第5章 智能傳感器系統(tǒng)智能化功能的實現(xiàn)方法

目錄

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5章智能傳感器系統(tǒng)智能化功能的實現(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章智能化功能的實現(xiàn)方法

要點：

非線性自校正技術(shù)；自校零與自校準(zhǔn)技術(shù)；噪聲抑制技術(shù)；

自補償技術(shù)；信息融合技術(shù)；量程自動更換及自檢測、自診斷技術(shù)；圖象處理技術(shù)。

1、用軟件來進行非線性校正，一般來說它對測量系統(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，因為它校正的依據(jù)是它在標(biāo)準(zhǔn)輸入－輸出特性曲線的基礎(chǔ)上進行的。進行非線性校正可以達到兩個目的：

a）有利于讀數(shù)；

b）有利于分析處理測量結(jié)果，減少測量誤差；

2、在智能化軟件程序的導(dǎo)引下實時進行自動校零和實時自動校準(zhǔn)/標(biāo)定，其測量精度決定于作為標(biāo)準(zhǔn)量的基準(zhǔn)精度，而對系統(tǒng)本身的精度、重復(fù)性、穩(wěn)定性要求不高。通過實時自校零和自校準(zhǔn)，它可以：

a）消除系統(tǒng)誤差；

b）降低外界干擾因素的影響；

c)提高系統(tǒng)的精度與穩(wěn)定性。

3、噪聲抑制技術(shù)主要是將有用信息從混有噪聲的信號中提取出來。

a）方法：數(shù)字濾波、相關(guān)分析、統(tǒng)計平均處理；

b）目的：消除偶然誤差或隨機誤差，排除干擾，提高信噪比和分辨率。

4、通過自補償技術(shù)可以改善傳感器系統(tǒng)動態(tài)特性以及溫漂性能。

5、通過信息融合技術(shù)來消除交叉靈敏度、時漂等因素所產(chǎn)生的干擾量的影響。

6、實現(xiàn)自動選擇更換量程、自檢測、自診斷等功能，可以進一步提高傳感器系統(tǒng)的測量范圍、安全性和可靠性?！?.1非線性校正技術(shù)

非線性校正的目的就是達到使輸入－輸出特性是一條直線，在介紹用軟件實現(xiàn)非線性校正之前我們先回顧一下非線性校正的過程?！?.1.1非線性校正的一些概念1、具有典型非線性輸出的傳感器

1）測溫元件：熱電偶、鉑電阻、熱敏電阻，輸出電信號～被測溫度。

2）半導(dǎo)體氣敏元件：，傳感器電導(dǎo)與水蒸氣分壓呈對數(shù)關(guān)系2、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）。b）如鉑電阻：，：0℃時的電阻值。一般式：3、在測量儀表中用硬件進行非線性補償?shù)脑?/p>

1）開環(huán)式非線性補償

a）計算法：，，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圖。I象限：傳感器

Ⅱ象限：放大器

Ⅲ象限：，線性化器。

Ⅳ象限：，希望的輸出特性線。

2）閉環(huán)式非線性補償主要是求解反饋網(wǎng)絡(luò)的非線性特性。a）計算法，，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；

Ⅱ象限：，反饋網(wǎng)絡(luò)。

Ⅲ象限：因，所以將之間的關(guān)系也放在第二象限；

Ⅳ象限：，希望的輸出直線。3）增益控制式非線性補償針對被動式傳感器而言，亦即傳感器的輸出受激勵源激勵的調(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源調(diào)制。增益控制電路的非線性表達式：4、線性化工程上的實現(xiàn)方法

1）采用模擬電路；如二極管陣列式開方器，各種對數(shù)、指數(shù)、三角函數(shù)等運算放大器，實現(xiàn)高精度補償?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)利用微處理器運算功能，亦即采用軟件的方法來實現(xiàn)。下面我們介紹幾種用軟件來實現(xiàn)非線性校正的方法。§5.1.2查表法1、實現(xiàn)方法

1）首先確定反非線性曲線。可采用先測出輸入－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)精度要求對反非線性曲線分段，將折點座標(biāo)值存入數(shù)據(jù)表。

3）測量時明確對應(yīng)輸入被測量在哪一段。

4）根據(jù)該段折線的斜率進行線性插值，確定對應(yīng)的的輸出值。5）表達式：2、折線與折點的確定

1）Δ近似法折點在誤差界上，書中表達不確切。

2）截線近似法折點在曲線上且誤差最小，最大誤差在折線段中部。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、平均選點線性度、端基線性度?！?.1.3曲線擬合法用n次多項式來逼近反非線性曲線。1、列出逼近反非線性曲線的多項式方程

1）對整個測量系統(tǒng)進行靜態(tài)實驗標(biāo)定對應(yīng)輸入：；輸出為：曲線的折線逼近（a）△近似法；（b）截線近似法2）反非線性曲線的擬合方程在實際使用中，一般根據(jù)測量精度要求來選定擬合項數(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)N＝3時，其計算量已經(jīng)比較大了。2、將求得的常系數(shù)存入內(nèi)存

在實際使用中，根據(jù)u值計算時可按計算式，進行循環(huán)運算，亦即第一次將賦值給b，，而第二次，：書中所述噪聲對矩陣計算的影響的解釋：所以有些信號需先作平滑和濾波處理，后面講述?！?.1.4函數(shù)鏈神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法1、傳感器及其調(diào)理電路的實驗標(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)的計算機系統(tǒng)基于多個計算步驟串行處理方式。基于串行處理方式，中間任何一個環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題，結(jié)果會引起災(zāi)難性的失敗。

主要工作是計算出權(quán)值：根據(jù)：，估計誤差：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)估計誤差值滿足精度要求時，所得的權(quán)值：即為多項式待定常數(shù)：，權(quán)值初始值的確定：與為同一數(shù)量級；比低一個數(shù)量級以上，比低更多。4、應(yīng)用舉例：書中講的是一個測量濃度傳感器系統(tǒng)的例子，該傳感器系統(tǒng)的輸出是頻率信號，當(dāng)濃度增加時，輸出頻率減小。該例子說明：

1）學(xué)習(xí)因子η影響迭代收斂的速度和穩(wěn)定性，在實際使用中可根據(jù)情況進行調(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。作業(yè)7

某一傳感器的輸出-輸入關(guān)系為：輸出量程范圍為：0~5V，試采用查表法對其進行非線性校正，校正的精度要求為1%?！?.2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)是基于實時校準(zhǔn)。§5.2.1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：多信號測量法中的三點測量法。1、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)信號發(fā)生器，它包括零點標(biāo)準(zhǔn)值和測量標(biāo)準(zhǔn)值，該值應(yīng)與傳感器的輸出信號具有相同的量綱（或相同屬性）；

智能傳感器系統(tǒng)實現(xiàn)自校準(zhǔn)功能原理框圖（a）不含傳感器自校；（b）含傳感器自校b）包含一多路轉(zhuǎn)換器，有電動、氣動、液壓；

c）傳感器測量系統(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)信號發(fā)生器的輸出信號與傳感器的被測對象具有相同的屬性。如測壓力的，提供標(biāo)準(zhǔn)的壓力信號。2、測量方法：在每一個測量周期內(nèi)，由微處理器控制多路轉(zhuǎn)換器執(zhí)行三步測量方法:1）校零：輸入零點標(biāo)準(zhǔn)值，輸出:；

2）標(biāo)定：輸入標(biāo)準(zhǔn)值，輸出：；

3）測量：輸入傳感器輸出，輸出:。

由第1）、2）步可求得：

這種方法對于系統(tǒng)響應(yīng)頻率不是很高，而且零點和靈敏度變化比較大的使用場合較適用，而對于系統(tǒng)信號變化很快或零點和靈敏度變化不是很快的場合倒沒有必要采用該種方法。3、寬量程多檔多增益系統(tǒng)的標(biāo)定（方法二）實際上是測出系統(tǒng)的增益或者說靈敏度。

1）方法：斜率比動態(tài)校準(zhǔn)法，：輸入信號從－4.5V—＋4.5V的時間間隔；：輸出信號從－4.5V—＋4.5V的時間間隔；

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)信號頻率，

d）微處理器系統(tǒng)的時鐘頻率。

斜率比動態(tài)校準(zhǔn)法（a）標(biāo)準(zhǔn)信號UR波形；（b）輸出波形；（c）原理框圖

上述因素之間是相互關(guān)聯(lián)的，標(biāo)準(zhǔn)信號頻率低可提高精度，但增大了量化誤差的影響?！?.2.2方法三上述方法僅適用于輸出－輸入特性呈線性關(guān)系的場合，而實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行校準(zhǔn)，而要采取測量前的在線實時三點標(biāo)定法。1、標(biāo)準(zhǔn)信號發(fā)生器提供三個標(biāo)準(zhǔn)值信號，按實際測量的需要接好系統(tǒng)回路。通過微機系統(tǒng)的控制，依次輸入三個標(biāo)準(zhǔn)值：，，；測得相應(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，，。

3、通過控制將智能傳感器系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換開關(guān)轉(zhuǎn)向測量狀態(tài)，將測量值代入上式中，則值即代表系統(tǒng)測出的輸入待測目標(biāo)參量x。

實現(xiàn)條件：傳感器系統(tǒng)在實時標(biāo)定與測量期間，輸出－輸入特性保持不變。

測量精度：決定于實時標(biāo)定的精度。

效果示例：總誤差：±1％，標(biāo)準(zhǔn)值精度：±0.02％，短時精度:±0.1％下圖給出了一個壓力自校準(zhǔn)系統(tǒng)的例子，它的標(biāo)準(zhǔn)測量周期，完全取決于壓力達到穩(wěn)定狀態(tài)的時間；周期越短，對提高測量精度越有利。壓力自校準(zhǔn)系統(tǒng)原理框圖§5.3噪聲抑制技術(shù)

有關(guān)噪聲的抑制技術(shù)實際上在有關(guān)的課程里都講過，一般有濾波、相關(guān)技術(shù)、平均技術(shù)等?！?.3.1濾波

用途：信號頻譜與噪聲頻譜不重合時。

濾波器的分類：模擬濾波器－由硬件組成，屬于連續(xù)時間系統(tǒng)。數(shù)字濾波器－由軟件實現(xiàn)，屬于離散時間系統(tǒng)。1、數(shù)字濾波器中的Z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；對于連續(xù)時間系統(tǒng)，一般采用拉氏變換，而對于離散時間系統(tǒng)則采用Z變換。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）單位斜坡函數(shù)x（t）的Z變換

c）指數(shù)函數(shù)的Z變換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z＝0處無極點，分母中無z項

Ⅰ）單極點留數(shù)：

Ⅱ）m階重極點留數(shù)：d）部分分式展開法將X（z）展開成簡單的一階或二階項之和，再利用查表法求出各項的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)，則：；2、模擬濾波器相關(guān)知識

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2）巴特沃斯濾波器與切比雪夫濾波器低通濾波器傳遞函數(shù)的一般表達式：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n值不同時巴特沃斯低通濾波器頻率特性（a）幅頻特性；（b）相頻特性n值不同時切比雪夫低通濾波器頻率特性（a）幅頻特性；（b）相頻特性切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)：切比雪夫多項式系數(shù)。3、以模擬濾波器為基礎(chǔ)的數(shù)字濾波器的設(shè)計或者說根據(jù)H（s）求G（z），因為頻率選擇型模擬濾波器的構(gòu)成法或設(shè)計方法，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。設(shè)模擬濾波器的傳遞函數(shù)為H（s），脈沖響應(yīng)為h（t），則對應(yīng)的數(shù)字濾波器的脈沖響應(yīng)為：，上式的獲得，是因為：為保持不失真：，

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）后向差分法對于一階系統(tǒng)：傳遞函數(shù)：；，（τ：時間常數(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，令即可。對應(yīng)后向差分法還有前向差分法：則上述方法不成立。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，則：經(jīng)Z變換后：亦即在傳遞函數(shù)中，以代入即可求。上述方法對所有形式的頻率選擇濾波器的設(shè)計均有效。4）頻率預(yù)曲折雙線性變換法

a）對于連續(xù)濾波器，對應(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，而當(dāng)接近時，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，其中為時間常數(shù)，它所對應(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)計要求。（a）G（jω）的波德圖；（b）雙線性變換法解得的波德圖；（c）頻率預(yù)曲折雙線性變換法解得的波德圖3、數(shù)字濾波器的設(shè)計舉例

1）數(shù)字濾波器的設(shè)計步驟

a）根據(jù)模擬濾波器的傳遞函數(shù)選擇合適的設(shè)計方法；

b）根據(jù)選定的設(shè)計方法求出等效數(shù)字濾波器的傳遞函數(shù)；

c）求出對應(yīng)的差分方程，亦即：；

d）求差分方程的Z反變換關(guān)系式該關(guān)系式一般表達了當(dāng)前nT時刻的輸出值y（n）與當(dāng)前時刻的輸入x(n)和前一時刻輸入x(n-1)，輸出y(n-1)；甚至前二時刻輸入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，，；

b）

c）

d）令：，，則：轉(zhuǎn)折角頻率：通過調(diào)整q，p的值可以改變低通濾波器的時間常數(shù)τ。在信號緩變的流量、壓力、溫度測量的智能傳感器系統(tǒng)中，可采用該方法來濾除高頻噪聲?！?.3.2相關(guān)分析技術(shù)用途：用于信號頻帶與噪聲頻帶相重疊或者噪聲幅值比信號大的場合。所謂相關(guān)乃指信號的一些特征參量相同或相近。噪聲信號的特點：

1）噪聲信號是一種隨機性的信號，它的估計平均值是不隨時間變化。

2）某些受外界因素干擾的信號具有產(chǎn)生干擾的對象的特征。如工頻干擾信號，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之前，我們先了解一下表征隨機信號的一些參量。1、隨機信號的各種表征參量

1）平均值：又稱直流分量，T為有限值則為：。2）均方值：表示信號的強度

3）方差：又稱波動分量部分

4）自相關(guān)函數(shù)相關(guān)性的好壞主要表征信號的規(guī)律性好壞，或者說是一種將有規(guī)則的信號提取出來的方法。

5）互相關(guān)函數(shù)表征兩個不同的隨機信號在相隔τ時取值的相關(guān)程度。2、自相關(guān)函數(shù)的性質(zhì)和特點

1）性質(zhì)a）自相關(guān)函數(shù)是偶函數(shù)，亦即：

b）時，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，是的最小值，等于；這說明相關(guān)分析主要是除去隨機信號的波動分量。

2）特點

a）確定性信號，在所有值，都存在的數(shù)值存在，依此可檢測其周期。而隨機信號在趨向一定值時，

b）若確定性信號是周期性信號，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。3）應(yīng)用可用于檢測淹沒在隨機噪聲中的周期性信號。假設(shè)一輸入信號為：為確定性信號，為噪聲信號。通過自相關(guān)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，在中，的相關(guān)值得到增強，而的相關(guān)值被減弱，從而很容易識別提取有用信號的特征參數(shù)值。如：汽車垂直加速度的檢測。3、互相關(guān)函數(shù)的性質(zhì)與特點

1）性質(zhì)

a）互相關(guān)函數(shù)不是偶函數(shù)，它與兩信號的相位有關(guān)，亦即：，但：

b）在時無特征性。

c）互相關(guān)函數(shù)有時也有最大值，這一點與a）聯(lián)系在一起。

2）特點

a）由于互相關(guān)函數(shù)與信號的相位有關(guān)，因此它包含有時間延遲信息，可用來測量有時間延遲信息的物理量，如：速度、流量等。

b）對隨機干擾噪聲有極強的抑制能力。4、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：假定被測信號為：

：有用信號；：工頻干擾信號可表征為：在一段時間內(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的值，然后將減去就可得到有用信號。求解A，B，的步驟：

a）在一定的取值范圍內(nèi)（如49～51）先取定的值。

b）將與進行互相關(guān)分析處理，求得A的值。對于有限的離散點：

c）將與進行相關(guān)分析處理，求得B的值。對于有限的離散點：

d）求的值e）改變的值（按一定的步長），重復(fù)b），c），d）求取對應(yīng)不同的的值；若的取值與實際的頻率值相同，則中包含的工頻信號與（或）是一種自相關(guān)的關(guān)系，則此時相關(guān)值達到最大。因此對應(yīng)最大值的即為實際的工頻信號頻率，將對應(yīng)的、值代入上式即可求得工頻干擾信號。在實際運算時，上述信號都是離散的形式，因此：說明：在進行與（和）互相關(guān)分析處理時，利用了以下兩點特性：

a）兩相互獨立無關(guān)的信號（其中一個需為周期信號）在進行互相關(guān)時，互相關(guān)函數(shù)為零；

b）正交函數(shù)（相位相差90°）進行互相關(guān)時，互相關(guān)函數(shù)為零。作業(yè)8：一相對平穩(wěn)測量信號受到工頻信號的干擾，假定測量信號的輸出幅值為0～5V，工頻干擾幅值1V，試設(shè)計一個數(shù)字濾波器，使之經(jīng)過數(shù)字濾波后信噪比＞100。作業(yè)9：在無功補償系統(tǒng)中，電流與電壓信號之間的相位差需要精確測量，但實際測量中，因干擾信號的影響，很難直接獲得精確值，試用相關(guān)分析的方法具體實現(xiàn)之。假定干擾信號為白噪聲，信噪比為1，具體計算相關(guān)后的精度。2）相關(guān)相位差計用于精確測量兩個相同頻率信號，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）實際信號處理是離散的形式3）相關(guān)分析儀（又稱鎖相放大器）在無線通信中，它相當(dāng)于一個解調(diào)器的作用。在右圖中，s(t)是一個包含被測量信號、調(diào)制信號和噪聲信號的混合信號，y(t)是調(diào)制信號，s(t)與y(t)經(jīng)乘法器再經(jīng)低通濾波器輸出的信號實際上就是s(t)與y(t)在延遲時互相關(guān)后的函數(shù)值。

其中：，前提：是一個緩變信號，而ω相對的角頻率很大。在一般的信號傳輸和測量中（特別是無線通信），為了提高信噪比，先將被測或被傳輸信號進行高頻調(diào)制，然后再進行測量和傳輸，經(jīng)過解調(diào)后可基本上保持原信號不變，或不受干擾信號的影響。另外書中還介紹了如何實現(xiàn)輸入信號受參考信號調(diào)制的方法，大家自己看一看?！?.3.3其它濾波技術(shù)1、頻域譜分析法（又叫快速傅里葉變換）

a）首先對輸入信號進行采樣，對采樣點進行離散傅里葉變換（FFT），得到輸入信號的頻譜；

b）除去輸入信號中干擾信號的頻譜；

c）對剩下的信號頻譜進行傅里葉反變換（IFFT），則得到一個恢復(fù)信號，該恢復(fù)信號即為被測對象的信號。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：對于信號x(t)，，，反變換：2、平均濾波技術(shù)

1）同步加算平均法將記錄的信號x(t)分為等長的m段，得到m個樣本函數(shù)，若：，為規(guī)則的有用信號，為隨機噪聲信號，則每個樣本的：，，m個樣本：，，，因此：

2）移動平均法：對于離散時間序列x(n)，在其中順序取m個數(shù)求平均，該平均值為輸出值，亦即：，，m＝2k＋1a）為保持對稱性，m一般取奇數(shù)。

b）m值的確定：取決于有用信號的頻率，一般希望。

m的取值不同，決定了輸出信號的幅值大小，m值過大，輸出只有直流分量。

c）為消除尖脈沖的干擾，有時在m中去掉一個最大值和一個最小值。

3）中值濾波對m窗口里的數(shù)按大小進行排隊，取中間值作為輸出值。作用：抑制高頻尖峰噪聲。§5.4自補償

包括兩個方面的內(nèi)容

1）改善系統(tǒng)溫度性能的補償技術(shù)；

2）系統(tǒng)工作頻帶的擴展?！?.4.1溫度補償在前面講述的內(nèi)容里，我們曾在兩個地方講到了如何進行溫度補償：

1）第一次是在第二章的2.3.5節(jié)的拼湊補償技術(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，從而達到補償目的。

2）第二次在前一節(jié)講述自校準(zhǔn)技術(shù)時，介紹在測量當(dāng)時的工作條件下對傳感器系統(tǒng)進行實時在線標(biāo)定，確定當(dāng)時的輸出－輸入特性。這里介紹的溫度補償則是一種稱作“監(jiān)測補償法”——首先對干擾量進行監(jiān)測，在此基礎(chǔ)上，再用軟件實現(xiàn)補償，因此該方法更具實用價值。1、溫度信號的獲得一般采用測溫傳感器來獲得。對于壓阻式壓力傳感器，采用“一橋二測”技術(shù)，下面我們介紹一下什么叫“一橋二測”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：1）首先對傳感器系統(tǒng)進行特性的標(biāo)定，給出曲線；

2）根據(jù)測得的輸出值和曲線按前述方法求得當(dāng)時的T值。2、多段折線逼近補償法

1）零位溫漂的補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償這里講靈敏度溫度漂移的補償與前面講的內(nèi)容有所差別。前一章講的自校準(zhǔn)，是有前提條件的，即：在進行標(biāo)定和測量時，某些量是處于相對穩(wěn)定不變狀態(tài)，若溫度是干擾量，則溫度是相對穩(wěn)定的。在這里考慮用軟件實現(xiàn)補償，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)我們給出一個被測量的值的時候，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，則被測量的值也會發(fā)生變化。對一個傳感器系統(tǒng)進行標(biāo)定也是這樣的。前面講述的非線性校正的查表法，實際上是不考慮影響因素的變化情況。對于半導(dǎo)體傳感器，在考慮主要影響因素——溫度變化時的標(biāo)定，我們可以給出在不同工作溫度值時的被測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。若對應(yīng)的輸出量不在這些節(jié)點所確定的標(biāo)定線上，如何求得對應(yīng)的被測量？如上圖所示。

2）補償方法及步驟：在上圖中，我們假定：，則：那么我們希望求出對應(yīng)的V－P曲線上值或?qū)?yīng)的V－P曲線上的值，然后采用反非線性的方法求出對應(yīng)的P值。因此在表達式：中，如何求取或的值。采用書中講述的方法求取，對應(yīng)于不同位置的值，有時誤差較大?？紤]一下，如何求取可以盡量減少或的計算誤差。（書中是按進行比較的）。步驟：

a)根據(jù)傳感器系統(tǒng)的工作被測量范圍和工作環(huán)境溫度確定標(biāo)定時合理的分段值。

b）通過標(biāo)定實驗給出標(biāo)定列表值并存入內(nèi)存（零點－溫度標(biāo)定；標(biāo)定；標(biāo)定）。

c）當(dāng)進行現(xiàn)場測量時，首先由測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應(yīng)的T值與標(biāo)定值進行比較，判定它所在列表網(wǎng)格中的位置。

d）按上述方法求得補償電壓值。

e）求出對應(yīng)標(biāo)定曲線上對應(yīng)輸入量值的輸出電壓值。

f）按反非線性特性求得被測量的值。3）綜合補償程序書中給出了該程序的主程序框圖和求取補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，然后再對輸入作零位修正。

c）如何快速求取P的值。

d）提高計算精度的問題。

4）計算舉例：具體過程這里就不說了，但書中提到了一個補償誤差估算的問題。這里實際上是我們前面講到的在確定網(wǎng)格位置不同時所引起的計算誤差。按前面講的方法算一下做一個比較。

盡管如此，根據(jù)書中給的參數(shù)值計算表明，其補償后的靈敏度仍可提高一個數(shù)量級以上。3、曲線擬合補償法

1）補償原理：前面講的多段折線逼近補償法類似于單變量中查表法，而這里講的兩個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時的輸入－輸出特性，因此這種方法更具有普遍性。

2）補償步驟

a）利用標(biāo)定實驗數(shù)據(jù)，建立多項式方程，須先考慮零位值的修正。

求取上述方程中的函數(shù)值，即可確定U～P之間的關(guān)系，多項式項數(shù)的多少取決于補償精度的要求。

b）建立系數(shù)β的曲線擬合方程上式中β的值也用一維多項式方程表示：一次項：二次項：若在確定溫度T的情況下，將系數(shù)的多項式方程式代入U～P多項式方程中，選取不同的P值，測定U值，則我們可以求得系數(shù)，，，的值。至少要進行多少次標(biāo)定，才能求出該系數(shù)？3）確定工作溫度T時的P－U特性的曲線擬合方程。

由確定T值，將T代入β的曲線擬合方程，則可以求得各β的系數(shù)值，再由方程：可求得P值。優(yōu)點：從原理上來講，可消除溫度變化引起的誤差。

4）補償效果補償后輸出電壓的溫度穩(wěn)定性得到了非常大的提高?！?.4.2頻率補償目的：擴展系統(tǒng)的頻帶，改善系統(tǒng)的動態(tài)性能。方法：數(shù)字濾波法，頻率校正法。1、數(shù)字濾波法見下圖1）工作原理在學(xué)自動控制時，我們知道，要想改善該控制系統(tǒng)的動態(tài)性能（幅頻特性，相頻特性），可以通過硬件的方法在控制回路中增加某一環(huán)節(jié)來達到改善的目的。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現(xiàn)附加傳遞函數(shù)H（s）。，

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）實現(xiàn)方法在上一章里我們講濾波技術(shù)的時候，比較詳細的介紹了數(shù)字濾波器的設(shè)計方法，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個步驟進行。書中分析主要是針對一階系統(tǒng)進行的，二階系統(tǒng)實現(xiàn)方法與此類似。但是在進行數(shù)字濾波器設(shè)計之前，必須要知道傳感器系統(tǒng)動態(tài)特性。對于一階系統(tǒng)為時間常數(shù)τ；對于二階系統(tǒng)則為固有振蕩頻率和阻尼比。

3）時間常數(shù)τ的確定。

a）可采用階躍響應(yīng)法測定

b）頻率特性法：輸入頻率可調(diào)的正弦信號，輸出幅值最大時的頻率值為系統(tǒng)頻率。

4）補償后的效果系統(tǒng)經(jīng)過補償以后，輸出特性將會發(fā)生改變。按補償效果來分，會有下面幾種情況：

a）補償不足：

b）補償過分：

c）補償正好：由于數(shù)字濾波器是通過軟件編程實現(xiàn)的，可以很容易進行調(diào)整達到最佳補償效果。出現(xiàn)上述情況，是由于不能精確測定τ值所引起的。2、頻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）對輸入信號的輸出響應(yīng)信號進行采樣，；

2）對采樣信號進行FFT，求得頻譜；

3）采用復(fù)數(shù)除法運算求得系統(tǒng)被測輸入信號的頻譜；

4）采用IFFT求得原函數(shù)的離散時間序列。校正思想：由于系統(tǒng)本身的頻帶寬度限制，使得輸入信號的高頻部分被衰減或產(chǎn)生畸變，但是對于已知的系統(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?！?.5多傳感器信息融合

上一節(jié)我們講的自補償技術(shù)是針對消除溫度對輸出量的影響和擴展系統(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)就是通過對多個參數(shù)的監(jiān)測，采用一定的信息處理方法達到提高每一個參數(shù)量測量精度的目的。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)更具有普遍性和強的實用價值?！e例說明：ST－3000，硅壓阻式多功能傳感器差壓測量－差壓電橋，靜壓測量－靜壓電橋，溫度測量－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?！唵谓榻B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)爭中各種信息的處理?！芙徊骒`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)＊達到目的：氣體識別，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：§5.5.1二傳感器信息融合前面介紹的自補償技術(shù)中，以其中的一個參量（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)測補償法”。但如果要將干擾量——溫度也作為一個目標(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）來進行分析處理，下面我們介紹該方法的基本原理1、曲面擬合法原理對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實際上是P和T（或）的二元函數(shù)，即：

——一個曲面函數(shù)我們也可以將實際輸入壓力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的影響而求得實際的輸入P的值，所以加入Ut。上述函數(shù)采用二次曲面擬合方程多項式，可表示為：上述僅是一個二階二元函數(shù)的多項式，、ε為高階小量，，為常系數(shù)。因此曲面擬合法的實質(zhì)是求系數(shù)。2、曲面擬合法求解方法該方法實際上與上一節(jié)介紹的曲線擬合法基本類似。

1）首先進行二維標(biāo)定實驗，測得在工作量程范圍和溫度范圍內(nèi)的壓力傳感器（或溫度傳感器）的輸出值。若為i＝1～n，為j＝1～m；則有n×m個輸出值。

2）根據(jù)標(biāo)定實驗值求解擬合方程的待定常數(shù)

由標(biāo)定的輸入、輸出值，采用最小二乘法原理：，k＝1，2，，m×n

總的均方差，令其為最小。根據(jù)多元函數(shù)求極值的條件，則可建立的矩陣方程組。矩陣方程組的系數(shù)可通過標(biāo)定輸入值，以及傳感器輸出值，求得，因此通過求解矩陣方程即可求數(shù)。

3）確定二次曲面的擬合方程將求得的的值代入P表達式的方程，這樣實際的輸入量P的值就可根據(jù)對應(yīng)的輸出信號U、計算求得。3、二傳感器信息融合的應(yīng)用

1）用于單一功能的傳感器其作用或功效等同于上一節(jié)介紹的曲線擬合法，但該方法使用時，須保證干擾量傳感器能真實反映被測目標(biāo)參量傳感器所感受的干擾量。

2）用于兩功能的傳感器。用于存在交叉靈敏度的兩個測量目標(biāo)參量的兩功能傳感器系統(tǒng)，另外一個目標(biāo)參量的求解方法同前面介紹的方法完全一樣，只不過在求系數(shù)的矩陣方程組中，矩陣方程組的系數(shù)有所改變。

3）信息融合實例該實例用的仍是“一橋雙測”法硅壓阻式壓力傳感器。在該例中，它將標(biāo)定的壓力、溫度二輸入?yún)⒘糠譃?個點來進行，即n＝6，m＝6，最后得到6×6的標(biāo)定輸出值U、。具體的計算過程，我們這里就不做介紹了，但計算的結(jié)果我們還是可以作一個比較：

a）系統(tǒng)主要特征參數(shù)進行融合處理前后的比較：

＊溫度靈敏度系數(shù)：前：℃，后：℃；＊零位溫度系數(shù)：前：℃，后：℃；＊壓力靈敏度系數(shù)：前：后：該方法與上一節(jié)介紹的自補償技術(shù)相比，從書中給出的數(shù)據(jù)來看，在融合處理特征方程多項式階數(shù)僅僅取二階的情況下，效果沒有自補償技術(shù)好。

b）若特征方程多項式取四階進行融合處理，亦即方程的系數(shù)為：

，根據(jù)書中計算，可得為如下結(jié)果：℃℃

c）采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)（BP網(wǎng)絡(luò)又稱誤差后向傳播神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)）第7章中有稍微詳細的介紹。為達到四階特征方程多項式的結(jié)果，采用三層BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，經(jīng)過10000次的樣本訓(xùn)練后即可。問題10：試比較：自補償技術(shù)中的多段折線逼近法，曲線擬合法以及曲面擬合法，BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法這幾種信息處理方法各自的特點，主要從實時性、計算精度、復(fù)雜性等方面討論；上述方法是否能消除（或降低）遲滯和重復(fù)性的影響？§5.5.2三傳感器信息融合用于：兩個非目標(biāo)參數(shù)監(jiān)測多信息融合與三功能傳感器的多信息融合。1、三功能傳感器多信息融合對于硅壓阻式實現(xiàn)測量壓力（差）P、靜壓、溫度t的三功能傳感器，其三個參數(shù)P、、t可分別表示為三輸出量、、的三元函數(shù)，亦即：處理方法1：

1）先進行降維處理由于靜壓僅影響P的零點輸出，對溫度輸出值沒有什么影響，因此可以考慮先消除（或）對P的零點輸出的影響，這樣P就可以降為二元函數(shù)，然后按二傳感器信息融合的處理方法進行分析。a）將P的零點輸出表示為的多項表達式：

b）進行標(biāo)定實驗：

c）根據(jù)最小二乘法原理建立系數(shù)的矩陣方程組，代入標(biāo)定值即可求得系數(shù)，將該系數(shù)值存入內(nèi)存。

2）在實際測量時，首先對輸出量進行采樣，將代入P零點計算公式，求得消除了影響的壓力輸出值。此時：，

3）按二傳感器信息融合法求解。處理方法2：

1）建立三元函數(shù)的多項式擬合方程；

2）進行三維標(biāo)定實驗；

3）根據(jù)最小二乘法原理建立擬合方程系數(shù)的矩陣方程；

4）代入標(biāo)定值求解系數(shù)矩陣方程，就得各系數(shù)值；

5）將各系數(shù)代入多項式擬合方程即可。維數(shù)增多，一方面標(biāo)定工作量增大，另一方面計算量增大，處理過程變得更復(fù)雜。因此在滿足信息輸出精度的前提下，盡量尋求一種方便、快捷的方法。2、兩個非目標(biāo)參數(shù)監(jiān)測多信息融合用于：受兩個干擾量影響的單一功能傳感器。處理方法：

1）建立被測目標(biāo)參量的三元函數(shù)多項式方程；比如說受工作溫度和電源電壓影響的壓力傳感器：

同樣也可以用類似表達式建立。與二元函數(shù)多項式方程比較其差別。

2）其余步驟同上述處理方法23）處理效果：按書中舉例說明采用二階項處理后，輸出精度可提高近一個量級?！?.5.3傳感器陣列信息融合主要用于氣體傳感器的智能化，消除交叉靈敏度的影響，提高對氣體種類和混合氣體組分的判別分析精度。1、模式識別中最近鄰域法的應(yīng)用用于：識別氣體的種類由于氣體傳感器本身特性的限制（或者說目前技術(shù)水平的限制），在混合氣體中很難由單個傳感器對某種氣體及其含量作出定量檢測和判別，因此必須采用多個傳感器陣列來進行檢測，但由于嚴(yán)重的交叉靈敏度的影響，仍很難象其它傳感器那樣通過一次標(biāo)定就可以精確測量，但若結(jié)合一些先進的信息處理手段和方法，比如模糊理論、模式識別、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等，就可以大大提高其檢測能力和精度。簡要介紹模式識別的基本概念，說明最近鄰域法。用于氣體檢測模式識別方法的處理過程：

1）提取傳感器與檢測氣體相互作用的特征和特性金屬氧化物半導(dǎo)體氣敏元件其阻值與氣體的種類和濃度有關(guān)，

這里的特征或者說特性，就是不同種類、不同濃度氣體所引起的某種傳感器阻值的不同。i：氣敏元件序號，，

j：氣體種類的序號，；：氣敏元件i在濃度為的氣體中的電阻值；：氣敏元件在純凈空氣中的阻值；：在氣體j中與元件i特性有關(guān)的系數(shù)；：與氣體j特性有關(guān)的參數(shù)。為求得排除氣體濃度影響而僅與氣體的種類有關(guān)的特征值，令：

它的含義是：氣敏元件i在氣體j中（濃度為）的相對電阻值與所有氣敏元件在氣體j中（濃度為）相對電阻值之和的比值。那么有n個敏感元件的元件陣列，對于m中氣體共有n×m個特征值。

2）建立標(biāo)準(zhǔn)樣本庫

a）測，，n：氣敏元件陣列中元件個數(shù)

b）通過配氣箱提供的m種氣體，分別測，，；

c）求特征值，共有n×m個特征參數(shù)值。

3）確立未知模式的判別準(zhǔn)則：根據(jù)最近鄰域法，未知模式的判別式為：；：氣敏元件i在未知氣體x中的特征值。上式表明：若氣體x是m種氣體中的某一種（假定為k），則：的值應(yīng)與的值最接近，（理想情況下，）而與其它的值相差較大，因此即可判定出氣體x即為氣體k；4）未知氣體種類的判別按上述步驟最終求出相對標(biāo)準(zhǔn)值的m種氣體的d值，其中最小d值對應(yīng)的氣體為未知氣體。

5）提高判別成功率的措施

a）提高各敏感元件對不同種類氣體靈敏度的差異性，差異性越大，相互之間的差值越大。

b）采用更為有效的模式識別算法和判別方法＊如多次重復(fù)測量求平均值法。＊為消除或降低分散性的影響，采用加權(quán)求值法。對某種重要的特性或差異性較大的特性取較大的權(quán)值。＊采用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。2、空氣中含單一還原性氣體種類和濃度的判定由于只考慮一種氣體的檢測與判定，因此首先排除了交叉對測量結(jié)果的影響，但既要判別氣體的種類，又要給出濃度參數(shù)，因此它仍涉及到信息融合的問題。根據(jù)上一講內(nèi)容，我們知道，某一氣敏元件在某一氣體中的電阻值：，兩邊取對數(shù)：令：，，，則：。對應(yīng)于某種氣體和某種氣敏元件，該方程可通過實驗標(biāo)定的方式建立：對應(yīng)濃度，則有相應(yīng)的電阻值對應(yīng)：，同時：根據(jù)最小二乘法原理：

，

分別對該式求對應(yīng)r0，r的偏導(dǎo)數(shù)，并令其為零，則可得到上面的公式，解上式即可求得r0和r。單純的靠一個方程或者說靠一個氣敏傳感器是不能同時作出氣體種類和濃度的判別的。解釋為什么（兩條相交直線才能確定一點）。必須用兩個不同種類的氣敏元件。判定方法：

1）建立兩個氣敏元件的方程，亦即求出各自的r0和r，在不同的氣體中有不同的r0i和ri。（r0i和ri就是標(biāo)準(zhǔn)樣本庫）

2）根據(jù)，的值求得，，然后根據(jù)方程，求解對應(yīng)r0i，ri的，的值。若，則樣本i所代表的氣體種類即為所要識別的氣體，同時相應(yīng)的濃度

要求：氣敏元件的重復(fù)性要保持一致。3、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)識別法（結(jié)合第七章內(nèi)容作介紹）§5.6自選量程和增益控制

自選量程和增益控制又稱量程自動轉(zhuǎn)換技術(shù)，在有關(guān)自動檢測技術(shù)和智能控制技術(shù)的課程都會涉及到這方面的內(nèi)容。它的主要目的是保證必要的測量精度，適用于以下幾種情況：

1）多路信號檢測過程中，多個通道共用一個放大器，經(jīng)放大處理后到A/D轉(zhuǎn)換器，由于各輸入量送到放大器的信號電平不同，因此對放大器的增益要求也不同。

2）單通道輸入信號，寬的變化范圍。為保證在整個輸入信號的范圍內(nèi)均能滿足必要的測量精度的要求，必須分段調(diào)節(jié)放大器的增益。一般來說，模擬量經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器后變?yōu)閿?shù)字量，應(yīng)盡可能使模擬量在1/2滿度～接近滿度的區(qū)域中轉(zhuǎn)換。1、量程與增益的確定方法假定對于一個n位的A/D轉(zhuǎn)換器，由A/D轉(zhuǎn)換器量化噪聲產(chǎn)生的相對誤差不得大于δ，對應(yīng)的滿量程輸出電壓為，則：

量化值：，最大量化誤差：對應(yīng)某一電壓，若希望它的量化相對誤差小于δ，則：，同時：因此進行量程切換的判據(jù)為：2、量程與增益切換的實現(xiàn)方法下圖是一單通道數(shù)據(jù)采集自動轉(zhuǎn)換量程的硬件電路。多路轉(zhuǎn)換開關(guān)用來改變放大器的增益。對于，，的吸合相應(yīng)的增益分別為：1，10，100。（如下圖）根據(jù)輸入信號的幅度由控制器來控制放大器的增益?！谏蠄D中需要注意的問題是：由于開關(guān)的切換會引起放大器的輸入端電阻失去對稱性，產(chǎn)生失調(diào)電流，造成放大器的零漂。解決的方法是采用雙多路開關(guān)，同時切換平衡電阻值以保持對稱性?！砍套詣忧袚Q可利用硬件的方法亦可采用軟件的方法實現(xiàn)。

1）硬件實現(xiàn)方法采用參考信號加比較器的方法來控制量程開關(guān)的切換。

2）軟件實現(xiàn)方法

通過對采樣的信號進行必要的計算后與該量程（一般先設(shè)置最大量程檔）的滿度值比較，然后給出控制編碼，控制量程開關(guān)的切換。

在對實時性要求不高且要求通用性強的場合，常采用軟件切換的方法?？删幊谭糯笃骺删幊谭糯笃鱈H0084電原理圖自動量程切換程序框圖§5.7智能傳感器的自檢驗

為了提高系統(tǒng)安全運行的可靠性。一般有三種方式：1、開機自檢同PC機開機自檢一樣，檢測對象：顯示裝置、ROM、RAM、總線、即插件等。2、周期性自檢在智能傳感器的運行過程中周期性的插入自檢操作。保證整個系統(tǒng)始終處于最優(yōu)工作狀態(tài)。比如現(xiàn)在有的PC機帶有CPU、主板、電源的工作溫度檢測，風(fēng)機狀態(tài)檢測。有一種諾頓工具軟件可對整個計算機系統(tǒng)的整個運行狀態(tài)進行實時檢測等等。3、鍵控自檢是一種人工干預(yù)的檢測手段。用于不能在正常運行操作中進行的自檢項目。§5.7.1ROM自檢對于智能傳感器而言，ROM存放的是全部工作軟件。它的內(nèi)容的可靠性直接影響系統(tǒng)是否能正常運行。自檢方法：“校驗和法”，分空ROM和已固化軟件兩種情況。在ROM的最后一單元寫入校驗字，保證ROM的每一列的校驗和全為“1”或全為“0”，否則為錯。累加求和采用異或的方法?！?.7.2特殊功能寄存器自檢特殊功能寄存器是指用來對片內(nèi)各功能模塊進行管理、控制、監(jiān)視的控制寄存器和狀態(tài)寄存器，是一個特殊功能的RAM區(qū)。如單片機（51系列）系統(tǒng)的程序計數(shù)器、棧指針、累加器、數(shù)據(jù)指針、中斷優(yōu)先級寄存器等。＊對于標(biāo)志寄存器的檢測，可采取先置位然后執(zhí)行條件轉(zhuǎn)移指令，看能否正確跳轉(zhuǎn)的方法來判定標(biāo)志位是否正常。＊對于可讀寫的寄存器，可采取先寫入再讀出比較的方法來判定。§5.7.3RAM自檢1、靜態(tài)RAM與動態(tài)RAM的區(qū)別靜態(tài)RAM的數(shù)據(jù)能夠被鎖存，動態(tài)RAM的數(shù)據(jù)則不能，因此為保證數(shù)據(jù)信息不流失，需定期刷新。2、靜態(tài)RAM的自檢

1）RAM為空，將一定的數(shù)據(jù)寫入，然后再讀出與原數(shù)據(jù)比較是否正確。

2）RAM已有數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)讀出取反再與RAM的數(shù)據(jù)進行“異或”，若全為“1”，則OK。3、動態(tài)RAM的自檢注意對校驗電路和定時器電路的檢測?！?.7.4總線自檢總線系統(tǒng)實際上是CPU與I/O接口器件的連接通道，判定總線系統(tǒng)是否正常可采用下圖檢測電路。

簡述檢測過程。實際上總線系統(tǒng)除了地址總線，數(shù)據(jù)總線，還有控制總線，對于控制總線的判定可采取輸出指令，看能否正確執(zhí)行。外部總線的檢查可采取分別置位的方式進行?！?.7.5A/D和D/A的自檢它們的轉(zhuǎn)換精度直接影響系統(tǒng)的控制運算精度。1、標(biāo)定電路和A/D變換器的自檢通過自檢系統(tǒng)將智能傳感器內(nèi)的參考/基準(zhǔn)電源接在標(biāo)定電路的輸入端，然后啟動正常測量程序，并將采樣結(jié)果與預(yù)定值比較，判定該部分是否正常。若有問題，則將參考/基準(zhǔn)電源切換到A/D的輸入端，將采樣結(jié)果與預(yù)定值比較，以作判定。2、D/A的自檢鋸齒波→D/A→A/D→與內(nèi)部輸入信號比較判定。§5.7.6I/O接口電路自檢不同的I/O接口電路有不同的檢測方法。

1）如前面講的多路轉(zhuǎn)換開關(guān)，通過軟件控制讀入的數(shù)據(jù)進行比較判別；2）讀取相應(yīng)的標(biāo)志寄存器來判定；

3）自帶自檢電路的I/O，控制啟動它的自檢電路?！?.7.7接插件自檢1、插件是否已經(jīng)插入尋取插件與CPU之間的應(yīng)答信號出現(xiàn)與否來判定。一般采取尋址方式進行，如計算機內(nèi)的即插即用。2、插件是否正常工作采用模擬方法進行。若該插件板有輸入輸出信號，則自檢系統(tǒng)給出模擬信號輸出，然后讀入相應(yīng)的輸入信號并進行判定，有時要對主要特征參量進行檢測。主要采用故障診斷的方法，如專家系統(tǒng)。§5.7.8顯示面板自檢主要檢查所有顯示器件是否正常工作。如液晶顯示器、數(shù)碼管、發(fā)光管等。

方法1：令所有顯示器件均發(fā)光，然后令其全部熄滅，然后進入鍵掃描程序。

方法2：顯示某些特征字符，幾秒鐘后自動消失，再進入正常工作狀態(tài)?！?.7.9自檢故障及自檢的實現(xiàn)方法經(jīng)過自檢后發(fā)現(xiàn)的故障，可采取面板顯示的方式給出故障代碼。亦可采取聲光報警的方式，還可以通過遠程通訊接口傳輸出去。自檢的實現(xiàn)方法一般有如下幾種：1、借助于系統(tǒng)本身的硬件系統(tǒng)再配上一些自檢軟件。自檢軟件的執(zhí)行可采取定時方式調(diào)用或中斷方式調(diào)用。如零輸入自檢。2、在系統(tǒng)內(nèi)部增加些必要的硬件電路，再配上自檢軟件，如標(biāo)定自檢。3、另外增加專用的檢測電路或?qū)Ｓ玫脑O(shè)備，該部分工作可與下面要講的自診斷工作結(jié)合起來進行?！?.8智能傳感器的自診斷——講述自診斷的必要性和應(yīng)用領(lǐng)域自動化程度的不斷提高；自動控制系統(tǒng)的復(fù)雜性和重要性；提高系統(tǒng)的可靠性。——解釋什么是硬故障；什么是軟故障——傳感器故障診斷方法

1）硬件冗余法解釋什么叫“冗余”

2）解析冗余法

3）人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法上述方法在實際應(yīng)用過程中各有其特點，下面我們對它們分別進行介紹。§6.5.1硬件冗余法解釋二傳感不能進行故障分離。這是故障診斷的早期主要方法。它采取的是對容易失效的傳感器設(shè)置一定的備份。然后通過表決器方法進行管理。優(yōu)點：不需要建立數(shù)學(xué)模型缺點：設(shè)備復(fù)雜，成本高。適用對象：火箭、導(dǎo)彈等武器系統(tǒng)；航空航天領(lǐng)域?！?.5.2解析冗余法（也叫模型方法），軟測量方法通過建立一個適當(dāng)?shù)臄?shù)學(xué)模型來表示系統(tǒng)的動態(tài)特性，然后比較模型輸出同實際輸出之間的差異來判斷是否發(fā)生傳感器故障。解析冗余方法是一種用得比較多的方法，它利用的是控制系統(tǒng)中各傳感輸出之間存在的冗余關(guān)系進行故障診斷。傳感器故障診斷中解析冗余法原理框圖1、解析冗余法原理

1）建立被控對象的數(shù)學(xué)模型；

2）設(shè)計與傳感器故障相關(guān)的殘差或者說特征輸出值；

3）進行統(tǒng)計檢驗和邏輯分析，診斷出傳感器故障的具體類型，或者說由特征輸出值判定故障的種類和原因。基于建立數(shù)學(xué)模型的方法不同，有如下幾種：＊觀測器組方法；＊故障檢測濾波器方法；＊一致性空間方法；＊狀態(tài)和參數(shù)辨識方法；＊基于知識的方法（如：專家系統(tǒng)、遺傳算法）。2、傳統(tǒng)的觀測器組方法分為：專用觀測器組方法；簡化觀測器組法；廣義觀測器組法。1）專用觀測器組方法a）講述一般控制系統(tǒng)的構(gòu)成及各部分的作用。＊系統(tǒng)的輸入：指對被控對象的要求，由外界給出。＊該部分考慮的僅僅是傳感器的故障診斷，也就是說在整個控制系統(tǒng)都處于正常狀態(tài)下，該診斷方法才有效。＊該方法是基于傳感器的輸出量與動態(tài)對象的輸入控制量之間，在正常情況下有著一種確定的關(guān)系。

這種關(guān)系就是我們希望建立的數(shù)學(xué)模型。但是，如果傳感器出現(xiàn)故障，則對于確定的輸入控制量和已確定的數(shù)學(xué)模型，由此計算出的傳感器的輸出量和實際輸出量之間存在差異。對這種差異的分析和判斷即可確定傳感器的故障及故障種類（原因）。