开机；在气体探测器开机自检过程中，气体探测器主机通过接口模块向气体传感器发出参数读取指令，读取所述的识别码，气体探测器主机根据定义好的识别码，判断所述气体传感器的识别码与定义的识别码是否匹配；若两者相匹配，则所述气体传感器通过识别，气体探测器进入检测模式；否则，不能通过识别，则气体探测器发出报警，并进入报警模式。

6.一种如权利要求1所述的气体传感器的校准方法，其特征是包括温度补偿、调零和标定；

所述的温度补偿方法是：

通过机理研究建立各类气体传感器器的温度补偿模型，通过实验获取所述气体传感器输出信号随温度的变化数据，对所述的输出信号进行归一化处理，再对归一化的输出信号-温度数据进行曲线回归，确定温度补偿系数，用所述的温度补偿系数对所述气体传感器的输出信号进行修正；制造商在出厂前会对所述的气体传感器进行温度补偿，而使用者在使用过程中无需对所述的气体传感器重新进行温度补偿。

所述的调零和标定方法是：

把所述的气体传感器安装在校准工装上，并与上位机校准***连接，通过所述的校准工装以规定流量对所述的气体传感器通零气，待所述气体传感器的输出值稳定后，通过所述的上位机校准***发送调零指令，完成调零工作；再通过所述的校准工装以规定流量对所述的气体传感器通标准气体，待所述气体传感器的输出值稳定后，通过所述的上位机校准***发送标定指令，完成标定工作；所述的气体传感器每次在执行完调零和标定之后，自动保存所得到的调零系数和标定系数；制造商在出厂前会对所述的气体传感器进行调零和标定，使用者在使用过程中也可对所述的气体传感器进行调零和标定。