專利名稱：一種基于氣體傳感器陣列的汽車尾氣檢測(cè)方法
一種基于氣體傳感器陣列的汽車尾氣檢測(cè)方法所屬領(lǐng)域本發(fā)明涉及汽車尾氣檢測(cè)領(lǐng)域，特別涉及CO和船2組分濃度的一種 基于氣體傳感器陣列的汽車尾氣檢測(cè)方法。
技術(shù)背景隨著我國(guó)汽車擁有量的急劇增加，汽車尾氣污染已經(jīng)成為我國(guó)空氣 污染的第一大污染源，而且，在城市交通越來越擁堵的狀態(tài)下，汽車在 怠速狀態(tài)下會(huì)產(chǎn)生更多的對(duì)人體健康有害的氣體，如C0、 N02等，這些 氣體進(jìn)入車內(nèi)也將嚴(yán)重影響司乘人員的身體健康。雖然對(duì)汽車尾氣的排 放有相關(guān)環(huán)保法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)的限制，但是，隨著汽車使用時(shí)間的延長(zhǎng)和裝 載量的變化，其排放污染物的量會(huì)有所差異，有必要隨時(shí)實(shí)時(shí)跟蹤監(jiān)測(cè)， 特別是尾氣中的C0和恥2含量。有毒有害、易燃易爆等危險(xiǎn)氣體的檢測(cè)分析方法已經(jīng)有多種成熟的 方法，如分光光譜法、紅外吸收光譜法、氣相色譜法、離子遷移譜法、 質(zhì)譜法以及各單項(xiàng)技術(shù)的組合方法等；還有多種氣體傳感器，如熱催化、 熱導(dǎo)、電化學(xué)、固態(tài)電解質(zhì)、氣敏二極管、氣敏場(chǎng)效應(yīng)晶體管、半導(dǎo)體聚合物、半導(dǎo)體金屬氧化物等氣體敏感元件可用于檢測(cè)各種各樣的被測(cè) 氣體，其中半導(dǎo)體金屬氧化物氣體傳感器以其靈敏度高、能檢測(cè)多種氣 體、響應(yīng)快、體積小、價(jià)格低、壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)得到了廣泛地應(yīng)用。但是，由于金屬氧化物氣體傳感器對(duì)多種氣體的交叉敏感特性，給汽車尾氣這樣復(fù)雜的混合氣體中某一成分如CO濃度的檢測(cè)帶來了困難。 目前， 一般采用多個(gè)具有不同敏感特性的金屬氧化物氣體傳感器同時(shí)檢 測(cè)某特定組分的混合氣體，并采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的方法進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，以定 性或半定量地判斷被測(cè)氣體的種類與各組分的濃度。但是，這種方法的 可靠性依賴于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)與訓(xùn)練，而且這種訓(xùn)練需要標(biāo)準(zhǔn)樣本集， 而汽車尾氣中成分有上百種之多，其組分是未知的且千變?nèi)f化，進(jìn)行這 樣的訓(xùn)練是比較困難的，況且金屬氧化物氣體傳感器的特性強(qiáng)烈依賴于 環(huán)境溫度、濕度等，使檢測(cè)的可靠性差。在現(xiàn)有技術(shù)中已有多種具有溫濕度補(bǔ)償?shù)臍怏w檢測(cè)裝置，如專利號(hào)為CN1588030的"一種具有溫濕補(bǔ)償功能的便攜式氣體檢測(cè)分析儀"， 可以實(shí)時(shí)檢測(cè)被測(cè)氣體中C0和CH4氣體的含量以及環(huán)境溫濕度的變化， 并將檢測(cè)數(shù)據(jù)、時(shí)間以及環(huán)境信息存入存儲(chǔ)器，并可通過計(jì)算機(jī)進(jìn)行深 入分析、溫濕補(bǔ)償、收集、管理和對(duì)測(cè)得信息進(jìn)行備案等。專利號(hào)為 CN2641650的"便攜式智能型氣體檢測(cè)儀"，包括一個(gè)或一個(gè)以上的氣體 檢測(cè)傳感器， 一個(gè)溫度傳感器電路， 一個(gè)多路模擬信號(hào)輸入端的微處理 器， 一個(gè)存有傳感器的零點(diǎn)與溫度的標(biāo)準(zhǔn)曲線表數(shù)據(jù)的外部程序存儲(chǔ)器 和液晶顯示電路；該便攜式智能型氣體檢測(cè)儀，具有自動(dòng)識(shí)別傳感器、 數(shù)據(jù)采集、運(yùn)算處理、數(shù)字濾波、量綱變換、線性糾正、誤差修正、數(shù) 字顯示、越限報(bào)警、遠(yuǎn)程通訊等功能。專利號(hào)為CN2816808的"汽車尾 氣檢測(cè)裝置"側(cè)重于尾氣的采樣，包括氣體傳感器、信號(hào)模/數(shù)轉(zhuǎn)換電 路、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)電路、抽吸泵、空氣過濾器、活性炭過濾器、抽 吸電磁閥、尾氣導(dǎo)管及汽車尾氣采集器。通過分析這些專利發(fā)現(xiàn)，這些專利中都沒有涉及到如何分析混合氣 體以及如何消除傳感器對(duì)多種氣體的交叉敏感或非被測(cè)氣體的干擾所 帶來的檢測(cè)誤差，因?yàn)闊o論采用那種氣體傳感器檢測(cè)汽車尾氣中如CO 的濃度，都存在其它組分的干擾問題，何況所有組分都是相生相伴的， 且它們的濃度往往大于所要檢測(cè)的組分如CO的濃度；其次，這些專利 都回避了一個(gè)重要的問題，即采用的氣體傳感器的種類及其特性如何， 而氣體傳感器才是一個(gè)氣體檢測(cè)裝置的核心，這個(gè)問題不解決，則測(cè)試 結(jié)果就沒有可信度；再者，這些專利都偏重于檢測(cè)裝置的設(shè)計(jì)，沒有涉 及到多氣體傳感器數(shù)據(jù)的融合處理問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是針對(duì)已有技術(shù)的不足，提出一種基于氣體傳感器陣 列的汽車尾氣檢測(cè)方法，即應(yīng)用金屬氧化物氣體傳感器陣列檢測(cè)汽車尾
氣及其中CO和N0z組分濃度的方法。
本發(fā)明的技術(shù)方案是 一種基于氣體傳感器陣列的汽車尾氣檢測(cè)方 法，氣體傳感器陣列為金屬氧化物氣體傳感器陣列，用于檢測(cè)汽車尾氣 中CO和N02和總碳?xì)浠衔餄舛?，特別是
氣體傳感器陣列安裝在可改變溫度、濕度并能注入和排出被測(cè)氣體
的測(cè)試箱中，測(cè)試箱中包括兩個(gè)具有不同敏感特性的co氣體傳感器，
是第一 CO氣體傳感器和第二 CO氣體傳感器，兩個(gè)具有不同敏感特性的 N02氣體傳感器，是第一 ,2氣體傳感器和第二 N02氣體傳感器，兩個(gè)具 有不同敏感特性的可燃性氣體傳感器，是第一可燃性氣體傳感器和第二 可燃性氣體傳感器，測(cè)試箱中還包括一個(gè)溫度傳感器和一個(gè)濕度傳感 器；基于氣體傳感器陣列的汽車尾氣檢測(cè)方法步驟是a、 安裝氣體傳感器陣列標(biāo)定與汽車尾氣檢測(cè)系統(tǒng)；b、 氣體傳感器陣列在潔凈空氣中的特性標(biāo)定；C、氣體傳感器陣列對(duì)單組分氣體的敏感特性標(biāo)定；d、 氣體傳感器陣列對(duì)汽車尾氣中總碳?xì)浠衔锏拿舾刑匦詷?biāo)定；e、 氣體傳感器陣列對(duì)混合氣體檢測(cè)精度的測(cè)試；f、 氣體傳感器陣列應(yīng)用于汽車尾氣的檢測(cè)與分析；其中C、 d步驟中的標(biāo)定是分別在確定的各氣體傳感器的加熱電 壓下標(biāo)定它們各自分別對(duì)C0、 N02和汽車尾氣中總碳?xì)浠衔锏拿舾刑?性，獲取各自的特性參數(shù)和敏感特征參數(shù)；d步驟中氣體傳感器對(duì)汽車尾氣中總碳?xì)浠衔锏拿舾刑匦詷?biāo)定的 特點(diǎn)是以實(shí)際汽車尾氣作為標(biāo)定氣體，外加已知濃度的CO或N(V混合成 混合氣體，依據(jù)各氣體傳感器對(duì)該混合氣體的響應(yīng)，得出其對(duì)汽車尾氣 中總碳?xì)浠衔锏拿舾刑卣鲄?shù)；其中e步驟中，氣體傳感器陣列對(duì)混合氣體檢測(cè)精度的測(cè)試，是將 己知濃度的C0、 N02和汽車尾氣三種氣體混合，用標(biāo)定好的氣體傳感器 陣列進(jìn)行測(cè)試，比較測(cè)試結(jié)果與實(shí)際濃度值，得出氣體傳感器陣列的檢 測(cè)精度；在(b) (f)步驟中，根據(jù)氣體傳感器陣列中各氣體傳感器的溫 度、濕度特性，對(duì)各氣體傳感器輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行修正；基于氣體傳感器陣列的汽車尾氣檢測(cè)方法還包括數(shù)據(jù)融合處理方 法，其中首先， 一次分別取三種氣體傳感器中的一個(gè)氣體傳感器共三個(gè)氣體傳感器構(gòu)成一組氣體傳感器陣列，共有八組氣體傳感器陣列； 八組氣體傳感器陣列的構(gòu)成分別為第一氣體傳感器陣列為第一 CO氣體傳感器、第一 N(^氣體傳感器、 第一可燃性氣體傳感器；第二氣體傳感器陣列為第一 CO氣體傳感器、第一 N02氣體傳感器、 第二可燃性氣體傳感器；第三氣體傳感器陣列為第一 CO氣體傳感器、第二恥2氣體傳感器、 第一可燃性氣體傳感器；第四氣體傳感器陣列為第一 CO氣體傳感器、第二 N02氣體傳感器、 第二可燃性氣體傳感器；第五氣體傳感器陣列為第二 CO氣體傳感器、第一 恥2氣體傳感器、 第一可燃性氣體傳感器；第六氣體傳感器陣列為第二 CO氣體傳感器、第一 N02氣體傳感器、 第二可燃性氣體傳感器；第七氣體傳感器陣列為第二 CO氣體傳感器、第二 N02氣體傳感器、 第一可燃性氣體傳感器；第八氣體傳感器陣列為第二CO氣體傳感器、第二N02氣體傳感器、第二可燃性氣體傳感器。其次，由一組氣體傳感器陣列中的三個(gè)氣體傳感器在汽車尾氣中各 自的輸出以及它們分別對(duì)C0、 N02和汽車尾氣中總碳?xì)浠衔锏拿舾刑?征參數(shù)得出一個(gè)對(duì)數(shù)函數(shù)的線性方程組，計(jì)算出汽車尾氣中C0、 N02和 總碳?xì)浠衔锏臐舛?；最后，分別計(jì)算出八組氣體傳感器陣列的八組濃度值，計(jì)算八組氣 體傳感器陣列的八組濃度值的平均值，分別得到汽車尾氣中C0、 N02和 總碳?xì)浠衔锏臐舛取?br> 相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明的有益效果是
其一，氣體傳感器陣列安裝在可改變溫度、濕度并能注入和排出被 測(cè)氣體的測(cè)試箱中，測(cè)試箱中包括兩個(gè)具有不同敏感特性的C0氣體傳 感器，是第一CO氣體傳感器(1)和第二CO氣體傳感器，兩個(gè)具有不
同敏感特性的N02氣體傳感器，是第一 N02氣體傳感器和第二 N02氣體傳 感器，兩個(gè)具有不同敏感特性的可燃性氣體傳感器，是第一可燃性氣體 傳感器和第二可燃性氣體傳感器，測(cè)試箱中還包括一個(gè)溫度傳感器和一 個(gè)濕度傳感器；
基于氣體傳感器陣列的汽車尾氣檢測(cè)方法步驟是a、安裝氣體傳 感器陣列標(biāo)定與汽車尾氣檢測(cè)系統(tǒng)；b、氣體傳感器陣列在潔凈空氣中 的特性標(biāo)定；c、氣體傳感器陣列對(duì)單組分氣體的敏感特性標(biāo)定；d、氣 體傳感器陣列對(duì)汽車尾氣中總碳?xì)浠衔锏拿舾刑匦詷?biāo)定；e、氣體傳 感器陣列對(duì)混合氣體檢測(cè)精度的測(cè)試；f、氣體傳感器陣列應(yīng)用于汽車 尾氣的檢測(cè)與分析；
基于氣體傳感器陣列的汽車尾氣檢測(cè)方法還包括數(shù)據(jù)融合處理方 法，其中首先， 一次分別取三種氣體傳感器中的一個(gè)氣體傳感器共三 個(gè)氣體傳感器構(gòu)成一組氣體傳感器陣列，共有八組氣體傳感器陣列；其 次，由一組氣體傳感器陣列中的三個(gè)氣體傳感器在汽車尾氣中各自的輸 出以及它們分別對(duì)C0、 N02和汽車尾氣中總碳?xì)浠衔锏拿舾刑卣鲄?shù)得出一個(gè)對(duì)數(shù)函數(shù)的線性方程組，計(jì)算出汽車尾氣中CO、 N02和總碳?xì)?化合物的濃度；最后，分別計(jì)算出八組氣體傳感器陣列的八組濃度值，計(jì)算八組氣體傳感器陣列的八組濃度值的平均值，分別得到汽車尾氣中C0、 N02和總碳?xì)浠衔锏臐舛取Ｆ涠?，本發(fā)明充分考慮了在檢測(cè)汽車尾氣中有毒有害氣體CO和N02 時(shí)碳?xì)浠衔飳?duì)檢測(cè)的嚴(yán)重干擾，采用氣體傳感器陣列檢測(cè)能夠消除這 種干擾，并且采用六個(gè)不同的氣體傳感器，構(gòu)成八組不同的氣體傳感器 陣列，同時(shí)采用一個(gè)溫度傳感器和一個(gè)濕度傳感器實(shí)時(shí)檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)溫度和 濕度，對(duì)氣體傳感器檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行溫度和濕度補(bǔ)償，增加了檢測(cè)的精度 和可靠性；六個(gè)不同的氣體傳感器中，即使其中一個(gè)氣體傳感器損壞，仍有五 個(gè)氣體傳感器可組合成四組不同的氣體傳感器陣列，增加了氣體傳感器 陣列的冗余度。


圖1為傳感器陣列的檢測(cè)原理電路圖。圖2為氣體傳感器陣列敏感特性標(biāo)定與汽車尾氣檢測(cè)總流程圖。 圖3為氣體傳感器陣列在潔凈空氣中的特性標(biāo)定流程圖。 圖4為氣體傳感器陣列對(duì)單組分氣體的敏感特性標(biāo)定流程圖。 圖5為氣體傳感器陣列對(duì)汽車尾氣中總碳?xì)浠衔锏拿舾刑匦詷?biāo)定 流程圖。圖6為氣體傳感器陣列對(duì)混合氣體檢測(cè)精度的測(cè)試流程圖。 圖7為氣體傳感器陣列應(yīng)用于汽車尾氣檢測(cè)的流程圖。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說明 圖1為傳感器陣列檢測(cè)原理電路圖，其中傳感器陣列都安裝在測(cè)試箱9中，測(cè)試箱9中包括兩個(gè)具有不同敏感特性的CO氣體傳感器，是 第一 CO氣體傳感器1和第二 CO氣體傳感器2;兩個(gè)具有不同敏感特性 的N02氣體傳感器，是第一 N02氣體傳感器3和第二 N02氣體傳感器4; 兩個(gè)具有不同敏感特性的可燃性氣體傳感器，是第一可燃性氣體傳感器 5和第二可燃性氣體傳感器6，傳感器陣列還包括一個(gè)溫度傳感器7和 一個(gè)濕度傳感器8;氣體傳感器陣列的加熱電壓分別為VH1、 VH2、 VH3、 VH4、 VH5和V朋；氣體傳感器陣列的負(fù)載電阻分別為RLi、 Rl2、 Rl3、 Rl4、 Rl5和Rls;溫度傳感器7和濕度傳感器8的負(fù)載電阻分別為Rl7和Rls;所有傳感器的測(cè)試電壓都是Vc，輸出電壓分別為Voi、 V02、 V03、 V04、 V05、 Vo6、 Vq7和Vqs，通過數(shù)據(jù)采集卡與計(jì)算機(jī)PC相連接，所有傳感器都安裝在可改變溫度、濕度并能注入和排出被測(cè)氣體的測(cè)試箱9中。圖2為氣體傳感器陣列敏感特性標(biāo)定與汽車尾氣檢測(cè)總流程圖。首 先開始(步驟100)，安裝氣體傳感器陣列標(biāo)定與汽車尾氣檢測(cè)系統(tǒng)(步驟200);其次，對(duì)氣體傳感器陣列在潔凈空氣中的特性進(jìn)行標(biāo)定(步驟300)，獲得各氣體傳感器在潔凈空氣中的特性參數(shù)和溫度、濕度特性； 再其次，進(jìn)行氣體傳感器陣列對(duì)單組分氣體的敏感特性標(biāo)定(步驟400)， 獲得各氣體傳感器分別對(duì)CO和N02敏感的特性參數(shù)和敏感特征參數(shù)以及 各氣體傳感器在存在被測(cè)氣體C0或N02時(shí)的溫度、濕度特性；又其次，進(jìn)行氣體傳感器陣列對(duì)汽車尾氣中總碳?xì)浠衔锏拿舾刑匦詷?biāo)定(步驟 500)，獲得各氣體傳感器對(duì)汽車尾氣中總碳?xì)浠衔锩舾械奶匦詤?shù)和 敏感特征參數(shù)以及各氣體傳感器在存在被測(cè)氣體總碳?xì)浠衔飼r(shí)的溫 度、濕度特性；然后，進(jìn)行氣體傳感器陣列對(duì)混合氣體檢測(cè)精度的測(cè)試
(步驟600)，獲得氣體傳感器陣列對(duì)混合氣體的檢測(cè)精度，滿足精度檢 測(cè)要求？(步驟700)，如不滿足要求，則返回(步驟200)重新標(biāo)定或 更換氣體傳感器陣列后重新標(biāo)定；如果是滿足精度要求，則氣體傳感器 陣列應(yīng)用于汽車尾氣的檢測(cè)與分析(步驟800)，最后結(jié)束(步驟900)。 圖3為氣體傳感器陣列在潔凈空氣中的特性標(biāo)定流程圖。其中開 始(步驟300);安裝氣體傳感器陣列標(biāo)定系統(tǒng)(步驟310)，標(biāo)定時(shí)所 有傳感器都置于能改變溫度、濕度并能注入被測(cè)氣體和抽氣、換氣的測(cè)
試箱9中；采集在潔凈空氣中室溫條件下各傳感器的輸出電壓數(shù)據(jù)(步 驟320);并依據(jù)測(cè)試電路參數(shù)，計(jì)算成各氣體傳感器的電阻值，且依據(jù)
測(cè)試電路參數(shù)和溫度傳感器、濕度傳感器各自的敏感特性分別計(jì)算溫
度、濕度值并儲(chǔ)存(步驟330);逐點(diǎn)改變測(cè)試箱的溫度，穩(wěn)定后采集個(gè) 傳感器輸出數(shù)據(jù)，并計(jì)算其電阻值，即保持測(cè)試箱9中濕度不變并改變 溫度(步驟340)和保持測(cè)試箱中溫度不變并改變濕度(步驟350)，得 到不同溫度、濕度下各氣體傳感器的電阻值，依據(jù)各氣體傳感器的典型 溫度特性(金屬氧化物氣體傳感器的溫度特性類似于NTC熱敏電阻的溫 度特性)、濕度特性(金屬氧化物氣體傳感器的濕度特性類似于還原性 氣體的敏感特性)可獲得在潔凈空氣中各氣體傳感器的溫度、濕度特性 參數(shù)(步驟360);需要重復(fù)標(biāo)定嗎？(步驟370)，如果否則返回(步驟320)繼續(xù)進(jìn)行采集，如果是則計(jì)算n次結(jié)果的平均值(步驟380)， 可獲得較精確的結(jié)果結(jié)束(步驟390)。圖4為氣體傳感器陣列對(duì)單組分氣體的敏感特性標(biāo)定流程圖。其中 開始(步驟400);安裝氣體傳感器陣列標(biāo)定系統(tǒng)(步驟410);先確定 要標(biāo)定的單組分氣體的種類k (步驟420)，設(shè)定k=l為CO, k=2則為N02，再確定標(biāo)定氣體濃度Ckj (步驟430)，下標(biāo)』=1,2,3……，分別代表不同的CO或N02氣體濃度，然后測(cè)試箱9注入濃度為Ckj的標(biāo)準(zhǔn)樣氣，第一次注入的標(biāo)準(zhǔn)樣氣的濃度則為Cn (步驟440);采集并儲(chǔ)存在單組分氣體濃度為Cu的標(biāo)準(zhǔn)樣氣中各氣體傳感器的輸出電壓數(shù)據(jù)(步驟 450);保持濕度不變并改變溫度和保持溫度不變并改變濕度并采集、儲(chǔ)存各傳感器的輸出電壓數(shù)據(jù)(步驟460);依據(jù)測(cè)試電路參數(shù)、各氣體傳 感器的典型敏感特性分別計(jì)算并分析各氣體傳感器的特性參數(shù)、敏感特 征參數(shù)，并依據(jù)各氣體傳感器的典型溫度特性(金屬氧化物氣體傳感器 的溫度特性類似于NTC熱敏電阻的溫度特性)、濕度特性(金屬氧化物 氣體傳感器的濕度特性類似于還原性氣體的敏感特性)和實(shí)際測(cè)得的各 氣體傳感器電阻分別隨溫度、濕度變化的數(shù)據(jù)，計(jì)算各氣體傳感器的溫 度、濕度特性參數(shù)(步驟470);改變氣體濃度重復(fù)標(biāo)定多個(gè)濃度點(diǎn)，繼 續(xù)嗎？(步驟480)，如果是則返回(步驟440)，如果否則計(jì)算不同濃 度下多次標(biāo)定的各氣體傳感器的敏感特征參數(shù)的平均值或相同濃度下 多次標(biāo)定的各氣體傳感器的特性參數(shù)的平均值(步驟490)，可獲得較精 確的結(jié)果；標(biāo)定完成嗎？標(biāo)定完一種單組分氣體后，可進(jìn)行另一單組分 氣體的標(biāo)定(步驟491);如果否則返回(步驟420)繼續(xù)，如果是則完 成后結(jié)束標(biāo)定(步驟492)。圖5為氣體傳感器陣列對(duì)汽車尾氣中總碳?xì)浠衔锏拿舾刑匦詷?biāo)定 流程圖。其中開始(步驟500);安裝氣體傳感器陣列標(biāo)定系統(tǒng)(步驟510);因 為無法從汽車尾氣中分離出總碳?xì)浠衔飿?biāo)準(zhǔn)樣氣，也因?yàn)槠浣M分復(fù) 雜，無法配制這樣的標(biāo)準(zhǔn)樣氣，本發(fā)明采用實(shí)際采集的汽車尾氣作為標(biāo) 準(zhǔn)樣氣，將汽車尾氣標(biāo)準(zhǔn)樣氣中除CO、 N02以外的其它所有組分視為 單一成分即總碳?xì)浠衔铮ㄟ^測(cè)試各氣體傳感器對(duì)汽車尾氣的敏感特性以及在有汽車尾氣的基礎(chǔ)上添加已知濃度的CO或N02標(biāo)準(zhǔn)氣體，獲得各氣體傳感器分別對(duì)該混合氣體的敏感特性，計(jì)算出各氣體傳感器對(duì)汽車尾氣中總碳?xì)浠衔锏拿舾刑卣鲄?shù)和特性參數(shù)，具體步驟是測(cè)試箱9通入濃度較低的汽車尾氣，其濃度為Ci (步驟520)，第一次測(cè)試 則1=1，采集并儲(chǔ)存各氣體傳感器的輸出電壓數(shù)據(jù)(步驟530)，確定加 入的單組分標(biāo)定氣體種類k (步驟540)，設(shè)定1(=1為C0， k=2則為N02，再確定標(biāo)定氣體濃度Ckj (步驟550)， j=l,2，3……，分別代表不同的CO或N02氣體濃度，然后測(cè)試箱9注入濃度為Ckj即第一次濃度為Cu的 標(biāo)準(zhǔn)單組分樣氣(步驟560);采集并儲(chǔ)存各傳感器的輸出數(shù)據(jù)(步驟 570)即電壓值，保持濕度不變并改變溫度和保持溫度不變并改變濕度 并采集、儲(chǔ)存各氣體傳感器的輸出電壓數(shù)據(jù)(步驟580);分別計(jì)算并分 析各氣體傳感器的特性參數(shù)、敏感特征參數(shù)、溫度、濕度特性，并依據(jù) 各氣體傳感器對(duì)混合氣體的敏感特性，計(jì)算并分析各氣體傳感器對(duì)汽車 尾氣中總碳?xì)浠衔锏拿舾刑匦?，即獲得各氣體傳感器的特性參數(shù)、敏 感特性參數(shù)(步驟590);改變氣體濃度重復(fù)標(biāo)定多個(gè)濃度點(diǎn)，改變濃度繼續(xù)嗎？(步驟591);如果是則返回(步驟560)繼續(xù)，如果否則計(jì) 算不同濃度下多次標(biāo)定的各氣體傳感器的敏感特征參數(shù)的平均值或相 同濃度下多次標(biāo)定的各氣體傳感器的特性參數(shù)的平均值，可獲得較精確 的結(jié)果(步驟592);標(biāo)定完一種單組分氣體后，可進(jìn)行另一單組分氣體
的標(biāo)定，標(biāo)定其它氣體嗎？(步驟593);如果是則返回(步驟540)繼
續(xù)，如果否也可以改變汽車尾氣濃度重復(fù)標(biāo)定，即改變濃度繼續(xù)嗎？(步
驟594);如果是則返回(步驟520)繼續(xù)，如果否則在氣體傳感器陣列 對(duì)上述三種氣體CO、 N02和汽車尾氣中總碳?xì)浠衔锓謩e標(biāo)定的基礎(chǔ)上， 計(jì)算各組氣體傳感器陣列的耦合矩陣(步驟595);每組氣體傳感器陣列 的構(gòu)成方法是分別取三種氣體傳感器中的一個(gè)共三個(gè)氣體傳感器，構(gòu)成 一組氣體傳感器陣列，共可構(gòu)成八組氣體傳感器陣列，由每一組氣體傳 感器陣列構(gòu)成中的三個(gè)氣體傳感器的特性參數(shù)和分別對(duì)CO、 N02、總碳 氫化合物的敏感特征參數(shù)計(jì)算耦合矩陣，共可獲得八個(gè)耦合矩陣。結(jié)束 (步驟596)。
圖6為氣體傳感器陣列對(duì)混合氣體檢測(cè)精度的測(cè)試流程圖。其中
開始(步驟600);安裝氣體傳感器陣列標(biāo)定系統(tǒng)(步驟610);確定標(biāo)
定氣體種類i， i^，2，3分別代表C0、 N02和汽車尾氣，并確定標(biāo)定氣體濃 度Cik， k=l,2,3……，分別代表不同的C0或N02或汽車尾氣濃度(步驟 620);測(cè)試箱9分別注入濃度為Cik (i=l,2,3)的標(biāo)準(zhǔn)樣氣，第一次注 入濃度分別為Cu、 C21、 C3i，混合成混合氣體(步驟630);采集并 儲(chǔ)存各傳感器的輸出電壓數(shù)據(jù)(步驟640);計(jì)算溫度、濕度并根據(jù)溫度、 濕度以及各氣體傳感器的溫度、濕度特性修正各氣體傳感器的輸出電壓數(shù)據(jù)(步驟650);依據(jù)各組傳感器陣列的耦合矩陣及其耦合關(guān)系分別計(jì) 算各組分濃度(步驟660);對(duì)八個(gè)氣體傳感器陣列所測(cè)的各組分濃度值取平均值(步驟670)并與實(shí)際濃度CU、 C21、 C31比較得出檢測(cè)精度(步驟680);改變混合氣體中各組分濃度嗎？(步驟690);如果是則返回(步驟630)重復(fù)測(cè)試，如果否則系統(tǒng)抽氣，恢復(fù)到初始狀態(tài)(步驟691)，可得到不同濃度下的檢測(cè)精度；對(duì)結(jié)果滿意嗎？(步驟700);
如果否則回到步驟200重新標(biāo)定，如果是復(fù)合要求，則標(biāo)定結(jié)束(步驟 710)。
圖7為氣體傳感器陣列應(yīng)用于汽車尾氣檢測(cè)的流程圖。其中
開始(步驟800);檢測(cè)系統(tǒng)通電(步驟810);系統(tǒng)穩(wěn)定后，傳感器陣列接觸汽車尾氣(步驟820);設(shè)定采樣次數(shù)N (步驟830)，檢測(cè)系統(tǒng)給出一個(gè)檢測(cè)結(jié)果是取N次采集數(shù)據(jù)分別得出檢測(cè)結(jié)果的平均值；
采集并儲(chǔ)存各傳感器的輸出電壓數(shù)據(jù)(步驟840);計(jì)算溫度、濕度并根據(jù)溫度、濕度以及各氣體傳感器的溫度、濕度特性修正各氣體傳感器的輸出電壓數(shù)據(jù)(步驟850);依據(jù)各組傳感器陣列的耦合矩陣及其耦合關(guān) 系分別計(jì)算各組分濃度(步驟860);對(duì)八組氣體傳感器陣列所測(cè)的各組 分濃度值取平均值(步驟870);采樣N次了嗎？(步驟880);如果否 則返回(步驟840)，如果是則計(jì)算并儲(chǔ)存N次采樣所得結(jié)果的平均值(步 驟890)，然后輸出檢測(cè)結(jié)果(步驟891);終止檢測(cè)嗎？(步驟892); 如果否則返回(步驟830)重復(fù)檢測(cè)，如果是則檢測(cè)結(jié)束(步驟893)。
實(shí)施例
下面通過實(shí)施例對(duì)本發(fā)明應(yīng)用氣體傳感器陣列檢測(cè)汽車尾氣中CO、N02和總碳?xì)浠衔餄舛鹊臄?shù)據(jù)融合處理方法作進(jìn)一步解釋
首先，選擇傳感器并連接檢測(cè)系統(tǒng)溫度傳感器采用NTC熱敏電阻; 濕度傳感器采用陶瓷濕度傳感器；氣體傳感器均采用金屬氧化物氣體傳 感器，其加熱電壓一般為5V，或根據(jù)產(chǎn)品說明提供合適的加熱電壓；測(cè) 試電壓一般選擇5V;負(fù)載電阻選擇與傳感器電阻相近為最佳。
其次，對(duì)各氣體傳感器的溫度、濕度特性標(biāo)定與數(shù)據(jù)處理方法是 基于金屬氧化物氣體傳感器的典型溫度特性類似于NTC熱敏電阻的溫度 特性，測(cè)試各氣體傳感器在潔凈空氣中或在一定被測(cè)氣體濃度下在室溫
下的電阻以及分別在兩個(gè)不同溫度下的電阻，根據(jù)NTC熱敏電阻的電阻
-溫度關(guān)系
R(T)=R(To)exp{B[(l/T)-(1/ T0)]}
可計(jì)算出各氣體傳感器的R(To)和B值，各氣體傳感器在潔凈空氣 中或在被測(cè)氣體中的溫度特性即被確定；金屬氧化物氣體傳感器的濕度 特性類似于還原性氣體的敏感特性，可根據(jù)下面所述的氣體傳感器的敏 感特性及其數(shù)據(jù)處理方法作類似處理，確定各氣體傳感器的濕度特性。
在已知各氣體傳感器的溫度特性和濕度特性的條件下，可根據(jù)溫度 傳感器和濕度傳感器檢測(cè)的測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)溫度、濕度值，依據(jù)檢測(cè)電路 具體的元器件參數(shù)對(duì)各氣體傳感器的輸出進(jìn)行修正。
又其次，對(duì)各氣體傳感器的敏感特性進(jìn)行標(biāo)定與數(shù)據(jù)處理的方法 是基于金屬氧化物氣體傳感器的電阻與被測(cè)氣體濃度的關(guān)系(靈敏度 較高，且氣體濃度也較高時(shí))。<formula>formula see original document page 18</formula> ( i )其中RS為氣體傳感器在被測(cè)氣體濃度為C下的電阻；Ro為氣體傳感器
在潔凈空氣中的電阻；C為被測(cè)氣體濃度(其范圍一般為幾ppm到幾千 ppm， lppm等于百萬分之一)；A為與被測(cè)氣體種類有關(guān)的常數(shù)；ci為與 被測(cè)氣體種類有關(guān)的常數(shù)，由(i )式可見a等于被測(cè)氣體兩個(gè)濃度比 的對(duì)數(shù)除氣體傳感器相應(yīng)的電阻比的對(duì)數(shù)取負(fù)值，即
a=-[lg(Rs2/Rsi)]/ [lg(C2/d)] (ii) 步驟300 3卯、步驟400 492和步驟500 594所進(jìn)行的標(biāo)定的目
的就是獲取各氣體傳感器的特性參數(shù)Ro和Rs、對(duì)被測(cè)氣體的敏感特征 參數(shù)A和a 。其中Ro和Rs可通過各氣體傳感器分別在潔凈空氣中和在 一定濃度下某種被測(cè)氣體中的輸出直接計(jì)算出；由(ii)式，a可通過 分別測(cè)試各氣體傳感器在兩個(gè)不同己知濃度的被測(cè)氣體中的電阻值得
到；在己知Rs、 Ro、 C和a的條件下，可由(i)式計(jì)算出與被測(cè)氣體 種類有關(guān)的常數(shù)A。這樣，可得到每個(gè)氣體傳感器對(duì)每種氣體的敏感特
征參數(shù)Aij和a ij，其中下標(biāo)i表示傳感器序號(hào)，下標(biāo)j表示氣體組分 序號(hào)。
再其次，因?yàn)闊o法從汽車尾氣中分離出總碳?xì)浠衔飿?biāo)準(zhǔn)樣氣，也 因?yàn)槠浣M分復(fù)雜，無法配制這樣的標(biāo)準(zhǔn)樣氣，各氣體傳感器對(duì)總碳?xì)浠?合物的敏感特征參數(shù)的標(biāo)定采用實(shí)際采集的汽車尾氣作為標(biāo)準(zhǔn)樣氣，外 加已知濃度的CO或N02標(biāo)準(zhǔn)樣氣構(gòu)成混合氣體，獲得各氣體傳感器分 別對(duì)該混合氣體的敏感特性，計(jì)算出各氣體傳感器對(duì)汽車尾氣中總碳?xì)?化合物的敏感特征參數(shù)和特性參數(shù)。以CO氣體傳感器對(duì)汽車尾氣中總 碳?xì)浠衔锏拿舾刑匦詷?biāo)定為例，先在測(cè)試箱9中注入較低濃度的汽車尾氣(可視其中N02氣體濃度近似為零)，再分段或一次性加入較高濃度 的CO，采集并儲(chǔ)存各CO氣體傳感器的輸出數(shù)據(jù)，將該混合氣體視作由
co和總碳?xì)浠衔飪山M分構(gòu)成，應(yīng)用對(duì)混合氣體的處理方法，建立線性
方程組，不同的是這里是已知?dú)怏w濃度，計(jì)算傳感器對(duì)汽車尾氣中總碳
氫化合物的敏感特征參數(shù)(步驟520 592)。
最后，在已知各氣體傳感器的特性參數(shù)Rox和RSl、對(duì)被測(cè)氣體的敏 感特征參數(shù)Aij和ci ij的基礎(chǔ)上，氣體傳感器陣列可用于對(duì)混合氣體進(jìn) 行檢測(cè)。各氣體傳感器陣列的敏感特性耦合關(guān)系是基于(i )式的關(guān)系， 設(shè)被測(cè)混合氣體由n種組分構(gòu)成，氣體傳感器在混合氣體中的電阻為其 對(duì)n種氣體組分共同響應(yīng)的結(jié)果，設(shè)氣體傳感器陣列中第i個(gè)傳感器在
被測(cè)混合氣體中的電阻為Rsi，則由(i )式得
Rs尸RoAii……AinCi—ai1……Cn—ain (i=l，2，……，n)
對(duì)上式等式兩邊取對(duì)數(shù)，得到一個(gè)對(duì)數(shù)線性方程，由n個(gè)氣體傳感器的 敏感特性耦合關(guān)系就可得到n個(gè)對(duì)數(shù)線性方程，這樣的n個(gè)對(duì)數(shù)線性方 程聯(lián)立構(gòu)成n階對(duì)數(shù)線性方程組，可求解出其中的未知量d，……，Cn， n階對(duì)數(shù)線性方程組中由a ij構(gòu)成的矩陣就是本發(fā)明所述的耦合矩陣。
權(quán)利要求
1、一種基于氣體傳感器陣列的汽車尾氣檢測(cè)方法，所述氣體傳感器陣列為金屬氧化物氣體傳感器陣列，用于檢測(cè)汽車尾氣中CO和NO2和總碳?xì)浠衔餄舛?，其特征在于所述氣體傳感器陣列安裝在改變溫度、濕度并能注入和排出被測(cè)氣體的測(cè)試箱(9)中，所述測(cè)試箱(9)中包括兩個(gè)具有不同敏感特性的CO氣體傳感器，是第一CO氣體傳感器(1)和第二CO氣體傳感器(2)，兩個(gè)具有不同敏感特性的NO2氣體傳感器，是第一NO2氣體傳感器(3)和第二NO2氣體傳感器(4)，兩個(gè)具有不同敏感特性的可燃性氣體傳感器，是第一可燃性氣體傳感器(5)和第二可燃性氣體傳感器(6)，所述測(cè)試箱(9)中還包括一個(gè)溫度傳感器(7)和一個(gè)濕度傳感器(8)；所述基于氣體傳感器陣列的汽車尾氣檢測(cè)方法步驟是a、安裝氣體傳感器陣列標(biāo)定與汽車尾氣檢測(cè)系統(tǒng)；b、氣體傳感器陣列在潔凈空氣中的特性標(biāo)定；c、氣體傳感器陣列對(duì)單組分氣體的敏感特性標(biāo)定；d、氣體傳感器陣列對(duì)汽車尾氣中總碳?xì)浠衔锏拿舾刑匦詷?biāo)定；e、氣體傳感器陣列對(duì)混合氣體檢測(cè)精度的測(cè)試；f、氣體傳感器陣列應(yīng)用于汽車尾氣的檢測(cè)與分析；所述c、d步驟中的標(biāo)定是分別在確定的各氣體傳感器的加熱電壓下標(biāo)定它們各自分別對(duì)CO、NO2和汽車尾氣中總碳?xì)浠衔锏拿舾刑匦?，獲取各自的特性參數(shù)和敏感特征參數(shù)；所述d步驟中氣體傳感器陣列對(duì)汽車尾氣中總碳?xì)浠衔锏拿舾刑匦詷?biāo)定的特點(diǎn)是以實(shí)際汽車尾氣作為標(biāo)定氣體，外加已知濃度的CO或NO2混合成混合氣體，依據(jù)各氣體傳感器對(duì)該混合氣體的響應(yīng)，得出其對(duì)汽車尾氣中總碳?xì)浠衔锏拿舾刑卣鲄?shù)；所述e步驟中，氣體傳感器陣列對(duì)混合氣體檢測(cè)精度的測(cè)試，是將已知濃度的CO、NO2和汽車尾氣三種氣體混合，用標(biāo)定好的氣體傳感器陣列進(jìn)行測(cè)試，比較測(cè)試結(jié)果與實(shí)際濃度值，得出氣體傳感器陣列的檢測(cè)精度；所述(b)～(f)步驟中，根據(jù)氣體傳感器陣列中各氣體傳感器的溫度、濕度特性，對(duì)各氣體傳感器輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行修正；所述基于氣體傳感器陣列的汽車尾氣檢測(cè)方法還包括數(shù)據(jù)融合處理方法，其中首先，一次分別取三種氣體傳感器中的一個(gè)氣體傳感器共三個(gè)氣體傳感器構(gòu)成一組氣體傳感器陣列，共有八組氣體傳感器陣列；八組氣體傳感器陣列的構(gòu)成分別為第一氣體傳感器陣列是第一CO氣體傳感器(1)、第一NO2氣體傳感器(3)、第一可燃性氣體傳感器(5)；第二氣體傳感器陣列是第一CO氣體傳感器(1)、第一NO2氣體傳感器(3)、第二可燃性氣體傳感器(6)；第三氣體傳感器陣列是第一CO氣體傳感器(1)、第二NO2氣體傳感器(4)、第一可燃性氣體傳感器(5)；第四氣體傳感器陣列是第一CO氣體傳感器(1)、第二NO2氣體傳感器(4)、第二可燃性氣體傳感器(6)；第五傳感器陣列是第二CO氣體傳感器(2)、第一NO2氣體傳感器(3)、第一可燃性氣體傳感器(5)；第六傳感器陣列是第二CO氣體傳感器(2)、第一NO2氣體傳感器(3)、第二可燃性氣體傳感器(6)；第七傳感器陣列是第二CO氣體傳感器(2)、第二NO2氣體傳感器(4)、第一可燃性氣體傳感器(5)；第八傳感器陣列是第二CO氣體傳感器(2)、第二NO2氣體傳感器(4)、第二可燃性氣體傳感器(6)；其次，由一組氣體傳感器陣列中的三個(gè)氣體傳感器在汽車尾氣中各自的輸出以及它們分別對(duì)CO、NO2和汽車尾氣中總碳?xì)浠衔锏拿舾刑卣鲄?shù)得出一個(gè)對(duì)數(shù)函數(shù)的線性方程組，計(jì)算出汽車尾氣中CO、NO2和總碳?xì)浠衔锏臐舛龋蛔詈?，分別計(jì)算出八組氣體傳感器陣列的八組濃度值，計(jì)算八組傳氣體感器陣列的八組濃度值的平均值，分別得到汽車尾氣中CO、NO2和總碳?xì)浠衔锏臐舛取?br> 全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于氣體傳感器陣列的汽車尾氣檢測(cè)方法，氣體傳感器陣列安裝在可改變溫度、濕度并能注入和排出被測(cè)氣體的測(cè)試箱中，包括CO氣體傳感器、NO₂氣體傳感器，可燃性氣體傳感器、溫度傳感器和濕度傳感器。檢測(cè)方法有安裝氣體傳感器陣列標(biāo)定與汽車尾氣檢測(cè)系統(tǒng)，氣體傳感器陣列在潔凈空氣中的特性標(biāo)定，氣體傳感器陣列對(duì)單組分氣體的敏感特性標(biāo)定，氣體傳感器陣列對(duì)汽車尾氣中總碳?xì)浠衔锏拿舾刑匦詷?biāo)定，氣體傳感器陣列對(duì)混合氣體檢測(cè)精度的測(cè)試，氣體傳感器陣列應(yīng)用于汽車尾氣的檢測(cè)與分析。該方法還包括數(shù)據(jù)融合處理，分別計(jì)算出八組氣體傳感器陣列的八組濃度值和平均值，分別得到汽車尾氣中CO、NO₂和總碳?xì)浠衔锏臐舛取?br> 文檔編號(hào)G01N27/00GK101299031SQ20081012644
公開日2008年11月5日 申請(qǐng)日期2008年6月27日 優(yōu)先權(quán)日2008年6月27日
發(fā)明者孔德義, 張正勇, 徐定鈞, 濤 梅 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院