一种缩短气体传感器检测时间的数据处理方法技术

一种缩短气体传感器检测时间的数据处理方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)按照采样频率T采集检测传感器的电阻值，设定t

【技术实现步骤摘要】
一种缩短气体传感器检测时间的数据处理方法


[0001]本专利技术涉及一种气体传感器响应数据处理方法，具体涉及一种可缩短气体传感器响应与恢复时间的数据处理算法，属于气体传感检测


技术介绍

[0002]氢能被公认为最具发展潜力的清洁能源，具有能量密度大、转化效率高、储量丰富和应用范围广泛等特点，已成为全球能源转型的核心。但氢气分子小、渗透性强，在生产、储存、运输和使用的过程中易发生泄漏，且由于氢气无色无味，不能被人鼻所察觉，且着火能量仅约为0.02mJ，空气中含量在4％～75％(v/v)范围内，遇明火即发生爆炸，故在氢气的使用中必须利用氢气传感器对环境中氢气的含量进行检测并对其泄漏进行监测。
[0003]高灵敏、高可靠氢气传感器是实现氢气泄露快速检测与在线动态监测、保障氢能安全产业链安全的核心基础器件。基于钯合金薄膜的氢气传感技术，实现了氢气的专一选择性响应，因此有望在氢能安全领域发挥更加重要的作用。基于钯合金薄膜的氢气传感器，存在两种不同的器件形式，一种是电阻型，另一种是电容型，其典型结构如专利CN1947007B所示。无论是电阻型还是电容型钯合金薄膜氢气传感器，使用的氢敏材料均为钯合金薄膜(包括钯薄膜)，其氢敏机理均涉及氢气分子在钯合金薄膜表面的化学吸附、氢分子解离成氢原子、氢原子在钯合金薄膜表层的溶解、氢原子在钯合金薄膜内的扩散、氢原子重新结合为氢分子并脱离等动力学步骤。
[0004]吸附在钯合金薄膜表面的氢气分子可立即解离成氢原子，然后在表层与钯形成钯氢(Pd
‑
Hx)固溶体，其中Pd
‑
Hx固溶体中的氢原子，可进一步扩散至钯合金薄膜内部。在氢气泄露监测应用中，气体传感器的响应信号通常呈现先迅速增加后趋于饱和的变化趋势，响应曲线一般满足S型曲线特征。数学上常用函数表述S型曲线，其模拟曲线如附图1所示。S型曲线一般包括5个阶段，分别为基线S1，上升初始S2，拐点S3，上升末端S4和稳态S5。
[0005]基线S1阶段是气体传感器在工作环境中无待测样品气体组分存在时的响应曲线状态，一般为直线或有固定漂移趋势的直线；S2阶段，钯合金薄膜表面的氢原子生成速度远大于氢原子结合成氢气分子的脱附速度，因此响应曲线迅速上升；S3阶段，随着钯合金薄膜内的氢原子浓度增加，氢原子生成速度达到顶峰；在S4阶段，由于钯合金薄膜表面的氢原子生成速度不变，随着表面氢原子含量的增加，氢原子结合成氢气分子与脱附速度不断增加，响应曲线呈现区域饱和的趋势；最后氢原子生成速度和脱离速度达到动态平衡，达到S5阶段。
[0006]在气体传感器领域，一般定义信号量达到(S5
‑
S1)差值(
△
R
(S5
‑
S1)
)的90％所需的时间为响应时间，而该值一般位于S4阶段。对于钯合金薄膜氢气传感器，受制于钯合金薄膜表面氢原子及化学吸附氢气分子的脱附动力学慢的影响，S4阶段占据了该传感器响应曲线的大部分时间，需长时间才能达到S5阶段，致使该传感器的响应时间长，亦即存在很长的无效工作时间。因此，缩短钯合金薄膜氢气传感器响应与恢复时间的关键在于如何去掉该传感器在S4阶段的大量无效时间。

技术实现思路

[0007]钯合金薄膜氢气传感器的响应曲线，并具有S型曲线的典型特征，为了缩短氢气传感器的检测时间，尽快得出氢气浓度数据，因此可以通过一阶导数的方法，寻找出该S型曲线的拐点，将拐点对应的时间t作为该传感器在该浓度下的响应时间，可以极大的缩短氢气浓度的检测时间。
[0008]一种缩短气体传感器检测时间的数据处理方法，包括如下步骤：(1)按照采样频率T采集检测传感器的电阻值，设定tn时刻采集到的电阻值为Rn，tn+1时刻采集到的电阻值为Rn+1，则两次采样间隔的电阻值变化量
△
Rn+1＝Rn+1
‑
Rn；
[0009](2)将连续采集的电阻值变化量
△
Rn+1与
△
Rn数值大小比较，确定电阻值变化量
△
R最大值；
[0010](3)将电阻值变化量
△
R最大值代入
△
R—C氢气浓度关系曲线，计算获得氢气浓度值C。
[0011]本专利技术的优点：1通过本专利技术的数据处理方法，有效的缩短检测时间；2本专利技术引入一阶导数处理方法，可使钯合金薄膜氢气传感器的工作曲线由非线性函数转换为线性函数，大大简化了计算的难度。
附图说明
[0012]图1为氢气泄露监测中气体传感器的典型响应曲线；
[0013]图2经一阶导数处理过后的气体传感器典型响应曲线；
[0014]图3钯合金薄膜氢气传感器响应曲线采用本专利方法的应用示例。
具体实施方式
[0015]以下结合附图对本专利技术的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本专利技术，并非用于限定本专利技术的范围。
[0016]如图1
‑
2所示，为氢气泄露监测中，氢气传感器的典型响应曲线S曲线，为了测量传感器的响应时间，需要等待信号量当前值与初始值(S5
‑
S1)差值(
△
R
(S5
‑
S1)
)达到90％所需的时间t
90
，该等待时间一般长达3
‑
50秒，为了加快测量速度，对典型响应曲线S曲线求导后计算变化率最大值，然后按照变化率最大值与t
90
的关系曲线计算出氢气浓度，具体如下：
[0017]1、按照采样频率T采集检测传感器的电阻值，设定t
n
时刻采集到的电阻值为R
n
，t
n+1
时刻采集到的电阻值为R
n+1
，则两次采样间隔的电阻值变化量
△
R
n+1
＝R
n+1
‑
R
n
；
[0018]2、将连续采集的电阻值变化量
△
R
n+1
与
△
R
n
数值大小比较，确定电阻值变化量
△
R最大值，即变化率最大值；
[0019]3、将电阻值变化量
△
R最大值代入
△
R—C氢气浓度关系曲线，计算获得氢气浓度值C。
[0020]如图3所示，图3a为原始的氢气检测传感器的响应恢复曲线，图3b为求导后的氢气检测传感器的响应恢复曲线，图3c为计算得到的氢气浓度曲线，通过上述方法计算氢气浓度，可以节省至少一半的响应时间计算。
[0021]以上所述仅为本专利技术的较佳实施例，并不用以限制本专利技术，凡在本专利技术的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本专利技术的保护范围之内。
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种缩短气体传感器检测时间的数据处理方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)按照采样频率T采集检测传感器的电阻值，设定t
n
时刻采集到的电阻值为R
n
，t
n+1
时刻采集到的电阻值为R
n+1
，则两次采样间隔的电阻值变化量
△
R
n+1
＝R
n+1
...

【专利技术属性】
技术研发人员：胥海洲，
申请(专利权)人：深圳市鹏翔半导体有限公司，
类型：发明
国别省市：