一种高原氧气检测用传感器及检测方法

技术领域

本发明属于氧气检测技术领域，具体涉及一种高原氧气检测用传感器及检测方法。

背景技术

高原是一个特殊的环境，大气物理、地球化学、生态结构均与平原、丘陵等不同，居住在高原地区所面临的最大问题就是缺氧。随着海拔的增加，空气中的氧分压下降，低海拔地区的人进入高原后会表现出极大的不适应并引发高原反应，对人们的正常生产和生活造成极大的影响，针对高原地区的氧气检测设备的研发刻不容缓。虽然可以通过室内环境富氧，减少高原低氧环境对身体的损害，提高体力劳动和脑力劳动的效率，室内富氧虽然可以提高氧分压，但氧气体积分数的增加可能带来火灾的风险，所以高原安全供氧，就必须使用氧气浓度/分压检测氧传感器来完成。

随着智能技术的发展，系统集成已经应用于自动控制的各个领域，传感器犹如系统的神经末梢，感知环境中的物理或化学量的变化。市场上现有氧气浓度传感器，由于传感器本身的缺陷或电路以及软件设计的不足，目前只能在正常低海拔地区应用。由于在高海拔地区大气的压力和空气密度发生了明显的变化，导致基于目前技术的氧浓度传感器在高原地区无法适用。

目前市场上可以适用于高原地区的氧气浓度检测设备，主要有电化学类传感器和荧光传感器。电化学传感器受温度和压力的影响较大，且在氧气检测过程中的消耗比较大，部分电化学传感器甚至在高浓度被测气体中还会出现中毒现象，暂时或永久失效；荧光传感器是利用光学氧原理进行氧浓度检测，测试过程中不消耗待测氧气，但是此类传感器由于价格过高、使用起来也不够便利。

而且现有的适用于高原地区的氧气浓度检测设备其输出不是直接氧浓度数据，还需用户自己额外搭建电路转换，没法大批量的在各个领域广泛应用。

发明内容

现有基于智能技术的氧浓度传感器无法适用于高原地区这种高海拔应用场景，且现有高原地区氧气浓度检测设备存在局限，例如电化学类传感器受温度和压力影响大，且在氧气检测过程中消耗比较大，甚至引起安全问题；或者价格过高；且还需额外搭建转换电路等问题，基于此，本发明提供了一种高原氧气检测用传感器及检测方法。本发明通过设置一种用于高原氧气检测的专用传感器结构，其结构简单、测量精度高、使用安全且通用性强。

本发明通过下述技术方案实现：

一种高原氧气检测用传感器，包括：氧气检测模块、主控制器、温度控制电路、信号采样电路、工作电压调制电路、大气压力采集电路；

其中，所述氧气检测模块用于输出表征被测高原区域氧气浓度的电流信号；

所述温度控制电路根据传感器所处环境温度动态调整所述氧气检测模块的加热电压使其在正常温度场中工作，所述工作电压调制电路根据传感器所处工作环境动态调整所述氧气检测模块输出端的工作电压；

所述信号采样电路对所述氧气检测模块输出的电流信号进行处理并将其转换成电压信号；

所述大气压力采集电路输出表征被测高原区域大气压力的电压信号；

所述主控制器根据所述信号采样电路输出的电压信号，计算得到氧气浓度和氧分压，并利用所述大气压力采集电路输出的电压信号表征的大气压力值对计算的氧气浓度和氧分压进行压力补偿。

本发明利用智能控制和处理技术，能够将氧气检测芯片输出的信号转换为氧气浓度直接输出，同时本发明还根据传感器所处工作环境，对其工作电压进行调整，确保传感器在不同的应用环境均能稳定、准确的输出测量信号，本发明还对氧气浓度进行压力补偿，使得传感器适用于不同大气压力环境下，保证了测量的准确性和可靠性。

作为优选实施方式，本发明的工作电压调制电路利用运算放大器，产生连续可调的负电压，实现所述氧气检测模块输出端的偏置电压动态调整。

作为优选实施方式，本发明的信号采样电路采用由电阻和运算放大器构成的采样电路对所述氧气检测模块输出的电流信号进行电流电压转换，并利用滤波电容进行滤波处理，最后通过模数转换接口将转换后的电压信号数字化，用于后续的计算处理。

作为优选实施方式，本发明的温度控制电路利用所述主控制器输出的可调模拟电压信号动态调节输出电压。

作为优选实施方式，本发明的温度控制电路还通过调节输出电压，使得该温度控制电路在刚开始时输出很低的电压，消除所述氧气检测模块在开机时的负载过冲，降低电源功率。

作为优选实施方式，本发明的压力补偿计算公式为：

O

式中，O

作为优选实施方式，本发明的补偿系数通过对当前大气压力数据进行线性拟合得到。

作为优选实施方式，本发明的氧气检测模块包括氧检测芯片和保护外壳，所述氧检测芯片位于所述保护外壳内部；

所述主控制器采用单片机、FPGA或DSP。

作为优选实施方式，本发明的主控制器、信号采样电路、温度控制电路、工作电压调制电路、大气压力采集电路均集成在同一PCB电路板上。

另一方面，本发明提出了基于上述高原氧气检测用传感器的检测方法，包括：

在需要进行检测时，通过所述主控制器控制启动氧气检测模块开始检测；同时在氧气检测模块检测过程中，通过所述温度控制电路和工作电压调制电路对氧气检测模块的电压进行动态调整，保证传感器在不同工作环境以及不同换温度条件下，均能够稳定输出测量值；

氧气检测模块输出电流信号，并将其发送给信号采样电路进行放大、滤波以及电流电压信号转换，并将转换后的电压信号发送给主控制器；

主控制器基于信号采样电路上传的电压信号计算得到混合气体中的氧气浓度和氧分压；并利用所述大气压力采集电路输出的电压信号对氧气浓度进行压力补偿。

本发明具有如下的优点和有益效果：

本发明以微控制器智能控制技术为核心，能够直接实现氧气浓度测量和输出，无需设置额外的转换电路，且能够在不同工作环境、不同温度环境、不同大气压力环境下均能保持测量的稳定性和可靠性，提高了测量精度。

本发明的传感器由主控制器控制启动，在不通电的情况下不消耗，节约能源，且提高了使用寿命。

本发明通过利用大气压力采集电路测量环境大气压力，对氧气浓度进行压力补偿，使氧检测结果不受海拔影响，提高了测量精度和适用范围。

本发明结构简单、体积小，便于安装，且免维护，工程应用范围广。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：

图1为本发明实施例的传感器原理框图。

图2为本发明实施例的工作电压调制电路原理图。

图3为本发明实施例的信号采集电路原理图。

图4为本发明实施例的温度控制电路原理图。

图5为本发明实施例的大气压力采集电路原理图。

图6为本发明实施例的检测流程示意图。

具体实施方式

在下文中，可在本发明的各种实施例中使用的术语“包括”或“可包括”指示所发明的功能、操作或元件的存在，并且不限制一个或更多个功能、操作或元件的增加。此外，如在本发明的各种实施例中所使用，术语“包括”、“具有”及其同源词仅意在表示特定特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合，并且不应被理解为首先排除一个或更多个其它特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合的存在或增加一个或更多个特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合的可能性。

在本发明的各种实施例中，表述“或”或“A或/和B中的至少一个”包括同时列出的文字的任何组合或所有组合。例如，表述“A或B”或“A或/和B中的至少一个”可包括A、可包括B或可包括A和B二者。

在本发明的各种实施例中使用的表述(诸如“第一”、“第二”等)可修饰在各种实施例中的各种组成元件，不过可不限制相应组成元件。例如，以上表述并不限制所述元件的顺序和/或重要性。以上表述仅用于将一个元件与其它元件区别开的目的。例如，第一用户装置和第二用户装置指示不同用户装置，尽管二者都是用户装置。例如，在不脱离本发明的各种实施例的范围的情况下，第一元件可被称为第二元件，同样地，第二元件也可被称为第一元件。

应注意到：如果描述将一个组成元件“连接”到另一组成元件，则可将第一组成元件直接连接到第二组成元件，并且可在第一组成元件和第二组成元件之间“连接”第三组成元件。相反地，当将一个组成元件“直接连接”到另一组成元件时，可理解为在第一组成元件和第二组成元件之间不存在第三组成元件。

在本发明的各种实施例中使用的术语仅用于描述特定实施例的目的并且并非意在限制本发明的各种实施例。如在此所使用，单数形式意在也包括复数形式，除非上下文清楚地另有指示。除非另有限定，否则在这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明的各种实施例所属领域普通技术人员通常理解的含义相同的含义。所述术语(诸如在一般使用的词典中限定的术语)将被解释为具有与在相关技术领域中的语境含义相同的含义并且将不被解释为具有理想化的含义或过于正式的含义，除非在本发明的各种实施例中被清楚地限定。

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

实施例

现有智能氧气浓度传感器无法适用于高原地区氧浓度监测。而现有适用于高原地区的氧气浓度检测设备也存在局限性，例如电化学类传感器受温度和压力的影响大，导致检测精度较低，且在氧气检测过程中的消耗比较大，甚至会引发安全问题；荧光传感器成本高，不便于工程应用；同时适用于高原地区的氧气浓度检测设备不是直接输出氧浓度数据，需要额外搭建转换电路，成本高。基于此，本实施例提供了一种高原氧气检测用传感器。

具体如图1所示，本实施例提出的传感器包括氧气检测模块和数据处理模块。

其中，数据处理模块包括主控制器、温度控制电路、信号采样电路、工作电压调制电路、大气压力采集电路和驱动电源。单片机与大气压力采集电路、驱动电源、工作电压调制电路、信号采样电路和温度控制电路电连接。

单片机控制驱动电源向氧气检测模块提供启动电压；氧气检测模块输出电流信号给信号采样电路，信号采样电路对氧气检测模块输出的电流信号进行处理后发送给主控制器，主控制器计算得到混合气体中的氧气浓度和氧分压(氧气检测模块输出信号与氧浓度是对应的，因此根据氧气检测模块输出的信号反算得到氧浓度，然后根据氧浓度计算得到氧分压)，同时所述温度控制电路和工作电压调制电路对氧气检测模块的电压进行动态调整，保证氧气检测模块在不同的工作环境下也能精准、稳定地输出测量表征氧浓度的电流参数。

信号采样电路将氧气检测模块输出的电流信号转换为电压信号，并进行滤波等处理，使得输出表征氧浓度的电压信号更加稳定。

温度控制电路作为氧气检测模块维持正常温度场的电源，动态调节氧气检测模块的加热电压，确保在不同环境温度条件下，氧气检测模块的工作温度场始终维持在正常范围，确保氧气检测模块正常稳定运行。

工作电压调制电路产生连续可调的相对于AGND的负电压，从而实现氧气检测模块的工作电压的动态调节。

大气压力采集电路用于输出表征大气压力的电压信号，并将其传输给主控制器，主控制器根据获取的电压信号，反算出大气压力值后，用于补偿计算氧气检测模块测试受到不同大气压力的影响，从而确保氧气检测模块能够适应不同海拔环境的应用，确保测试输出的氧浓度准确可靠。

作为一种可选的实施方式，工作电压调制电路如图2所示，其主要利用运算放大器的反向放大作用，产生连续可调的相对于AGND的负电压，实现偏置电压的动态调节。具体工作原理为：主控制器控制DA输出一个动态且连续可调的电压，再利用运算放大器的反向放大作用，产生连续可调的相对于AGND的负电压，达到调节氧气检测模块的输出I-端的偏置电压的目的。

工作电压调制电路可以根据氧气检测模块的不同工作状态，结合氧气检测模块的综合状态和逻辑条件，进行动态反馈调节，保证传感器在不同的工作环境下也能够精准、稳定地输出测量表征氧浓度的电流参数I-，可提高传感器在整个测量量程的测试精度和响应时间。

图2中，令DA电压为U

作为一种可选的实施方式，信号采样电路如图3所示，其主要利用跨阻电流采样电路对氧气检测模块输出的电流信号进行电流电压转换，并利用滤波电容进行滤波处理，使得输出信号更稳定。具体工作原理为：利用跨阻电流采样电路，即电阻R1和运算放大器，将氧气检测模块输出的电流信号I

图3中，令氧传感器的电流信号为I

作为一种可选的实施方式，温度控制电路如图4所示，其工作原理为：传感器正常工作需要处在较高的温度场中，温度控制电路作为传感器维持温度场的电源，其中，主控制器控制DA HATE输出可调模拟电压信号，作为温度控制电路的输入，利用DA HATE的电压变化可以动态调节温度控制电路的输出电压，从而实现动态闭环控制，确保在不同环境温度条件下，传感器的工作温度场始终维持在正常范围，确保传感器正常稳定运行。

除此之外，采用连续控制的直流，可以使传感器模块不会存在过冲和瞬态功率，同时也降低了模块的动态功率、电源纹波与EMI，提升模块的数据稳定性和可靠性。而且在上电时可以通过调节DA HATE的输出电压，使VH+在刚开始时输出很低的电压，消除了氧气检测模块在开机时的负载过冲，降低了电源的功率，提升了电源的可靠性，也使传感器的功率输出不会出现过冲，提升传感器的使用寿命和可靠性。

图4中，令U1的引脚4的电压为U

U

作为一种可选的实施方式，大气压力采集电路如图5所示，单片机控制PRE/AD2获取大气压力采集电路输出端OUT输出的电压信号，并反算出大气压力值，再计算海拔高度，并补偿氧气检测模块测试受不同大气压力的影响，从而确保氧气检测模块能够适用于不同海拔环境的应用，确保测试输出的氧浓度准确可靠。

图5中，大气压力采集电路引脚2输出的表征大气压力的电压信号为U

具体的，压力补偿氧浓度的算法具体为：

令补偿前的氧浓度为O

压力补偿氧浓度的计算公式为：O

补充系数K可根据当前大气压力值线性拟合得到。

具体的，补偿系数K的算法针对不同的应用环境，可以有如下两种方案：

方案1(大气压力在80kPa以上时)：K＝﹣0.0000054×Pre

方案2(大气压力在80kPa以下时)：K＝0.061841×(Pre+0.16)

作为一种可选的实施方式，氧气检测模块包括氧检测芯片和保护外壳，氧检测芯片位于保护外壳内部。

作为一种可选的实施方式，主控制器可采用但不限于单片机、FPGA、DSP等。

作为一种可选的实施方式，主控制器、信号采样电路、温度控制电路、工作电压调制电路、电源、大气压力采集电路均集成在同一PCB电路板上。

本发明实施例还提出了基于上述检测装置的高原氧气检测方法，具体如图6所示，该方法包括如下步骤：

在需要进行检测时，通过主控制器控制电源为氧气检测模块提供驱动电压，启动氧气检测模块进行检测；同时在氧气检测模块检测过程中，通过温度控制电路和工作电压调制电路对氧气检测模块的电压进行动态调整，保证传感器在不同工作环境以及不同换温度条件下，均能够稳定输出测量值；

氧气检测模块输出电流信号，并将其发送给信号采样电路进行放大、滤波以及电流电压信号转换，并将转换后的电压信号发送给主控制器；

主控制器基于信号采样电路上传的电压信号计算得到混合气体中的氧气浓度和氧分压；并对其进行压力补偿，以提高测量精度。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。