CN115792395A - 一种半导体型气体传感器气体选择性增强方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种半导体型气体传感器气体选择性增强方法，将气体传感器分别置于不同气体中，根据响应曲线确定目标加热温度；测量Pt薄膜两端的电阻值，计算当前Pt薄膜的实际温度；根据实际温度和目标加热温度计算偏差值，将偏差值输入PID控制算法得到温度控制量增量；根据温度控制量增量确定PWM脉冲信号占空比，根据PWM脉冲信号实时调整Pt薄膜两端的电压，实现对Pt薄膜发热温度的控制。本发明方法简单，易于实现，利用Pt薄膜既可以用于发热也可用于测温特性，实现了低成本、低功耗、小体积、高精度的对Pt薄膜温度控制，提高了传感器的气体选择性，降低了气体传感器误报的概率。

Description

一种半导体型气体传感器气体选择性增强方法

技术领域

本发明涉及气体检测的技术领域，尤其涉及一种半导体型气体传感器气体选择性增强方法。

背景技术

半导体型气体传感器(以下简称传感器)通常用于检测易燃易爆气体。当环境空气中有被检测气体存在时，传感器的电导率随气体浓度变化而变化。该类型敏感元件因其固有的气体响应理化特性，在实际应用过程中很难克服其他非目标气体的干扰，易出现误报现象，从某种程度上限制了气体传感器的推广与应用。为了增强气体传感器的气体选择性，通常采用过气体选择性过滤、改良敏感材料成分等方法，其中气体选择性过滤和改良敏感材料成分两种方法在应用过程中有局限性，无法实现单一传感器对多气体响应且避免干扰。

申请号为202021875441.3的实用新型专利公开了一种钯合金薄膜氢气传感器，包括电源模块、钯合金薄膜氢敏元件、温度控制模块、信号调理模块、ADC采集模块、通信模块和中央处理模块；中央处理模块分别与ADC采集模块和通信模块双向信号电连接，中央处理模块的输出端口与温度控制模块的输入端口电连接，温度控制模块的输出端口与钯合金薄膜氢敏元件的输入端口电连接，钯合金薄膜氢敏元件的输出端口与信号调理模块的输入端口电连接，信号调理模块的输出端口与ADC采集模块的输入端口电连接；本实用新型中由氢敏元件、信号调理模块、温度控制模块实现的硬件控温功能，使氢敏元件工作在稳定的温度范围内，同时保证了钯合金薄膜氢敏元件可靠的氢气浓度检测。但是，该发明的温控方式需要额外内置一个测温薄膜电阻，无法实现加热与测温器件共用，另所属温控方式为固定温度粗狂式补偿，未有高精度温度采集和算法处理，亦无法实现温度高精度、快速调控。

发明内容

针对现有半导体型气体传感器无法实现单一传感器对多气体响应且避免干扰的技术问题，本发明提出一种半导体型气体传感器气体选择性增强方法，提高气体传感器的气体选择性，降低了传感器误报的概率。

为了达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：一种半导体型气体传感器气体选择性增强方法，包括：

将气体传感器分别置于不同气体中，测试气体传感器在不同温度不同气体中的响应特性并绘制响应曲线，根据响应曲线将气体选择性最好的工作温度作为目标加热温度；

测量Pt薄膜两端的电阻值，并根据Pt薄膜的电阻值与温度的关系计算当前Pt薄膜的实际温度；

根据实际温度和目标加热温度计算偏差值，将偏差值输入PID控制算法，计算得到温度控制量增量；

根据温度控制量增量确定PWM脉冲信号占空比，根据PWM脉冲信号实时调整Pt薄膜两端的电压，实现对Pt薄膜发热温度的控制。

优选地，所述测量Pt薄膜两端的电阻值的方法为：MCU通过Pt薄膜驱动模块得到Pt薄膜两端的电阻值；Pt薄膜驱动模块在Pt薄膜两端施加PWM脉冲信号，使Pt薄膜发热；Pt薄膜驱动模块将Pt薄膜与固定值电阻串联连接形成分压电路，并在分压电路两端施加固定电压，Pt薄膜两端的电压变化信号经阻容滤波电路输入至MCU的ADC模数转化引脚。

优选地，所述Pt薄膜的电阻值与温度的关系为：

R_Pt＝R₀·(1+3.908×10^-3y(t)+5.775×10^-7y(t)²)

其中，R_Pt为Pt薄膜两端的电阻值，y(t)为当前Pt薄膜实际温度；R₀为Pt薄膜在0℃时的电阻阻值。

优选地，所述PID控制算法的公式为：

其中，e(t)为目标加热温度r(t)与实际温度y(t)之间的偏差值，u(t)为温度控制量；t为时间变量；k_p为比例系数，k_i为积分系数，k_d为微分系数；

将偏差值e(t)带入PID控制算法计算得到温度控制量u(t)。

优选地，所述计算温度控制量增量的方法为：将PID控制算法离散化得到：

Δu(k)＝k_p[e(k)-e(k-1)]+k_ie(k)+k_d[e(k)-2e(k-1)+e(k-2)]；

其中，Δu(k)为温度控制量增量；e(k)为第k次采样时刻时输入的温度偏差值；e(k-1)为第k-1次采样时刻时输入的温度偏差值；e(k-2)为第k-2次采样时刻时输入的温度偏差值。

优选地，所述根据温度控制量增量确定PWM脉冲信号占空比的方法为：当温度控制量增量Δu(k)＞1时，MCU输出的PWM脉冲信号占空比P_duty＝100％；当温度控制量增量Δu(k)＜0.5时，MCU输出的PWM信号占空比P_duty＝0％；当0.5≤Δu(k)≤1时，MCU输出的PWM信号占空比P_duty＝(Δu(k)-ΔuL)/(ΔuH-ΔuL)*100％；其中，ΔuH为温度控制量增量Δu(k)的上限，ΔuL为温度控制量增量Δu(k)的下限。

优选地，所述PID控制算法中比例系数k_p为3，积分系数k_i为0.14，微分系数k_d为6；所述上限ΔuH为1，下限ΔuL为0.5。

优选地，所述PWM脉冲信号的实现方法为：微控制器配置一个频率为10Hz的定时器，实时输出占空比为P_duty的PWM脉冲信号。

优选地，根据PWM脉冲信号实时调整Pt薄膜两端的电压的实现方法为：Pt薄膜驱动模块内部的三极管开关电路根据输入的PWM脉冲信号产生不同电压的直流电压并将此电压叠加到Pt薄膜两端两端。

与现有技术相比，本发明的有益效果：方法简单，易于实现，实时采集Pt薄膜温度并通过PID模式控制Pt薄膜加热可实现半导体气体传感器工作环境调温迅速、控温精准，基于PID算法调控温度原理，利用Pt薄膜既可以用于发热也可用于测温特性，实现了低成本、低功耗、小体积、高精度的对Pt薄膜温度控制，进而提高传感器的气体选择性，降低了传感器误报的概率，并经实地应用和实验，效果非常好。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，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的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的流程示意图。

图2为本发明的原理框图。

图3为半导体型气体传感器的响应曲线。

图4为本发明PTD闭环控制的原理示意图。

图5为本发明的温控效果示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，一种半导体型气体传感器气体选择性增强方法，其实现原理是：温度是影响半导体型气体传感器的气敏材料表面氧离子吸附大小的重要因素，当温度升高时，气敏材料表面积聚电荷增多，电阻下降，灵敏度升高，反之则电阻升高、灵敏度降低。不同温度气敏材料对各种还原性或氧化性气体响应灵敏度也不同，所以可以通过控制半导体气敏材料的温度增强其气体选择性。因此，本发明提出一种基于闭环温控的气体传感器选择性增强方法，提高了传感器的气体选择性，降低了传感器误报的概率。

本发明利用的***组成如图2所示，主要包括：半导体型的气体传感器、MCU(微型处理器)、信号调理模块和Pt薄膜驱动模块。MCU负责信号采集与输出，信号调理模块负责调理气体传感器输出气体浓度信号并将此信号输入至MCU的ADC模数转化引脚，Pt薄膜驱动模块负责将MCU输出的PWM信号驱动Pt薄膜发热，同时负责采集Pt薄膜两端的电压信号并将此电压信号输入至MCU的ADC模数转化引脚。

信号调理模块将气敏材料与固定值电阻串联连接形成分压电路，并在分压电路两端施加一定电压，随着气体浓度变化气敏材料电阻亦随之变化，气敏材料两端的电压变化信号经阻容滤波电路输入至MCU的ADC模数转化引脚。

Pt薄膜驱动模块在Pt薄膜两端施加PWM脉冲电压，使Pt薄膜发热。当测量Pt薄膜的温度时，Pt薄膜驱动模块将Pt薄膜与固定值电阻串联连接形成分压电路，并在分压电路两端施加固定电压，随着温度变化Pt薄膜的电阻亦随之变化，Pt薄膜两端的电压变化信号经阻容滤波电路输入至MCU的ADC模数转化引脚。

本发明的实施步骤为：

步骤一：将气体传感器分别置于不同气体中，测试气体传感器在不同温度不同气体中的响应特性并绘制响应曲线，根据响应曲线将气体选择性最好的工作温度作为目标加热温度。

将气体传感器至于分别置于不同气体中，测试其在不同温度不同气体中的响应特性并描绘其特性，以我司某型号半导体型CO气体传感器为例进行数据测试分析，如图3所示，图中U_L为负载电阻电压，U_s为半导体气敏材料两端电压，U_L\U_S反映了所述气敏材料对气体的响应程度，由图3可知该型号半导体型CO气体传感器在150℃时气体选择性最好，可以较好的排除水汽和甲烷的干扰。由此认为该型号半导体型CO气体传感器的最佳工作温度为150℃，因此Pt薄膜的目标加热温度r(t)即为150℃。

步骤二：测量Pt薄膜两端的电阻值，并根据Pt薄膜的电阻值与温度的关系计算当前Pt薄膜的实际温度。

本发明MCU通过Pt薄膜驱动模块得到Pt薄膜两端的电阻值R_Pt并通过电阻值与实际温度之间关系的公式R_Pt＝R₀·(1+3.908×10^-3y(t)+5.775×10^-7y(t)²)计算得到当前Pt薄膜实际温度y(t)，其中，R₀为已知量，即Pt薄膜在0℃时的电阻阻值。另一个公式应用于-200℃～0℃，不适适用此场景。

步骤三：根据实际温度和目标加热温度计算偏差值，将偏差值输入PID控制算法，计算得到温度控制量增量。

如图4所示，G_PID表示PID算法模型，MCU计算得到目标加热温度r(t)与测量的实际温度y(t)之间的偏差值e(t)，进而通过PID算法模型的公式

计算得到温度控制量u(t)；e(t)为目标温度值r(t)与实际温度测试值y(t)之间的偏差；t为时间变量。据经验设PID参数中为比例系数k_p为3，积分系数k_i为0.14，微分系数k_d为6；在实际应用中需根据气体传感器个体差异进行适当调整。将上述公式离散化可得到：

Δu(k)＝k_p[e(k)-e(k-1)]+k_ie(k)+k_d[e(k)-2e(k-1)+e(k-2)]

其中，Δu(k)为温度控制量增量；e(k)为第k次采样时刻时输入的温度偏差值；e(k-1)为第k-1次采样时刻时输入的温度偏差值；e(k-2)为第k-2次采样时刻时输入的温度偏差值。

本发明基于PID算法调控温度原理，利用Pt薄膜既可以用于发热也可用于测温特性，实现了低成本、低功耗、小体积、高精度的对Pt薄膜温度控制，进而提高传感器的气体选择性，降低了传感器误报的概率。

步骤四：根据温度控制量增量确定PWM脉冲信号占空比，根据PWM脉冲信号实时调整Pt薄膜两端的电压，实现对Pt薄膜发热温度的精确控制。

设采样温度偏差值的差值Δu(k)的上限ΔuH为1，下限ΔuL为0.5。当温度控制量增量Δu(k)＞1时，MCU输出的PWM脉冲信号占空比P_duty＝100％；当Δu(k)＜0.5时，MCU输出的PWM信号占空比P_duty＝0％；当0.5≤Δu(k)≤1时，MCU输出的PWM信号占空比P_duty＝(Δu(k)-ΔuL)/(ΔuH-ΔuL)*100％。在差值比较大时可以快速升温或降温，在差值比较大时说明温度已接近目标值，微调PWM信号实现精准控温。

MCU配置一个频率为10Hz的定时器实时输出占空比为P_duty的PWM脉冲信号至Pt薄膜驱动模块，Pt薄膜驱动模块内部三极管开关电路根据输入的PWM脉冲信号产生不同电压的直流电压并将此电压叠加Pt薄膜两端两端，因Pt薄膜两端电压不一样，其发热量也部一样。进而实现对Pt薄膜发热温度的控制。

以我司的半导体型一氧化碳气体传感器为例，在标准实验状况下，分别测试Pt薄膜两端固定电压输入(2.4V和1.8V)和闭环温控两种方案的温控效果，如图5所示。当利用本发明PID双闭环模式加热时升温均匀，且温度控制精准(150℃±2℃)；当采用2.4V电压直接加热时，升温最快，但前期温度波动较大，温度稳定所需时间较长且最终温度与预计温度相差较大；当采用1.8V电压直接加热时，升温相对均匀但升温最慢。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种半导体型气体传感器气体选择性增强方法，其特征在于，包括：

将气体传感器分别置于不同气体中，测试气体传感器在不同温度不同气体中的响应特性并绘制响应曲线，根据响应曲线将气体选择性最好的工作温度作为目标加热温度；

测量Pt薄膜两端的电阻值，并根据Pt薄膜的电阻值与温度的关系计算当前Pt薄膜的实际温度；

根据实际温度和目标加热温度计算偏差值，将偏差值输入PID控制算法，计算得到温度控制量增量；

根据温度控制量增量确定PWM脉冲信号占空比，根据PWM脉冲信号实时调整Pt薄膜两端的电压，实现对Pt薄膜发热温度的控制。

2.根据权利要求1所述的半导体型气体传感器气体选择性增强方法，其特征在于，所述测量Pt薄膜两端的电阻值的方法为：MCU通过Pt薄膜驱动模块得到Pt薄膜两端的电阻值；Pt薄膜驱动模块在Pt薄膜两端施加PWM脉冲信号，使Pt薄膜发热；Pt薄膜驱动模块将Pt薄膜与固定值电阻串联连接形成分压电路，并在分压电路两端施加固定电压，Pt薄膜两端的电压变化信号经阻容滤波电路输入至MCU的ADC模数转化引脚。

3.根据权利要求2所述的半导体型气体传感器气体选择性增强方法，其特征在于，所述Pt薄膜的电阻值与温度的关系为：

R_Pt＝R₀·(1+3.908×10^-3y(t)+5.775×10^-7y(t)²)

其中，R_Pt为Pt薄膜两端的电阻值，y(t)为当前Pt薄膜实际温度；R₀为Pt薄膜在0℃时的电阻阻值。

4.根据权利要求1-3中任意一项所述的半导体型气体传感器气体选择性增强方法，其特征在于，所述PID控制算法的公式为：

其中，e(t)为目标加热温度r(t)与实际温度y(t)之间的偏差值，u(t)为温度控制量；t为时间变量；k_p为比例系数，k_i为积分系数，k_d为微分系数；

将偏差值e(t)带入PID控制算法计算得到温度控制量u(t)。

5.根据权利要求4所述的半导体型气体传感器气体选择性增强方法，其特征在于，计算温度控制量增量的方法为：将PID控制算法离散化得到：

Δu(k)＝k_p[e(k)-e(k-1)]+k_ie(k)+k_d[e(k)-2e(k-1)+e(k-2)]；

其中，Δu(k)为温度控制量增量；e(k)为第k次采样时刻时输入的温度偏差值；e(k-1)为第k-1次采样时刻时输入的温度偏差值；e(k-2)为第k-2次采样时刻时输入的温度偏差值。

6.根据权利要求5所述的半导体型气体传感器气体选择性增强方法，其特征在于，所述根据温度控制量增量确定PWM脉冲信号占空比的方法为：当温度控制量增量Δu(k)＞1时，MCU输出的PWM脉冲信号占空比P_duty＝100％；当温度控制量增量Δu(k)＜0.5时，MCU输出的PWM信号占空比P_duty＝0％；当0.5≤Δu(k)≤1时，MCU输出的PWM信号占空比P_duty＝(Δu(k)-ΔuL)/(ΔuH-ΔuL)*100％；其中，ΔuH为温度控制量增量Δu(k)的上限，ΔuL为温度控制量增量Δu(k)的下限。

7.根据权利要求6所述的半导体型气体传感器气体选择性增强方法，其特征在于，所述PID控制算法中比例系数k_p为3，积分系数k_i为0.14，微分系数k_d为6；所述上限ΔuH为1，下限ΔuL为0.5。

8.根据权利要求5或6所述的半导体型气体传感器气体选择性增强方法，其特征在于，所述PWM脉冲信号的实现方法为：微控制器配置一个频率为10Hz的定时器，实时输出占空比为P_duty的PWM脉冲信号。

9.根据权利要求8所述的半导体型气体传感器气体选择性增强方法，其特征在于，根据PWM脉冲信号实时调整Pt薄膜两端的电压的实现方法为：Pt薄膜驱动模块内部的三极管开关电路根据输入的PWM脉冲信号产生不同电压的直流电压并将此电压叠加到Pt薄膜两端两端。

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