电子肺活量测试仪的流量校准方法与流程

本发明涉及气体流量校准方法(g01f25/00)，尤其涉及电子肺活量测试仪的流量校准方法。

背景技术：

肺活量是指人体一次最大吸气后呼出的气体量，用来表示肺一次最大的机能通气量，是反映人体生长发育水平的主要指标之一。肺活量测试仪或肺活量计，一般是指用于测量肺活量的仪器。根据测试原理的不同，主要有容积测定型肺活量计和流速测定型肺活量计两大类。

压差式肺活量计是通过检测流经节流阀的气体的压力变化来计算流量的[1]。当连续流体在管道内运动，流经管道内部的节流装置时，其流束会在节流装置孔径处形成局部的缩径状态。缩径迫使流体的流速增大，静压快速降低。这种工况就会在节流装置上端和下端产生压降。流动介质的相对流速越大，那么在节流装置的上下游也会产生更大的压差。因此，可通过节流测量装置的压差，经一定转换来相对地衡量流经节流装置内流体流量的大小，这就是利用节流装置来具体测定管道内连续流动介质流量的基本原理。

当前国内电子式肺活量计的性能不高，有一部分原因是由于没有使用高性能的元器件，也有一部分原因是由于算法和硬件结构上的缺陷，本设计将在硬件和软件上进行深入研究，提高电子肺活量测试仪测量精度。

专利文献cn101099078a公开的实施例，提供了一种气体流量试验台(200)。所述气体流量试验台(200)包括称重装置(210)和被放置在所述称重装置(210)上的进行测试的计量表(203)。所述气体流量试验台(200)进一步包括被放置在所述称重装置(210)上的气体源(201)和将所述气体源(201)与所述进行测试的计量表(203)连接起来的导管(205)。所述称重装置(210)产生了所述进行测试的计量表(203)、所述气体源(201)和所述导管(205)的重量测量值。

专利文献cn100405028c公开一种气体测试系统(300)，其包括流动回路(302)、鼓风机系统(304)、温度控制系统(306)、标准仪表系统(308)和测试单元(uut)系统(310)。uut系统连接测试单元(uut)与流动回路。鼓风机系统在入口(321)处接收加压气体，产生流出出口(322)的高流速气体，同时在入口到出口间产生低的压力升。温度控制系统接收来自鼓风机系统的气体流，并控制气体的温度。标准仪表系统和uut系统中的uut测量循环通过流动回路中的气体的性质。标准仪表系统的测量结果可与uut的测量结果进行比较以校准uut。

专利文献cn107421608a公开一种气体流量计的系统校准方法，属于冶金、化工企业能源气体计量技术领域。利用企业现有的能源介质管网、储罐气容及相关计量设备资源，对在线气体流量计进行校准，修正流量计量的系统误差。涉及企业能源气体主管道、给管网供气二位阀、储罐气容、储罐气容标准压力表、输气减压阀组、被校准气体流量计温度补正表、被校准气体流量计压力补正表、被校准气体流量计一次差压表、被校准气体流量计二次流量累积器、用户截止阀等设备。该方法能有效克服节流装置设计、安装环节的误差，对能源气体在线计量的系统误差进行量化并修正，确保计量数据准确可靠。

上述气体流量校准的校准技术方案并不适合电子肺活量测试仪，尤其是便携式的电子肺活量测试仪。

专利文献cn104239739a公开雷电流幅值概率分布函数在计算雷击跳闸率都与实际雷电流幅值概率分布有一定偏差，为了改善该情况，本发明公开了一种雷电流幅值概率分布函数的分段拟合方法，该方法采用数值分析的方法来分段拟合雷电流幅值概率分布函数，并进行连续性修正，这样得到的雷电流幅值概率分布函数曲线与实际雷电流幅值概率曲线的相关性最强。众所周知，雷电流幅值概率分布函数是计算输电线路雷击跳闸率的重要计算参数，其取值的准确性直接影响到雷击跳闸率的计算结果的准确性。所以通过本发明公开的拟合方法，可以得到更为准确的雷击跳闸率，为电力运行部门划定区域电网防雷薄弱区提供运行参考。

专利文献cn104008387b公开一种基于特征点分段线性拟合的车道线检测方法，主要包括以下步骤：进行图像读取；对读取的图像进行感兴趣区域读取；对提取的感兴趣区域图像进行边缘提取；对感兴趣道路边缘图像二值化；对二值化后的边缘图像提取特征点，得到候选特征点向量集合；对候选特征点向量集合进行滤波，得到滤波后的特征点向量；对滤波后的特征点向量采用最小二乘法进行分段线性拟合，得到候选车道线方程；识别车道线方程；根据视频帧的特点，对已识别出的车道线进行跟踪，输出最终的车道线。该方法能有效检测出道路的车道线，具有良好的抗干扰能力和容错性，同时该方法运算量小，实现简单，实用性较强。

专利文献cn105116361a公开一种基于多项式插值和多项式函数分段拟合的电流互感器稳态误差的精确计算方法，具体表现为进行短路电流越限情况下的电流互感器稳态误差分析计算。本发明用多项式插值和多项式函数综合解析表达式拟合伏安特性曲线，可以计算出当流过电流互感器安装位置一次侧最大短路电流，特别是越限短路电流时的稳态误差值和电流互感器10％误差时的最大允许负载和10％误差曲线，不仅可以判断出电流互感器是否超出10％误差，还可以准确计算出误差值多少，用于判断对保护的影响等。经过与多组实测数据验证，能够较好拟合实测数据，计算结果准确，具有实际应用性。

由此可知分段拟合的数学方法能够广泛应用于不同的技术领域，实现不同技术效果。

本发明所要求解决的技术问题是低成本地提高电子肺活量测试仪的测量精度。

技术实现要素：

为了克服现有技术的不足，本发明的目的之一在于低成本地提高电子肺活量测试仪的测量精度。

本发明的目的之二在于按不改变电子肺活量测试仪的物理结构的方式提高电子肺活量测试仪的测量精度。

为此，本发明提出电子肺活量测试仪的流量校准方法，其中，所述电子肺活量测试仪包括壳体组件、吹气组件、压差传感器、和电子控制装置；

所述吹气组件、所述压差传感器、和所述电子控制装置被安装在所述壳体组件的内空腔中；

所述压差传感器与所述电子控制装置电连接；

所述吹气组件包括吹气管，所述吹气管包括节流装置，所述节流装置具有节流孔；

所述压差传感器被安置成能够测量所述节流孔的上游和下游之间的气体流动的压力差，并且，所述压差传感器能够将所述气体压力差转换成压差模拟信号，并将所述压差模拟信号传输给所述电子控制装置；

所述电子控制装置包括肺活量主控板，所述肺活量主控板包括主控电路、存储模块和流量测量电路，其中，所述存储模块能够存储数据信息和功能程序模块，所述流量测量电路能够缓冲及隔离电压信号，所述主控电路能够将经由所述流量测量电路传输过来的所述压差传感器采集的压差模拟信号转换成压差数字信号，并且能够将所述压差数字信号保存到所述存储模块中；

其特征在于：所述流量校准方法包括以下步骤：

步骤s101：获取气体流量基础数据，所述气体流量基础数据包括平均压差和平均流量其包括以下子步骤：

标定零点子步骤s101a：建立所述压差传感器与所述主控电路之间的通信，标定所述压差传感器的零点；

数据采样子步骤s101b：使用定量标准气泵，在开始时刻tbegin，向所述电子肺活量测试仪的吹气管按吹气速度v均匀吹气，并保证吹气压力连续且一致，直至所述定量标准气泵中的气体用尽，并检测到吹气结束时刻tend，其中，所述定量标准气泵的气体容量为l；采样频率为每秒k次，其中，k>1；连续获取压差值δpi，并计算出最终的压差平均值计算总的采样次数n，从而计算平均流量

n＝(tend-tbegin)×k

数据发送子步骤s101c：所述主控电路把计算出的压差平均值和平均流量发送至压差-流量数据表中；

循环采样子步骤s101d：更改所述定量标准气泵的吹气速度v，重复子步骤s101b和s101c；

数据保存子步骤s101e：保存所述压差-流量数据表中的压差平均值和平均流量数据纪录；

步骤s102：使用分段函数拟合的数学方法，将上述压差-流量数据表中的离散数据拟合出若干个函数关系式其中，i＝1,2,3,…,n，n>＝2，为正整数；

步骤s103：将所述函数关系式保存到所述肺活量主控板的存储模块的压差-流量函数程序模块中。

相比现有技术，本发明的有益效果在于：低成本地提高电子肺活量测试仪的测量精度。

附图说明

图1为本发明的电子肺活量测试仪的优选实施方式的爆炸示意图；

图2为图1的电子肺活量测试仪的一平面示意图；

图3为图2的电子肺活量测试仪的b-b截面示意图；

图4为图1的电子肺活量测试仪的另一平面示意图；

图5为图4的电子肺活量测试仪的a-a截面示意图；

图6为图1的电子肺活量测试仪的吹气管7的主视图；

图7为图1的电子肺活量测试仪的吹气管7的俯视图；

图8为图1的电子肺活量测试仪的吹气管7的左视图；

图9为图1的电子肺活量测试仪的吹气管7的节流装置的原理示意图；

图10示出节流原理图；

图11示出某一工况流量计算公式；

图12示出肺活量基础数据打印到oled显示屏；

图13示出肺活量基础数据发送到电脑串口助手并用表格处理；

图14示出对整个离散集合进行四次函数拟合；

图15示出对第一分段四次函数拟合；

图16示出对第二分段进行三次函数拟合；

图17示出对第三分段进行三次函数拟合。

图18为图1的电子肺活量测试仪的肺活量主控板的电路原理图；

图中：

1扬声器

10左半壳体

11第一密封圈

12铝圈

13第二密封圈

14贴膜

15第二螺钉

16固定件

17出气管段

18进气管段

19节流管段

2电子控制装置

20节流孔

3显示屏面盖

4右半壳体

5第一螺钉

6压差传感器

7吹气管

8吹气管头

9吹气嘴

具体实施方式

在下文中，结合附图以及具体实施方式，对本发明做进一步描述，需要说明的是，在技术内容没有逻辑矛盾或错误的前提下，下文中描述的各实施例之间或各技术特征之间可以任意组合形成新的实施例。

首先从电子肺活量测试仪的工作原理来找到改进测量精度的设计思路。

从电子肺活量测试仪的检测对象上考虑，肺活量计可以归于气体流量计的范围，确切的说是可压缩气体的流量测量范畴。在工程上属于流速测量范畴，流速单位有kg/h、m³/h、ml/s、kg/s、m³/s等等。定义在某一时间段内流经截面的流体的量的总和称为总量或累计流量，其单位为ml、kg、l、m³等等。流量仪表一般是指流量转换器、指示或显示器等的装置的总称。电子肺活量测试仪的设计难点在于人体呼气特性所具有的复杂性，人呼出的气流动态变化范围很大，一次吹气的瞬间速度可从几毫升每秒到几升每秒，所以压差变化范围也很大，一次吹气的气体温湿度范围也有很大变化。相对于工业阀门流量计、天然气流量计，肺活量计所要适应的气流情况要复杂很多。

节流法的测量原理和流量方程

节流装置作为流量计中最重要的一种检测方式，主要分为标准节流装置和非标节流装置两类。标准节流装置有：标准孔板，标准喷嘴，长颈喷嘴，经典文丘里管和文丘里喷嘴；非标准节流装置有：环形孔板，四分之一圆喷嘴，四分之一圆孔板，锥形入口孔板，圆缺孔板，偏心孔板，双重孔板，低压损流量管，矩形文丘里管，v型锥流量计，楔形流量计，内藏孔板，限流孔板等。

连续流体介质在管道中运动的过程中，流经管道内预置的节流装置时，其流束将会在节流装置处形成局部的缩径状态。从而使流体介质的流速增大，静压相对降低。此工况会在节流装置例如孔板的上端和下端产生压降，即压差。流动介质的流量相对越大，那么在节流装置上下游所产生的压差也会越大。

因此，可通过节流测量装置的压差，经一定转换来相对地衡量流经节流装置内流体流量的大小，这就是利用节流装置来具体测定管道内连续流动介质流量的基本原理。

由于此原理源于伯努利定理，由此得到的流量方程称为伯努利方程。

注：伯努利方程仅适用于理想流体，即不可压缩流体，在本设计中将不采用。

图10示出节流装置原理图。

用质量流量qm表示的流量方程为

式中：c为流出系数；β为装置的开孔直径比，β＝d/d；d为装置的开孔直径；d为管道内径；ε1为装置的上游被测流体膨胀系数；ρ1为装置上游被测流体密度；δp为一次装置上游取压口气压p1和下游取压口气压p2之差，δp＝p1-p2。

流量方程也可表示为

式中ε2、ρ2分别是一次装置下游被测流体的膨胀系数和密度。

流量特性分析

伯努利方程需要根据实际工程应用进行参数调整，如图11某一工况流量计算公式，伯努利方程仅适用于不可压缩流体，人呼出的气流动态变化范围很大，可从几毫升每秒到几升每秒，压差变化范围也很大，压强高于某个值或过板孔气流速度大于某个值时，原来的方程不再适用。

由于气体的可压缩性，即便是在差压相对稳定的时候，流过节流阀的实际气体流量或质量流量还是会发生变化。按照伯努利方程计算，压力较大时，总流量的实际值要比测量值偏高。

由于温度湿度等影响，我们无法准确得知人呼出气体每个时刻的气体密度。由于缺乏压强基准我们也无法准确得知采压点的实际压强。通过压差传感器只能得到和压差正相关的转换数据，而且即使压差数据和流量的关系有着某一特定函数关系，由于装置存在的非线性扰动，压差信号和流量的关系变得更加不确定。

每次压差值的不确定性导致流量的不确定性，由以上分析可知压差信号与流量不能只用伯努利方程计算。所以现在问题的关键是确定气流在通过节流装置时，每个瞬间的产生的压差信号与流量的对应关系。这也是本发明主要解决的问题。

图11示出某一工况流量计算公式。

工程方法的设计和实现

为了确定气流在通过节流装置时，每个瞬间的产生的压差信号与流量的对应关系，我们需要一个气流量输出速度可变但气体总量不变的“恒气流源”，即每次测试的时候采用恒流电源驱动电机推动气泵，使气泵以某一速度吹气。然后更改打气速度(气压)重复测试。最终由不同吹气情况下得到压差信号和流量的离散对应点。

为了保证气泵打气速度恒定，我们需要一个带编码器的高速闭环伺服电动推杆电机，最终选择采用东方马达ezhp6c-20m：冲程200mm；推力400n；速度0-200mm/s；带驱动器和编码器；带刹车和电磁制动。

为了保证每次打气气体总量不变，尽量大于1l，打气泵采用1l标准容器，这样就能确定打气气体总量以做标准。

注意：原数据可靠性决定拟合函数的分段点，也了决定函数阶数，并影响最终拟合结果的准确性。

数学模型的选择

由于人呼出的气流动态变化范围很大，传统算法无法在全量程内得到精确的对应关系，难免造成一定的测量误差。比如普遍存在的“小流速误差偏大，大流速误差偏小”的规律。也会加剧测量误差。在此提出两种方案并采取方案二实施设计。

方案一：伯努利方程根据实际工程应用进行参数调整。

由于气体的可压缩性，即使在差压稳定时，流过调节阀口的实际气体流量(质量流量)仍会发生变化。这是差压调节方式存在的固有缺陷，其调节阀位开度并不一定同气体流量成比例，阀位开度输出信号也不能准确代表气体流量。

根据伯努利公式传统的流速算法为：

但考虑到气体的压缩比，流量公式变成需要引入补偿参数：

qn＝k·δp^q

每次测试的时候采用恒流电源驱动电机推动气泵，使气泵以某一力矩或者速度吹气。由于气体的可压缩性，用传统算法会导致积分测量结果偏小，压力越大偏差越大，测量结果越小。猜测实际压差信号与流量关系依旧符合多项式函数关系。在此引入参数q，其中，修正由压差δp导致的偏差，δp越大气体压缩大，积分结果小，补偿参数q必须越大，δp-q关系为正关系，但我们引入的参数都没有绝对参照，且未知参数相互影响，故工程难以实现，只能通过尝试不同组合进行校准，效率过低且精度不足。

方案二：采用高次多项式函数拟合压差—流量函数关系，或采用分段拟合

由于气体的可压缩性，可知道压差—流量实际函数在低压段曲率较大，高压段流量会偏高。信号和流量的离散对应点可使用最小二乘法拟合，并且考虑到实际函数的曲率可能在某个压差段的时候较大，我们可以采用分段拟合的方法，这样也可以降低高次多项式函数阶数，提高程序运算效率和精度。

肺活量基础数据的获取和拟合处理

(1)建立传感器通信，获取ad数据并滤波，获得ad零点calibratedzero。

可以理解的是，默认δp即为ad，因为两者成正比。

(2)设置阀值，使用1升气泵均匀吹气，尽量保证压力连续且一致，采样频率为2000hz，连续获取ad值并计算出最终的ad平均值，计算总的ad采样次数n从而计算每次的流量(即平均流量)。

其中l取10000000000，l＝1000ml＝10000000000×10^-7ml。

单位采用10^-7ml，即千万分之一毫升。

阀值就是灵敏度，就是所述压差传感器能够感知的最小压力变化，例如，零点标定值为400，吹气压力差微小变化δpmin，所述压差传感器测量值为410，那么，测量阀值就是10，也就是说，只有压力差的变化大小δpmin，才能被检测到。

(3)stm32把计算出的压差平均值和平均流量串口发送两个数据一组。

可以理解的是，同一工况测量多组，获取多组后检查数据稳定性，必要时更改硬件配置。若数据稳定则可行，n、比较稳定，则用多组确定1组。

(4)更改泵的速度，根据吹气速度确定分辨率，重复步骤2和3。若吹气速度变化范围为10毫升每秒到2升每秒，泵的速度分辨率达到200，为减少数据的组数，泵的变化分辨率达到200即可。优选的是，每个吹气速度重复测量10次，并取平均值，得到200组而最终泵次数为2000次。

获取基础数据的核心代码如下，当压差大于阀值时，以下部分每秒执行2000次。

if((dev_ad_value_ave>＝10))

{

test_time_act_1ms++；state_test＝1；

ad_value_ave_dat1＝(ad_value_ave_buf[1]+ad_value_ave[1])/2；

pul_capacity_per＝ad_value_ave_dat1；

pul_capacity_sum+＝pul_capacity_per；

pul_capacity_sum_buf＝pul_capacity_sum；

}

检测到吹气结束后，在主函数中进行计算，计算方法如下：

perad＝pul_capacity_sum_buf/test_time_act_1ms；

perq＝10000000000/test_time_act_1ms；//流量单位加大精度,即单位改为10^-7ml.

在主函数中将肺活量基础数据通过串口发送到电脑并显示在oled上。

图12示出肺活量基础数据输出到电子肺活量测试仪的本机oled显示屏。

图13示出肺活量基础数据发送到电脑串口助手并用表格处理。

肺活量基础数据的样本列举如下：

(5)拟合出函数关系式

如上数据表格，根据肺活量基础数据分析，数据不适合整体拟合，根据曲率，将压差流量离散集分为三段进行拟合。第一段为ad零点到ad＝700，采用四次函数拟合；第二段为ad＝700到ad＝1100，采用三次函数拟合；第三段为ad＝1100以上，采用三次函数拟合。

图14示出对整个离散集合进行四次函数拟合。

图15示出对第一分段四次函数拟合。

图16示出对第二分段进行三次函数拟合。

图17示出对第三分段进行三次函数拟合。

使用matlab的curvefittingtool进行拟合，拟合结果如下：

x<＝700时，

generalmodel:f(x)＝a+b*x+c*x^2+d*x^3+e*x^4

coefficients(with95％confidencebounds):

a＝-4.157e+07(-9.984e+09,9.901e+09)

b＝2.517e+05(-7.086e+07,7.137e+07)

c＝-564.9(-1.885e+05,1.874e+05)

d＝0.5732(-217.5,218.6)

e＝-0.0002189(-0.09409,0.09365)

goodnessoffit:

sse:2.177e+15

r-square:-522.4

adjustedr-square:-545.7

rmse:4.918e+06

x<＝1100时，

generalmodel:f(x)＝a+b*x+c*x^2+d*x^3coefficients(with95％confidencebounds):

a＝-1.655e+06(-1.894e+06,-1.417e+06)

b＝7799(6986,8612)

c＝-5.085(-6,-4.17)

d＝0.00146(0.00112,0.0018)

goodnessoffit:

sse:1.609e+09

r-square:0.9999

adjustedr-square:0.9999

rmse:2973

x>1100时，

generalmodel:f(x)＝a+b*x+c*x^2+d*x^3coefficients(with95％confidencebounds):

a＝4.082e+05(-1.199e+31,1.199e+31)

b＝2508(-1.892e+28,1.892e+28)

c＝-0.418(-9.253e+24,9.253e+24)

d＝3.866e-05(-1.423e+21,1.423e+21)

goodnessoffit:

sse:1.865e+62

r-square:-2.792e+48

adjustedr-square:-2.908e+48

rmse:1.609e+30

最终得到三个拟合函数qn＝f1(δp)、qn＝f2(δp)、qn＝f3(δp)并代入原来的代码即可，pul_capacity_sum将从原来的压差总和变成肺活量总和，注意修改单位即可。如下所示，pul_capacity_sum即为肺活量值，单位ml。

if((dev_ad_value_ave>＝10))

{

test_time_act_1ms++；state_test＝1；

ad_value_ave_dat1＝(ad_value_ave_buf[1]+ad_value_ave[1])/2；

if(ad_value_ave_dat1<＝700)

pul_capacity_per＝f1(ad_value_ave_dat1)/10000000；

elseif(ad_value_ave_dat1<＝1100)

pul_capacity_per＝f2(ad_value_ave_dat1)/10000000；

else

pul_capacity_per＝f3(ad_value_ave_dat1)/10000000；

pul_capacity_sum+＝pul_capacity_per；

pul_capacity_sum_buf＝pul_capacity_sum；

}

批量生产的校准方法

分析同批次硬件的差异性，包括电路板、传感器、节流装置等。经过对比测试，不同板子影响较小，对ad零点产生约0.25％波动。前三大影响因素为:节流装置结构、传感器零漂、传感器灵敏度。

(1)获取传感器ad数据零点δpnewzero。若同批次原点偏差过大则传感器不可用。

(2)拟合函数跟随零点偏移：

(3)根据分段拟合结果对三段拟合函数进行校准，需要1000ml标准打气泵打气体三次，每次平均压差应接近三个压差分段的中点，得到三个肺活量值并计算出ξ值，即ξ1＝1000/sum1，ξ2＝1000/sum2，ξ3＝1000/sum3，将三个拟合函数再乘以相应的ξ值即可：

基于上述设计思想，根据本发明的电子肺活量测试仪的流量校准方法的一优选实施方式，电子肺活量测试仪的流量校准方法用于校准电子肺活量测试仪用到的压差-流量函数，其中，所述电子肺活量测试仪用于测量人体的肺活量，所述电子肺活量测试仪包括壳体组件、吹气组件、压差传感器、和电子控制装置。可以理解的是，如图1所示，所述壳体组件例如可以由两个对半壳体4、11组成，所述对半壳体4、11可由塑料材料模制而成。所述两个对半壳体4、11组合形成内部空腔。可选地，所述壳体组件由头部构件和握柄构件组成，其中，所述头部构件的空腔用于安装所述电子控制装置，所述握柄构件的空腔用于安装吹气组件和压差传感器，所述头部构件和所述握柄构件例如通过螺栓-螺母等机械连接方式连接在一起。所述电子肺活量测试仪还包括扬声器1、显示屏面盖3、第一螺钉5、第一密封圈11、铝圈12、第二密封圈13、贴膜14、和第二螺钉15。

参照图1、4、5，所述吹气组件、所述压差传感器6、和所述电子控制装置2被安装在所述壳体组件的内空腔中。

所述压差传感器6与所述电子控制装置2电连接。可以理解的是，所述压差传感器6通过导电线与所述电子控制装置2电连接，这里的电连接包括两个方面：电力能源连接，所述压差传感器6经由所述电子控制装置2的充电和配电电路获取电力能源；信息数据连接，所述压差传感器6采集的信息数据经由所述电连接传输到所述电子控制装置2。

参照图1、5，所述吹气组件包括吹气管7，所述吹气管7包括节流装置，所述节流装置具有节流孔。可以理解的是，如图1所示，所述吹气组件还包括吹气管头8和吹气嘴9。如图6所示，所述吹气管7还包括固定件16，用于将所述吹气管7固定到所述壳体组件上，所述节流装置还包括进气管段、节流管段、和出气管段，其中，所述节流管段具有节流孔。

参照图1，所述压差传感器6被安置成能够测量所述节流孔的上游和下游之间的气体流动的压力差，并且，所述压差传感器能够将所述气体压力差转换成压差模拟信号，并将所述压差模拟信号传输给所述电子控制装置2。优选地，所述压差传感器采用sensepa的spra系列，型号spa002d。

所述电子控制装置2包括肺活量主控板，所述肺活量主控板包括主控电路、存储模块和流量测量电路，其中，所述存储模块能够存储数据信息和功能程序模块，所述流量测量电路能够缓冲及隔离电压信号，所述主控电路能够将经由所述流量测量电路传输过来的所述压差传感器采集的压差模拟信号转换成压差数字信号，并且能够将所述压差数字信号保存到所述存储模块中。优选地，所述电子控制装置还包括rfid读卡器。如下文所述，所述肺活量主控板还包括串口通信接口电路、显示屏模块、2.4g通信模块接口电路、语音模块、按键模块、充电和配电电路、和开关机和电池检测电路等。所述主控电路还包括微控制器或微处理器cpu，例如st公司的stm32f103r8t6，可以运行功能强大的嵌入式操作系统。可以理解的是，本领域技术人员基于现有技术能够实现所述主控电路、所述存储模块和所述流量测量电路之间的电路连接关系，这里不再详述。

参照图6-8，根据本发明的电子肺活量测试仪的另一优选实施方式所述节流装置是板孔式节流装置。板孔式节流装置结构简单，制造方便，成本合理。

如图6和7所示，所述板孔式节流装置包括进气管段18、节流管段19、和出气管段17，其中，

所述进气管段具有直径一致的第一管腔，所述出气管段具有直径一致的第二管腔，所述节流管段包括圆锥形的第三管腔，所述第三管腔的直径较大的一端与所述进气管段相连，所述第三管腔的直径较小的一端与所述出气管段相连，所述节流管段形成所述节流装置，如图8所法，所述节流装置的节流孔20在所述节流管段和所述出气管段交接处形成；

所述第二管腔的直径大于或等于所述第一管腔的直径，所述节流孔的直径小于所述第一管腔的直径。

优选地，所述压差传感器的采压点a位于所述进气管段的长度上的黄金分割点处，从进气口侧起算；所述压差传感器的采压点b位于所述出气管段的长度上的黄金分割点处，从出气口侧起算。

可选地，所述压差传感器的采压点a位于所述进气管段的长度上的中点处，从进气口侧起算；所述压差传感器的采压点b位于所述出气管段的长度上的中点处，从出气口侧起算。

图9示出节流装置的原理示意图，节流装置主要有2个设计原则：

1尽量保持各点的气流稳定，尽量减少紊流。

2符合实际应用和生成要求。

基于这两个原则：如图3所示，采压点a和进气口c应有一定的距离l1，不能太接近，不然吹气气流的波动得不到缓冲，对采压点产生a产生干扰，当然也不能太远，否侧会导致采压的时延过大；同时，采压点a距离节流孔的距离l3过于接近会导致采压值过低。采压点b应尽量靠近节流孔出气端，但不可正面阻挡节流孔气流。出气口d和节流孔应有一定的距离l4，l4太小会导致节流孔气流速度释放过快，影响b点采用，并且容易受到外界气流干扰。l4太长则会导致节流孔气流速度释放太慢，并导致采压时延过大和采压值偏大。节流孔直径过小会导致人吹气的时候阻力太大，节流孔直径过大又会导致压差变化不明显，测量的灵敏度和精度下降。

更为详细的电子肺活量测试仪的描述请参见本申请人的另一份专利申请，其发明创造名称为“电子肺活量测试仪及基于物联网的肺活量测试系统”，这里不再详述，若需要，其全部技术内容可通过援引加入本发明中。

基于本发明的上述设计思想，所述流量校准方法包括以下步骤：

步骤s101：获取气体流量基础数据，所述气体流量基础数据包括平均压差和平均流量其包括以下子步骤：

标定零点子步骤s101a：建立所述压差传感器6与所述主控电路之间的通信，标定所述压差传感器6的零点。可以理解的是，本领域技术人员根据图18能够实现所述压差传感器6与所述主控电路之间的信息通信和电力供应。所述压差传感器6的零点是指在所述节流装置中没有气流通过压差为零时所述压差传感器6产生的测量信号的数据值。例如，没有吹气前，所述压差传感器6产生的测量信号经所述主控电路进行模数转换ad后的数据值是400，那么，所述压差传感器6的零点标定值为400，之后每个测量数据都需要减去此零点标定值。

数据采样子步骤s101b：使用定量标准气泵，在开始时刻tbegin，向所述电子肺活量测试仪的吹气管7按吹气速度v均匀吹气，并保证吹气压力连续且一致，直至所述定量标准气泵中的气体用尽，并检测到吹气结束时刻tend，其中，所述定量标准气泵的气体容量为l；采样频率为每秒k次，其中，k>1；连续获取压差值δpi，并计算出最终的压差平均值计算总的采样次数n，从而计算平均流量

n＝(tend-tbegin)×k

可以理解的是，吹气开始时刻tbegin的确定可以是这样：在连续采集的数据值等零点标定值例如400后，下一个时刻的采集的数据值大于400，例如是410，那么这一时刻就是吹气开始时刻tbegin。同理，吹气结束时刻tend可以这样确定：当采集的数据值渐次减少至零点标定值附近例如410后，连续保持采集的数据值为400，这表明吹气结束，那么采集的数据值410对应的时刻，就是吹气结束时刻tend。因此，阀值在这里设置为(410-400)＝10。

如上文举例，l＝1升＝1000ml＝10000000000×10^-7ml，k＝2000，若吹气持续时长(tend-tbegin)＝2秒，则

n＝2×2000＝4000

在实际测量中，并不需要知道(tend-tbegin)，而是如上文的获取基础数据的核心代码所描述，当压差dev_ad_value_ave大于阀值例如10时，就开始采样。检测到吹气结束即压差dev_ad_value_ave小于阀值例如10后，停止采样，而采样次数n也就是test_time_act_1ms由程序代码直接给出。

数据发送子步骤s101c：所述主控电路把计算出的压差平均值和平均流量发送至压差-流量数据表中。可以理解的是，所述压差-流量数据表至少有两列数据，一列为压差平均值另一列为平均流量所述压差-流量数据表可以是浮点运算能力强大的电脑中的数据表格。若所述主控电路的微处理器的浮点运算能力足够强大，所述压差-流量数据表也可保存到所述存储模块中，由所述电子肺活量测试仪自行进行计算处理。图13示出通过所述肺活量主控板的串口和电脑串口助手软件，所述气体流量基础数据被发送到电脑的数据表格中进行处理。

循环采样子步骤s101d：更改所述定量标准气泵的吹气速度v，重复子步骤s101b和s101c。可以理解的是，改变吹气速度就是改变经过所述节流孔的流量，也就是改变压差传感器的测量值。采集大量的压差-流量数据才能保证流量校准的精度。如上文所述，标准气泵的吹气速度变化范围可以为10毫升每秒到2升每秒，泵的速度分辨达到2000。

数据保存子步骤s101e：保存所述压差-流量数据表中的压差平均值和平均流量数据纪录。可以理解的是，在所述压差-流量数据表，每一条数据纪录对于一组基础数据，更详细的信息参见上文的数据表格样本。

步骤s102：使用分段函数拟合的数学方法，将上述压差-流量数据表中的离散数据拟合出若干个函数关系式其中，i＝1,2,3,…,n，n>＝2，为正整数。可以理解的是，分成三段进行函数拟合是合适的，流量校准精度和速度都能保证。当然，分成二段、四段或五段也是可行的。使用多项式函数进行拟合是优选的，这是因为大部分复杂函数都可以进行幂级数展开。可选的是，所述拟合函数可以是幂级数、函数项级数、傅立叶级数等，其中，级数的项数为大于1的正整数。分段点的选取优选根据所述压差-流量数据表中的离散数据坐标图中的拟合曲线的曲率的变化程度来确定。也可以按斐波那契数列的生灭规律来确定。具体实例参见上文给出的计算结果和图15-17。

步骤s103：将所述函数关系式保存到所述肺活量主控板的存储模块的压差-流量函数程序模块中。可以理解的是，对于同一型号的电子肺活量测试仪，也就是说，对于节流装置完全一样的电子肺活量测试仪，这样的流量校准操作只需要计算一次，得到的分段拟合函数关系式可用于每个同类产品，只需要将所述分段拟合函数关系式通过编程方式写入到所述肺活量主控板的存储模块的压差-流量函数程序模块中，在之后的肺活量测量中，调用所述压差-流量函数程序模块就能完成相应的压差与流量的换算。所述压差-流量函数程序模块也可称之为压差-流量函数计算模块、压差-流量函数功能模块或压差-流量函数执行模块。所述压差-流量函数程序模块的物理实体至少包括所述主控电路和所述存储模块，所述压差-流量函数程序模块的信息体为所述压差-流量分段拟合多项式函数对应的可执行代码。

基于上述流量校准方法，每一型号的电子肺活量测试仪的测量精度都能够得到显著提高。

根据本发明的电子肺活量测试仪的流量校准系统的一实施方式，所述流量校准系统包括定量标准气泵、电子肺活量测试仪、和计算机，其中，

所述电子肺活量测试仪包括壳体组件、吹气组件、压差传感器、和电子控制装置；

所述吹气组件、所述压差传感器、和所述电子控制装置被安装在所述壳体组件的内空腔中；

所述压差传感器与所述电子控制装置电连接；

所述吹气组件包括吹气管，所述吹气管包括节流装置，所述节流装置具有节流孔；

所述压差传感器被安置成能够测量所述节流孔的上游和下游之间的气体流动的压力差，并且，所述压差传感器能够将所述气体压力差转换成压差模拟信号，并将所述压差模拟信号传输给所述电子控制装置；

所述电子控制装置包括肺活量主控板，所述肺活量主控板包括主控电路、存储模块和流量测量电路，其中，所述存储模块能够存储数据信息和功能程序模块，所述流量测量电路能够缓冲及隔离电压信号，所述主控电路能够将经由所述流量测量电路传输过来的所述压差传感器采集的压差模拟信号转换成压差数字信号，并且能够将所述压差数字信号保存到所述存储模块中；

所述流量校准系统还包括：

气体流量基础数据获取模块，其中，所述气体流量基础数据包括平均压差和平均流量所述气体流量基础数据获取模块包括以下子模块：

标定零点子模块：建立所述压差传感器与所述主控电路之间的通信，标定所述压差传感器的零点；

数据采样子模块：使用定量标准气泵，在开始时刻tbegin，向所述电子肺活量测试仪的吹气管按吹气速度v均匀吹气，并保证吹气压力连续且一致，直至所述定量标准气泵中的气体用尽，并检测到吹气结束时刻tend，其中，所述定量标准气泵的气体容量为l；采样频率为每秒k次，其中，k>1；连续获取压差值δpi，并计算出最终的压差平均值计算总的采样次数n，从而计算平均流量

n＝(tend-tbegin)×k

数据发送子模块：所述主控电路把计算出的平均压差和平均流量发送至压差-流量数据表中；

循环采样子模块：更改所述定量标准气泵的吹气速度v，重复上述数据采样操作和数据发送操作；

数据保存子模块：保存所述压差-流量数据表中的平均压差和平均流量数据纪录；

分段函数拟合模块：使用分段函数拟合的数学方法将上述压差-流量数据表中的离散数据拟合出若干个函数关系式其中，i＝1,2,3,…,n，n>＝2，为正整数；

分段函数保存模块：将所述函数关系式保存到所述肺活量主控板的存储模块的压差-流量函数程序模块中。

可以理解的是，所述压差-流量数据表可以是所述计算机中的数据表，例如文本形式的数据表、或者excel电子表格式的数据表、或者access数据库中的数据、或者是sqlserver数据库中的数据表。

借助于所述流量校准系统，能够精确得到压差-流量分段拟合函数的全部特征参数或系数。

优选地，借助于带编码器的高速闭环伺服电动推杆电机，驱动所述定量标准气泵，向所述电子肺活量测试仪的吹气管7，按吹气速度v均匀吹气，并保证吹气压力连续且一致。如上文所述，为了保证气泵打气速度恒定，所述电动传动装置采用东方马达ezhp6c-20m。当然，其它类型的电机也是可行的，主要条件是所述电机具有编码器功能，以利于精确控制。

典型地，所述定量标准气泵的气体容量为l＝1升；采样频率为每秒k＝2000次。可选地，所述定量标准气泵的气体容量为l＝2升或3升；采样频率为每秒k＝1000次或3000次。采样频率可以根据气体容量大小或测量精度要求相应调整。

优选的是，所述吹气速度v的变化范围为10毫升每秒到2升每秒，从而，所述定量标准气泵的吹气速度分辨率达到200以上，得到200组以上的压差平均值和平均流量数据。优选地，将每个吹气速度重复测量10次，所得到的压差平均值和平均流量数据再次取平均值，得到200组所述压差平均值和平均流量数据。可以理解的是，吹气速度分辨率是指每次速度变化的增量或减量的大小，例如，吹气速度v为10毫升每秒,增加10毫升，吹气速度v增加为20毫升每秒，这样，在10毫升每秒到2升每秒范围内，吹气速度可以变化200次，也就是吹气速度分辨率达到200。当然，这样的速度增量也可以是不均匀的，例如在吹气速度较小时增量为20毫升，而在吹气速度较大时增量为10毫升，具体地，吹气速度变化为10毫升、30、50、……、1910、1920、1930毫升、……。

这样的吹气速度的设置有利于保证获得的气体流量基础数据的完备性、有效性和准确性，进而有利于提高分段拟合函数的精度。

优选地，使用分段多项式函数拟合的数学方法将上述压差-流量数据表中的离散数据拟合出若干个多项式函数关系式其中，i＝1,2,3,…,n，n>＝2，为正整数。可以理解的是，根据函数的幂级数展开理论可知，多项式函数能够高精度地逼近大部分复杂函数，而且，幂级数比较简单，计算速度快，非常适合工业运用。使用分段拟合方法，可以降低所使用的多项式函数的阶数，使得计算速度更快。

用分段多项式函数表达电子肺活量测试仪的节流装置的压差-流量函数关系不仅达到了保证测量精度的技术效果，而且保证了测量速度，使得象stm32这样的32位微处理器也能够胜任肺活量的快速计算和测量。

优选地，在所述步骤s102中，使用三段多项式函数拟合的数学方法将上述压差-流量数据表中的离散数据拟合出三个多项式函数关系式其中，i＝1,2,3,…,n，n＝3，为正整数。可以理解的是，分三段进行拟合是合适的，完全能够达到测量精度的要求。人吹气一般都是经历三个阶段：初而强，再而衰，三而竭。

分别用不同的多项式函数来分别拟合人吹气的强、衰、竭三个阶段，有利于提高测量计算精度和速度。

优选的是，第一段多项式函数采用四次多项式函数拟合；第二段多项式函数采用三次多项式函数拟合；第三段多项式函数采用三次多项式函数拟合。可以理解的是，从图14的离散数据点可以看出，低压差区的拟合曲线的曲率较大，使用四次多项式函数拟合比三次多项式函数拟合更合适，更能保证低压差区的测量计算精度。

可选地，第一段多项式函数采用五次多项式函数拟合；第二段多项式函数采用三次多项式函数拟合；第三段为多项式函数采用二次多项式函数拟合。这样的多项式函数的阶数设定还符合斐波那契数列的规律，更准确地逼迫人吹气这一事件的自然状态。

优选地，参照图15至图17，所述第一段四次多项式函数为f(x)＝a1+b1×x+c1×x²+d1×x³+e1×x⁴；所述第二段三次多项式函数为f(x)＝a2+b2×x+c2×x²+d2×x³；所述第三段三次多项式函数为f(x)＝a3+b3×x+c3×x²+d3×x³。可以理解的是，如上文的应用实例计算和图15至图16所示，所述多项式函数的各个系数通过流量和压差信号的离散对应点使用最小二乘法拟合来得到。对于同一型号的电子肺活量测试仪，这些系数是相同的；对于不同型号的电子肺活量测试仪，这些系数可能是不相同的。

具有上述分段多项式函数的校准功能的电子肺活量测试仪达到了测量计算精度高和速度快的技术效果。

优选地，参照图14，根据所述压差-流量数据表中的离散数据的坐标图中拟合曲线的曲率的变化程度，确定所述分段拟合函数的分段点。可以理解的是，如图15至图17所示，以及根据上文的实例计算结果，两个分段点分别选在压差数值为700、1100。当然，对于不同型号的电子肺活量测试仪，这两个分段点的位置可能会略有不同。曲率越大，拟合多项式函数的阶次就需要越高。

根据拟合曲线的曲率来确定分段点有利于保证高曲率使用高阶多项式函数。

优选的是，按斐波那契数列的生灭规律来确定所述分段拟合函数的分段点。

可以理解的是，任何事件的产生与消灭基本都遵循斐波那契数列的规律，例如，斐波那契数列2、3、5用于确定所述分段拟合函数的分段点，从上文数据表中可以得出压差信号的测量范围大致为400至3600，通过计算3600-400/2+3+5＝320，因此，第一分段点在400+320*2＝1040，第二分段点在400+320*5＝2000。

使用斐波那契数列确定分段点达到了在事物量子涨落层面上契合自然规律的技术效果。

优选地，按以下步骤进行所述压差传感器的零点飘移校准：

获取传感器的数据零点δpnewzero；

拟合函数跟随零点偏移：

根据分段拟合结果对所述三段拟合多项式函数进行校准，需要所述定量标准气泵打气体三次，每次平均压差应接近三个压差分段的中点，得到三个肺活量值sum1、sum2、sum3，并计算出ξ值，即ξ1＝1000/sum1，ξ2＝1000/sum2，ξ3＝1000/sum3，将三个所述拟合多项式函数再分别乘以相应的ξ值，完成零点校准，其中，l是所述定量标准气泵的容量。

其中，所述定量标准气泵打气体三次，每次平均压差应接近三个压差分段的中点，这是最简单有效的校对方式，在所述压差-流量函数的三段多项式函数的每一段曲线的压差中点附近选取校准数据，例如第一段多项式函数的横坐标压差数据范围为400至700，那么，第一段多项式函数的中点就是550，“接近中点”是指每次测量的平均压差在550左右，例如大于530且小于570都是可接受的。sum1、sum2、sum3为测得的肺活量，若是用l＝1000ml气泵，则它们的理想值为1000，由于系统误差，sum1、sum2、sum3不一定等于1000，需要和1000比较，通过ξ＝1000/sum得到比例系数用于校准sum，使最终结果为1000。当然这里气泵不一定是要1000ml，可以描述为标准气泵，但容量尽量不要小于1000ml

可以理解的是，即使是同型号的电子肺活量测试仪，由于电路板、传感器、节流装置等硬件的制造，不可避免地影响每个真实产品的测量零点。因此，对每个生产批次的电子肺活量测试仪产品在出厂前进行零点校准是有必要的。

本技术方案所述的肺活量值是指对气体流量的积分计算值，并不是针对人吹气的数据进行计算，而是针对气体流量校准数据进行计算的。

选取三个压差分段的中点作为批次校正系数ξ使得计算简单快速。

为了更好地理解本发明，下文参照图18所示的肺活量主控板的电路原理图来描述本发明的优选的技术方案，其中：

主控芯片采用st公司的stm32f103r8t6；晶振采用8mhz有源晶振；按键模块外接，控制按键有四个，分别为主按键、确定按键、加值和减值按键；充电控制芯片采用cn3052a；显示屏采用0.96寸oled屏；外部flash存储器采用一个w25q32；语音芯片采用nvc040cq；压差传感器采用sensepa的spra系列，型号spa002d；电压跟随器采用精密运放opa2333，使传感器传递到stm32的电压模拟量得到稳定。rfid模块采用nxp公司的mfrc522芯片。3个led用于指示充电状态、运行状态和语音播报状态。采用npn型三极管2n3904和p沟道mosfet组合成开关机和电池检测电路。

此外，jtag接口用于程序下载；miniusb接口输入电压范围4.35v-6v，通过cn3052a稳压为4.2v为电池充电，或再通过ht7333稳压ic稳压为3.3v给系统供电。电池接口用于连接3.7v锂电池，也需通过ht7333稳压ic稳压为3.3v给系统供电。spi接口用于连接nrf24l012.4g通信模块和rfid模块；isp接口用于连接到电脑或外接串口蓝牙模块。

参照图18所述流量测量电路包括电压跟随器和压差传感器接口，其中，所述电压跟随器包括运算放大器，作为电压信号的缓冲级及隔离级，所述运算放大器具有极低的失调电压，随时间推移和温度变化实现接近于零的漂移；优选的是，所述电压跟随器采用精密运放opa2333，作为电压信号的缓冲级及隔离级。节流装置的气体压差信号通过压差传感器转换成电压信号，其中，压差和电压成正比例关系，电压信号再经过电压跟随器输入到stm32模拟输入引脚，使用stm32内部adc功能将模拟信号转换成数字信号。所以流量测量电路只占用stm32第27号引脚an9。opa2333系列运算放大器使用专有自动校准技术，具有极低的失调电压，其最大值10μv，随时间推移和温度变化实现接近于零的漂移。属于高精度、低静态电流微型放大器，可提供高阻抗输入——共模范围超出电源轨电压100mv，和轨至轨输出——摆幅低于电源轨电压50mv以内。可以使用低至1.8v即±0.9v和高达5.5v即±2.75v的电源。

参照图18，所述电压跟随器为共集电极电路，其中，信号从基极输入，且从射极输出，称之为射极输出器；集电极电压的相位和基极电压的相位一致，输出电压与输入电压同相，电压放大倍数恒小于且接近1。

参照图18，所述压差传感器接口将所述压差传感器与所述电压跟随器电连接在一起。

参照图18，所述运算放大器是低静态电流微型放大器，能够提供高阻抗输入；所述电压跟随器的输出电阻很低，输入电阻很高；当输入阻抗的值很高的时候，对于前级电路来说相当于开路，当输出阻抗的值很低的时候，对于后级电路就相当于恒电压源，输出电压的值不会受到后级电路阻抗的影响。可以理解的是，电阻很低可理解为电阻小于10欧姆，阻抗很高可理解为大于1000欧姆。

由于电压放大器的输出阻抗通常都比较高，一般达到在几千欧到几十千欧，若后级输入阻抗较小，那么信号就会有一部分会损耗于前级输出电阻中。通常在这个时候就需要电压跟随器来实现缓冲功能。

opax333系列提供出色的cmrr，而不存在与传统互补输入级关联的交叉。该设计可在驱动模数转换器ad的过程中实现优异的性能，而不会降低微分线性。

opa333单通道版本可提供5引脚sot-23、sot以及8引脚soic封装，而opa2333双通道版本可提供8引脚vson、soic和vssop封装。所有版本的额定工作温度范围均为-40℃至125℃。

其特性如下“

低失调电压：10μv最大值；

零漂移：0.05μv/℃最大值；

0.01hz至10hz噪声：1.1μv；

静态电流：17μa；

单电源供电；

电源电压：1.8v至5.5v；

轨到轨输入/输出；

微型封装：sc70和sot23；

优选地，压差传感器采用sensepa的spra002d，即spra系列的具有2psipoundspersquareinch量程的差压型传感器。spra系列产品特点：属于低成本传感器元件；具备零点和满量程校准功能；具备多阶段温度补偿功能；可提供表压、绝压、复合压、差压等气压测量方式；可接受非标定制，1psi到100psi压力量程。

所述流量测量电路在所述主控电路和所述压差传感器之间形成缓冲和隔离，将在吹气测量过程中所述压差传感器对所述主控电路的影响降低至最小。

优选地，参照图18，所述主控电路包括微控制器，其中，所述微控制器包括模数转换模块ad和直接存储器访问模块dma，所述模数转换模块ad能够将经由所述流量测量电路输入的所述压差传感器的压差模拟信号转换为压差数字信号，所述直接存储器访问模块dma能够将所述压差数字信号传输到所述存储模块中。

有利的是，所述微控制器是armcortex-m内核的32位微控制器stm32，例如stm32f103r8t6。

以上详细描述了本发明创造的优选的或具体的实施例。应当理解，本领域的技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明创造的设计构思做出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明创造的设计构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在本发明创造的范围之内和/或由权利要求书所确定的保护范围内。