第5章智能傳感器系統(tǒng)智能化功能的實(shí)現(xiàn)方法

1、第5章 智能傳感器系統(tǒng)智能化功能的實(shí)現(xiàn)方法 目目 錄錄 第1章 概 述 第2章 智能傳感器系統(tǒng)中經(jīng)典傳感技術(shù)基礎(chǔ) 第3章 不同集成度智能傳感器系統(tǒng)介紹 第4章 智能傳感器的集成技術(shù) 第第5 5章章 智能傳感器系統(tǒng)智能化功能的實(shí)現(xiàn)方法智能傳感器系統(tǒng)智能化功能的實(shí)現(xiàn)方法 第6章 通信功能與總線接口 第7章 智能技術(shù)在傳感器系統(tǒng)中的應(yīng)用 第8章 智能傳感器系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用 第9章 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)概述 第5章 智能傳感器系統(tǒng)智能化功能的實(shí)現(xiàn)方法 第第5 5章章 智能化功能的實(shí)現(xiàn)方法智能化功能的實(shí)現(xiàn)方法 要 點(diǎn)：u 非線性自校正技術(shù)；u 自校零與自校準(zhǔn)技術(shù)；u 噪聲抑制技術(shù)；u 自補(bǔ)償技術(shù)；u 信息

2、融合技術(shù)；u 量程自動(dòng)更換及自檢測(cè)、自診斷技術(shù)；u 圖象處理技術(shù)。第5章 智能傳感器系統(tǒng)智能化功能的實(shí)現(xiàn)方法 1 1、用軟件來進(jìn)行非線性校正，一般來說它對(duì)測(cè)量系統(tǒng)沒有太高的要求，但必須要保證：它的輸入輸出特性具有好的重復(fù)性，因?yàn)樗Ｕ囊罁?jù)是它在標(biāo)準(zhǔn)輸入輸出特性曲線的基礎(chǔ)上進(jìn)行的。 進(jìn)行非線性校正可以達(dá)到兩個(gè)目的： a）有利于讀數(shù)； b）有利于分析處理測(cè)量結(jié)果，減少測(cè)量誤差； 2 2、在智能化軟件程序的導(dǎo)引下實(shí)時(shí)進(jìn)行自動(dòng)校零和實(shí)時(shí)自動(dòng)校準(zhǔn)/標(biāo)定，其測(cè)量精度決定于作為標(biāo)準(zhǔn)量的基準(zhǔn)精度，而對(duì)系統(tǒng)本身的精度、重復(fù)性、穩(wěn)定性要求不高。 通過實(shí)時(shí)自校零和自校準(zhǔn)，它可以： a）消除系統(tǒng)誤差； b）降低外界

3、干擾因素的影響； c) 提高系統(tǒng)的精度與穩(wěn)定性。第5章 智能傳感器系統(tǒng)智能化功能的實(shí)現(xiàn)方法 3 3、噪聲抑制技術(shù)主要是將有用信息從混有噪聲的信號(hào)中提取出來。 a）方法：數(shù)字濾波、相關(guān)分析、統(tǒng)計(jì)平均處理； b）目的：消除偶然誤差或隨機(jī)誤差，排除干擾，提高信噪比和分辨率。 4 4、通過自補(bǔ)償技術(shù)可以改善傳感器系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性以及溫漂性能。 5 5、通過信息融合技術(shù)來消除交叉靈敏度、時(shí)漂等因素所產(chǎn)生的干擾量的影響。 6 6、實(shí)現(xiàn)自動(dòng)選擇更換量程、自檢測(cè)、自診斷等功能，可以進(jìn)一步提高傳感器系統(tǒng)的測(cè)量范圍、安全性和可靠性。第5章 智能傳感器系統(tǒng)智能化功能的實(shí)現(xiàn)方法 5.1 非線性校正技術(shù)非線性校正技術(shù) 非線

4、性校正的目的就是達(dá)到使輸入輸出特性是一條直線，在介紹用軟件實(shí)現(xiàn)非線性校正之前我們先回顧一下非線性校正的過程。5.1.1 5.1.1 非線性校正的一些概念非線性校正的一些概念1 1、 具有典型非線性輸出的傳感器具有典型非線性輸出的傳感器 1）測(cè)溫元件：熱電偶、鉑電阻、熱敏電阻，輸出電信號(hào)被測(cè)溫度。 2）半導(dǎo)體氣敏元件： ，傳感器電導(dǎo)與水蒸氣分壓呈對(duì)數(shù)關(guān)系2 2、 非線性的類型：非線性的類型： 常見的有兩類：指數(shù)型曲線；有理代數(shù)函數(shù)型曲線。 a）如熱敏電阻： ，一般式： b：常數(shù)（與電阻特性有關(guān)）， ：預(yù)定的基準(zhǔn)溫度（K）。2SnO1220() xH OH OGKP1100()TTbTTRR e0

5、ibxUaec0T第5章 智能傳感器系統(tǒng)智能化功能的實(shí)現(xiàn)方法 b）如鉑電阻： ， ：0時(shí)的電阻值。 一般式：3 3、 在測(cè)量?jī)x表中用硬件進(jìn)行非線性補(bǔ)償?shù)脑碓跍y(cè)量?jī)x表中用硬件進(jìn)行非線性補(bǔ)償?shù)脑?1）開環(huán)式非線性補(bǔ)償 a）計(jì)算法： ， ，要求： ，則： ，即希望建立的線性化的輸入輸出特性。 b）圖解法 下圖是一種經(jīng)典的儀表線性化圖解法的簡(jiǎn)圖。20(1)TRRaTbT0R20012niiniUaa xa xa x11( )Uf x21UaKU0Usxb021()UbsUaKf第5章 智能傳感器系統(tǒng)智能化功能的實(shí)現(xiàn)方法 I象限： 傳感器 象限： 放大器 象限： ，線性化器。 象限： ，希望的輸出

6、特性線。 2）閉環(huán)式非線性補(bǔ)償 主要是求解反饋網(wǎng)絡(luò)的非線性特性。 11( )Uf x21UKU022()Uf U0Usx第5章 智能傳感器系統(tǒng)智能化功能的實(shí)現(xiàn)方法 a）計(jì)算法 ， ，要求： 建立的非線性反饋網(wǎng)絡(luò)的輸入輸出特性： 希望： ，則： b）圖解法 I象限： ，傳感器； 象限： ，反饋網(wǎng)絡(luò)。 象限：因 ，所以將 之間的關(guān)系也放在第二象限； 象限： ，希望的輸出直線。 11( )Uf x0UK U0Usx001()UUfsKUf01()UfsUf11( )Uf x20()fUf U1fUU10UU0UsxK1第5章 智能傳感器系統(tǒng)智能化功能的實(shí)現(xiàn)方法 3）增益控制式非線性補(bǔ)償 針對(duì)被動(dòng)式傳

7、感器而言，亦即傳感器的輸出受激勵(lì)源激勵(lì)的調(diào)制。 在這里增益控制電路是具有非線性特性的校正電路。 希望： ； ， ，表明傳感器輸出受激勵(lì)源調(diào)制。 增益控制電路的非線性表達(dá)式： 4 4、 線性化工程上的實(shí)現(xiàn)方法線性化工程上的實(shí)現(xiàn)方法 1）采用模擬電路；如二極管陣列式開方器，各種對(duì)數(shù)、指數(shù)、三角0max()Us xx11( )UEf xfEAU001max20()()UsAfAKfxUf U21UKU第5章 智能傳感器系統(tǒng)智能化功能的實(shí)現(xiàn)方法 函數(shù)等運(yùn)算放大器，實(shí)現(xiàn)高精度補(bǔ)償?shù)碾y度太大。 2）采用數(shù)字電路；如數(shù)字控制分段校正，非線性A/D轉(zhuǎn)換等，能獲得較高的精度。 3) 利用微處理器運(yùn)算功能，亦即采

8、用軟件的方法來實(shí)現(xiàn)。 下面我們介紹幾種用軟件來實(shí)現(xiàn)非線性校正的方法。5.1.2 5.1.2 查表法查表法1 1、 實(shí)現(xiàn)方法實(shí)現(xiàn)方法 1）首先確定反非線性曲線?？刹捎孟葴y(cè)出輸入輸出特性曲線，然后根據(jù)線性化特性的要求，建立反非線性曲線。 2）根據(jù)精度要求對(duì)反非線性曲線分段，將折點(diǎn)座標(biāo)值存入數(shù)據(jù)表。 3）測(cè)量時(shí)明確對(duì)應(yīng)輸入被測(cè)量 在哪一段。 4）根據(jù)該段折線的斜率進(jìn)行線性插值，確定對(duì)應(yīng)的 的輸出值。 ixix第5章 智能傳感器系統(tǒng)智能化功能的實(shí)現(xiàn)方法 5）表達(dá)式：2 2、 折線與折點(diǎn)的確定折線與折點(diǎn)的確定 1）近似法 折點(diǎn)在誤差界上，書中表達(dá)不確切。 2）截線近似法 折點(diǎn)在曲線上且誤差最小，最大誤差

9、在折線段中部。 前面曾經(jīng)介紹的擬合直線的方法有：理論線性度、最小二乘法線性度、平均選點(diǎn)線性度、端基線性度。5.1.3 5.1.3 曲線擬合法曲線擬合法 用n次多項(xiàng)式來逼近反非線性曲線。1 1、 列出逼近反非線性曲線的多項(xiàng)式方程列出逼近反非線性曲線的多項(xiàng)式方程 1）對(duì)整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行靜態(tài)實(shí)驗(yàn)標(biāo)定 對(duì)應(yīng)輸入： ；輸出為： 11()kkkkxxkikUUyxxUU12:,iNxx xx12:,iNuu uu第5章 智能傳感器系統(tǒng)智能化功能的實(shí)現(xiàn)方法 曲線的折線逼近曲線的折線逼近（a a）近似法近似法； （b b）截線近似法）截線近似法第5章 智能傳感器系統(tǒng)智能化功能的實(shí)現(xiàn)方法 2）反非線性曲線的擬合

10、方程 在實(shí)際使用中，一般根據(jù)測(cè)量精度要求來選定擬合項(xiàng)數(shù)。 3）求解待定常數(shù) 求解方法：根據(jù)最小二乘法原則。 對(duì)函數(shù)F分別求導(dǎo)并令其為零，則通過解聯(lián)立方程的形式即可求出各常數(shù)的值。 從書中推導(dǎo)的公式來看，當(dāng)N3時(shí)，其計(jì)算量已經(jīng)比較大了。2 2、 將求得的常系數(shù)將求得的常系數(shù) 存入內(nèi)存存入內(nèi)存 在實(shí)際使用中，根據(jù)u值計(jì)算 時(shí)可按計(jì)算式 ，230123()NiiiiiNix uaa ua ua ua u012,a a a 20121 ( )(,)NiiiNix uxF a a aaMin3232103210( )()x ua ua ua uaa ua ua ua( )x u()iba u30aa 第

11、5章 智能傳感器系統(tǒng)智能化功能的實(shí)現(xiàn)方法 進(jìn)行循環(huán)運(yùn)算，亦即第一次將 賦值給b， ，而第二次 ， ：書中所述噪聲對(duì)矩陣計(jì)算的影響的解釋： 所以有些信號(hào)需先作平滑和濾波處理，后面講述。5.1.4 5.1.4 函數(shù)鏈神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法函數(shù)鏈神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法1、 傳感器及其調(diào)理電路的實(shí)驗(yàn)標(biāo)定 輸入： ；輸出： 2、 列出反非線性特性擬合方程 3、 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的處理方法是基于分布式處理方式，而不像傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)基于多個(gè)計(jì)算步驟串行處理方式。基于串行處理方式，中間任何一個(gè)環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題，結(jié)果會(huì)引起災(zāi)難性的失敗。3a0ia 3ba u2iaa202P12:,iNxx xx12:,iNuu uu230123()Niiiii

12、Nix uaa ua ua ua u第5章 智能傳感器系統(tǒng)智能化功能的實(shí)現(xiàn)方法 主要工作是計(jì)算出權(quán)值： 根據(jù)： ，估計(jì)誤差： 來調(diào)節(jié)權(quán)值。 權(quán)值調(diào)節(jié)公式為： ， ：學(xué)習(xí)因子。 當(dāng)估計(jì)誤差值滿足精度要求時(shí)，所得的權(quán)值：jW0( )( )Nestjiijjxku W k( )( )estiiie kxxk(1)( )( )jjji iiW kW ke k ui0123:,jWW W W W第5章 智能傳感器系統(tǒng)智能化功能的實(shí)現(xiàn)方法 即為多項(xiàng)式待定常數(shù)： ， 權(quán)值初始值的確定： 與 為同一數(shù)量級(jí)； 比 低一個(gè)數(shù)量級(jí)以上， 比 低更多。 4 4、 應(yīng)用舉例：應(yīng)用舉例： 書中講的是一個(gè)測(cè)量濃度傳感器系統(tǒng)

13、的例子，該傳感器系統(tǒng)的輸出是頻率信號(hào)，當(dāng)濃度增加時(shí)，輸出頻率減小。 該例子說明： 1）學(xué)習(xí)因子影響迭代收斂的速度和穩(wěn)定性，在實(shí)際使用中可根據(jù)情況進(jìn)行調(diào)整； 2）學(xué)習(xí)的次數(shù)越多，擬合的精度越高； 3）精度約為1左右。211 ( )( )NiiNie kek30aa 0W1W2W3W1W2W第5章 智能傳感器系統(tǒng)智能化功能的實(shí)現(xiàn)方法 作業(yè)作業(yè)7 7 某一傳感器的輸出某一傳感器的輸出-輸入關(guān)系為：輸入關(guān)系為：輸出量程范圍為：輸出量程范圍為：05V，試采用查表法對(duì)其進(jìn)行非線性校，試采用查表法對(duì)其進(jìn)行非線性校正，校正的精度要求為正，校正的精度要求為1% 。0.011xUe第5章 智能傳感器系統(tǒng)智能化功能

14、的實(shí)現(xiàn)方法 5.2 自校零與自校準(zhǔn)技術(shù)自校零與自校準(zhǔn)技術(shù) 理想傳感器系統(tǒng)的輸出y輸入x特性為： ，但實(shí)際使用的傳感器系統(tǒng)，因溫度等一些環(huán)境因素的影響，仍存在零位漂移和靈敏度漂移，亦即上式為： ； ：稱為零位誤差， ：稱為測(cè)量誤差。 智能傳感器系統(tǒng)的自校零與自校準(zhǔn)技術(shù)是基于實(shí)時(shí)校準(zhǔn)。 5.2.1 5.2.1 方法一方法一 采用第二章第3節(jié)：提高傳感器性能的技術(shù)途徑之三：多信號(hào)測(cè)量法中的三點(diǎn)測(cè)量法。1 1、 系統(tǒng)構(gòu)成系統(tǒng)構(gòu)成 1）不含傳感器的自校 a）系統(tǒng)提供一標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)發(fā)生器，它包括零點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)值和測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)值， 該值應(yīng)與傳感器的輸出信號(hào)具有相同的量綱（或相同屬性）； 01yaa x01()()ypas

15、a x0a1a x第5章 智能傳感器系統(tǒng)智能化功能的實(shí)現(xiàn)方法 智能傳感器系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)自校準(zhǔn)功能原理框圖智能傳感器系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)自校準(zhǔn)功能原理框圖（a a）不含傳感器自校；）不含傳感器自校； （b b）含傳感器自校）含傳感器自校第5章 智能傳感器系統(tǒng)智能化功能的實(shí)現(xiàn)方法 b）包含一多路轉(zhuǎn)換器，有電動(dòng)、氣動(dòng)、液壓； c）傳感器測(cè)量系統(tǒng)； d）微處理器系統(tǒng)。 2）含傳感器的自校 系統(tǒng)構(gòu)成基本相同，且標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)發(fā)生器的輸出信號(hào)與傳感器的被測(cè)對(duì)象具有相同的屬性。如測(cè)壓力的，提供標(biāo)準(zhǔn)的壓力信號(hào)。2 2、 測(cè)量方法：測(cè)量方法： 在每一個(gè)測(cè)量周期內(nèi)，由微處理器控制多路轉(zhuǎn)換器執(zhí)行三步測(cè)量方法: 1）校零：輸入零點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)值，輸

16、出: ； 2）標(biāo)定：輸入標(biāo)準(zhǔn)值 ，輸出： ； 3）測(cè)量：輸入傳感器輸出 ，輸出: 。 由第1）、2）步可求得：00yaRURyxUxyRRxxUyyyyUaa0010，第5章 智能傳感器系統(tǒng)智能化功能的實(shí)現(xiàn)方法 這種方法對(duì)于系統(tǒng)響應(yīng)頻率不是很高，而且零點(diǎn)和靈敏度變化比較大的使用場(chǎng)合較適用，而對(duì)于系統(tǒng)信號(hào)變化很快或零點(diǎn)和靈敏度變化不是很快的場(chǎng)合倒沒有必要采用該種方法。3 3、 寬量程多檔多增益系統(tǒng)的標(biāo)定（方法二）寬量程多檔多增益系統(tǒng)的標(biāo)定（方法二） 實(shí)際上是測(cè)出系統(tǒng)的增益或者說靈敏度。 1）方法：斜率比動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)法 ， ：輸入信號(hào)從4.5V4.5V的時(shí)間 間隔； ：輸出信號(hào)從4.5V4.5V的時(shí)間

17、間隔； 2）影響校準(zhǔn)精度的因素 a）閾值電壓比較器的分辨率， b）微處理器采樣系統(tǒng)中A/D的量化誤差， c）標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)頻率， d）微處理器系統(tǒng)的時(shí)鐘頻率。 21211RRyytttta21RRtt21yytt第5章 智能傳感器系統(tǒng)智能化功能的實(shí)現(xiàn)方法 斜率比動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)法斜率比動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)法（a a）標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)）標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)U UR R波形；波形； （b b）輸出波形；）輸出波形； （c c）原理框圖）原理框圖第5章 智能傳感器系統(tǒng)智能化功能的實(shí)現(xiàn)方法 上述因素之間是相互關(guān)聯(lián)的，標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)頻率低可提高精度，但增大了量化誤差的影響。5.2.2 5.2.2 方法三方法三 上述方法僅適用于輸出輸入特性呈線性關(guān)系的場(chǎng)合

18、，而實(shí)際傳感器由于非目標(biāo)參量交叉靈敏度的影響，它的輸出輸入特性是不穩(wěn)定的，即在一定條件下呈非線性的關(guān)系。因此也就不能按前述方法進(jìn)行校準(zhǔn)，而要采取測(cè)量前的在線實(shí)時(shí)三點(diǎn)標(biāo)定法。1、 標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)發(fā)生器提供三個(gè)標(biāo)準(zhǔn)值信號(hào)，按實(shí)際測(cè)量的需要接好系統(tǒng)回路。通過微機(jī)系統(tǒng)的控制，依次輸入三個(gè)標(biāo)準(zhǔn)值： ， ， ；測(cè)得相應(yīng)輸出值 ， ， 。2、 按照第一節(jié)所述的非線性校正的曲線擬合法，求出反非線性特性擬合方程式中系數(shù)值，即： 中的 ， ， 。 1Rx2Rx3Rx1Ry2Ry3Ry2012( )x ycc yc y0c1c2c第5章 智能傳感器系統(tǒng)智能化功能的實(shí)現(xiàn)方法 3、 通過控制將智能傳感器系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換開關(guān)轉(zhuǎn)向測(cè)量

19、狀態(tài)，將測(cè)量值代入上式中，則 值即代表系統(tǒng)測(cè)出的輸入待測(cè)目標(biāo)參量x。 實(shí)現(xiàn)條件：實(shí)現(xiàn)條件：傳感器系統(tǒng)在實(shí)時(shí)標(biāo)定與測(cè)量期間，輸出輸入特性保持不變。 測(cè)量精度：測(cè)量精度：決定于實(shí)時(shí)標(biāo)定的精度。 效果示例：效果示例：總誤差： 1，標(biāo)準(zhǔn)值精度： 0.02，短時(shí)精度: 0.1 下圖給出了一個(gè)壓力自校準(zhǔn)系統(tǒng)的例子，它的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量周期，完全取決于壓力達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)的時(shí)間；周期越短，對(duì)提高測(cè)量精度越有利。()x y第5章 智能傳感器系統(tǒng)智能化功能的實(shí)現(xiàn)方法 壓力自校準(zhǔn)系統(tǒng)原理框圖壓力自校準(zhǔn)系統(tǒng)原理框圖第5章 智能傳感器系統(tǒng)智能化功能的實(shí)現(xiàn)方法 5.3 噪聲抑制技術(shù)噪聲抑制技術(shù) 有關(guān)噪聲的抑制技術(shù)實(shí)際上在有關(guān)的課程

20、里都講過，一般有濾波、相關(guān)技術(shù)、平均技術(shù)等。5.3.1 5.3.1 濾波濾波 用途：用途：信號(hào)頻譜與噪聲頻譜不重合時(shí)。 濾波器的分類：濾波器的分類：模擬濾波器由硬件組成，屬于連續(xù)時(shí)間系統(tǒng)。 數(shù)字濾波器由軟件實(shí)現(xiàn)，屬于離散時(shí)間系統(tǒng)。1 1、 數(shù)字濾波器中的數(shù)字濾波器中的Z Z變換變換 傳遞函數(shù)的特性，廣義地說就是濾波器的特性。 在介紹數(shù)字濾波器之前，我們先了解一下Z變換的概念；對(duì)于連續(xù)時(shí)間系統(tǒng)，一般采用拉氏變換，而對(duì)于離散時(shí)間系統(tǒng)則采用Z變換。第5章 智能傳感器系統(tǒng)智能化功能的實(shí)現(xiàn)方法 Z變換定義式：其中： ，或 傅立葉變換的離散形式。 1）典型函數(shù)的Z變換 a）單位階躍函數(shù)的Z變換 b）單位斜

21、坡函數(shù)x（t）的Z變換 c）指數(shù)函數(shù)的Z變換( ) ( ) () ( )( )nX zZ x tZ x nTZ x nx n zj Tze( )( )j TX zx n e1( )zzX z1(0)( )0(0)tx tt2(1)( )zzX zT(0)( )0(0)ttx tt( )aTzz eX z(0)( )0(0)aTetx tt第5章 智能傳感器系統(tǒng)智能化功能的實(shí)現(xiàn)方法 d）余弦函數(shù)的Z變換 2）求s域的Z變換 將 Z變換。 3）Z反變換 a）查表法 b）直接除法冪級(jí)數(shù)展開法 將x（z）的關(guān)系式展開成: 的形式。 c）留數(shù)法（積分反演法），在z0處無極點(diǎn)，分母中無z項(xiàng) ）單極點(diǎn)留數(shù)：

22、 ）m階重極點(diǎn)留數(shù)： 1121cos1 2cos( )zTzTzX zcos(0)( )0(0)ttx tt( )( )()X sx tx nT1( )( )(0)(1)nX zx n zxxz1lim()( )inizzKzz X z z1111(1)!lim()( )mmimndimdzzzKzzX z z第5章 智能傳感器系統(tǒng)智能化功能的實(shí)現(xiàn)方法 d）部分分式展開法 將X（z）展開成簡(jiǎn)單的一階或二階項(xiàng)之和，再利用查表法求出各項(xiàng)的Z反變換。說明：x（t）的Z變換是X（z），但X（z）的反變換不一定就是x（t）。 4）Z變換的基本性質(zhì)和定理 a）線性特性并聯(lián)連接關(guān)系 ， ，則： b）延遲性質(zhì)

23、 ，則： ； 11( )( )x nX z22( )( )x nXz1 1221122( )( )( )( )( )( )x na x na x na Xza XzX z( )( )x nX z()( )mx nmzX z10()( )( )mmnnx nmzX zx n z第5章 智能傳感器系統(tǒng)智能化功能的實(shí)現(xiàn)方法 2 2、 模擬濾波器相關(guān)知識(shí)模擬濾波器相關(guān)知識(shí) 1）濾波器的特征頻帶與分類 通帶、阻帶、過渡帶。（a）低通濾波器；（b）高通濾波器；（c）帶通濾波器；（d）帶阻濾波器第5章 智能傳感器系統(tǒng)智能化功能的實(shí)現(xiàn)方法 2）巴特沃斯濾波器與切比雪夫?yàn)V波器 低通濾波器傳遞函數(shù)的一般表達(dá)式：

24、在很多逼近準(zhǔn)則中，巴特沃斯（Butterworth）和切比雪夫Chebyshev）是常用的準(zhǔn)則。 巴特沃斯低通濾波器的幅頻特性： ：截止角頻率01110( )( )( )nnnKbY sH sX ssb sbs b2( )1( )( )1ncYHXc第5章 智能傳感器系統(tǒng)智能化功能的實(shí)現(xiàn)方法 n n 值不同時(shí)值不同時(shí)巴特沃斯低通濾波器頻率特性巴特沃斯低通濾波器頻率特性（a）幅頻特性；）幅頻特性； （b）相頻特性）相頻特性第5章 智能傳感器系統(tǒng)智能化功能的實(shí)現(xiàn)方法 n n 值不同時(shí)值不同時(shí)切比雪夫低通濾波器頻率特性切比雪夫低通濾波器頻率特性（a）幅頻特性；）幅頻特性； （b）相頻特性）相頻特性切

25、比雪夫低通濾波器的幅頻特性： ：與紋波大小有關(guān)的常數(shù) ：切比雪夫多項(xiàng)式系數(shù)。22( )( )( )1ncYKHXCnC第5章 智能傳感器系統(tǒng)智能化功能的實(shí)現(xiàn)方法 3 3、 以模擬濾波器為基礎(chǔ)的數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)以模擬濾波器為基礎(chǔ)的數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì) 或者說根據(jù) H（s）求G（z），因?yàn)轭l率選擇型模擬濾波器的構(gòu)成法或設(shè)計(jì)方法，已有完整的理論，并可得到性能良好的濾波器。 1）脈沖響應(yīng)不變法 用于低通濾波器或帶通濾波器的設(shè)計(jì)。 設(shè)模擬濾波器的傳遞函數(shù)為H（s），脈沖響應(yīng)為h（t），則對(duì)應(yīng)的數(shù)字濾波器的脈沖響應(yīng) 為： ，上式的獲得，是因?yàn)椋簽楸３植皇д妫?，()DgnT()( )|Dt nTgnTTh t

26、21( )|()sTaTTz ekH zHsjk21()()jkaTTkH eHj1()()jaTTH eHj第5章 智能傳感器系統(tǒng)智能化功能的實(shí)現(xiàn)方法 如果采樣頻率很高，即T很小，則濾波器的增益太高，影響使用效果。希望數(shù)字濾波器的頻率響應(yīng)不隨采樣頻率變化，作以下修正： ，亦即： 2）后向差分法 對(duì)于一階系統(tǒng)：傳遞函數(shù)： ； ， （：時(shí)間常數(shù)） 其后向差分方程為： 由傳遞函數(shù) 求等效數(shù)字濾波器 時(shí)，令 即可。 對(duì)應(yīng)后向差分法還有前向差分法： 則上述方法不成立。( )()ah nT h nT()( )|Dt nTgnTT h t( )as aW s( )( )( )dy tdtay tax t

27、1a()(1) ()()y kTy kTaTy kTaTx kT 11 zTs(1) ()()()y kTy kTaTy kTaTx kT ( )W s( )DGz第5章 智能傳感器系統(tǒng)智能化功能的實(shí)現(xiàn)方法 3）雙線性變換法（梯形積分法或Tustin法） 又稱雙一次變換法，是最常用的方法。 若以： 代入后向差分方程式中的右邊項(xiàng)，則： 經(jīng)Z變換后： 亦即在傳遞函數(shù) 中，以 代入即可求 。 上述方法對(duì)所有形式的頻率選擇濾波器的設(shè)計(jì)均有效。12(1)( ) ()(1) kTkTy t dty kTy kTT12(1)( ) ()(1) kTkTx t dtx kTx kTT22()(1) ()(1)

28、 ()(1) aTaTy kTy kTy kTy kTTx kTx kTT ( )( )( )Y zaDX zs aGz211zT zs( )W s211zT zs( )DGz第5章 智能傳感器系統(tǒng)智能化功能的實(shí)現(xiàn)方法 4）頻率預(yù)曲折雙線性變換法 a）對(duì)于連續(xù)濾波器 ，對(duì)應(yīng)的數(shù)字濾波器兩者之間的響應(yīng)頻率之間的關(guān)系為： ， 當(dāng) 時(shí)，而 當(dāng)接近 時(shí)，則 ，頻率發(fā)生畸變。 b）頻率預(yù)曲折 目的：在所要求的使用范圍內(nèi)，使 與 有相同的頻率特性。 在 中，其中 為時(shí)間常數(shù)，它所對(duì)應(yīng)的頻率為轉(zhuǎn)折頻率。若令： ，亦即：在 中，令： ， ，則求得的的頻率特性滿足設(shè)計(jì)要求。( )as aG s22tanDTAT

29、ADDTA( )G s( )DGz( )as aG s1a22tanaTTa( )G s112 11zTzs22tanaTTa TD第5章 智能傳感器系統(tǒng)智能化功能的實(shí)現(xiàn)方法 （a）G（j）的波德圖）的波德圖；（；（b）雙線性變換法解得的波德圖；（）雙線性變換法解得的波德圖；（c）頻率）頻率預(yù)曲折雙線性變換法解得的波德圖預(yù)曲折雙線性變換法解得的波德圖第5章 智能傳感器系統(tǒng)智能化功能的實(shí)現(xiàn)方法 3 3、 數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)舉例數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)舉例 1）數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)步驟 a）根據(jù)模擬濾波器的傳遞函數(shù) 選擇合適的設(shè)計(jì)方法； b）根據(jù)選定的設(shè)計(jì)方法求出等效數(shù)字濾波器的傳遞函數(shù) ； c）求出對(duì)應(yīng)的 差

30、分方程，亦即： ； d）求差分方程的Z反變換關(guān)系式 該關(guān)系式一般表達(dá)了當(dāng)前nT時(shí)刻的輸出值y（n）與當(dāng)前時(shí)刻的輸入x(n)和前一時(shí)刻輸入x(n-1)，輸出y(n-1)；甚至前二時(shí)刻輸入x(n-2)，輸出y(n-2)之間的關(guān)系。 e）根據(jù)上述關(guān)系式，可以很方便的編寫相應(yīng)的信號(hào)處理軟件。 2）舉例說明 求低通濾波器H(s)的等效數(shù)字濾波器H(z)， a）選擇方法：后向差分法， ， ； ( )G s( )DGz( )DGz( )( )( )DY zX zGz11+ sH(s)=1a1(1)/szT第5章 智能傳感器系統(tǒng)智能化功能的實(shí)現(xiàn)方法 b） c） d） 令： ， ，則： 轉(zhuǎn)折角頻率： 通過調(diào)整q

31、，p的值可以改變低通濾波器的時(shí)間常數(shù)。在信號(hào)緩變的流量、壓力、溫度測(cè)量的智能傳感器系統(tǒng)中，可采用該方法來濾除高頻噪聲。11( )aTaTzH z1(1) ( )( )( )aT Y zz Y zaTX z11( )( )(1)aTy naTx ny nTTqTp( )( )(1)y nqx npy n1a第5章 智能傳感器系統(tǒng)智能化功能的實(shí)現(xiàn)方法 5.3.2 5.3.2 相關(guān)分析技術(shù)相關(guān)分析技術(shù) 用途：用于信號(hào)頻帶與噪聲頻帶相重疊或者噪聲幅值比信號(hào)大的場(chǎng)合。 所謂相關(guān)乃指信號(hào)的一些特征參量相同或相近。 噪聲信號(hào)的特點(diǎn)： 1）噪聲信號(hào)是一種隨機(jī)性的信號(hào)，它的估計(jì)平均值是不隨時(shí)間變化。 2）某些受

32、外界因素干擾的信號(hào)具有產(chǎn)生干擾的對(duì)象的特征。如工頻干擾信號(hào)，它具有與工頻相同的頻率，若工頻幅值不變，則在相同條件下，干擾信號(hào)的幅值也不變。 在講述采用相關(guān)技術(shù)處理含有上述噪聲的信號(hào)之前，我們先了解一下表征隨機(jī)信號(hào)的一些參量。1 1、 隨機(jī)信號(hào)的各種表征參量隨機(jī)信號(hào)的各種表征參量 1）平均值：又稱直流分量 ，T為有限值則為： 。10Ex(t)=lim( )TTTx t dtm m第5章 智能傳感器系統(tǒng)智能化功能的實(shí)現(xiàn)方法 2）均方值：表示信號(hào)的強(qiáng)度 3）方差：又稱波動(dòng)分量部分 4）自相關(guān)函數(shù) 相關(guān)性的好壞主要表征信號(hào)的規(guī)律性好壞，或者說是一種將有規(guī)則的信號(hào)提取出來的方法。 5）互相關(guān)函數(shù) 表征兩

33、個(gè)不同的隨機(jī)信號(hào)在相隔時(shí)取值的相關(guān)程度。2 2、 自相關(guān)函數(shù)的性質(zhì)和特點(diǎn)自相關(guān)函數(shù)的性質(zhì)和特點(diǎn) 1）性質(zhì)22210( )lim( )TTTE x tx t dt2222( ( ) E x tmm10( ) ( ) ()lim( ) ()TxTTRE x t x tx t x tdt10( ) ( ) ()lim( ) ()TxyTTRE x t y tx t y tdt第5章 智能傳感器系統(tǒng)智能化功能的實(shí)現(xiàn)方法 a）自相關(guān)函數(shù)是偶函數(shù)，亦即： b） 時(shí)， 是 的最大值，等于 。舉例解釋一下 c）自相關(guān)函數(shù) 不反映相位信息，只與 有關(guān) d） 時(shí)， 是 的最小值，等于 ；這說明相關(guān)分析主要是除去隨

34、機(jī)信號(hào)的波動(dòng)分量。 2）特點(diǎn) a）確定性信號(hào)，在所有 值，都存在 的數(shù)值存在，依此可檢測(cè)其周期。而隨機(jī)信號(hào)在 趨向一定值時(shí)， b）若確定性信號(hào) 是周期性信號(hào)，則它的 也是周期函數(shù)，而且兩者周期相同。 例如正弦函數(shù)的自相關(guān)函數(shù)為余弦函數(shù)，它與正弦函數(shù)的初相位無關(guān)，且周期與正弦函數(shù)相同，但幅值為 ，A為正弦波幅值。( )()xxRR0(0)xR( )xR2 ( )xR ( )xR2m( )xRm( )xRm( )x t( )xR22A( )xR第5章 智能傳感器系統(tǒng)智能化功能的實(shí)現(xiàn)方法 3）應(yīng)用 可用于檢測(cè)淹沒在隨機(jī)噪聲中的周期性信號(hào)。 假設(shè)一輸入信號(hào)為： 為確定性信號(hào)， 為噪聲信號(hào)。 通過自相關(guān)

35、分析，其自相關(guān)函數(shù)為： 根據(jù)前面講述的自相關(guān)函數(shù)的特點(diǎn)，在 中， 的相關(guān)值得到增強(qiáng)，而 的相關(guān)值被減弱，從而很容易識(shí)別提取有用信號(hào)的特征參數(shù)值。如 ：汽車垂直加速度的檢測(cè)。0( )( )( )x tx tN t0( )x t( )N t0( )( )( )xxNRRR( )xR0( )x t( )N t第5章 智能傳感器系統(tǒng)智能化功能的實(shí)現(xiàn)方法 3 3、 互相關(guān)函數(shù)的性質(zhì)與特點(diǎn)互相關(guān)函數(shù)的性質(zhì)與特點(diǎn) 1）性質(zhì) a）互相關(guān)函數(shù)不是偶函數(shù)，它與兩信號(hào)的相位有關(guān)，亦即： ，但： b） 在 時(shí)無特征性。 c）互相關(guān)函數(shù) 有時(shí)也有最大值，這一點(diǎn)與a）聯(lián)系在一起。 2）特點(diǎn) a）由于互相關(guān)函數(shù)與信號(hào)的相位

36、有關(guān)，因此它包含有時(shí)間延遲信息，可用來測(cè)量有時(shí)間延遲信息的物理量，如：速度、流量等。 b）對(duì)隨機(jī)干擾噪聲有極強(qiáng)的抑制能力。4 4、 相關(guān)技術(shù)的應(yīng)用相關(guān)技術(shù)的應(yīng)用 1）利用相關(guān)分析去除工頻干擾 思路：假定被測(cè)信號(hào)為： ( )xyR( )()xyxyRR( )()xyyxRR( )xyR0( )( )( )is tx tx t第5章 智能傳感器系統(tǒng)智能化功能的實(shí)現(xiàn)方法 ：有用信號(hào)； ：工頻干擾信號(hào) 可表征為： 在一段時(shí)間內(nèi)，可認(rèn)為A，B， 是不變的，因此只要求出A，B， 的值，即可確定工頻干擾信號(hào)的值，然后將 減去 就可得到有用信號(hào)。 求解A，B， 的步驟： a）在一定的取值范圍內(nèi)（如4951）先

37、取定 的值。 b）將 與 進(jìn)行互相關(guān)分析處理，求得A的值。 對(duì)于有限的離散點(diǎn)： c）將 與 進(jìn)行相關(guān)分析處理，求得B的值。 對(duì)于有限的離散點(diǎn)： d）求 的值( )x t( )ix t( )ix t( )cossiniiix tAtBtii( )s t( )ix tiicosit( )s t120( )cosNiNnAs nnsinit( )s t120( )sinNiNnBs nn22AB第5章 智能傳感器系統(tǒng)智能化功能的實(shí)現(xiàn)方法 e）改變 的值（按一定的步長(zhǎng)），重復(fù)b），c），d）求取對(duì)應(yīng)不同 的 的值；若 的取值與實(shí)際的頻率值相同，則 中包含的工頻信號(hào)與 （或 ）是一種自相關(guān)的關(guān)系，則此時(shí)

38、相關(guān)值達(dá)到最大。 因此對(duì)應(yīng) 最大值的 即為實(shí)際的工頻信號(hào)頻率，將對(duì)應(yīng)的 、 值代入上式即可求得工頻干擾信號(hào) 。 在實(shí)際運(yùn)算時(shí)，上述信號(hào)都是離散的形式，因此： 說明：在進(jìn)行 與 （和 ）互相關(guān)分析處理時(shí)，利用了以下兩點(diǎn)特性： a）兩相互獨(dú)立無關(guān)的信號(hào)（其中一個(gè)需為周期信號(hào)）在進(jìn)行互相關(guān) 時(shí)，互相關(guān)函數(shù)為零； b）正交函數(shù)（相位相差90）進(jìn)行互相關(guān)時(shí)，互相關(guān)函數(shù)為零。i22ABii( )s tcositsinit22ABiAB( )ix t( )( )( ),0,1,2,ix ns nx n nN( )s tcositsinit第5章 智能傳感器系統(tǒng)智能化功能的實(shí)現(xiàn)方法 作業(yè)作業(yè)8 8： 一相對(duì)平

39、穩(wěn)測(cè)量信號(hào)受到工頻信號(hào)的干擾，假定測(cè)量信號(hào)的輸出幅值一相對(duì)平穩(wěn)測(cè)量信號(hào)受到工頻信號(hào)的干擾，假定測(cè)量信號(hào)的輸出幅值為為0 05V5V，工頻干擾幅值，工頻干擾幅值1V1V，試設(shè)計(jì)一個(gè)數(shù)字濾波器，使之經(jīng)過數(shù)字濾波后，試設(shè)計(jì)一個(gè)數(shù)字濾波器，使之經(jīng)過數(shù)字濾波后信噪比信噪比100100。作業(yè)作業(yè)9 9： 在無功補(bǔ)償系統(tǒng)中，電流與電壓信號(hào)之間的相位差需要精確測(cè)量，但在無功補(bǔ)償系統(tǒng)中，電流與電壓信號(hào)之間的相位差需要精確測(cè)量，但實(shí)際測(cè)量中，因干擾信號(hào)的影響，很難直接獲得精確值，試用相關(guān)分析的實(shí)際測(cè)量中，因干擾信號(hào)的影響，很難直接獲得精確值，試用相關(guān)分析的方法具體實(shí)現(xiàn)之。假定干擾信號(hào)為白噪聲，信噪比為方法具體實(shí)現(xiàn)

40、之。假定干擾信號(hào)為白噪聲，信噪比為1 1，具體計(jì)算相關(guān)后的，具體計(jì)算相關(guān)后的精度。精度。第5章 智能傳感器系統(tǒng)智能化功能的實(shí)現(xiàn)方法 2）相關(guān)相位差計(jì) 用于精確測(cè)量?jī)蓚€(gè)相同頻率信號(hào) ， 在受噪聲干擾情況下的相位差。 求解方法及步驟： a）求取 中A的值， 采用自相關(guān)的方法： ， b）求取 中B的值， c）求取 采用 與 互相關(guān)的方法： d）實(shí)際信號(hào)處理是離散的形式( )x t( )y t( )sin()( )xx tAtN tmax( )xAN t22(0)AxR2(0)xAR( )sin()( )yy tBtNtmax( )yBNt( )x t( )y t2(0)cosxyRAB2(0)arc

41、cosxyRAB110(0)( ) ( )kxyknRx n y n第5章 智能傳感器系統(tǒng)智能化功能的實(shí)現(xiàn)方法 3）相關(guān)分析儀（又稱鎖相放大器） 在無線通信中，它相當(dāng)于一個(gè)解調(diào)器的作用。 在右圖中，s(t)是一個(gè)包含被測(cè)量信號(hào)、調(diào)制信號(hào)和噪聲信號(hào)的混合信號(hào)，y(t)是調(diào)制信號(hào)，s(t)與y(t)經(jīng)乘法器再經(jīng)低通濾波器輸出的信號(hào)實(shí)際上就是s(t)與y(t)在延遲 時(shí)互相關(guān)后的函數(shù)值。110(0)( ) ( )kxyknRx n y n1210(0)( )kxknRx n1210(0)( )kyknRy n0( )2( )(0)cosBC txyU tR第5章 智能傳感器系統(tǒng)智能化功能的實(shí)現(xiàn)方法

42、其中： ， 前提： 是一個(gè)緩變信號(hào)，而相對(duì) 的角頻率很大。 在一般的信號(hào)傳輸和測(cè)量中（特別是無線通信），為了提高信噪比，先將被測(cè)或被傳輸信號(hào)進(jìn)行高頻調(diào)制，然后再進(jìn)行測(cè)量和傳輸，經(jīng)過解調(diào)后可基本上保持原信號(hào)不變，或不受干擾信號(hào)的影響。 另外書中還介紹了如何實(shí)現(xiàn)輸入信號(hào)受參考信號(hào)調(diào)制的方法，大家自己看一看。5.3.3 5.3.3 其它濾波技術(shù)其它濾波技術(shù)1 1、 頻域譜分析法（又叫快速傅里葉變換）頻域譜分析法（又叫快速傅里葉變換） a）首先對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行采樣，對(duì)采樣點(diǎn)進(jìn)行離散傅里葉變換（FFT），得到輸入信號(hào)的頻譜； b）除去輸入信號(hào)中干擾信號(hào)的頻譜； c）對(duì)剩下的信號(hào)頻譜進(jìn)行傅里葉反變換（IFF

43、T），則得到一個(gè)恢復(fù)信( )( ) sin()( )s tC ttN t( )siny tBt( )C t( )C t第5章 智能傳感器系統(tǒng)智能化功能的實(shí)現(xiàn)方法 號(hào)，該恢復(fù)信號(hào)即為被測(cè)對(duì)象的信號(hào)。 采用頻域譜分析法，可以很容易的構(gòu)成低通濾波器，高通濾波器和帶通濾波器。 傅里葉變換的形式： 對(duì)于信號(hào)x(t)， ， ， 反變換：2 2、 平均濾波技術(shù)平均濾波技術(shù) 1）同步加算平均法 將記錄的信號(hào)x(t)分為等長(zhǎng)的m段，得到 m個(gè)樣本函數(shù)，若： ， 為規(guī)則的有用信號(hào)， 為隨機(jī)噪聲信號(hào)，則每個(gè)樣本的： ， ，m個(gè)樣本： ， ， ，()( )jj nnx ex n eT12( )()jj nx nx e

44、ed( )( )( )x ts tN t( )s t( )N t( )ss t22N( )s t( )sms t22NmNm第5章 智能傳感器系統(tǒng)智能化功能的實(shí)現(xiàn)方法 因此： 2）移動(dòng)平均法： 對(duì)于離散時(shí)間序列x(n)，在其中順序取 m個(gè)數(shù)求平均，該平均值為輸出值，亦即： ， ，m2k1 a）為保持對(duì)稱性，m一般取奇數(shù)。 b）m值的確定：取決于有用信號(hào)的頻率，一般希望 。 m的取值不同，決定了輸出信號(hào)的幅值大小，m值過大，輸出只有直流分量。 c）為消除尖脈沖的干擾，有時(shí)在m中去掉一個(gè)最大值和一個(gè)最小值。 ( ) ms tssmNNmm121( )()n kki n ky nx ni 0,1,2

45、,n 2Tm第5章 智能傳感器系統(tǒng)智能化功能的實(shí)現(xiàn)方法 3）中值濾波 對(duì)m窗口里的數(shù)按大小進(jìn)行排隊(duì)，取中間值作為輸出值。 作用：抑制高頻尖峰噪聲。第5章 智能傳感器系統(tǒng)智能化功能的實(shí)現(xiàn)方法 5.4 自補(bǔ)償自補(bǔ)償 包括兩個(gè)方面的內(nèi)容 1）改善系統(tǒng)溫度性能的補(bǔ)償技術(shù)； 2）系統(tǒng)工作頻帶的擴(kuò)展。5.4.1 5.4.1 溫度補(bǔ)償溫度補(bǔ)償 在前面講述的內(nèi)容里，我們?cè)趦蓚€(gè)地方講到了如何進(jìn)行溫度補(bǔ)償： 1）第一次是在第二章的2.3.5節(jié)的拼湊補(bǔ)償技術(shù)中講的采用硬件的方法，亦即使供電電源具有壓阻電橋相反溫度輸出特性，從而達(dá)到補(bǔ)償目的。 2）第二次在前一節(jié)講述自校準(zhǔn)技術(shù)時(shí)，介紹在測(cè)量當(dāng)時(shí)的工作條件下對(duì)傳感器系

46、統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)在線標(biāo)定，確定當(dāng)時(shí)的輸出輸入特性。 這里介紹的溫度補(bǔ)償則是一種稱作“監(jiān)測(cè)補(bǔ)償法”首先對(duì)干擾量進(jìn)行監(jiān)測(cè)，在此基礎(chǔ)上，再用軟件實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償，因此該方法更具實(shí)用價(jià)值。第5章 智能傳感器系統(tǒng)智能化功能的實(shí)現(xiàn)方法 1 1、 溫度信號(hào)的獲得溫度信號(hào)的獲得 一般采用測(cè)溫傳感器來獲得。對(duì)于壓阻式壓力傳感器，采用“一橋二測(cè)”技術(shù)，下面我們介紹一下什么叫“一橋二測(cè)”技術(shù)。 如右圖所示：以恒流源作為供電電源,我們知道作為壓敏電壓輸出端： （不考慮溫漂），而 的輸出值則反映了溫度量的信息。 按照理想條件： ，它的輸出與壓敏電阻變化值無關(guān)。而僅與因溫度變化引起電阻值的變化有關(guān)，因此欲求壓敏電阻處的溫度：BDUIR

47、ACUACTUIRI R 第5章 智能傳感器系統(tǒng)智能化功能的實(shí)現(xiàn)方法 1）首先對(duì)傳感器系統(tǒng)進(jìn)行 特性的標(biāo)定，給出 曲線； 2）根據(jù)測(cè)得的 輸出值和 曲線按前述方法求得當(dāng)時(shí)的T值。2 2、 多段折線逼近補(bǔ)償法多段折線逼近補(bǔ)償法 1）零位溫漂的補(bǔ)償 由于一般傳感器的零位溫漂特性是一種非線性的關(guān)系，因此針對(duì)不同性質(zhì)和用途的傳感器可采用本章第一節(jié)講的非線性校正的方法進(jìn)行。如：查表法，曲線擬合法，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法。 2）靈敏度溫度漂移的補(bǔ)償 這里講靈敏度溫度漂移的補(bǔ)償與前面講的內(nèi)容有所差別。前一章講的自校準(zhǔn)，是有前提條件的，即：在進(jìn)行標(biāo)定和測(cè)量時(shí)，某些量是處于相對(duì)穩(wěn)定不變狀態(tài)，若溫度是干擾量，則溫度是相對(duì)穩(wěn)定

48、的。在這里考慮用軟件實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償，ACUTACUTACUTACU第5章 智能傳感器系統(tǒng)智能化功能的實(shí)現(xiàn)方法 它的輸出量是作為二元函數(shù)來考慮的。若輸出是電壓量，則： ，U與P和T之間均是一種非線性的關(guān)系，因此補(bǔ)償起來要復(fù)雜一些。 1）需要解決的問題 當(dāng)我們給出一個(gè)被測(cè)量的值的時(shí)候，總是在其它影響因素固定的情況下給出的，若影響因素發(fā)生變化，則被測(cè)量的值也會(huì)發(fā)生變化。 對(duì)一個(gè)傳感器系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定也是這樣的。前面講述的非線性校正的查表法，實(shí)際上是不考慮影響因素的變化情況。 對(duì)于半導(dǎo)體傳感器，在考慮主要影響因素溫度變化時(shí)的標(biāo)定，我們可( , )Uf P T第5章 智能傳感器系統(tǒng)智能化功能的實(shí)現(xiàn)方法 以給出在不

49、同工作溫度值時(shí)的被測(cè)量與輸出量之間的列表值，但這些量都是有限的，而且是離散的。 若對(duì)應(yīng)的輸出量不在這些節(jié)點(diǎn)所確定的標(biāo)定線上，如何求得對(duì)應(yīng)的被測(cè)量？如上圖所示。 2）補(bǔ)償方法及步驟： 在上圖中，我們假定： ，則：那么我們希望求出對(duì)應(yīng) 的VP曲線上 值或?qū)?yīng) 的VP曲線上 的值，然后采用反非線性的方法求出對(duì)應(yīng)的P值。因此在表達(dá)式： 中，如何求取 或 的值。 采用書中講述的方法求取，對(duì)應(yīng)于不同位置 的值，有時(shí)誤差1jjPPP1jjTTT11(,)( , )(,)jjjjU PTU P TU P T1jT1( ,)jU P TjT( ,)jU P T( ,)( , )( ,)jPjU P TU P T

50、UT T1( ,)PjUT T( ,)PjUT T( , )U P T第5章 智能傳感器系統(tǒng)智能化功能的實(shí)現(xiàn)方法 較大?？紤]一下，如何求取可以盡量減少 或 的計(jì)算誤差。 （書中是按 進(jìn)行比較的）。 步驟： a) 根據(jù)傳感器系統(tǒng)的工作被測(cè)量范圍和工作環(huán)境溫度確定標(biāo)定時(shí)合理的分段值。 b）通過標(biāo)定實(shí)驗(yàn)給出標(biāo)定列表值并存入內(nèi)存（零點(diǎn)溫度標(biāo)定； 標(biāo)定； 標(biāo)定）。 c）當(dāng)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量時(shí)，首先由測(cè)溫傳感器的輸出值求得T值，將已消除零位誤差的輸入量的值和對(duì)應(yīng)的T值與標(biāo)定值進(jìn)行比較，判定它所在列表網(wǎng)格中的位置。 d）按上述方法求得補(bǔ)償電壓值。 e）求出對(duì)應(yīng)標(biāo)定曲線上對(duì)應(yīng)輸入量值的輸出電壓值。 f）按反非線性特

51、性求得被測(cè)量的值。1( ,)PjUT T( ,)PjUT T1TACUT( , )U P T第5章 智能傳感器系統(tǒng)智能化功能的實(shí)現(xiàn)方法 3）綜合補(bǔ)償程序 書中給出了該程序的主程序框圖和求取補(bǔ)償電壓的子程序框圖。其它主要過程和步驟與上面介紹的內(nèi)容相同，那么這里需要注意的幾點(diǎn)有： a) 一開始給定的轉(zhuǎn)換特性輸出值是經(jīng)過零位修正后的值。 b）先由 求取T值，然后再對(duì)輸入 作零位修正。 c）如何快速求取P的值。 d）提高計(jì)算精度的問題。 4）計(jì)算舉例： 具體過程這里就不說了，但書中提到了一個(gè)補(bǔ)償誤差估算的問題。這里實(shí)際上是我們前面講到的 在確定網(wǎng)格位置不同時(shí)所引起的計(jì)算誤差。按前面講的方法算一下做一個(gè)

52、比較。 盡管如此，根據(jù)書中給的參數(shù)值計(jì)算表明，其補(bǔ)償后的靈敏度仍可提高一個(gè)數(shù)量級(jí)以上。ACU( , )U P T( , )U P T第5章 智能傳感器系統(tǒng)智能化功能的實(shí)現(xiàn)方法 3 3、 曲線擬合補(bǔ)償法曲線擬合補(bǔ)償法 1）補(bǔ)償原理：前面講的多段折線逼近補(bǔ)償法類似于單變量中查表法，而這里講的兩個(gè)變量曲線擬合與單變量曲線擬合類似。它的擬合結(jié)果，從某種角度來講是一種曲面的效果。 用于找出在工作溫度范圍內(nèi)非標(biāo)定條件下的任一溫度T時(shí)的輸入輸出特性，因此這種方法更具有普遍性。 2）補(bǔ)償步驟 a）利用標(biāo)定實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，建立多項(xiàng)式方程 ，須先考慮零位值的修正 。2311112131:( )T U TPPP23221

53、22232:()TU TPPP23123:( )iiiiiT U TPPP第5章 智能傳感器系統(tǒng)智能化功能的實(shí)現(xiàn)方法 求取上述方程中的函數(shù)值，即可確定UP之間的關(guān)系，多項(xiàng)式項(xiàng)數(shù)的多少取決于補(bǔ)償精度的要求。 b）建立系數(shù)的曲線擬合方程 上式中的值也用一維多項(xiàng)式方程表示： 一次項(xiàng)： 二次項(xiàng)： 若在確定溫度T的情況下，將 系數(shù)的多項(xiàng)式方程式代入U(xiǎn)P多項(xiàng)式方程中，選取不同的P值，測(cè)定U值，則我們可以求得系數(shù) ， ， ， 的值。至少要進(jìn)行多少次標(biāo)定，才能求出該系數(shù)？3）確定工作溫度T時(shí)的PU特性的曲線擬合方程。23411111ATBTCTDT23422222ATB TC TD TiiAiBiCiD第5章

54、 智能傳感器系統(tǒng)智能化功能的實(shí)現(xiàn)方法 由 確定T值，將T代入的曲線擬合方程，則可以求得各的系數(shù)值，再由方程：可求得P值。 優(yōu)點(diǎn)：從原理上來講，可消除溫度變化引起的誤差。 4）補(bǔ)償效果 補(bǔ)償后輸出電壓的溫度穩(wěn)定性得到了非常大的提高。5.4.2 5.4.2 頻率補(bǔ)償頻率補(bǔ)償 目的：擴(kuò)展系統(tǒng)的頻帶，改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。 方法：數(shù)字濾波法，頻率校正法。1 1、 數(shù)字濾波法數(shù)字濾波法 見下圖234512345( , )U P TPPPPPACU第5章 智能傳感器系統(tǒng)智能化功能的實(shí)現(xiàn)方法 1）工作原理 在學(xué)自動(dòng)控制時(shí)，我們知道，要想改善該控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能（幅頻特性，相頻特性），可以通過硬件的方法在控制回

55、路中增加某一環(huán)節(jié)來達(dá)到改善的目的。 在上圖中，即是串入H（s）。 數(shù)字濾波器的方法即是通過軟件的方法來實(shí)現(xiàn)附加傳遞函數(shù)H（s）。 ，( )( )( )I sW sH s 11 zTs第5章 智能傳感器系統(tǒng)智能化功能的實(shí)現(xiàn)方法 這里 是原系統(tǒng)的傳遞函數(shù)， 是希望改善后的系統(tǒng)傳遞函數(shù)。 2）實(shí)現(xiàn)方法 在上一章里我們講濾波技術(shù)的時(shí)候，比較詳細(xì)的介紹了數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)方法，其前提就是根據(jù)系統(tǒng)已知的s域的傳遞函數(shù)H（s）求得等效的數(shù)字濾波器，其中共分5個(gè)步驟進(jìn)行。 書中分析主要是針對(duì)一階系統(tǒng)進(jìn)行的，二階系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方法與此類似。 但是在進(jìn)行數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)之前，必須要知道傳感器系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性。對(duì)于一階系統(tǒng)為時(shí)間

56、常數(shù)；對(duì)于二階系統(tǒng)則為固有振蕩頻率 和阻尼比 。 3）時(shí)間常數(shù)的確定。 a）可采用階躍響應(yīng)法測(cè)定 b）頻率特性法：輸入頻率可調(diào)的正弦信號(hào)，輸出幅值最大時(shí)的頻率值( )W s( )I s0第5章 智能傳感器系統(tǒng)智能化功能的實(shí)現(xiàn)方法 為系統(tǒng)頻率。 4）補(bǔ)償后的效果 系統(tǒng)經(jīng)過補(bǔ)償以后，輸出特性將會(huì)發(fā)生改變。按補(bǔ)償效果來分，會(huì)有下面幾種情況： a）補(bǔ)償不足： b）補(bǔ)償過分： c）補(bǔ)償正好： 由于數(shù)字濾波器是通過軟件編程實(shí)現(xiàn)的，可以很容易進(jìn)行調(diào)整達(dá)到最佳補(bǔ)償效果。 出現(xiàn)上述情況，是由于不能精確測(cè)定值所引起的。0CCff0CCff0CCff第5章 智能傳感器系統(tǒng)智能化功能的實(shí)現(xiàn)方法 2 2、 頻域校正法頻

57、域校正法 這里講的頻域校正法與前面介紹的5.3.3其它濾波技術(shù)中頻域譜分析法基本一致。 1）對(duì)輸入信號(hào)的輸出響應(yīng)信號(hào)進(jìn)行采樣， ； 2）對(duì)采樣信號(hào)進(jìn)行FFT，求得頻譜 ； 3）采用復(fù)數(shù)除法運(yùn)算求得系統(tǒng)被測(cè)輸入信號(hào)的頻譜； 4）采用IFFT求得原函數(shù) 的離散時(shí)間序列。 校正思想： 由于系統(tǒng)本身的頻帶寬度限制，使得輸入信號(hào)的高頻部分被衰減或產(chǎn)生畸變，但是對(duì)于已知的系統(tǒng)而言，這種畸變是確定的，可以根據(jù)畸變的結(jié)果和確定的系統(tǒng)就可以恢復(fù)出真正的輸入信號(hào)。2smff( )Y( )x t第5章 智能傳感器系統(tǒng)智能化功能的實(shí)現(xiàn)方法 5.5 多傳感器信息融合多傳感器信息融合 上一節(jié)我們講的自補(bǔ)償技術(shù)是針對(duì)消除溫

58、度對(duì)輸出量的影響和擴(kuò)展系統(tǒng)頻帶寬度而言的，這一節(jié)講的多傳感器信息融合技術(shù)就是通過對(duì)多個(gè)參數(shù)的監(jiān)測(cè)，采用一定的信息處理方法達(dá)到提高每一個(gè)參數(shù)量測(cè)量精度的目的。也就是通過降低或消除各參量間交叉靈敏度的影響，提高目標(biāo)參量測(cè)量精度的一種手段，因此信息融合技術(shù)更具有普遍性和強(qiáng)的實(shí)用價(jià)值。舉例說明：ST3000，硅壓阻式多功能傳感器 差壓測(cè)量差壓電橋，靜壓測(cè)量靜壓電橋，溫度測(cè)量感溫電阻。 是多傳感器信息融合處理技術(shù)的代表，因之稱為智能傳感器系統(tǒng)發(fā)展的搖籃。簡(jiǎn)單介紹信息融合技術(shù)在其它方面的應(yīng)用 多媒體的組成； 多傳感器使用提高可靠性； 現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)中各種信息的處理。第5章 智能傳感器系統(tǒng)智能化功能的實(shí)現(xiàn)方法 受

59、交叉靈敏度影響較深當(dāng)首推各種氣體傳感器 說明氣體傳感器的特性 解決方法：采用陣列技術(shù)，兩方面的內(nèi)容。 1）研制集成微型氣體傳感器陣列 2）采用多傳感器信息融合技術(shù) 達(dá)到目的：氣體識(shí)別，混合氣體組分的含量分析信息融合處理方法 1）多維回歸分析法，實(shí)際上是多元函數(shù)的數(shù)值解法，如上一節(jié)介紹的曲線擬合法。 2）模式識(shí)別氣體種類的方法 3）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分析法 下面我們分別介紹上述幾種方法及其應(yīng)用： 第5章 智能傳感器系統(tǒng)智能化功能的實(shí)現(xiàn)方法 5.5.1 5.5.1 二傳感器信息融合二傳感器信息融合 前面介紹的自補(bǔ)償技術(shù)中，以其中的一個(gè)參量（如壓力作為目標(biāo)輸入量，其它量作為干擾量來考慮的，因此稱之為“監(jiān)測(cè)補(bǔ)償

60、法”。但如果要將干擾量溫度也作為一個(gè)目標(biāo)輸入量來考慮，這就是二傳感器信息融合的概念。 它可以采用二維回歸分析法（或稱為曲面擬合算法，二元函數(shù)分析法）來進(jìn)行分析處理，下面我們介紹該方法的基本原理1 1、 曲面擬合法原理曲面擬合法原理 對(duì)于一存在溫度靈敏度的壓力傳感器系統(tǒng)，它的壓力傳感器輸出信號(hào)實(shí)際上是P和T（或 ）的二元函數(shù)，即： 一個(gè)曲面函數(shù) 我們也可以將實(shí)際輸入壓力P表示為U和 的二元函數(shù)： ，該函數(shù)可解釋為：因U中包含T的信息，為消除U中T的影TU( ,)tUg P UtU( ,)tPf U U第5章 智能傳感器系統(tǒng)智能化功能的實(shí)現(xiàn)方法 響而求得實(shí)際的輸入P的值，所以加入U(xiǎn)t。上述函數(shù)采用