一种红外二氧化碳气体传感器的标定系统及标定方法

技术领域

本发明涉及红外气体传感器标定技术领域，特别是涉及一种红外二氧化碳气体传感器的标定系统及标定方法。

背景技术

如今大气环境中CO2气体浓度的逐渐增高，给全球生态环境、气候及人们的生活带来诸多负面影响，因此，实时准确地监测CO2浓度已迫在眉睫。

现有技术披露了红外CO2气体传感器的标定方法及其系统，但标定方案较为复杂，装备上应用了例如标气瓶、减压阀、加湿器等，增加了标定的成本；算法中采用了遗传算法或曲面拟合等高维算法，从而对算力、算据有较高要求。

由于现有技术中红外CO2气体传感器的标定装备较为复杂，标定对算力、算据要求较高，因此成本较高且在模组级的MCU端很难实现，也导致很难在商业中应用上述红外CO2气体传感器的标定。

发明内容

本发明第一方面的一个目的是要提供一种红外二氧化碳气体传感器的标定系统，能够降低成本以及标定过程对算力和算据的要求。

本发明的进一步的一个目的是保证精度。

本发明第二方面的一个目的是要提供一种利用上述红外二氧化碳气体传感器的标定系统实现的红外二氧化碳气体传感器的标定方法，能够降低标定过程对算力和算据的要求。

特别地，本发明提供了一种红外二氧化碳气体传感器的标定系统，包括：

密封箱，其内部设有二氧化碳浓度检测仪、温度传感器和待标定的红外二氧化碳气体传感器；

高低温箱，设置于所述密封箱外部，用于控制所述密封箱处于不同的温度；

供气装置，通过打气管与所述密封箱连通，用于控制所述密封箱内的二氧化碳浓度；

上位机，与所述二氧化碳浓度检测仪、所述温度传感器和所述红外二氧化碳气体传感器均信号连接，用于接收所述二氧化碳浓度检测仪的浓度信号、所述温度传感器的温度信号和所述红外二氧化碳气体传感器的电信号，并提取所述电信号中与浓度相关的浓度特征信号；

所述标定系统配置成保持所述密封箱内的二氧化碳浓度和湿度不变，改变所述高低温箱的温度，以便所述上位机根据不同的温度信号和对应的浓度特征信号拟合浓度特征信号受温度的变化值的与温度信号之间的第一关系式；

所述标定系统还配置成保持所述密封箱内的温度和湿度不变，改变所述密封箱内的二氧化碳浓度，以便所述上位机根据不同的浓度信号和对应的浓度特征信号拟合浓度信号与浓度特征信号受温度的变化值、浓度特征信号之间的第二关系式，以便根据当前的温度信号、当前的浓度特征信号、所述第一关系式和所述第二关系式得出对应的二氧化碳浓度值。

可选地，所述温度传感器集成于所述红外二氧化碳气体传感器处。

可选地，所述二氧化碳浓度检测仪为工业级二氧化碳浓度检测仪。

可选地，所述第一关系式为一元多次方程或指数方程；

所述第二关系式为一元多次方程或指数方程。

特别地，本发明还提供了一种利用上述任一项所述的红外二氧化碳气体传感器的标定系统实现的红外二氧化碳气体传感器的标定方法，包括：

保持所述密封箱内的二氧化碳浓度和湿度不变，改变所述高低温箱的温度，并记录多个对应的温度信号和电信号；

提取所述电信号中与浓度相关的浓度特征信号；

保持所述密封箱内的温度和湿度不变，改变所述密封箱内的二氧化碳浓度，并记录对应的浓度信号和浓度特征信号；

根据不同的温度信号和对应的浓度特征信号拟合浓度特征信号受温度的变化值的与温度信号之间的第一关系式；

根据不同的浓度信号和对应的浓度特征信号拟合浓度信号与浓度特征信号受温度的变化值、浓度特征信号之间的第二关系式，以便根据当前的温度信号、当前的浓度特征信号、所述第一关系式和所述第二关系式得出对应的二氧化碳浓度值。

可选地，根据不同的温度信号和对应的浓度特征信号拟合浓度特征信号受温度的变化值的与温度信号之间的第一关系式的步骤之前还包括：

对温度信号和浓度特征信号进行滤波。

可选地，所述第一关系式为一元多次方程或指数方程；

所述第二关系式为一元多次方程或指数方程。

可选地，根据不同的温度信号和对应的浓度特征信号拟合浓度特征信号受温度的变化值的与温度信号之间的第一关系式的步骤包括：

利用以下公式表示所述第一关系式：

其中，Δy为浓度特征信号受温度的变化值，a

可选地，根据不同的浓度信号和对应的浓度特征信号拟合浓度信号与浓度特征信号受温度的变化值、浓度特征信号之间的第二关系式的步骤包括：

利用以下公式表示所述第二关系式：

z＝b*e

其中，y为浓度特征信号，z为浓度信号，b、c均为系数，e为自然常数。

可选地，根据不同的浓度信号和对应的浓度特征信号拟合浓度信号与浓度特征信号受温度的变化值、浓度特征信号之间的第二关系式的步骤之后还包括：

根据所述第一关系式和所述第二关系式获得浓度信号、浓度特征信号和温度信号之间的第三关系式。

根据本发明的一个实施例，提供了一种简化的红外二氧化碳气体传感器的标定系统，除去了现有技术中的标定系统中的标气瓶、减压阀和加湿器等，减少了零部件，降低了成本。并且该标定系统通过分别标定浓度特征信号受温度的变化值的与温度信号之间的第一关系式，浓度信号与浓度特征信号受温度的变化值、浓度特征信号之间的第二关系式，即每次只拟合两个参数之间的关系式，因此可以利用较为简单的方程式来表达，例如一元多次方程或指数方程等，从而简化拟合算法，降低了对算力和算据的要求，这种算法可以在小型商业二氧化碳浓度检测模组中完成，使得该标定系统能够在商业场景下顺利应用。

进一步地，根据拟合出的第一关系式和第二关系式可以克服温度影响带来的误差，具有较高的精度。

根据本发明的一个实施例，用一元多次方程表达第一关系式，用指数方程表达第二关系式，这样能够更好地保证精度。

根据下文结合附图对本发明具体实施例的详细描述，本领域技术人员将会更加明了本发明的上述以及其他目的、优点和特征。

附图说明

后文将参照附图以示例性而非限制性的方式详细描述本发明的一些具体实施例。附图中相同的附图标记标示了相同或类似的部件或部分。本领域技术人员应该理解，这些附图未必是按比例绘制的。附图中：

图1是根据本发明一个实施例的红外二氧化碳气体传感器的标定系统的连接框图；

图2是根据本发明一个实施例的红外二氧化碳气体传感器的标定方法的流程图；

图3是根据本发明另一个实施例的红外二氧化碳气体传感器的标定方法的流程图。

附图标记：

100-标定系统、10-密封箱、20-二氧化碳浓度检测仪、30-温度传感器、40-红外二氧化碳气体传感器、50-高低温箱、60-供气装置、70-上位机。

具体实施方式

图1是根据本发明一个实施例的红外二氧化碳气体传感器40的标定系统100的连接框图。如图1所示，一个实施例中，本发明的红外二氧化碳气体传感器40的标定系统100包括密封箱10、高低温箱50、供气装置60和上位机70。密封箱10的内部设有二氧化碳浓度检测仪20、温度传感器30和待标定的红外二氧化碳气体传感器40。这里，二氧化碳浓度检测仪20可以选用工业级二氧化碳浓度检测仪20，以便后续提供准确的二氧化碳的浓度信号。高低温箱50设置于密封箱10外部，用于控制密封箱10处于不同的温度。供气装置60通过打气管与密封箱10连通，用于控制密封箱10内的二氧化碳浓度，供气装置60内存储有二氧化碳，通过打气管可以将二氧化碳输送到密封箱10内，使得密封箱10内的二氧化碳浓度达到预设值。上位机70与二氧化碳浓度检测仪20、温度传感器30和红外二氧化碳气体传感器40均信号连接，用于接收二氧化碳浓度检测仪20的浓度信号、温度传感器30的温度信号和红外二氧化碳气体传感器40的电信号，并提取电信号中与浓度相关的浓度特征信号。这里的电信号可以电流信号、电压信号等。从电信号中提取特征信号是本领域常规技术，在此不再赘述。这里密封箱10和高低温箱50上分别设有用于穿设数据线的通孔，该数据线包括用于连接二氧化碳浓度检测仪20和上位机70的数据线，用于连接温度传感器30和上位机70的数据线和用于连接红外二氧化碳气体传感器40和上位机70的数据线。密封箱10和高低温箱50上还分别设有用于穿设打气管的开孔，开孔在打气结束后可以通过密封塞堵塞，以保持空间的密闭。

红外二氧化碳气体传感器40结构与工作方式为：内部具有1～20um广谱光源，以特定频率发出脉冲光，优选的频率可以为0.5Hz或0.25Hz，每个周期脉冲发光时间为100ms，脉冲光在光学腔体中被所测CO2气体吸收一部分，到达4.26um窄带滤光片，然后被红外探测器接收，光信号转换为电信号，该电信号经过软硬件和算法计算输出CO2浓度值。

标定系统100配置成保持密封箱10内的二氧化碳浓度和湿度不变，改变高低温箱50的温度，以便上位机70根据不同的温度信号和对应的浓度特征信号拟合浓度特征信号受温度的变化值的与温度信号之间的第一关系式。标定系统100还配置成保持密封箱10内的温度和湿度不变，改变密封箱10内的二氧化碳浓度，以便上位机70根据不同的浓度信号和对应的浓度特征信号拟合浓度信号与浓度特征信号受温度的变化值、浓度特征信号之间的第二关系式，以便根据当前的温度信号、当前的浓度特征信号、第一关系式和第二关系式得出对应的二氧化碳浓度值。例如通过将当前的温度信号代入第一关系式，计算出浓度特征信号受温度的变化值，然后将浓度特征信号受温度的变化值和当前的浓度特征信号代入第二关系式，计算得到二氧化碳浓度值。也可以将第一关系式中的浓度特征信号受温度的变化值代入第二关系式中，然后将得到温度信号、浓度特征信号和二氧化碳浓度值的关系式，将当前的温度信号和当前的浓度特征信号代入关系式就可以得到二氧化碳浓度值。一个实施例中，第一关系式为一元多次方程或指数方程，第二关系式为一元多次方程或指数方程。

本实施例提供了一种简化的红外二氧化碳气体传感器40的标定系统100，除去了现有技术中的标定系统100中的标气瓶、减压阀和加湿器等，减少了零部件，降低了成本。并且该标定系统100通过分别标定浓度特征信号受温度的变化值的与温度信号之间的第一关系式，浓度信号与浓度特征信号受温度的变化值、浓度特征信号之间的第二关系式，即每次只拟合两个参数之间的关系式，因此可以利用较为简单的方程式来表达，例如一元多次方程或指数方程等，从而简化拟合算法，降低了对算力和算据的要求，这种算法可以在小型商业二氧化碳浓度检测模组中完成，使得该标定系统100能够在商业场景下顺利应用。

进一步地，根据拟合出的第一关系式和第二关系式可以克服温度影响带来的误差，具有较高的精度。

需要说明的是，多数商业级二氧化碳气体传感器的应用场景下，湿度的影响是可以容忍的，因此本实施例的标定系统100所标定的关系式能够满足多数商业场景。当然，对于湿度影响较大的应用场景，也可以通过模组自动对湿度进行校准或客户手动进行校准。

一个实施例中，温度传感器30集成于红外二氧化碳气体传感器40处。

图2是根据本发明一个实施例的红外二氧化碳气体传感器40的标定方法的流程图。本发明还提供了一种利用上述任一实施例中的红外二氧化碳气体传感器40的标定系统100实现的红外二氧化碳气体传感器40的标定方法，如图2所示，一个实施例中，该方法包括：

步骤S100，保持密封箱10内的二氧化碳浓度和湿度不变，改变高低温箱50的温度，并记录多个对应的温度信号和电信号。本步骤中，改变高低温箱50的温度过程中需要在温度稳定后再记录相应的电信号。

步骤S200，提取电信号中与浓度相关的浓度特征信号。

步骤S300，保持密封箱10内的温度和湿度不变，改变密封箱10内的二氧化碳浓度，并记录对应的浓度信号和浓度特征信号。

步骤S400，根据不同的温度信号和对应的浓度特征信号拟合浓度特征信号受温度的变化值的与温度信号之间的第一关系式。

步骤S500，根据不同的浓度信号和对应的浓度特征信号拟合浓度信号与浓度特征信号受温度的变化值、浓度特征信号之间的第二关系式，以便根据当前的温度信号、当前的浓度特征信号、第一关系式和第二关系式得出对应的二氧化碳浓度值。

本实施例的标定方法通过分别标定浓度特征信号受温度的变化值的与温度信号之间的第一关系式，浓度信号与浓度特征信号受温度的变化值、浓度特征信号之间的第二关系式，即每次只拟合两个参数之间的关系式，因此可以利用较为简单的方程式来表达，例如一元多次方程或指数方程等，从而简化拟合算法，降低了对算力和算据的要求，这种算法可以在小型商业二氧化碳浓度检测模组中完成，使得该标定系统100能够在商业场景下顺利应用。

进一步地，根据拟合出的第一关系式和第二关系式可以克服温度影响带来的误差，具有较高的精度。

图3是根据本发明另一个实施例的红外二氧化碳气体传感器40的标定方法的流程图。如图3所示，另一个实施例中，步骤S300之前还包括：

步骤S250，对温度信号和浓度特征信号进行滤波，以减少干扰信号。

一个实施例中，第一关系式为一元多次方程，第二关系式为指数方程。具体地，步骤S400中的第一关系式为：

其中，Δy为浓度特征信号受温度的变化值，a

一个实施例中，用一元二次方程来拟合浓度特征信号和温度信号之间的关系，利用三组数据即可完成拟合，例如根据标定实验的数据(x1，y1)，(x2，y2)，(x3，y3)，其中，x1，x2，x3分别表示3个温度信号，y1，y2，y3表示分别与x1，x2，x3对应的浓度特征信号，例如，x1，x2，x3分别为5℃、25℃和60℃，根据这3组数据就可以得到以下公式(3)的各项的系数a0、a1和a2：

y＝a0+a1*x+a2*x

其中，y为浓度特征信号。

公式(2)中的常数项a0表示特定浓度下的浓度特征信号的常数值，即不随温度信号变化的部分，将公式(2)中的常数项去除即得到了浓度特征信号受温度的变化值的与温度信号的关系式，即：

Δy＝a1*x+a2*x

对于用指数方程来表达第一关系式的拟合过程与上述过程类似，得到y与x的关系式的各个系数后，通过去除指数方程的常数项就得到了Δy与x的关系。

进一步地，步骤S500中的第二关系式为：

z＝b*e

其中，y为浓度特征信号，z为浓度信号，b、c均为系数，e为自然常数。

通过依次将二氧化碳的浓度值控制为400ppm、1000ppm、1500ppm、2000ppm、3000ppm、4000ppm、5000ppm，并在浓度稳定后记录相应的浓度特征信号。

根据x和y的数据分布特点，y和z的数据分布特点，发现用一元多次方程和指数方程均能较好地拟合x和y，y和z的关系。经过对比发现，用一元多次方程表达第一关系式，用指数方程表达第二关系式能够更好地保证精度。

如图3所示，一个实施例中，步骤S500之后还包括：

步骤S600，根据第一关系式和第二关系式获得浓度信号、浓度特征信号和温度信号之间的第三关系式。

即将公式(1)中的Δy代入到公式(4)中，就得到了z关于x和y的第三关系式，具体应用时，直接将当前获取的浓度特征信号、温度信号代入到第三关系式就可以得到浓度信号。

至此，本领域技术人员应认识到，虽然本文已详尽示出和描述了本发明的多个示例性实施例，但是，在不脱离本发明精神和范围的情况下，仍可根据本发明公开的内容直接确定或推导出符合本发明原理的许多其他变型或修改。因此，本发明的范围应被理解和认定为覆盖了所有这些其他变型或修改。