CN114720536A - 基于单点标定拟合算法的矿用有毒有害气体浓度检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明适用于矿用有毒有害气体浓度检测技术领域，特别涉及基于单点标定拟合算法的矿用有毒有害气体浓度检测方法。本发明对获取的矿用有毒有害气体传感器的实际输出值进行归一化处理，得到目标数据，将目标数据和4个预设基准点对应的矿用有毒有害气体浓度值带入目标函数即可得到气体浓度值。本发明通过单点标定拟合算法进行矿用有毒有害气体浓度的检测，在不提高硬件成本的前提下，提高了矿用有毒有害气体浓度检测的精度。
Description
技术领域
本发明涉及气体浓度检测技术领域，特别涉及一种基于单点标定拟合算法的矿用有毒有害气体浓度检测方法。
背景技术
矿用有毒有害气体检测仪适用煤矿井下、冶金、炼焦、环境监测、坑道作业等多种场所现场检测，可实现坑道内或人员无法到达场所的有毒有害气体浓度测量。矿用有毒有害气体检测仪包括多种类型，可实现不同有毒有害气体的浓度测量，比如一氧化碳矿用有毒有害气体检测仪可以用于检测场所中的一氧化碳有毒有害气体浓度。
现有矿用有毒有害气体检测仪的检测方法是采用理想的直线校准法，即利用公式y＝kx+b进行校准，通过零点补偿，使得校准后b＝0，k为校准点和零点构成的直线的斜率，y为矿用有毒有害气体浓度，x是矿用有毒有害气体传感器输出的信号。而实际情况是，矿用有毒有害气体检测仪属于电化学气体传感器，电化学气体传感器自身具有非线性的特性，其输出的电信号值与气体浓度的关系也是非线性的，且电化学传感器的***信号调理电路的输入-输出关系也是非线性的，使得采用电化学传感器的矿用有毒有害气体检测报警仪检测结果与实际浓度值偏差较大，检测结果不准确。
为了解决现有矿用有毒有害气体检测仪检测结果不准确的问题，常规的做法是在相关硬件上提高精度，但是硬件精度的提高会使矿用有毒有害气体检测仪生产成本增加。
发明内容
为了解决现有技术中通过提高相关硬件的精度来提高有毒有害气体浓度检测精度，导致相关矿用有毒有害气体检测报警仪生产成本提高的问题。本发明提供一种基于单点标定拟合算法的矿用有毒有害气体浓度检测方法和矿用有毒有害气体浓度检测报警仪。
第一方面，本发明提供了一种基于单点标定拟合算法的矿用有毒有害气体浓度检测方法，包括以下步骤：
获取矿用有毒有害气体传感器的实际输出值，对所述矿用有毒有害气体传感器的实际输出值进行归一化处理，得到所述矿用有毒有害气体传感器的实际输出值对应的目标数据；
将所述目标数据和4个预设基准点对应的气体浓度值带入目标函数，得到与所述矿用有毒有害气体传感器实际输出值对应的气体浓度值；所述目标函数为：
y＝(1-t)3y0+3t(1-t)2y1+3t2(1-t)y2+t3y3
其中，y0为第1个预设基准点对应的气体浓度值，y1为第2个预设基准点对应的气体浓度值，y2为第3个预设基准点对应的气体浓度值，y3为第4个预设基准点对应的气体浓度值，y0<y1<y2<y3，t为所述目标数据，y为气体浓度值。
第二方面，本发明提供了一种矿用有毒有害气体浓度检测报警仪，所述矿用有毒有害气体浓度检测报警仪包括处理器、存储器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的报警仪程序，所述处理器执行所述报警仪程序以实现如第一方面所述的基于单点标定拟合算法的矿用有毒有害气体浓度检测方法。
本发明与现有技术相比存在的有益效果是：本发明对获取的矿用有毒有害气体传感器的实际输出值进行归一化处理，得到目标数据，将目标数据和4个预设基准点对应的矿用有毒有害气体浓度值带入目标函数即可得到气体浓度值，本发明通过单点标定拟合算法进行矿用有毒有害气体浓度的检测，在不提高硬件成本的前提下，提高了矿用有毒有害气体浓度检测的精度。而且，本发明的目标函数生成的曲线是连续的曲线，不存在跳变和震荡现象，可以解决现有的多点标定、折线和直接+/-值补偿方法存在的跳变和震荡现象。
进一步地，上述检测方法和检测报警仪中，所述对所述矿用有毒有害气体传感器的实际输出值进行归一化处理，得到所述矿用有毒有害气体传感器的实际输出值对应的目标数据，包括：
将所述矿用有毒有害气体传感器的实际输出值与所述矿用有毒有害气体传感器在气体浓度为零的环境中的输出值相减，得到第一差值；将所述矿用有毒有害气体传感器在气体浓度为报警仪满量程值的环境中的输出值与所述矿用有毒有害气体传感器的实际输出值相减，得到第二差值，将所述第一差值与所述第二差值之比记为目标数据。
进一步地，上述检测方法和检测报警仪中，y0为0，y1为0.25倍的报警仪满量程值，y2为0.5倍的报警仪满量程值，y3为报警仪满量程值。
进一步地，上述检测方法和检测报警仪中，y0为0.1倍的报警仪满量程值，y1为0.25倍的报警仪满量程值，y2为0.5倍的报警仪满量程值，y3为报警仪满量程值。
进一步地，上述检测方法和检测报警仪中，所述矿用有毒有害气体传感器的实际输出值为电化学矿用有毒有害气体传感器的输出值经信号调理电路、AD转换和数据处理后的值。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明提供的基于单点标定拟合算法的矿用有毒有害气体浓度检测方法流程示意图；
图2是本发明提供的矿用有毒有害气体传感器信号处理流程示意图。
具体实施方式
以下描述中，为了说明而不是为了限定，提出了诸如特定***结构、技术之类的具体细节，以便透彻理解本发明实施例。然而，本领域的技术人员应当清楚，在没有这些具体细节的其它实施例中也可以实现本发明。在其它情况中，省略对众所周知的***、装置、电路以及方法的详细说明，以免不必要的细节妨碍本发明的描述。
为了说明本发明的技术方案，下面通过具体实施例来进行说明。
参见图1，是本实施例的基于单点标定拟合算法的矿用有毒有害气体浓度检测方法的流程示意图，该矿用有毒有害气体检测方法包括以下步骤：
步骤S101，获取矿用有毒有害气体传感器的实际输出值，对所述矿用有毒有害气体传感器的实际输出值进行归一化处理，得到所述矿用有毒有害气体传感器的实际输出值对应的目标数据。
如图2所示，本实施例获取矿用有毒有害气体传感器的实际输出值的过程为：矿用有毒有害气体传感器在一定浓度的有毒有害气体中进行检测，其输出值经调理电路、AD转换和数据处理，得到上述矿用有毒有害气体传感器的实际输出值。
本实施例后续将根据目标函数计算与上述矿用有毒有害气体传感器实际输出值对应的气体浓度值，具体做法是对上述矿用有毒有害气体传感器实际输出值进行归一化处理，将归一化处理后得到的目标数据带入目标函数。本实施例采用单点标定拟合算法，该算法基于数据拟合逼近方法，目标函数获取过程如下：
由高等数学中的级数原理及二项式原理可以推导出如下的4点数据拟合公式：
P(t)＝(1-t)3P0+3t(1-t)2P1+3t2(1-t)P2+t3P3
其中：P0＝(x0,y0)，P1＝(x1,y1)，P2＝(x2,y2)，P3＝(x3,y3)，y0＝0*FS，y1＝0.25*FS，y2＝0.5*FS，y3＝1*FS，FS为矿用有毒有害气体检测仪的满量程值，是已知的常量，量纲为待检测矿用有毒有害气体的浓度单位；根据这个已知量，利用上述公式可以求得yi，yi的量纲为待检测有毒有害矿用有毒有害气体的浓度单位，xi是与yi对应的矿用有毒有害气体传感器的实际输出值，xi无量纲，t为待求的归一化变量，t无量纲，其中，i＝0,1,2,3。
待检测环境中的矿用有毒有害气体浓度值为y，与y对应的传感器的实际输出值为x，对x进行归一化处理，得到t，t为x的标幺值，t无量纲，可根据公式
得到t。
x0可以在有毒有害气体浓度为0的环境中得到，x3可以在有毒有害气体浓度为检测仪的满量程值，即FS的环境中得到。
求公式P(t)＝(1-t)3P0+3t(1-t)2P1+3t2(1-t)P2+t3P3的y轴分量，可以得到目标函数：
y＝(1-t)3y0+3t(1-t)2y1+3t2(1-t)y2+t3y3
本实施例中y0为0，作为其他实施方式，为了在环境低浓度情况下准确检测较小的矿用有毒有害气体浓度值，本实施例设置y0为大于0的较小值，如y0为0.1FS或0.05FS。
本实施例在洁净的空气中得到零点P0＝(x0,y0)，然后根据通入的FS浓度的标准气得到满量程点P3＝(x3,y3)，也可以根据传感器和调理电路的特性计算P3＝(x3,y3)，而不需要实际通气。
步骤S102，将所述目标数据和4个预设基准点对应的气体浓度值带入目标函数，得到与所述矿用有毒有害气体传感器输出值对应的气体浓度值。
本实施例中FS＝1000，y0＝0，y1＝250，y2＝500，y3＝1000，这些数据具有相同的矿用有毒有害气体量纲单位，为同一级别的矿用有毒有害气体单位。
将上述4个校准点的气体浓度值带入目标函数得到：
y＝(1-t)3*0.1+3t(1-t)2*250+3t2(1-t)*500+t3*1000
按照步骤S101的归一化方式可以将矿用有毒有害气体传感器的实际输出值进行归一化处理，得到矿用有毒有害气体传感器的实际输出值对应的目标数据t，将目标数据t带入上述公式，得到的y值即矿用有毒有害气体浓度值。
本实施例得到的上述矿用有毒有害气体浓度值既可以用于显示，以提醒用户当前环境的有毒有害气体浓度值；也可以与设定的有毒有害气体浓度阈值进行比较，当得到的上述气体浓度值大于设定的有毒有害气体浓度阈值时进行报警，以警示危险。
本实施例中FS＝1000，作为其他实施方式，当FS为其它值时，对应的y0、y1、y2和y3也会改变。
本实施例基于数据拟合算法得到目标函数，选定4个基准点，得到4个基准点的气体浓度值，将获取的矿用有毒有害气体传感器的实际输出值进行归一化处理，得到目标数据，将目标数据和4个基准点的气体浓度值带入目标函数，得到矿用有毒有害气体传感器实际输出值对应的气体浓度值；本实施例可以实现只有一种标准矿用有毒有害气体校准或者不需要标准气校准的情况下，准确测试环境中的待检测气浓度值，使得报警仪具有单点校准或者免校准功能；本实施例通过单点拟合算法提高了矿用有毒有害气体浓度检测的精度，在矿用有毒有害气体检测报警仪成本不变的情况下提高了检测精度，利于产品的推广。而且，本实施例的目标函数生成的曲线是连续的曲线，不存在跳变和震荡现象，可以解决现有的多点标定、折线和直接+/-值补偿方法存在的跳变和震荡现象。
矿用有毒有害气体浓度检测报警仪实施例
本实施例的矿用有毒有害气体浓度检测报警仪包括处理器、存储器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的报警仪程序，所述处理器执行所述报警仪程序以实现上述基于单点标定拟合算法的矿用有毒有害气体浓度检测方法实施例中的基于单点标定拟合算法的矿用有毒有害气体浓度检测方法。基于单点标定拟合算法的矿用有毒有害气体浓度检测方法已经在上述基于单点标定拟合算法的矿用有毒有害气体浓度检测方法实施例中进行了说明，此处不再赘述。
以上所述实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种基于单点标定拟合算法的矿用有毒有害气体浓度检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
获取矿用有毒有害气体传感器的实际输出值，对所述矿用有毒有害气体传感器的实际输出值进行归一化处理，得到所述矿用有毒有害气体传感器的实际输出值对应的目标数据；
将所述目标数据和4个预设基准点对应的气体浓度值带入目标函数，得到与所述矿用有毒有害气体传感器实际输出值对应的气体浓度值；所述目标函数为：
y＝(1-t)3y0+3t(1-t)2y1+3t2(1-t)y2+t3y3
其中，y0为第1个预设基准点对应的气体浓度值，y1为第2个预设基准点对应的气体浓度值，y2为第3个预设基准点对应的气体浓度值，y3为第4个预设基准点对应的气体浓度值，y0<y1<y2<y3，t为所述目标数据，y为气体浓度值。
2.根据权利要求1所述的基于单点标定拟合算法的矿用有毒有害气体浓度检测方法，其特征在于，所述对所述矿用有毒有害气体传感器的实际输出值进行归一化处理，得到所述矿用有毒有害气体传感器的实际输出值对应的目标数据，包括：
将所述矿用有毒有害气体传感器的实际输出值与所述矿用有毒有害气体传感器在气体浓度为零的环境中的输出值相减，得到第一差值；将所述矿用有毒有害气体传感器在气体浓度为报警仪满量程值的环境中的输出值与所述矿用有毒有害气体传感器的实际输出值相减，得到第二差值，将所述第一差值与所述第二差值之比记为目标数据。
3.根据权利要求2所述的基于单点标定拟合算法的矿用有毒有害气体浓度检测方法，其特征在于，y0为0，y1为0.25倍的报警仪满量程值，y2为0.5倍的报警仪满量程值，y3为报警仪满量程值。
4.根据权利要求2所述的基于单点标定拟合算法的矿用有毒有害气体浓度检测方法，其特征在于，y0为0.1倍的报警仪满量程值，y1为0.25倍的报警仪满量程值，y2为0.5倍的报警仪满量程值，y3为报警仪满量程值。
5.根据权利要求1所述的基于单点标定拟合算法的矿用有毒有害气体浓度检测方法，其特征在于，所述矿用有毒有害气体传感器的实际输出值为矿用有毒有害气体传感器的输出值经信号调理电路、AD转换和数据处理后的值。
6.一种矿用有毒有害气体浓度检测报警仪，所述矿用有毒有害气体浓度检测报警仪包括处理器、存储器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的报警仪程序，其特征在于，所述处理器执行所述报警仪程序时实现如权利要求1至5任一项所述的基于单点标定拟合算法的矿用有毒有害气体浓度检测方法。
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