[發明專利]一種改變Q值的卡爾曼濾波方法、裝置及可讀存儲介質

有效

• 申請號: 202010556886.3
• 申請日: 2020-06-18
• 公開（公告）號: CN111458395B
• 公開（公告）日: 2020-09-22
• 發明（設計）人: 田啟明;亓俊濤
• 申請（專利權）人: 北京英視睿達科技有限公司
• 主分類號: G01N27/416
• 分類號: G01N27/416;H03H21/00
• 代理公司: 北京志霖恒遠知識產權代理事務所(普通合伙) 11435
• 代理人: 劉濤

一種改變Q值的卡爾曼濾波方法。本發明利用卡爾曼濾波對電化學傳感器電壓值進行實時估計，并根據時刻k的測量值和時刻k的預測值之間的殘差來判斷電化學標氣濃度的是否變化，當殘差大于設定的閾值時，采用Qmax值，使其進行快速響應，殘差小于設定閾值時，采用Qmin值，使其快速收斂。同時，由于快速收斂和響應，使得標定過程可以縮短，從而節約氣體用量，降低標定成本。而且本發明中對于卡爾曼濾波模型進行了簡化，使得運算簡單、效率高。

技術領域

本發明涉及毒氣檢測領域，特別是一種利用卡爾曼濾波方法來標定檢測毒氣用的電化學傳感器的方法。

背景技術

毒氣檢測的重要性在很早就已經被人們所認同，20世紀80年代中期以來，小型電化學傳感器開始用于檢測PEL范圍內的多種不同有毒氣體，并顯示出了良好的敏感性與選擇性。

電化學傳感器通過與被測氣體發生反應并產生與氣體濃度成正比的電信號來工作，電化學傳感器在使用之前，需要在實驗室環境下進行標定，測出一些重要的參數，如零點和靈敏度，用于在實際使用中濃度的計算。在電化學傳感器標定時，通常的做法是將電化學傳感器放入工裝通入不同濃度的標氣，根據電化學傳感器輸出的電壓值，計算相關的參數。例如：零點是在通入零氣（濃度為0的標準氣體）情況下的傳感器輸出電壓；靈敏度指的是在通入不同濃度標準氣體情況下，電化學傳感器輸出電壓與濃度的換算比例關系。

然而，由于電化學傳感器本身測量精度并不是非常高，其輸出的電壓值也存在誤差，而且電化學傳感器輸出的信號屬于小信號放大，容易受到硬件及其他外界環境的干擾，具體表現為在特定濃度的標氣下電壓在小范圍內波動，偶爾會出現極值的情況，導致后續標定參數的計算不準確。

因此，對電化學傳感器輸出的電壓值進行濾波，并且能夠保證電化學傳感器對不同濃度的標氣做出及時響應也是十分必要的。

現有的電化學傳感器輸出電壓的濾波方法主要包括均值濾波、卡爾曼濾波等。然而這些方法僅僅適用于實際的毒氣檢測場合，在實驗室的傳感器標定場合中并不適用。這是由于實驗室的傳感器標定場合中，標氣濃度呈現出隨時間階躍變化的情況、并非連續變化，而當標氣濃度階躍變化是，現有的濾波方法出現濾波結果難以及時跟蹤標氣濃度的變化，響應不及時、收斂速度慢的問題。

發明內容

本發明的目的在于提供一種基于卡爾曼濾波算法來對電化學傳感器進行標定的方法和裝置，以克服現有的濾波算法存在的上述問題。

提供了一種改變Q值的電化學傳感器輸出電壓的卡爾曼濾波方法，

將電化學傳感器的輸出電壓假設為一個離散控制過程，離散控制過程受到噪聲的影響，該噪聲的協方差用Q表示；

利用上一時刻電化學傳感器輸出電壓的最優估計值X(k-1|k-1)對當前時刻電化學傳感器輸出電壓進行估計得到當前時刻電化學傳感器輸出電壓的預測值X(k|k-1)；

將當前時刻電化學傳感器的實際輸出電壓作為測量值Z(k)，計算所述測量值Z(k)與當前時刻的所述預測值X(k|k-1)的差值，比較該差值與閾值Th的大小，根據所述比較的結果對所述離散控制過程的噪聲的協方差Q進行更新；

根據所述更新后的協方差Q來進一步計算當前時刻的卡爾曼增益Kg(k)，并進而根據所述測量值Z(k)、所述卡爾曼增益Kg(k)以及當前時刻電化學傳感器輸出電壓的預測值X(k|k-1)來計算當前時刻的電化學傳感器輸出電壓的最優估計值X(k|k)。

在一個方案中，如果測量值Z(k)減去當前時刻的預測值X(k|k-1)的所述差值大于閾值Th，則將Qmax作為更新后的Q；如果測量值Z(k)減去當前時刻的預測值X(k|k-1)的差值小于等于閾值Th，則將Qmin作為更新后的Q，其中Qmax Qmin，Qmax和Qmin均為預設的經驗值。

在一個方案中，Qmax為0.1-5，Qmin為0.01-0.5。