電氣測量技術(shù)新發(fā)展

電氣測量技術(shù)新發(fā)展第1頁，共40頁，2023年，2月20日，星期一第11章電氣測量技術(shù)新發(fā)展11.1誤差修正技術(shù)11.2傳感器自評估技術(shù)11.3多傳感器數(shù)據(jù)融合11.4DSP技術(shù)在測量系統(tǒng)中的應(yīng)用第2頁，共40頁，2023年，2月20日，星期一11.1誤差修正技術(shù)我們從時間角度，把誤差分為靜態(tài)誤差和動態(tài)誤差。靜態(tài)誤差包括通常所說的系統(tǒng)誤差和隨機誤差。動態(tài)誤差又可分為第一類和第二類11.1.1系統(tǒng)誤差的數(shù)字修正11.1.2動態(tài)誤差的實時補償

第3頁，共40頁，2023年，2月20日，星期一11.1.1系統(tǒng)誤差的數(shù)字修正提高傳感器動態(tài)響應(yīng)的快速性，可以從兩方面入手:一是在傳感器本身想辦法，改變傳感器的結(jié)構(gòu)、參數(shù)和設(shè)計。二是在傳感器輸出信號的后續(xù)處理方面想辦法，設(shè)計用于動態(tài)補償?shù)哪M或數(shù)字濾波器(通常稱為動態(tài)補償器)，對傳感器的信號進行校正，改善其動態(tài)性能。傳感器動態(tài)補償器設(shè)計的方法有零極點配置法、系統(tǒng)辨識法和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法等第4頁，共40頁，2023年，2月20日，星期一1．零極點配置法例如，對于一個屬于二階系統(tǒng)的傳感器，其傳遞函數(shù)為:第5頁，共40頁，2023年，2月20日，星期一(1)一階模型的補償器AD590集成溫度傳感器可以等效為一階系統(tǒng)設(shè)計動態(tài)補償器為:經(jīng)過動態(tài)補償后，等效系統(tǒng)(傳感器和補償器的組合)為第6頁，共40頁，2023年，2月20日，星期一(2)二階模型的補償器設(shè)傳感器為二階系統(tǒng)，其傳遞函數(shù)為有兩種方法構(gòu)造補償器：第一種是將傳感器的零極點全部消去，換上合適的極點，此時，補償器為:等效系統(tǒng)為第7頁，共40頁，2023年，2月20日，星期一對進行變換，得：第二種方法是替換傳感器的極點，不動零點。補償器為第8頁，共40頁，2023年，2月20日，星期一兩種方法比較這兩種方法的效果相當(dāng)。但是，第一種方法得出的補償器是三階非齊次模型；第二種是二階齊次模型，較易實現(xiàn)，更為可靠。用零極點配置法設(shè)計補償器，要依據(jù)傳感器的模型，所以，對傳感器建模精度有一定要求，但是，并不嚴(yán)格。由于人為控制極點，補償效果非常明顯。對于高階系統(tǒng)，一可以采用降階的方法去近似處理；二可以用低階補償器去校正。第9頁，共40頁，2023年，2月20日，星期一2.系統(tǒng)辨識設(shè)計方法(1)理想的動態(tài)響應(yīng)設(shè)等效系統(tǒng)為一階系統(tǒng)：設(shè)等效系統(tǒng)為二階系統(tǒng)第10頁，共40頁，2023年，2月20日，星期一(2)設(shè)計步驟把傳感器的階躍響應(yīng)作為補償器的輸入，把等效系統(tǒng)的理想階躍響應(yīng)作為補償器的輸出，用最小二乘辨識方法建立補償器的模型。如果對傳感器做階躍響應(yīng)法標(biāo)定不方便，沒有傳感器的階躍響應(yīng)數(shù)據(jù)，可以依據(jù)其它標(biāo)定方法的數(shù)據(jù)，建立傳感器的模型，再計算出傳感器的階躍響應(yīng)第11頁，共40頁，2023年，2月20日，星期一11.2傳感器自評估技術(shù)11．2．1問題的提出11．2．2基本定義11．2．3應(yīng)用舉例第12頁，共40頁，2023年，2月20日，星期一11．2．1問題的提出傳感器受本身工作原理的限制、設(shè)計和制造方面的不足以及外界環(huán)境的干擾，使得其輸出的測量結(jié)果有時不夠準(zhǔn)確和不可信。為了保證傳感器測量的質(zhì)量和輸出數(shù)據(jù)的可信，和英國科學(xué)家提出了傳感器自評估這一新的概念，指出傳感器應(yīng)該利用各種可用的信息，通過分析原始數(shù)據(jù)、測量值和輔助信號等，對自身的狀態(tài)和性能做出一個內(nèi)部的評估，給出有效測量數(shù)據(jù)，即當(dāng)前測量值的最佳估計和有效度指數(shù)。第13頁，共40頁，2023年，2月20日，星期一11．2．2基本定義它的輸出有：被評估的測量值(ValidatedMeasurementValue,縮寫為VMV)、被評估的不確定度(ValidatedUncertainty,縮寫為VU)、測量值狀態(tài)(MeasurementValueStatus)和設(shè)備狀態(tài)。第14頁，共40頁，2023年，2月20日，星期一11．2．3應(yīng)用舉例傳感器自評估技術(shù)已經(jīng)在熱電偶、溶解氧傳感器、科氏力質(zhì)量流量計、渦街流量計和差壓式流量計等中得到了應(yīng)用。第15頁，共40頁，2023年，2月20日，星期一11．3多傳感器數(shù)據(jù)融合11.3.1基本概念11.3.2融合方法11.3.3應(yīng)用舉例第16頁，共40頁，2023年，2月20日，星期一11.3.1基本概念1.工作原理多傳感器數(shù)據(jù)融合就是像人腦綜合處理信息一樣，充分利用多個傳感器的資源，通過對這些傳感器及其觀測信息的合理支配和使用，把多個傳感器在空間或者時間上的冗余或者互補信息以某種準(zhǔn)則來進行組合，以獲得被測對象的一致性解釋和描述。第17頁，共40頁，2023年，2月20日，星期一2.基本定義比較全面的定義關(guān)于概括為：采用計算機技術(shù)，對不同時間與空間的多傳感器信息資源，按照一定準(zhǔn)則加以分析、綜合、支配和使用，獲得被測對象的一致性解釋與描述，以完成所需的決策或者評估。第18頁，共40頁，2023年，2月20日，星期一3.發(fā)展過程在第二次世界大戰(zhàn)末期，高炮火控系統(tǒng)中同時使用了雷達(dá)和光學(xué)傳感器。上個世紀(jì)80年代初，多傳感器數(shù)據(jù)融合的研究受到更多學(xué)者的注意，相應(yīng)的理論和技術(shù)也在孕育中。1984年美國成立了數(shù)據(jù)融合專家組，并把數(shù)據(jù)融合列為重點研究開發(fā)的20項關(guān)鍵技術(shù)之一。1998年，在機器人領(lǐng)域頗有影響的一些國際學(xué)術(shù)會議、期刊都推出了傳感器數(shù)據(jù)融合的專輯，自此，這一方向的研究變得十分活躍。第19頁，共40頁，2023年，2月20日，星期一4.主要作用(1)提高信息的準(zhǔn)確性和全面性。與一個傳感器相比，多傳感器數(shù)據(jù)融合處理可以獲得有關(guān)周圍環(huán)境更準(zhǔn)確、全面的信息；(2)降低信息的不確定性，一組相似的傳感器采集的信息存在明顯的互補性，這種互補性經(jīng)過適當(dāng)處理后，可以對單一傳感器的不確定性和測量范圍的局限性進行補償；(3)提高系統(tǒng)的可靠性，某個或某幾個傳感器失效時，系統(tǒng)仍能正常運行；第20頁，共40頁，2023年，2月20日，星期一11.3.2融合方法1．處理過程由于被測對象多半為具有不同特征的非電量，如溫度、壓力、聲音、色彩和灰度等，所以首先要將它們轉(zhuǎn)換為電信號，然后經(jīng)過A／D變換將它們轉(zhuǎn)換為能由計算機處理的數(shù)字量。數(shù)字化后電信號需經(jīng)過預(yù)處理，以濾除數(shù)據(jù)采集過程中的干擾和噪聲。對經(jīng)處理后的有用信號作特征抽取，再進行數(shù)據(jù)融合；或者直接對信號進行數(shù)據(jù)融合。最后，輸出融合的結(jié)果。第21頁，共40頁，2023年，2月20日，星期一2．融合層次數(shù)據(jù)融合層次的劃分主要有兩種方法。第一種方法是將數(shù)據(jù)融合劃分為低層（數(shù)據(jù)級或像素級）、中層（特征級）和高層（決策級）。另一種方法將是將傳感器集成和數(shù)據(jù)融合劃分為信號級、證據(jù)級和動態(tài)級。第22頁，共40頁，2023年，2月20日，星期一局限性(1)由于所要處理的傳感器信息量大，故處理代價高；(2)融合是在信息最低層進行的，由于傳感器的原始數(shù)據(jù)的不確定性、不完全性和不穩(wěn)定性，要求在融合時有較高的糾錯能力；(3)由于要求各傳感器信息之間具有精確到一個像素的配準(zhǔn)精度，故要求傳感器信息來自同質(zhì)傳感器；(4)通信量大。第23頁，共40頁，2023年，2月20日，星期一3．主要方法具體的數(shù)據(jù)融合算法有：加權(quán)平均卡爾曼濾波貝葉斯估計統(tǒng)計決策理論模糊邏輯法產(chǎn)生式規(guī)則法神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法

第24頁，共40頁，2023年，2月20日，星期一神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的多傳感器信息融合第25頁，共40頁，2023年，2月20日，星期一處理過程①用選定的N個傳感器檢測系統(tǒng)狀態(tài)；②采集N個傳感器的測量信號并進行預(yù)處理；③對預(yù)處理后的N個傳感器信號進行特征選擇；④對特征信號進行歸一化處理，為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入提供標(biāo)準(zhǔn)形式；⑤將歸一化的特征信息與已知的系統(tǒng)狀態(tài)信息作為訓(xùn)練樣本，送神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進行訓(xùn)練，直到滿足要求為止第26頁，共40頁，2023年，2月20日，星期一11．3．3應(yīng)用舉例在工業(yè)機器人、智能檢測系統(tǒng)、工業(yè)過程監(jiān)控、智能交通、遙感和軍事等領(lǐng)域得到應(yīng)用。第27頁，共40頁，2023年，2月20日，星期一11.4DSP技術(shù)在測量系統(tǒng)中的應(yīng)用11．4．1DSP的特點11．4．2DSP的主要系列11．4．3DSP應(yīng)用舉例第28頁，共40頁，2023年，2月20日，星期一11.4.1DSP的特點DSP針對實時數(shù)字處理在處理器結(jié)構(gòu)、指令系統(tǒng)、指令流程上做了很大的改進，其特點如下：(1)哈佛結(jié)構(gòu)(2)流水線操作(3)硬件乘法器/累加器(4)取指令和存取多個數(shù)據(jù)的操作(5)帶有DMA通道控制器(6)配有中斷處理器和定時控制器(7)具有軟、硬件等待功能第29頁，共40頁，2023年，2月20日，星期一(1)哈佛結(jié)構(gòu)DSP普遍采用了數(shù)據(jù)總線和程序總線分離的哈佛(Harvard)結(jié)構(gòu)及改進的哈佛結(jié)構(gòu)，比傳統(tǒng)處理器的馮·諾依曼(VonNeumann)結(jié)構(gòu)有更高的指令執(zhí)行速度。第30頁，共40頁，2023年，2月20日，星期一微處理器結(jié)構(gòu)馮·諾伊曼結(jié)構(gòu)哈佛結(jié)構(gòu)(c)超級哈佛結(jié)構(gòu)第31頁，共40頁，2023年，2月20日，星期一(2)流水線操作要執(zhí)行一條DSP指令需要通過取指令、譯碼、取操作數(shù)和執(zhí)行等幾個階段，DSP的流水線是指它的幾個階段在程序執(zhí)行過程中是重疊的，即在執(zhí)行本條指令的同時，下面的三條指令也依次完成了取操作數(shù)、譯碼、取指令的操作。第32頁，共40頁，2023年，2月20日，星期一(3)硬件乘法器/累加器針對濾波、相關(guān)、矩陣運算等需要大量乘法累加運算的特點，DSP大都配有獨立的乘法器和加法器，使得同一時鐘周期內(nèi)可以完成一次乘加運算。第33頁，共40頁，2023年，2月20日，星期一(4)片內(nèi)不僅有多條總線，可以同時進行取指令和存取多個數(shù)據(jù)的操作，并且有輔助寄存器用于尋址，它們可以在尋址訪問前或訪問后自動修改內(nèi)容，以指向下一個要訪問的地址；(5)許多DSP帶有DMA通道控制器，以及串行通信口等，配合片內(nèi)多總線結(jié)構(gòu)，數(shù)據(jù)塊傳送速度大大提高；(6)配有中斷處理器和定時控制器，可以方便地構(gòu)成一個小規(guī)模系統(tǒng)；(7)具有軟、硬件等待功能，能與各種存儲器接口。第34頁，共40頁，2023年，2月20日，星期一11.4.2DSP的主要系列TI(美國德州儀器)公司和ADI(美國模擬器件)公司ADI公司16位定點DSP芯片ADSP-21xx、SHARC系列DSP芯片以及TigerSHARC系列DSP芯片。TMS320系列已有:C2000，C5000和C6000系列。其中，C2000系列主要用于數(shù)字控制，C5000系列主要用于數(shù)字通信，C6000系列主要用于圖像處理。第35頁，共40頁，2023年，2月20日，星期一11.4.3DSP應(yīng)用舉例1．基于DSP的傳感器動態(tài)補償系統(tǒng)2.