傳感器技術(shù) 教學(xué)課件 ppt 作者 陳建元 第九章 智能傳感器

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1、 智能傳感器智能傳感器第九章第九章第九章智能傳感器第九章智能傳感器 9.1 智能傳感器概述智能傳感器概述 9.2 智能傳感器的構(gòu)成、功能與特點(diǎn)智能傳感器的構(gòu)成、功能與特點(diǎn) 9.3 智能傳感器的實(shí)現(xiàn)途徑智能傳感器的實(shí)現(xiàn)途徑 9.4 典型智能傳感器簡介典型智能傳感器簡介9.1 智能傳感器概述智能傳感器概述 智能傳感器（智能傳感器（Intelligent sensor 或或 Smart sensor）最）最初是由美國宇航局初是由美國宇航局1978 年在開發(fā)出來的產(chǎn)品。宇宙飛船年在開發(fā)出來的產(chǎn)品。宇宙飛船上需要大量的傳感器不斷向地面發(fā)送溫度、位置、速度上需要大量的傳感器不斷向地面發(fā)送溫度、位置、速度和

2、姿態(tài)等數(shù)據(jù)信息，用一臺大型計(jì)算機(jī)很難同時處理如和姿態(tài)等數(shù)據(jù)信息，用一臺大型計(jì)算機(jī)很難同時處理如此龐雜的數(shù)據(jù)，要不丟失數(shù)據(jù)，并降低成本，必須有能此龐雜的數(shù)據(jù)，要不丟失數(shù)據(jù)，并降低成本，必須有能實(shí)現(xiàn)傳感器與計(jì)算機(jī)一體化的靈巧傳感器。智能傳感器實(shí)現(xiàn)傳感器與計(jì)算機(jī)一體化的靈巧傳感器。智能傳感器是指具有信息檢測、信息處理、信息記憶、邏輯思維和是指具有信息檢測、信息處理、信息記憶、邏輯思維和判斷功能的傳感器。它不僅具有傳統(tǒng)傳感器的各種功能判斷功能的傳感器。它不僅具有傳統(tǒng)傳感器的各種功能,而且還具有數(shù)據(jù)處理、故障診斷、非線性處理、自校正、而且還具有數(shù)據(jù)處理、故障診斷、非線性處理、自校正、自調(diào)整以及人機(jī)通訊等

3、多種功能。它是微電子技術(shù)、微自調(diào)整以及人機(jī)通訊等多種功能。它是微電子技術(shù)、微型電子計(jì)算機(jī)技術(shù)與檢測技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物型電子計(jì)算機(jī)技術(shù)與檢測技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物。9.1 智能傳感器概述智能傳感器概述 早期的智能傳感器是將傳感器的輸出信號經(jīng)處理和轉(zhuǎn)化早期的智能傳感器是將傳感器的輸出信號經(jīng)處理和轉(zhuǎn)化后由接口送到微處理機(jī)部分進(jìn)行運(yùn)算處理。后由接口送到微處理機(jī)部分進(jìn)行運(yùn)算處理。80年代智能年代智能傳感器主要以微處理器為核心傳感器主要以微處理器為核心,把傳感器信號調(diào)節(jié)電路、把傳感器信號調(diào)節(jié)電路、微電子計(jì)算機(jī)存貯器及接口電路集成到一塊芯片上微電子計(jì)算機(jī)存貯器及接口電路集成到一塊芯片上,使傳使傳感器具有一定的人工智

4、能。感器具有一定的人工智能。90年代智能化測量技術(shù)有了年代智能化測量技術(shù)有了進(jìn)一步的提高進(jìn)一步的提高,使傳感器實(shí)現(xiàn)了微型化、結(jié)構(gòu)一體化、陣使傳感器實(shí)現(xiàn)了微型化、結(jié)構(gòu)一體化、陣列式、數(shù)字式列式、數(shù)字式,使用方便和操作簡單、具有自診斷功能、使用方便和操作簡單、具有自診斷功能、記憶與信息處理功能、數(shù)據(jù)存貯功能、多參量測量功能、記憶與信息處理功能、數(shù)據(jù)存貯功能、多參量測量功能、聯(lián)網(wǎng)通信功能、邏輯思維以及判斷功能。聯(lián)網(wǎng)通信功能、邏輯思維以及判斷功能。智能化傳感器是傳感器技術(shù)未來發(fā)展的主要方向。在今智能化傳感器是傳感器技術(shù)未來發(fā)展的主要方向。在今后的發(fā)展中后的發(fā)展中,智能化傳感器無疑將會進(jìn)一步擴(kuò)展到化學(xué)、

5、智能化傳感器無疑將會進(jìn)一步擴(kuò)展到化學(xué)、電磁、光學(xué)和核物理等研究領(lǐng)域。電磁、光學(xué)和核物理等研究領(lǐng)域。9.2 智能傳感器的構(gòu)成、功能與特點(diǎn)智能傳感器的構(gòu)成、功能與特點(diǎn) 智能傳感器是由傳感器和微處理器相結(jié)合而構(gòu)成智能傳感器是由傳感器和微處理器相結(jié)合而構(gòu)成的，它充分利用微處理器的計(jì)算和存儲能力，對的，它充分利用微處理器的計(jì)算和存儲能力，對傳感器的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并對它的內(nèi)部行為進(jìn)行傳感器的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并對它的內(nèi)部行為進(jìn)行調(diào)節(jié)。調(diào)節(jié)。圖圖1是智能傳感器的原理框圖，它主要包是智能傳感器的原理框圖，它主要包括傳感器、信號調(diào)理電路和微處理器。括傳感器、信號調(diào)理電路和微處理器。圖圖 9.1智能傳感器原理框圖智能

6、傳感器原理框圖智能傳感器的結(jié)構(gòu)智能傳感器的結(jié)構(gòu)（1）非集成化實(shí)現(xiàn)）非集成化實(shí)現(xiàn) 非集成化智能傳感器是將傳統(tǒng)的經(jīng)典傳感器（采非集成化智能傳感器是將傳統(tǒng)的經(jīng)典傳感器（采用非集成化工藝制作的傳感器，僅具有獲取信號用非集成化工藝制作的傳感器，僅具有獲取信號的功能）、信號調(diào)理電路、帶數(shù)字總線接口的微的功能）、信號調(diào)理電路、帶數(shù)字總線接口的微處理器組合為一整體而構(gòu)成的一個智能傳感器系處理器組合為一整體而構(gòu)成的一個智能傳感器系統(tǒng)。其框圖如圖統(tǒng)。其框圖如圖2圖圖 9.2 非集成化智能傳感器框圖非集成化智能傳感器框圖智能傳感器的結(jié)構(gòu)智能傳感器的結(jié)構(gòu)（2）集成化實(shí)現(xiàn)）集成化實(shí)現(xiàn) 這種智能化傳感器系統(tǒng)是采用微機(jī)械加

7、工技術(shù)和這種智能化傳感器系統(tǒng)是采用微機(jī)械加工技術(shù)和大規(guī)模集成電路工藝技術(shù)，利用硅作為基本材料大規(guī)模集成電路工藝技術(shù)，利用硅作為基本材料來制作敏感元件、信號調(diào)理電路、微處理器單元，來制作敏感元件、信號調(diào)理電路、微處理器單元，并把它們集成在一塊芯片上而構(gòu)成，故又可稱為并把它們集成在一塊芯片上而構(gòu)成，故又可稱為集成智能傳感器（集成智能傳感器（integrated smart/intelligent sensor）。其外形如圖）。其外形如圖3所示。所示。圖圖 9.3集成智能傳感器結(jié)構(gòu)集成智能傳感器結(jié)構(gòu) 智能傳感器的結(jié)構(gòu)智能傳感器的結(jié)構(gòu)（3）混合實(shí)現(xiàn)）混合實(shí)現(xiàn) 根據(jù)需要與可能，將系統(tǒng)各個集成化環(huán)節(jié)，如敏

8、根據(jù)需要與可能，將系統(tǒng)各個集成化環(huán)節(jié)，如敏感單元、信號調(diào)理電路、微處理器單元、數(shù)字總感單元、信號調(diào)理電路、微處理器單元、數(shù)字總線接口，以不同的組合方式集成在兩塊或三塊芯線接口，以不同的組合方式集成在兩塊或三塊芯片上，并裝在一個外殼里。如圖片上，并裝在一個外殼里。如圖4所示集成化敏所示集成化敏感單元包括彈性敏感元件及變換器。信號調(diào)理電感單元包括彈性敏感元件及變換器。信號調(diào)理電路包括多路開關(guān)、放大器、基準(zhǔn)、模路包括多路開關(guān)、放大器、基準(zhǔn)、模/數(shù)轉(zhuǎn)換器數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）等。）等。圖圖9.4在一個封裝中可能的混合集成實(shí)現(xiàn)方式在一個封裝中可能的混合集成實(shí)現(xiàn)方式智能傳感器的功能智能傳感器的功能(1)具有自

9、動調(diào)零、自校準(zhǔn)、自標(biāo)定功能。具有自動調(diào)零、自校準(zhǔn)、自標(biāo)定功能。智能傳感器不僅能夠自動檢測各種被測參智能傳感器不僅能夠自動檢測各種被測參數(shù)，還能進(jìn)行自動調(diào)零、自動調(diào)平衡、自數(shù)，還能進(jìn)行自動調(diào)零、自動調(diào)平衡、自動校準(zhǔn)，某些智能傳感器還能自動完成標(biāo)動校準(zhǔn)，某些智能傳感器還能自動完成標(biāo)定工作。定工作。智能傳感器的功能智能傳感器的功能(2)具有邏輯判斷和信息處理能力，能對具有邏輯判斷和信息處理能力，能對被測量進(jìn)行信號調(diào)理和信號處理（對信號被測量進(jìn)行信號調(diào)理和信號處理（對信號進(jìn)行預(yù)處理、線性化、或?qū)囟?、靜壓力進(jìn)行預(yù)處理、線性化、或?qū)囟?、靜壓力等參數(shù)進(jìn)行自動補(bǔ)償?shù)龋?。等參?shù)進(jìn)行自動補(bǔ)償?shù)龋Ｖ悄軅鞲衅鞯?/p>

10、功能智能傳感器的功能(3)具有自診斷功能。智能傳感器通過自具有自診斷功能。智能傳感器通過自檢軟件，能對傳感器和系統(tǒng)的工作狀態(tài)進(jìn)檢軟件，能對傳感器和系統(tǒng)的工作狀態(tài)進(jìn)行定期或不定期的檢測，診斷出故障的原行定期或不定期的檢測，診斷出故障的原因和位置并做出必要的響應(yīng)。因和位置并做出必要的響應(yīng)。智能傳感器的功能智能傳感器的功能(4)具有組態(tài)功能，使用靈活。在智能傳具有組態(tài)功能，使用靈活。在智能傳感器系統(tǒng)中可設(shè)置多種模塊化的硬件和軟感器系統(tǒng)中可設(shè)置多種模塊化的硬件和軟件，用戶可通過微處理器發(fā)出指令，改變件，用戶可通過微處理器發(fā)出指令，改變智能傳感器的硬件模塊和軟件模塊的組合智能傳感器的硬件模塊和軟件模塊的

11、組合狀態(tài)，完成不同的測量功能。狀態(tài)，完成不同的測量功能。智能傳感器的功能智能傳感器的功能(5)具有數(shù)據(jù)存儲和記憶功能，能隨時存取檢測具有數(shù)據(jù)存儲和記憶功能，能隨時存取檢測數(shù)據(jù)數(shù)據(jù) 智能傳感器的功能智能傳感器的功能(6)具有雙向通信功能，能通過各種標(biāo)準(zhǔn)總線接具有雙向通信功能，能通過各種標(biāo)準(zhǔn)總線接口、無線協(xié)議等直接與微型計(jì)算機(jī)及其它傳感器、口、無線協(xié)議等直接與微型計(jì)算機(jī)及其它傳感器、執(zhí)行器通信。執(zhí)行器通信。智能傳感器的特點(diǎn)智能傳感器的特點(diǎn)(1)精度高精度高(2)測量范圍很寬，并具有很強(qiáng)的過載能力。測量范圍很寬，并具有很強(qiáng)的過載能力。(3)高信噪比高、高分辨力高信噪比高、高分辨力(4)高可靠性與高穩(wěn)

12、定性高可靠性與高穩(wěn)定性(5)自適應(yīng)性強(qiáng)智能傳感器具有判斷、分析與處自適應(yīng)性強(qiáng)智能傳感器具有判斷、分析與處理功能理功能(6)性價比高性價比高(7)超小型化、微型化超小型化、微型化(8)低功耗低功耗9.3 智能傳感器的實(shí)現(xiàn)途徑智能傳感器的實(shí)現(xiàn)途徑 1）采用新的檢測原理和結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)信息處理的智）采用新的檢測原理和結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)信息處理的智能化。能化。2）應(yīng)用人工智能材料實(shí)現(xiàn)信息處理的智能化）應(yīng)用人工智能材料實(shí)現(xiàn)信息處理的智能化 3）集成化）集成化 4）軟件化）軟件化 5）多傳感器信息融合技術(shù)）多傳感器信息融合技術(shù) 6）網(wǎng)絡(luò)化）網(wǎng)絡(luò)化 9.3.1 集成化集成化 智能傳感器的集成化有兩種途徑。一是利智能傳感器的

13、集成化有兩種途徑。一是利用微電子電路制作技術(shù)和微型計(jì)算機(jī)接口用微電子電路制作技術(shù)和微型計(jì)算機(jī)接口技術(shù)將傳感器信號調(diào)理單元集成在同一個技術(shù)將傳感器信號調(diào)理單元集成在同一個芯片上。這種集成化傳感器信號調(diào)理電路芯片上。這種集成化傳感器信號調(diào)理電路又可分為兩種類型：又可分為兩種類型：1）傳感器信號調(diào)理）傳感器信號調(diào)理器；器；2）傳感器信號處理系統(tǒng)。）傳感器信號處理系統(tǒng)。1）傳感器信號調(diào)理器）傳感器信號調(diào)理器 傳感器信號調(diào)理器傳感器信號調(diào)理器是將信號的傳感器信號調(diào)理器傳感器信號調(diào)理器是將信號的A/D轉(zhuǎn)換器、溫度補(bǔ)償及自動校正電路集成在一轉(zhuǎn)換器、溫度補(bǔ)償及自動校正電路集成在一起，輸出模擬量或數(shù)字量。例如菲

14、利普公司生產(chǎn)起，輸出模擬量或數(shù)字量。例如菲利普公司生產(chǎn)的的UZZ9000型單片角度傳感器信號調(diào)理器，配上型單片角度傳感器信號調(diào)理器，配上KMZ41型磁阻式角度傳感器后即可精確地測量型磁阻式角度傳感器后即可精確地測量角度。角度。圖圖9.5 UZZ9000的內(nèi)部框圖的內(nèi)部框圖 2）傳感器信號處理系統(tǒng)）傳感器信號處理系統(tǒng) 傳感器信號處理系統(tǒng)是在芯片種集成了微處理器傳感器信號處理系統(tǒng)是在芯片種集成了微處理器（P）或數(shù)字信號處理器（）或數(shù)字信號處理器（DSP），并且?guī)Т校⑶規(guī)Т锌偩€接口。和傳感器信號調(diào)理器相比，傳感器信總線接口。和傳感器信號調(diào)理器相比，傳感器信號處理系統(tǒng)則以數(shù)字電路為主，其性能比

15、傳感器號處理系統(tǒng)則以數(shù)字電路為主，其性能比傳感器信號調(diào)理器更先進(jìn)，使用更靈活。信號調(diào)理器更先進(jìn)，使用更靈活。例如美國德州儀器公司（例如美國德州儀器公司（TI）生產(chǎn)的）生產(chǎn)的TSS400S2（帶（帶MCU），美國美信（），美國美信（MAXIM）公司生）公司生產(chǎn)的產(chǎn)的MAX1460（帶（帶DSP）圖圖9.6 MMX1460傳感器信號處理系統(tǒng)內(nèi)部框圖傳感器信號處理系統(tǒng)內(nèi)部框圖智能傳感的特點(diǎn)智能傳感的特點(diǎn) 1）微型化）微型化 2）精度高）精度高 3）多功能）多功能 4）陣列化）陣列化 5）使用方便）使用方便 9.3.2 軟件化軟件化 不論智能傳感器以何種硬件組成方式實(shí)現(xiàn)，傳感不論智能傳感器以何種硬件組

16、成方式實(shí)現(xiàn)，傳感器與微計(jì)算機(jī)器與微計(jì)算機(jī)/微處理器相結(jié)合所實(shí)現(xiàn)的智能傳微處理器相結(jié)合所實(shí)現(xiàn)的智能傳感器系統(tǒng)，都是在最小硬件條件基礎(chǔ)上采用強(qiáng)大感器系統(tǒng)，都是在最小硬件條件基礎(chǔ)上采用強(qiáng)大的軟件優(yōu)勢來的軟件優(yōu)勢來“賦予賦予”智能化功能的。傳感器的智能化功能的。傳感器的數(shù)據(jù)經(jīng)過數(shù)據(jù)經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換后，所獲得的數(shù)字信號一般不轉(zhuǎn)換后，所獲得的數(shù)字信號一般不能直接輸入微處理器應(yīng)用程序中使用，還必須根能直接輸入微處理器應(yīng)用程序中使用，還必須根據(jù)需要進(jìn)行加工處理，如非線性校正、噪聲抑制、據(jù)需要進(jìn)行加工處理，如非線性校正、噪聲抑制、自補(bǔ)償、自檢、自診斷等，以上這些處理也稱為自補(bǔ)償、自檢、自診斷等，以上這些處理也稱為

17、軟件處理。以軟件代硬件也體現(xiàn)出傳感器智能化軟件處理。以軟件代硬件也體現(xiàn)出傳感器智能化的優(yōu)越性所在。的優(yōu)越性所在。9.3.2.1 非線性自校正技術(shù)非線性自校正技術(shù)圖圖 9.7 開環(huán)式非線性補(bǔ)償儀表框圖開環(huán)式非線性補(bǔ)償儀表框圖9.3.2.1 非線性自校正技術(shù)非線性自校正技術(shù) 線性放大器的表達(dá)式為線性放大器的表達(dá)式為 要求整臺儀器的輸入輸出特性為要求整臺儀器的輸入輸出特性為 式中式中K，a，S，b都為常數(shù)都為常數(shù) 則，線性化器的輸入輸出關(guān)系式為則，線性化器的輸入輸出關(guān)系式為 從而有從而有 V0=Sf1-1(V2-a/k)+b0VSx b11()Vf x21Va KV 021()VbVaKfS9.3.

18、2.1 非線性自校正技術(shù)非線性自校正技術(shù)(a)智能傳感器系統(tǒng)框圖；（智能傳感器系統(tǒng)框圖；（b）輸入（）輸入（x）、輸出（）、輸出（u）特性；）特性；(b)（c）反非線性特性）反非線性特性u-x；（；（d）智能傳感器系統(tǒng)的輸入（）智能傳感器系統(tǒng)的輸入（x）輸出（輸出（y）特性）特性非線性自校正的三種實(shí)現(xiàn)方法非線性自校正的三種實(shí)現(xiàn)方法 1）計(jì)算法）計(jì)算法2）查表法）查表法3）插值法）插值法1）計(jì)算法）計(jì)算法 計(jì)算法就是利用軟件編制一段反非線性特性關(guān)系表達(dá)式計(jì)算法就是利用軟件編制一段反非線性特性關(guān)系表達(dá)式的計(jì)算程序。的計(jì)算程序。當(dāng)被測參數(shù)經(jīng)過采樣、濾波后，直接進(jìn)入當(dāng)被測參數(shù)經(jīng)過采樣、濾波后，直接進(jìn)入

19、計(jì)算程序進(jìn)行計(jì)算，從而得到線性化處理的輸出參數(shù)，計(jì)算程序進(jìn)行計(jì)算，從而得到線性化處理的輸出參數(shù)，因此，在掌握傳感器輸入輸出特性因此，在掌握傳感器輸入輸出特性f（x）的情況下，利）的情況下，利用編制好的反非線性特性函數(shù)，就能快速準(zhǔn)確的實(shí)現(xiàn)傳用編制好的反非線性特性函數(shù)，就能快速準(zhǔn)確的實(shí)現(xiàn)傳感器的線性輸出。感器的線性輸出。如果近似表達(dá)式為線性的，則可采用如果近似表達(dá)式為線性的，則可采用理論直線法、端點(diǎn)理論直線法、端點(diǎn)線法、端點(diǎn)平移法、最小二乘法等來擬合線法、端點(diǎn)平移法、最小二乘法等來擬合；對于非線性；對于非線性曲線，利用傳感器的標(biāo)定數(shù)據(jù)，根據(jù)曲線，利用傳感器的標(biāo)定數(shù)據(jù)，根據(jù)最小二乘原理最小二乘原理，

20、可，可以獲得非線性特性的擬合函數(shù)。以獲得非線性特性的擬合函數(shù)。1）計(jì)算法）計(jì)算法 利用最小二乘法求取反非線性曲線的利用最小二乘法求取反非線性曲線的n階多項(xiàng)式表達(dá)式的階多項(xiàng)式表達(dá)式的具體步驟如下具體步驟如下：(1)對傳感器及其條例電路進(jìn)行靜態(tài)標(biāo)定，得校準(zhǔn)曲線。對傳感器及其條例電路進(jìn)行靜態(tài)標(biāo)定，得校準(zhǔn)曲線。標(biāo)定點(diǎn)得數(shù)據(jù)為標(biāo)定點(diǎn)得數(shù)據(jù)為 N為標(biāo)定點(diǎn)個數(shù)，為標(biāo)定點(diǎn)個數(shù)，i1N1）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r123r123:,:,NNxxxxxuuuuu輸 入輸 出1）計(jì)算法）計(jì)算法(2)假設(shè)反非線性特性擬合方程為：假設(shè)反非線性特性擬合方程為：n的數(shù)值由所要求的精

21、度來定。若的數(shù)值由所要求的精度來定。若n3，則，則式中：式中：為待定常數(shù)。為待定常數(shù)。230123()niiiiinix uaaua ua ua u230123()iiiiix uaa ua ua u(9-1)(9-2)0123aaaa、1）計(jì)算法）計(jì)算法 求解待定常數(shù)的函數(shù)。根據(jù)最小二乘法原則來確求解待定常數(shù)的函數(shù)。根據(jù)最小二乘法原則來確定待定常數(shù)定待定常數(shù) 的基本思想是，由多項(xiàng)的基本思想是，由多項(xiàng)式（式（92）式確定的各個）式確定的各個 值，與各個點(diǎn)的值，與各個點(diǎn)的標(biāo)定值標(biāo)定值xr之均方差應(yīng)最小，即之均方差應(yīng)最小，即()iix u0123aaaa、2223012311()()NNiiiii

22、iiiix uxaaua ua ux0123(,)Faaaa最小值最小值 (9-3)1）計(jì)算法）計(jì)算法（93）式是待定常數(shù)）式是待定常數(shù) 的函數(shù)。的函數(shù)。為了求得函數(shù)為了求得函數(shù) 最小值時的常數(shù)，最小值時的常數(shù)，對函數(shù)求導(dǎo)并令它為零，即對函數(shù)求導(dǎo)并令它為零，即 令令 ，得，得 令令 ，得，得01230(,)0Faaaaa0123aaaa、0123(,)F aaaa2301231()10Niiiiiaa ua ua ux 01231(,)0Faaaaa1）計(jì)算法）計(jì)算法 令 ，得 令 ，得2301231()0Niiiiiiaa ua ua uxu01232(,)0Faaaaa23201231()

23、0Niiiiiiaa ua ua uxu01233(,)0F a a a aa23301231()0Niiiiiiaa ua ua uxu1）計(jì)算法）計(jì)算法 經(jīng)整理后得矩陣方程經(jīng)整理后得矩陣方程 式中：式中：N為試驗(yàn)標(biāo)定點(diǎn)個數(shù)；為試驗(yàn)標(biāo)定點(diǎn)個數(shù)；0123012301230123a Na Ha Ia JDa Ha Ia Ja KEa Ia Ja Ka LFa Ja Ka La MG1）計(jì)算法）計(jì)算法1NiiHu2341116511123111;NNNiiiiiiNNNiiiiiiNNNiiiiiiiiiIuJuKuLuMuDxExuFxuGxu求解該方程，得到待定系數(shù)求解該方程，得到待定系數(shù)a0

24、a31）計(jì)算法）計(jì)算法(2)將所求得常系數(shù)將所求得常系數(shù)a0a3存入內(nèi)存存入內(nèi)存將已知得反非線性特性擬合方程（將已知得反非線性特性擬合方程（92）式寫成下列形）式寫成下列形式：式：為了求取對應(yīng)有電壓為為了求取對應(yīng)有電壓為u得輸入被測值得輸入被測值x，每次只需將，每次只需將采樣值采樣值u代入（代入（94）式中即可）式中即可。2301230123()()xuaau auauaaaauu u(9-4)1）計(jì)算法）計(jì)算法 利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法求解反非線性曲線系數(shù)的基本利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法求解反非線性曲線系數(shù)的基本思路思路：圖圖 9.9函數(shù)鏈神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)函數(shù)鏈神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)1）計(jì)算法）計(jì)算法 采用函數(shù)鏈神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法求擬合多

25、項(xiàng)式的系數(shù)的思路為：如圖如圖9所示的一函數(shù)鏈神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，圖中所示的一函數(shù)鏈神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，圖中 為網(wǎng)絡(luò)的連接權(quán)值，連接權(quán)值的個數(shù)與反非線性多項(xiàng)式為網(wǎng)絡(luò)的連接權(quán)值，連接權(quán)值的個數(shù)與反非線性多項(xiàng)式的結(jié)束相同，即。假設(shè)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的神經(jīng)元是線性的，函的結(jié)束相同，即。假設(shè)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的神經(jīng)元是線性的，函數(shù)鏈神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入值為：數(shù)鏈神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入值為：為靜態(tài)標(biāo)定實(shí)驗(yàn)中獲得的標(biāo)定點(diǎn)輸出值。函數(shù)鏈神經(jīng)網(wǎng)為靜態(tài)標(biāo)定實(shí)驗(yàn)中獲得的標(biāo)定點(diǎn)輸出值。函數(shù)鏈神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸出值為：絡(luò)的輸出值為：(0,1,3)jWjn n231231,uuu30()()estjxijjxku w k 式中：式中：為輸出估計(jì)值，將為輸出估計(jì)值，將 估計(jì)值與標(biāo)定

26、值估計(jì)值與標(biāo)定值 進(jìn)行比較，經(jīng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)算法不斷調(diào)整權(quán)進(jìn)行比較，經(jīng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)算法不斷調(diào)整權(quán)值值 ，直至估計(jì)誤差，直至估計(jì)誤差 的的均方值足夠小。均方值足夠小。估計(jì)誤差為：估計(jì)誤差為：權(quán)值調(diào)節(jié)式為：權(quán)值調(diào)節(jié)式為：estix(0,1,3)jWjn n()()estiiie kxxk()ie k(1)()()jjji iiw kw ke k uixestix1）計(jì)算法）計(jì)算法1）計(jì)算法）計(jì)算法 式中：式中：第第k步神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸出估計(jì)值；步神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸出估計(jì)值；第第i個標(biāo)定點(diǎn)輸入值，也是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的第個標(biāo)定點(diǎn)輸入值，也是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的第i個個期望輸出值；期望輸出值；估計(jì)誤差，第估計(jì)誤差，第k步神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸出估

27、計(jì)值與期步神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸出估計(jì)值與期望輸出值之差；望輸出值之差；第第k步時，第步時，第j個連接權(quán)值；個連接權(quán)值；學(xué)習(xí)因子，它的選擇影響到迭代的穩(wěn)定性學(xué)習(xí)因子，它的選擇影響到迭代的穩(wěn)定性和收斂速度。當(dāng)權(quán)值調(diào)節(jié)趨于穩(wěn)定時，所得權(quán)值為和收斂速度。當(dāng)權(quán)值調(diào)節(jié)趨于穩(wěn)定時，所得權(quán)值為即為多項(xiàng)式待定常數(shù)即為多項(xiàng)式待定常數(shù)()ie k()estixk()iw kj0123:,jww w w wix1）計(jì)算法）計(jì)算法 即為多項(xiàng)式待定常數(shù)即為多項(xiàng)式待定常數(shù) 權(quán)值的初始值為一隨機(jī)數(shù)。如果設(shè)定的合理則學(xué)習(xí)過程權(quán)值的初始值為一隨機(jī)數(shù)。如果設(shè)定的合理則學(xué)習(xí)過程時間短，時間短，與與 一般為同一數(shù)量級；一般為同一數(shù)量級；比比 至

28、少低一個至少低一個數(shù)量級；數(shù)量級；比比 低更多的數(shù)量級。所低數(shù)量級依非線性低更多的數(shù)量級。所低數(shù)量級依非線性特性的非線性程度的不同而不同。特性的非線性程度的不同而不同。將學(xué)習(xí)完畢后的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和原來的傳感器系統(tǒng)相串將學(xué)習(xí)完畢后的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和原來的傳感器系統(tǒng)相串聯(lián)，就構(gòu)成可以進(jìn)行非線性自校正的智能傳感器系統(tǒng)。聯(lián)，就構(gòu)成可以進(jìn)行非線性自校正的智能傳感器系統(tǒng)。如圖所示。如圖所示。03aa00112233,aw aw aw aw0121321）計(jì)算法）計(jì)算法圖圖9.10利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行非線性校正的智能傳感器系統(tǒng)利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行非線性校正的智能傳感器系統(tǒng)2）查表法）查表法 查表法是將傳感器的輸出電壓由小到大

29、按順序計(jì)查表法是將傳感器的輸出電壓由小到大按順序計(jì)算出該電壓所對應(yīng)的被測參數(shù)，將輸出電壓與被算出該電壓所對應(yīng)的被測參數(shù)，將輸出電壓與被測參數(shù)的對應(yīng)關(guān)系等分為若干點(diǎn)，將對應(yīng)關(guān)系編測參數(shù)的對應(yīng)關(guān)系等分為若干點(diǎn)，將對應(yīng)關(guān)系編寫成表格，存入存儲器。這樣傳感器每輸出一個寫成表格，存入存儲器。這樣傳感器每輸出一個電壓值，就從存儲器中取出一個對應(yīng)的被測參數(shù)電壓值，就從存儲器中取出一個對應(yīng)的被測參數(shù)值。值。3）插值法）插值法 實(shí)際使用時，可以把計(jì)算法和查表法結(jié)合起來，形成插實(shí)際使用時，可以把計(jì)算法和查表法結(jié)合起來，形成插值法。值法。它是根據(jù)精度要求對反非線性曲線如圖它是根據(jù)精度要求對反非線性曲線如圖11進(jìn)行分

30、進(jìn)行分段，用若干段折線逼近曲線，將折點(diǎn)坐標(biāo)值存入數(shù)據(jù)表段，用若干段折線逼近曲線，將折點(diǎn)坐標(biāo)值存入數(shù)據(jù)表中，測量時首先要明確對應(yīng)輸入被測量中，測量時首先要明確對應(yīng)輸入被測量x的電壓值的電壓值u是在是在哪一段；然后根據(jù)那段的斜率進(jìn)行線性插值，即得輸出哪一段；然后根據(jù)那段的斜率進(jìn)行線性插值，即得輸出值值yx。下面以四段為例，折點(diǎn)坐標(biāo)值為：下面以四段為例，折點(diǎn)坐標(biāo)值為：橫坐標(biāo)：橫坐標(biāo)：u1,u2,u3,u4,u5；縱坐標(biāo)：縱坐標(biāo)：x1,x2,x3,x4,x5；各線性段得輸出表達(dá)式為：各線性段得輸出表達(dá)式為：3）插值法）插值法 第第段段 第第段段 第第段段 第第段段211121()()()xxyxxu

31、uuu322232()()()xxyxxuuuu433343()()()xxyxxuuuu544454()()()xxyxxuuuu3）插值法）插值法 輸出輸出yx表達(dá)式的通式為表達(dá)式的通式為 式中：式中：k為折點(diǎn)的序數(shù)，四條折線有五個折點(diǎn)為折點(diǎn)的序數(shù)，四條折線有五個折點(diǎn)k1，2，3，4，5。由電壓值由電壓值u求取被測量求取被測量x的程序框圖，如圖的程序框圖，如圖12所示所示。11()kkkkkkxxyxxu uuu 3）插值法）插值法圖圖 9.11 反非線性的折線逼近反非線性的折線逼近3）插值法）插值法圖圖 9.12 非線性自校正流程圖非線性自校正流程圖im界m，即。3）插值法）插值法 折線

32、與折點(diǎn)的確定有兩種方法：近似法與截線近折線與折點(diǎn)的確定有兩種方法：近似法與截線近似法。不論哪種方法所確定的折線段與折點(diǎn)坐標(biāo)似法。不論哪種方法所確定的折線段與折點(diǎn)坐標(biāo)值與所要逼近的曲線之間存在誤差，按照精度要值與所要逼近的曲線之間存在誤差，按照精度要求，各點(diǎn)誤差求，各點(diǎn)誤差i都不得超過允許的最大誤差界都不得超過允許的最大誤差界m，即即 。im3）插值法）插值法 1、近似法、近似法 折點(diǎn)處誤差最大，折點(diǎn)在誤差界上。折線與逼近折點(diǎn)處誤差最大，折點(diǎn)在誤差界上。折線與逼近的曲線之間的誤差最大值為，且有正有負(fù)。的曲線之間的誤差最大值為，且有正有負(fù)。2、截線近似法、截線近似法 折點(diǎn)在曲線上且誤差最小。這是利

33、用標(biāo)定值作為折點(diǎn)在曲線上且誤差最小。這是利用標(biāo)定值作為折點(diǎn)的坐標(biāo)值。折線與被逼近的缺陷之間的最大折點(diǎn)的坐標(biāo)值。折線與被逼近的缺陷之間的最大誤差在折線段中部，應(yīng)該控制該誤差值不大于允誤差在折線段中部，應(yīng)該控制該誤差值不大于允許的誤差界，各折線段的誤差符號相同，或全部許的誤差界，各折線段的誤差符號相同，或全部為正，或全部為負(fù)。為正，或全部為負(fù)。3）插值法）插值法圖圖 9.13曲線的折線逼近曲線的折線逼近3）插值法）插值法 線性插值法的線性化精度由折線的段數(shù)決定，分線性插值法的線性化精度由折線的段數(shù)決定，分段數(shù)越多，精度越高，但數(shù)表占內(nèi)存越多。一般段數(shù)越多，精度越高，但數(shù)表占內(nèi)存越多。一般分為分為2

34、4段折線比較合適。在具體分段時，可以等段折線比較合適。在具體分段時，可以等分也可以不等分，根據(jù)傳感器的特性而定。分也可以不等分，根據(jù)傳感器的特性而定。當(dāng)傳感器的輸入和輸出之間的特性曲線的斜率當(dāng)傳感器的輸入和輸出之間的特性曲線的斜率變化較大時，采用線性插值不能滿足精度要求時，變化較大時，采用線性插值不能滿足精度要求時，可采用二次曲線插值法。就是利用拋物線代替原可采用二次曲線插值法。就是利用拋物線代替原來的曲線，以提高精度。來的曲線，以提高精度。9.3.2.2 軟件抗干擾技術(shù)軟件抗干擾技術(shù) 利用軟件進(jìn)行抗干擾處理的方法可以歸納成兩種：利用軟件進(jìn)行抗干擾處理的方法可以歸納成兩種：一種方法是利用數(shù)字濾

35、波器來濾除干擾，另一種一種方法是利用數(shù)字濾波器來濾除干擾，另一種方是采用軟件開門狗（什么東西？）、指令冗余、方是采用軟件開門狗（什么東西？）、指令冗余、軟件陷阱、多次采樣技術(shù)、延時防止抖動、定時軟件陷阱、多次采樣技術(shù)、延時防止抖動、定時刷新輸出口等技術(shù)來抑制干擾。刷新輸出口等技術(shù)來抑制干擾。9.3.2.2 軟件抗干擾技術(shù)軟件抗干擾技術(shù) 數(shù)字濾波器數(shù)字濾波器 傳統(tǒng)的模擬濾波器是由硬件電路構(gòu)成，存在受元器件精傳統(tǒng)的模擬濾波器是由硬件電路構(gòu)成，存在受元器件精度限制、濾波器變通性差，器件體積龐大等缺點(diǎn)。智能度限制、濾波器變通性差，器件體積龐大等缺點(diǎn)。智能傳感器系統(tǒng)中采用數(shù)字濾波器，它通過計(jì)算機(jī)執(zhí)行一段

36、傳感器系統(tǒng)中采用數(shù)字濾波器，它通過計(jì)算機(jī)執(zhí)行一段相應(yīng)的程序來濾除夾雜在信號中的干擾部分，而無需增相應(yīng)的程序來濾除夾雜在信號中的干擾部分，而無需增加任何硬件設(shè)備。由軟件實(shí)現(xiàn)的離散時間系統(tǒng)的數(shù)字濾加任何硬件設(shè)備。由軟件實(shí)現(xiàn)的離散時間系統(tǒng)的數(shù)字濾波器和由硬件實(shí)現(xiàn)的連續(xù)時間系統(tǒng)的模擬濾波器相比，波器和由硬件實(shí)現(xiàn)的連續(xù)時間系統(tǒng)的模擬濾波器相比，雖然實(shí)時性較差，但穩(wěn)定性和重復(fù)性好，調(diào)整方便靈活，雖然實(shí)時性較差，但穩(wěn)定性和重復(fù)性好，調(diào)整方便靈活，能在模擬濾波器不能實(shí)現(xiàn)的頻帶下進(jìn)行濾波，故得到越能在模擬濾波器不能實(shí)現(xiàn)的頻帶下進(jìn)行濾波，故得到越來越廣泛的應(yīng)用來越廣泛的應(yīng)用。9.3.2.2 軟件抗干擾技術(shù)軟件抗干

37、擾技術(shù) 數(shù)字濾波器的基本結(jié)構(gòu)數(shù)字濾波器的基本結(jié)構(gòu) 對被測模擬信號的處理過程如圖所示。被測模擬量首先對被測模擬信號的處理過程如圖所示。被測模擬量首先經(jīng)過采樣經(jīng)過采樣/保持電路（保持電路（S/H），送至模數(shù)轉(zhuǎn)換器（），送至模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，然后通過數(shù)字濾波器（轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，然后通過數(shù)字濾波器（DF）濾除其中的）濾除其中的干擾信號，最后通過數(shù)模轉(zhuǎn)換器（干擾信號，最后通過數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）獲得模擬量輸）獲得模擬量輸出。出。圖圖 9.14模擬信號的處理過程模擬信號的處理過程9.3.2.2 軟件抗干擾技術(shù)軟件抗干擾技術(shù) 設(shè)數(shù)字濾波器的輸入信號為設(shè)數(shù)字濾波器的輸入信號為 ，輸出信號為，輸出

38、信號為 ，則，則輸入序列和輸出序列之間的關(guān)系可用差分方程表示為輸入序列和輸出序列之間的關(guān)系可用差分方程表示為 式中，輸入信號式中，輸入信號 可以是模擬信號經(jīng)過采樣和可以是模擬信號經(jīng)過采樣和ADC變變換后得到的數(shù)字序列，也可以是計(jì)算機(jī)的輸出信號；換后得到的數(shù)字序列，也可以是計(jì)算機(jī)的輸出信號；、均為系數(shù)。上述差分方程組成的數(shù)字濾波器，稱為遞均為系數(shù)。上述差分方程組成的數(shù)字濾波器，稱為遞歸型數(shù)字濾波器，其輸出不僅與輸入有關(guān)，還與過去的歸型數(shù)字濾波器，其輸出不僅與輸入有關(guān)，還與過去的輸出有關(guān)。輸出有關(guān)。()X n()Y n01()()()NNKKKKY nb X nKa Y nKKaKb()X n9.

39、3.2.2 軟件抗干擾技術(shù)軟件抗干擾技術(shù) 若差分方程中的系數(shù)若差分方程中的系數(shù) 均取均取0，則得到，則得到 式中表示，輸出值僅與輸入有關(guān)，而與過式中表示，輸出值僅與輸入有關(guān)，而與過去的輸出無關(guān)。這類濾波器即為非遞歸型去的輸出無關(guān)。這類濾波器即為非遞歸型濾波器。系數(shù)濾波器。系數(shù) 、選擇不同，可設(shè)計(jì)成選擇不同，可設(shè)計(jì)成低通、高通、帶通或帶阻式數(shù)字濾波器。低通、高通、帶通或帶阻式數(shù)字濾波器。0()()NKKY nb X nKKaKb9.3.2.2 軟件抗干擾技術(shù)軟件抗干擾技術(shù) 數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)1）設(shè)計(jì)步驟）設(shè)計(jì)步驟設(shè)計(jì)數(shù)字濾波器時，一般可按以下步驟來進(jìn)行：設(shè)計(jì)數(shù)字濾波器時，一般可按以

40、下步驟來進(jìn)行：首先，（在此處加入首先，（在此處加入“根據(jù)根據(jù)”）干擾信號的特征來選擇合適的數(shù)字）干擾信號的特征來選擇合適的數(shù)字濾波器；濾波器；建立其典型的差分方程數(shù)學(xué)模型，并對差分方程進(jìn)行建立其典型的差分方程數(shù)學(xué)模型，并對差分方程進(jìn)行Z變換，寫出變換，寫出其其Z傳遞函數(shù)；傳遞函數(shù)；根據(jù)有用信號和干擾信號的頻率特征，來確定系統(tǒng)所期望的通頻帶；根據(jù)有用信號和干擾信號的頻率特征，來確定系統(tǒng)所期望的通頻帶；根據(jù)根據(jù)Z傳遞函數(shù)，確定其幅頻特性和相頻特性，再對傳遞函數(shù)，確定其幅頻特性和相頻特性，再對Z進(jìn)行反變換，進(jìn)行反變換，求出濾波器的線性離散方程；求出濾波器的線性離散方程；按照線性差分方程來編制相應(yīng)的軟

41、件，最終實(shí)現(xiàn)數(shù)字濾波器的功能。按照線性差分方程來編制相應(yīng)的軟件，最終實(shí)現(xiàn)數(shù)字濾波器的功能。所設(shè)計(jì)的數(shù)字濾波器特性，可用所設(shè)計(jì)的數(shù)字濾波器特性，可用MATLAB軟件進(jìn)行仿真。軟件進(jìn)行仿真。9.3.2.2 軟件抗干擾技術(shù)軟件抗干擾技術(shù)2)數(shù)字濾波器的軟件設(shè)計(jì)數(shù)字濾波器的軟件設(shè)計(jì)在測控系統(tǒng)中，由于各種參數(shù)的干擾成分不同，因而濾在測控系統(tǒng)中，由于各種參數(shù)的干擾成分不同，因而濾除這些干擾成分的方式也不同。數(shù)字濾波器方法有多種，除這些干擾成分的方式也不同。數(shù)字濾波器方法有多種，可根據(jù)具體情況加以選用?？筛鶕?jù)具體情況加以選用。(1)程序判斷濾波器（即限幅濾波法）程序判斷濾波器（即限幅濾波法）(2)中位值濾波

42、法中位值濾波法(3)算術(shù)平均濾波法算術(shù)平均濾波法(4)遞推平均濾波法遞推平均濾波法(5)防脈沖干擾平均濾波法防脈沖干擾平均濾波法(6)一階滯后濾波法一階滯后濾波法 一階滯后濾波算法為一階滯后濾波算法為 其中：其中：是本次采樣值，是本次采樣值，、是本次、上次濾波是本次、上次濾波輸出值。令濾波時間常數(shù)為輸出值。令濾波時間常數(shù)為 ，采樣周期為，采樣周期為T，則，則 。值與采樣參數(shù)和干擾的成分有關(guān)，值與采樣參數(shù)和干擾的成分有關(guān)，可由實(shí)驗(yàn)確定，只要使被測信號不產(chǎn)生明顯的失真即可。可由實(shí)驗(yàn)確定，只要使被測信號不產(chǎn)生明顯的失真即可。()(1)()(1)YnXnYn()X n()Y n(1)Y nfT()ff

43、TTT9.3.2.3 自補(bǔ)償技術(shù)自補(bǔ)償技術(shù) 傳感器的自補(bǔ)償技術(shù)主要是為了消除因工作條件、環(huán)境傳感器的自補(bǔ)償技術(shù)主要是為了消除因工作條件、環(huán)境參數(shù)發(fā)生變化后引起系統(tǒng)特性的漂移，如溫度變化引起參數(shù)發(fā)生變化后引起系統(tǒng)特性的漂移，如溫度變化引起的零點(diǎn)漂移、靈敏度溫度漂移等。另外一個重要目的是的零點(diǎn)漂移、靈敏度溫度漂移等。另外一個重要目的是改善傳感器系統(tǒng)的動態(tài)特性，使其頻率響應(yīng)特性向更高改善傳感器系統(tǒng)的動態(tài)特性，使其頻率響應(yīng)特性向更高或更低頻段擴(kuò)展?；蚋皖l段擴(kuò)展。通過自補(bǔ)償技術(shù)可改善傳感器系統(tǒng)的動態(tài)性能，使其頻通過自補(bǔ)償技術(shù)可改善傳感器系統(tǒng)的動態(tài)性能，使其頻率響應(yīng)向更高或更低頻段擴(kuò)展。在不能進(jìn)行完善的

44、實(shí)時率響應(yīng)向更高或更低頻段擴(kuò)展。在不能進(jìn)行完善的實(shí)時自校準(zhǔn)的情況下，可采用補(bǔ)償法消除因工作條件、環(huán)境自校準(zhǔn)的情況下，可采用補(bǔ)償法消除因工作條件、環(huán)境參數(shù)發(fā)生變化后引起系統(tǒng)特性的漂移，如零點(diǎn)漂移、靈參數(shù)發(fā)生變化后引起系統(tǒng)特性的漂移，如零點(diǎn)漂移、靈敏度溫度漂移等。自補(bǔ)償與信息融合技術(shù)有一定程度的敏度溫度漂移等。自補(bǔ)償與信息融合技術(shù)有一定程度的交疊，信息融合有更深更廣的內(nèi)涵交疊，信息融合有更深更廣的內(nèi)涵。9.3.2.2 軟件抗干擾技術(shù)軟件抗干擾技術(shù) 1、溫度補(bǔ)償、溫度補(bǔ)償 溫度是傳感器系統(tǒng)最主要的干擾量，在經(jīng)典傳感器中主溫度是傳感器系統(tǒng)最主要的干擾量，在經(jīng)典傳感器中主要采用結(jié)構(gòu)對稱（機(jī)械結(jié)構(gòu)對稱、電

45、路結(jié)構(gòu)對稱）來消要采用結(jié)構(gòu)對稱（機(jī)械結(jié)構(gòu)對稱、電路結(jié)構(gòu)對稱）來消除其影響，在智能傳感器的中，也有采用硬件電路來實(shí)除其影響，在智能傳感器的中，也有采用硬件電路來實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償?shù)?，但補(bǔ)償效果不能滿足實(shí)際測量的要求。在傳現(xiàn)補(bǔ)償?shù)?，但補(bǔ)償效果不能滿足實(shí)際測量的要求。在傳感器與微處理器感器與微處理器/微計(jì)算機(jī)相結(jié)合的智能傳感器系統(tǒng)中，微計(jì)算機(jī)相結(jié)合的智能傳感器系統(tǒng)中，則是采用監(jiān)測補(bǔ)償法，它是通過對干擾量的監(jiān)測再由軟則是采用監(jiān)測補(bǔ)償法，它是通過對干擾量的監(jiān)測再由軟件來實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償?shù)?。件來?shí)現(xiàn)補(bǔ)償?shù)摹?.3.2.2 軟件抗干擾技術(shù)軟件抗干擾技術(shù)2、頻率補(bǔ)償、頻率補(bǔ)償（1）數(shù)字濾波器）數(shù)字濾波器數(shù)字濾波法的補(bǔ)償思想是：

46、給現(xiàn)有的傳感器系統(tǒng)（設(shè)系數(shù)字濾波法的補(bǔ)償思想是：給現(xiàn)有的傳感器系統(tǒng)（設(shè)系統(tǒng)傳遞函數(shù)為統(tǒng)傳遞函數(shù)為H（s）附加一個校正環(huán)節(jié)（）附加一個校正環(huán)節(jié)（Hc（s），），使得系統(tǒng)總傳遞函數(shù)滿足動態(tài)性能的要求。這個附加的使得系統(tǒng)總傳遞函數(shù)滿足動態(tài)性能的要求。這個附加的串聯(lián)環(huán)節(jié)由軟件編程設(shè)計(jì)的濾波器來實(shí)現(xiàn)。串聯(lián)環(huán)節(jié)由軟件編程設(shè)計(jì)的濾波器來實(shí)現(xiàn)。圖圖9.15校正方案校正方案9.3.2.2 軟件抗干擾技術(shù)軟件抗干擾技術(shù) 設(shè)某傳感器（一階環(huán)節(jié)）的傳遞函數(shù)為設(shè)某傳感器（一階環(huán)節(jié)）的傳遞函數(shù)為 為改善其動態(tài)特性，在其后串入一個超前校正環(huán)節(jié)，該為改善其動態(tài)特性，在其后串入一個超前校正環(huán)節(jié)，該環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)為環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)

47、為 式中式中 。傳感器與校正環(huán)節(jié)合成后的傳遞。傳感器與校正環(huán)節(jié)合成后的傳遞函數(shù)為函數(shù)為()1KH ss1111(1)(1)()11cKsKsHsK ss11111(1)()()()111cKsKKKH sH s Hssss111,1KK9.3.2.2 軟件抗干擾技術(shù)軟件抗干擾技術(shù) 有了校正環(huán)節(jié)后傳感器的時間常數(shù)是原來的有了校正環(huán)節(jié)后傳感器的時間常數(shù)是原來的K1倍，由于倍，由于設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)K11，因而時間常數(shù)見效，響應(yīng)速度變快。如，因而時間常數(shù)見效，響應(yīng)速度變快。如果，果，響應(yīng)速度將變快響應(yīng)速度將變快100倍。倍。在數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)過程中，主要考慮以下三個問題在數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)過程中，主要考慮以下三

48、個問題：濾波器的數(shù)學(xué)模型的建立，即系統(tǒng)函數(shù)的導(dǎo)出；濾波器的數(shù)學(xué)模型的建立，即系統(tǒng)函數(shù)的導(dǎo)出；數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)方法的選擇及系數(shù)的確定；數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)方法的選擇及系數(shù)的確定；數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)及其程序編制。數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)及其程序編制。10.01K 111009.3.2.2 軟件抗干擾技術(shù)軟件抗干擾技術(shù)一個線性定常的離散環(huán)節(jié)（或系統(tǒng)）可用差分方程一個線性定常的離散環(huán)節(jié)（或系統(tǒng)）可用差分方程來表示。對于來表示。對于N階環(huán)節(jié)，其一般形式為階環(huán)節(jié)，其一般形式為 (9-5)若環(huán)節(jié)起始為零狀態(tài)，對上式兩端取若環(huán)節(jié)起始為零狀態(tài)，對上式兩端取Z變換得變換得 因此環(huán)節(jié)的系統(tǒng)函數(shù)為因此環(huán)節(jié)的系統(tǒng)函數(shù)為10()()()N

49、Niiiiy nb y nia x ni10()()()NNiiiiiiy ZbZy Za ZX Z11()()()1NiiiNiiia ZY ZHZXZb Z9.3.2.2 軟件抗干擾技術(shù)軟件抗干擾技術(shù) 若環(huán)節(jié)為一階，即若環(huán)節(jié)為一階，即N1，則，則(9-5)為為 令環(huán)節(jié)輸入為令環(huán)節(jié)輸入為y，輸出為，輸出為yc，則上式應(yīng)寫成，則上式應(yīng)寫成 系統(tǒng)函數(shù)為系統(tǒng)函數(shù)為：101()(1)()(1)y nb y na x na x n101()(1)()(1)ccy nb y na y na y n10111()()()1cY Zaa ZH ZY ZbZ9.3.2.2 軟件抗干擾技術(shù)軟件抗干擾技術(shù) 由前面

50、的討論已知：若對一階環(huán)節(jié)由前面的討論已知：若對一階環(huán)節(jié) 實(shí)現(xiàn)校正，實(shí)現(xiàn)校正，模擬校正環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)應(yīng)為模擬校正環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)應(yīng)為 。對對Hc（s）作歸一化處理，令截止頻率處的值為）作歸一化處理，令截止頻率處的值為1，即在，即在S前乘以前乘以 ，即得，即得 對上式進(jìn)行雙線性變換，即令對上式進(jìn)行雙線性變換，即令 可實(shí)現(xiàn)模擬域（可實(shí)現(xiàn)模擬域（s域）到數(shù)字域（域）到數(shù)字域（z域）的變換，得到數(shù)域）的變換，得到數(shù)字校正濾波器的系統(tǒng)函數(shù)為字校正濾波器的系統(tǒng)函數(shù)為()1KH ss1111(1)(1)()11cKsKsHsK ss11K1111()1cKsHss11111ZsCZ10111()1aa ZH Z

51、b Z9.3.2.2 軟件抗干擾技術(shù)軟件抗干擾技術(shù) 式中式中 常數(shù)常數(shù)C的引入是用于克服雙線性變換可能引起的相頻非的引入是用于克服雙線性變換可能引起的相頻非線性畸變，它由下式確定線性畸變，它由下式確定 式中，式中，為模擬域頻率，為模擬域頻率，為數(shù)字域頻率，為數(shù)字域頻率，T為采樣周為采樣周期。頻率的選取一般采用的原則是：使用模擬和數(shù)字兩期。頻率的選取一般采用的原則是：使用模擬和數(shù)字兩個濾波器的截止頻率相等。對應(yīng)模擬濾波器歸一化頻率，個濾波器的截止頻率相等。對應(yīng)模擬濾波器歸一化頻率，在數(shù)字域，于是在數(shù)字域，于是01111()(1)()(1)(1)(1)aKCCaKCCbCCtan2TCc9.3.2

52、.2 軟件抗干擾技術(shù)軟件抗干擾技術(shù) 系數(shù)系數(shù)a0、a1、b1確定之后，引入輔助確定之后，引入輔助Z變換變換U（z），有），有 因此，數(shù)字校正濾波器時域輸出序列和輸入序列得關(guān)系因此，數(shù)字校正濾波器時域輸出序列和輸入序列得關(guān)系式可寫為式可寫為1tan2TCcK10111()()1()()()()1cY ZU ZH Zaa ZU ZY Zb Z011()()(1)()()(1)cy na u nau nu ny nbu n9.3.2.2 軟件抗干擾技術(shù)軟件抗干擾技術(shù) 采用上述運(yùn)算結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)流圖如圖采用上述運(yùn)算結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)流圖如圖9-16圖圖 9.16 數(shù)字校正濾波器結(jié)構(gòu)流圖數(shù)字校正濾波器結(jié)構(gòu)流圖9

53、.3.2.2 軟件抗干擾技術(shù)軟件抗干擾技術(shù) 2）頻域校正法）頻域校正法 頻域校正法與數(shù)字濾波一樣，都是在已知系統(tǒng)傳遞函數(shù)頻域校正法與數(shù)字濾波一樣，都是在已知系統(tǒng)傳遞函數(shù)時進(jìn)行的。它的基本過程如圖時進(jìn)行的。它的基本過程如圖9.17所示。所示。圖圖 9.17 系統(tǒng)動態(tài)特性頻域校正法過程示意圖系統(tǒng)動態(tài)特性頻域校正法過程示意圖9.3.2.2 軟件抗干擾技術(shù)軟件抗干擾技術(shù) 3）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)補(bǔ)償）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)補(bǔ)償 為了減少設(shè)計(jì)動態(tài)補(bǔ)償濾波器對傳感器動態(tài)模型的依賴，為了減少設(shè)計(jì)動態(tài)補(bǔ)償濾波器對傳感器動態(tài)模型的依賴，并且所設(shè)計(jì)的濾波器可應(yīng)用于最小相位系統(tǒng)和非最小相并且所設(shè)計(jì)的濾波器可應(yīng)用于最小相位系統(tǒng)和非最小相位系統(tǒng)

54、。為此，對濾波器的設(shè)計(jì)問題進(jìn)行如下描述：求位系統(tǒng)。為此，對濾波器的設(shè)計(jì)問題進(jìn)行如下描述：求濾波器濾波器H（z）使）使 最小。最小。式中：式中：Y（i）與）與Ym（i）分別為所設(shè)計(jì)的濾波器）分別為所設(shè)計(jì)的濾波器H（z）的實(shí)際輸出和期望輸出。這樣即將設(shè)計(jì)濾波器的問題轉(zhuǎn)的實(shí)際輸出和期望輸出。這樣即將設(shè)計(jì)濾波器的問題轉(zhuǎn)化為求最優(yōu)解的問題?；癁榍笞顑?yōu)解的問題。設(shè)濾波器設(shè)濾波器H（z）以被校傳感器對某以信號的輸出序列）以被校傳感器對某以信號的輸出序列作為輸入作為輸入Xi，傳感器對該信號的期望作為濾波器的輸，傳感器對該信號的期望作為濾波器的輸出出Yi，構(gòu)成一個輸入輸出模式，每個模式的聯(lián)結(jié)權(quán)用，構(gòu)成一個輸入輸

55、出模式，每個模式的聯(lián)結(jié)權(quán)用表示。輸入輸出關(guān)系可表示成矩陣形式。表示。輸入輸出關(guān)系可表示成矩陣形式。()()mJY iY iXY9.3.2.2 軟件抗干擾技術(shù)軟件抗干擾技術(shù) 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)算法如下：神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)算法如下：權(quán)值調(diào)整：權(quán)值調(diào)整：式中：式中：Yi（k），），ym及及ei（k）分別為第）分別為第i個輸入模式時濾個輸入模式時濾波器波器H（z）的實(shí)際輸出和期望輸出、誤差及第）的實(shí)際輸出和期望輸出、誤差及第k步的第步的第n個連接權(quán)；為學(xué)習(xí)因子。通過訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，即可獲得個連接權(quán)；為學(xué)習(xí)因子。通過訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，即可獲得濾波器函數(shù)表達(dá)式。濾波器函數(shù)表達(dá)式。()()niinY kxk()()()i

56、mie kykY k(1)()()nnniikke k x9.3.2.4自檢技術(shù)自檢技術(shù) 自檢是智能傳感器自動開始或人為觸發(fā)開始執(zhí)行自檢是智能傳感器自動開始或人為觸發(fā)開始執(zhí)行的自我檢驗(yàn)過程。自檢的內(nèi)容分為硬件自檢和軟的自我檢驗(yàn)過程。自檢的內(nèi)容分為硬件自檢和軟件自檢。硬件自檢時指對系統(tǒng)中硬設(shè)備功能的檢件自檢。硬件自檢時指對系統(tǒng)中硬設(shè)備功能的檢查，主要是查，主要是CPU、存儲器和外圍設(shè)備；軟件自檢、存儲器和外圍設(shè)備；軟件自檢則是系統(tǒng)中則是系統(tǒng)中ROM或磁盤所存放的軟件檢驗(yàn)。無或磁盤所存放的軟件檢驗(yàn)。無論是硬件自檢還是軟件自檢都是由論是硬件自檢還是軟件自檢都是由CPU依靠自檢依靠自檢軟件來實(shí)現(xiàn)的。通

57、過對系統(tǒng)軟硬件故障的檢測，軟件來實(shí)現(xiàn)的。通過對系統(tǒng)軟硬件故障的檢測，能大大提高系統(tǒng)的可靠性。能大大提高系統(tǒng)的可靠性。9.3.2.4自檢技術(shù)自檢技術(shù) 智能傳感器的自檢過程一般按照如下方法進(jìn)行智能傳感器的自檢過程一般按照如下方法進(jìn)行：1、檢測零點(diǎn)漂移：輸入切換接地以檢測零點(diǎn)漂移，下、檢測零點(diǎn)漂移：輸入切換接地以檢測零點(diǎn)漂移，下的（沒看懂）漂移值可存儲，用于零點(diǎn)補(bǔ)償；偏大的零的（沒看懂）漂移值可存儲，用于零點(diǎn)補(bǔ)償；偏大的零點(diǎn)失調(diào)提示系統(tǒng)可能發(fā)生故障，應(yīng)向主控計(jì)算機(jī)報(bào)警。點(diǎn)失調(diào)提示系統(tǒng)可能發(fā)生故障，應(yīng)向主控計(jì)算機(jī)報(bào)警。2、A/D自檢：對內(nèi)部標(biāo)準(zhǔn)參考電壓進(jìn)行自檢：對內(nèi)部標(biāo)準(zhǔn)參考電壓進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，以進(jìn)轉(zhuǎn)

58、換，以進(jìn)行行A/D轉(zhuǎn)換器的自檢及檢測增益漂移。轉(zhuǎn)換器的自檢及檢測增益漂移。3、D/A自檢：通過自檢：通過D/A產(chǎn)生斜坡信號，再由產(chǎn)生斜坡信號，再由A/D返讀，則返讀，則可實(shí)現(xiàn)可實(shí)現(xiàn)D/A的自檢及對模擬部件、的自檢及對模擬部件、D/A及及A/D的線性度的的線性度的檢測。檢測。9.3.2.4自檢技術(shù)自檢技術(shù) 4、差動放大器電路的自檢可通過以下四部完成：、差動放大器電路的自檢可通過以下四部完成：a.差動輸入兩端切入（是否應(yīng)為差動輸入兩端切入（是否應(yīng)為“輸入輸入”）零伏電壓。）零伏電壓。b.差動輸入一端切入零伏電壓，另一端輸入一參考電壓。差動輸入一端切入零伏電壓，另一端輸入一參考電壓。c差動兩輸入端交

59、換連接。差動兩輸入端交換連接。d.加入同一參考電壓給兩輸入端。加入同一參考電壓給兩輸入端。6、RAM自檢。自檢。5、ROM自檢自檢 7、基本敏感元件的自動測試、基本敏感元件的自動測試 9.3.3 多傳感器信息融合多傳感器信息融合 通常傳感器都存在交叉靈敏度，表現(xiàn)在傳感器的輸出值通常傳感器都存在交叉靈敏度，表現(xiàn)在傳感器的輸出值不單單決定于一個參量，當(dāng)其它參量變化時也要發(fā)生變不單單決定于一個參量，當(dāng)其它參量變化時也要發(fā)生變化。這樣傳感器在單個使用時，就存在性能不穩(wěn)定的問化。這樣傳感器在單個使用時，就存在性能不穩(wěn)定的問題。另外，單個傳感器瞬時獲得的信息量有限，而多傳題。另外，單個傳感器瞬時獲得的信息

60、量有限，而多傳感器融合技術(shù)具有無可比擬的優(yōu)勢。例如，人用單眼和感器融合技術(shù)具有無可比擬的優(yōu)勢。例如，人用單眼和雙眼分別去觀察同一個物體，二者再大腦神經(jīng)中樞所形雙眼分別去觀察同一個物體，二者再大腦神經(jīng)中樞所形成的影像就不同，后者更具有立體感和距離感。這是因成的影像就不同，后者更具有立體感和距離感。這是因?yàn)橛秒p眼觀察物體時盡管兩眼的視角不同，所得到的影為用雙眼觀察物體時盡管兩眼的視角不同，所得到的影像也不同，但經(jīng)過神經(jīng)中樞融合后會形成一幅新的影像，像也不同，但經(jīng)過神經(jīng)中樞融合后會形成一幅新的影像，這是人腦的一種高級融合技術(shù)。這是人腦的一種高級融合技術(shù)。9.3.3.1多傳感器信息類型及其融合方法多傳

61、感器信息類型及其融合方法 多傳感器感知系統(tǒng)采集到的信息是多種多樣的，為使這些信息能得以統(tǒng)一協(xié)調(diào)的利用，對信息進(jìn)行分類是必要的。針對不同類型的信息，采用不同的融合方法。圖圖 9.18 多傳感器信息融合示意圖多傳感器信息融合示意圖9.3.3.1多傳感器信息類型及其融合方法多傳感器信息類型及其融合方法 1、冗余信息、冗余信息 每個單獨(dú)的冗余信息具有不同可信度，融合后的信息每個單獨(dú)的冗余信息具有不同可信度，融合后的信息可以降低不確定性，提高對監(jiān)測對象可以降低不確定性，提高對監(jiān)測對象 特征描述的精度；特征描述的精度；由于每個傳感器的噪聲是不相關(guān)的，融合后的信息在由于每個傳感器的噪聲是不相關(guān)的，融合后的信

62、息在總體上可明顯抑制噪聲；總體上可明顯抑制噪聲；在傳感器失效或出錯時，冗余信息的融合還可以提高在傳感器失效或出錯時，冗余信息的融合還可以提高檢測的可靠性。檢測的可靠性。2、互補(bǔ)信息、互補(bǔ)信息 3、協(xié)同信息、協(xié)同信息9.3.3.2 多傳感器信息融合過程多傳感器信息融合過程圖圖 9.19 多傳感器數(shù)據(jù)融合過程多傳感器數(shù)據(jù)融合過程9.3.3.2 多傳感器信息融合過程多傳感器信息融合過程(1)信號的獲取信號的獲取(2)信號預(yù)處理信號預(yù)處理(4)融合計(jì)算融合計(jì)算 數(shù)據(jù)融合計(jì)算方法較多數(shù)據(jù)融合計(jì)算方法較多,主要有數(shù)主要有數(shù)據(jù)相關(guān)技術(shù)、狀態(tài)估計(jì)和目標(biāo)識別技術(shù)等。據(jù)相關(guān)技術(shù)、狀態(tài)估計(jì)和目標(biāo)識別技術(shù)等。(3)特

63、征提取對來自傳感器的原始信息進(jìn)行特征特征提取對來自傳感器的原始信息進(jìn)行特征提取提取,特征可以是被測對象的各種物理量。特征可以是被測對象的各種物理量。9.3.3.3多傳感器信息融合結(jié)構(gòu)多傳感器信息融合結(jié)構(gòu)1、傳感器的布置、傳感器的布置(a)串聯(lián)形式（b）并聯(lián)形式（c）混合形式 圖圖 9.20 典型的傳感器組織結(jié)構(gòu)圖典型的傳感器組織結(jié)構(gòu)圖9.3.3.3多傳感器信息融合結(jié)構(gòu)多傳感器信息融合結(jié)構(gòu)2、按融合層次的結(jié)構(gòu)劃分、按融合層次的結(jié)構(gòu)劃分1）數(shù)據(jù)層融合）數(shù)據(jù)層融合2）特征層融合）特征層融合3）決策層融合）決策層融合9.3.3.3多傳感器信息融合結(jié)構(gòu)多傳感器信息融合結(jié)構(gòu)圖圖 9.21典型的信息融合層次

64、典型的信息融合層次9.3.3.4 多傳感器信息融合方法多傳感器信息融合方法一、概率統(tǒng)計(jì)方法一、概率統(tǒng)計(jì)方法1、加權(quán)平均法、加權(quán)平均法2、卡爾曼濾波法、卡爾曼濾波法 常規(guī)卡爾曼濾波常規(guī)卡爾曼濾波（1）集中式結(jié)構(gòu)）集中式結(jié)構(gòu) 設(shè)系統(tǒng)的狀態(tài)為設(shè)系統(tǒng)的狀態(tài)為 ，傳感器觀測量為。傳感器觀測量為。()kX()kZ可寫為可寫為(1)()()()()kkkkk XF XG W()()()()kkkkZHXV9.3.3.4 多傳感器信息融合方法多傳感器信息融合方法 滿足條件滿足條件 預(yù)測預(yù)測()0,()()(),()0TkjEkEkjkEkWWWQV ()()(),()()0TTkjEkjkEkjVVRWV(|

65、1)(1)(1|1)k kkkkXFX(|1)(1)(1|1)(1)()()()TTk kkkkkkkk PFPFGQ G(|1)(1)(|1)k kkk kZHX9.3.3.4 多傳感器信息融合方法多傳感器信息融合方法 更新更新(|)(|1)()()(|1)k kk kkkk k XXWZZ111(|)()()()(|1)Tk kkkkk kPHRHP1()(|)()()TkkkkkWPHR分散式結(jié)構(gòu)分散式結(jié)構(gòu)無反饋時無反饋時有反饋時有反饋時m111-1i=1PP()P(1)P(1)iik kk kk kk k（）=m-1-1iii=1-1iX()P()P(1)X(1)+P()X()P(1)

66、X(1)ik kk kk kk kk kk kk kk km111i=1PP()(1)P(1)ik kk kmk k（）=-1-1ii1X()P()P()X()+(-1)P(-1)X(1)mik kk kk kk kmk kk k9.3.3.4 多傳感器信息融合方法多傳感器信息融合方法 3、貝葉斯估計(jì)法、貝葉斯估計(jì)法 設(shè)概率事件設(shè)概率事件A、B，F(xiàn)為事件域，則在事件為事件域，則在事件B發(fā)生的條件下，發(fā)生的條件下，事件事件A發(fā)生的條件概率為：發(fā)生的條件概率為：()()()P ABP A BP B()()()iiP ABP B AP A9.3.3.4 多傳感器信息融合方法多傳感器信息融合方法1()()()()()iiinjjjP A B P BP B AP A B P B1()1niiP B1()1niiPO1()()()(1,2,1,2,)()()jiiijnjjjjP D O P OP O DinjmP D O P O；9.3.3.4 多傳感器信息融合方法多傳感器信息融合方法 當(dāng)貝葉斯用于身份信息的融合時，可以采用圖當(dāng)貝葉斯用于身份信息的融合時，可以采用圖9.22所示的處理過程。所示的