一種高精度低成本的電子測量系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實用新型涉及一種通過將盡可能多的測量信號調(diào)理工作從硬件電路轉(zhuǎn)移到智能移動設(shè)備上的軟件計算來提高精度降低成本的電子測量系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]眾所周知，傳感器的輸出值與輸入值的比值并非直線。所以往往需要用實際輸出值與擬合直線的對比來確定傳感器的靜態(tài)線性度。此外，傳感器還需要通過校準(zhǔn)數(shù)據(jù)來保證精度。然而因為成本和生產(chǎn)效率限制，傳感器在生產(chǎn)過程中難以精確測定其本身的特性曲線，只能在保證同批次傳感器的精度在所需范圍內(nèi)的前提下，以所有產(chǎn)品的通用數(shù)據(jù)加以校準(zhǔn)。單個傳感器的精度因此受群體平均校準(zhǔn)數(shù)值的限制。
[0003]此外，由于傳感器輸出值和測量值的比值并非直線，傳感器在滿量程范圍內(nèi)各點的分辨率并不相同，因此常用滿量程中能使輸出量產(chǎn)生階躍變化的輸入量中的最大變化值作為衡量分辨率的指標(biāo)。這也是當(dāng)前傳感器生產(chǎn)中因成本和生產(chǎn)率限制，而使得每個傳感器的分辨率受到群體平均數(shù)值限制的原因。同理，批量生產(chǎn)的傳感器，其標(biāo)稱的線性度、靈敏度、遲滯、零點漂移、靈敏度溫度漂移等參數(shù)的提高也因此受限。
[0004]因此，為了提高傳感器的測量精度，產(chǎn)生了差動技術(shù)、零示法微差法和閉環(huán)技術(shù)、平均技術(shù)、分段與細分技術(shù)、解耦技術(shù)、補償與校正技術(shù)等等一系列技術(shù)解決方案。上述用于提高精度的技術(shù)中，大部分技術(shù)只能用于特定領(lǐng)域或特定的傳感器種類，補償與校正技術(shù)通用性雖然較強，然而補償和校正電路設(shè)計復(fù)雜，成本較高，而軟件補償校正需要高性能單片機或計算機的運算能力支持。
[0005]就算能解決傳感器本身的精度問題，信號調(diào)理電路帶來的誤差也是不可忽視的。比如信號放大器的設(shè)計通常需要給定:I輸入信號、2輸出信號幅值、3總增益、4工作頻帶、5非線性失真、6環(huán)境溫度、7輸入阻抗、8輸入噪聲、9電源電壓等等條件參數(shù)。然而在實際設(shè)計中，很難兼顧或者測量得到全部所需數(shù)據(jù)。這就從源頭上限制了放大電路的精度，即便采用高性能的集成運算放大器也無法解決上面的問題。同樣道理，濾波電路和集成有源濾波器雖然能濾除噪聲信號，但對于所需信號也會帶來測量系統(tǒng)測量精度下降。采樣保持電路、模擬開關(guān)、A/D轉(zhuǎn)換、V/F轉(zhuǎn)換電路之類亦同。與此同時，對于測量儀器設(shè)備來說，因為各個部件和功能模塊各自的誤差會和各種其他的隨機誤差一起積累成為系統(tǒng)誤差，而且測量系統(tǒng)中必然會存在未定系統(tǒng)誤差和隨機誤差，從而累積成一個較大的系統(tǒng)誤差。因此，花費較大成本提高傳感器本身的精度，或者某個功能電路模塊的精度，對提高系統(tǒng)精度來說效果并不明顯，更不經(jīng)濟。
[0006]為部分解決上述問題，美國宇航局1978年開發(fā)出智能傳感器(Intel IigentSensor)，是將傳感器和計算機一體化的多功能靈巧型傳感器系統(tǒng)。當(dāng)前的智能化傳感器已經(jīng)實現(xiàn)了微型化、結(jié)構(gòu)一體化、陣列式和數(shù)字式等目標(biāo)，具有自診斷功能、記憶與信息處理功能、數(shù)據(jù)存儲功能、多參量測量功能、聯(lián)網(wǎng)通行功能、邏輯思維以及判斷功能。在此基礎(chǔ)上又發(fā)展出了功能更強和更全面的虛擬儀器技術(shù)。現(xiàn)有大部分智能傳感器與虛擬儀器一樣依賴外接的計算機或?qū)Ｓ脝纹瑱C進行數(shù)據(jù)處理，少數(shù)集成智能傳感器主要集中于圖像傳感器。典型的智能儀器遵循IEE1451標(biāo)準(zhǔn)進行開發(fā)，一般需要兩塊高性能MCU和若干塊MCP2510、PCA82C250T等輔助芯片分別組成“智能變送器模塊”(STM)和“網(wǎng)絡(luò)適配器模塊”(NCAP)對傳感器獲得的信號進行基本的調(diào)理和傳輸。智能傳感器和虛擬儀器一樣，雖然精度較高，但使用成本和技術(shù)門檻過高，電路開發(fā)難度較大，且需要行業(yè)專家進行編程操作，所以主要用于實驗室，醫(yī)療和科研領(lǐng)域，難以在日常設(shè)備中普及。
[0007]因此，在實際生產(chǎn)中，許多對精度有嚴格要求的測量產(chǎn)品或設(shè)備，一旦成本和體積等條件受限，就難以保證較高的測量精度。典型的例子是國產(chǎn)血糖儀的國標(biāo)GB/T 19634-2005，其合格產(chǎn)品的要求只是要求95%的測試數(shù)據(jù)結(jié)果落在偏差±20%以內(nèi)。對于血糖數(shù)值來說，土 20 %誤差區(qū)間，意味著兩次獨立檢測如果稍稍接近上下極限偏差，則檢測結(jié)果足以跨越無糖尿病、輕度糖尿病(空腹血糖7.0?8.4mmoi/L)到中度糖尿病(空腹血糖8.4?
11.lmmoi/L)之間的數(shù)值區(qū)間。還有5%的檢測結(jié)果可以成為毫無參考價值但很可能對用戶引起誤導(dǎo)的粗大誤差一一因為沒有專業(yè)知識，普通用戶在單次測量中根本無法用經(jīng)驗和專業(yè)知識排除5%的錯誤測量值的影響。這導(dǎo)致了大部分國產(chǎn)血糖儀只能用于某個固定糖尿病患者日常血糖波動量(如一段時期內(nèi)血糖有無快速上升)的定性檢測，完全無法替代醫(yī)院的血糖生化檢測，極大限制了國產(chǎn)家用型血糖儀的醫(yī)療診斷價值和市場前景。同樣情況也發(fā)生在家用電子血壓計、采用生物電阻抗法的體脂測量儀、家用心率儀等大量電子檢測產(chǎn)品上。
[0008]值得一提的是，當(dāng)前已有的傳統(tǒng)虛擬儀器是一種利用計算機強大的計算能力和豐富的軟硬件資源組織而成的儀器系統(tǒng)。更詳細地說，現(xiàn)有的虛擬儀器能夠通過一臺計算機上配備專門的應(yīng)用軟件和專用硬件(如插入式板卡等)，來完成傳統(tǒng)儀器的功能?，F(xiàn)有的虛擬儀器由I/o接口設(shè)備進行信號的采集、測量和調(diào)理，利用計算機顯示器模擬傳統(tǒng)儀器的控制面板，由用戶設(shè)計虛擬面板，以多種形式表達輸出檢測結(jié)果，并利用計算機強大的軟件功能實現(xiàn)信號的分析、運算和處理一一這部分功能傳統(tǒng)電子儀器往往用模擬放大、濾波電路和單片機來實現(xiàn)，從而使計算機具有各種測試功能。此類虛擬儀器的功能極為強大，配合Nat1nal Instrument公司的LabVIEW軟件和數(shù)據(jù)采集設(shè)備可以替代絕大部分傳統(tǒng)電子儀器。但傳統(tǒng)虛擬儀器因為需要兼容如RS485等大量專業(yè)儀表通訊標(biāo)準(zhǔn)，只能通過包含大量不同接口的插入式板卡與計算機進行通訊，所以其體積較大，非常不便于攜帶和移動測量所用。且傳統(tǒng)虛擬儀器系統(tǒng)為滿足幾乎萬能的通用性和科研測量級別的精度要求，成本十分昂貴，并為提高虛擬系統(tǒng)的測量和功能范圍有需要用戶對虛擬面板和用戶界面進行二次開發(fā)的問題，對用戶需要有極高的專業(yè)知識要求，從而阻礙了虛擬儀器在非專業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用。
[0009]當(dāng)前智能手機等智能移動設(shè)備處理器的性能和功能正在快速提高，智能移動設(shè)備的操作系統(tǒng)和編程環(huán)境日趨完善，所以智能移動設(shè)備的性能和軟件環(huán)境已經(jīng)可以滿足絕大部分虛擬儀器所需，且有便于攜帶、成本較低等優(yōu)勢。如能實現(xiàn)通過由智能移動設(shè)備的計算能力替代相對更加龐大和昂貴的個人電腦和工作站的效果，并簡化通訊和數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，可有效降低使用成本，簡化操作以便于滿足中低端市場領(lǐng)域中各種高精度低成本測量所需。當(dāng)前有很多利用智能移動設(shè)備作為測量系統(tǒng)I / O部分的專利，如專利CN201510301587.4、專利 CN20152369193.8和專利CN201510276162.2等，均保留有完整的測量和計算電路，僅將智能移動設(shè)備作為附加的“易用型輸入-輸出界面”、更大容量的移動數(shù)據(jù)儲存設(shè)備和連接因特網(wǎng)的擴展功能模塊。然而此時，智能移動設(shè)備只起到功能擴展效果，測量設(shè)備本身依然需要依賴單片機或工控電腦(依測量種類和難度不同進行選擇)處理核心測量數(shù)據(jù)，并沒有革命性的變化。這是因為，希望