CN110220945B - 半导体气体传感器的全量程温度补偿方法 - Google Patents

半导体气体传感器的全量程温度补偿方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了半导体气体传感器的全量程温度补偿方法，属于气体传感器检测技术领域，解决了现有半导体气体传感器不能用作气体浓度输出的缺陷。本发明的全量程温度补偿方法包括如下步骤：S1、获取当前环境温度以及半导体式气体传感器在当前使用环境中的阻值，以该半导体式气体传感器的标定阻值确定当前的归一化系数；S2、在预先建立的温度补偿数据库中查找与当前环境温度相近的上下两个温度值，采用线性插值方法生成当前环境温度条件下的归一化系数与气体浓度对照表；S3、在步骤S2生成的归一化系数与气体浓度对照表中查找与步骤S1中当前的归一化系数相近的上下两个气体浓度，采用线性插值方法计算获得当前环境温度条件下的气体浓度。

Description

半导体气体传感器的全量程温度补偿方法
【技术领域】
本发明涉及气体传感器检测技术领域，尤其涉及半导体气体传感器的全量程温度补偿方法。
【背景技术】
半导体气体传感器是利用气体与半导体气敏元件接触，并在半导体表面发生氧化还原反应，导致半导体气敏元件阻值变化的机理制成的，人们以此来检测特定气体的成分或者测量气体浓度。半导体式气体传感器不同于催化燃烧式传感器，其电阻值与气体浓度不是线性关系，而是随着气体浓度的增加呈现负幂指数降低的趋势，使得在高气体浓度区阻值的变化很小，难以准确区分。同时，其阻值还会受到环境温度的影响，所以并不能仅通过测量半导体气体传感器的阻值直接获得气体浓度。因此，行业内常将其作为阈值报警使用，不会用作气体浓度输出。
现有技术已知的一种补偿式气体传感器的温湿度补偿方法，根据实际测量值在补偿系数查询数据库查询得到相应的补偿系数，再通过计算获得气体浓度真实值。这种补偿方法首先要获得气体浓度、温度、湿度的实际测量值，但由于半导体气体传感器的阻值与气体浓度不是线性关系，这种方法不适用于半导体式气体传感器，而且实际建立数据库的工作量太大，所需要的硬件成本过高，实现难度大。
鉴于半导体气体传感器在成本和使用寿命方面的优势，本领域期望能找到一种适用于半导体气体传感器的浓度输出方法，以拓宽半导体气体传感器的应用范围。
【发明内容】
本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术的不足而提供一种半导体气体传感器的全量程温度补偿方法，使半导体气体传感器能够应用于气体浓度输出场合。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
半导体气体传感器的全量程温度补偿方法，其特征在于包括如下步骤：
S1、获取当前环境温度以及半导体式气体传感器在当前使用环境中的阻值，以该半导体式气体传感器的标定阻值确定当前的归一化系数；
S2、在预先建立的温度补偿数据库中查找与当前环境温度相近的上下两个温度值，采用线性插值方法生成当前环境温度条件下的归一化系数与气体浓度对照表；
S3、在步骤S2生成的归一化系数与气体浓度对照表中查找与步骤S1中当前的归一化系数相近的上下两个气体浓度，采用线性插值方法计算获得当前环境温度条件下的气体浓度；
其中，所述温度补偿数据库是基于不同温度条件下，不同气体浓度与归一化系数对应关系建立的数据库。
在上述半导体气体传感器的全量程温度补偿方法中，所述标定阻值为半导体式气体传感器在温度为20℃～35℃，气体浓度为半导体气体传感器满量程30％～70％的标准状态下测得的阻值。
在上述半导体气体传感器的全量程温度补偿方法中，所述温度补偿数据库的建立包括如下步骤：
S01、获取半导体式气体传感器在标准温度条件下对应不同气体浓度时的阻值，各阻值分别与半导体式气体传感器的标定阻值进行归一化处理，得到与不同气体浓度对应的归一化系数，建立标准温度下的归一化系数与气体浓度对照表；
S02、重复步骤S01，得到其它不同温度、不同半导体气体传感器的阻值与标定阻值对应的归一化系数，建立温度补偿数据库。
在上述半导体气体传感器的全量程温度补偿方法中，在步骤S01中，归一化系数为n个半导体式气体传感器归一化系数的平均值。
在上述半导体气体传感器的全量程温度补偿方法中，在步骤S01中，所述的不同气体浓度分别为半导体气体传感器满量程的0％、10％、20％、30％、40％、50％、60％、70％、80％、90％、100％。
在上述半导体气体传感器的全量程温度补偿方法中，在步骤S02中，建立温度补偿数据库的温度范围为-10℃～55℃。
本发明的有益效果：
首先，在本发明提出的全量程温度补偿方法中，温度补偿数据库是基于不同温度条件下，不同气体浓度与归一化系数对应关系建立的数据库，而建立这样的数据库只需要获取半导体式气体传感器在不同温度下的阻值即可，数据库中没有复杂的交叉对应关系，数据库的模型结构更为简单，降低了数据库的建立难度和对物理存储空间的要求；其次，在数据库的建立和实际检测数据对比过程中都采用归一化的方法，减小了半导体气体传感器个体初始阻值差异带来的误差，增强了该补偿方法的适用性，同时还采用线性插值的方法构建当前环境温度条件下的归一化系数与气体浓度对照表，以及求解当前环境温度条件下的气体浓度，使得计算出的气体浓度值更加接近真实值，误差更小。
总的来说，本发明的提出，使得原本只适合做阈值报警的半导体气体传感器具有了全量程浓度输出功能。
本发明的这些特点和优点将会在下面的具体实施方式、附图中详细的揭露。
【附图说明】
下面结合附图对本发明做进一步的说明：
图1为本发明实施例中全量程温度补偿方法的流程图；
图2为本发明实施例中建立温度补偿数据库的流程图。
图3为本发明实施例中电阻测量电路的示意图；
图4为本发明实施例中温度测量电路的示意图。
【具体实施方式】
下面结合本发明实施例的附图对本发明实施例的技术方案进行解释和说明，但下述实施例仅为本发明的优选实施例，并非全部。基于实施方式中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得其他实施例，都属于本发明的保护范围。
为了更好的说明本公开，在下文的具体实施方式中给出了众多的具体细节。本领域技术人员应当理解，没有某些具体细节，本公开同样可以实施。在一些实施方式，对于本领域技术人员熟知的方法、手段、元件和电路未作详细描述，以便于凸显本发明的主旨。
参照图1，本发明实施例中提出的半导体气体传感器的全量程温度补偿方法，其特征在于包括如下步骤：
S1、获取当前环境温度以及半导体式气体传感器在当前使用环境中的阻值，以该半导体式气体传感器的标定阻值确定当前的归一化系数；
S2、在预先建立的温度补偿数据库中查找与当前环境温度相近的上下两个温度值，采用线性插值方法生成当前环境温度条件下的归一化系数与气体浓度对照表；
S3、在步骤S2生成的归一化系数与气体浓度对照表中查找与步骤S1中当前的归一化系数相近的上下两个气体浓度，采用线性插值方法计算获得当前环境温度条件下的气体浓度。
本发明实施例中所述的半导体式气体传感器具有电阻测量电路和温度测量电路，参照图3，电阻测量电路包括加热电阻RE和热敏电阻R1，加热电压VH用于给加热电阻RE供电，测量电压VT用于给热敏电阻R1供电，敏感电阻R1为阻值随气体浓度变化而变化的可变电阻，电阻R2为高精度采集电阻，通过采集电阻R2处的电压VR2，可计算出热敏电阻R1的阻值。
参照图4，温度测量电路包括温度传感器RT和电阻R3，温度传感器RT为阻值随温度变化而变化的可变电阻，电阻R3为高精度采集电阻，VCC为温度传感器RT的供电电压，通过采集电阻R3处的电压VR3，可计算出温度传感器RT的阻值。
参照图2，本发明实施例所述的温度补偿数据库是基于不同温度条件下，不同气体浓度与归一化系数对应关系建立的数据库，从该数据库中可以查询到不同温度条件下，不同气体浓度所对应的归一化系数，具体的建立方法包括如下步骤：
S01、获取半导体式气体传感器在标准温度条件下对应不同气体浓度时的阻值，各阻值分别与半导体式气体传感器的标定阻值进行归一化处理，得到与不同气体浓度对应的归一化系数，建立标准温度下的归一化系数与气体浓度对照表；
S02、重复步骤S01，得到其它不同温度、不同半导体气体传感器的阻值与标定阻值对应的归一化系数，建立温度补偿数据库。
在步骤S01中，归一化系数为n个半导体气体传感器归一化系数的平均值，例如在标准温度(A℃)下，测量n(n可以是5、8、10等自然数)个半导体式气体传感器在气体浓度分别为0％满量程、10％满量程、20％满量程、30％满量程、40％满量程、50％满量程、60％满量程、70％满量程、80％满量程、90％满量程、100％满量程时的阻值，各阻值分别与半导体式气体传感器的标定阻值进行归一化处理，得到与上述不同气体浓度对应的归一化系数，以这n个半导体气体传感器在同一气体浓度下的归一化系数平均值作为该气体浓度在标准温度下对应的归一化系数，如下表1所示：
Figure BDA0002037070450000061
需要说明的是：上述标准温度A℃为20℃～35℃内的任意值，标定阻值是半导体式气体传感器在标准温度下，气体浓度为半导体气体传感器满量程30％～70％的标准状态下测得的阻值，根据实际情况可以选择标准温度为20℃、23℃、27℃、30℃、35℃等，气体浓度可以选择30％满量程、40％满量程、60％满量程、70％满量程等。
在步骤S02中，重复步骤S01，得到其它不同温度、不同半导体气体传感器的阻值与标定阻值对应的归一化系数，建立温度补偿数据库，即如下表2所示：
Figure BDA0002037070450000062
在步骤S02中，建立温度补偿数据库的温度范围为-10℃～55℃，如上表2中，n个半导体气体传感器分别在-10℃、0℃、10℃、20℃、25℃、35℃、45℃、55℃温度条件下，对应不同气体浓度进行阻值检测，通过归一化处理获得表2中的归一化系数。
下面以一个具体的实例来说明本发明的全量程温度补偿方法：
S1、测得当前环境温度为33℃，半导体式气体传感器在当前使用环境中的阻值为2.09KΩ，将实际测得的阻值与该半导体式气体传感器的标定阻值相除，得到当前的归一化系数为0.8394；
S2、在上述表2中查找与当前环境温度33℃相近的上下两个温度值，即25℃和35℃，采用线性插值方法生成33℃条件下的归一化系数与气体浓度对照表，具体的计算公式如下：
Figure BDA0002037070450000071
其中，Y25℃为上述表2中25℃条件下各个归一化系数，Y35℃为上述表2中35℃条件下各个归一化系数，由此生成33℃条件下的归一化系数与气体浓度对照表，即下表3：
Figure BDA0002037070450000072
S3、在上述表3中查找与步骤S1中当前的归一化系数0.8394相近的上下两个气体浓度，即60％满量程和70％满量程，采用线性插值方法计算获得33℃条件下的气体浓度为62.7％满量程，具体的计算公式如下：
Figure BDA0002037070450000073
其中，Y60％满量程为表3中气体浓度为60％满量程时所对应的归一化系数，Y70％满量程为表3中气体浓度为70％满量程时所对应的归一化系数。
根据本发明实施例所述的全量程温度补偿方法，温度补偿数据库是基于不同温度条件下，不同气体浓度与归一化系数对应关系建立的数据库，而建立这样的数据库只需要获取半导体式气体传感器在不同温度下的阻值即可，数据库中没有复杂的交叉对应关系，数据库的模型结构更为简单，降低了数据库的建立难度和对物理存储空间的要求；其次，在数据库的建立和实际检测数据对比过程中都采用归一化的方法，减小了半导体气体传感器个体初始阻值差异带来的误差，增强了该补偿方法的适用性，同时还采用线性插值的方法构建当前环境温度条件下的归一化系数与气体浓度对照表，以及求解当前环境温度条件下的气体浓度，使得计算出的气体浓度值更加接近真实值，误差更小。
采用本发明实施例所述方案，使得原本只适合做阈值报警的半导体气体传感器具有了全量程浓度输出功能，使半导体气体传感器能够应用于气体浓度输出场合。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，熟悉该本领域的技术人员应该明白本发明包括但不限于附图和上面具体实施方式中描述的内容。任何不偏离本发明的功能和结构原理的修改都将包括在权利要求书的范围中。

Claims (4)

1.半导体气体传感器的全量程温度补偿方法，其特征在于包括如下步骤：
S1、获取当前环境温度以及半导体式气体传感器在当前使用环境中的阻值，以该半导体式气体传感器的标定阻值确定当前的归一化系数；
S2、在预先建立的温度补偿数据库中查找与当前环境温度相近的上下两个温度值，采用线性插值方法生成当前环境温度条件下的归一化系数与气体浓度对照表；
S3、在步骤S2生成的归一化系数与气体浓度对照表中查找与步骤S1中当前的归一化系数相近的上下两个气体浓度，采用线性插值方法计算获得当前环境温度条件下的气体浓度；
其中，所述标定阻值为半导体式气体传感器在温度为20℃～35℃，气体浓度为半导体气体传感器满量程30％～70％的标准状态下测得的阻值；
其中，所述的温度补偿数据库是基于不同温度条件下，不同气体浓度与归一化系数对应关系建立的数据库，从该数据库中可以查询到不同温度条件下，不同气体浓度所对应的归一化系数，建立方法包括如下步骤：
S01、获取半导体式气体传感器在标准温度条件下对应不同气体浓度时的阻值，各阻值分别与半导体式气体传感器的标定阻值进行归一化处理，得到与不同气体浓度对应的归一化系数，建立标准温度下的归一化系数与气体浓度对照表；
S02、重复步骤S01，得到其它不同温度、不同半导体气体传感器的阻值与标定阻值对应的归一化系数，建立温度补偿数据库。
2.如权利要求1所述半导体气体传感器的全量程温度补偿方法，其特征在于，在步骤S01中，归一化系数为n个半导体式气体传感器归一化系数的平均值。
3.如权利要求1所述半导体气体传感器的全量程温度补偿方法，其特征在于，在步骤S01中，所述的不同气体浓度分别为半导体气体传感器满量程的0％、10％、20％、30％、40％、50％、60％、70％、80％、90％、100％。
4.如权利要求1所述半导体气体传感器的全量程温度补偿方法，其特征在于，在步骤S02中，建立温度补偿数据库的温度范围为-10℃～55℃。
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