CN117705898A - 一种高性能气体传感器检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种高性能气体传感器检测方法，步骤为：搭建检测电路：在惠斯通电桥电路的补偿元件上串联低温漂电阻；采集25℃工作时低温漂电阻两端的电压，同时采集25℃工作时补偿元件的电压，计算25℃工作时补偿元件的等效电阻作为标定值；实时采集补偿元件的电压以及输入电压，计算补偿元件的等效电阻；调整敏感元件和补偿元件两端的输入电压，使补偿元件的等效电阻与步骤二的标定值相同。本发明可以精确计算出需要在桥臂上补偿的电压值，完全消除温漂带来的测量误差；通过电压检测以及电压调整可完全补偿环境温度变化导致的传感器温漂过大，完全消除温漂带来的测量误差，使其检测精度提高，解决高低温检测效果不理想的问题。
Description
技术领域
本发明涉及传感器检测的技术领域，尤其涉及一种高性能气体传感器检测方法。
背景技术
传感器是连接物理世界和数字世界的桥梁，能够感受规定的被测量并按照一定规律转换成可用信号。催化燃烧式传感器原理是最广泛使用的检测可燃气体的原理之一，具有输出信号线性好、响应速度快、价格便宜等特点。目前，催化燃烧式气体传感器有着广泛的应用前景，在工业节能、环境监测、智慧家居、医疗健康等各方面都有广泛应用。
随着科技的进步，对催化燃烧气体传感器的性能要求也越来越高。催化燃烧式气体传感器是利用催化燃烧的热效应原理，检测电路一般选用惠斯通电桥，如图1所示，由敏感元件1和补偿电阻R0配对组成电桥的一个桥臂，电阻R1和电阻R2组成另一个桥臂，且敏感元件1和补偿电阻R0在25℃下具有相同的电阻值。其中，Vi为输入电压，VO为输出电压，电阻R3为敏感元件1的等效电阻。当可燃气体在敏感元件1载体表面及催化剂的作用下发生无焰燃烧，敏感元件1载体温度升高，其内部的铂丝电阻也相应升高，桥路输出电压变大，电压变化量随气体浓度增加而成正比例增加，从而使平衡电桥失去平衡，输出一个与可燃气体浓度成正比的电信号。
实际测量中，电桥平衡会受到环境因素的影响，在高温或低温的使用环境中，敏感元件1的电阻值会随着温度的变化有明显的变化，补偿电阻R0却不能随温度变化与敏感元件1的等效电阻R3发生同样的变化，导致催化燃烧式气体传感器的测量误差较大。
为了消除干扰因素，保证两桥臂中的元件分别保持一致，实际的惠斯通电桥还需要进行一些修正或补偿，以保证测量结果的准确性。通常将图1中的补偿电阻R0换成图2中的补偿元件2，由敏感元件1和补偿元件2配对组成电桥的一个桥臂，且敏感元件1和补偿元件2均是由相同的铂合金构成，保证敏感元件1和补偿元件2有相同的阻值变化，保证在未检测到可燃气体时电桥保持平衡状态。电阻R4为补偿元件2的等效电阻。因此，补偿元件2用于补偿敏感元件1由环境变化引起的同步变化。敏感元件1和补偿元件2的管壳内设有铂丝，铂丝上设有敏感体，铂丝两端通过引线柱引出。敏感元件和补偿元件是由相同的工艺制作的，内部都是铂丝，但是敏感元件表面有催化剂，接触空气中的可燃气体会发生反应；而补偿元件是密闭的，不能和空气接触，不会与被测气体发生反应。
当可燃气体在敏感元件1载体表面及催化剂的作用下发生无焰燃烧，敏感元件1温度升高，其内部的铂丝的电阻也相应增大，即敏感元件1的等效电阻R3增大，此时电桥失去平衡，桥路输出电压变大，电压变化量随气体浓度增加而成正比例增加，输出一个与可燃气体浓度成正比的电信号。在其中，补偿元件2用于补偿敏感元件1由环境变化引起的同步变化。因为铂是温度敏感元件，当温度升高时，其电阻会发生变化。使用补偿元件的目的是：当使用环境的温度变化时，补偿元件和敏感元件的电阻是同步变化的。因为使用的是电桥，即R1/R2＝敏感元件R3/补偿元件R4＝1，就算是环境变化，敏感元件的电阻和补偿元件的电阻的变化是一致的，此时也是电桥平衡状态，仍然是R1/R2＝敏感元件R3/补偿元件R4＝1，不会输出电压。
与固定的电阻相比，当环境变化，R1/R2＝(敏感元件R3+△R)/R0≠1，此时就算检测不到可燃气体，也会输出一个电压。补偿元件就是为了消除这个电压。△R是指在这个环境变化的过程中，敏感原件的电阻变化量，电阻R0是图1中的R0。
但是在催化可燃气体传感器使用过程中，使用环境存在极大的差别，一般使用温度范围为-40～70℃，温度过低或过高都容易对敏感元件1和补偿元件2产生极大的影响，敏感元件1和补偿元件2的灵敏度系数随着温度的变化而变化，由温度带来的误差就会增加，与在25℃使用时测得的电阻值有较大的差别。具体表现在：相同的被测气体浓度下，高温或低温所输出的电压VO与25℃下所测的输出电压VO有较大的差别，补偿元件2只能补偿部分同步变化，导致使用此电路的催化可燃气体传感器在高温或低温场景下效果不理想。比如当温度变化会导致敏感元件1的电阻值发生变化，虽然此补偿电路可以保证敏感元件1和补偿元件2在同一温度下具有相同的电阻值，补偿了敏感元件1和补偿元件2由于温度的影响所导致的同步变化，不会导致敏感元件1由于温度的影响电阻值改变而补偿元件2保持原来的电阻值造成的电桥不平衡的问题。但是却不能完全补偿温度变化带来的温漂的影响，不能对传感器的温度漂移误差进行完全补偿，这一点往往限制了催化可燃气体传感器在精密仪器中的应用。
一般电阻式传感器输出值通常都是环境温度的函数。对于性能要求较高的仪表，在不影响性能测量的前提下，对传感器进行合理的温度补偿显得尤为重要。
发明内容
针对具有同步补偿催化可燃气体传感器的检测电路在高温和低温使用情况下温漂过大，导致测量精度不理想的技术问题，本发明提出一种高性能气体传感器检测方法，对敏感元件1和补偿元件2进行电压补偿以补偿高温低温对敏感元件1和补偿元件2的影响，使其测量曲线更趋理想状态，提高了在高温低温环境下催化可燃气体传感器的测量精度及环境适应性。
为了达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：一种高性能气体传感器检测方法，其步骤如下：
步骤一、搭建检测电路：在惠斯通电桥电路的补偿元件供电回路上串联低温漂电阻；
步骤二、采集25℃工作时低温漂电阻两端的电压，同时采集25℃工作时补偿元件两端的电压，计算25℃工作时补偿元件的等效电阻作为标定值；
步骤三、实时采集补偿元件的电压以及输入电压，计算补偿元件的等效电阻；调整敏感元件和补偿元件两端的输入电压，使补偿元件的等效电阻与步骤二的标定值相同。
优选地，在高温或低温的使用场景中，为补偿由于温度所造成的温漂过大和零点漂移，使敏感元件和补偿元件的等效电阻与25℃下工作时的电阻值保持一致。
优选地，所述低温漂电阻的作用是保持在不同的温度下，电阻值维持在一个稳定值。
优选地，所述惠斯通电桥电路输出方式为差分输出，在25℃恒温下工作时，输出电压VO输出为0，惠斯通电桥达到平衡；其中，R1和R2为另一桥臂上的电阻，R3为敏感元件的等效电阻，R4为补偿元件的等效电阻，R5为低温漂电阻的电阻值。
优选地，所述步骤二计算25℃工作时补偿元件的等效电阻的方法为：通过第一电压采集模块采集低温漂电阻两端的电压V3t0，计算通过低温漂电阻的电流补偿元件的电流与低温漂电阻的电流相等；通过第二电压采集模块采集补偿元件的电压V2t0，此时补偿元件的等效电阻值：
优选地，所述低温漂电阻的电阻值R5为R4阻值的一半以下且不为0Ω；补偿元件在25℃工作时的等效电阻R4t0为标定值保存在存储器中。
优选地，当敏感元件与可燃气体接触时，由于剧烈的氧化作用释放出热量，使敏感元件的温度上升，敏感元件的等效电阻R3相应增大，此时惠斯通电桥不再平衡，输出电位差即为输出电压Vo。
优选地，电桥不平衡时，输出电压Vo与输入电压Vi的关系为：
即
优选地，所述第一电压采集模块采集低温漂电阻两端的电压V3t，并计算通过补偿元件的电流A2t；第二电压采集模块实时采集补偿元件的电压V2t，当环境温度变化时，计算补偿元件的等效电阻：
为了补偿电路零点漂移，调整电桥回路的供电电压即输入电压Vi，使补偿元件的等效电阻调整至R4t0，此时供电电压V2的电压为：V2t＝A2tR4t0，即
其中，V2t0表示在25℃时测得的供电电压的电压值。
优选地，由可知，R4t0看做一个常数，电压V2t和电流A2t成正比例函数；将存储器中的标定值取出，计算出电压V2t值，并通过低温漂电阻两端的电压V3t的值对电压V2t的值进行微调，通过第三电压采集模块实时监测输入电压Vi的值，第三电压采集模块采集输入电压Vi，敏感元件的等效电阻的电压为Vi-V2t；根据获取到的电压V3的值，根据采集到的输入电压Vi调整输入电压的值；
当等效电阻Rt大于标定值R4t0时，减小输入电压Vi的电压；
当等效电阻Rt小于标定值R4t0时，增大输入电压Vi电压。
与现有技术相比，本发明的有益效果；对敏感元件和补偿元件进行电压补偿，以补偿高温低温对敏感元件和补偿元件的影响，将敏感元件和补偿元件的等效电阻补偿至理想环境25℃工作时的电阻值，提升在高温低温环境下催化可燃气体传感器的测量精度及环境适应性。
本发明与具有同步补偿的催化燃烧式传感器相比，其显著性特点是：通过多个电压采集模块、数据存储、数据计算及电压输出控制等可以精确计算出需要在桥臂上补偿的电压值，完全消除温漂带来的测量误差。本发明通过电压检测以及电压调整可完全补偿在使用过程中环境温度变化导致的传感器温漂过大，完全消除温漂带来的测量误差，使其检测精度提高，解决高低温检测效果不理想的问题。
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为传统催化燃烧式传感器的原理图。
图2为具有同步补偿的催化燃烧式传感器的原理图。
图3为本发明的流程图。
图4为本发明的催化可燃气体传感器的原理图。
图中，1为敏感元件，2为补偿元件。
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3所示，一种高性能气体传感器检测方法，其步骤如下：
步骤一、搭建检测电路：在补偿元件2上串联低温漂电阻R5。
本发明的目的是补偿环境温度对检测值造成的影响，提高检测精度，提升在高温低温环境下催化可燃气体传感器的温度漂移及环境稳定性。
在使用场景中，当温度变化，敏感元件1和补偿元件2的电阻特性与25℃标温下工作时的电阻相比会发生变化，特别是温度变化过大，其灵敏度特性变化更明显，温漂更大，导致在高温或低温环境下催化燃烧气体传感器的误差较大。
如图4所示，在高温或低温的使用场景中，为补偿由于温度所造成的温漂过大，零点漂移，测量结果偏差较大，可以使敏感元件1和补偿元件2的等效电阻与25℃下工作时的电阻值保持一致。通过调整输入电压Vi的电压，电压增高时，电流也会增高，传感器在25℃下测量时温度也会升高至一定温度(因为气体传感器工作温度都比较高)，但是当使用环境温度低于25℃过多时，传感器工作的温度就达不到25℃时工作的温度了，此时铂的电阻也不一致了.温度过高也是同样的原理，通过调整电压电流使功率增加或者减小，控制传感器的温度，使传感器保持工作在25℃时的电阻。低温漂电阻R5的作用是保持在不同的温度下，电阻值维持在一个稳定值。
在本发明中，惠斯通电桥电路输出方式为差分输出，在25℃恒温下工作时，此时输出电压VO输出为0，电桥达到平衡。
步骤二、采集25℃工作时低温漂电阻R5两端的电压，同时采集25℃工作时补偿元件2的电压，计算25℃工作时补偿元件2的等效电阻作为标定值。
通过电压采集模块V3采集低温漂电阻R5两端的电压V3t0，低温漂电阻R5的电阻阻值为R4阻值的一半以下且不为0Ω，因此可以计算通过补偿元件2的电流补偿元件2的电流与低温漂电阻R5的电流相等。此时，通过电压采集模块V2采集补偿元件2的电压V2t0，通过以下可以计算出此时补偿元件2的等效电阻值：
将补偿元件2在25℃工作时的等效电阻R4t0计算出来，并将标定值保存在存储器中作为标定值。等效电阻R4t0包括低温漂电阻R5，需要保证低温漂电阻R5的阻值是不变的，因为低温漂电阻的特性就是电阻不随温度的变化而变化，通常应用在精密仪器中。
步骤三、实时采集补偿元件2的电压以及输入电压，计算补偿元件的等效电阻，调整敏感元件1和补偿元件2两端的输入电压，使补偿元件2的等效电阻与标定值相同。
当敏感元件1与可燃气体接触时，由于剧烈的氧化作用释放出热量，使敏感元件1的温度上升，敏感元件1的等效电阻R3也相应增大，此时电桥不再平衡，输出电位差即为输出电压Vo。
电桥不平衡时，输出电压Vo与输入电压Vi的关系如下：
即
注：根据惯例，电压输出Vo检测到可燃气体时用Vs表示。
在使用过程中，参比桥电压采集模块V2实时采集补偿元件2的电压及敏感元件1的等效电阻R3的电压(V1-V2-V3)；当环境温度变化时，计算此时补偿元件2的等效电阻：
为了补偿电路零点漂移，可调整电桥回路供电电压V2，使补偿元件2的等效电阻调整至R4t0，此时供电电压V2的电压为：
V2t＝A2tR4t0
其中，V2t0表示在25℃时测得的V2的电压值，已存储在存储模块中。
由V2t＝A2tR4t0可知，R4t0可看做一个常数，即电压V2t和电流A2t成正比例函数，将存储器中的标定值取出，可根据此公式提前计算出电压V2t值，并通过反馈电压V3t的值对电压V2t的值进行微调，并通过供电电压采集模块实时监测输入电压Vi的值。根据获取到的V3的电压值，然后作为入口参数输入到单片机中，单片机根据采集到的电压调整输入电压Vi的值，输入电压Vi作为反馈电压，可以直观感受输入电压的大小。
当等效电阻Rt大于标定值R4t0时，减小输入电压Vi的电压；
当等效电阻Rt小于标定值R4t0时，增大输入电压Vi电压。在没有检测到被测气体时输出电压VO应该一直保持0V，在检测到时输出电压与被测气体浓度成正比。
经过数据计算，通过电压控制调整整个电路的供电电压，以调整补偿元件1的补偿电压，使补偿元件2的等效电阻值与在25℃工作时时一致，以此来抵消环境温度对检测值造成的影响，补偿环境的温漂，提高检测精度，大幅提升该催化燃烧气体传感器的可靠性和稳定性，完全消除温漂带来的测量误差。
各个电压采集模块和存储器均与数据计算模块相连接，数据计算模块与电压输出控制模块相连接，数据计算模块用于计算补偿元件的等效电阻值，同时与存储器中的标定值进行比较并发出控制指令，电压输出控制模块根据控制指令调整输入电压的大小。
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 (10)
1.一种高性能气体传感器检测方法，其特征在于，其步骤如下：
步骤一、搭建检测电路：在惠斯通电桥电路的补偿元件供电回路上串联低温漂电阻；
步骤二、采集25℃工作时低温漂电阻两端的电压，同时采集25℃工作时补偿元件两端的电压，计算25℃工作时补偿元件的等效电阻作为标定值；
步骤三、实时采集补偿元件的电压以及输入电压，计算补偿元件的等效电阻；调整敏感元件和补偿元件两端的输入电压，使补偿元件的等效电阻与步骤二的标定值相同。
2.根据权利要求1所述的高性能气体传感器检测方法，其特征在于，在高温或低温的使用场景中，为补偿由于温度所造成的温漂过大和零点漂移，使敏感元件和补偿元件的等效电阻与25℃下工作时的电阻值保持一致。
3.根据权利要求2所述的高性能气体传感器检测方法，其特征在于，所述低温漂电阻的作用是保持在不同的温度下，电阻值维持在一个稳定值。
4.根据权利要求1-3中任意一项所述的高性能气体传感器检测方法，其特征在于，所述惠斯通电桥电路输出方式为差分输出，在25℃恒温下工作时，输出电压VO输出为0，惠斯通电桥达到平衡；其中，R1和R2为另一桥臂上的电阻，R3为敏感元件的等效电阻，R4为补偿元件的等效电阻，R5为低温漂电阻的电阻值。
5.根据权利要求4所述的高性能气体传感器检测方法，其特征在于，所述步骤二计算25℃工作时补偿元件的等效电阻的方法为：通过第一电压采集模块采集低温漂电阻两端的电压V3t0，计算通过低温漂电阻的电流补偿元件的电流与低温漂电阻的电流相等；通过第二电压采集模块采集补偿元件的电压V2t0，此时补偿元件的等效电阻值：
6.根据权利要求5所述的高性能气体传感器检测方法，其特征在于，所述低温漂电阻的电阻值R5为R4阻值的一半以下且不为0Ω；补偿元件在25℃工作时的等效电阻R4t0为标定值保存在存储器中。
7.根据权利要求2、3、5或6中任意一项所述的高性能气体传感器检测方法，其特征在于，当敏感元件与可燃气体接触时，由于剧烈的氧化作用释放出热量，使敏感元件的温度上升，敏感元件的等效电阻R3相应增大，此时惠斯通电桥不再平衡，输出电位差即为输出电压Vo。
8.根据权利要求7所述的高性能气体传感器检测方法，其特征在于，电桥不平衡时，输出电压Vo与输入电压Vi的关系为：
即
9.根据权利要求8所述的高性能气体传感器检测方法，其特征在于，第一电压采集模块采集低温漂电阻两端的电压V3t，并计算通过补偿元件的电流A2t；第二电压采集模块实时采集补偿元件的电压V2t，当环境温度变化时，计算补偿元件的等效电阻：
为了补偿电路零点漂移，调整电桥回路的供电电压即输入电压Vi，使补偿元件的等效电阻调整至R4t0，此时供电电压V2的电压为：V2t＝A2tR4t0，即
其中，V2t0表示在25℃时测得的供电电压的电压值。
10.根据权利要求9所述的高性能气体传感器检测方法，其特征在于，由可知，R4t0看做一个常数，电压V2t和电流A2t成正比例函数；将存储器中的标定值取出，计算出电压V2t值，并通过低温漂电阻两端的电压V3t的值对电压V2t的值进行微调，通过第三电压采集模块实时监测输入电压Vi的值，第三电压采集模块采集输入电压Vi，敏感元件的等效电阻的电压为Vi-V2t；根据获取到的电压V3的值，根据采集到的输入电压Vi调整输入电压的值；
当等效电阻Rt大于标定值R4t0时，减小输入电压Vi的电压；
当等效电阻Rt小于标定值R4t0时，增大输入电压Vi电压。
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| CN117949137A (zh) * | 2024-03-26 | 2024-04-30 | 锐马（福建）电气制造有限公司 | 一种六维力传感器温度补偿方法 |
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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