一种高精度低成本的电子测量系统的制作方法

文档序号:10440361
一种高精度低成本的电子测量系统的制作方法
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及一种通过将尽可能多的测量信号调理工作从硬件电路转移到智能移动设备上的软件计算来提高精度降低成本的电子测量系统。
【背景技术】
[0002]众所周知,传感器的输出值与输入值的比值并非直线。所以往往需要用实际输出值与拟合直线的对比来确定传感器的静态线性度。此外,传感器还需要通过校准数据来保证精度。然而因为成本和生产效率限制,传感器在生产过程中难以精确测定其本身的特性曲线,只能在保证同批次传感器的精度在所需范围内的前提下,以所有产品的通用数据加以校准。单个传感器的精度因此受群体平均校准数值的限制。
[0003]此外,由于传感器输出值和测量值的比值并非直线,传感器在满量程范围内各点的分辨率并不相同,因此常用满量程中能使输出量产生阶跃变化的输入量中的最大变化值作为衡量分辨率的指标。这也是当前传感器生产中因成本和生产率限制,而使得每个传感器的分辨率受到群体平均数值限制的原因。同理,批量生产的传感器,其标称的线性度、灵敏度、迟滞、零点漂移、灵敏度温度漂移等参数的提高也因此受限。
[0004]因此,为了提高传感器的测量精度,产生了差动技术、零示法微差法和闭环技术、平均技术、分段与细分技术、解耦技术、补偿与校正技术等等一系列技术解决方案。上述用于提高精度的技术中,大部分技术只能用于特定领域或特定的传感器种类,补偿与校正技术通用性虽然较强,然而补偿和校正电路设计复杂,成本较高,而软件补偿校正需要高性能单片机或计算机的运算能力支持。
[0005]就算能解决传感器本身的精度问题,信号调理电路带来的误差也是不可忽视的。比如信号放大器的设计通常需要给定:I输入信号、2输出信号幅值、3总增益、4工作频带、5非线性失真、6环境温度、7输入阻抗、8输入噪声、9电源电压等等条件参数。然而在实际设计中,很难兼顾或者测量得到全部所需数据。这就从源头上限制了放大电路的精度,即便采用高性能的集成运算放大器也无法解决上面的问题。同样道理,滤波电路和集成有源滤波器虽然能滤除噪声信号,但对于所需信号也会带来测量系统测量精度下降。采样保持电路、模拟开关、A/D转换、V/F转换电路之类亦同。与此同时,对于测量仪器设备来说,因为各个部件和功能模块各自的误差会和各种其他的随机误差一起积累成为系统误差,而且测量系统中必然会存在未定系统误差和随机误差,从而累积成一个较大的系统误差。因此,花费较大成本提高传感器本身的精度,或者某个功能电路模块的精度,对提高系统精度来说效果并不明显,更不经济。
[0006]为部分解决上述问题,美国宇航局1978年开发出智能传感器(Intel IigentSensor),是将传感器和计算机一体化的多功能灵巧型传感器系统。当前的智能化传感器已经实现了微型化、结构一体化、阵列式和数字式等目标,具有自诊断功能、记忆与信息处理功能、数据存储功能、多参量测量功能、联网通行功能、逻辑思维以及判断功能。在此基础上又发展出了功能更强和更全面的虚拟仪器技术。现有大部分智能传感器与虚拟仪器一样依赖外接的计算机或专用单片机进行数据处理,少数集成智能传感器主要集中于图像传感器。典型的智能仪器遵循IEE1451标准进行开发,一般需要两块高性能MCU和若干块MCP2510、PCA82C250T等辅助芯片分别组成“智能变送器模块”(STM)和“网络适配器模块”(NCAP)对传感器获得的信号进行基本的调理和传输。智能传感器和虚拟仪器一样,虽然精度较高,但使用成本和技术门槛过高,电路开发难度较大,且需要行业专家进行编程操作,所以主要用于实验室,医疗和科研领域,难以在日常设备中普及。
[0007]因此,在实际生产中,许多对精度有严格要求的测量产品或设备,一旦成本和体积等条件受限,就难以保证较高的测量精度。典型的例子是国产血糖仪的国标GB/T 19634-2005,其合格产品的要求只是要求95%的测试数据结果落在偏差±20%以内。对于血糖数值来说,土 20 %误差区间,意味着两次独立检测如果稍稍接近上下极限偏差,则检测结果足以跨越无糖尿病、轻度糖尿病(空腹血糖7.0?8.4mmoi/L)到中度糖尿病(空腹血糖8.4?
11.lmmoi/L)之间的数值区间。还有5%的检测结果可以成为毫无参考价值但很可能对用户引起误导的粗大误差一一因为没有专业知识,普通用户在单次测量中根本无法用经验和专业知识排除5%的错误测量值的影响。这导致了大部分国产血糖仪只能用于某个固定糖尿病患者日常血糖波动量(如一段时期内血糖有无快速上升)的定性检测,完全无法替代医院的血糖生化检测,极大限制了国产家用型血糖仪的医疗诊断价值和市场前景。同样情况也发生在家用电子血压计、采用生物电阻抗法的体脂测量仪、家用心率仪等大量电子检测产品上。
[0008]值得一提的是,当前已有的传统虚拟仪器是一种利用计算机强大的计算能力和丰富的软硬件资源组织而成的仪器系统。更详细地说,现有的虚拟仪器能够通过一台计算机上配备专门的应用软件和专用硬件(如插入式板卡等),来完成传统仪器的功能。现有的虚拟仪器由I/o接口设备进行信号的采集、测量和调理,利用计算机显示器模拟传统仪器的控制面板,由用户设计虚拟面板,以多种形式表达输出检测结果,并利用计算机强大的软件功能实现信号的分析、运算和处理一一这部分功能传统电子仪器往往用模拟放大、滤波电路和单片机来实现,从而使计算机具有各种测试功能。此类虚拟仪器的功能极为强大,配合Nat1nal Instrument公司的LabVIEW软件和数据采集设备可以替代绝大部分传统电子仪器。但传统虚拟仪器因为需要兼容如RS485等大量专业仪表通讯标准,只能通过包含大量不同接口的插入式板卡与计算机进行通讯,所以其体积较大,非常不便于携带和移动测量所用。且传统虚拟仪器系统为满足几乎万能的通用性和科研测量级别的精度要求,成本十分昂贵,并为提高虚拟系统的测量和功能范围有需要用户对虚拟面板和用户界面进行二次开发的问题,对用户需要有极高的专业知识要求,从而阻碍了虚拟仪器在非专业领域的应用。
[0009]当前智能手机等智能移动设备处理器的性能和功能正在快速提高,智能移动设备的操作系统和编程环境日趋完善,所以智能移动设备的性能和软件环境已经可以满足绝大部分虚拟仪器所需,且有便于携带、成本较低等优势。如能实现通过由智能移动设备的计算能力替代相对更加庞大和昂贵的个人电脑和工作站的效果,并简化通讯和数据传输系统,可有效降低使用成本,简化操作以便于满足中低端市场领域中各种高精度低成本测量所需。当前有很多利用智能移动设备作为测量系统I / O部分的专利,如专利CN201510301587.4、专利 CN20152369193.8和专利CN201510276162.2等,均保留有完整的测量和计算电路,仅将智能移动设备作为附加的“易用型输入-输出界面”、更大容量的移动数据储存设备和连接因特网的扩展功能模块。然而此时,智能移动设备只起到功能扩展效果,测量设备本身依然需要依赖单片机或工控电脑(依测量种类和难度不同进行选择)处理核心测量数据,并没有革命性的变化。这是因为,希望
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