基于原始-微分双模信号的气体泄漏快速响应与浓度检测方法

本发明属于基于气体传感器的气体检测，具体涉及基于原始-微分双模信号的气体泄漏快速响应与浓度检测方法。

背景技术：

1、随着工业生产、能源利用、环境监测、公共安全及医疗健康等领域的发展，气体检测技术的应用范围日益广泛。部分待测气体具有无色、无味、易扩散和易燃易爆等特点，一旦发生气体泄漏、异常释放或浓度超标，若不能及时发现并准确判断其浓度，可能引发燃烧爆炸、人员中毒、环境污染等安全事故。因此，开发兼具快速响应能力和较高检测精度的气体传感及检测方法，对于实现气体泄漏预警、浓度监测和安全防护具有重要意义。

2、目前，主流的气体检测方法通常通过电阻型、电流型、电压型或场效应型气体传感器获取传感响应信号，并基于传感器的原始电阻、电流、电压或其他电学参数，对待测气体的存在状态或浓度进行判断。但是，仍存在以下问题：

3、1）检测响应存在延迟：为获得较高气体浓度预测精度，现有技术往往需要等待传感器响应达到稳定状态，或者至少采集较长时间段的响应数据后才能进行判断，导致气体检测、报警触发及浓度输出的时间较长。在气体泄漏等应用场景中，该种检测延迟可能导致无法及时采取通风、切断气源、人员疏散等应急措施。

4、2）单一原始响应信号的早期检测能力有限：现有技术通常仅利用传感器的原始电阻、电流或电压响应信号进行气体检测。在传感器刚接触待测气体的初始阶段，原始响应信号的变化幅度通常较小，且易受到传感器噪声、环境扰动、基线漂移及采集电路波动等因素的影响。因此，仅依赖原始响应信号，难以在较短时间内准确判断是否存在待测气体，也难以对待测气体浓度进行可靠预测。

5、因此，有必要提出一种兼顾气体检测速度和浓度预测精度的气体检测方法。

技术实现思路

1、针对上述现有技术中存在的技术问题，本发明提供了基于原始-微分双模信号的气体泄漏快速响应与浓度检测方法，充分利用传感器接触待测气体后初始阶段的原始响应信息及其动态变化特征，在较短时间内识别气体出现或泄漏事件，并进一步输出准确、稳定的气体浓度检测结果，从而缩短气体泄漏检测时间，提高气体检测的实时性、可靠性及适用范围。

2、本发明所采用的技术方案如下：

3、基于原始-微分双模信号的气体泄漏快速响应与浓度检测方法，包括以下步骤：

4、步骤1、采用气体传感器进行气体检测，其信号输出端连接两路采集通道；一路通道直接采集传感器信号，记为原始响应信号；另一路通道通过在信号输出端串联rc微分电路，采集由气体响应瞬时变化引起的微分电压信号，记为微分响应信号；原始响应信号与微分响应信号构成一组采样数据点，按照采样时间顺序形成采样数据集；

5、步骤2、构建基于状态机的双模信号协同处理模块，包括静默监听状态、响应跟踪状态和恢复冷却状态；以静默监听状态为初始状态，将采样数据集逐点输入至基于状态机的双模信号协同处理模块；

6、步骤3、在静默监听状态下，对微分响应信号进行滑动平均平滑处理，当平滑后的微分响应信号连续超过预设触发阈值时，判定为气体响应触发，状态切换为响应跟踪状态；

7、步骤4、在响应跟踪状态下，包括：

8、步骤4.1、提取气体响应触发前预设时间窗口内的原始响应信号平均值作为原始信号基线ra，提取同一时间窗口内平滑后的微分响应信号平均值作为微分信号基线db；

9、步骤4.2、实时提取截止当前采样时刻的原始响应信号最大值作为原始信号峰值rg，平滑后的微分响应信号最大值作为微分信号峰值dp；

10、步骤4.3、在提取到有效的微分信号峰值dp后，根据预标定的微分浓度计算公式，计算微分预测浓度；

11、步骤4.4、当平滑后的微分响应信号低于预设负向阈值，或连续小于预设平台阈值时，判定为气体响应结束，根据预标定的原始浓度计算公式，基于截止当前采样时刻的原始信号峰值rg计算气体浓度检测结果，并将状态切换为恢复冷却状态；

12、步骤5、在恢复冷却状态下，持续监测平滑后的微分响应信号，根据监测结果切换状态为静默监听状态或响应跟踪状态。

13、进一步地，步骤1所述微分电压信号为rc微分电路中电容c两端的电压信号。

14、进一步地，步骤3所述滑动平均平滑处理指采用最近多个采样数据点的微分响应信号平均值，可有效抑制高频噪声干扰，减少误触发。

15、进一步地，步骤4.4所述原始浓度计算公式与步骤4.3所述微分浓度计算公式通过不同气体浓度的原始响应信号与微分响应信号实验数据拟合得到。

16、进一步地，步骤4.4所述原始浓度计算公式的标定方法为：采用气体传感器检测不同浓度的气体，计算不同浓度下原始信号峰值rg与原始信号基线ra的绝对差值δr，拟合得到原始浓度计算公式。

17、进一步地，所述拟合为二次多项式拟合。

18、进一步地，步骤4.3所述微分浓度计算公式的标定方法为：采用气体传感器检测与原始浓度计算公式标定方法相同浓度的气体，计算不同浓度下微分信号峰值dp与微分信号基线db的绝对差值δd，拟合得到微分浓度计算公式。

19、进一步地，所述拟合为线性拟合。

20、进一步地，步骤4.3所得微分预测浓度若超过预设浓度阈值，则立即判定满足气体泄漏响应条件，并输出微分预测浓度。

21、进一步地，步骤4.3提取到有效的微分信号峰值dp的判断规则为：连续多个采样数据点下的微分信号峰值dp不再更新，以避免噪声尖峰导致的误触发。

22、进一步地，步骤5中根据监测结果切换状态为静默监听状态或响应跟踪状态的具体过程为：

23、利用计数器对恢复冷却状态下的采样数据点进行计数，期间若平滑后的微分响应信号连续超过预设触发阈值，则切换状态为响应跟踪状态，沿用步骤4.1所得原始信号基线ra和微分信号基线db；否则，持续监测平滑后的微分响应信号，直至计数达到预设计数阈值，自动复位为静默监听状态。

24、与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

25、1、本发明提出了基于原始-微分双模信号的气体泄漏快速响应与浓度检测方法，利用原始响应信号和微分响应信号进行协同检测；其中，微分响应信号能够突出气体传感器在接触气体初始阶段的快速变化特征，用于及时识别气体泄漏事件并触发检测流程；原始响应信号则用于提取泄漏事件发生前后的响应幅值变化，并根据标定关系计算精确气体浓度，从而缓解现有技术中快速检测与高精度浓度预测难以兼顾的问题；

26、2、本发明利用基于状态机的双模信号协同处理模块，包括静默监听状态、响应跟踪状态和恢复冷却状态，并针对不同状态分别执行触发监测、基线提取、峰值跟踪、浓度计算和恢复判定，避免不同检测阶段的判定条件相互干扰，使气体泄漏检测过程具有明确的状态转换关系，提高实时检测流程的稳定性；

27、3、本发明在恢复冷却状态下仍持续监听微分特征信号，当再次检测到连续多个采样点超过触发阈值时，状态机可直接重新进入响应上升状态，并沿用前一检测过程中确定的原始响应基线和微分特征基线，减少因等待系统完全复位而形成的检测空窗期，从而提高对连续泄漏、重复泄漏或短时间内多次浓度变化事件的检测能力；

28、4、本发明按照采样时间顺序对原始响应信号和微分响应信号进行逐点处理，仅需维护多个预设参量（包括原始响应信号缓冲区、微分响应信号缓冲区、基线参数、峰值参数、连续判定参数及检测状态），无需在每次检测时保存或重新处理全部历史数据，因而所需存储空间和计算量较小，便于在微处理器、单片机或嵌入式检测设备中实现实时运行。