基于电子设备制作便携式精密测试仪器的方法及装置与流程

本发明涉及便携式精密测试仪器领域，尤其涉及一种基于电子设备制作便携式精密测试仪器的方法及装置。

背景技术：

便携式测试仪器仪表是日常生活和工业应用中最常见的一种数字测试的工具，具有高性能处理芯片超强的运算能力及强大的存储能力。越来越多的技术人员，在进行现场作业时，携带手持高精度测量设备，这样可以克服传统测量仪器体积大、移动困难等因素。消费电子、国防、重工业、教育、半导体制造和通信等诸多电子设备行业的测量设备的安装及运行维护都需要便携式测量仪器，通过压力、流量、电压幅值等参数对产品质量进行提取分析，如何更加精确、便捷的获取此类参数数据是智能仪表发展的核心。

常见的便携式测试仪器仪表包括传感器、驱动电路、模数转换器、数据处理模块和显示器等，受到生产规模和用户数量的制约，该类设备往往具有价格昂贵、界面不友好、功能单一、不具备可升级性和通信功能弱等缺点。随着智能手机及其相关APP应用的飞速发展，结合手机和APP软件的功能，能够提供一个基本信息的处理、转换、显示的平台。也就是说，常见的便携式测试仪器仪表中包含的数据处理模块和显示器等功能完全可以有手机来完成。

基于智能手机使用的普遍性、广泛性、易携带性，以及大部分手机使用的手机系统为Android系统(基于Linux的自由及开放的操作系统，易于编程开发)，这就为接收信息提供了一个通用的、便于处理的、手持便携式的硬件及软件处理环境。再结合现有的仪器仪表的高精度、高集成度的外设硬件，就可以进行一种精密仪器的设计，小巧容易携带，使用方便。但是，普通手机的外部接口不多，从外界采集数据比较困难，因此，在该领域应用有限。

因此，基于以上的问题，本领域迫切需要设计出具有针对性的解决方案，辅助提高便携式测试仪器仪表的精准、便携、高效以及实用性能。

技术实现要素：

本发明旨在克服以上技术问题，提出一种方便携带、容易操作、易于升级、体积较小、成本较低、采集信息丰富且功能强大的基于电子设备制作便携式精密测试仪器的方法及装置。

为解决上述技术问题，根据本发明的第一方面，提供一种基于电子设备制作便携式精密测试仪器的方法，其中，包括：

将被检测的信号接入传感器；所述传感器将被检测的信号传输至强度/电压转换模块，所述强度/电压转换模块将被检测的信号转换成电压信号；电压信号经过运算放大器进行运算放大；电平输出模块与电压/频率转换模块连接，用于表示运算放大器的级数；所述电压/频率转换模块接收所述运算放大器运算放大后的电压值，并将电压值转换为频率值，所述电压/频率转换模块输出幅值由所述电平输出模块决定；频率值和幅值经过电子设备接口传输至电子设备；其中，电源为整个测试电路进行供电。

根据本发明的第二方面，提供一种基于电子设备制作便携式精密测试仪器的方法，其中，所述传感器传输的信号经过两级运算放大，当所述传感器接收的信号为第一信号时，第一信号经过一级运算放大器放大后直接输出至所述电压/频率转换模块；当所述传感器接收的信号为第二信号时，第二信号会先经过所述一级运算放大器的运算放大，经过一级运算放大后的电压信号会传输至比较器并与所述比较器自身设置的基准电位进行比较，比较后输出的电压信号传输至二级运算放大器，经过二级运算放大后的电压信号再输出至所述电压/频率转换模块；其中，所述第一信号强度大于所述第二信号强度；所述比较器与电压/频率转换模块的输入端连接。

根据本发明的第三方面，提供一种基于电子设备制作便携式精密测试仪器的方法，其中，所述运算放大器为多级运算放大器，根据所述强度/电压转换模块转换成的电压信号的强弱选择运算放大器的级数；经过多级运算放大的电路中所述电平输出模块的个数与所述运算放大器的级数相同。

根据本发明的第四方面，提供一种基于电子设备制作便携式精密测试仪器的方法，其中，所述传感器为电敏传感器、热敏传感器、光敏传感器、气敏传感器、力敏传感器或声敏传感器。

根据本发明的第五方面，提供一种基于电子设备制作便携式精密测试仪器的方法，其中，所述强度/电压转换模块为电阻/电压转换模块、电流/电压转换模块、功率/电压转换模块、电容/电压转换模块或电感/电压转换模块。

根据本发明的第六方面，提供一种基于电子设备制作便携式精密测试仪器的装置，包括：电源、传感器、强度/电压转换模块、运算放大器、电平输出模块、电压/频率转换模块及电子设备接口；其中，所述电源用于为整个测试电路供电；所述传感器用于接收被检测的信号；所述强度/电压转换模块连接在所述传感器与运算放大器之间，用于将被检测的信号转换成电压信号；所述运算放大器与所述强度/电压转换模块连接，用于对信号进行运算放大；所述电平输出模块与电压/频率转换模块连接，用于表示运算放大器的级数；所述电压/频率转换模块用于接收所述运算放大器运算放大后的电压值，并将电压值转换为频率值，所述电压/频率转换模块输出幅值由所述电平输出模块决定；所述电子设备接口用于接收所述电压/频率转换模块输出的频率信号和幅值，并传输至电子设备。

根据本发明的第七方面，提供一种基于电子设备制作便携式精密测试仪器的装置，其中，还包括比较器，其设置有基准电位；所述运算放大器包括一级运算放大器与二级运算放大器，其中，当所述传感器接收的信号为第一信号时，第一信号经过所述一级运算放大器运算放大后直接输出至所述电压/频率转换模块；当所述传感器接收的信号为第二信号时，第二信号会先经过所述一级运算放大器的运算放大，经过一级运算放大后的电压信号会传输至比较器并与所述比较器自身设置的基准电位进行比较，比较后输出的电压信号传输至所述二级运算放大器，经过二级运算放大后的电压信号再输出至所述电压/频率转换模块；其中，所述第一信号强度大于所述第二信号强度，所述比较器与电压/频率转换模块的输入端连接。

根据本发明的第八方面，提供一种基于电子设备制作便携式精密测试仪器的装置，其中，所述运算放大器为多级运算放大器，根据所述强度/电压转换模块转换成的电压信号的强弱选择运算放大器的级数，并且，经过多级运算放大的电路中所述电平输出模块的个数与所述运算放大器的级数相同，每个所述电平输出模块分别对应不同档位的电压值。

根据本发明的第九方面，提供一种基于电子设备制作便携式精密测试仪器的装置，其中，所述传感器为电敏传感器、热敏传感器、光敏传感器、气敏传感器、力敏传感器或声敏传感器。

根据本发明的第十方面，提供一种基于电子设备制作便携式精密测试仪器的装置，其中，所述强度/电压转换模块为电阻/电压转换模块、电流/电压转换模块、功率/电压转换模块、电容/电压转换模块或电感/电压转换模块。

本发明的基于电子设备制作便携式精密测试仪器的方法及装置相比于现有技术具有如下优点：

1、体积小，方便携带，容易操作；

2、能够获取更加准确、精准、丰富的参数；

3、不受生产规模和用户数量的制约，成本小，价格低；

4、连接电子设备，显示界面友好、功能多、可升级性以及通信功能好；

5、能够连接手机等外部接口不多的电子设备，可以从外界采集数据，应用广泛。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例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例，对于本领域普通技术人员来讲，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为本发明的基于电子设备制作便携式精密测试仪器的方法的流程示意图；

图2为本发明的基于电子设备制作便携式精密测试仪器的装置的一种框架结构示意图；

图3为本发明的基于电子设备制作便携式精密测试仪器的装置的另一种框架结构示意图。

附图标记说明：

1、电源 2、传感器

3、强度/电压转换模块 4、运算放大器

41、一级运算放大器 42、二级运算放大器

5、电平输出模块 51、电平输出模块一

52、电平输出模块二 6、电压/频率转换模块

7、电子设备接口 8、比较器

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构及技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。

本发明的基于电子设备制作便携式精密测试仪器的方法，是制作出一种由传感器到电子设备的接口电路。其中，电子设备是具有信号输入输出及显示装置的电脑、手机等智能电子设备。本发明的传感器2将被检测信号输入到电子设备中，然后利用软件完成数据处理工作，再由电子设备显示出结果。本发明利用电子设备的信息处理、显示以及通信功能，实现设备的小巧、廉价、易于携带以及易于升级和功能多样化。

图1为本发明的基于电子设备制作便携式精密测试仪器的方法的流程示意图，如图1所示，本发明提供一种基于电子设备制作便携式精密测试仪器的方法包括：

将被检测的信号接入传感器2；

传感器2将被检测的信号传输至强度/电压转换模块3，强度/电压转换模块3将被检测的信号转换成电压信号；

电压信号经过运算放大器4进行运算放大；

电平输出模块5与电压/频率转换模块6连接，用于表示运算放大器的级数；

电压/频率转换模块6接收运算放大器4运算放大后的电压值，并将电压值转换为频率值，所述电压/频率转换模块6输出幅值由电平输出模块5决定，也可以将电压/频率转换模块6的输出幅值调制成电平输出模块5所示的电平；

频率值和幅值经过电子设备接口7传输至电子设备；

其中，电源1为整个测试电路进行供电。

在本发明的进一步实施例中，运算放大器4为多级运算放大器，根据强度/电压转换模块3转换成的电压信号的强弱选择运算放大器4的级数，对强度/电压转换模块3转换成的电压信号进行不同级数的运算放大，其中，经过多级运算放大的电路中电平输出模块5的个数与运算放大器4的级数相同。

以下以两个运算放大器为例来说明信号传输的过程：

当传感器2接收的信号为第一信号时，第一信号经过一级运算放大器41放大后直接输出至电压/频率转换模块6；

当传感器2接收的信号为第二信号时，第二信号会先经过一级运算放大器41的运算放大，经过一级运算放大后的电压信号会传输至比较器8并与比较器8自身设置的基准电位进行比较，比较后输出的电压信号传输至二级运算放大器42，经过二级运算放大后的电压信号再输出至电压/频率转换模块6；

需要说明的是，第一信号强度大于第二信号强度；比较器8连接在一级运算放大器41与二级运算放大器42之间，并且比较器8的一个端口连接电压/频率转换模块6；电平输出模块一51和电平输出模块二52都与电压/频率转换模块6连接，并由比较器8进行选择。如果传感器2接收的信号强度较弱或更弱，则还可以经过三级运算放大器、四级运算放大器或更多级运算放大器。

图2为本发明的基于电子设备制作便携式精密测试仪器的装置的一种框架结构示意图，如图2所示，提供一种基于电子设备制作便携式精密测试仪器的装置，包括：电源1、传感器2、强度/电压转换模块3、运算放大器4、电平输出模块5、电压/频率转换模块6及电子设备接口7。

在基于电子设备制作便携式精密测试仪器的装置中，电源1用于为整个测试电路供电；传感器2用于接收被检测的信号；强度/电压转换模块3连接在传感器2与运算放大器4之间，用于将被检测的信号转换成电压信号；运算放大器4与强度/电压转换模块3连接，用于对信号进行运算放大；电平输出模块5与电压/频率转换模块6连接，用于表示运算放大器4的级数；电压/频率转换模块6用于接收运算放大器4运算放大后的电压值，并将电压值转换为频率值，电压/频率转换模块6输出幅值由电平输出模块5决定，也可以将电压/频率转换模块6的输出幅值调制成电平输出模块5所示的电平；电子设备接口7用于接收电压/频率转换模块6输出的频率信号和幅值，并传输至电子设备。

在本发明的进一步实施例中，本发明的基于电子设备制作便携式精密测试仪器的装置还可以包括比较器8，其设置有基准电位，运算放大器4包括一级运算放大器41与二级运算放大器42。

当传感器2接收的信号为第一信号时，第一信号经过一级运算放大器41运算放大后直接输出至电压/频率转换模块6。

当传感器2接收的信号为第二信号时，第二信号会先经过一级运算放大器41的运算放大，经过一级运算放大后的电压信号会传输至比较器8并与比较器8自身设置的基准电位进行比较，比较后输出的电压信号传输至二级运算放大器42，经过二级运算放大后的电压信号再输出至电压/频率转换模块6。

需要说明的是，第一信号强度大于第二信号强度，比较器8连接在一级运算放大器41与二级运算放大器42之间，并与电压/频率转换模块6的输入端连接。

在本发明的进一步实施例中，传感器2可以为电敏传感器、热敏传感器、光敏传感器、气敏传感器、力敏传感器或声敏传感器。

在本发明的进一步实施例中，运算放大器4为多级运算放大器，电平输出模块5为多个电平输出模块，每个电平输出模块5分别对应不同档位的电平值，用于表示运算放大器4的级数。当放大器级数变化时，电平输出模块5输出的电平值也相应发生变化。使用时，可以根据传输的电压信号的范围或强弱决定运算放大器4的级数，可以根据电平输出模块5对应的电平值判断出运算放大器4的级数。

图3为本发明的基于电子设备制作便携式精密测试仪器的装置的另一种框架结构示意图，如图3所示，提供一种基于电子设备制作便携式精密测试仪器的装置，包括：电源1、传感器2、强度/电压转换模块3、一级运算放大器41、二级运算放大器42、电平输出模块一51、电平输出模块二52、比较器8、电压/频率转换模块6及电子设备接口7。其中，运算放大器4包括一级运算放大器41和二级运算放大器42，电平输出模块5包括两个电平输出模块，分别为电平输出模块一51和电平输出模块二52。

此外，在本发明的进一步实施例中，比较器8中可以设置有基准电位，同时运算放大器4包括一级运算放大器41与二级运算放大器42。当传感器2接收的信号为第一信号时，第一信号经过一级运算放大器41放大后直接传输至电压/频率转换模块6；当传感器2接收的信号为第二信号时，第二信号会经过一级运算放大器41放大后的电压信号传输至比较器8，由比较器8将接收的电压信号与基准电位进行比较后输出至二级运算放大器42，然后经过二级运算放大器42的运算放大后的信号传输至电压/频率转换模块6。

需要说明的是，该第二信号的强度小于第一信号的强度，比较器8与电压/频率转换模块6的输入端连接，电平输出模块一51和电平输出模块二52都与电压/频率转换模块6连接，用于表示运算放大器4的级数。

本发明中的电子设备可以为手机、电脑等，用于通过电子设备接口7接收通过电压/频率转换模块6转换后的频率信号，然后传输至电子设备中，并在电子设备的显示器上进行显示结果。以下以手机为例说明本发明的基于电子设备制作便携式精密测试仪器的信号传输过程：

在使用本发明的基于电子设备制作便携式精密测试仪器的装置时，若传感器2接收的信号较灵敏，则通过一级运算放大器41的放大处理后直接输出到电压/频率转换模块6；若信号较微弱，即不够灵敏，则通过一级运算放大器41的放大处理后输出到比较器8的正向输入端上，比较器8对基准电位比较后选择信号，输出到二级运算放大器42，经过二级运算放大器42的再次放大处理后的信号输出到电压/频率转换模块6，之后输出到电子设备接口7。电平输出模块5同时控制着两个档为输出的电压幅值，例如：一档为2V，一档为3V，再经过电压/频率转换模块6，输出结果通过电子设备接口7送入手机中，最后利用手机上的软件处理输出的频率值，显示测量结果。

一般情况下，传感器2探测到的信号通常都比较微弱，需要经过前置放大、主放大等后续电路放大后才能进行数据采集。信号放大后采用区别于传统的数据采集方式，即采用电压/频率转换模块6转换(将放大的电压信号转换成稳定度较高，利于程序识别的频率信号)，通过手机耳机插孔送入手机，最后利用手机上的应用处理变换后的频率信号并显示测量结果。其中，可以根据传感器2探测到的信号灵敏度或信号强弱来选择经过运算放大的级数。

由于上述两档接入的信号分别对应着不同大小的信号，小信号经过一次放大，更微弱的信号经过两次放大，可能出现两档放大后电压大小相同的情况，因而经过转换后的频率值是相同的。但是，由于原始信号是不同的，对应的最终输出上拉电位不同，更微弱信号对应的输出2V电位输出，小信号对应3V点位的输出。这样就可以通过输出脉冲的幅度差判断输出信号是经历了一级放大还是二级放大，从而判断出原始信号是位于哪个区段的，再通过软件对输出脉冲的频率进行计算，得到原始信号在各个区段中的具体位置，这样来解决AD动态范围不够的问题。如果信号过于微弱或动态范围更大的情况，可以采取3级甚至更多级运算放大，并将测试区域分成3段或更多段来提高动态范围，这样就可以完全突破手机数据采集的动态范围不足的问题。

一般电子设备，例如手机，提供的数据采集方式主要是通过手机耳机插孔送入手机，而后会经过隔直电路和滤波器进行滤波，因此，采用电压/频率转换模块6将直流信号变成所需要的频率信号，而不会被滤波器滤除。精密测试仪器仪表对数据准确性要求较高，而普通的手机耳机插孔接口的损耗是不可靠的，这就必然会影响测量精度。而采用电压/频率转换模块6转换之后，脉冲频率才表征测量信号，而变换后功率的微小变化不影响测试结果。因此，保证了测试的准确性。

使用手机耳机插孔输入信号就必然会受到声卡模数转换动态范围的制约，特别是精密测试仪器仪表一般动态范围都很大(超过100dB以上)，而对于16位的AD，其动态范围也不过是在216，即不到50dB。本发明除了利用信号化作不同频率的输出信号，还依据信号强弱进行分级，将整个测量范围分成若干段，这样突破了AD位数对检测信号的动态范围的限制。具体方法是实现一种依据信号的具体强弱，在前置放大与主放大电路自动档位切换输出，即：信号稍微强的信号只需一级前置放大，跳过主放大，自动进行电压/频率转换模块6转换后送入电子设备进行处理；而较微弱的信号则需要前置放大及主放大再接入到电压/频率转换模块6转换部分，转换后输入到电子设备中。为了便于区分两路强弱信号，输出的频率所维持的电压大小也是不同的。同样地，此部分的电压也是根据信号的强弱自动切换的。

本发明将检测的信号通过相应的传感器转换成电信号，然后通过本发明的装置转换成一定频率值和幅值的信号，通过电子设备实现数据采集或模数变换，将模拟量变为数字量，再由电子设备进行数据处理，最终进行分析、存储或显示。

本发明具有如下有益效果：

1、能够自动分档检测小信号，使精度更加准确，用电压/频率转换模块转换替代有用信号的量化编码过程，降低成本和降低转换的复杂度。

2、可以提高检测的动态范围，突破AD位数对检测信号的动态范围的限制。

3、能够最大程度地降低硬件成本，减小测试设备体积，而利用电子设备的信息处理、显示甚至是通信功能，实现一个易于升级、功能强大，而又小巧、廉价的测试仪器。

本领域技术人员可以在不脱离本发明的精神的情况下对上述各实施例的特征进行组合，本发明还可用于除手机之外的其他电子设备中，本发明并不限于上述各实施例。

应当理解的是，本发明的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本发明的原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神及范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。此外，本发明所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围及边界、或者这种范围及边界的等同形式内的全部变化及修改例。