虛擬儀器平臺嬰兒培養(yǎng)箱校準(zhǔn)試驗裝置設(shè)計

李 軍，王耀弘，張 雯，陳里里，曾志平

（1.重慶交通大學(xué)機(jī)電與汽車工程學(xué)院，重慶 400074；2.重慶市計量質(zhì)量檢測研究院，重慶 400074）

0 引 言

嬰兒培養(yǎng)箱可為早產(chǎn)兒和病嬰提供一個空氣清新、溫濕適宜、類似母體子宮的優(yōu)良環(huán)境[1]。其空間溫濕度可根據(jù)需要設(shè)定，如果培養(yǎng)箱操作不當(dāng)或示值不準(zhǔn)確，會對嬰兒造成傷害；因此，該設(shè)備的可靠性和安全性直接關(guān)系到嬰兒的身體健康和生命安全。目前，國內(nèi)外還沒有嬰兒培養(yǎng)箱校準(zhǔn)試驗裝置的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，生產(chǎn)該裝置的廠家也較少，多以美國FLUKE公司、中國測試研究院研制的為主。其中，美國FLUKE公司生產(chǎn)的INCUTM便攜式嬰兒培養(yǎng)箱分析儀，能同時檢測空氣流速、噪聲水平、溫度以及濕度4個參數(shù)。中國測試研究院研制的CDBI-3000無線嬰兒培養(yǎng)箱檢測儀在國內(nèi)應(yīng)用較廣，具有一次測量可獲得5點溫度參數(shù)和1點濕度參數(shù)的特點。本文結(jié)合JJF 1260——2010《嬰兒培養(yǎng)箱校準(zhǔn)規(guī)范》，設(shè)計基于虛擬儀器技術(shù)的嬰兒培養(yǎng)箱校準(zhǔn)試驗裝置，采用特殊設(shè)計的分項集成結(jié)構(gòu)，可同時獲得5點溫度參數(shù)、1點濕度參數(shù)、氧含量參數(shù)以及噪聲參數(shù)[2]。通過系統(tǒng)軟件的數(shù)據(jù)采集和計算分析，達(dá)到全自動校準(zhǔn)的目的，能夠滿足國內(nèi)目前使用的各類嬰兒培養(yǎng)箱計量檢測的需求[3]。

1 系統(tǒng)組成

本文研制了一套用于固定各測量探頭的模擬嬰兒形體位置的裝置，在實現(xiàn)分項同步校準(zhǔn)的同時，可更加真實反映出嬰兒培養(yǎng)箱的整體質(zhì)量狀況。以NI的LabVIEW虛擬儀器開發(fā)平臺為核心,實時同步采集并顯示嬰兒培養(yǎng)箱環(huán)境測試結(jié)果（包括溫度、氧含量、濕度以及噪聲值）。系統(tǒng)由硬件電路和Lab－VIEW圖形程序兩部分組成。通過各傳感器感知嬰兒培養(yǎng)箱環(huán)境并轉(zhuǎn)化為電信號，模擬電路主要完成對這些信號的濾波、放大等工作。嬰兒培養(yǎng)箱校準(zhǔn)試驗裝置系統(tǒng)框圖如圖1所示。其中，溫度模塊以數(shù)據(jù)采集卡采集溫度傳感器輸出的模擬信號并計算，通過RS485轉(zhuǎn)RS232接口與PC機(jī)通信；氧氣傳感器輸出信號由調(diào)理電路處理后，由數(shù)據(jù)采集卡采集4～20mA的電流，通過RS485轉(zhuǎn)RS232接口與PC機(jī)通信并由數(shù)據(jù)采集分析軟件分析計算；濕度采集模塊由傳感器和濕度變送模塊組成，通過RS485轉(zhuǎn)RS232接口與PC機(jī)通信；噪聲測量模塊由電容傳聲器、噪聲變送模塊、光耦隔離器組成，通過RS232與PC機(jī)通信[4-5]。

圖1 嬰兒培養(yǎng)箱校準(zhǔn)試驗裝置系統(tǒng)框圖

圖2 嬰兒培養(yǎng)箱校準(zhǔn)試驗裝置硬件

2 硬件設(shè)計

本系統(tǒng)硬件部分主要完成對嬰兒培養(yǎng)箱環(huán)境參數(shù)的獲取、放大、濾波等調(diào)理工作，需根據(jù)信號特點靈活地選用器件與設(shè)計電路。嬰兒培養(yǎng)箱校準(zhǔn)試驗裝置硬件如圖2所示。

2.1 傳感器選型

系統(tǒng)選用Pt100鉑電阻作為測溫元件。Pt100在氧化性介質(zhì)中，甚至高溫環(huán)境下物理、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，具有精度高、穩(wěn)定性好、性能可靠的特點，在中溫范圍內(nèi)應(yīng)用廣泛。英國Alphasense公司的氧氣傳感器（O2-A2）主要用于測量環(huán)境中氧氣氣體濃度，具有使用壽命較長、線性度高、易于保存等特點，符合項目使用要求。選用FLEX2000TH溫濕度模塊測量濕度，模塊集成瑞士SENSIRION生產(chǎn)的SHT系列的單芯片傳感器，該傳感器穩(wěn)定性高、響應(yīng)快、抗干擾能力強(qiáng)，在測量與檢測方面應(yīng)用廣泛。根據(jù)噪聲測量要求，選用AWA5636聲級計測量噪聲。AWA5636型聲級計是一種數(shù)字化、模塊化多功能聲級計，采用AWA14421型預(yù)極化測試電容傳聲器，使用數(shù)字檢波技術(shù)，具有可靠性高、穩(wěn)定性好、動態(tài)范圍寬的特點，可用于工業(yè)以及環(huán)境噪聲測量。

2.2 硬件關(guān)鍵部分選型和設(shè)計

選用ADAM-4000系列的ADAM-4015采集熱電阻輸入信號。ADAM-4000系列是通用的傳感器到計算機(jī)的便攜式接口模塊，能在惡劣的環(huán)境下工作。ADAM-4015是16位A/D 6通道熱電阻輸入模塊，通過標(biāo)準(zhǔn)RS485總線傳輸數(shù)據(jù)，可同時對大量測量點進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，精度可達(dá)到±0.1%或更高。根據(jù)O2-A2傳感器在20.9%氧氣濃度下輸出80～120μA的特點，設(shè)計氧氣測量模塊放大電路，在電路中添加可調(diào)電阻，使其輸出值在4～20mA。選用ADAM4017+采集氧氣傳感器輸入信號。ADAM4017+是16位A/D 8通道的模擬量輸入模塊，可以采集電壓、電流等模擬輸入信號，支持8路差分信號，還支持Modbus協(xié)議，具有4～20mA的輸入范圍。設(shè)計光耦隔離器避免干擾，其內(nèi)部采用高速光耦對RS-232信號進(jìn)行隔離傳輸，可以確保計算機(jī)不對聲級計的本底噪聲造成影響[6]。

3 軟件設(shè)計

利用LabVIEW可編程軟件中豐富的庫函數(shù)設(shè)計采集分析軟件，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時采集、分析、處理和顯示儲存等功能[7-8]。串行通信是計算機(jī)與其他設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)交換常用的方法之一。本系統(tǒng)中氧含量測量分項、溫度測量分項、濕度測量分項都是采用RS-485接口電路和應(yīng)用非常廣泛的ModBus協(xié)議，噪聲測量分項采用RS232通信協(xié)議。軟件系統(tǒng)包括系統(tǒng)設(shè)置、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)顯示、數(shù)據(jù)保存、數(shù)據(jù)輸出5部分。系統(tǒng)設(shè)置包括配置串口號，設(shè)置聲級計的時間計權(quán)、頻率計權(quán)、波特率等參數(shù)。數(shù)據(jù)分析包括模擬量代入數(shù)據(jù)矩陣求解、均值最值求解、數(shù)據(jù)補(bǔ)償?shù)?。?shù)據(jù)顯示包括顯示噪聲實時值、最值均值，以及5點溫度值、氧濃度值和濕度值。數(shù)據(jù)保存部分主要是按照格式要求保存數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)輸出是按照數(shù)據(jù)校準(zhǔn)記錄和要求輸出word文檔。系統(tǒng)前面板如圖3[9-10]所示。

4 實驗與分析

為了檢測系統(tǒng)的準(zhǔn)確度、重復(fù)性、穩(wěn)定性等參數(shù)，并檢驗設(shè)備是否符合JJF 1260——2010《嬰兒培養(yǎng)箱校準(zhǔn)規(guī)范》和GB 11243——2008《醫(yī)用電氣設(shè)備第2部分：嬰兒培養(yǎng)箱安全專用要求》，分別在恒定環(huán)境下測試各測量分項。首先采用兩點法校準(zhǔn)原理校準(zhǔn)噪聲測量模塊和濕度測量模塊。在標(biāo)準(zhǔn)恒定環(huán)境中檢測結(jié)果見表1。溫度作為關(guān)鍵測量參數(shù)，其數(shù)據(jù)按順序?qū)?yīng)表示1～5個檢測點的值。表中所有數(shù)據(jù)均是在多組所測數(shù)據(jù)中選取的有效值。統(tǒng)計分析數(shù)據(jù)，通過對各溫度測量點給與補(bǔ)償后能保證示數(shù)準(zhǔn)確；濕度測量模塊示數(shù)準(zhǔn)確，在允許誤差范圍內(nèi)，符合校準(zhǔn)要求。

表1 實驗測量數(shù)據(jù)

圖3 系統(tǒng)前面板

根據(jù)O2-A2氧氣傳感器線性特性標(biāo)定氧含量測量模塊。首先在濃N2（氧氣體積分?jǐn)?shù)0%）和氧氣體積分?jǐn)?shù)20.20%環(huán)境下調(diào)動可變電阻，使數(shù)值在合適范圍。計算求解，并獲得氧含量線性關(guān)系。將數(shù)據(jù)矩陣代入程序并檢測，從表1中可以看出誤差在允許范圍內(nèi)。噪聲測量模塊核心設(shè)備是AWA5636型聲級計，設(shè)備帶有示數(shù)功能。在單獨檢測該聲級計時，數(shù)據(jù)穩(wěn)定且示數(shù)準(zhǔn)確。通過帶RJ45接口的RS232傳輸線連接設(shè)備和PC機(jī)后，在高分貝區(qū)PC機(jī)示數(shù)不穩(wěn)定，在低分貝區(qū)示數(shù)不穩(wěn)定且波動大，誤差超出允許范圍。通過安裝連接光耦隔離器后，對數(shù)據(jù)進(jìn)行隔離傳輸后，檢測結(jié)果準(zhǔn)確。

5 結(jié)束語

本文設(shè)計的一種基于虛擬儀器平臺的嬰兒培養(yǎng)箱測控系統(tǒng)，是由基于RS-485接口和ModBus通信協(xié)議的氧分析測量模塊、濕度測量模塊和溫度測量模塊以及基于RS232通信協(xié)議的噪聲測量模塊組成。設(shè)計采用基于LabVIEW編程環(huán)境的校準(zhǔn)試驗系統(tǒng)具有很強(qiáng)的擴(kuò)展性，其分析結(jié)果可方便地進(jìn)行交流與共享。系統(tǒng)試驗結(jié)果表明，本設(shè)計采用的分項集成結(jié)構(gòu)，通過系統(tǒng)軟件的數(shù)據(jù)采集和計算分析，技術(shù)指標(biāo)及性能完全滿足嬰兒培養(yǎng)箱校準(zhǔn)規(guī)范的要求，且具有較高的測量精度及分辨率；同時其操作簡便、性能穩(wěn)定、重復(fù)測量能力強(qiáng)，具有良好的人機(jī)溝通能力。

為了提高檢測的準(zhǔn)確性和可靠度，系統(tǒng)可在傳輸線的信號干擾設(shè)計方面進(jìn)行完善，以避免檢測過程中信號干擾產(chǎn)生較大誤差；同時需在后續(xù)的設(shè)計中制定并完成校準(zhǔn)裝置的檢定規(guī)程。

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