电子鼻的气体热导率计算方法以及电子鼻与流程

本技术涉及气体检测与传感器，尤其涉及一种电子鼻的气体热导率计算方法以及电子鼻。

背景技术：

1、电子鼻作为一种模拟生物嗅觉系统的智能气体识别装置，广泛应用于环境监测、食品安全、医疗诊断及工业安全等领域。传统的电子鼻技术主要依赖于金属氧化物半导体（mos）等化学敏感材料，通过检测气体吸附引起的电阻变化来识别气体成分。然而，单纯依赖化学敏感材料的传感器往往存在选择性差、易受环境温湿度干扰以及长期漂移等问题。

2、近年来，基于微机电系统（mems）技术的热导率检测（tcd）因其响应速度快、无需化学试剂消耗等优势受到关注。其基本原理是利用不同气体（如空气与氢气）热导率的显著差异，通过测量微加热器在气体中的散热功率变化来反推气体成分。

3、在集成化电子鼻芯片中，为提升检测维度与精度，通常需布置传感器阵列。然而，阵列中各单元（尤其是微加热器）在工作时会产生热量，致使芯片内部形成复杂的温度场。由于传统热导率计算方法多采用理想化的径向热传导模型，难以真实反映实际热场分布，导致理论计算值与实际气体热导率之间存在非线性偏差，进而造成传统热导率计算方式的准确性不高。

技术实现思路

1、本技术实施例提供了一种电子鼻的气体热导率计算方法以及电子鼻，旨在解决传统热导率计算方式的准确性不高的问题。

2、第一方面，本技术实施例提供了一种电子鼻的气体热导率计算方法，电子鼻包括气体传感器阵列和控制器，所述气体传感器阵列包括多个传感器单元，每一所述传感器单元均包括微加热器和温度传感器，方法应用于所述控制器，方法包括：

3、获取目标传感器单元的驱动功率、所有非目标传感器单元的加热功率、所有所述温度传感器对应的电阻值、以及所述气体传感器阵列当前的工作状态，其中，所述目标传感器单元为多个传感器单元中的任意一个，所述非目标传感器单元包括所有所述传感器单元中除了所述目标传感器单元之外的其余传感器单元；

4、基于所有所述温度传感器对应的电阻值，得到所述目标传感器单元周围的等效边界温度；

5、基于所述目标传感器单元的驱动功率、所述等效边界温度、所述目标传感器单元对应微加热器的预设目标温度和所有非目标传感器单元的加热功率，得到修正后的气体传热功率；

6、基于所述修正后的气体传热功率、所述预设目标温度、所述等效边界温度，得到位于所述目标传感器单元测量环境中的待测气体的目标热导率。

7、在一些实施例中，每一所述温度传感器具有对应的标定系数，所述基于所有所述温度传感器对应的电阻值，得到所述目标传感器单元周围的等效边界温度，包括：

8、基于每一所述温度传感器对应的标定系数和每一所述温度传感器对应的电阻值，依次计算每一所述温度传感器对应的实际温度值；

9、根据多个所述温度传感器与所述目标传感器单元之间的几何位置关系，采用算术平均法或加权平均法，计算得到所述等效边界温度。

10、在一些实施例中，所述基于所述目标传感器单元的驱动功率、所述等效边界温度、所述目标传感器单元对应微加热器的预设目标温度和所有非目标传感器单元的加热功率，得到修正后的气体传热功率，包括：

11、基于每一所述非目标传感器单元的加热功率、每一所述非目标传感器单元对应的第一预设标定系数，每一所述非目标传感器单元对应的第二预设标定系数、固定热损失偏置、所述等效边界温度、所述预设目标温度，得到固有热损失功率；

12、计算所述驱动功率与所述固有热损失功率之间的功率差值，得到修正后的气体传热功率。

13、在一些实施例中，所述依次计算每一所述温度传感器对应的实际温度值之后，所述方法还包括：

14、基于各所述温度传感器对应的实际温度值，计算左右温差和上下温差；

15、若所述左右温差和/或所述上下温差大于预设温差阈值，则对所述气体传感器阵列进行气流补偿，得到各所述温度传感器对应的补偿后的电阻响应值；

16、基于各所述温度传感器对应的补偿后的电阻响应值，重新计算所述目标传感器单元周围的等效边界温度。

17、在一些实施例中，所述基于所述修正后的气体传热功率、所述预设目标温度、所述等效边界温度，得到位于所述目标传感器单元测量环境中的待测气体的目标热导率，包括：

18、获取所述目标传感器单元的微加热器的等效半径，以及各所述温度传感器所在位置的等效边界半径；

19、基于所述预设目标温度与所述等效边界温度的温差、所述等效半径、所述等效边界半径，以及所述修正后的气体传热功率，利用预设的径向热传导模型，计算得到所述目标热导率。

20、在一些实施例中，所述基于所述修正后的气体传热功率、所述预设目标温度、所述等效边界温度，得到位于所述目标传感器单元测量环境中的待测气体的目标热导率，包括：

21、基于所述修正后的气体传热功率、所述预设目标温度、所述等效边界温度，计算得到单位温差下的等效热传导功率；

22、基于所述气体传感器阵列的预设工作状态映射表，确定当前工作状态对应的目标残余固定热损失项和目标气体热导灵敏度系数；

23、基于所述等效热传导功率、所述目标残余固定热损失项和所述目标气体热导灵敏度系数，得到位于所述目标传感器单元测量环境中的待测气体的目标热导率。

24、在一些实施例中，所述得到位于所述目标传感器单元测量环境中的待测气体的目标热导率之后，所述方法还包括：

25、获取预设时间窗口内的目标热导率序列；

26、从所述目标热导率序列中筛除异常值，并计算筛除异常值后的目标热导率序列的平均值，作为最终的热导率检测结果；

27、计算所述目标热导率序列的标准差，以评估当前热导率检测结果的可信度；其中，所述标准差用于表征所述目标传感器单元内多个温度传感器反映的温度场的稳定程度，所述标准差越小，表征所述温度场越稳定且所述热导率检测结果越可靠。

28、在一些实施例中，所述得到位于所述目标传感器单元测量环境中的待测气体的目标热导率之后，所述方法还包括：

29、获取所述气体传感器阵列中敏感材料的电阻响应值、电压响应值、响应斜率和恢复斜率；

30、将所述目标热导率、所述电阻响应值、所述电压响应值、所述响应斜率和所述恢复斜率进行融合，得到融合特征向量；

31、将所述融合特征向量输入预设的识别模型，得到所述待测气体的类型预浓度值。

32、第二方面，本技术实施例还提供了一种电子鼻，所述电子鼻包括气体传感器阵列和控制器，所述气体传感器阵列包括多个传感器单元，每一所述传感器单元均包括微加热器和温度传感器，所述控制器用于执行如上述的方法。

33、在一些实施例中，多个所述传感器单元呈对称阵列排布，且相邻的所述传感器单元之间保持预设间距，相邻的所述传感器单元之间设置有热隔离结构，用于阻断相邻微加热器之间的热传导路径，其中，所述热隔离结构包括悬臂梁结构和/或空腔结构。

34、本技术实施例提供了一种电子鼻的气体热导率计算方法以及电子鼻。其中，所述方法包括：获取目标传感器单元的驱动功率、所有非目标传感器单元的加热功率、所有所述温度传感器对应的电阻值、以及所述气体传感器阵列当前的工作状态，其中，所述目标传感器单元为多个传感器单元中的任意一个，所述非目标传感器单元包括所有所述传感器单元中除了所述目标传感器单元之外的其余传感器单元；基于所有所述温度传感器对应的电阻值，得到所述目标传感器单元周围的等效边界温度；基于所述目标传感器单元的驱动功率、所述等效边界温度、所述目标传感器单元对应微加热器的预设目标温度和所有非目标传感器单元的加热功率，得到修正后的气体传热功率；基于所述修正后的气体传热功率、所述预设目标温度、所述等效边界温度，得到位于所述目标传感器单元测量环境中的待测气体的目标热导率。

35、本技术实施例通过获取所述气体传感器阵列当前的工作状态，由于，气体传感器阵列当前的工作状态能够识别电子鼻芯片内部其他传感器单元对目标加热区（即目标传感器单元）造成的热串扰，避免把气体传感器阵列内部发热造成的温度变化误认为待测气体热导率变化；

36、并且，通过获取所有非目标传感器单元的加热功率以及整个气体传感器阵列的温度场分布信息，从而构建出能够真实反映电子鼻芯片内部复杂热环境的等效边界温度，在此基础上，该方法利用目标传感器单元的驱动功率、非目标单元的干扰功率以及上述等效边界温度，精准地计算出了修正后的气体传热功率，进而将芯片结构热损失和阵列热串扰从总功率中扣除，使得最终用于计算热导率的功率值仅对应于待测气体带走的热量，消除了气体传感器阵列内部热场分布不均对测量结果的干扰，克服了传统理想化径向热传导模型带来的非线性偏差，极大地提高了电子鼻在各种阵列工作环境下对气体热导率测量的准确性和可靠性。