Voc氣體傳感器的濃度和溫度漂移的補(bǔ)償電路及方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了VOC氣體傳感器的濃度和溫度漂移的補(bǔ)償電路及方法，補(bǔ)償電路包括VOC光離子傳感器，A/D轉(zhuǎn)換器，VOC光離子傳感器與A/D轉(zhuǎn)換器通過測量電橋連接，A/D轉(zhuǎn)換器與溫度傳感器與單片機(jī)連接；首先對VOC光離子氣體傳感器在常溫下通入不同濃度的標(biāo)氣，將所對應(yīng)的輸出電壓值進(jìn)行記錄，并確定其隨濃度的變化規(guī)律；其次進(jìn)行高低溫實(shí)驗(yàn)，以確定其輸出值隨溫度漂移的曲線；再利用溫度傳感器對儀表的工作溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)測量，使用單片機(jī)程序?qū)OC光離子氣體傳感器在濃度和溫度兩個(gè)維度上進(jìn)行軟件補(bǔ)償計(jì)算，解決了VOC光離子氣體傳感隨氣體濃度、溫度漂移造成的測量誤差問題。
【專利說明】voc氣體傳感器的濃度和溫度漂移的補(bǔ)償電路及方法 【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及氣體分析領(lǐng)域，具體是V0C氣體傳感器的濃度和溫度漂移的補(bǔ)償電路 及方法。 【【背景技術(shù)】】
[0002] V0C是"Volatile Organic Compounds"的縮寫，即可揮發(fā)有機(jī)物，如甲苯、乙苯、苯 乙烯、甲醛、乙醇、十四碳烷、TV0C等。
[0003] V0C室外主要來自燃料燃燒和交通運(yùn)輸;室內(nèi)主要來自燃煤和天然氣等燃燒產(chǎn)物、 吸煙、采暖和烹調(diào)等得煙霧，建筑和裝飾材料、家具、家用電器、清潔劑和人體本身的排放 等。
[0004] 目前市場上很多儀表是通過電位器調(diào)節(jié)傳感器的靈敏度和零點(diǎn)的，也就是將傳感 器本身視作線性輸出器件，但很多氣體傳感器是非線性特性的，電位器調(diào)節(jié)并不能解決傳 感器的非線性補(bǔ)償問題，且電位器自身也有溫度漂移問題。而V0C傳感器在濃度與溫度兩個(gè) 維度上都是非線性的。 【
【發(fā)明內(nèi)容】
】
[0005] 為解決現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，本發(fā)明的目的在于提供V0C氣體傳感器的濃度和溫 度漂移的補(bǔ)償電路及方法，本發(fā)明能夠針對V0C光離子傳感器的2維非線性進(jìn)行的補(bǔ)償，并 將所有的補(bǔ)償參數(shù)存儲(chǔ)，也省去了電位器。
[0006] 本發(fā)明所采用的技術(shù)方案如下：
[0007] V0C氣體傳感器的濃度和溫度漂移的補(bǔ)償電路，包括：
[0008] V0C光離子傳感器，用于獲取V0C氣體濃度；
[0009] 測量電橋，用于獲取V0C光離子傳感器隨氣體濃度變化時(shí)輸出電壓信號(hào)；
[0010] A/D轉(zhuǎn)換器，用于將電壓信號(hào)變換為測量數(shù)據(jù)；
[0011] 單片機(jī)，用于控制A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行測量和處理測量數(shù)據(jù)；
[0012] 溫度傳感器，用于測量溫度并將溫度信息傳輸給單片機(jī)。
[0013]所述的A/D轉(zhuǎn)換器為16位差分Σ - Δ A/D轉(zhuǎn)換器。
[0014]所述的單片機(jī)為內(nèi)置段式液晶驅(qū)動(dòng)模塊的單片機(jī)。
[00?5] 所述的測量電橋包括依次與V0C光離子傳感器的輸出引腳相連的電阻R31和電容 C26，電容C26的另一端接地，電阻R31和電容C26之間的中間點(diǎn)連接至A/D轉(zhuǎn)換器的輸入端正 極；
[0016] 還包括電阻R7和電阻R8,電阻R7和電阻R8串聯(lián)，電阻R7的另一端與V0C光離子傳感 器電源引腳所接的電源連接，電阻R8的另一端接地，電阻R7與電阻R8之間的中間點(diǎn)依次連 接有電阻R32和電容C28，電容C28的另一端接地，電阻R32和電容C28之間的中間點(diǎn)連接至A/ D轉(zhuǎn)換器的輸入端負(fù)極，A/D轉(zhuǎn)換器的輸入端正極與輸入端負(fù)極之間連接有電容C27。
[0017] 所述的電源電壓為3V，電阻R7=10KQ，電阻R8 = 180Q，電阻R31 = R32 = 10KQ，電 容 C26 = C28 = lyF，電容 C27 = 10yF。
[0018] V0C氣體傳感器的濃度和溫度漂移的補(bǔ)償方法，包括如下步驟:分別對V0C光離子 氣體傳感器進(jìn)行不同濃度的不同溫度試驗(yàn)和常溫下不同濃度標(biāo)氣試驗(yàn)，獲得測量數(shù)據(jù)，再 根據(jù)測量數(shù)據(jù)分別對V0C光離子氣體傳感器的輸出隨濃度變化的非線性數(shù)據(jù)和隨溫度的漂 移數(shù)據(jù)進(jìn)行曲線擬合，并分別在兩個(gè)維度上進(jìn)行線性化補(bǔ)償。
[0019]在對測量數(shù)據(jù)進(jìn)行曲線擬合之前進(jìn)行歸一化處理。
[0020] 所述的線性補(bǔ)償?shù)倪^程為：
[0021] 先對V0C氣體的濃度變化規(guī)律進(jìn)行補(bǔ)償，濃度補(bǔ)償結(jié)果=傳感器實(shí)測電壓值XF (consistence)，其中F(consistence)是V0C傳感器隨輸入濃度變化規(guī)律的擬合函數(shù)；
[0022] 再對V0C氣體的溫度漂移進(jìn)行補(bǔ)償，輸出PPM值=濃度補(bǔ)償結(jié)果X F (temperature )，其中F( temperature)是V0C傳感器隨溫度變化規(guī)律的擬合函數(shù)。
[0023] 得到輸出PPM值后，再對溫度數(shù)據(jù)起伏的溫度區(qū)間內(nèi)的數(shù)據(jù)漂移進(jìn)行線性修正，最 終輸出PPM值=輸出PPM值+K (temp [])，其中K (temp [])是指局部溫度范圍temp []內(nèi)的數(shù)據(jù) 起伏進(jìn)行修正的補(bǔ)償值。
[0024] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下有益效果：
[0025] 本發(fā)明的V0C氣體傳感器的濃度和溫度漂移的補(bǔ)償電路通過V0C光離子傳感器獲 取V0C氣體濃度，再通過測量電橋獲取V0C光離子傳感器隨氣體濃度變化時(shí)輸出電壓信號(hào)， 再通過A/D轉(zhuǎn)換器將測量電橋輸出的電壓信號(hào)變換為測量數(shù)據(jù)，通過單片機(jī)控制A/D轉(zhuǎn)換器 進(jìn)行測量和處理測量數(shù)據(jù)，通過溫度傳感器測量V0C氣體的溫度并將溫度信息傳輸給單片 機(jī)，本發(fā)明的補(bǔ)償方法通過分別對V0C光離子氣體傳感器進(jìn)行不同濃度的不同溫度試驗(yàn)和 常溫下不同濃度標(biāo)氣試驗(yàn)，獲得測量數(shù)據(jù)，再根據(jù)測量數(shù)據(jù)分別對V0C光離子氣體傳感器的 輸出隨濃度變化的非線性數(shù)據(jù)和隨溫度的漂移數(shù)據(jù)進(jìn)行曲線擬合，并分別在兩個(gè)維度上進(jìn) 行線性化補(bǔ)償。 【【附圖說明】】
[0026] 圖1(a)為本發(fā)明的V0C氣體傳感器的濃度和溫度漂移的補(bǔ)償電路圖；圖1(b)為溫 度傳感器的示意圖；
[0027] 圖2為本發(fā)明的補(bǔ)償電路測得的常溫下輸出電壓-濃度關(guān)系曲線圖；
[0028] 圖3(a)為本發(fā)明的補(bǔ)償電路檢測的不同濃度的不同溫度試驗(yàn)時(shí)的溫度與電壓輸 出之間的關(guān)系圖，圖3(b)為本發(fā)明的補(bǔ)償方法對測量數(shù)據(jù)的溫度-電壓曲線擬合圖，圖3(c) 為本發(fā)明在不同濃度的不同溫度試驗(yàn)時(shí)的經(jīng)過歸一化處理的溫度與電壓補(bǔ)償圖，圖3(d)為 本發(fā)明的補(bǔ)償方法在不同濃度的不同溫度試驗(yàn)時(shí)的溫度-電壓-PPM補(bǔ)償圖。 【【具體實(shí)施方式】】
[0029]下面結(jié)合附圖來對本發(fā)明作進(jìn)一步的說明。
[0030]如圖1(a)與圖1(b)所示，本發(fā)明的V0C氣體傳感器的濃度和溫度漂移的補(bǔ)償電路， 包括:V0C光離子傳感器，用于獲取V0C氣體濃度;測量電橋，用于獲取V0C光離子傳感器隨氣 體濃度變化時(shí)輸出電壓信號(hào)；16位差分Σ - △ A/D轉(zhuǎn)換器，用于將電壓信號(hào)變換為測量數(shù)據(jù)； 內(nèi)置段式液晶驅(qū)動(dòng)模塊的單片機(jī)，用于控制A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行測量和處理測量數(shù)據(jù)以及控制 顯示器顯示;溫度傳感器，用于測量溫度并將溫度信息傳輸給單片機(jī)；
[0031 ] 本發(fā)明的測量電橋包括依次與V0C光離子傳感器的輸出引腳相連的電阻R31和電 容C26，電容C26的另一端接地，電阻R31和電容C26之間的中間點(diǎn)連接至A/D轉(zhuǎn)換器的輸入端 正極；
[0032] 還包括電阻R7和電阻R8，電阻R7和電阻R8串聯(lián)，電阻R7的另一端與V0C光離子傳感 器電源引腳所接的電源連接，電阻R8的另一端接地，電阻R7與電阻R8之間的中間點(diǎn)依次連 接有電阻R32和電容C28，電容C28的另一端接地，電阻R32和電容C28之間的中間點(diǎn)連接至A/ D轉(zhuǎn)換器的輸入端負(fù)極，A/D轉(zhuǎn)換器的輸入端正極與輸入端負(fù)極之間連接有電容C27。
[0033]本發(fā)明的V0C光離子傳感器的電源引腳、接地引腳和輸出引腳分別與端子的3腳、2 腳和1腳連接，端子的3腳接+3V穩(wěn)壓電源，端子的1腳接地引腳接模擬地，端子的2腳依次接 電阻R31，電容C26到地形成低通濾波，以濾出差共模干擾，電阻R31和電容C26中間點(diǎn)接A/D 轉(zhuǎn)換器的+VIN腳，即傳感器的輸出電壓最終接到AD轉(zhuǎn)換器輸入的正端；
[0034] 電阻R7、電阻R8經(jīng)+3V穩(wěn)壓電源分壓，作為傳感器的零點(diǎn)補(bǔ)償電壓，經(jīng)電阻R32和電 容C28以濾除共模干擾，電阻R32和電容C28中間點(diǎn)接A/D轉(zhuǎn)換器的-VIN腳，即分壓點(diǎn)輸出電 壓最終接到A/D轉(zhuǎn)換器輸入的負(fù)端。電容C27接在A/D轉(zhuǎn)換器的+VIN和-VIN之間接，作為差模 濾波電容；
[0035]其中R7 = 10KQ，R8 = 180Q，分壓的結(jié)果是53mv，以此作為傳感器輸出的零點(diǎn)抵消 電壓，且電阻R7,電阻R8采用千分之一精度的精密電阻，R31=R32 = 10KQ，C26 = C28 = lyF， C27 = 10yF〇
[0036] 本發(fā)明的V0C氣體傳感器測量電橋和溫度傳感器電路，共同作為儀器的傳感器部 分；
[0037]設(shè)計(jì)當(dāng)中并未使用調(diào)零電位器，而是在標(biāo)定時(shí)以單片機(jī)的EPROM記錄傳感器的零 點(diǎn)電壓，并在測量過程中將零點(diǎn)電壓減掉即可；
[0038] 本發(fā)明的補(bǔ)償電路基于數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)、補(bǔ)償?shù)娜珨?shù)字運(yùn)算方式的補(bǔ)償方法，并未 使用調(diào)零電位器和增益靈敏度調(diào)整電位器這些硬件；
[0039] 本發(fā)明采用的A/D轉(zhuǎn)換器為16位差分Σ-Δ A/D轉(zhuǎn)換器，其特點(diǎn)在于內(nèi)部可編程增 益控制器PGA可由單片機(jī)進(jìn)行增益控制，省去了外部運(yùn)算放大器電路，使系統(tǒng)的電路設(shè)計(jì)更 為簡潔；
[0040] 本發(fā)明使用液晶顯示器為定制段式液晶顯示器，其控制靈活、功耗低，且其顯示內(nèi) 容為專為此項(xiàng)目設(shè)計(jì)，簡化了程序設(shè)計(jì)難度，降低系統(tǒng)的功耗，使用單片機(jī)為內(nèi)置段式液晶 驅(qū)動(dòng)模塊的單片機(jī)；
[0041] 本發(fā)明的參數(shù)包括零點(diǎn)和補(bǔ)償系數(shù)均存儲(chǔ)在單片機(jī)內(nèi)部自帶的EEPR0M當(dāng)中；
[0042]當(dāng)V0C傳感器在不同的濃度環(huán)境和溫度環(huán)境下工作時(shí)，內(nèi)部的軟件補(bǔ)償程序會(huì)根 據(jù)其對應(yīng)濃度的輸出值和當(dāng)前工作溫度值進(jìn)行二維的補(bǔ)償運(yùn)算，得出最終的PPM示值；
[0043] 特點(diǎn):將所有的測量結(jié)果均數(shù)字化，并使用軟件進(jìn)行補(bǔ)償，并對所有的儀器參數(shù)進(jìn) 行掉電保存，對溫度變化進(jìn)行實(shí)時(shí)測量、并對傳感器測量結(jié)果進(jìn)行補(bǔ)償。
[0044] 本發(fā)明的補(bǔ)償電路首先對V0C光離子氣體傳感器在常溫下通入不同濃度的標(biāo)氣， 將所對應(yīng)的輸出電壓值進(jìn)行記錄，并確定其隨濃度的變化規(guī)律;其次進(jìn)行高低溫實(shí)驗(yàn)，以確 定其輸出值隨溫度漂移的曲線;再利用溫度傳感器對儀表的工作溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)測量，使用 單片機(jī)程序?qū)oc光離子氣體傳感器在濃度和溫度兩個(gè)維度上進(jìn)行軟件補(bǔ)償計(jì)算，解決了 V0C光離子氣體傳感隨氣體濃度、溫度漂移造成的測量誤差問題。
[0045] 如圖2所示，為本發(fā)明的補(bǔ)償電路測得的常溫下輸出電壓-濃度關(guān)系曲線圖，通入 不同濃度值的標(biāo)氣時(shí)，輸出電壓和各濃度之間的對應(yīng)關(guān)系曲線，依照這一曲線可以對V0C光 離子氣體傳感器隨濃度變化的非線性進(jìn)行補(bǔ)償。
[0046] 如圖3(a)至圖3(d)所示，顯示了本發(fā)明的補(bǔ)償方法在補(bǔ)償時(shí)的溫度漂移及溫漂校 正過程，通入不同濃度值的標(biāo)氣，并做高低溫實(shí)驗(yàn)，并對傳感器輸出電壓值進(jìn)行歸一化處 理，并進(jìn)行曲線擬合，依照這一變化規(guī)律即可對V0C傳感器輸出的溫度漂移進(jìn)行非線性補(bǔ) 償。
[0047] 本發(fā)明的V0C氣體傳感器的濃度和溫度漂移的補(bǔ)償方法，包括如下步驟：分別對 V0C光離子氣體傳感器進(jìn)行不同濃度的不同溫度試驗(yàn)和常溫下不同濃度標(biāo)氣試驗(yàn)，獲得測 量數(shù)據(jù)并進(jìn)行歸一化處理，再根據(jù)測量數(shù)據(jù)分別對V0C光離子氣體傳感器的輸出隨濃度變 化的非線性數(shù)據(jù)和隨溫度的漂移數(shù)據(jù)進(jìn)行曲線擬合，并分別在兩個(gè)維度上進(jìn)行線性化補(bǔ) 償；
[0048]線性補(bǔ)償?shù)倪^程為：
[0049] 先對V0C氣體的濃度變化規(guī)律進(jìn)行補(bǔ)償，濃度補(bǔ)償結(jié)果=傳感器實(shí)測電壓值XF (consistence)，其中F(consistence)是V0C傳感器隨輸入濃度變化規(guī)律的擬合函數(shù)；
[0050] 再對V0C氣體的溫度漂移進(jìn)行補(bǔ)償，輸出PPM值=濃度補(bǔ)償結(jié)果X F (temperature )，其中F( temperature)是V0C傳感器隨溫度變化規(guī)律的擬合函數(shù)；
[0051]得到輸出PPM值后，再對某些溫度區(qū)間（如溫度數(shù)據(jù)起伏的溫度區(qū)間）內(nèi)的數(shù)據(jù)漂 移進(jìn)行線性修正，最終輸出PPM值=輸出PPM值+K(temp[])，其中K(temp[])是指局部溫度范 圍temp□內(nèi)的數(shù)據(jù)起伏進(jìn)行修正的補(bǔ)償值，依實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行修正，以求得更準(zhǔn)確的PPM示 值。
[0052]由于按照最小二乘法的基本步驟對于傳感器的測量曲線進(jìn)行擬合的計(jì)算量比較 大，所以本發(fā)明采用Matlab進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，這樣不但可以減少復(fù)雜的計(jì)算過程，而且還可以 保證較高的計(jì)算精度。
[0053]補(bǔ)償結(jié)果如表1所示：
[0054]
【主權(quán)項(xiàng)】
1. VOC氣體傳感器的濃度和溫度漂移的補(bǔ)償電路，其特征在于，包括： V0C光離子傳感器，用于獲取V0C氣體濃度； 測量電橋，用于獲取V0C光離子傳感器隨氣體濃度變化時(shí)輸出電壓信號(hào)； A/D轉(zhuǎn)換器，用于將電壓信號(hào)變換為測量數(shù)據(jù)； 單片機(jī)，用于控制A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行測量和處理測量數(shù)據(jù)； 溫度傳感器，用于測量溫度并將溫度信息傳輸給單片機(jī)。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的V0C氣體傳感器的濃度和溫度漂移的補(bǔ)償電路，其特征在于， 所述的A/D轉(zhuǎn)換器為16位差分Σ - Δ A/D轉(zhuǎn)換器。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的V0C氣體傳感器的濃度和溫度漂移的補(bǔ)償電路，其特征在于， 所述的單片機(jī)為內(nèi)置段式液晶驅(qū)動(dòng)模塊的單片機(jī)。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的V0C氣體傳感器的濃度和溫度漂移的補(bǔ)償電路，其特征在于， 所述的測量電橋包括依次與V0C光離子傳感器的輸出引腳相連的電阻R31和電容C26,電容 C26的另一端接地，電阻R31和電容C26之間的中間點(diǎn)連接至A/D轉(zhuǎn)換器的輸入端正極； 還包括電阻R7和電阻R8，電阻R7和電阻R8串聯(lián)，電阻R7的另一端與V0C光離子傳感器電 源引腳所接的電源連接，電阻R8的另一端接地，電阻R7與電阻R8之間的中間點(diǎn)依次連接有 電阻R32和電容C28,電容C28的另一端接地，電阻R32和電容C28之間的中間點(diǎn)連接至A/D轉(zhuǎn) 換器的輸入端負(fù)極，A/D轉(zhuǎn)換器的輸入端正極與輸入端負(fù)極之間連接有電容C27。5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的V0C氣體傳感器的濃度和溫度漂移的補(bǔ)償電路，其特征在于， 所述的電源電壓為3V，電阻R7 = 10KQ，電阻R8 = 180Q，電阻R31=R32 = 10KQ，電容C26 = C28 = lyF，電容 C27 = 10yF。6. 基于權(quán)利要求1所述的補(bǔ)償電路的VOC氣體傳感器的濃度和溫度漂移的補(bǔ)償方法，其 特征在于，包括如下步驟:分別對V0C光離子氣體傳感器進(jìn)行不同濃度的不同溫度試驗(yàn)和常 溫下不同濃度標(biāo)氣試驗(yàn)，獲得測量數(shù)據(jù)，再根據(jù)測量數(shù)據(jù)分別對V0C光離子氣體傳感器的輸 出隨濃度變化的非線性數(shù)據(jù)和隨溫度的漂移數(shù)據(jù)進(jìn)行曲線擬合，并分別在兩個(gè)維度上進(jìn)行 線性化補(bǔ)償。7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的V0C氣體傳感器的濃度和溫度漂移的補(bǔ)償方法，其特征在于， 在對測量數(shù)據(jù)進(jìn)行曲線擬合之前進(jìn)行歸一化處理。8. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的V0C氣體傳感器的濃度和溫度漂移的補(bǔ)償方法，其特征在于， 所述的線性補(bǔ)償?shù)倪^程為： 先對V 0 C氣體的濃度變化規(guī)律進(jìn)行補(bǔ)償，濃度補(bǔ)償結(jié)果=傳感器實(shí)測電壓值X F (consistence)，其中F(consistence)是V0C傳感器隨輸入濃度變化規(guī)律的擬合函數(shù)； 再對V0C氣體的溫度漂移進(jìn)行補(bǔ)償，輸出PPM值=濃度補(bǔ)償結(jié)果XF( temperature)，其 中F( temperature)是VOC傳感器隨溫度變化規(guī)律的擬合函數(shù)。9. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的V0C氣體傳感器的濃度和溫度漂移的補(bǔ)償方法，其特征在于， 得到輸出PPM值后，再對溫度數(shù)據(jù)起伏的溫度區(qū)間內(nèi)的數(shù)據(jù)漂移進(jìn)行線性修正，最終輸出 PPM值=輸出PPM值+K(temp [])，其中K(temp [])是指局部溫度范圍temp []內(nèi)的數(shù)據(jù)起伏進(jìn) 行修正的補(bǔ)償值。
【文檔編號(hào)】G01D3/036GK106093178SQ201610742539
【公開日】2016年11月9日
【申請日】2016年8月26日
【發(fā)明人】任杰
【申請人】西安鼎研科技有限責(zé)任公司