一種高精度低成本的電子測(cè)量系統(tǒng)技術(shù)方案

本發(fā)明專利技術(shù)公開(kāi)了一種高精度低成本的電子測(cè)量系統(tǒng)，屬于電子測(cè)量?jī)x器領(lǐng)域。本發(fā)明專利技術(shù)通過(guò)將盡可能多的測(cè)量信號(hào)調(diào)理工作從硬件電路轉(zhuǎn)移到智能移動(dòng)設(shè)備上的軟件計(jì)算，并通過(guò)由軟件調(diào)用系統(tǒng)內(nèi)置的特征碼，系統(tǒng)本身的插值數(shù)據(jù)表格或誤差消除公式及其計(jì)算參數(shù)等方法來(lái)提高測(cè)量精度并降低系統(tǒng)成本。本發(fā)明專利技術(shù)解決了現(xiàn)有電子測(cè)量系統(tǒng)無(wú)法兼顧成本、體積和測(cè)量精度三方面的矛盾，可用于制造獨(dú)立高精度電子測(cè)量?jī)x器，也可用于各種不同設(shè)備中的高性能測(cè)量模塊。

An electronic measurement system with high accuracy and low cost

The invention discloses an electronic measuring system with high precision and low cost, which belongs to the field of electronic measuring instruments. According to this invention, as much of the measuring signal conditioning work from the hardware circuit to intelligent mobile device software calculation, and through the software call system built-in feature code, data interpolation table or the error of the system is to eliminate the formula and calculation parameters and other methods to improve the measurement accuracy and reduce system costs. The invention solves the problems existing in the electronic measurement system can not take into account the cost, the contradiction between volume and the measurement accuracy of three aspects, can be used in the manufacture of independent high precision electronic measuring instrument, also can be used for high performance measurement module in a variety of different devices.

【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】
一種高精度低成本的電子測(cè)量系統(tǒng)
本專利技術(shù)涉及一種通過(guò)將盡可能多的測(cè)量信號(hào)調(diào)理工作從硬件電路轉(zhuǎn)移到智能移動(dòng)設(shè)備上的軟件計(jì)算來(lái)提高精度降低成本的電子測(cè)量系統(tǒng)。
技術(shù)介紹
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(shí)際輸出值與擬合直線的對(duì)比來(lái)確定傳感器的靜態(tài)線性度。此外，傳感器還需要通過(guò)校準(zhǔn)數(shù)據(jù)來(lái)保證精度。然而因?yàn)槌杀竞蜕a(chǎn)效率限制，傳感器在生產(chǎn)過(guò)程中難以精確測(cè)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(gè)傳感器的精度因此受群體平均校準(zhǔn)數(shù)值的限制。此外，由于傳感器輸出值和測(cè)量值的比值并非直線，傳感器在滿量程范圍內(nèi)各點(diǎn)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(gè)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(diǎn)漂移、靈敏度溫度漂移等參數(shù)的提高也因此受限。因此，為了提高傳感器的測(cè)量精度，產(chǎn)生了差動(dòng)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(xì)分技術(shù)、解耦技術(shù)、補(bǔ)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(bǔ)償與校正技術(shù)通用性雖然較強(qiáng)，然而補(bǔ)償和校正電路設(shè)計(jì)復(fù)雜，成本較高，而軟件補(bǔ)償校正需要高性能單片機(jī)或計(jì)算機(jī)的運(yùn)算能力支持。就算能解決傳感器本身的精度問(wèn)題，信號(hào)調(diào)理電路帶來(lái)的誤差也是不可忽視的。比如信號(hào)放大器的設(shè)計(jì)通常需要給定：1輸入信號(hào)、2輸出信號(hào)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(shí)際設(shè)計(jì)中，很難兼顧或者測(cè)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(yùn)算放大器也無(wú)法解決上面的問(wèn)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(hào)，但對(duì)于所需信號(hào)也會(huì)帶來(lái)測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量精度下降。采樣保持電路、模擬開(kāi)關(guān)、A/D轉(zhuǎn)換、V/F轉(zhuǎn)換電路之類亦同。與此同時(shí)，對(duì)于測(cè)量?jī)x器設(shè)備來(lái)說(shuō)，因?yàn)楦鱾€(gè)部件和功能模塊各自的誤差會(huì)和各種其他的隨機(jī)誤差一起積累成為系統(tǒng)誤差，而且測(cè)量系統(tǒng)中必然會(huì)存在未定系統(tǒng)誤差和隨機(jī)誤差，從而累積成一個(gè)較大的系統(tǒng)誤差。因此，花費(fèi)較大成本提高傳感器本身的精度，或者某個(gè)功能電路模塊的精度，對(duì)提高系統(tǒng)精度來(lái)說(shuō)效果并不明顯，更不經(jīng)濟(jì)。為部分解決上述問(wèn)題，美國(guó)宇航局1978年開(kāi)發(fā)出智能傳感器(IntelligentSensor)，是將傳感器和計(jì)算機(jī)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(shí)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(chǔ)功能、多參量測(cè)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(qiáng)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(jì)算機(jī)或?qū)Ｓ脝纹瑱C(jī)進(jìn)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(jìn)行開(kāi)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”(STIM)和“網(wǎng)絡(luò)適配器模塊”(NCAP)對(duì)傳感器獲得的信號(hào)進(jìn)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(mén)檻過(guò)高，電路開(kāi)發(fā)難度較大，且需要行業(yè)專家進(jìn)行編程操作，所以主要用于實(shí)驗(yàn)室，醫(yī)療和科研領(lǐng)域，難以在日常設(shè)備中普及。因此，在實(shí)際生產(chǎn)中，許多對(duì)精度有嚴(yán)格要求的測(cè)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(cè)量精度。典型的例子是國(guó)產(chǎn)血糖儀的國(guó)標(biāo)GB/T19634-2005，其合格產(chǎn)品的要求只是要求95％的測(cè)試數(shù)據(jù)結(jié)果落在偏差±20％以內(nèi)。對(duì)于血糖數(shù)值來(lái)說(shuō)，±20％誤差區(qū)間，意味著兩次獨(dú)立檢測(cè)如果稍稍接近上下極限偏差，則檢測(cè)結(jié)果足以跨越無(wú)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8.4～11.1mmoi/L)之間的數(shù)值區(qū)間。還有5％的檢測(cè)結(jié)果可以成為毫無(wú)參考價(jià)值但很可能對(duì)用戶引起誤導(dǎo)的粗大誤差——因?yàn)闆](méi)有專業(yè)知識(shí)，普通用戶在單次測(cè)量中根本無(wú)法用經(jīng)驗(yàn)和專業(yè)知識(shí)排除5％的錯(cuò)誤測(cè)量值的影響。這導(dǎo)致了大部分國(guó)產(chǎn)血糖儀只能用于某個(gè)固定糖尿病患者日常血糖波動(dòng)量(如一段時(shí)期內(nèi)血糖有無(wú)快速上升)的定性檢測(cè)，完全無(wú)法替代醫(yī)院的血糖生化檢測(cè)，極大限制了國(guó)產(chǎn)家用型血糖儀的醫(yī)療診斷價(jià)值和市場(chǎng)前景。同樣情況也發(fā)生在家用電子血壓計(jì)、采用生物電阻抗法的體脂測(cè)量?jī)x、家用心率儀等大量電子檢測(cè)產(chǎn)品上。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(jì)算機(jī)強(qiáng)大的計(jì)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(xì)地說(shuō)，現(xiàn)有的虛擬儀器能夠通過(guò)一臺(tái)計(jì)算機(jī)上配備專門(mén)的應(yīng)用軟件和專用硬件(如插入式板卡等)，來(lái)完成傳統(tǒng)儀器的功能。現(xiàn)有的虛擬儀器由I/O接口設(shè)備進(jìn)行信號(hào)的采集、測(cè)量和調(diào)理，利用計(jì)算機(jī)顯示器模擬傳統(tǒng)儀器的控制面板，由用戶設(shè)計(jì)虛擬面板，以多種形式表達(dá)輸出檢測(cè)結(jié)果，并利用計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的軟件功能實(shí)現(xiàn)信號(hào)的分析、運(yùn)算和處理——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(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)，從而使計(jì)算機(jī)具有各種測(cè)試功能。此類虛擬儀器的功能極為強(qiáng)大，配合NationalInstrument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?yàn)樾枰嫒萑鏡S485等大量專業(yè)儀表通訊標(biāo)準(zhǔn)，只能通過(guò)包含大量不同接口的插入式板卡與計(jì)算機(jī)進(jìn)行通訊，所以其體積較大，非常不便于攜帶和移動(dòng)測(cè)量所用。且傳統(tǒng)虛擬儀器系統(tǒng)為滿足幾乎萬(wàn)能的通用性和科研測(cè)量級(jí)別的精度要求，成本十分昂貴，并為提高虛擬系統(tǒng)的測(cè)量和功能范圍有需要用戶對(duì)虛擬面板和用戶界面進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)的問(wèn)題，對(duì)用戶需要有極高的專業(yè)知識(shí)要求，從而阻礙了虛擬儀器在非專業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用。當(dāng)前智能手機(jī)等智能移動(dòng)設(shè)備處理器的性能和功能正在快速提高，智能移動(dòng)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(dòng)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(shì)。如能實(shí)現(xiàn)通過(guò)由智能移動(dòng)設(shè)備的計(jì)算能力替代相對(duì)更加龐大和昂貴的個(gè)人電腦和工作站的效果，并簡(jiǎn)化通訊和數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，可有效降低使用成本，簡(jiǎn)化操作以便于滿足中低端市場(chǎng)領(lǐng)域中各種高精度低成本測(cè)量所需。當(dāng)前有很多利用智能移動(dòng)設(shè)備作為測(cè)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(cè)量和計(jì)算電路，僅將智能移動(dòng)設(shè)備作為附加的“易用型輸入-輸出界面”、更大容量的移動(dòng)數(shù)據(jù)儲(chǔ)存設(shè)備和連接因特網(wǎng)的擴(kuò)展功能模塊。然而此時(shí)，智能移動(dòng)設(shè)備只起到功能擴(kuò)展效果，測(cè)量設(shè)備本身依然需要依賴單片機(jī)或工控電腦(依測(cè)量種類和難度不同進(jìn)行選擇)處理核心測(cè)量數(shù)據(jù)，并沒(méi)有革命性的變化。這是因?yàn)椋Ｍ苯右灾悄芤苿?dòng)設(shè)備替代現(xiàn)有虛擬儀器的功能并實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)處理和輸出，當(dāng)前智能移動(dòng)設(shè)備的計(jì)算能力仍然不足。或者僅能對(duì)一些特殊信號(hào)做簡(jiǎn)單的附加處理，卻反而增加測(cè)量?jī)x器的成本和復(fù)雜性——如專利CN201510233390.1披露了一種胎心本文檔來(lái)自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
一種高精度低成本的電子測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于：包含傳感器模塊(1)、基本信號(hào)調(diào)理電路(2)、基本數(shù)據(jù)處理和通訊模塊(3)、特征碼存儲(chǔ)器(4)之類功能模塊；所述傳感器模塊(1)包含一個(gè)或若干個(gè)同類或不同類型傳感器及其安裝支架等附件，并可將電信號(hào)傳輸給基本信號(hào)調(diào)理電路(2)；所述基本信號(hào)調(diào)理電路(2)將電信號(hào)進(jìn)行基本調(diào)理操作后將信號(hào)傳輸至基本數(shù)據(jù)處理和通訊模塊(3)；所述特征碼存儲(chǔ)器等功能模塊(4)與基本數(shù)據(jù)處理和通訊模塊(3)相連接，并可由后者進(jìn)行數(shù)據(jù)讀取和寫(xiě)入。

【技術(shù)特征摘要】
1.一種高精度低成本的電子測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于：包含傳感器模塊(1)、基本信號(hào)調(diào)理電路(2)、基本數(shù)據(jù)處理和通訊模塊(3)、特征碼存儲(chǔ)器(4)之類功能模塊；所述傳感器模塊(1)包含一個(gè)或若干個(gè)同類或不同類型傳感器及其安裝支架等附件，并可將電信號(hào)傳輸給基本信號(hào)調(diào)理電路(2)；所述基本信號(hào)調(diào)理電路(2)將電信號(hào)進(jìn)行基本調(diào)理操作后將信號(hào)傳輸至基本數(shù)據(jù)處理和通訊模塊(3)；所述特征碼存儲(chǔ)器等功能模塊(4)與基本數(shù)據(jù)處理和通訊模塊(3)相連接，并可由后者進(jìn)行數(shù)據(jù)讀取和寫(xiě)入。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高精度低成本的電子測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于：所述的基本信號(hào)調(diào)理電路(2)部件盡可能精簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，僅提供放大和模數(shù)轉(zhuǎn)換等基本調(diào)理操作，同時(shí)精簡(jiǎn)或省略濾波等操作，以最大程度降低電路本身引入測(cè)量系統(tǒng)的額外誤差。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高精度低成本的電子測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于：所述的基本數(shù)據(jù)處理和...

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：趙文揚(yáng)，李影，
申請(qǐng)(專利權(quán))人：杭州睿恂唯信科技有限公司，
類型：發(fā)明
國(guó)別省市：浙江,33