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CN114543711B - 一种气体距离测量系统传感数据处理方法 - Google Patents

一种气体距离测量系统传感数据处理方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种气体距离测量系统传感数据处理方法，属于传感技术领域。该方法将三个与测量系统获取的传感器电阻值最接近的标定电阻值及其所对应的标定气体浓度值作为计算气体浓度值的有效气体浓度‑电阻传感特性标定数据；在各标定浓度值下，将三个与测量系统获取的传感器阻抗值最接近的标定阻抗值及其所对应的标定距离值作为有效距离‑阻抗传感特性标定数据，进而得到各标定气体浓度值下与传感器阻抗值相对应的距离值。将所述距离值与其所对应的标定气体浓度值作为有效气体浓度‑距离特性标定数据，进而用阻抗值得到距离值。用本发明提出的方法能实现气体浓度和距离的同时测量，特别适用于现代工业设备狭小曲面层间气体和距离测量等领域。

Description

一种气体距离测量系统传感数据处理方法
技术领域
本发明属于传感技术领域，特别涉及到气体和距离测量。
背景技术
现代大型工业设备的关键部件中存在着狭小曲面层间结构，在系统运行中，层间结构充斥着气体且层间间隙会发生变化。为确保系统安全，需要测量狭小曲面层间的气体和距离。由于层间间隙狭小、接触表面不规则，因此亟需减少传感器的种类和数量。目前，中南大学自动化学院传感器实验室研制了基于气敏元件线圈化的气体距离传感器，有潜力实现层间气体和距离测量。但在测量过程中，电涡流效应和气敏效应交织在一起共同引发传感器阻抗的变化，因此给气体和距离测量带来困难。故而，如何设计传感数据处理方法以分离传感器阻抗对气体和距离的响应是亟需解决的难题。
发明内容
本发明的目的是为克服现有技术的不足之处，提出一种气体距离测量系统传感数据处理方法，包括以下步骤：
(1)、确定气体-电阻传感器特性的N个标定气体浓度值φi(i＝1，2，...，N)，并得到与φi对应的标定电阻值Ri；确定气体浓度值为φi时的距离-阻抗传感器特性的M个标定距离值Gj(j＝1，2，...，M)，并得到与Gj对应的标定阻抗值Z(φi，Gj)；
(2)、通过测量系统的直流通道获取传感器电阻值为RX，通过测量系统的交流通道获取传感器的阻抗值为ZX；
得到与RX在数值上最接近的三个标定电阻值：Rn、Rn+1和Rn+2(1≤n≤N-2)，从而确定与所述标定电阻值Rn、Rn+1和Rn+2相对应的标定气体浓度值φn、φn+1和φn+2，将所述标定电阻值Rn、Rn+1和Rn+2与标定气体浓度值φn、φn+1和φn+2作为有效气体浓度-电阻传感特性标定数据，进而利用所述有效气体浓度-电阻传感特性标定数据得到待测气体浓度φX的计算公式，如式(a)所示：
确定当气体浓度为φn的情况下与所述ZX在数值上最接近的三个标定阻抗值：Z(φn，Gq)、Z(φn，Gq+1)和Z(φn，Gq+2)(1≤q≤M-2)，从而确定与所述标定阻抗值Z(φn，Gq)、Z(φn，Gq+1)和Z(φn，Gq+2)相对应的标定距离值Gq、Gq+1和Gq+2，将所述标定阻抗值Z(φn，Gq)、Z(φn，Gq+1)和Z(φn，Gq+2)与标定距离值Gq、Gq+1和Gq+2作为气体浓度为φn时的有效距离-阻抗传感特性标定数据，进而利用所述气体浓度为φn时的有效距离-阻抗传感特性标定数据得到气体浓度为φn且传感器阻抗值为ZX时的距离值G(φn，ZX)的计算公式，如式(b)所示：
确定当气体浓度为φn+1的情况下与所述ZX在数值上最接近的三个标定阻抗值：Z(φn+1，Gk)、Z(φn+1，Gk+1)和Z(φn+1，Gk+2)(1≤k≤M-2)，从而确定与所述标定阻抗值Z(φn+1，Gk)、Z(φn+1，Gk+1)和Z(φn+1，Gk+2)相对应的标定距离值Gk、Gk+1和Gk+2，将所述标定阻抗值Z(φn+1，Gk)、Z(φn+1，Gk+1)和Z(φn+1，Gk+2)与标定距离值Gk、Gk+1和Gk+2作为气体浓度为φn+1时的有效距离-阻抗传感特性标定数据，进而利用所述气体浓度为φn+1时的有效距离-阻抗传感特性标定数据得到气体浓度为φn+1且传感器的阻抗值为ZX时的间隙值G(φn+1，ZX)的计算式，如式(c)所示：
确定当气体浓度为φn+2的情况下与所述ZX在数值上最接近的三个标定阻抗值：Z(φn+2，Gp)、Z(φn+2，Gp+1)和Z(φn+2，Gp+2)(1≤p≤M-2)，从而确定与所述标定阻抗值Z(φn+2，Gp)、Z(φn+2，Gp+1)和Z(φn+2，Gp+2)相对应的标定距离值Gp、Gp+1和Gp+2，将所述标定阻抗值Z(φn+2，Gp)、Z(φn+2，Gp+1)和Z(φn+2，Gp+2)与标定距离值Gp、Gp+1和Gp+2作为气体浓度为φn+2时的有效距离-阻抗传感特性标定数据，进而利用所述气体浓度为φn+2时的有效距离-阻抗传感特性标定数据得到气体浓度为φn+2且为阻抗值为ZX时的距离G(φn+2，ZX)的计算式，如式(d)所示：
将所述标定气体浓度值φn、φn+1和φn+2与所述G(φn，ZX)、G(φn+1，ZX)和G(φn+2，ZX)作为传感器阻抗值为ZX时的有效气体浓度-距离特性标定数据，进而得到待测距离GX的计算式，如式(e)所示：
本发明的特点及效果：
本发明提出的一种气体距离测量系统传感数据处理方法，先获取气体-电阻传感特性标定数据和各标定气体浓度值下的距离-阻抗传感特性标定数据。在测量中，将三个与测量系统获取的传感器电阻值最接近的标定电阻值及其所对应的标定气体浓度值作为有效气体浓度-电阻传感特性标定数据，进而利用电阻-气体浓度转换算法得到待测气体浓度值；在各标定浓度值下，将三个与测量系统获取的传感器阻抗值最接近的标定阻抗值及其所对应的标定距离值作为有效距离-阻抗传感特性标定数据，进而利用阻抗-距离转换算法得到各标定气体浓度值下与传感器阻抗值相对应的距离值。将所述与传感器阻抗值相对应的距离值与其所对应的标定气体浓度值作为有效气体浓度-距离特性标定数据，进而利用气体浓度-距离转换算法得到待测距离值。用本发明提出的方法能实现气体浓度和距离的同时测量，特别适用于现代工业设备狭小曲面层间气体和距离双参数测量等领域。
具体实施方式
(1)、将气体距离传感器探头置于封闭容器中并施加不同浓度的乙醇蒸汽，用万用表获取传感器在不同乙醇蒸汽浓度下的电阻值，确定气体浓度-电阻传感器特性的N个标定电阻值Ri(i＝1，2，...，N)并得到与Ri对应的标定气体浓度值φi；
(2)、改变金属目标物与气体距离传感器之间的距离以改变距离，用LCR表得到传感器的阻抗值，确定气体浓度值为φi(i＝1，2，...，N)时的距离-阻抗传感器特性的M个标定距离值的Gj(j＝1，2，...，M)，并得到与Gj对应的标定阻抗值Z(φi，Gj)，
(3)、通过测量系统的直流通道获取传感器的电阻值为RX，通过测量系统的交流通道获取传感器的阻抗值为ZX；
(4)、计算测量系统所获取的传感器电阻值RX与标定电阻值Ri的偏差值Δi，如式(f)所示：
Δi＝|RX-Ri| (f)
通过比较所述N个偏差值Δi，得到数值最小的三个偏差值：Δn+1、Δn和Δn+2(1≤n≤N-2)，进而得到与RX在数值上最接近的三个标定电阻值：Rn、Rn+1和Rn+2，从而确定与所述标定电阻值Rn、Rn+1和Rn+2相对应的标定气体浓度值φn、φn+1和φn+2，将所述标定电阻值Rn、Rn+1和Rn+2与标定气体浓度值φn、φn+1和φn+2作为有效气体浓度-电阻传感特性标定数据，进而利用所述有效气体浓度-电阻传感特性标定数据得到待测气体浓度φX的计算公式，如式(g)所示：
(5)、计算测量系统在气体浓度为φn的情况下所获得的传感器阻抗值ZX与标定阻抗值Zj(φn，Gj)之间的偏差值如式(h)所示：
通过比较所述M个偏差值得到数值最小的三个偏差值：/>和/>(1≤q≤M-2)，进而得到当气体浓度为φn的情况下与ZX在数值上最接近的三个标定阻抗值：Z(φn，Gq)、Z(φn，Gq+1)和Z(φn，Gq+2)，从而确定与所述标定阻抗值Z(φn，Gq)、Z(φn，Gq+1)和Z(φn，Gq+2)相对应的标定间隙值Gq、Gq+1和Gq+2，将所述标定阻抗值Z(φn，Gq)、Z(φn，Gq+1)和Z(φn，Gq+2)与标定间隙值Gq、Gq+1和Gq+2作为气体浓度为φn时的有效距离-阻抗传感特性标定数据，进而利用所述气体浓度为φn时的有效距离-阻抗传感特性标定数据得到气体浓度为φn且传感器阻抗值为ZX时的距离值G(φn，ZX)的计算公式，如式(i)所示：
(6)、计算测量系统在气体浓度为φn+1的情况下所获得的传感器阻抗值ZX与标定阻抗值Zj(φn+1，Gj)之间的偏差值如式(j)所示：
通过比较所述M个偏差值得到数值最小的三个偏差值：/>和/>(1≤k≤M-2)，进而得到当气体浓度为φn+1的情况下与ZX在数值上最接近的三个标定阻抗值：Z(φn+1，Gk)、Z(φn+1，Gk+1)和Z(φn+1，Gk+2)，从而确定与所述标定阻抗值Z(φn+1，Gk)、Z(φn+1，Gk+1)和Z(φn+1，Gk+2)相对应的标定距离值Gk、Gk+1和Gk+2，将所述标定阻抗值Z(φn+1，Gk)、Z(φn+1，Gk+1)和Z(φn+1，Gk+2)与标定距离值Gk、Gk+1和Gk+2作为气体浓度为φn+1时的有效距离-阻抗传感特性标定数据，进而利用所述气体浓度为φn+1时的有效距离-阻抗传感特性标定数据得到气体浓度为φn+1且传感器的阻抗值为ZX时的距离值G(φn+1，ZX)的计算式，如式(k)所示：
式中，Gk、Gk+1和Gk+2分别为对应于Z(φn+1，Gk)、Z(φn+1，Gk+1)和Z(φn+1，Gk+2)的标定距离值；
(7)、计算测量系统在气体浓度为φn+2的情况下所获得的传感器阻抗值ZX与标定阻抗值Zj(φn+2，Gj)之间的偏差值如式(1)所示：
通过比较所述M个偏差值得到数值最小的三个偏差值：/>和/>(1≤p≤M-2)，进而得到当气体浓度为φn+2的情况下与ZX在数值上最接近的三个标定阻抗值：Z(φn+2，Gp)、Z(φn+2，Gp+1)和Z(φn+2，Gp+2)，从而确定与所述标定阻抗值Z(φn+2，Gp)、Z(φn+2，Gp+1)和Z(φn+2，Gp+2)相对应的标定距离值Gp、Gp+1和Gp+2，将所述标定阻抗值Z(φn+2，Gp)、Z(φn+2，Gp+1)和Z(φn+2，Gp+2)与标定距离值Gp、Gp+1和Gp+2作为气体浓度为φn+2时的有效距离-阻抗传感特性标定数据，进而利用所述气体浓度为φn+2时的有效距离-阻抗传感特性标定数据得到气体浓度为φn+2且为阻抗值为ZX时的距离G(φn+2，ZX)的计算式，如式(m)所示：
式中，Gp、Gp+1和Gp+2分别为对应于Z(φn+2，Gp)、Z(φn+2，Gp+1)和Z(φn+2，Gp+2)的标定间隙值；
(8)、将所述标定气体浓度值φn、φn+1和φn+2与所述G(φn，ZX)、G(φn+1，ZX)和G(φn+2，ZX)作为传感器阻抗值为ZX时的有效气体浓度-距离特性标定数据，进而得到待测距离GX的计算式，如式(n)所示：

Claims (1)

1.一种气体距离测量系统传感数据处理方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
(1)、确定气体-电阻传感器特性的N个标定气体浓度值φi(i＝1，2，...，N)，并得到与φi对应的标定电阻值Ri；确定气体浓度值为φi时的距离-阻抗传感器特性的M个标定距离值Gj(j＝1，2，...，M)，并得到与Gj对应的标定阻抗值Z(φi，Gj)；
(2)、通过测量系统获取传感器的电阻值为RX，进而得到与所述RX最接近的三个标定电阻值：Rn、Rn+1和Rn+2(1≤n≤N-2)，从而确定与所述标定电阻值Rn、Rn+1和Rn+2相对应的标定气体浓度值φn、φn+1和φn+2，将所述标定电阻值Rn、Rn+1和Rn+2与标定气体浓度值φn、φn+1和φn+2作为有效气体浓度-电阻传感特性标定数据，进而利用所述有效气体浓度-电阻传感特性标定数据得到待测气体浓度φX的计算公式，如式(a)所示：
(3)、通过测量系统获取传感器的阻抗值为ZX，进而得到当气体浓度为φn的情况下与所述ZX最接近的三个标定阻抗值：Z(φn，Gq)、Z(φn，Gq+1)和Z(φn，Gq+2)(1≤q≤M-2)，从而确定与所述标定阻抗值Z(φn，Gq)、Z(φn，Gq+1)和Z(φn，Gq+2)相对应的标定距离值Gq、Gq+1和Gq+2，将所述标定阻抗值Z(φn，Gq)、Z(φn，Gq+1)和Z(φn，Gq+2)与标定距离值Gq、Gq+1和Gq+2作为气体浓度为φn时的有效距离-阻抗传感特性标定数据，进而利用所述气体浓度为φn时的有效距离-阻抗传感特性标定数据得到气体浓度为φn且传感器阻抗值为ZX时的距离值G(φn，ZX)的计算公式，如式(b)所示：
确定当气体浓度为φn+1的情况下与所述ZX在数值上最接近的三个标定阻抗值：Z(φn+1，Gk)、Z(φn+1，Gk+1)和Z(φn+1，Gk+2)(1≤k≤M-2)，从而确定与所述标定阻抗值Z(φn+1，Gk)、Z(φn+1，Gk+1)和Z(φn+1，Gk+2)相对应的标定距离值Gk、Gk+1和Gk+2，将所述标定阻抗值Z(φn+1，Gk)、Z(φn+1，Gk+1)和Z(φn+1，Gk+2)与标定距离值Gk、Gk+1和Gk+2作为气体浓度为φn+1时的有效距离-阻抗传感特性标定数据，进而利用所述气体浓度为φn+1时的有效距离-阻抗传感特性标定数据得到气体浓度为φn+1且传感器的阻抗值为ZX时的间隙值G(φn+1，ZX)的计算式，如式(c)所示：
确定当气体浓度为φn+2的情况下与所述ZX在数值上最接近的三个标定阻抗值：Z(φn+2，Gp)、Z(φn+2，Gp+1)和Z(φn+2，Gp+2)(1≤p≤M-2)，从而确定与所述标定阻抗值Z(φn+2，Gp)、Z(φn+2，Gp+1)和Z(φn+2，Gp+2)相对应的标定距离值Gp、Gp+1和Gp+2，将所述标定阻抗值Z(φn+2，Gp)、Z(φn+2，Gp+1)和Z(φn+2，Gp+2)与标定距离值Gp、Gp+1和Gp+2作为气体浓度为φn+2时的有效距离-阻抗传感特性标定数据，进而利用所述气体浓度为φn+2时的有效距离-阻抗传感特性标定数据得到气体浓度为φn+2且为阻抗值为ZX时的距离G(φn+2，ZX)的计算式，如式(d)所示：
将所述标定气体浓度值φn、φn+1和φn+2与所述G(φn，ZX)、G(φn+1，ZX)和G(φn+2，ZX)作为传感器阻抗值为ZX时的有效气体浓度-距离特性标定数据，进而得到待测距离GX的计算式，如式(e)所示：
。
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