一种实时自校准自诊断低温漂数据采集系统的制作方法

1.本发明涉及数据采集领域，具体地，涉及一种实时自校准自诊断低温漂数据采集系统。


背景技术：

2.对于测试工业现场的温度、压力、应变、振动、噪声、激波等多种物理信号的传感器在温度变化的情况下，输出量通常会发生与输入量无关的，不需要的变化，这一类变化产生漂移的增大了测量系统的测试误差。这种误差是多种误差的综合体，一直困扰着技术工程师，而无法完全有效的解决。这种误差一方面来源于传感器本身因温度变化引起的非线性误差，另外一方面来源于数采设备本身ad转换（模拟数字转换器）基准参考源的温度漂移误差和数采电路的温度漂移误差。
3.而现有的温漂修正系统均以建立传感器端的温漂数学模型，用在不同温度条件下的测量值作为温度补偿的标准，用非实时数字补偿的方式，降低温漂的影响。这些系统往往忽略本身参考源的温度漂移和数采电路的温度漂移误差，因此其测量精度相对较低。
4.本发明主要解决测试工业现场的温度、压力、应变、振动、噪声、激波等多种物理信号在环境温度变化的情况下，输出量与输入量产生无关变化的问题。这些随环境温度变化产生的无关变化就是系统的主要误差来源，这些误差主要体现在以下几个方面：1、多路开关的输入阻抗随温度变化产生的温漂误差；2、ad转换器的积分非线性(integral nonlinearity，inl)随温度变化产生的温漂误差；3、调理电路中仪表放大器的增益、输入偏置电流、输入失调电流随温度变化产生的温漂误差：采用仪表放大器搭建的信号调理电路，仪表放大器的误差是电路误差的重要来源，放大器的增益、输入偏置电流、输入失调电流等误差均与温度变化有密切的关系。
5.在数据采集系统中，上述多路开关的输入阻抗温漂误差、ad转换器的积分非线性(integral nonlinearity，inl)温漂误差以及仪表放大器的增益、输入偏置电流、输入失调电流的温漂误差共同作用下组成了系统的温漂误差。这些误差分布在采集系统的不同环节，它们相互作用、相互耦合使系统的温漂误差异常复杂，这些误差用普通的方法难以消除。


技术实现要素：

6.本发明目的为消除系统的误差，提高系统的精度。
7.为了实现上述发明目的，本发明提供了一种实时自校准自诊断低温漂数据采集系统，所述系统包括：多路复用器，用于对输入的标准直流电压信号或实时模拟信号进行通道的选择和切换，并将获得的标准直流电压信号或实时模拟信号输出至信号调理电路；信号调理电路，用于对标准直流电压信号或实时模拟信号进行调理获得调理后的标准信号或实时信号，并将调理后的标准信号或实时信号输出至模数转换器；
模数转换器，用于基于标准参考电压将调理后的标准信号或实时信号转换为标准数字信号或实时数字信号，并将标准数字信号或实时数字信号传输至数据处理器；数据处理器，用于对标准数字信号进行记录获得记录数据，基于记录数据对数据采集系统进行健康状态诊断并生成诊断结果；以及用于对标准数字信号进行拟合处理获得标准拟合曲线；以及用于基于所述标准拟合曲线对实时数字信号进行校准处理，获得校准后的数据作为系统采集数据；温控模块，用于对绝热保温模块进行温度控制使得电压参考源芯片的温度位于预设范围内；绝热保温模块，用于安装电压参考源芯片；电压参考源芯片，用于输出标准参考电压至模数转换器的参考电压端和分压处理模块；分压处理模块，用于对输入的标准参考电压进行分压处理获得若干大小不同的标准直流电压信号，标准直流电压信号用于输入多路复用器。
8.其中，本发明的原理为：申请人研究发现现有的温漂修正系统均以建立传感器端的温漂数学模型，用在不同温度条件下的测量值作为温度补偿的标准，用非实时数字补偿的方式，降低温漂的影响，但是这些系统往往忽略本身参考源的温度漂移和数采电路的温度漂移误差，因数据采集系统中需要使用到参考源和数采电路，而这两部分的温度漂移误差被忽视会导致最终系统的测量精度相对较低，本发明通过以下手段来解决上述问题：一方面，本系统设计了温控模块对绝热保温模块进行温度控制使得电压参考源芯片的温度位于预设范围内，这样使得电压参考源芯片处于一个稳定的温度状态，其输出的参考电压是稳定的，不会发生温度漂移误差，使得系统的参考源的精度上升，进而使得系统的精度得到了提高。
9.另一方面，申请人研究发现数据采集系统中的数采电路会产生温度漂移误差，为了解决这部分误差，本系统中设计了不受温度影响的参考电压，然后利用分压处理模块标准参考电压进行分压处理获得标准直流电压信号然后输入多路复用器、信号调理电路、模数转换器和数据处理器，实现数据采集系统的健康状态诊断，通过健康状态诊断结果能够判断系统是否健康，进而能够保障数据采集时系统处于健康状态，保障采集数据的准确性，以及对采集实时数字信号进行校准处理，进一步提高数据采集的精度。
10.优选的，所述预设范围为大于或等于84.8℃且小于或等于85.2℃。其中，选择该温度范围是因为在该温度范围下，芯片能够稳定的输出稳定的参考电压。
11.优选的，为了准确的对数据采集系统的健康状态进行判断，本系统采用以下方式将数据采集系统分为多种健康状态，数据处理器基于记录数据系统进行健康状态诊断并生成诊断结果，具体包括：数据处理器基于记录数据获得数据采集系统的参数随温度变化的实时变化特性信息；获得数据采集系统的参数随温度变化的标准变化特性信息；基于标准变化特性信息和实时变化特性信息获得综合变化误差；若综合变化误差小于或等于第一阈值，则判定数据采集系统为健康状态；若综合变化误差大于第一阈值且小于或等于第二阈值，则判定数据采集系统为亚
健康状态；若综合变化误差大于第二阈值且小于或等于第三阈值，则判定数据采集系统为不健康状态；若综合变化误差大于第三阈值，则判定数据采集系统为故障状态。
12.优选的，所述系统还包括电源模块，用于为所述电压参考源芯片供电，通过电源模块供电，利用电压参考源芯片处理输出相应的参考电压。
13.绝热保温模块还用于接收温控模块的控制信号对电压参考源芯片进行温控处理。由于电压参考源芯片的温度需要维持在预设范围内，在实际应用过程中由于环境的温度变化可能会使得绝热保温模块的温度发生变化，进而使得电压参考源芯片的温度出现波动，当出现上述情况时，如温度上升了则温控模块生成控制信号对电压参考源芯片进行降温处理，如温度下降了则温控模块生成控制信号对电压参考源芯片进行升温处理，在温度维持稳定时，温控模块生成控制信号对电压参考源芯片进行保温处理。
14.优选的，为了有效提高测量精度，所述标准拟合曲线采用以下公式进行表示：；其中：a、b和c均为常数，为根据标准拟合曲线得到的修正误差，为数据采集系统的采集值。
15.优选的，用于对输入的标准参考电压进行分压处理获得0mv、10mv、100mv、1v和5v的标准直流电压信号。
16.优选的，数据处理器采用以下公式基于所述标准拟合曲线对实时数字信号进行校准处理，具体为：其中，为校准后的数据，为数据采集系统的采集值，为根据标准拟合曲线得到的修正误差。
17.优选的，信号调理电路用于对标准直流电压信号或实时模拟信号进行滤波、放大或衰减调理。
18.优选的，所述系统还包括：生成单元，用于基于诊断结果生成诊断报告；传输单元，用于将所述诊断报告传输至预设终端。
19.其中，通常数据采集系统为无人数据采集系统或智能数据采集系统或远程数据采集系统，为了使得后端能够快速的获得数据采集系统的健康状态，本系统还设计了生成单元和传输单元，利用生成单元基于诊断结果生成诊断报告，然后利用传输单元将所述诊断报告传输至预设终端，实现了对数据采集系统的健康状态的远程监控。
20.优选的，所述系统还包括：报警单元，用于在数据采集系统被判定为亚健康状态或不健康状态或故障状态时进行报警，利用报警单元可以在系统处于异常状态时进行报警，及时通知人员进行处理，避免采集到不准确的数据影响后续系统使用。
21.本发明提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：本发明采用了电加热恒温控制的方式，能保持电压参考源芯片始终处于预设范围的工作环境，这样输出的基准电压就不受环境温度变化的影响，消除了电压参考源芯片的
温漂误差。而此信号作为系统自校准和自诊断的标准输入信号也无温漂误差，因此dsp采集到的数据误差来源只能是多路复用器、信号调理电路、ad转换器的温漂误差，这样系统就可根据该差值消除电路上的温漂误差从而实现自校准。
22.同时由于ad转换器采用的标准低温漂的参考电压作为模数转换的基准，这样又可消除基准电压的温漂误差。
23.在自校准过程中通过dsp中的实时自诊断单元，长期记录该型数据采集系统校准前的低点、增益、线性度、噪声等数据随温度的变化特性，并对这些变化特性和芯片技术规格书规定的温度数据特性进行比对，设定该型数据采集系统健康、亚健康、不健康、故障等状态的阀值。从而保证该型数据采集系统实现自诊断功能。
24.综上可实现在线实时自校准自诊断低温漂数据采集系统。
附图说明
25.此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本发明的一部分，并不构成对本发明实施例的限定；图1为一种实时自校准自诊断低温漂数据采集系统的组成示意图；图2为数据采集系统的数据采集流程；图3是本发明中系统自诊断的方法流程示意图；图4是本发明中数据处理单元计算获得拟合校准曲线的过程示意图；图5为绝热保温模块的结构示意图；其中，1-电路板，2-第一支架，3-第二支架，4-外壳，5-第一柔性加热器，6-第二柔性加热器，7-第一弹性元件，8-第二弹性元件，9-电压参考源芯片，10-电压参考源芯片引线，11-温度采集模块。
具体实施方式
26.为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。需要说明的是，在相互不冲突的情况下，本发明的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
27.在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述范围内的其他方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。
28.实施例一请参考图1，图1为一种实时自校准自诊断低温漂数据采集系统的组成示意图，系统包括多路复用器、信号调理电路、ad转换器、基于dsp的数据处理单元（包括实时自校准单元和实时自诊断单元）、电加热恒温控制模块、绝热保温模块、分压处理模块和电压参考源芯片，其中，多路复用器的数量可以为多个，具体根据实际的情况进行调整，多路复用器可以为n个，分别对应1个输入通道，包括1#输入通道至n#输入通道，n为大于1的整数。
29.多路复用器，用于完成外部输入信号通道的选择和切换；信号调理电路，用于完成通过多路复用器输入模拟信号的滤波、放大或衰减等，使得输入信号的范围满足ad转换要求；
ad转换器，用于将输入的模拟信号转换成数字信号，并将此数字信号传输至dsp数据处理器。
30.基于dsp的数据处理单元包括实时自校准单元和实时自诊断单元，接收ad转换器的采集数据，并对这些数据进行处理，完成采集数据的校准和系统的自诊断。
31.电加热恒温控制模块，用于对绝热保温模块进行恒温控制，使得内部电压参考源芯片温度始终保持在85℃左右。
32.绝热保温模块是电压参考源芯片的保温加热容器，接收电加热恒温控制模块的加热控制信号，使得内部电压参考源芯片温度始终保持在85℃左右。
33.分压处理模块，用于对该内部低温飘5v电压参考电源进行分压处理后，得到0mv、10mv、100mv、1v和5v低温漂标准直流电压信号源作为自校准的测试输入源。
34.本发明的数据采集系统具有内置低温漂电压参考源，利用低温漂电压参考源能够保障系统的参考电压稳定准确，进而保障系统的准确性。
35.并且利用低温漂电压参考源分压生成多个标准信号用于系统的健康诊断和校准，进一步降低了温漂带来的误差，提高了系统的准确性。
36.请参考图2，图2为数据采集系统的数据采集流程，本实施例中的数据采集系统通过以下步骤完成数据采集：（a）启动恒温控制模块对绝热保温模块进行加热。
37.（b）电加热恒温控制模块控制绝热保温处理模块，使其内部电压参考源芯片始终保持在84.8℃～85.2℃的环境内。
38.（c）启动数据采集系统中的其他器件。
39.（d）电压参考源芯片产生5v低温漂的参考电压，同时该标准电压作为ad转换器的转换基准。
40.（e）分压处理模块分别产生多种电压。
41.（f）标准信号经过多路复用器、信号调理模块、ad转换器完成数据采集。
42.（g）dsp长期记录该型数据采集系统校准前的零点、增益、线性度、噪声等数据随温度的变化特性，并对这些变化特性和芯片技术规格书规定的温度数据特性进行比对。完成系统的自诊断，综合误差小于或等于0.001%fs时判定为健康状态，综合误差大于0.001%fs且小于或等于0.003%fs时判定为亚健康状态，综合误差大于0.003%fs且小于或等于0.01%fs时判定为不健康状态，综合误差大于0.01%fs时判定为故障状态。自诊断的方法如下图3所示。
43.（h）dsp根据采集到的数据，计算拟合校准曲线，其过程如下图4所示，具体过程包括：（1）电压参考源芯片产生5v低温漂的参考电压；（2）分压处理模块分别产生0mv、10mv、100mv、1v、5v的标准直流电压；（4）标准电压经多路复用器进入过调理电路，在调理电路中完成信号的滤波、调理等处理；（5）ad转换模块将调理后的直流电压信号转换成数字信号；（6）dsp接收ad转换器的数据，根据以往的测试数据的经验分析，误差曲线综合运用最小二乘法结合二阶多项式的方式拟合，其拟合误差较小；
拟合方程式为：，其中：a、b、c均为常数；在实际应用中，本实施例进行了相应的测试，典型测试时生成的拟合曲线。该曲线方程为：，其拟合度为0.9946；结合实际测量经验，在电压为4000mv时的误差不会比5000mv时高，对二阶多项式进行修正，最终得到的拟合方程式为：。
44.（i）传感器将测试工业现场的温度、压力、应变、振动、噪声、激波等多种物理信号转换成模拟信号，并将该信号引入输入通道，多路复用器将这些信号连接到对应通道的信号调理电路。
45.（j）调理电路完成该模拟信号的滤波、衰减或放大。
46.（k）模拟信号进入ad转换器后，ad转换器采用5v低温漂的参考电压作为模数转换的基准，并将此模拟信号转换成数字信号。
47.（l）数字信号进入基于dsp的数据处理器中，dsp对这些数据进行分析、处理。dsp获取拟合校准曲线中对应的校准数据进行校准，进而实现较高精度的数据采集。校准的计算方式如下：；其中，为校准后的数据，为数据采集系统的采集值，为根据标准拟合曲线得到的修正误差。
48.典型测试时，数据采集系统采集的为1.53276v，根据计算可得，即。
49.（m）由于ad转换器参考电源也使用了同源的低温飘5v参考电源，并且在校准的过程中还根据温漂误差拟合曲线进行校准，从而保证该型数据采集系统的零点和增益的低温漂特性。
50.本发明通过对内部高精度、低噪声、低温漂5v电压参考源芯片进行绝热保温和电加热的闭环控制方法，对电压参考源芯片进行恒温控制，让内部电压参考源芯片温度始终保持在85℃，使该型数据采集系统内部参考源芯片保证在-40℃到80℃的环境使用温度范围内始终保持85℃恒温状态。从而使得数据采集系统内部参考电压保持低温飘特性。
51.实施例二在实施例一的基础上，本实施例二对温控模块和绝热保温模块进行详细的介绍，使得电压参考源芯片能够稳定的位于相应的温度范围内，其中，本系统中还包括电源模块，用于为电压参考源芯片供电。
52.其中，温控模块可以为处理器或芯片，其可以根据温度采集模块采集的温度数据对绝热保温模块中的加热器件的电源供电进行控制，进而实现对绝热保温模块内的温度控制。
53.其中，由于本系统的工作环境温度通常为-40℃到80℃，而电压参考源芯片的工作环境温度需要是85℃，因此绝热保温模块大多数时间都是处于加热的状态。
54.其中，请参考图5，图5为绝热保温模块的结构示意图，绝热保温模块包括：外壳4、第一支架2、第二支架3、第一柔性加热器5、第二柔性加热器6、若干第一弹性元件7、若干第二弹性元件8和温度采集模块11；其中，电压参考源芯片9安装在外壳内，外壳上设有用于电压参考源芯片引线10穿过的线孔，电压参考源芯片的引线穿过线孔后与电路板1上的连接端电性连接，第一支架的一端与外壳的一端固定连接，第一支架的另一端与电路板上的非电性连接端固定连接，第二支架的一端与外壳的另一端固定连接，第一支架的另一端与电路板上的非电性连接端固定连接，第一支架和第二支架将外壳架设在电路板上使得外壳与电路板之间形成间距，具体的间距大小可以根据实际需要进行调整，温度采集模块安装在绝热保温模块，用于对绝热保温模块内的温度进行采集，并将采集的温度信息传递给温控模块，第一柔性加热器的下表面与电压参考源芯片的上表面贴合，若干第一弹性元件均匀分布在第一柔性加热器上方，第一弹性元件下端与第一柔性加热器上表面连接，第一弹性元件上端与外壳内顶部连接，第二柔性加热器的上表面与电压参考源芯片的下表面贴合，若干第二弹性元件均匀分布在第二柔性加热器下方，第二弹性元件上端与第二柔性加热器下表面连接，第二弹性元件下端与外壳内底部连接。
55.其中，本实施例中绝热保温模块的结构、使用的加热方式和温控方式具有特殊的效果：因为并不容易实现对芯片的加热，芯片体积较小且安装在电路板上使用，现有技术中通常是对其安装的电路板整体进行加热，这样会导致电路板的温度较高，而电路板上分布了其他电路元器件，这些电路元器件长期在高温的状态下使用增加了损坏的风险，因此这种情况电路板经常坏需要频繁进行更换，为了解决这个问题，本发明将芯片单独进行加热，而芯片体积较小不易加热，为了解决这个问题，本发明使用了第一柔性加热器、第二柔性加热器，通过第一柔性加热器、第二柔性加热器分别对芯片进行贴合个夹持，然后上下表面贴合进行加热，使得加热效果良好，且第一柔性加热器、第二柔性加热器体积较小容易在电路上实现，不会使得系统体积过大。
56.进一步的，由于第一柔性加热器和第二柔性加热器均为柔性的，在使用过程其可能产生形变，导致其表面不能够与芯片表面进行良好的贴合，导致加热的效果不佳，为了解决这个问题，本发明设计了若干第一弹性元件和若干第二弹性元件分别从上下表面对第一柔性加热器和第二柔性加热器进行支撑，一方面可以对芯片进行支撑，另一方面由于第一弹性元件和第二弹性元件的挤压使得一柔性加热器和第二柔性加热器能够更好的与芯片贴合，增加柔性加热器与芯片的接触面积，保障更好的加热效果，使得芯片能够稳定的维持在预设的温度范围内。
57.其中，第一弹性元件和第二弹性元件可以采用具有弹性的材料，如弹簧或橡胶等等，且为了保障具有良好的支撑效果使得使得一柔性加热器和第二柔性加热器能够更好的与芯片贴合，通常第一弹性元件和第二弹性元件的原始长度要大于其安装宽度，即第一弹性元件的长度要大于第一柔性加热器上表面至外壳内顶部的距离，使得第一弹性元件在安装时呈压缩状态，第二弹性元件的长度要大于第二柔性加热器下表面至外壳内底部的距离，使得第二弹性元件在安装时呈压缩状态。
58.进一步的，为了保障芯片的加热效果同时避免对电路板造成影响，本发明采用了架空的思想，利用第一支架和第二支架将外壳架空，使得其与电路板分离，避免外壳的热量
直接传到电路板上对电路板造成影响。
59.为了进一步保障加热效果和降低对电路板的影响，外壳表面可以涂抹一层保温材料，使得外壳内的温度不易流失，也降低外壳对电路板工作环境温度的影响，具体的保温材料类型可以根据实际使用情况进行选择。
60.其中，温控原理为：电源通电为第一柔性加热器、第二柔性加热器供电，第一柔性加热器、第二柔性加热器通电产生热量为电压参考源芯片进行加热，然后通过温度采集模块采集外壳内的温度信息传递给温控模块，温控模块根据实时温度信息对第一柔性加热器、第二柔性加热器的加热进行控制，比如温度高了就降低加热温度，温度低了就升高加热温度，使得环境温度维持在相应的范围内。
61.温度采集模块可以是温度采集芯片或者温度传感器等，本发明实施例不进行具体的限定。
62.其中，传统的温度采集方式是温度采集模块直接与被测物体表面接触，虽然这样采集的被测物体温度是准确的，但是由于本实施例中为了保障加热效果，在芯片表面贴合了柔性加热器，使得温度采集模块无法直接采集到芯片表面温度，为了同样实现芯片温度的准确采集，本发明采用以下方式实现：首先建立一个温度模型，该温度模型反映的是温度采集模块采集的温度与芯片表面温度之间的曲线关系，该温度模型可以采用常用的数学模型实现，本发明实施例不进行具体的限定；然后对芯片进行加热到设定的芯片表面温度，然后采集此时的温度采集模块的数据，得到组若干芯片表面实时温度与温度采集模块之间的数组，利用这些数组对该温度模型进行修正得到修正后的温度模型；然后在实际应用中，只需要温度采集模块采集温度数据然后输入修正后的温度模块即可得到准确的芯片表面的实时温度数据，通过这种方式一方面可以避免直接对芯片进行温度采集，第二可以实现芯片温度的准确采集。
63.其中，第一支架和第二支架均设有一段隔热段，隔热段的外壳采用硬质橡胶可以保障第一支架和第二支架的强度，隔热段内可以填充隔热材料，避免外壳上的热量通过第一支架和第二支架传输到电路板对电路板造成影响，导致电路板温度过高，其中，第一支架和第二支架的外壳可以采用硬质橡胶制成，这样在保障支撑强度的同时可以防止静电对电路板造成影响，具体的隔热材料类型可以根据具体的实际使用情况进行选择。
64.其中，柔性加热器为薄而柔软的加热元件，可以将其连接到各种物体上以提供加热处理，恒定的温度以及从-80c到 230c以及更高的温度控制。通常的柔性加热器又细分为两个主要技术平台：蚀刻箔和基于导线的技术。普通的方式是层压在尼龙增强硅橡胶中的金属丝（编织在一起的金属丝或单股金属丝）。这些类型的加热器的厚度通常为零点几英寸，并在许多行业中有应用，由于硅橡胶具有出色的耐水性，因此可用于许多户外用途。蚀刻箔加热器是一种相对较新的技术，并用于更高级的热管理应用和/或厚度有限的安装中。本实施例中的柔性加热器可以根据实际的需要进行类型的选择。
65.尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。
66.显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。