CN205352438U - 一种高精度低成本的电子测量系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种高精度低成本的电子测量系统，属于电子测量仪器领域。本系统包含传感器模块、基本信号调理电路、基本数据处理和通讯模块、特征码存储器功能模块；所述传感器模块包含一个或若干个同类或不同类型传感器及其安装支架的附件，并将电信号传输给基本信号调理电路；基本信号调理电路将电信号进行基本调理操作后将信号传输至基本数据处理和通讯模块；所述特征码存储器功能模块与基本数据处理和通讯模块相连接，并可由后者进行数据读取和写入。本实用新型解决了现有电子测量系统无法兼顾成本、体积和测量精度三方面的矛盾，可用于制造独立的高精度电子测量仪器，也可用于各种不同设备中的高性能测量模块。

Description

一种高精度低成本的电子测量系统

技术领域

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

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。

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。

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。

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：1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。

为部分解决上述问题，美国宇航局1978年开发出智能传感器(IntelligentSensor)，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”(STIM)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。

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/T19634-2005，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，±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8.4～11.1mmoi/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——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。

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——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NationalInstrument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。

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，希望直接以智能移动设备替代现有虚拟仪器的功能并实现数据实时处理和输出，当前智能移动设备的计算能力仍然不足。或者仅能对一些特殊信号做简单的附加处理，却反而增加测量仪器的成本和复杂性——如专利CN201510233390.1披露了一种胎心仪，可将的胎心信号通过音频接口输入到智能移动设备中，智能移动设备仅用于对单位时间内的胎心音频数量进行简单滤波后计数，然而胎心仪仍需要具备提供独立工作的全部硬件电路，还需额外增加音频输出口，此时智能移动设备实质上是作为免去用户掐秒表操作和防止误听数错的自动计数器之用，作为额外的附加功能模块反而增加了胎心仪进行音频转换和输出的成本和复杂性，而且用音频接口将数据传递给智能移动设备的方案并没有通用性。所以有必要研究如何在传统的测量仪器中充分利用智能移动设备设备的计算能力以降低系统成本的方案，并降低该方案对智能移动设备的性能要求并提高该方案对于不同测量仪器设备的适用性。

发明内容

本实用新型的目的在于提供一种高精度低成本的电子测量系统，以解决传统电子精密测量设备存在的测量精度、成本、体积等参数相互限制，使高精度电子测量系统难以普及推广的问题。

为实现上述目的，本实用新型的技术方案为：一种高精度的低成本电子测量系统，包含传感器模块、基本信号调理电路、基本数据处理和通讯模块、特征码存储器等功能模块，通过将非必须和较复杂的信号调理工作转移给性能强大的智能移动设备处理器进行处理，以简化信号调理的硬件电路，并保障和提高最终的测量精度。

所述的传感器模块包含一个或者多个同类或不同传感器，将所需检测的参数转化为电信号，再传输给基本信号调理电路中所对应的处理电路对信号进行基本的放大、滤波、A/D转换、I/F转换、V/F转换等调理操作。并将调理后的信号传递给基本数据处理和通讯电路。

所述的基本数据处理和通讯模块包含基于单片机或PLC等为核心的，具有简单数据处理功能的计算模块，并可读取特征码存储器中所存储的数据，同时还具备通讯模块，可根据实际需要和成本控制，选用通过标准的USB协议、WIFI协议、Zigbee协议或蓝牙协议将计算后的数据与智能移动设备进行通讯。

此时，通过智能移动设备强大的计算和存储能力，基本调理电路所无法消除的信号误差、噪音和干扰数据可以通过专门的软件进行消除。此外，传感器和基本信号调理电路固有的“测量值与信号值之间的非线性度”和其他误差可由储存在特征码存储器中的，由厂家出厂前和使用中经过精确校正的特征码校正表或校正函数予以消除。从而得到了不依赖传感器及调理电路硬件精度及元件一致性，并能在低成本下实现高精度的测量功能。尤其值得一提的是，智能移动设备平台的编程相对于传统单片机的低级语言——如汇编语言和C语言，和极为专业的虚拟仪器编程语言Labview、LabWindows等必须要由行业专家进行编程和优化的情况来说，基于安卓、IOS或WP等智能移动平台的编程软件和编程平台通用性更强，学习人数更多，这就大幅度降低了针对于低成本产品的专用程序开发的难度和成本，并可通过大量普通程序员甚至业余程序员的协作将产品开发速度提高数倍甚至数十倍。

此外，本实用新型将传感器的数据处理转移到智能移动设备的处理器上，不但降低了单个高精度测量系统的成本，而且由于在绝大部分应用(如空气净化器所需的室内PM2.5数值、用户的血糖检测数值、血压数值、厨房烹饪时的油烟和燃气等还原性气体浓度、生产线某工上位单个零件的特定尺寸测量数据等等)中用户不需要以极高的采样频率连续不问断测量某些数据，所以多个基于本实用新型的同类或者不同的测量设备或测量系统只要采用了相同的数据传输协议，辅以具备分时处理功能的通用处理程序，可实现由单个智能移动设备接受、处理和转发大量不同设备测得的数据的效果，从而极大降低整个智能家居、单个实验室或一部分生产线上高精度测量系统的构建成本。这是因为智能手机和平板电脑等智能移动设备几乎成了家庭标配，而且其计算能力足以通过分时计算承担多个测量系统的管理工作。

本实用新型的有益效果：通过用软件替代大部分信号调理电路的工作，在保证和提高测量精度的前提下显著降低了电子测量系统的成本，并利用通用的智能移动设备开发平台，大幅度简化了专用软件的开发难度，并可实现由单一智能移动设备对大量互不相干的不同类型测量系统进行统一监控和数据采集的目的，以适应智能家居互联化转型或基于工业互联网的智能化生产等领域所需。

附图说明

图1是本实用新型专利的系统构成示框图。

图中，1传感器模块，2基本信号调理电路，3基本数据处理和通讯模块，4特征码储存器，5智能移动处理器模块。

具体实施方式

如图1所示，传感器模块1在测量中，将一个或多个传感器测得的电信号传递到基本信号调理电路2中。基本信号调理电路2在对传感器模块1的信号做最基本的放大和转换后即将信号送到基本数据处理和通讯模块3进行进一步的采样和准备传输。此时，尽可能简化和减少基本信号调理电路2对信号进行调理工作的原因是因为，任何传感器信号调理电路在对信号完成放大、整形或转换，或者滤除特定噪音的主要目标时自身必然带来新的误差，这实质上是在增加后续软件运算中，系统误差中的变量数量。除了增加硬件成本外，对于后续的信号软件计算处理来说也是不利的。

经过放大等基本调理工作后的信号，可通过基于单片机或PLC等为核心的基本数据处理和通讯模块3将其转化为数字信号，通过标准的USB协议、WIFI协议、Zigbee协议或蓝牙协议将计算后的数据与智能移动设备进行通讯。在传播测量数值信号的同时，基本数据处理和通讯模块3还能从特征码储存器4读取1传感器模块1和基本信号调理电路2组成的电路系统整体特征码表或简单的校正函数同时传输给智能移动处理器模块5，以供智能移动处理器模块5通过软件校正测量数据和得出准确数据的计算所需。所述智能移动处理器模块5可以是基于移动智能处理器芯片组建的：独立的智能手机、智能平板电脑或便携型专用控制系统；也可以是集成于本测量仪器内的上位机控制系统；也可以是安装在本设备外的，用于控制多个采用类似数据传输协议的同类或不同类测量设备的数据处理中心等。因此，本实用新型即可用于独立的测量仪器设备，也可用作为整体智能家居或工业互联网生产控制系统中的一个组成部分。

需指出，增设独立的特征码储存器4后，本系统保证测量精度的方法从生产上就与传统电子测量仪器发生了变化。传统电子测量系统，需要从每一个电路每一个环节保障测量和数据处理的精度，对设备内每一个电子元件的精度都有很高的要求，此时设计往往只能偏向精度，或者偏向成本、体积和便携性等对立性能参数。对于本实用新型的系统来说，厂家可以将传感器模块1，基本信号调理电路2和基本数据处理和通讯模块3整体对测量信号的影响从整体上视为一个独立的黑箱，实际被测数值与黑箱给出的数据之间的差异，则可以在厂家出厂前，通过更高精度的标准测量仪器(一般要求为校准和标定用设备的基本误差6小于产品误差的1/5到1/10)测量若干个测量区间中的标准校核点(取样点得数量取决于产品精度要求)，对黑箱系统测量后的输出数据进行对比，即可得到黑箱系统的输出值与真值之间的较高分段密度的插值数据表或简单的修正函数，并写入特征码储存器4。实际使用中智能移动处理器模块5通过对应的软件，获得特征码储存器4中储存的特征码表或修正函数后，很容易通过插值、最大似然估计法或最小二乘法等数值处理方法，得出黑箱系统当前的输出值对应的准确测量值，这对于非等精度的测量系统特别有价值。利用智能移动处理器模块5具备相对于单片机系统而言处理速度快得多，及海量内存中可暂存大量数据的优点，本实用新型还可以通过大规模的反复采样消除随机性系统误差。同时，特征码还可以向正在智能移动处理器模块5上运行的软件传输本设备的识别编码、精度等级、调用软件中何种数据库、采用何种计算公式(如常用的最小二乘数据拟合法，或分段多项式插值法等)和运算模块，使得单个程序可以用于控制，读取和算出不同类型的电子测量产品的测量值，也可以让软件轻易排除偏离真值范围较大的粗大误差。这就实现了厂家对电子测量产品的出厂精确校准和标定。因本实用新型的测量产品将全部误差统一在一个黑箱中，消除了系统累积误差，所以此标定精度基本上不受传感器和其他电路中电子元件本身的精度和批次误差的干扰，从而在降低元器件成本和提高产品合格率的同时，保证了产品相对常规测量仪器具备更高的测量精度。当然，厂家也可因精度和成本要求变化，沿用采用严格筛选各传感器和电子元件性能参数稳定性的方法来减少出厂标定的工作量。相对于完全依赖软件处理的虚拟仪器而言，在测量系统中引入特征码储存器4，利用测量仪器设备出厂前标定时将真值与测量系统的输出值之间的插值数据等写入特征码储存器4，可以极大简化软件处理工作。这使得本实用新型的系统相对虚拟仪器的模式，更适合与处理器性能比个人电脑低几个数量级的移动处理器进行对接。

此外，相对于依赖硬件电路保障测量精度的测量系统来说，本实用新型的测量系统具备可以在使用中方便随时校正的优点。举例来说，采用本实用新型原理制造的血糖仪，当用户认为或怀疑长期使用后仪器因为电子元件老化等原因造成准确度降低时，可向生产厂家或销售商申请或购买若干标定有标准血糖数值的校正试纸，对血糖仪进行工人校正和重新标定，将若干校正点的校准数据输入APP，再由智能移动处理器模块5写入特征码储存器4，从而恢复，甚至得到比出厂时更高的测量精度——此时提高测量精度就可作为厂家的增值服务。体脂测量仪的校准方法类似，用若干标准阻抗模块校准即可。此时，在APP上进行校准操作，比起智能传感器或者专业测量仪器需要专用的编程器和输入写入终端来说方便得多，也不需要行业专家进行编程操作。

作为优选，本实用新型的产品可在基本信号调理电路2中可与一个或者若干个简单的，具备完全的信号调理功能的调理电路进行平行捆绑，以便于产品在脱离智能移动处理器模块5参与信号处理的情况下，实现较低精度的基本测量功能，或者完成温度测试以实现温度漂移校正等功能。这可以使产品实现拥有快速测量和高精度测量两方面的功能。举例说，设计一个可用于测量体重，和利用生物电阻抗法测量体脂率的多功能电子称，因为体重测试电路和电子元件技术成熟，成本较低，则可完整构建对应体重测试所需的基本信号调理电路2中相应电路，而精确测量体脂率测试所需的信号调理和校正电路过于复杂，则可简化其对应的基本信号调理电路2中相应电路，将尽可能多的信号调理和校正工作转移到智能移动处理器模块5。

作为优选，对于某些测量精度受温度影响较大的测量设备，可在传感器模块1中增设温度传感器，并将传感器模块1，基本信号调理电路2和基本数据处理和通讯模块3这三者所构成的黑箱系统的温度漂移修正值或温度漂移函数写入特征码储存器4，以排除温度变化对测量精度的影响。

需指出，本实用新型中，说明书和说明书附图中所列举的实施例仅用于形象说明和披露技术方案。对于说明书中的一种可行技术方案的实施例，同行业技术人员很容易通过无创造性的局部改变对实施例进行等同替代。因此本实用新型的保护范围不限于说明书中的描述，而应以权利要求书为准。

Claims (4)

1.一种高精度低成本的电子测量系统，其特征在于：包含传感器模块(1)、基本信号调理电路(2)、基本数据处理和通讯模块(3)、特征码存储器(4)功能模块；

所述传感器模块(1)包含一个或若干个同类或不同类型传感器及其安装支架的附件，并可将电信号传输给基本信号调理电路(2)；所述基本信号调理电路(2)将电信号进行基本调理操作后将信号传输至基本数据处理和通讯模块(3)；所述特征码存储器(4)功能模块与基本数据处理和通讯模块(3)相连接，并可由后者进行数据读取和写入。

2.根据权利要求1所述的一种高精度低成本的电子测量系统，其特征在于：所述的基本信号调理电路(2)部件采用精简化设计，仅提供放大和模数转换的基本调理操作电路，同时精简或省略滤波操作电路，以最大程度降低电路本身引入测量系统的额外误差。

3.根据权利要求1所述的一种高精度低成本的电子测量系统，其特征在于：所述的基本数据处理和通讯模块(3)包含微控制单元MCU或PLC，以及蓝牙、Zigbee或Wi-Fi的无线数据传输模块，以便于和智能移动设备进行通讯和数据交换，起到网络适配器功能；此外基本数据处理和通讯模块(3)也能将从移动智能设备获取的数据和校正和控制代码写入特征码存储器(4)，即起到数据读写控制器功能。

4.根据权利要求1所述的一种高精度低成本的电子测量系统，其特征在于：所述的特征码存储器(4)是掉电后数据非易失，耐频繁读写的EEPROM或FLASHROM芯片，储存有电子测量系统与APP通讯识别所需的电路系统整体特征码表作为测量系统的身份验证描述信息，以供APP收到调理转换后的传感器信息并进行处理时，选择合适的计算模型；特征码存储器(4)中还储存有数据校正特征码表格或校正函数；且上述特征码存储器(4)中储存数据均可通过基本数据处理和通讯模块(3)寻址并传输给智能移动设备内的APP进行处理。