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摘要：随着瓦斯浓度的升高，元件输出增加量明显减少，使元件在检测较高浓度瓦斯时，呈较严重的非线性特性。本文采用分段折线校正法对传感器进行非线性补偿，软硬件结合、零点飘移修正等方法，大大提高了智能瓦斯传感器的测量精度。
关键词：瓦斯传感器；非线性补偿；零点漂移
【分类号】：TD712.55
1.1 催化燃烧型瓦斯传感元件的检测原理
催化燃烧式气体传感器是由一个催化传感元件（俗称黑元件）和一个不带催化剂的补偿元件（俗称白元件）构成。黑白元件物理结构一致性要好，催化元件最里层是铂丝线圈，外面是载体和催化剂形成的催化外壳。铂丝线圈用于通电加热催化外壳，维持瓦斯催化燃烧反应所需的温度，同时又兼作感温元件。当环境中有可燃性气体时，气体就会在稀有金属催化层上燃烧，从而引起铂丝线圈温度上升，增加了敏感元件铂丝的电阻值，通过电桥测量电路，可以测量其敏感元件电阻值变化量，如图1.1所示：
图1.1 传感器检测电桥
Rh是催化传感元件，Rb为补偿元件。在无瓦斯的新鲜空气中，Rh=Rb，调整电桥使之平衡，信号输出端电压U=0；当瓦斯存在时，在催化传感元件Rh表面发生无焰催化燃烧，Rh阻值随温度上升而增加为Rh+△Rh，而补偿元件Rb阻值不变，从而电桥失去平衡。
当采用恒压源E供电时，输出不平衡电压为：
由于Rh=Rb=R>>△Rh，则
电桥输出电压取决于敏感元件的阻值变化量△Rh。对于铂丝元件，其电阻变化量可用下式表示：
其中，a、h、R0与敏感元件的材料、性质、结构尺寸有关；扩散系数D和瓦斯的分子燃烧热Q都是常数，可用一个常数k2代表这些因素，因而上式可写为：
即在理想情况下，电桥输出电压与瓦斯浓度成正比，在一定浓度范围内，电桥输出电压与瓦斯浓度呈线性。
1.2 瓦斯传感元件的非线性补偿
目前我国瓦斯传感元件均采用催化燃烧型的元件。虽然根据瓦斯检测原理，在理想情况下，在一定浓度范围内，瓦斯浓度和信号输出存在线性关系。但在实际系统中，测试结果表明：随着瓦斯浓度的升高，元件输出增加量明显减少，使元件在检测较高浓度瓦斯时，呈较严重的非线性特性。主要由以下几个方面：
①瓦斯传感元件本身的误差。制造、加工精度不够、装配偏差；材料的热胀冷缩、迟滞等因素。
②外界环境影响。
③人为因素。
在瓦斯检测过程中，对大多数误差来源往往不能充分了解，因此，难以从理论上建立准确的误差模型。但是可以通过校验校准来获得系统的校准曲线（输入、输出关系曲线）。所谓校准，就是在标准状况下，利用一定等级的标准设备，为系统提供标准的输入量Xi （i=1，2，...，n），测试系统的输出Yi （i=1，2，...，n）。由此得出系统的输入、输出数据（Xi，Yi），将曲线上各个校准点的数据存入存储器的校准表格中或绘出静态特性曲线。在实际测量时，测一个Yi值，就到微处理起去访问这个地址，读出其内容Xi，即为被测量经修正过的值。
在获得传感器的特性曲线后，就要进行曲线的拟合和校正。曲线校正方法有：线性度拟合校正和非线性拟合校正法。
1、线性度拟合校正法
所谓线性拟和是依据若干实验数据，利用一定的数学方法得到的直线。当采用的数学方法不同时，拟合直线不同，以此为基准得出的线性度也不同。常用的线性度有两种：端点线性度和最小二乘线性度。
（1）端点线性度
将特性曲线的两个端点连成一条直线，作为基准得到的线性度称为端点线性度。
（2）最小二乘線性度，使得定点上误差的平方和为最小。端点线性度的误差分配不均匀，最大误差的数值较大，但拟合精度高，计算简单。
2、非线性拟合校正法
非线性校正的方法有很多，常使用以下几种校正方法：（1）分段折线校正法 （2）整段校正法 （3）平方插值校正法 （4）神经网络校正法
由于在用线性拟合法时，误差太大。采用整段校正法、平方插值校正法、神经网络校正法等处理数据比较烦琐，计算量大，又单片机的计算能力比较薄弱。而分段折线校正法，计算量不大，误差较小，处理精度高，所以本文采用分段折线校正法进行非线性补偿。
该方法用一条折线来拟合传感器和检测系统的非线性曲线，如图1.2所示。
将各个校准点的数据存入存储器的校准表格中作为量化修正系数存入外围芯片EEPROM24C16中，每次校正时，根据测到的数值及修正系数，采用单片机作程序处理，校正元件的输出值。
将瓦斯传感元件输入输出曲线置于坐标系内，用固定长的小区间对它进行分割，分割的直线每一段放大如图1.3所示。
1.3 瓦斯传感器自动调校的校零处理
由于传感器及外围电路受外界环境影响会产生一定漂移，在长时间工作，受老化等环境变化因素影响就可能产生较大的零点漂移。为了使系统在长时间工作后仍能够精确读数，在软件中使用了零位漂移修正方法。零位稳定是影响测量系统精度非常重要的因素[8][9]。采用单片机，充分运用其硬件的通用性和软件的灵活性以软代硬解决此问题，这样既不影响传感器的工作特性，也不附加元器件，准确可靠。
方法是：用程序控制单片机先测出无输入时传感器的输出值（零位输出值，即传感器在新鲜空气中的输出值），把它存储在单片机系统的存储器内，工作时每一次数据采集均减去此值，这样就排除了零位输出的的影响，提高了使用精度。
1.4 程序设计
为了消除零点漂移的影响，在软件中采用了零点补偿的方法。为了得到精确的测量，引用了非线性补偿的方法。
参考文献
[1] 张德增，郑江萍.煤矿安全监测技术基础知识[J].北京：煤炭工业出版社，1991
[2] 陈世海，张中，牛光东.基于MSP430的红外瓦斯检测仪设计[J].煤矿机电，2006，4（1）：12～14
关键词：瓦斯传感器；非线性补偿；零点漂移
【分类号】：TD712.55
1.1 催化燃烧型瓦斯传感元件的检测原理
催化燃烧式气体传感器是由一个催化传感元件（俗称黑元件）和一个不带催化剂的补偿元件（俗称白元件）构成。黑白元件物理结构一致性要好，催化元件最里层是铂丝线圈，外面是载体和催化剂形成的催化外壳。铂丝线圈用于通电加热催化外壳，维持瓦斯催化燃烧反应所需的温度，同时又兼作感温元件。当环境中有可燃性气体时，气体就会在稀有金属催化层上燃烧，从而引起铂丝线圈温度上升，增加了敏感元件铂丝的电阻值，通过电桥测量电路，可以测量其敏感元件电阻值变化量，如图1.1所示：
图1.1 传感器检测电桥
Rh是催化传感元件，Rb为补偿元件。在无瓦斯的新鲜空气中，Rh=Rb，调整电桥使之平衡，信号输出端电压U=0；当瓦斯存在时，在催化传感元件Rh表面发生无焰催化燃烧，Rh阻值随温度上升而增加为Rh+△Rh，而补偿元件Rb阻值不变，从而电桥失去平衡。
当采用恒压源E供电时，输出不平衡电压为：
由于Rh=Rb=R>>△Rh，则
电桥输出电压取决于敏感元件的阻值变化量△Rh。对于铂丝元件，其电阻变化量可用下式表示：
其中，a、h、R0与敏感元件的材料、性质、结构尺寸有关；扩散系数D和瓦斯的分子燃烧热Q都是常数，可用一个常数k2代表这些因素，因而上式可写为：
即在理想情况下，电桥输出电压与瓦斯浓度成正比，在一定浓度范围内，电桥输出电压与瓦斯浓度呈线性。
1.2 瓦斯传感元件的非线性补偿
目前我国瓦斯传感元件均采用催化燃烧型的元件。虽然根据瓦斯检测原理，在理想情况下，在一定浓度范围内，瓦斯浓度和信号输出存在线性关系。但在实际系统中，测试结果表明：随着瓦斯浓度的升高，元件输出增加量明显减少，使元件在检测较高浓度瓦斯时，呈较严重的非线性特性。主要由以下几个方面：
①瓦斯传感元件本身的误差。制造、加工精度不够、装配偏差；材料的热胀冷缩、迟滞等因素。
②外界环境影响。
③人为因素。
在瓦斯检测过程中，对大多数误差来源往往不能充分了解，因此，难以从理论上建立准确的误差模型。但是可以通过校验校准来获得系统的校准曲线（输入、输出关系曲线）。所谓校准，就是在标准状况下，利用一定等级的标准设备，为系统提供标准的输入量Xi （i=1，2，...，n），测试系统的输出Yi （i=1，2，...，n）。由此得出系统的输入、输出数据（Xi，Yi），将曲线上各个校准点的数据存入存储器的校准表格中或绘出静态特性曲线。在实际测量时，测一个Yi值，就到微处理起去访问这个地址，读出其内容Xi，即为被测量经修正过的值。
在获得传感器的特性曲线后，就要进行曲线的拟合和校正。曲线校正方法有：线性度拟合校正和非线性拟合校正法。
1、线性度拟合校正法
所谓线性拟和是依据若干实验数据，利用一定的数学方法得到的直线。当采用的数学方法不同时，拟合直线不同，以此为基准得出的线性度也不同。常用的线性度有两种：端点线性度和最小二乘线性度。
（1）端点线性度
将特性曲线的两个端点连成一条直线，作为基准得到的线性度称为端点线性度。
（2）最小二乘線性度，使得定点上误差的平方和为最小。端点线性度的误差分配不均匀，最大误差的数值较大，但拟合精度高，计算简单。
2、非线性拟合校正法
非线性校正的方法有很多，常使用以下几种校正方法：（1）分段折线校正法 （2）整段校正法 （3）平方插值校正法 （4）神经网络校正法
由于在用线性拟合法时，误差太大。采用整段校正法、平方插值校正法、神经网络校正法等处理数据比较烦琐，计算量大，又单片机的计算能力比较薄弱。而分段折线校正法，计算量不大，误差较小，处理精度高，所以本文采用分段折线校正法进行非线性补偿。
该方法用一条折线来拟合传感器和检测系统的非线性曲线，如图1.2所示。
将各个校准点的数据存入存储器的校准表格中作为量化修正系数存入外围芯片EEPROM24C16中，每次校正时，根据测到的数值及修正系数，采用单片机作程序处理，校正元件的输出值。
将瓦斯传感元件输入输出曲线置于坐标系内，用固定长的小区间对它进行分割，分割的直线每一段放大如图1.3所示。
1.3 瓦斯传感器自动调校的校零处理
由于传感器及外围电路受外界环境影响会产生一定漂移，在长时间工作，受老化等环境变化因素影响就可能产生较大的零点漂移。为了使系统在长时间工作后仍能够精确读数，在软件中使用了零位漂移修正方法。零位稳定是影响测量系统精度非常重要的因素[8][9]。采用单片机，充分运用其硬件的通用性和软件的灵活性以软代硬解决此问题，这样既不影响传感器的工作特性，也不附加元器件，准确可靠。
方法是：用程序控制单片机先测出无输入时传感器的输出值（零位输出值，即传感器在新鲜空气中的输出值），把它存储在单片机系统的存储器内，工作时每一次数据采集均减去此值，这样就排除了零位输出的的影响，提高了使用精度。
1.4 程序设计
为了消除零点漂移的影响，在软件中采用了零点补偿的方法。为了得到精确的测量，引用了非线性补偿的方法。
参考文献
[1] 张德增，郑江萍.煤矿安全监测技术基础知识[J].北京：煤炭工业出版社，1991
[2] 陈世海，张中，牛光东.基于MSP430的红外瓦斯检测仪设计[J].煤矿机电，2006，4（1）：12～14