传感器性能评估装置、方法及系统

摘要

本发明涉及传感器技术领域，公开了一种传感器性能评估装置、方法及系统，该装置包括：控制系统和环境设置系统；控制系统用于：控制环境设置系统生成满足预设检测条件的环境；获取传感器检测满足预设检测条件的环境得到的检测数据；根据检测数据得到评估传感器性能的评估数据。本发明可方便全面地评估传感器性能。

说明书

技术领域

本发明涉及传感器技术领域，尤其涉及一种传感器性能评估装置、方法及系统。

背景技术

传感技术是信息技术的主体技术之一，在航天、军事、环境、安全检查等领域广泛使用气体传感器进行实时气体监测、报警，而在食品、化工等工业领域中也大量使用气体传感器进行气体、气味鉴别，应用的需求带动了气体传感技术的快速发展，基于电化学/催化燃烧、激光调制、非色散红外、半导体等原理已发展出多种类型的气体传感器。

随着科技的不断提高，特别是纳米材料、石墨烯等复合材料的出现，为传感器的发展创造了条件，由传感器构成的气体检测系统在系统测试精度、准确性等方面都有了很大的提高，尤其采用气体传感器阵列与模式识别技术的智能气体识别仪器在军事、石油化工和环境检测等方面具有更广阔的应用前景，近几年已成为气体传感技术领域研究的热点。近年来，国内外多家机构采用阵列式传感方法，增加传感检测信息量，获取被测气氛环境的多参量输出，基本实现了烃类和硫化氢、甲苯和异丁烯等气体识别，气体传感检测的微型化、智能化应用将是发展的必然趋势。

另一方面，传感器一般使用环境复杂，温度、湿度、流速、混合气体相互干扰等诸多因素给气体传感检测的微型化、智能化应用带来极大挑战，急需一种传感器性能测试评估方法和装置，对传感器的性能进行测试和评估，全面考察其一致性和稳定性，为新型传感技术的智能化应用创造条件。

发明内容

针对上述现有技术中存在的不足，本发明提供了一种传感器性能评估装置、方法及系统，可解决现有技术中无法全面方便地评估传感器性能的技术问题。

本发明第一方面提供了一种传感器性能评估装置，该装置包括：控制系统和环境设置系统；

所述控制系统用于：

控制所述环境设置系统生成满足预设检测条件的环境；

获取传感器检测所述满足预设检测条件的环境得到的检测数据；

根据所述检测数据和所述预设检测条件得到评估所述传感器性能的评估数据。

可选的，该装置还包括实验箱，所述环境设置系统在所述实验箱内生成所述环境。

可选的，该装置还包括反馈系统，用于检测所述环境设置系统生成的环境并得到反馈数据；所述控制系统用于获取并根据所述反馈数据和所述预设检测条件得到调节数据，根据所述调节数据控制所述环境设置系统调节所述环境设置系统生成的环境直到其满足所述预设检测条件。

可选的，所述预设检测条件包括所述传感器检测的检测物的参数数据，所述参数数据包括所述检测物的组分和组分比例；所述环境设置系统包括检测物配置系统，所述控制系统控制所述检测物配置系统生成满足所述参数数据的检测物。

可选的，所述检测物包括气体，所述参数数据包括所述检测物的气体组分和各气体组分的气体浓度；所述检测物配置系统包括多组分动态配气系统和/或液态有机气体配气系统。

可选的，所述预设检测条件包括温度范围，所述环境设置系统包括温度调节系统，所述温度调节系统包括加热系统、制冷系统和温度检测系统；所述温度检测系统用于检测所述实验箱内的温度，在所述温度小于所述温度范围的温度下限的情况下，所述控制系统启动所述加热系统对所述实验箱的内部加热直到所述温度位于所述温度范围内；在所述温度大于所述温度范围的温度上限的情况下，所述控制系统启动所述制冷系统对所述实验箱的内部制冷直到所述温度位于所述温度范围内。

可选的，所述预设检测条件包括湿度范围，所述环境设置系统包括湿度调节系统，所述控制系统控制所述湿度调节系统以使所述实验箱内的湿度满足所述湿度范围；其中，所述控制系统控制所述湿度调节系统将干燥气体和饱和湿度气体在同一预设温度下按照预设比例混合得到恒湿气体，以使所述湿度位于所述湿度范围内。

本发明第二方面提供了一种传感器性能评估方法，该方法包括：

控制环境设置系统生成满足预设检测条件的环境；

获取传感器检测所述满足预设检测条件的环境得到的检测数据；

根据所述检测数据和所述预设检测条件得到评估所述传感器性能的评估数据。

可选的，该方法还包括：

控制所述环境设置系统在实验箱内生成所述环境。

可选的，该方法还包括：

控制反馈系统检测所述环境设置系统生成的环境并得到反馈数据；

获取并根据所述反馈数据和所述预设检测条件得到调节数据；

根据所述调节数据控制所述环境设置系统调节所述环境设置系统生成的环境直到其满足所述预设检测条件。

可选的，所述预设检测条件包括所述传感器检测的检测物的参数数据，所述参数数据包括所述检测物的组分和组分比例；所述环境设置系统包括检测物配置系统，所述控制环境设置系统生成满足预设检测条件的环境的步骤包括：

控制所述检测物配置系统生成满足所述参数数据的检测物。

可选的，所述检测物包括气体，所述参数数据包括所述检测物的气体组分和各气体组分的气体浓度；所述检测物配置系统包括多组分动态配气系统和/或液态有机气体配气系统。

可选的，所述预设检测条件包括温度范围，所述环境设置系统包括温度调节系统，所述温度调节系统包括加热系统、制冷系统和温度检测系统；所述温度检测系统用于检测所述实验箱内的温度，所述控制环境设置系统生成满足预设检测条件的环境的步骤包括：

在所述温度小于所述温度范围的温度下限的情况下，启动所述加热系统对所述实验箱的内部加热直到所述温度位于所述温度范围内；

在所述温度大于所述温度范围的温度上限的情况下，启动所述制冷系统对所述实验箱的内部制冷直到所述温度位于所述温度范围内。

可选的，所述预设检测条件包括湿度范围，所述环境设置系统包括湿度调节系统，所述控制环境设置系统生成满足预设检测条件的环境的步骤包括：

控制所述湿度调节系统使所述实验箱内的湿度满足所述湿度范围；

所述控制所述湿度调节系统使所述实验箱内的湿度满足所述湿度范围的步骤包括：

控制所述湿度调节系统将干燥气体和饱和湿度气体在同一预设温度下按照预设比例混合得到恒湿气体，以使所述湿度位于所述湿度范围内。

本发明第三方面提供了一种传感器性能评估系统，包括上述所述的装置。

本发明提供的一种传感器性能评估装置、方法及系统，传感器检测满足预设检测条件的环境得到检测数据，通过比较检测数据和预设检测条件从而方便全面地评估该传感器的性能。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施方式或现有技术中的技术发明，下面将对实施方式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方式，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施方式一提供的传感器性能评估装置的结构示意图；

图2为本发明实施方式二提供的传感器性能评估装置的结构示意图；

图3为本发明实施方式三提供的传感器性能评估方法的流程示意图；

图4为本发明实施方式四提供的传感器性能评估方法的流程示意图。

具体实施方式

为使得本发明的发明目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术发明进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式仅仅是本发明一部分实施方式，而非全部实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。

实施方式一

请参阅图1，图1为本发明实施方式一提供的传感器性能评估装置的结构示意图。

如图1所示，本发明第一方面提供了一种传感器性能评估装置，该装置包括：控制系统1和环境设置系统2。

在进行传感器10性能测试时，应根据待测传感器10性能技术指标参数，设计性能测试评估方案，主要包括示值误差、重复性、响应时间、环境干扰等项目测试方法。控制系统1用于：

控制环境设置系统2生成满足预设检测条件的环境。环境包括检测物、温度、湿度等，检测物包括气体、液体和固体以及至少两者的组合，当检测物包括气体和液体时，则检测物的参数数据包括气体/液体组分和组分浓度，在温度和湿度的影响下，部分检测物的物态以及酸碱度等会发生变化，因此，在设计传感器10性能评估方案时，应该保证生成的环境保持稳态。由于生成环境需要一定时间，并且部分检测物由于被物理吸附，会导致生成的环境并不能满足预设检测条件，因此，还可通过设置反馈系统4，使得控制系统1控制环境设置系统2生成满足预设检测条件的环境。该预设检测条件保证生成的环境为准确的环境，即生成的环境的参数与输入控制系统1的参数是完全一致的。根据传感器10种类的不同，可设置不同的环境，例如传感器10为气体传感器，则环境中至少包括传感器10可检测的气体。如传感器10为液体传感器，则环境中至少包括传感器10可检测的液体。

为了便于说明，本发明实施方式中的环境涉及到气体、温度和湿度等，且传感器10为气体传感器。

获取传感器10检测满足预设检测条件的环境得到的检测数据。由于生成的环境在一定时间内不一定满足预设检测条件，即还未形成稳定的环境，或者由于部分检测物被物理吸附，生成的环境也不满足预设检测条件。当传感器10检测的环境并不满足预设检测条件时，就无法通过比较检测得到的检测数据和预设检测条件来评估传感器10的性能。因此，需要在环境满足预设检测条件时，传感器10来检测环境得到的检测数据才能准确和有效。

根据检测数据和预设检测数据得到评估传感器10性能的评估数据。检测数据包括检测物的组分和组分比例，如检测物为气体或液体，则检测数据为气体或液体组分以及组分浓度。预设检测条件包括检测物的组分和组分比例，由于生成的环境满足的预设检测条件是已知的，因此，通过比较检测数据中检测物的组分和组分比例与预设检测条件中检测物的组分和组分比例的差值，即可初步评估传感器10的性能。评估数据包括传感器10的示值误差、重复性、响应时间、环境干扰稳定性、精度范围等。

若该差值小于预设阈值，则可确定传感器10性能较佳，示值误差小，准确性高。若高于预设值，则可确定传感器10性能较差，示值误差大，准确性低。

控制传感器10多次测量同一满足预设检测条件的环境，比较得到的多个检测数据是否相同，若相同，则确定传感器10重复性高，若不相同，则确定传感器10重复性低。

记录传感器10从开始到检测得到检测数据的响应时间，响应时间约小，则说明传感器10的灵敏度越高。

在检测环境得到检测数据后，可在该环境中或环境外添加可干扰传感器10性能的因素，例如气体、液体、固体、温度、湿度、磁场、电场等物理化学干扰因素，再次检测该环境得到干扰后的检测数据，若干扰前后的检测数据的差值较小，则确定传感器10的环境干扰稳定性较高，反之较低。

还可通过改变预设检测条件来生成不同的环境，使得传感器10检测得到多组检测数据，从而判断出在什么预设检测条件范围内传感器10的精度较高，在什么预设检测条件范围内传感器10的精度较低。

综上，传感器10检测满足预设检测条件的环境得到检测数据，通过比较检测数据和预设检测条件从而方便全面地评估该传感器10的性能。

实施方式二

基于实施方式一，请参阅图2，图2为本发明实施方式二提供的传感器性能评估装置的结构示意图。

进一步地，如图2所示，该装置还包括实验箱3，环境设置系统2在实验箱3内生成环境。生成的环境不一定满足预设检测条件，需要通过一定时间累积或者通过反馈系统4来调节，才能满足预设检测条件。

进一步地，该装置还包括反馈系统4，用于检测环境设置系统2生成的环境并得到反馈数据。反馈数据包括环境中检测物的参数数据、温度和湿度等。

控制系统1用于获取并根据反馈数据和预设检测条件得到调节数据，调节数据包括检测物的参数数据、温度和湿度等，在检测物为流体(即气体和液体)时，还包括检测物的流量，可通过流量来控制流体浓度。根据调节数据控制环境设置系统2调节环境设置系统2生成的环境直到其满足预设检测条件。

进一步地，预设检测条件包括传感器检测的检测物的参数数据，参数数据包括检测物的组分和组分比例。环境设置系统2包括检测物配置系统21，用于控制系统1控制并生成满足参数数据的检测物。

进一步地，检测物包括气体，参数数据包括检测物的气体组分和各气体组分的气体浓度，较佳的，还可包括检测物的气体流量。检测物配置系统21包括多组分动态配气系统和/或液态有机气体配气系统。

多组分动态配气系统和液态有机气体配气系统均可包括至少两个质量流量控制器，用于分别通入不同的原料气体，液态有机气体配气系统还可包括将原料液体汽化的汽化池。多组分动态配气系统和液态有机气体配气系统均通过控制原料气体(包括汽化后的原料液体)的气体流量来调节生成的待测气体的气体组分和各气体组分的气体浓度。较佳的，还可通过反馈系统来调节原料气体的气体流量，以使得待测气体成为标准气体。

进一步地，预设检测条件包括温度范围，环境设置系统2包括温度调节系统22，温度调节系统22包括加热系统、制冷系统和温度检测系统。温度检测系统用于检测实验箱3内的温度，在温度小于温度范围的温度下限的情况下，控制系统1启动加热系统对实验箱3的内部加热直到温度位于温度范围内。在温度大于温度范围的温度上限的情况下，控制系统1启动制冷系统对实验箱3的内部制冷直到温度位于温度范围内。通过控制温度范围，避免检测物发生物态变化和化学反应。

进一步地，预设检测条件包括湿度范围，环境设置系统2包括湿度调节系统23，用于控制系统1控制并使实验箱3内的湿度满足预设检测条件。其中，控制系统1控制湿度调节系统23将干燥气体和饱和湿度气体(即相对湿度为100％)在同一预设温度下按照预设比例混合得到恒湿气体，以使湿度位于湿度范围内。通过控制湿度范围，避免检测物的浓度以及酸碱度等发生变化。

实施方式三

请参阅图3，图3为本发明实施方式三提供的传感器10性能评估方法的流程示意图,。

如图3所示，本发明第二方面提供了一种传感器10性能评估方法，该方法包括：

S100、控制环境设置系统2生成满足预设检测条件的环境。

S200、获取传感器10检测满足预设检测条件的环境得到的检测数据。

S300、根据检测数据和预设检测条件得到评估传感器10性能的评估数据。

进一步地，该方法还包括：

S400、控制环境设置系统2在实验箱3内生成环境。

实施方式四

基于实施方式三，请参阅图4，图4为本发明实施方式四提供的传感器10性能评估方法的流程示意图。

进一步地，如图4所示，该方法还包括：

S500、控制反馈系统4检测环境设置系统2生成的环境并得到反馈数据。

S600、获取并根据反馈数据和预设检测条件得到调节数据。

S700、根据调节数据控制环境设置系统2调节环境设置系统2生成的环境直到其满足预设检测条件。

进一步地，预设检测条件包括传感器检测的检测物的参数数据，参数数据包括检测物的组分和组分比例。环境设置系统2包括检测物配置系统21，S100中控制环境设置系统2生成满足预设检测条件的环境的步骤包括：

S110、控制检测物配置系统21生成满足参数数据的检测物。

进一步地，检测物包括气体，参数数据包括检测物的气体组分和各气体组分的气体浓度，较佳的，还可包括检测物的气体流量。检测物配置系统21包括多组分动态配气系统和/或液态有机气体配气系统。

进一步地，预设检测条件包括温度范围，环境设置系统2包括温度调节系统22，温度调节系统22包括加热系统、制冷系统和温度检测系统。温度检测系统用于检测实验箱3内的温度，S100中控制环境设置系统2生成满足预设检测条件的环境的步骤包括：

S120、控制温度调节系统22使实验箱3内的温度满足温度范围。

S120中控制温度调节系统22使实验箱3内的温度满足温度范围的步骤包括：

S121、在温度小于温度范围的温度下限的情况下，启动加热系统对实验箱3的内部加热直到温度位于温度范围内。

S122、在温度大于温度范围的温度上限的情况下，启动制冷系统对实验箱3的内部制冷直到温度位于温度范围内。

进一步地，预设检测条件包括湿度范围，环境设置系统2包括湿度调节系统23，S100中控制环境设置系统2生成满足预设检测条件的环境的步骤包括：

S130、控制湿度调节系统23使实验箱3内的湿度满足湿度范围。

S130中控制湿度调节系统23使实验箱3内的湿度满足预设检测条件的步骤包括：

S131、控制湿度调节系统23将干燥气体和饱和湿度气体在同一预设温度下按照预设比例混合得到恒湿气体，以使湿度位于湿度范围内。

实施方式五

基于实施方式一至四，本发明首先考虑传感器10测试环境中混合气体各组分间的交叉干扰、腐蚀、吸附等因素影响，开展测试装置主体即传感器10及相关气路材质和处理工艺的选择，采用316不锈钢或者耐腐蚀性能优异的蒙乃尔合金等制作，能有效防止二氧化硫、硫化氢、氨气等气体的腐蚀，材料表面均经过表面处理，提高表面质量，大大减小气体分子的物理吸附，以适应不同气氛环境的需求。

然后，采用高精度的质量流量控制器，通过严格控制一定比例的气体组分和稀释气体的流量，并加以混合而制得标准气体，使用该方法能够在同一配气装置上，配制出满足需要的不同组分含量的各种标准气体，配气系统一共设计有八组质量流量控制器，可以稀释1000倍以上，可实现低浓度、高精度、多气体组分的实时配制。

开展温湿度控制系统1的设计，通过实验箱3体内部空气中的温度探头实时监测箱体内的温度，在控制面板上可以设置恒温箱的恒温范围，即设置允许的温度上限和下限，当探头检测到温度下限时，开启热风机加热，温度开始回升，当探头检测到温度上限时，开启制冷压缩机制冷，温度下降。同时，选用分流法设计了一套湿度发生器，用干燥的空气或氮气作为气源,在相同的温度下与另一股一定比例的饱和湿气(即相对湿度为100％)混合，便可得到相对湿度恒定并且连续可调的恒湿气流。通过建立实时的温湿度监控系统，可实现对系统的温度、湿度进行监控，并根据不同的需求完成对环境温湿度的调控。

最后，通过高精度气体组分浓度监测设备和环境监测系统实时监测实验环境的各项技术参数，并上传给信号采集系统，并通过设计开发自控单元完成对气体组分、浓度、温湿度等指标的自动修正，实现气氛环境的动态调控。

之后，基于测试装置，设定不同的环境条件参数，对传感器10的准确性、一致性、稳定性等技术指标的测试和评估，并将测试实验数据通过信号采集系统上传，由信息管理系统进行分析、展示等。

与现有技术相比，本发明的效果和益处是：(1)装置材料表面均经过钝化处理，大大减小气体分子的物理吸附，可适应不同气氛环境的需求。(2)装置可实现低浓度、高精度、多气体组分的实时配制，得到质量流量控制器的数量以上的气体组分，浓度可精确到ppb(part per billion，百万分之一)级别。(3)设计的湿度发生器实现了湿度条件影响下标准气体的配制。(4)通过高精度气体组分浓度监测设备和环境监测实现气氛环境的动态调控。(5)系统设计的装置和提出的方法可用于与传感器10性能的全面测试和评估。

为了对本发明的技术特征、目的和有益效果有更加清楚的理解，现对本发明的技术方案进行以下详细说明，但不能理解为对本发明的可实施范围的限定。以下结合附图对本发明专利的具体实施方式做以详细说明。

本发明装置主要包括气体配制系统(含多组分动态配气系统和液态有机气体配气系统)、湿度调节系统23、高低温实验箱3、反馈系统4、气体仪表检测平台、控制系统1等。

在进行传感器10性能测试时，应根据待测传感器10性能技术指标参数，设计性能测试评估方案，主要包括示值误差、重复性、响应时间、环境干扰等项目测试方法。首先，选定一种环境条件参数(包括气体组分、浓度、温度、湿度等)分别输入控制系统1，由气体配制系统完成各气体组分的自动配制，同时，由湿度调节系统23按照参数设定指标发生相对湿度恒定并且连续可调的恒湿气流，并通过高低温控制箱完成温度的调节，以此形成相对稳定的模拟气氛环境。由于温湿度对标准气体的配制有所影响，尤其湿度对酸性气体(如硫化氢、二氧化硫等)影响较大，一般会造成实际配制浓度比理论浓度要低，此时，通过反馈系统4实时监测实验箱3内各组分浓度及温湿度等反馈数据，由控制系统1对反馈数据进行分析，通过控制系统1对气体配制系统、湿度调节系统23、高低温实验箱3进行自动控制，使实验箱3内气体组分、浓度、温度、湿度等各项参数达到实验所需要求。待模拟气氛环境稳定后，通过读取待测传感器10的检测数据，并由控制系统1记录相关数据。

修改不同的实验环境条件参数，根据上述流程进行待测传感器10在不同环境条件下的性能测试实验，根据示值误差、重复性、响应时间、环境干扰等技术指标评估传感器10准确性、一致性、稳定性等性能。

实施方式六

基于实施方式一至五，下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：

以测试评估一种传感器10性能为例，传感器10性能技术指标参数如下：可同时检测硫化氢、氧气、甲烷、苯、一氧化碳五种气体组分，检测量程范围分别为：硫化氢(0～100)μmol/mol、甲烷(0～5)％mol/mol、一氧化碳(0～500)μmol/mol、氧气(0～30)％mol/mol、苯(0～10)μmol/mol。示值误差指标分别为：硫化氢不大于±5μmol/mol、甲烷不大于±5％FS(精度和满量程的百分比)、一氧化碳不大于±10％、氧气不大于±2％FS、苯不大于±1μmol/mol。正常工作环境温度(-20～50)℃，湿度(20～90)％RH(相对湿度)。

(1)首先将传感器10放置于气体仪表检测平台，连接信号采集系统，保证数据通讯正常。

(2)选定一种环境条件参数(包括气体组分、浓度、温度、湿度等)，如：硫化氢20μmol/mol、甲烷1％mol/mol、一氧化碳100μmol/mol、氧气10％mol/mol、苯2μmol/mol，平衡气体为氮气，温度设为20℃，湿度50％RH，分别输入控制系统1，由多组分动态稀释装置、液态有机溶剂动态配气装置、高低温控制系统1、湿度发生装置完成环境条件的模拟。

(3)反馈系统4实时监测实验箱3内各气体组分浓度及温湿度参数信息，并对反馈数据进行分析，通过控制系统1对各项参数进行补偿，使实验箱3内各项环境参数达到实验所需要求。

(4)由采集传感器10在特定环境条件下的各项检测数据，以测试评估传感器10在在该环境条件下的示值误差、重复性、响应时间等技术指标。

(5)修改环境条件参数设置，如：改变各气体组分的浓度、温湿度条件、加入其它干扰气体等，装置可通过控制系统1在短时间内形成目标环境条件，以完成传感器10在不同环境条件下的性能测试和评估。

本发明提供的一种传感器性能评估装置，传感器10检测满足预设检测条件的环境得到检测数据，通过比较检测数据和预设检测条件从而方便全面地评估该传感器10的性能。

本发明第三方面提供了一种传感器性能评估系统，包括上述所述的装置。较佳的，该系统还包括设置在实验箱3内的仪表检测平台，传感器10用于放置在仪表检测平台上。

本发明第二和第三方面提供的传感器性能评估方法和系统的工作原理及有益效果与传感器性能评估装置的工作原理及有益效果完全相同，此处不再赘述。

本发明提供的一种传感器性能评估装置、方法及系统，传感器检测满足预设检测条件的环境得到检测数据，通过比较检测数据和预设检测条件从而方便全面地评估该传感器的性能。

在上述实施方式中，对各个实施方式的描述都各有侧重，某个实施方式中没有详述的部分，可以参见其它实施方式的相关描述。以上为对本发明所提供的传感器性能评估方法、装置及系统的描述，对于本领域的一般技术人员，依据本发明实施方式的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。