虚拟仪器平台婴儿培养箱校准试验装置设计

李 军，王耀弘，张 雯，陈里里，曾志平

（1.重庆交通大学机电与汽车工程学院，重庆 400074；2.重庆市计量质量检测研究院，重庆 400074）

0 引 言

婴儿培养箱可为早产儿和病婴提供一个空气清新、温湿适宜、类似母体子宫的优良环境[1]。其空间温湿度可根据需要设定，如果培养箱操作不当或示值不准确，会对婴儿造成伤害；因此，该设备的可靠性和安全性直接关系到婴儿的身体健康和生命安全。目前，国内外还没有婴儿培养箱校准试验装置的统一标准，生产该装置的厂家也较少，多以美国FLUKE公司、中国测试研究院研制的为主。其中，美国FLUKE公司生产的INCUTM便携式婴儿培养箱分析仪，能同时检测空气流速、噪声水平、温度以及湿度4个参数。中国测试研究院研制的CDBI-3000无线婴儿培养箱检测仪在国内应用较广，具有一次测量可获得5点温度参数和1点湿度参数的特点。本文结合JJF 1260——2010《婴儿培养箱校准规范》，设计基于虚拟仪器技术的婴儿培养箱校准试验装置，采用特殊设计的分项集成结构，可同时获得5点温度参数、1点湿度参数、氧含量参数以及噪声参数[2]。通过系统软件的数据采集和计算分析，达到全自动校准的目的，能够满足国内目前使用的各类婴儿培养箱计量检测的需求[3]。

1 系统组成

本文研制了一套用于固定各测量探头的模拟婴儿形体位置的装置，在实现分项同步校准的同时，可更加真实反映出婴儿培养箱的整体质量状况。以NI的LabVIEW虚拟仪器开发平台为核心,实时同步采集并显示婴儿培养箱环境测试结果（包括温度、氧含量、湿度以及噪声值）。系统由硬件电路和Lab－VIEW图形程序两部分组成。通过各传感器感知婴儿培养箱环境并转化为电信号，模拟电路主要完成对这些信号的滤波、放大等工作。婴儿培养箱校准试验装置系统框图如图1所示。其中，温度模块以数据采集卡采集温度传感器输出的模拟信号并计算，通过RS485转RS232接口与PC机通信；氧气传感器输出信号由调理电路处理后，由数据采集卡采集4～20mA的电流，通过RS485转RS232接口与PC机通信并由数据采集分析软件分析计算；湿度采集模块由传感器和湿度变送模块组成，通过RS485转RS232接口与PC机通信；噪声测量模块由电容传声器、噪声变送模块、光耦隔离器组成，通过RS232与PC机通信[4-5]。

图1 婴儿培养箱校准试验装置系统框图

图2 婴儿培养箱校准试验装置硬件

2 硬件设计

本系统硬件部分主要完成对婴儿培养箱环境参数的获取、放大、滤波等调理工作，需根据信号特点灵活地选用器件与设计电路。婴儿培养箱校准试验装置硬件如图2所示。

2.1 传感器选型

系统选用Pt100铂电阻作为测温元件。Pt100在氧化性介质中，甚至高温环境下物理、化学性质稳定，具有精度高、稳定性好、性能可靠的特点，在中温范围内应用广泛。英国Alphasense公司的氧气传感器（O2-A2）主要用于测量环境中氧气气体浓度，具有使用寿命较长、线性度高、易于保存等特点，符合项目使用要求。选用FLEX2000TH温湿度模块测量湿度，模块集成瑞士SENSIRION生产的SHT系列的单芯片传感器，该传感器稳定性高、响应快、抗干扰能力强，在测量与检测方面应用广泛。根据噪声测量要求，选用AWA5636声级计测量噪声。AWA5636型声级计是一种数字化、模块化多功能声级计，采用AWA14421型预极化测试电容传声器，使用数字检波技术，具有可靠性高、稳定性好、动态范围宽的特点，可用于工业以及环境噪声测量。

2.2 硬件关键部分选型和设计

选用ADAM-4000系列的ADAM-4015采集热电阻输入信号。ADAM-4000系列是通用的传感器到计算机的便携式接口模块，能在恶劣的环境下工作。ADAM-4015是16位A/D 6通道热电阻输入模块，通过标准RS485总线传输数据，可同时对大量测量点进行数据采集，精度可达到±0.1%或更高。根据O2-A2传感器在20.9%氧气浓度下输出80～120μA的特点，设计氧气测量模块放大电路，在电路中添加可调电阻，使其输出值在4～20mA。选用ADAM4017+采集氧气传感器输入信号。ADAM4017+是16位A/D 8通道的模拟量输入模块，可以采集电压、电流等模拟输入信号，支持8路差分信号，还支持Modbus协议，具有4～20mA的输入范围。设计光耦隔离器避免干扰，其内部采用高速光耦对RS-232信号进行隔离传输，可以确保计算机不对声级计的本底噪声造成影响[6]。

3 软件设计

利用LabVIEW可编程软件中丰富的库函数设计采集分析软件，实现数据的实时采集、分析、处理和显示储存等功能[7-8]。串行通信是计算机与其他设备进行数据交换常用的方法之一。本系统中氧含量测量分项、温度测量分项、湿度测量分项都是采用RS-485接口电路和应用非常广泛的ModBus协议，噪声测量分项采用RS232通信协议。软件系统包括系统设置、数据分析、数据显示、数据保存、数据输出5部分。系统设置包括配置串口号，设置声级计的时间计权、频率计权、波特率等参数。数据分析包括模拟量代入数据矩阵求解、均值最值求解、数据补偿等。数据显示包括显示噪声实时值、最值均值，以及5点温度值、氧浓度值和湿度值。数据保存部分主要是按照格式要求保存数据。数据输出是按照数据校准记录和要求输出word文档。系统前面板如图3[9-10]所示。

4 实验与分析

为了检测系统的准确度、重复性、稳定性等参数，并检验设备是否符合JJF 1260——2010《婴儿培养箱校准规范》和GB 11243——2008《医用电气设备第2部分：婴儿培养箱安全专用要求》，分别在恒定环境下测试各测量分项。首先采用两点法校准原理校准噪声测量模块和湿度测量模块。在标准恒定环境中检测结果见表1。温度作为关键测量参数，其数据按顺序对应表示1～5个检测点的值。表中所有数据均是在多组所测数据中选取的有效值。统计分析数据，通过对各温度测量点给与补偿后能保证示数准确；湿度测量模块示数准确，在允许误差范围内，符合校准要求。

表1 实验测量数据

图3 系统前面板

根据O2-A2氧气传感器线性特性标定氧含量测量模块。首先在浓N2（氧气体积分数0%）和氧气体积分数20.20%环境下调动可变电阻，使数值在合适范围。计算求解，并获得氧含量线性关系。将数据矩阵代入程序并检测，从表1中可以看出误差在允许范围内。噪声测量模块核心设备是AWA5636型声级计，设备带有示数功能。在单独检测该声级计时，数据稳定且示数准确。通过带RJ45接口的RS232传输线连接设备和PC机后，在高分贝区PC机示数不稳定，在低分贝区示数不稳定且波动大，误差超出允许范围。通过安装连接光耦隔离器后，对数据进行隔离传输后，检测结果准确。

5 结束语

本文设计的一种基于虚拟仪器平台的婴儿培养箱测控系统，是由基于RS-485接口和ModBus通信协议的氧分析测量模块、湿度测量模块和温度测量模块以及基于RS232通信协议的噪声测量模块组成。设计采用基于LabVIEW编程环境的校准试验系统具有很强的扩展性，其分析结果可方便地进行交流与共享。系统试验结果表明，本设计采用的分项集成结构，通过系统软件的数据采集和计算分析，技术指标及性能完全满足婴儿培养箱校准规范的要求，且具有较高的测量精度及分辨率；同时其操作简便、性能稳定、重复测量能力强，具有良好的人机沟通能力。

为了提高检测的准确性和可靠度，系统可在传输线的信号干扰设计方面进行完善，以避免检测过程中信号干扰产生较大误差；同时需在后续的设计中制定并完成校准装置的检定规程。

[1]俞哗，金伟.婴儿培养箱的质控与研究[J].医疗卫生装备，2011，2（1）：110-111.

[2]JJF 1260—2010婴儿培养箱校准规范[S].北京：中国标准出版社，2010.

[3]GB 11243—2008医用电气设备 第2部分：婴儿培养箱安全专用要求[S].北京：中国标准出版社，2008.

[4]徐航明，叶蓓.多路RS-485板的开发与应用[J].中国修船，2013，26（5）：33-37.

[5]蒋程鹏，吕建敏.基于LabVIEW的脉搏测试仪[J].医疗装备，2009（10）：13-17.

[6]任彪，申立中，毕玉华，等.基于LabVIEW和ADAM4000模块的温度采集系统[J].仪器仪表用户，2003，15（3）：25-26.

[7]LabVIEW User Manual[M].National Instruments Corporation，2000：215-221.

[8]饶程，熊兴良，邹建，等.虚拟仪器技术及其在医学信号采集中的应用[J].医疗卫生装备，2004（3）：12-15.

[9]Regan L，Grogory M.Flux analysis ofmicrobialmetabolic pathways using a visual programming environment[J].J Biotechnol，1995，42（2）：151-161.

[10]辜卫国.基于基于无线数据传输的婴儿培养箱检测仪的设计[J].工程与实验，2012，52（3）：64-65.