金屬氧化物傳感器陣列響應(yīng)漂移的補償方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種金屬氧化物傳感器陣列響應(yīng)漂移的補償方法，針對金屬氧化物傳感器受溫度和濕度共同影響而產(chǎn)生的傳感器響應(yīng)漂移的問題，提出了正則化約束的多項式回歸預(yù)測方法，對傳感器的輸出進行基線校正，解決了金屬氧化物傳感器陣列響應(yīng)的漂移問題。首先根據(jù)傳感器隨溫度和濕度響應(yīng)的規(guī)律，得到傳感器輸出電壓隨溫度和濕度變化的多項式回歸表達式，即建立多項式漂移補償模型，然后采用正則化約束方法對模型進行約束，一方面減少了過擬合問題，另一方面減少了異常數(shù)據(jù)的影響。本發(fā)明解決了金屬氧化物傳感器陣列受溫、濕度影響而產(chǎn)生的溫濕度漂移的技術(shù)問題，提高了金屬氧化物傳感器陣列對氣體種類識別和濃度預(yù)測精度。
【專利說明】
金屬氧化物傳感器陣列響應(yīng)漂移的補償方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及金屬氧化物傳感器技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種金屬氧化物傳感器陣列響 應(yīng)漂移的補償方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 金屬氧化物傳感器的檢測原理是基于氣體在傳感器表面的化學(xué)吸附與脫附。而環(huán) 境溫度會改變化學(xué)反應(yīng)速度，從而影響傳感器的敏感特性。此外，因為水蒸氣吸附在傳感器 表面，所以濕度增加或者溫度升高將導(dǎo)致傳感器敏感電阻的降低。通常將傳感器的靈敏度 作為研究對象，傳感器靈敏度定義為傳感器敏感電阻與傳感器基線電阻值的比。有些傳感 器隨著溫度升高，傳感器靈敏度逐漸降低，隨著濕度的升高，傳感器靈敏度也有降低的趨 勢。但有些傳感器的響應(yīng)會有不同的現(xiàn)象。當(dāng)將金屬氧化物傳感器應(yīng)用于污染氣體檢測時， 傳感器敏感性受溫濕度影響的特性將影響對污染氣體的檢測精度。
[0003] 因此，環(huán)境溫度和相對濕度變化都是引起傳感器漂移的原因，這兩個影響因素之 間相互制約卻沒有固定的關(guān)系。所以要解決傳感器溫濕度漂移的問題需要同時考慮環(huán)境溫 度和相對濕度，建立起合適的多項式漂移補償模型。
[0004]多項式漂移補償模型能有效地表達溫度和濕度的物理現(xiàn)象，但是其系數(shù)如果有微 小的變化，都會導(dǎo)致預(yù)測傳感器輸出響應(yīng)的較大變化。而在實驗過程中，可能受到各種實驗 條件的影響，如恒溫恒濕箱的控制條件，標(biāo)準(zhǔn)儀器的瞬時響應(yīng)異常，標(biāo)準(zhǔn)儀器的實驗誤差， 控制系統(tǒng)的處理電路各元器件的精度誤差導(dǎo)致的輸出波動，或者傳感器本身的響應(yīng)波動和 其它實驗條件的改變，都會造成系數(shù)矩陣出現(xiàn)異常值。異常值的出現(xiàn)直接影響傳感器的預(yù) 測結(jié)果，特別是傳感器的基線預(yù)測結(jié)果，所以應(yīng)盡量減少實驗中的異常值。同時針對多項式 漂移補償模型存在的擬合問題，在數(shù)值處理方法上，可以采用正則化約束方法對多項式漂 移補償模型進行改進，提高金屬氧化物傳感器陣列的預(yù)測精度。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本申請通過提供一種金屬氧化物傳感器陣列響應(yīng)漂移的補償方法，以解決現(xiàn)有技 術(shù)中因溫度和相對濕度影響而產(chǎn)生的傳感器響應(yīng)漂移的技術(shù)問題。
[0006] 為解決上述技術(shù)問題，本申請采用以下技術(shù)方案予以實現(xiàn)：
[0007] -種金屬氧化物傳感器陣列響應(yīng)漂移的補償方法，包括如下步驟：
[0008] S1:采集并記錄金屬氧化物傳感器陣列在不同溫度和不同濕度條件下的基線響應(yīng) 值向量：
[0010] 式中，t是溫度，h是濕度，Vmn(t，h)是第m種溫度和第η種濕度條件下的傳感器輸出， 是第i個傳感器的輸出矩陣；
[0011] S2:得到不同溫度和不同濕度條件下的傳感器輸出Vmn(t，h)的響應(yīng)系數(shù)，其中，不 同溫度條件下傳感器輸出電壓與濕度h的關(guān)系為：
[0012] Vmn = a+0h+ γ h2,式中，α、β、γ為不同溫度條件下的系數(shù)矩陣，假設(shè)a = ma+nat+pa t2，0=me+net+pet2，y=mY+nYt+PYt2，S*，ma、me、mY、na、ne、nY、pa、pe、p Yj^)Si#S#：iji|；，
[0013] 因此，得到多項式漂移補償模型，即傳感器輸出電壓與溫度濕度的擬合模型表達 式為：VouT = a+bh+ch2+dt+et2+fth+gh2t+sht2+qh 2t2
[0014] 式中，a、b、c、d、e、f、g、s、q分別對應(yīng)于ma、me、mY、ηα、ρα、ηβ、η γ、ρρ、ργ，在每個溫度條 件下利用所述的多項式漂移補償模型均能擬合得出一組α、β以及γ系數(shù)矩陣；
[0015] S3:采用正則化約束法對所述系數(shù)矩陣進行約束，以提高所述系數(shù)矩陣的泛化性， 其中，所述正規(guī)化約束法表示為：
[0017]
>是損失函數(shù)，用以衡量所述多項式漂移補償模型對 第i個樣本的預(yù)測值yHlh，)和真實值之間的誤差，λΡ
規(guī)則項，參數(shù)λ用以平衡損失函數(shù)與規(guī)則項，當(dāng)λ越大時，就表示規(guī)則項要比模型訓(xùn)練誤差更 重要，也就是模型中的規(guī)則項相比于要擬合的數(shù)據(jù)更重要。反之，當(dāng)λ越小時，預(yù)測網(wǎng)絡(luò)能較 好地擬合實際數(shù)據(jù)，預(yù)測誤差和實際測量可能相差較小，調(diào)和參數(shù)Ρ的取值范圍是〇<Ρ<1， 當(dāng)P的值為〇時，那么上式就退化為L 2正則化，當(dāng)p的值為1時，那么上式就退化為LoH則化，選 擇合適的參數(shù)使得模型的泛化能力更強，變量Μ表示約束處理后的ηι α、η?β、ηιγ、ηα、ρα、ηβ、ηγ、 pe、p Y系數(shù)，j表示具體約束處理后的系數(shù)個數(shù)。
[0018] 作為優(yōu)選的技術(shù)方案，實驗中溫度t設(shè)置為10°C，15°C，20 °C，25°C，30 °C，35 °C，40 °C，濕度從20%到80%連續(xù)變化，所有的樣本數(shù)據(jù)在進行20位滑動窗中位值濾波處理之后 分成兩個數(shù)據(jù)集，其中，2/3的數(shù)據(jù)作為基線訓(xùn)練數(shù)據(jù)集，1/3的數(shù)據(jù)作為基線測試數(shù)據(jù)集。
[0019] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本申請?zhí)峁┑募夹g(shù)方案，具有的技術(shù)效果或優(yōu)點是：
[0020] 1)通過對金屬氧化物傳感器隨溫度和濕度規(guī)律的分析，并對溫濕度漂移帶來的影 響進行校正，達到溫濕度漂移補償?shù)哪康?，從而提高金屬氧化物傳感器陣列對氣體種類識 別和濃度預(yù)測精度。
[0021] 2)通過正則化數(shù)值處理，提升了多項式系數(shù)的魯棒性，避免了實驗條件的苛刻要 求而造成的麻煩，對后續(xù)進行氣體濃度檢測精度提供了可靠的保障。有效提高漂移規(guī)律和 漂移量的估算精度，保證了金屬氧化物傳感器陣列濃度檢測的準(zhǔn)確性。
【附圖說明】
[0022]圖1為本發(fā)明的方法流程圖；
[0023] 圖2為傳感器A隨溫度與濕度的回歸模型系數(shù)的關(guān)系圖；
[0024] 圖3為傳感器B隨溫度與濕度的回歸模型系數(shù)的關(guān)系圖；
[0025] 圖4為傳感器C隨溫度與濕度的回歸模型系數(shù)的關(guān)系圖；
[0026] 圖5為傳感器D隨溫度與濕度的回歸模型系數(shù)的關(guān)系圖；
[0027]圖6為傳感器A的輸出預(yù)測對比圖；
[0028]圖7為傳感器B的輸出預(yù)測對比圖；
[0029]圖8為傳感器C的輸出預(yù)測對比圖；
[0030]圖9為傳感器D的輸出預(yù)測對比圖。
【具體實施方式】
[0031] 本申請實施例通過提供一種金屬氧化物傳感器陣列響應(yīng)漂移的補償方法，以解決 現(xiàn)有技術(shù)中因溫度和相對濕度影響而產(chǎn)生的傳感器響應(yīng)漂移的技術(shù)問題。
[0032] 為了更好的理解上述技術(shù)方案，下面將結(jié)合說明書附圖以及具體的實施方式，對 上述技術(shù)方案進行詳細的說明。
[0033] 實施例
[0034] -種金屬氧化物傳感器陣列響應(yīng)漂移的補償方法，如圖1所示，包括如下步驟：
[0035] S1:采集并記錄金屬氧化物傳感器陣列在不同溫度和不同濕度條件下的基線響應(yīng) 值向量：
[0037]式中，t是溫度，h是濕度，Vmn(t，h)是第m種溫度和第η種濕度條件下的傳感器輸出， 是第i個傳感器的輸出矩陣；
[0038] S2:得到不同溫度和不同濕度條件下的傳感器輸出Vmn(t，h)的響應(yīng)系數(shù)，其中，不 同溫度條件下傳感器輸出電壓與濕度h的關(guān)系為：
[0039] Vmn = a+0h+ γ h2,式中，α、β、γ為不同溫度條件下的系數(shù)矩陣，假設(shè)a = ma+nat+pa t2，0=me+net+pet2，y=mY+nYt+PYt2，S*，ma、me、mY、na、ne、nY、pa、pe、p Yj^)Si#S#：iji|；，
[0040]因此，得到多項式漂移補償模型，即傳感器輸出電壓與溫度濕度的擬合模型表達 式為：VouT = a+bh+ch2+dt+et2+fth+gh2t+sht2+qh 2t2
[0041 ]式中，a、b、c、d、e、f、g、s、q分別對應(yīng)于ma、me、mY、ηα、ρα、ηβ、η γ、ρρ、ργ，在每個溫度條 件下利用所述的多項式漂移補償模型均能擬合得出一組α、β以及γ系數(shù)矩陣；
[0042] S3:采用正則化約束法對所述系數(shù)矩陣進行約束，以提高所述系數(shù)矩陣的泛化性， 其中，所述正規(guī)化約束法表示為：
[0044]
是損失函數(shù)，用以衡量所述多項式漂移補償模型對 第i個樣本的預(yù)測值yUt，h，)和真實值之間的誤差，λρ| 和別1-ρ)||6^都是 規(guī)則項，參數(shù)λ用以平衡損失函數(shù)與規(guī)則項，當(dāng)λ越大時，就表示規(guī)則項要比模型訓(xùn)練誤差更 重要，也就是模型中的規(guī)則項相比于要擬合的數(shù)據(jù)更重要。反之，當(dāng)λ越小時，預(yù)測網(wǎng)絡(luò)能較 好地擬合實際數(shù)據(jù)，預(yù)測誤差和實際測量可能相差較小，調(diào)和參數(shù)Ρ的取值范圍是0<ρ<1， 當(dāng)P的值為〇時，那么上式就退化為L 2正則化，當(dāng)p的值為1時，那么上式就退化為LoH則化，選 擇合適的參數(shù)使得模型的泛化能力更強，變量Μ表示約束處理后的ηι α、η?β、ηιγ、ηα、ρα、ηβ、ηγ、 pe、pY系數(shù)，j表示具體約束處理后的系數(shù)個數(shù)。
[0045] 實驗是研究傳感器特性過程中最重要的環(huán)節(jié)。實驗設(shè)備包括一個密閉的能夠模擬 不同氣候條件的恒溫恒濕箱，設(shè)計不同溫、濕度條件下的實驗則能獲得傳感器的溫濕度漂 移信息。開始實驗時，將空氣質(zhì)量監(jiān)測儀、溫度儀、氣壓表一同放入恒溫恒濕箱中，關(guān)閉箱 門，設(shè)定恒溫恒濕箱內(nèi)的溫度以及濕度值。在數(shù)據(jù)采集階段，等恒溫恒濕箱內(nèi)的溫度和濕度 達到設(shè)定值以后，開啟空氣質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集功能，設(shè)置采樣頻率為l/2Hz，采集5分鐘 基線數(shù)據(jù)后，在這個過程中檢測系統(tǒng)持續(xù)工作，跟蹤記錄整個過程的響應(yīng)變化情況。
[0046] 氣敏傳感器的響應(yīng)曲線是由傳感器在一次實驗中對響應(yīng)進行采樣、量化后得到的 離散值組成。為了在模式識別中減小數(shù)據(jù)復(fù)雜度，在實際分析時，往往不取整條曲線上所有 樣本點，而提取較能代表該傳感器對被測氣體響應(yīng)特性的某一個點或幾個點，從而獲得盡 可能完善的特征描述信息。在一定的溫度和濕度下，取平穩(wěn)響應(yīng)值作為特定溫、濕度條件下 的傳感器輸出的電壓值。
[0047]預(yù)處理:為了保證了數(shù)據(jù)的穩(wěn)定。由于系統(tǒng)選擇12bit AD轉(zhuǎn)換芯片，其最大數(shù)值轉(zhuǎn) 換為十進制數(shù)即為4095,將傳感器的輸出值除以4095,經(jīng)過這樣的運算之后將數(shù)據(jù)歸一化 至lJ[0，l]之間，也就是傳感器的輸出值進行了歸一化處理。
[0048] 具體的實驗中溫度t設(shè)置為10°C，15°C，20°C，25°C，30°C，35°C，40°C，相對濕度從 20 %到80 %連續(xù)變化，所有的樣本數(shù)據(jù)在進行20位滑動窗中位值濾波處理之后分成兩個數(shù) 據(jù)集，其中，2/3的數(shù)據(jù)作為基線訓(xùn)練數(shù)據(jù)集，1/3的數(shù)據(jù)作為基線測試數(shù)據(jù)集。將樣本實測 值與自變量X預(yù)測結(jié)果f的相關(guān)系數(shù)為r2，其表征了在一個回歸分析中因變量Y被自變量X解 釋程度
式中，^為回歸分析所得的估計值，Y為觀測值，f為 觀測值Y的期望，η為回歸分析的樣本數(shù)。回歸分析表明，傳感器陣列中的各個輸出都可以用 溫、濕度建立的多項式漂移補償模型來預(yù)測，得到的系數(shù)結(jié)果如表1所示。
[0049]表1溫濕度與傳感器響應(yīng)的關(guān)系參數(shù)表
[0051]經(jīng)過正則約束后的溫濕度與傳感器響應(yīng)的關(guān)系參數(shù)表，如表2所示。
[0052]表2正則化后的溫濕度與傳感器響應(yīng)的關(guān)系參數(shù)表
[0055] 圖2、3、4、5分別為傳感器A、B、C、D隨溫度與濕度的回歸模型系數(shù)的關(guān)系圖；圖6、7、 8、9分別為傳感器A、B、C、D的原始響應(yīng)、多項式回歸預(yù)測以及正則化后預(yù)測的輸出預(yù)測對比 圖。
[0056] 本申請的上述實施例中，通過提供一種金屬氧化物傳感器陣列響應(yīng)漂移的補償方 法，針對金屬氧化物傳感器受溫度和濕度共同影響而產(chǎn)生的傳感器響應(yīng)漂移的問題，提出 了正則化約束的多項式回歸預(yù)測方法，對傳感器的輸出進行基線校正，解決了金屬氧化物 傳感器陣列響應(yīng)的漂移問題。首先根據(jù)傳感器隨溫度和濕度響應(yīng)的規(guī)律，得到傳感器輸出 電壓隨溫度和濕度變化的多項式回歸表達式，即建立多項式漂移補償模型，然后采用正則 化約束方法對模型進行約束，一方面減少了過擬合問題，另一方面減少了異常數(shù)據(jù)的影響。 本發(fā)明解決了金屬氧化物傳感器陣列受溫、濕度影響而產(chǎn)生的溫濕度漂移的技術(shù)問題，提 高了金屬氧化物傳感器陣列對氣體種類識別和濃度預(yù)測精度。
[0057] 應(yīng)當(dāng)指出的是，上述說明并非是對本發(fā)明的限制，本發(fā)明也并不僅限于上述舉例， 本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員在本發(fā)明的實質(zhì)范圍內(nèi)所做出的變化、改性、添加或替換，也應(yīng) 屬于本發(fā)明的保護范圍。
【主權(quán)項】
1. 一種金屬氧化物傳感器陣列響應(yīng)漂移的補償方法，其特征在于，包括如下步驟： S1:采集并記錄金屬氧化物傳感器陣列在不同溫度和不同濕度條件下的基線響應(yīng)值向 量：式中，t是溫度，h是濕度，Vmn(t，h)是第m種溫度和第η種濕度條件下的傳感器輸出， ^?,?，/〇是第i個傳感器的輸出矩陣； S2:得到不同溫度和不同濕度條件下的傳感器輸出Vmn(t，h)的響應(yīng)系數(shù)，其中，不同溫 度條件下傳感器輸出電壓Vm：與濕度h的關(guān)系為： Vmn = a+0h+ 丫 h2,式中，α、β、丫為不同溫度條件下的系數(shù)矩陣，假設(shè)a = ma+nat+pat2，0 = me+net+pet2, 丫 =m丫+n丫t+p丫t2,式中，ma、me、m丫、ηα、ηρ、η丫、ρα、ρρ、ρ丫均為待定參數(shù)， 因此，得到多項式漂移補償模型，即傳感器輸出電壓與溫度濕度的擬合模型表達式為： VouT = a+t)h+ch2+化+et2+fth+gh2t+sht2+cih 2t2 式中，a、b、c、d、e、f、g、s、q分別對應(yīng)于ma、me、m丫、ηα、ρα、ηρ、η丫、pe、p丫，在每個溫度條件下 利用所述的多項式漂移補償模型均能擬合得出一組a、ew及丫系數(shù)矩陣； S3:采用正則化約束法對所述系數(shù)矩陣進行約束，W提高所述系數(shù)矩陣的泛化性，其 中，所述正規(guī)化約束法表示為：式中I損失函數(shù)，用W衡量所述多項式漂移補償模型對第i個 樣本的預(yù)測值71(*，}1，0叫和真實值之間的誤差，λρ| |θ^ li^報是規(guī)則 項，參數(shù)λ用W平衡損失函數(shù)與規(guī)則項，調(diào)和參數(shù)P的取值范圍是0《p《l，變量0j表示約束 處理后的ma、me、m丫、化、9(1、]10、]1丫、90、9丫系數(shù)〇表示具體約束處理后的系數(shù)個數(shù)。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的金屬氧化物傳感器陣列響應(yīng)漂移的補償方法，其特征在于，實 驗中溫度t設(shè)置為10°C，15°C，20°C，25°C，30°C，35°C，40°C，濕度從20%到80%連續(xù)變化，所 有的樣本數(shù)據(jù)在進行20位滑動窗中位值濾波處理之后分成兩個數(shù)據(jù)集，其中，2/3的數(shù)據(jù)作 為基線訓(xùn)練數(shù)據(jù)集，1/3的數(shù)據(jù)作為基線測試數(shù)據(jù)集。
【文檔編號】G01N27/12GK106093134SQ201610378105
【公開日】2016年11月9日
【申請日】2016年5月31日
【發(fā)明人】陳建軍, 陳小娟
【申請人】重慶大學(xué)