一种光谱式气体传感数据处理方法及系统技术方案

本发明专利技术涉及一种光谱式气体传感数据处理方法，包括：获取背景气体数据；基于Allan方差分析法对检测时间数据与检测信号电压数据进行分析，得到最优检测时间；基于最优检测时间分别对多个目标范围浓度数据的标准气体进行检测，得到各波长数据和电压数据，并计算各标准气体的第一损耗值；根据浓度数据和第一损耗值进行直线拟合，确定第一参数和第二参数；基于最优检测时间对待测气体进行检测，得到待测气体的波长数据和电压数据，并根据电压数据和波长数据对应的背景信号计算待测气体的第二损耗值；根据第一参数、第二参数和第二损耗值计算待测气体的浓度。本发明专利技术能够充分地利用波谱资源，提高了检测精度，实现传感系统的最优检测性能。

【技术实现步骤摘要】
一种光谱式气体传感数据处理方法及系统
本专利技术涉及气体传感器
，特别是涉及一种光谱式气体传感数据处理方法及系统。
技术介绍
现有的光谱式气体传感系统多采用高性能器件来提升来优化传感性能。这样会大大增加传感系统的成本，达到几十万甚至数百万，检测精度也逐渐趋向瓶颈。现在的气体传感数据多采用激光器的双波长检测，用来校准基线，降低温度漂移。对于采集到的信号忽视了对背景信号的计算处理。采用量子级联激光器的系统进行的单波长检测，无法进行基线校准和背景噪声的消除，难以进一步提高系统性能，且宽谱光源扫描方式的传感系统，多采用吸收峰的值作为衡量气体吸收的物理量，无法充分利用波谱资源，数据稳定性也较差。也有基于机器学习的气体吸收峰识别方法，但是所需检测数据量极大，且精度不够高，应用场景也比较单一。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种光谱式气体传感数据处理方法及系统，能够充分地利用波谱资源，极大地提高检测精度，实现传感系统的最优检测性能。为实现上述目的，本专利技术提供了如下方案：一种光谱式气体传感数据处理方法，包括：获取背景气体的气体数据；所述气体数据包括检测时间数据、多个检测波长和各所述检测波长的信号电压；根据所述信号电压得到各所述检测波长的背景信号；基于Allan方差分析法对所述检测时间数据与所述检测波长的信号电压进行分析，得到最优检测时间；基于所述最优检测时间分别对多个目标范围浓度数据的标准气体进行检测，得到各所述标准气体的波长数据和电压数据，并根据所述标准气体的电压数据和所述标准气体的波长数据对应的背景信号计算各所述标准气体的第一损耗值；所述波长数据包括吸收波段波长和非吸收波段波长；所述电压数据包括吸收波段波长的信号电压和非吸收波段波长的信号电压；根据多个所述目标范围浓度数据和多个所述第一损耗值进行直线拟合，得到拟合后的直线，基于最小二乘法确定所述直线的空间表达式中的第一参数和第二参数；基于所述最优检测时间对待测气体进行检测，得到待测气体的波长数据和电压数据，并根据所述待测气体的电压数据和所述待测气体的波长数据对应的背景信号计算所述待测气体的第二损耗值；根据所述第一参数、所述第二参数和所述第二损耗值计算所述待测气体的浓度。优选地，获取背景气体的气体数据，包括：将在目标波段无吸收峰的背景气体充入检测气室；将经过光源的所述目标波段的信号光依次射入所述检测气室和检测器进行持续检测，得到气体数据；所述持续检测为单频点连续测试或多频点多次扫谱。优选地，所述根据所述信号电压得到各所述检测波长的背景信号，包括：将所述信号电压进行平均化，得到所述背景信号，所述背景信号的计算公式为：其中，Vi0为所述背景信号，l为所述信号电压的个数，Vij为所述信号电压，k为所述检测波长的个数。优选地，所述基于Allan方差分析法对所述检测时间数据与所述检测波长的信号电压进行分析，得到最优检测时间，包括：根据所述检测时间数据与所述检测波长的信号电压绘制Allan方差分析图，所述Allan方差分析图的横坐标为所述光谱式气体传感系统的所述检测时间数据，所述纵坐标为所述检测波长的信号电压的方差值；将所述纵坐标的最低值点确定为最优检测性能点，并将所述最优检测性能点的横坐标值确定为所述最优检测时间。优选地，所述基于所述最优检测时间分别对多个目标范围浓度数据的标准气体进行检测，得到各所述标准气体的波长数据和电压数据，并根据所述标准气体的电压数据和所述标准气体的波长数据对应的背景信号计算各所述标准气体的第一损耗值，包括：获取s个浓度不同的标准气体；根据所述最优检测时间对所述标准气体进行检测，得到m个各所述吸收波段波长、m个各所述吸收波段波长的信号电压、n个非吸收波段波长和n个所述非吸收波段波长的信号电压；计算所述吸收波段波长的信号电压的积分，记为吸收峰信号，计算所述非吸收波段波长的信号电压，记为基线信号；根据所述背景信号、所述吸收峰信号和所述基线信号进行基线校准，得到校准后的吸收峰信号；所述校准后的吸收峰信号的计算公式为：其中，P′为所述校准后的吸收峰信号，P为所述吸收峰信号，B为所述基线信号，为第i个所述非吸收波段波长的背景信号；根据所述校准后的吸收峰信号和所述背景信号计算第一损耗值；所述第一损耗值的计算公式为：其中，L为所述第一损耗值，为第i个所述吸收波段波长的背景信号。优选地，所述根据多个所述目标范围浓度数据和多个所述第一损耗值进行直线拟合，得到拟合后的直线，基于最小二乘法确定所述直线的空间表达式中的第一参数和第二参数，包括：根据多组目标范围浓度数据和对应的多组所述第一损耗值进行直线拟合，所述直线的空间解析式为L＝a*C+b，其中L为所述第一损耗值，C为所述目标范围浓度数据，a为所述第一参数，b为所述第二参数；根据最小二乘法确定所述第一参数和所述第二参数的值。优选地，所述根据所述第一参数、所述第二参数和所述第二损耗值计算所述待测气体的浓度，包括：根据公式L′＝a*C′+b计算所述待测气体的浓度，其中，L′为第二损耗值，C′为所述待测气体的浓度，a为所述第一参数，b为所述第二参数。一种光谱式气体传感数据处理系统，包括：检测模块，用于获取背景气体的气体数据；所述气体数据包括检测时间数据、多个检测波长和各所述检测波长的信号电压；背景信号获取模块，用于根据所述信号电压得到各所述检测波长的背景信号；最优时间确定模块，用于基于Allan方差分析法对所述检测时间数据与所述检测波长的信号电压进行分析，得到最优检测时间；第一计算模块，用于基于所述最优检测时间分别对多个目标范围浓度数据的标准气体进行检测，得到各所述标准气体的波长数据和电压数据，并根据所述标准气体的电压数据和所述标准气体的波长数据对应的背景信号计算各所述标准气体的第一损耗值；所述波长数据包括吸收波段波长和非吸收波段波长；所述电压数据包括吸收波段波长的信号电压和非吸收波段波长的信号电压；拟合模块，用于根据多个所述目标范围浓度数据和多个所述第一损耗值进行直线拟合，得到拟合后的直线，基于最小二乘法确定所述直线的空间表达式中的第一参数和第二参数；第二计算模块，用于基于所述最优检测时间对待测气体进行检测，得到待测气体的波长数据和电压数据，并根据所述待测气体的电压数据和所述待测气体的波长数据对应的背景信号计算所述待测气体的第二损耗值；第三计算模块，用于根据所述第一参数、所述第二参数和所述第二损耗值计算所述待测气体的浓度。优选地，所述检测模块包括：气体充入单元，用于将在目标波段无吸收峰的背景气体充入检测气室；检测单元，用于将经过光源的所述目标波段的信号光依次射入所述检测气室和检测器进行持续检测；所述持续检测为单频点连续测试或多频点多次扫谱。优选地，所述背景信号获取模块包括：平均化单元，用于将所述信本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种光谱式气体传感数据处理方法，其特征在于，包括：/n获取背景气体的气体数据；所述气体数据包括检测时间数据、多个检测波长和各所述检测波长的信号电压；/n根据所述信号电压得到各所述检测波长的背景信号；/n基于Allan方差分析法对所述检测时间数据与所述检测波长的信号电压进行分析，得到最优检测时间；/n基于所述最优检测时间分别对多个目标范围浓度数据的标准气体进行检测，得到各所述标准气体的波长数据和电压数据，并根据所述标准气体的电压数据和所述标准气体的波长数据对应的背景信号计算各所述标准气体的第一损耗值；所述波长数据包括吸收波段波长和非吸收波段波长；所述电压数据包括吸收波段波长的信号电压和非吸收波段波长的信号电压；/n根据多个所述目标范围浓度数据和多个所述第一损耗值进行直线拟合，得到拟合后的直线，基于最小二乘法确定所述直线的空间表达式中的第一参数和第二参数；/n基于所述最优检测时间对待测气体进行检测，得到待测气体的波长数据和电压数据，并根据所述待测气体的电压数据和所述待测气体的波长数据对应的背景信号计算所述待测气体的第二损耗值；/n根据所述第一参数、所述第二参数和所述第二损耗值计算所述待测气体的浓度。/n...

【技术特征摘要】
1.一种光谱式气体传感数据处理方法，其特征在于，包括：
获取背景气体的气体数据；所述气体数据包括检测时间数据、多个检测波长和各所述检测波长的信号电压；
根据所述信号电压得到各所述检测波长的背景信号；
基于Allan方差分析法对所述检测时间数据与所述检测波长的信号电压进行分析，得到最优检测时间；
基于所述最优检测时间分别对多个目标范围浓度数据的标准气体进行检测，得到各所述标准气体的波长数据和电压数据，并根据所述标准气体的电压数据和所述标准气体的波长数据对应的背景信号计算各所述标准气体的第一损耗值；所述波长数据包括吸收波段波长和非吸收波段波长；所述电压数据包括吸收波段波长的信号电压和非吸收波段波长的信号电压；
根据多个所述目标范围浓度数据和多个所述第一损耗值进行直线拟合，得到拟合后的直线，基于最小二乘法确定所述直线的空间表达式中的第一参数和第二参数；
基于所述最优检测时间对待测气体进行检测，得到待测气体的波长数据和电压数据，并根据所述待测气体的电压数据和所述待测气体的波长数据对应的背景信号计算所述待测气体的第二损耗值；
根据所述第一参数、所述第二参数和所述第二损耗值计算所述待测气体的浓度。


2.根据权利要求1所述的光谱式气体传感数据处理方法，其特征在于，获取背景气体的气体数据，包括：
将在目标波段无吸收峰的背景气体充入检测气室；
将经过光源的所述目标波段的信号光依次射入所述检测气室和检测器进行持续检测，得到气体数据；所述持续检测为单频点连续测试或多频点多次扫谱。


3.根据权利要求1所述的光谱式气体传感数据处理方法，其特征在于，所述根据所述信号电压得到各所述检测波长的背景信号，包括：
将所述信号电压进行平均化，得到所述背景信号，
所述背景信号的计算公式为：
其中，Vi0为所述背景信号，l为所述信号电压的个数，Vij为所述信号电压，k为所述检测波长的个数。


4.根据权利要求1所述的光谱式气体传感数据处理方法，其特征在于，所述基于Allan方差分析法对所述检测时间数据与所述检测波长的信号电压进行分析，得到最优检测时间，包括：
根据所述检测时间数据与所述检测波长的信号电压绘制Allan方差分析图，所述Allan方差分析图的横坐标为所述光谱式气体传感系统的所述检测时间数据，所述纵坐标为所述检测波长的信号电压的方差值；
将所述纵坐标的最低值点确定为最优检测性能点，并将所述最优检测性能点的横坐标值确定为所述最优检测时间。


5.根据权利要求1所述的光谱式气体传感数据处理方法，其特征在于，所述基于所述最优检测时间分别对多个目标范围浓度数据的标准气体进行检测，得到各所述标准气体的波长数据和电压数据，并根据所述标准气体的电压数据和所述标准气体的波长数据对应的背景信号计算各所述标准气体的第一损耗值，包括：
获取s个浓度不同的标准气体；
根据所述最优检测时间对所述标准气体进行检测，得到m个吸收波段波长、m个吸收波段波长的信号电压、n个非吸收波段波长和n个非吸收波段波长的信号电压；
计算所述吸收波段波长的信号电压的积分，记为吸收峰信号，计算所述非吸收波段波长的信号电压，记为基线信号；
根据所述背景信号、所述吸收峰信号和所述基线信号进行基线校准，得到校准后的吸收峰信号；
所述校准后的吸收峰信号的计算公...

【专利技术属性】
技术研发人员：石艺尉，曾嘉富，陈张雄，何猛辉，杨云婷，朱晓松，
申请(专利权)人：复旦大学，中山复旦联合创新中心，
类型：发明
国别省市：广东;44