針對抗血栓壓力循環裝置的檢測需求,設計開發了一套測試系統,并實現了一種壓力傳感器精度測定的新方法。該方法基于人機交互測試模塊,實現了信號多路控制和多路采集功能,并采用線性插值對實驗中各測試點進行了多項式擬合,得到了壓力傳感器的精度系數。結果表明,本測試系統可方便高效地完成對待測壓力傳感器的精度測試,能有效地校準其參數,使待測壓力傳感器能準確地用于抗血栓壓力循環裝置中,推廣和應用前景良好。
引用本文： 周勛, 崔海坡, 尚昆, 李哲龍, 程恩清. 抗血栓壓力循環裝置測試系統設計. 生物醫學工程學雜志, 2014, 31(1): 192-195. doi: 10.7507/1001-5515.20140037 復制
引言
深靜脈血栓形成(deep venous thrombosis，DVT)是臨床常見的疾病，尤其是下肢DVT[1]。DVT威脅患者的生命，其后遺癥嚴重影響患者的工作能力，甚至致殘。針對DVT的形成機制制，本項目組開發了一套抗血栓壓力循環系統，能夠按照預定的模式，為與其聯接的氣囊間歇性供氣，使包裹在氣囊內的下肢和足底靜脈受壓，從而增加靜脈回流，減少血液淤滯，達到預防和治療下肢深靜脈栓塞的效果[2-4]。在該套系統中，氣體壓力是核心參數之一，其控制精度將直接影響到治療效果、患者安全、設備和系統的工作準確性等性能指標。因此，對抗血栓壓力循環系統的壓力進行檢測是至關重要的。
隨著現代新科技的快速發展，壓力測試技術也呈現出日新月異的景象，各種測試方法和技術層出不窮。總體而言，壓力檢測主要有液柱式、機械式和電測式等3種方法。其中，電測式是將壓力變化引起的物理量變化通過壓力傳感器轉換為電量來測量，因而具有很高的響應速度、智能性和敏感性。傳感器的標定是其應用的基礎。通常采用實驗方法來獲得傳感器真實的性能特性并進行標定，其標定精度將直接影響傳感器使用時的測量精度[5-6]。
本文開發了一套壓力測試系統，以計算機為控制核心，通過傳感器組件實現壓力信號采集、轉換與顯示功能。以西門子壓力傳感器QBE2002作為精密壓力傳感器，以霍尼韋爾壓力傳感器作為待測壓力傳感器，通過多次實驗測量，分析了人機交互測試系統對傳感器實時壓力測定的過程及結果。實驗表明，該系統可方便高效地完成待測壓力傳感器的精度測試，從而有效地校準其參數，使待測壓力傳感器能準確地用于抗血栓壓力循環裝置中，推廣和應用前景良好。
1 系統結構
本文開發的測試系統結構框圖如圖 1所示，由三大部分組成：
圖1
測試系統結構框圖
Figure1.
Structure flowchart of testing system
(1) 氣源與管路系統：氣源包括氣泵電機、電源等裝置；空氣管路系統采用四通接頭將傳感器與主氣路相連接，通過三通接頭連接蓄壓瓶、放氣裝置與氣路等；
(2) 傳感器系統：由精密壓電式壓力傳感器和待測壓力傳感器組成；
(3) 壓力測試與顯示系統：該系統以計算機為控制核心，包括測量顯示組件，由主控模塊、總線接口模塊、電源模塊和人機交互模塊四部分組成。主控模塊由集成電路構成，為設備的控制核心，包含CPU；總線接口模塊可實現總線電平轉換；電源模塊可為測試系統各部分提供高壓工作電源，同時為內部電路提供合適電源；人機交互模塊通過USB接口芯片上的USB接口連接PC機、顯示器和鍵盤，以實現簡單易行的操作。該測試系統可同時進行多參數的顯示，如圖 2所示。
圖2
多參數顯示界面
Figure2.
Multi-parameter display interface
2 系統控制原理
系統控制原理框圖如圖 3所示。上位機PC與數據采集系統連接，發出控制信號，接收精密壓力傳感器和待測壓力傳感器反饋信號，進行壓力值計算并判斷其差異；信號調理電路分別與數據采集系統、電源電路、精密壓力傳感器以及待測壓力傳感器相連接[7]。在測定待測壓力傳感器的精度時，連接好測試系統，當通電充氣時，標準壓力傳感器與待測壓力傳感器同時檢測氣體壓力，反饋信號為儲氣罐壓力信號；信號進行調理后，送到數據采集處理系統。該系統通常是獲取電壓信號，不同的電壓對應不同的壓力值，據此可計算出待測壓力傳感器的相應性能指標。試驗數據保存至PC機，并通過人機界面與操作員交互。
圖3
系統控制原理框圖
Figure3.
System control principle
3 系統軟件算法設計
本系統利用氣泵裝置產生的壓力作為輸入量，輸入待測壓力傳感器和精密壓力傳感器的氣體壓力值，以精密壓力傳感器作為對應真值的參考值(實際有誤差)，進行氣體壓力數據采集。由于每次采集的時間存在誤差，因此需先將兩傳感器的輸出量與輸入的標準參數進行線性插值[8]，從而可獲得一系列校準數據或曲線。本文采用線性插值中的多項式函數擬合形式[9]，一般地，設f(x)的近似函數為p(x)，則
| $p\left( x \right)={{a}_{0}}+{{a}_{1}}x+{{a}_{2}}{{x}^{2}}+{{a}_{n}}{{x}^{n}}+L,$ |
式中a0、a1、a2、an分別為其對應未知量x不同次數前的系數，L為多項式函數的修正系數。
尋求a0、a1、a2、an、L，使得
| $S({{a}_{0}},{{a}_{1}},{{a}_{2}},{{a}_{n}},L)=\sum\limits_{k=1}^{m}{{{\left( p\left( {{x}_{k}} \right)-{{y}_{k}} \right)}^{2}}}=\min $ |
則稱函數p(x)為函數f(x)的最優近似函數，且a0、a1、a2、an、L滿足下列方程組：
| $\sum\limits_{j=1}^{n}{\sum\limits_{i=1}^{n}{x_{i}^{j=l}}{{a}_{j}}=\sum\limits_{i=1}^{m}{x_{i}^{j}{{y}_{i}}}}$ |
上述式中，p(xk)為二次擬合曲線對應x的值，yk為目標方程對應x的標準值，min表示取值最小，l=0,1,2,L,n。
設定若干可選擇的量程，并根據需要將壓力傳感器全量程(測量范圍)分成若干等間距，獲取一組標準參數數據，將待測壓力傳感器的取值設定為x，精密壓力傳感器的取值設定為y，對于每一個參數，精密壓力傳感器與待測壓力傳感器同時動態實時采集數據，并分別記錄下與各輸入值相對應的兩個壓力傳感器的輸出值，然后采用上述二次多項式擬合公式將x和y擬合成一條曲線，即可得到以誤差最小原則作為“最優”標準構造的逼近函數曲線方程[10]，然后將設定的標準參數數據作為新的x，代入式(1) ，得出其一系列的p(x)值，將其與從目標方程y(x)=x中得出的相應標準參數點y(x)進行直線擬合，從而得到待測壓力傳感器校準直線的偏差、擬合斜率和誤差。如誤差大于2.0%，則需多次重復測量。
4 實驗結果與分析
本測試系統所用的精密壓力傳感器為西門子壓力傳感器，型號為QBE2002，待測壓力傳感器為霍尼韋爾壓力傳感器，測試環境溫度設定為25℃，測試的相對濕度設定為40%~60%RH，保證實驗臺干凈整潔。
選擇量程250 mm Hg，采集6個點，所采集的實驗數據如表 1所示，其中，k為試驗次序，x0為標準參數點，x為待測壓力傳感器的采集值，y為精密壓力傳感器的采集值。
表1
實驗數據
Table1.
Testing data
根據式(1) ，令n=2，k=6，將其用二次多項式函數擬合成曲線如圖 4所示，并可得：
| $P\left( x \right)=-6.615\text{ }4+1.102\text{ }1x+0.000\text{ }2{{x}^{2}}$ |
圖4
壓力傳感器的擬合曲線
Figure4.
Fitting curve of pressure sensor
由式(2) ，可得擬合曲線的均方誤差為：
| $S\left( {{a}_{0}},{{a}_{1}},{{a}_{2}} \right)=\sum\limits_{k=1}^{6}{{{\left( p\left( {{x}_{k}} \right)-{{y}_{k}} \right)}^{2}}=}0.9973$ |
將x0標準參數點代入擬合曲線，可得對應的p(x)值，如表 2所示。
表2
直線擬合數據
Table2.
Line fitting data
將得到的p(x)值作為新的自變量，與目標方程y(x)=x中的y(x)進行線性擬合，所得直線擬合曲線如圖 5所示。根據圖 5，可得二次擬合的p(x)值與標準y(x)值之間的校準直線為y=4.868 2+0.948 7x，即待測壓力傳感器校準直線的偏差為4.868 2，斜率為0.948 7，誤差為1.9%(小于2.0%)，符合要求，故無需重復測量。
圖5
壓力傳感器的校準曲線
Figure5.
Calibration curve of pressure sensor
5 結論
本文針對抗血栓壓力循環裝置開發了一套壓力測試系統，采用了動態測試方案，對壓力傳感器精度參數進行檢測。該系統為多參數顯示，人機交互界面良好，便于操作。為了驗證系統的可靠性，以霍尼韋爾壓力傳感器作為待測傳感器進行了實驗測定，采用線性插值多項式進行數據處理，測定結果符合設計要求，表明本測試系統可方便高效地完成對待測壓力傳感器的精度測試，從而能有效地校準其參數，使待測壓力傳感器能準確地用于抗血栓壓力循環裝置中，該測試系統推廣和應用前景良好。
引言
深靜脈血栓形成(deep venous thrombosis，DVT)是臨床常見的疾病，尤其是下肢DVT[1]。DVT威脅患者的生命，其后遺癥嚴重影響患者的工作能力，甚至致殘。針對DVT的形成機制制，本項目組開發了一套抗血栓壓力循環系統，能夠按照預定的模式，為與其聯接的氣囊間歇性供氣，使包裹在氣囊內的下肢和足底靜脈受壓，從而增加靜脈回流，減少血液淤滯，達到預防和治療下肢深靜脈栓塞的效果[2-4]。在該套系統中，氣體壓力是核心參數之一，其控制精度將直接影響到治療效果、患者安全、設備和系統的工作準確性等性能指標。因此，對抗血栓壓力循環系統的壓力進行檢測是至關重要的。
隨著現代新科技的快速發展，壓力測試技術也呈現出日新月異的景象，各種測試方法和技術層出不窮。總體而言，壓力檢測主要有液柱式、機械式和電測式等3種方法。其中，電測式是將壓力變化引起的物理量變化通過壓力傳感器轉換為電量來測量，因而具有很高的響應速度、智能性和敏感性。傳感器的標定是其應用的基礎。通常采用實驗方法來獲得傳感器真實的性能特性并進行標定，其標定精度將直接影響傳感器使用時的測量精度[5-6]。
本文開發了一套壓力測試系統，以計算機為控制核心，通過傳感器組件實現壓力信號采集、轉換與顯示功能。以西門子壓力傳感器QBE2002作為精密壓力傳感器，以霍尼韋爾壓力傳感器作為待測壓力傳感器，通過多次實驗測量，分析了人機交互測試系統對傳感器實時壓力測定的過程及結果。實驗表明，該系統可方便高效地完成待測壓力傳感器的精度測試，從而有效地校準其參數，使待測壓力傳感器能準確地用于抗血栓壓力循環裝置中，推廣和應用前景良好。
1 系統結構
本文開發的測試系統結構框圖如圖 1所示，由三大部分組成：
圖1
測試系統結構框圖
Figure1.
Structure flowchart of testing system
(1) 氣源與管路系統：氣源包括氣泵電機、電源等裝置；空氣管路系統采用四通接頭將傳感器與主氣路相連接，通過三通接頭連接蓄壓瓶、放氣裝置與氣路等；
(2) 傳感器系統：由精密壓電式壓力傳感器和待測壓力傳感器組成；
(3) 壓力測試與顯示系統：該系統以計算機為控制核心，包括測量顯示組件，由主控模塊、總線接口模塊、電源模塊和人機交互模塊四部分組成。主控模塊由集成電路構成，為設備的控制核心，包含CPU；總線接口模塊可實現總線電平轉換；電源模塊可為測試系統各部分提供高壓工作電源，同時為內部電路提供合適電源；人機交互模塊通過USB接口芯片上的USB接口連接PC機、顯示器和鍵盤，以實現簡單易行的操作。該測試系統可同時進行多參數的顯示，如圖 2所示。
圖2
多參數顯示界面
Figure2.
Multi-parameter display interface
2 系統控制原理
系統控制原理框圖如圖 3所示。上位機PC與數據采集系統連接，發出控制信號，接收精密壓力傳感器和待測壓力傳感器反饋信號，進行壓力值計算并判斷其差異；信號調理電路分別與數據采集系統、電源電路、精密壓力傳感器以及待測壓力傳感器相連接[7]。在測定待測壓力傳感器的精度時，連接好測試系統，當通電充氣時，標準壓力傳感器與待測壓力傳感器同時檢測氣體壓力，反饋信號為儲氣罐壓力信號；信號進行調理后，送到數據采集處理系統。該系統通常是獲取電壓信號，不同的電壓對應不同的壓力值，據此可計算出待測壓力傳感器的相應性能指標。試驗數據保存至PC機，并通過人機界面與操作員交互。
圖3
系統控制原理框圖
Figure3.
System control principle
3 系統軟件算法設計
本系統利用氣泵裝置產生的壓力作為輸入量，輸入待測壓力傳感器和精密壓力傳感器的氣體壓力值，以精密壓力傳感器作為對應真值的參考值(實際有誤差)，進行氣體壓力數據采集。由于每次采集的時間存在誤差，因此需先將兩傳感器的輸出量與輸入的標準參數進行線性插值[8]，從而可獲得一系列校準數據或曲線。本文采用線性插值中的多項式函數擬合形式[9]，一般地，設f(x)的近似函數為p(x)，則
| $p\left( x \right)={{a}_{0}}+{{a}_{1}}x+{{a}_{2}}{{x}^{2}}+{{a}_{n}}{{x}^{n}}+L,$ |
式中a0、a1、a2、an分別為其對應未知量x不同次數前的系數，L為多項式函數的修正系數。
尋求a0、a1、a2、an、L，使得
| $S({{a}_{0}},{{a}_{1}},{{a}_{2}},{{a}_{n}},L)=\sum\limits_{k=1}^{m}{{{\left( p\left( {{x}_{k}} \right)-{{y}_{k}} \right)}^{2}}}=\min $ |
則稱函數p(x)為函數f(x)的最優近似函數，且a0、a1、a2、an、L滿足下列方程組：
| $\sum\limits_{j=1}^{n}{\sum\limits_{i=1}^{n}{x_{i}^{j=l}}{{a}_{j}}=\sum\limits_{i=1}^{m}{x_{i}^{j}{{y}_{i}}}}$ |
上述式中，p(xk)為二次擬合曲線對應x的值，yk為目標方程對應x的標準值，min表示取值最小，l=0,1,2,L,n。
設定若干可選擇的量程，并根據需要將壓力傳感器全量程(測量范圍)分成若干等間距，獲取一組標準參數數據，將待測壓力傳感器的取值設定為x，精密壓力傳感器的取值設定為y，對于每一個參數，精密壓力傳感器與待測壓力傳感器同時動態實時采集數據，并分別記錄下與各輸入值相對應的兩個壓力傳感器的輸出值，然后采用上述二次多項式擬合公式將x和y擬合成一條曲線，即可得到以誤差最小原則作為“最優”標準構造的逼近函數曲線方程[10]，然后將設定的標準參數數據作為新的x，代入式(1) ，得出其一系列的p(x)值，將其與從目標方程y(x)=x中得出的相應標準參數點y(x)進行直線擬合，從而得到待測壓力傳感器校準直線的偏差、擬合斜率和誤差。如誤差大于2.0%，則需多次重復測量。
4 實驗結果與分析
本測試系統所用的精密壓力傳感器為西門子壓力傳感器，型號為QBE2002，待測壓力傳感器為霍尼韋爾壓力傳感器，測試環境溫度設定為25℃，測試的相對濕度設定為40%~60%RH，保證實驗臺干凈整潔。
選擇量程250 mm Hg，采集6個點，所采集的實驗數據如表 1所示，其中，k為試驗次序，x0為標準參數點，x為待測壓力傳感器的采集值，y為精密壓力傳感器的采集值。
表1
實驗數據
Table1.
Testing data
根據式(1) ，令n=2，k=6，將其用二次多項式函數擬合成曲線如圖 4所示，并可得：
| $P\left( x \right)=-6.615\text{ }4+1.102\text{ }1x+0.000\text{ }2{{x}^{2}}$ |
圖4
壓力傳感器的擬合曲線
Figure4.
Fitting curve of pressure sensor
由式(2) ，可得擬合曲線的均方誤差為：
| $S\left( {{a}_{0}},{{a}_{1}},{{a}_{2}} \right)=\sum\limits_{k=1}^{6}{{{\left( p\left( {{x}_{k}} \right)-{{y}_{k}} \right)}^{2}}=}0.9973$ |
將x0標準參數點代入擬合曲線，可得對應的p(x)值，如表 2所示。
表2
直線擬合數據
Table2.
Line fitting data
將得到的p(x)值作為新的自變量，與目標方程y(x)=x中的y(x)進行線性擬合，所得直線擬合曲線如圖 5所示。根據圖 5，可得二次擬合的p(x)值與標準y(x)值之間的校準直線為y=4.868 2+0.948 7x，即待測壓力傳感器校準直線的偏差為4.868 2，斜率為0.948 7，誤差為1.9%(小于2.0%)，符合要求，故無需重復測量。
圖5
壓力傳感器的校準曲線
Figure5.
Calibration curve of pressure sensor
5 結論
本文針對抗血栓壓力循環裝置開發了一套壓力測試系統，采用了動態測試方案，對壓力傳感器精度參數進行檢測。該系統為多參數顯示，人機交互界面良好，便于操作。為了驗證系統的可靠性，以霍尼韋爾壓力傳感器作為待測傳感器進行了實驗測定，采用線性插值多項式進行數據處理，測定結果符合設計要求，表明本測試系統可方便高效地完成對待測壓力傳感器的精度測試，從而能有效地校準其參數，使待測壓力傳感器能準確地用于抗血栓壓力循環裝置中，該測試系統推廣和應用前景良好。
