1.本发明涉及氧气浓度检测领域，特别涉及一种基于非线性插值补偿算法的氧气浓度检测方法。
背景技术：2.为了保证作业人员的安全，需要对作业人员的工作环境中含氧量进行实时监测，为此，国家针对矿业安全生产，制定了一系列的标准，以保证作业人员的工作环境中含氧量在合适的范围内。含氧量低和含氧量高的工作环境都会导致作业人员身体受损，因此，采用电化学氧气传感器的氧气检测报警仪被设计出来，用于检测环境中的氧气含量，现有检测方法是利用公式y＝kx+b的直线校准法，校准零点后b＝0，k为校准点和零点直线的斜率，y是报警仪显示的氧气浓度值，x是氧气传感器输出信号经过调理电路输出的信号值。
3.由于电化学氧气传感器具有非线性的特性，导致电化学氧气传感器的输出值缓慢上翘，或者缓慢下翘，最终逼近稳定值，且电化学氧气传感器的外围电路也是非线性的，最终导致校准后的氧气检测报警仪的检测值是非线性的，为了解决上述问题，常规做法是提高传感器的精度，使用高精度处理电路方案，但是上述方法导致仪器生产成本增加，较难在行业中推广。
技术实现要素：4.为了解决现有技术中采用提高传感器的精度，使用高精度处理电路方案的方法来提高氧气检测精度时导致的仪器生产成本增加的问题，本发明提供了一种基于非线性插值补偿算法的氧气检测方法和一种氧气浓度检测报警仪。
5.第一方面，本发明提供了一种基于非线性插值补偿算法的氧气检测方法，包括以下步骤：
6.获取氧气传感器的实际输出值，将所述氧气传感器的实际输出值与预设的n个标定值进行比较，n≥2；n个标定值中标定值按照由小到大的顺序排列；
7.若所述氧气传感器的实际输出值大于第i-1个标定值且小于等于第i个标定值，n≥i≥2，则从预设数据库中获取与第i个标定值对应的补偿系数，并将所述第i个标定值、所述与第i个标定值对应的补偿系数和所述氧气传感器的实际输出值带入目标函数中，得到与所述氧气传感器的实际输出值对应的氧气浓度值；
8.若所述氧气传感器的实际输出值小于等于第1个标定值，则从预设数据库中获取与第1个标定值对应的补偿系数，并将所述第1个标定值、所述与第1个标定值对应的补偿系数和所述氧气传感器的实际输出值带入目标函数中，得到与所述氧气传感器的实际输出值对应的氧气浓度值；
9.所述预设数据库存储有与各标定值对应的补偿系数，所述目标函数为y＝x(1+k(x-s))，其中，s为标定值，k为与标定值对应的补偿系数，x为氧气传感器的实际输出值，y为氧气浓度值。
10.第二方面，本发明提供了一种氧气浓度检测报警仪，所述氧气浓度检测报警仪包括处理器、存储器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的报警仪程序，所述处理器执行所述报警仪程序以实现如第一方面所述的基于非线性插值补偿算法的氧气检测方法。
11.本发明与现有技术相比存在的有益效果是：本发明基于泰勒级数得到目标函数，预置若干个非线性差值点(即n个标定值和与这n个标定值对应的补偿系数，每个标定值和与其对应的补偿系数构成一个非线性插值点)，根据获取的氧气传感器的实际输出值选取目标差值点，根据目标差值点数据和氧气传感器的实际输出值得到与传感器的实际输出值对应的氧气浓度值，本发明一次写入差值点的数据到程序中，后期不需要再次校准，在不需要改变现有硬件基础上，提高了报警仪的稳定性和精度，减少了仪器的生产成本。
12.进一步的，上述方法和氧气浓度检测报警仪中，n个标定值为与氧气浓度值对应的标定值，其中，fs为氧气浓度报警仪的满量程值，，j＝1,2,
…
,n。
13.进一步的，上述方法和氧气浓度检测报警仪中，计算与第j个标定值对应的补偿系数的方法包括：
14.获取与辅助判别氧气浓度值对应的传感器实际输出值，记为x
j/2
；所述辅助判别氧气浓度值为0.5倍的第j个标定值对应的氧气浓度值，记为y
j/2
：将第j个标定值记为sj；
15.将(x
j/2
，y
j/2
)和sj带入目标函数y＝x(1+k(x-s))，将得到的k值作为与sj对应的补偿系数。
16.进一步的，上述方法和氧气浓度检测报警仪中，n＝4，4个标定值为与进一步的，上述方法和氧气浓度检测报警仪中，n＝4，4个标定值为与和fs氧气浓度值对应的标定值。
17.进一步的，上述方法和氧气浓度检测报警仪中，所述氧气传感器的实际输出值为电化学氧气传感器的输出值经信号调理电路、ad转换和数据处理后的值。
附图说明
18.为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
19.图1是本发明的基于非线性插值补偿算法的氧气检测方法流程图；
20.图2是本发明的一种氧气传感器信号处理流程示意图。
具体实施方式
21.为了说明本发明的技术方案，下面通过具体实施例来进行说明。
22.基于非线性插值补偿算法的氧气检测方法实施例
23.参见图1，是本发明提供的基于非线性插值补偿算法的氧气检测方法的流程图，该氧气检测方法包括以下步骤：
24.步骤s101，获取氧气传感器的实际输出值，将所述氧气传感器的实际输出值与预
设的n个标定值进行比较，n≥2；n个标定值中标定值按照由小到大的顺序排列。
25.本发明中，获取氧气传感器的实际输出值的流程，参见图2，为氧气传感器信号处理流程图，氧气传感器在一定浓度的待测氧气中，输出原始值，将氧气传感器的原始值输入到信号调理电路，经过ad转换和信号处理，得到所述氧气传感器的实际输出值。
26.本发明中，预置n个标定点，即插值点，n≥2；这n个标定点为(sj，kj)，j＝1,2,
…
,n，n的值越大，插值点设置的数量越多，根据后续目标函数得到的氧气浓度值越准确。其中，sj对应通入浓度氧气的标定值，即通入浓度氧气的氧气传感器的标定输出值，fs为氧气报警仪的满量程值，kj是与sj相对应的补偿系数值。
27.本实施例预置的这n个标定点中前面的标定点对应的标定值小于其后标定点对应的标定值，即n个标定值中标定值按照由小到大的顺序排列。
28.获取氧气传感器的实际输出值之后，将所述氧气传感器的实际输出值与预设的n个标定值进行比较，n≥2，得到所述氧气传感的实际输出值与预设的n个标定值的大小关系。
29.步骤s102，若所述氧气传感器的实际输出值大于第i-1个标定值且小于等于第i个标定值，n≥i≥2，则从预设数据库中获取与第i个标定值对应的补偿系数，并将所述第i个标定值、所述与第i个标定值对应的补偿系数和所述氧气传感器的实际输出值带入目标函数中，得到与所述氧气传感器的实际输出值对应的氧气浓度值；若所述氧气传感器的实际输出值小于等于第1个标定值，则从预设数据库中获取与第1个标定值对应的补偿系数，并将所述第1个标定值、所述与第1个标定值对应的补偿系数和所述氧气传感器的实际输出值带入目标函数中，得到与所述氧气传感器的实际输出值对应的氧气浓度值。
30.本实施例中，目标函数的获取以泰勒级数为基础，进行公式的展开和差值处理，其过程包括以下步骤：
31.对于泰勒级数公式：
32.f(x)＝an*xn+a
n-1
*x
n-1
+
…
+a2*x2+a1*x1+a0*x033.令f(x)＝y，y为目标函数，y的值为氧气浓度，an为各项的系数，带入上式，可得：
34.y＝anxn+a
n-1
x
n-1
+......+a2x2+a1x1+a0x035.＝anxn+a
n-1
x
n-1
+......+a2x2+a1x1+a036.其中，a0为物理上意义上的直流分量，在这里是报警仪的零点偏移量，a0由两部分构成，一部分是电路非线性误差，另一部分是传感器本身在氧气浓度为零的情况下，信号输出不为零，因此：a0为电路偏差量和传感器零点偏移量的总和，可以通过氧气检测报警仪零点平移校准使得a0＝0。
37.理想情况下，氧气传感器的输出信号-氧气浓度曲线是直线，不存在谐波，不用做任何处理，此时y＝a1x，a1是直线斜率。
38.而实际情况，传感器的输出信号-氧气浓度曲线和信号调理电路的输入信号-输出信号曲线都不是线性关系，因此，y中含有多次曲线成分，即物理量中的高次谐波，此时，y＝anxn+a
n-1
x
n-1
+......+a2x2+a1x1，其中，三次及以上谐波含量小，衰减快，可以忽略，只取二次函数就能得到很好的效果，忽略三次以上谐波得到公式：
39.y＝a2x2+a1x
40.对上述公式分解合并同类项得到：
[0041][0042]
令a2＝k，得目标函数：
[0043]
y＝x(1+k(x-s))
[0044]
其中，s为标定值，k为与标定值对应的补偿系数，k可以是正也可以是负，x是氧气传感器的实际输出值，y是氧气浓度值。
[0045]
根据步骤s101中氧气传感器的实际输出值与预设的n个标定值的比较结果，若氧气传感器的实际输出值x大于第i-1个标定值且小于等于第i个标定值，n≥i≥2，则将所述氧气传感器的输出值x和(sj，kj)带入所述目标函数y＝x(1+k(x-s))，计算出相应的y值，y值就是经过插值补偿后的氧气浓度值。
[0046]
其中，计算与第j个标定值对应的补偿系数kj的方法为：
[0047]
获取与辅助判别氧气浓度值对应的传感器实际输出值，记为x
j/2
；所述辅助判别氧气浓度值为0.5倍的第j个标定值对应的氧气浓度值，记为y
j/2
：将第j个标定值记为sj；
[0048]
将(x
j/2
，y
j/2
)和sj带入目标函数y＝x(1+k(x-s))，将得到的k值作为与sj对应的补偿系数，即kj。
[0049]
若所述氧气传感器的实际输出值不满足大于第i-1个标定值且小于等于第i个标定值的条件，n≥i≥2，而是小于等于第1个标定值，那么从预设数据库中获取与第1个标定值对应的补偿系数，并将所述第1个标定值、所述与第1个标定值对应的补偿系数和所述氧气传感器的实际输出值带入目标函数中，得到与所述氧气传感器的实际输出值对应的氧气浓度值。
[0050]
例如，设定n＝4，即设置4个插值点，氧气报警仪的满量程值fs＝25，s1、s2、s3、s4对应报警仪被通入6.25(即)、12.5(即)、18.75(即)、25(即fs)氧气时的标定值，s1《s2《s3《s4；根据上述方法计算s1、s2、s3、s4对应的k1，k2，k3，k4，得到上述4个标定值对应的补偿系数。比如，对于标定值s1，其对应的补偿系数k1的求解方法为：获取通入氧气时的氧气传感器的实际输出值，记为x
1/2
，将3.125记为y
1/2
，将s1、x
1/2
和y
1/2
带入目标函数y＝x(1+k(x-s))中，将求解得到的k值作为与s1对应的补偿系数，记为s1。
[0051]
然后将这4个标定点(即(s1、k1)、(s2、k2)、(s3、k3)和、(s4、k4))存储在预设数据库中，并写入氧气报警仪中，用于后续比较和求解。若氧气传感器的实际输出值为x，且x《s1，
那么将x、s1和k1带入目标函数y＝x(1+k(x-s))中，将求解得到的y值作为与对应的氧气浓度值即可；若s1《x《s2，那么将x、s2和k2带入目标函数y＝x(1+k(x-s))中，将求解得到的y值作为与对应的氧气浓度值即可。
[0052]
本发明实施例基于泰勒级数得到目标函数，预置若干个非线性差值点，根据获取的氧气传感器的实时输出值选取目标差值点，根据目标差值点数据和氧气传感器的实际输出值得到氧气浓度值，本发明一次写入差值点的数据到程序中，后期不需要再次校准，在不需要改变现有硬件基础上，提高了报警仪的稳定性和精度，减少了仪器的生产成本。
[0053]
氧气浓度检测报警仪实施例
[0054]
本实施例的氧气浓度检测报警仪包括处理器、存储器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的报警仪程序，所述处理器执行所述报警仪程序以实现上述基于非线性插值补偿算法的氧气浓度检测方法实施例中的基于非线性插值补偿算法的氧气浓度检测方法。基于非线性插值补偿算法的氧气浓度检测方法已经在上述基于非线性插值补偿算法的氧气浓度检测方法实施例中进行了说明，此处不再赘述。
[0055]
以上所述实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本发明的保护范围之内。
技术特征：1.一种基于非线性插值补偿算法的氧气浓度检测方法，其特征在于，包括以下步骤：获取氧气传感器的实际输出值，将所述氧气传感器的实际输出值与预设的n个标定值进行比较，n≥2；n个标定值中标定值按照由小到大的顺序排列；若所述氧气传感器的实际输出值大于第i-1个标定值且小于等于第i个标定值，n≥i≥2，则从预设数据库中获取与第i个标定值对应的补偿系数，并将所述第i个标定值、所述与第i个标定值对应的补偿系数和所述氧气传感器的实际输出值带入目标函数中，得到与所述氧气传感器的实际输出值对应的氧气浓度值；若所述氧气传感器的实际输出值小于等于第1个标定值，则从预设数据库中获取与第1个标定值对应的补偿系数，并将所述第1个标定值、所述与第1个标定值对应的补偿系数和所述氧气传感器的实际输出值带入目标函数中，得到与所述氧气传感器的实际输出值对应的氧气浓度值；所述预设数据库存储有与各标定值对应的补偿系数，所述目标函数为y＝x(1+k(x-s))，其中，s为标定值，k为与标定值对应的补偿系数，x为氧气传感器的实际输出值，y为氧气浓度值。2.根据权利要求1所述的基于非线性插值补偿算法的氧气浓度检测方法，其特征在于，n个标定值为与氧气浓度值对应的标定值，其中，fs为氧气浓度报警仪的满量程值，j＝1,2,
…
,n。3.根据权利要求2所述的基于非线性插值补偿算法的氧气浓度检测方法，其特征在于，计算与第j个标定值对应的补偿系数的方法包括：获取与辅助判别氧气浓度值对应的传感器实际输出值，记为x
j/2
；所述辅助判别氧气浓度值为0.5倍的第j个标定值对应的氧气浓度值，记为y
j/2
：将第j个标定值记为s
j
；将(x
j/2
，y
j/2
)和s
j
带入目标函数y＝x(1+k(x-s))，将得到的k值作为与s
j
对应的补偿系数。4.根据权利要求2所述的基于非线性插值补偿算法的氧气浓度检测方法，其特征在于，n＝4，4个标定值为与和fs氧气浓度值对应的标定值。5.根据权利要求1所述的基于非线性插值补偿算法的氧气浓度检测方法，其特征在于，所述氧气传感器的实际输出值为电化学氧气传感器的输出值经信号调理电路、ad转换和数据处理后的值。6.一种氧气浓度检测报警仪，其特征在于，所述氧气浓度检测报警仪包括处理器、存储器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的报警仪程序，所述处理器执行所述报警仪程序以实现如权利要求1至5任一项所述的基于非线性插值补偿算法的氧气浓度检测方法。
技术总结本发明适用于氧气浓度检测技术领域，特别涉及一种基于非线性插值补偿算法的氧气浓度检测方法，该方法包括以下步骤：获取氧气传感器的实际输出值，将所述氧气传感器的实际输出值与预设标定值进行比较，将满足预设条件的标定值、该标定值对应的补偿系数和氧气传感器的实际输出值带入目标函数，得到与所述氧气传感器的实际输出值对应的氧气浓度值。本发明在不需要改变现有硬件基础上，提高了报警仪的稳定性和精度，减少了仪器的生产成本。减少了仪器的生产成本。减少了仪器的生产成本。
技术研发人员：步东伟 曹振亚 白俊伟
受保护的技术使用者：河南省保时安电子科技有限公司
技术研发日：2022.04.22
技术公布日：2022/7/5
