基于teds传感器和矩阵开关技术的智能测试系统及测试方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于TEDS传感器和矩阵开关技术的智能测试系统及测试方法，所述测试系统的测试流程包括以下步骤：（一）读取传感器TEDS信息；（二）调理模块组自动配置；（三）采集通道的自动切换；（四）传感器数据的非线性校正；（五）数据解析。本发明检测过程简单，无需人工输入传感器信息，且无需人工更换调理模块和切换测试通道，极大提高了检测效率。本发明适用于经过智能化改造后的传感器输出信号的自动调理和自动测试。
【专利说明】基于TEDS传感器和矩阵开关技术的智能测试系统及测试 方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于自动测试系统领域，涉及一种智能测试系统，具体地说是一种基于 TEDS传感器和矩阵开关技术的智能测试系统，同时本发明还涉及基于传感器TEDS信息对 上述系统传感器数据的非线性校正技术。
【背景技术】
[0002] 传统测试系统如图1所示。包括：被测对象、传感器、调理模块、数据采集模块、基 于计算机的控制系统及显示平台。传感器负责将被测物理量转换成更易于处理的电参量； 调理模块负责将电信号转换为满足系统要求的电压信号；数据采集模块负责将模拟信号转 换成能被计算机识别的离散的二进制数字信号；基于计算机的控制系统及显示平台负责将 采集到的数字信号进行分析、处理和显示。
[0003] 上述传统测试系统的测试流程为： (1) 将传感器直接或通过相应的传感器夹具安装在被测对象上，进行信号的测量； (2) 被测信号从传感器传出后，传输到对应的调理模块组i中的调理模块进行信号的 调理(例如：信号类型的转换、信号幅值的放大或缩小、滤波等）； (3) 将调理好的信号传输到数据采集模块进行模数变换，将模拟信号转换为能被计算 机识别的离散的二进制数据； (4) 基于计算机的控制系统对二进制数据进行分析、处理，等处理完成后，通过基于计 算机的显示平台将测试结果再显示给用户。
[0004] 由于传统测式系统中的传感器为普通传感器，普通传感器与其传统测试系统进行 连接配置时，需要大量的人工参与才能完成对被测对象所产生信号的测试任务(例如传感 器的布线、传感器参数的输入、调理模块的配置等)，导致工作量大、工作繁琐，且极容易出 现错误。同时，在实际测试中，面对测试需求和传感器的不同调理需求，为了获取被检测对 象产生的信号并将被测信号调理到数据采集模块能够接收的范围内，需要经常更换传感器 和相应的调理模块，而上述通道的布线，传感器和调理模块的更换、连接工作也是需要人工 完成的，在综合测试过程中同样会出现大量的连接任务，造成工作繁琐且易出现人工误操 作。
[0005] 此外，传统的检测系统中，由于储能元件特性、转换电路特性W及环境因素等原 因，传感器的输入和输出存在误差，为了保证测量精度，需要利用传感器的近似线性段进行 测量，在要求精度不高的情况下，可W将其误差忽略，但在一些要求高的场合则必须采用精 度更高、线性范围更大的传感器进行测量，否则就会引入较大的测量误差。而在实际工程 测试中，大多数传感器的输出信号与真实值之间存在误差，通过测量不能精确地反映被测 量，为了准确的测量被测量，通常采用W下方法保证测量精度：采用线性范围更大的传感器 或者通过数据校正提高传感器的测量精度。但是，更换线性范围更大的传感器会增加测试 成本，需要花费大量的人力和物力而效果常常不理想；在数据校正方面，通过设计一个非线 性电路来弥补传感器的输出非线性，实现传感器输入输出特性直线化。
【发明内容】
[0006] 本发明要解决的技术问题，是提供一种基于TEDS传感器和矩阵开关技术的智能 测试系统，该系统能够自动识别TEDS传感器的参数信息，无需人工输入，省时省力，且该 系统能够根据自动识别的传感器的TEDS信息自动切换信号传输通道W及自动建立校正模 型，省去人工反复更换的繁琐操作，方便操作。
[0007] 本发明还提供了一种利用上述测试系统中传感器TEDS信息对传感器数据进行的 非线性校正方法。
[0008] 为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是： 一种基于TEDS传感器和矩阵开关技术的智能测试系统，它包括调理模块组、矩阵开关 模块、数据采集模块、控制模块，所述调理模块组与外部TEDS传感器之间设有信号调理自 动配置矩阵开关模块，所述信号调理自动配置矩阵开关模块设置有与外部TEDS传感器数 量相同的列通道，W及与调理模块组中的调理模块数量相同的行通道，每一列通道的信号 输入端对应连接唯一的TEDS传感器的测试信号输出端，每一行通道信号输出端连接唯一 对应的调理模块组中的调理模块的信号输入端； 调理模块组与数据采集模块之间设有信号采集自动配置矩阵开关模块，所述信号采 集自动配置矩阵开关模块设置有与调理模块组中的调理模块的数量相同的行通道，W及与 数据采集模块通道数量相同的列通道，每一行通道的信号输入端对应连接唯一的调理模块 组中各个调理模块的信号输出端，每一列通道的信号输出端通过数据采集模块连接控制模 块； 所述控制模块控制连接信号调理自动配置矩阵开关模块、信号采集自动配置矩阵开关 模块，同时还通过TEDS矩阵开关自动配置模块连接外部TEDS传感器的TEDS信息管脚。
[0009] 作为对本发明的限定：所述TEDS矩阵开关自动配置模块设置有与外部TEDS传感 器数量相同的开关通道，每一开关通道将对应的TEDS传感器分别与控制模块相连接。
[0010] 一种基于TEDS传感器和矩阵开关技术的智能测试系统的测试方法，利用上述的 测试系统完成信号测试，所述测试方法包括W下步骤： (一） 读取TEDS信息；通过上位机的TEDS信息读写程序，即控制模块控制TEDS矩阵开 关自动配置模块的公共通道依次与复用开关通道接通，控制模块控制依次读取连接在TEDS 矩阵开关自动配置模块的复用开关通道上的传感器的TEDS信息； (二） 调理模块组自动配置；控制模块利用读取的TEDS信息解析TEDS传感器的调理信 息，并根据调理信息通过切换信号调理自动配置矩阵开关模块通道，将TEDS传感器检测的 信号连接到相应的调理模块组中对应的调理模块进行调理； (H)采集通道的自动切换：调理后的信号在控制模块的控制下通过信号采集自动配置 矩阵开关模块的相应通道，数据采集模块通过信号采集自动配置矩阵开关模块采集相应的 信息，并完成信号的模数转换； (四)数据的非线性校正；控制模块通过读取的TEDS信息，解析在TEDS信息中传感器的 校正信息，然后将校正信息带入到相应的校正模型中，对TEDS传感器测取的信号进行非线 性校正，得到更为精确的测量值； (五)数据解析；控制模块通过读取的TEDS信息，解析存储在TEDS信息中传感器的灵敏 度、零点漂移等信息，对非线性校正中的动态性能校正后的数字信号进行运算，最终将TEDS 传感器输出的测量值标定到合理的工程单位。
[0011] 作为对上述方法的限定：所述步骤(五）之后还有步骤(六）信息后处理；控制模块 将校正后的数据进行分析、处理，并将结果进行显示，同时存储。
[0012] 作为对上述方法的进一步限定：所述步骤(一）中读取到的TEDS传感器的TEDS信 息包括基本TEDS信息和标准TEDS信息，所述基本TEDS信息包括TEDS传感器的制造商、型 号、序列号等识别参数；标准TEDS信息包括识别参数、设备参数、标定参数，W及应用参数。
[0013] 作为对上述方法的另一种限定：所述步骤（四）中对数据的非线性校正包括传感器 静态性能的校正与传感器动态性能的校正。
[0014] 由于采用了上述的技术方案，本发明与现有技术相比，所取得的技术进步在于： (1) 本发明通过设置信号调理自动配置矩阵开关模块，其检测到TEDS传感器采集到的 信息后，控制模块能够选通相应的通道，将采集的信息传送至相应的调理模块组中的调理 模块进行调理，之后控制模块继续控制信号采集自动配置矩阵开关模块中的相应通道，将 采集的数据传送给数据采集模块进行模数转换，最终该数字信号传递给控制模块进行校正 等处理，因此，本发明只需将检测系统接好线后就可W自动测量，无需人工输入传感器的参 数信息，且无需人工切换测试通道和更换传感器和调理模块，避免了人工操作出现的差错， 同时有效提高了检测效率； (2) 本发明应用的TEDS传感器在原有传感器的基础上只增加了一根TEDS引线，即在原 有传感器的地线上并联一个TEDS芯片即可，没有改变传感器的基本结构，结构简单，且该 传感器可W用作TEDS传感器，还可W用作原来的传感器进行工作； (3) 本发明测试系统不仅可W用作TEDS传感器的测试系统，同时还可W用作普通传感 器的测试系统，应用广泛。
[0015] 综上所述，本发明检测过程简单，无需人工输入传感器信息，且无需人工切换测试 通道和更换传感器和调理模块，极大提高了检测效率。
[0016] 本发明适用于经过智能化改造后的传感器输出信号进行自动调理和自动测试。
[0017] 本发明下面将结合说明书附图与具体实施例作进一步详细说明。
【专利附图】
【附图说明】
[0018] 图1是现有技术中传统传感器检测系统的原理框图； 图2是本发明实施例1中检测系统的原理框图； 图3是本发明实施例1中TEDS传感器的电气原理图； 图4a是本发明实施例1中TEDS矩阵开关自动配置模块的拓扑图； 图4b是本发明实施例1中信号调理自动配置矩阵开关模块和信号采集自动配置矩阵 开关模块的拓扑图； 图5是本发明实施例2的流程图； 图6a是本发明实施例2中传感器静态性能校正时理想线性时传感器静态输出曲线 图； 图6b是发明实施例2中传感器静态性能校正时无奇次非线性传感器静态输出曲线 图； 图6c是本发明实施例2中传感器静态性能校正时无偶次非线性传感器静态输出曲线 图； 图6d是本发明实施例2中传感器静态校正时一般情况下传感器静态输出曲线图； 图7是本发明实施例2中传感器性能静态校正过程的原理图； 图8是本发明实施例2中给出实施例的校正范围为H段时的折线图； 图9是本发明实施例2中传感器静态性能非线性校正的流程图； 图10是本发明实施例2中传感器动态性能非线性校正过程的原理图； 图11是本发明实施例2中给出其中一个实施例的传感器动态性能校正前与校正后的 曲线图； 图12是本发明实施例2中给出另一个实施例的传感器动态性能校正前与校正后的曲 线图。
【具体实施方式】
[0019] 实施例一一种基于TEDS传感器和矩阵开关技术的智能测试系统 本实施例为一种基于TEDS传感器和矩阵开关技术的智能测试系统，如图2所示，它包 括： (1)信号调理自动配置矩阵开关模块，用于将外部TEDS传感器采集到的信号传送传输 到对应的信号调理模块。本实施例中的信号调理自动配置矩阵开关模块如图4b所示，其拓 扑结构为aXM) XN，即共设置有L X M行、N列个开关通道，每一行与每一列交汇处为一 开关通道，且每一列通道（C。至C 中的通道)对应唯一的外部TDES传感器，即每一 TEDS传 感器采集的信息只能通过唯一的列通道进行传递；而每一行通道（r。至r axMh)中的通道） 对应连接后续调理模块组中唯一调理模块。
[0020] 本实施例中，为了令外部每一 TEDS传感器均能有对应的开关通道，在信号调理自 动配置矩阵开关模块内不仅设置的列数与外部TEDS传感器的数量一致，而且将调理模块 组的数目L也设置为与外部TEDS传感器的数目相等。
[0021] (2)调理模块组，所述调理模块组的信号输入端连接信号调理自动配置矩阵开关 模块的信号输出端。
[0022] 本实施例中调理模块组的数量与外部TEDS传感器数量相同，且与信号调理自动 配置矩阵开关模块内开关设置的行数和列数相同，即信号调理自动配置矩阵开关模块中的 每一开关通道只能将唯一对应的TEDS传感器采集的信息通过该开关通道传递给唯一对应 的调理模块组进行信号的调理工作。
[0023] (3)信号采集自动配置矩阵开关模块，进一步将调理模块调理后的信号进行传输。 本实施例中信号采集自动配置矩阵开关模块如图4b所示，与信号调理自动配置矩阵开关 模块相同，同样设置有L X M行、N列个开关通道，每个开关通道同样对应唯一的调理模块 组中的调理模块，即经过一个调理模块组中的调理模块调理后信号只能通过信号采集自动 配置矩阵开关模块中唯一对应的开关通道进行传输。
[0024] (4)数据采集模块，用于将外部TEDS传感器检测到数据信息转换成可W识别的数 字信号。所述数据采集模块的信号输入端连接信号采集自动配置矩阵开关模块的信号输出 端，其信号输出端连接后续对信号进行校正、处理的控制模块。
[0025] (5)TEDS矩阵开关自动配置模块，如图4a所示，在控制模块的控制下，自动读取 相应TEDS传感器的TEDS信息。本实施例中的TEDS矩阵开关自动配置模块中同样设有与 TEDS传感器数量相同的开关通道，每一 TEDS传感器通过唯一对应的TEDS开关通道与控制 模块相连接。
[0026] 由于本实施例是对TEDS传感器采集信息的处理，因此，所使用的TEDS传感器在构 造上与传统的传感器有所不同，而本实施例中所用的TEDS传感器是在传统传感器的基础 上进行改造的，其结构具体如图3所示；传统传感器包括传感器模块，传感器模块的一端作 为传感器整体的地线进行接地，另一端通过放大器引出信号线，该信号线即为检测外部信 号时所用到的检测线，传感器模块的电源直接通过电源线与外部电源相连接。本实施例在 此基础上增加了 TEDS引线，即传感器模块的地线并联一 DS2433芯片，该芯片的一端与传感 器模块的地线相连，另一端直接作为TEDS引线，通过TEDS矩阵开关自动配置模块控制模 块相连接。
[0027] 由于该TEDS传感器与传统的传感器基本构造相同，因此与传统的传感器具有充 分兼容性，即本实施例中TEDS传感器的工作方式与传统传感器的工作方式是相同的，本实 施例的传感器仍然可W当做传统的传感器使用。
[0028] 而本实施例中所用的DS2433是对传统传感器进行智能化改造，采用TEDS芯片设 计时选用Maxim公司生产的存储器，该存储器采用PR-35封装，首先本身体积小便于集成， 其次有较大的存储空间，便于写入传感器更多自定义的信息。
[0029] 其中，DS2433芯片的自定义信息是根据IE邸1451. 4标准设计的TEDS信息。该 TEDS信息结构极其紧凑，然而却拥有足够的灵活性与扩展性，可W应对范围广泛的传感器 类型和要求。
[0030] 实施例二一种基于TEDS传感器和矩阵开关技术的智能测试系统的测试方法 一种利用上述基于TEDS传感器和矩阵开关技术的智能测试系统的测试方法，如图5所 示包括W下步骤： (一)读取TEDS信息；控制模块通过TEDS矩阵开关自动配置模块的通道依次读取、扫描 连接有被测对象的传感器的TEDS信息。
[0031] 本实施例中传感器的TEDS信息包括基本TEDS信息和标准TEDS信息，其中基本 TEDS信息包含着必要的传感器识别信息，即识别参数，如生产厂家、序列号、版本号和数据 代码。而标准TEDS信息包括包含传感器专用的"数据表"信息，一般是正确配置电气接口 并将测量数据转换为工程单位所需要的数据，例如：设备参数：如传感器类型、灵敏度、零 点漂移、传输带宽、单位和精度；标定参数：如最后的标定日期、校正系数；应用参数：如通 道识别，通道分组，传感器位置和方向。
[0032] 上述的TEDS信息均由控制模块通过TEDS矩阵开关自动配置模块进行读取。
[0033] (二）调理模块组自动配置；控制模块利用读取的TEDS信息解析TEDS传感器的调 理信息，并根据调理信息通过信号调理自动配置矩阵开关模块通道，将TEDS传感器检测到 的模拟信号切换到相应的调理模块组进行调理。
[0034] 由实施例一与图4b可知信号调理自动配置矩阵开关模块中对应每一 TEDS传感器 均设置有唯一的开关通道，其拓扑结构设计时根据W下原则实现，如图4所示： ：Vl: = 'V (1) .V2s = P (2) = ;杞= y:，=Ixilf (3) 其中： Nit表示第一信号矩阵开关自动配置模块中行或者调理模块的数目； Nis表示第一信号矩阵开关自动配置模块中列或者传感器的数目； 表示第二信号矩阵开关自动配置模块中行或者调理模块的数目； N,s表示第二信号矩阵开关自动配置模块中列或者通道的数目； M表示每个调理模块组中调理模块的数目； P表示采集通道的数目； N表示接入矩阵开关的传感器的数目； L表示调理模块组的数目； A表示调理模块的总数目。
[003引（S)采集通道的自动切换：调理后的信号在控制模块的控制下通过信号采集自动 配置矩阵开关模块的相应通道，数据采集模块通过信号采集自动配置矩阵开关模块采集相 应的信息，并完成信号的模数转换。
[0036] 由于本实施例中的信号采集自动配置矩阵开关模块与信号调理自动配置矩阵开 关模块结构相同，因此，其拓扑结构的设计原则与上述信号调理自动配置矩阵开关模块的 拓扑结构的设计原则相同。
[0037] (四)数据的非线性校正；控制模块通过读取的TEDS信息，解析在TEDS信息中传感 器的校正信息，然后将校正信息带入到相应的校正模型中，对TEDS传感器测取的信号进行 非线性校正。
[0038] 由于对数据的校正需要具体的校正方法实现，而不同的校正方法对系统和TEDS 传感器的要求也不一样，因此，需要选择合适的校正方法对信号进行校正才能得到相对精 确的采集数据。而选择校正方法时需要着重考虑一下H个要素： ①所需的TEDS存储空间的大小 一般传统TEDS存储空间都较小，例如，化B或2邸，而传感器内的TEDS内存区还被分 成几个域，每个域描述传感器特征的不同方面，标定TEDS只是其中的一个域。因此选择 校正方法时，必须考虑所需的标定TEDS存储区的大小。
[0039] ②每次校正所需的运算次数 由于系统控制平台的运算能力有限，而在其上需同时运行操作系统、数据采集驱动等 许多应用程序，如果运算次数太多，则造成较长的时延，影响测试系统的整体性能。因此， 选择的校正方法运算次数不能太多。
[0040] ③校正方法(函数）的拟合和标定系统的噪声所引起的不确定度0 m 由于校正函数存在数值计算误差，标定系统有随机误差，为了保证校正数据的准确 性，必须考虑校正方法所引起的不确定度，而不确定度可W通过估计拟合残差的标准差来 得到。
[0041] 同时，不同类型的信号进行采集的传感器类型也不相同，因此对应类型的信号只 能通过对应类型的传感器进行信息采集，进而，对于信息后续的非线性校正也存在差别。而 根据信号的分类基本分为静态信号和动态信号两大类，因此，本实施例的控制模块存储有 两种对信号的校正方式：传感器静态非线性校正与传感器动态非线性校正。本实施例就上 述两种非线性校正分别设置了实施例。
[0042] 一、传感器静态非线性校正方法 当只考虑传感器的静态特性时，传感器的输入与输出有确定的数值关系，但关系式中 与时间变量无关，可W用函数式表示为r = /(.t) (4) 在静态条件下，若不考虑迟滞和蠕变，式（4)的传感器输入与输出的关系可W用一个 多项式代数方程表示，称该个方程为传感器的静态特性数学模型，即
【权利要求】
1. 一种基于TEDS传感器和矩阵开关技术的智能测试系统，包括调理模块组、矩阵开关 模块、数据采集模块、控制模块，其特征在于：所述调理模块组与外部TEDS传感器之间设有 信号调理自动配置矩阵开关模块，所述信号调理自动配置矩阵开关模块设置有与外部TEDS 传感器数量相同的列通道，以及与调理模块组中的调理模块数量相同的行通道，每一列通 道的信号输入端对应连接唯一的TEDS传感器的测试信号输出端，每一行通道信号输出端 连接唯一对应的调理模块组中的调理模块的信号输入端； 调理模块组与数据采集模块之间设有信号采集自动配置矩阵开关模块，所述信号采集 自动配置矩阵开关模块设置有与调理模块组中的调理模块数量相同的行通道，以及与数据 采集模块通道数量相同的列通道，每一行通道的信号输入端对应连接唯一的调理模块组中 各个调理模块的信号输出端，每一列通道的信号输出端通过数据采集模块连接控制模块； 所述控制模块控制连接信号调理自动配置矩阵开关模块、信号采集自动配置矩阵开关 模块，同时还通过TEDS矩阵开关自动配置模块连接外部TEDS传感器的TEDS信息管脚。
2. 根据权利要求1所述的基于TEDS传感器和矩阵开关技术的智能测试系统，其特征在 于：所述TEDS矩阵开关自动配置模块设置有与外部TEDS传感器数量相同的开关通道，通过 每一开关通道将对应的TEDS传感器分别与控制模块相连接。
3. -种基于TEDS传感器的智能测试系统的测试方法，其特征在于：利用权利要求1或 2的测试系统完成信号测试，所述测试方法包括以下步骤： (一） 读取TEDS信息：通过上位机的TEDS信息读写程序，即控制模块控制TEDS矩阵开 关自动配置模块的公共通道依次与复用开关通道接通，控制模块依次读取连接在TEDS矩 阵开关自动配置模块的复用开关通道上的传感器的TEDS信息； (二） 调理模块组自动配置：控制模块利用读取的TEDS信息解析TEDS传感器的调理信 息，并根据调理信息通过切换信号调理自动配置矩阵开关模块通道，将TEDS传感器检测的 信号连接到相应的调理模块组中对应的调理模块进行调理； (三） 采集通道的自动切换：调理后的信号在控制模块的控制下通过信号采集自动配置 矩阵开关模块的相应通道，数据采集模块通过信号采集自动配置矩阵开关模块采集相应的 信息，并完成信号的模数转换； (四) 数据的非线性校正：控制模块通过读取的TEDS信息，解析在TEDS信息中传感器的 校正信息，然后将校正信息带入到相应的校正模型中，对TEDS传感器测取的信号进行非线 性校正，得到更为精确的测量值； (五) 数据解析：控制模块通过读取的TEDS信息，解析存储在TEDS信息中传感器的灵敏 度、零点漂移等信息，对非线性校正中的动态性能校正后的数字信号进行运算，最终将TEDS 传感器输出的测量值标定到合理的工程单位。
4. 根据权利要求3所述的基于TEDS传感器和矩阵开关技术的智能测试系统的测试方 法，其特征在于：所述步骤(五)之后还有步骤(六)信息后处理：控制模块将校正后的数据进 行分析、处理，并将结果进行显示，同时存储。
5. 根据权利要求3或4所述的基于TEDS传感器和矩阵开关技术的智能测试系统的测 试方法，其特征在于：所述步骤(一）中读取到的TEDS传感器的TEDS信息包括基本TEDS信 息和标准TEDS信息，所述基本TEDS信息包括TEDS传感器的制造商、型号、序列号等识别参 数；标准TEDS信息包括识别参数、设备参数、标定参数，以及应用参数。
6. 根据权利要求3或4所述的基于TEDS传感器和矩阵开关技术的智能测试系统，其特 征在于：所述步骤（四）中对数据的非线性校正包括传感器静态性能的校正与传感器动态性 能的校正。
7. 根据权利要求5所述的基于TEDS传感器和矩阵开关技术的智能测试系统，其特征在 于：所述步骤（四）中对数据的非线性校正包括传感器静态性能的校正与传感器动态性能的 校正。
【文档编号】G01D3/028GK104501854SQ201410733474
【公开日】2015年4月8日 申请日期:2014年12月5日 优先权日:2014年12月5日
【发明者】邓士杰, 唐力伟, 于贵波, 丁超, 苏续军, 张礼学, 张林锐 申请人:中国人民解放军军械工程学院