第九章 自動(dòng)檢測(cè)的共性技術(shù)及新發(fā)展

1、近年來，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、信號(hào)處理技術(shù)和通信近年來，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、信號(hào)處理技術(shù)和通信技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，使得自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)和儀表的功能技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，使得自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)和儀表的功能得到很大的提升，性能指標(biāo)得到很大的提高。得到很大的提升，性能指標(biāo)得到很大的提高。多傳感器數(shù)據(jù)融合及軟測(cè)量技術(shù)多傳感器數(shù)據(jù)融合及軟測(cè)量技術(shù)介紹介紹誤差修正技術(shù)誤差修正技術(shù)MEMSMEMS技術(shù)及其微型傳感器技術(shù)及其微型傳感器虛擬儀器虛擬儀器無線傳感器網(wǎng)絡(luò)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)教學(xué)目的：教學(xué)目的：理解：理解：虛擬儀器的結(jié)構(gòu)及軟件開發(fā)平臺(tái)；虛擬儀器的結(jié)構(gòu)及軟件開發(fā)平臺(tái)；了解：了解：誤差修正技術(shù)；網(wǎng)絡(luò)化智能傳感器及誤差修正技術(shù)；網(wǎng)絡(luò)化智能

2、傳感器及軟測(cè)量技術(shù)。軟測(cè)量技術(shù)。重點(diǎn)：重點(diǎn)：虛擬儀器平臺(tái)的應(yīng)用。虛擬儀器平臺(tái)的應(yīng)用。9.1 9.1 誤差修正技術(shù)誤差修正技術(shù)9.2 9.2 MEMSMEMS技術(shù)與微型傳感器技術(shù)與微型傳感器9.3 9.3 虛擬儀器虛擬儀器9.4 9.4 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)9.5 9.5 多傳感器數(shù)據(jù)融合多傳感器數(shù)據(jù)融合9.6 9.6 軟測(cè)量技術(shù)軟測(cè)量技術(shù) 9.1 誤差修正技術(shù)9.1.1 9.1.1 系統(tǒng)誤差的數(shù)字修正方法系統(tǒng)誤差的數(shù)字修正方法9.1.2 9.1.2 隨機(jī)誤差的數(shù)字濾波方法隨機(jī)誤差的數(shù)字濾波方法9.1.3 9.1.3 動(dòng)態(tài)補(bǔ)償方法動(dòng)態(tài)補(bǔ)償方法 誤差來源有以下幾方面：檢測(cè)系統(tǒng)本身的誤差檢測(cè)

3、系統(tǒng)本身的誤差(a)(a)工作原理上，如傳感器或電路的非線性的輸入、輸出關(guān)系；工作原理上，如傳感器或電路的非線性的輸入、輸出關(guān)系；(b)(b)機(jī)械結(jié)構(gòu)上，如阻尼比太小等；機(jī)械結(jié)構(gòu)上，如阻尼比太小等；(c)(c)制造工藝上，如加工精度不高，貼片不準(zhǔn)，裝配偏差等；制造工藝上，如加工精度不高，貼片不準(zhǔn)，裝配偏差等；(d)(d)功能材料上，如熱脹冷縮，遲滯，非線性等。功能材料上，如熱脹冷縮，遲滯，非線性等。外界環(huán)境影響外界環(huán)境影響例如，溫度，壓力和濕度等的影響。例如，溫度，壓力和濕度等的影響。人為因素人為因素操作人員在使用儀表之前，沒有調(diào)零、校正；讀數(shù)誤差等。操作人員在使用儀表之前，沒有調(diào)零、校正；讀

4、數(shù)誤差等。誤差分類：從時(shí)間角度，把誤差分為靜態(tài)誤差和動(dòng)態(tài)誤差。從時(shí)間角度，把誤差分為靜態(tài)誤差和動(dòng)態(tài)誤差。靜態(tài)誤差靜態(tài)誤差包括通常所說的系統(tǒng)誤差和隨機(jī)誤差。其中，系統(tǒng)包括通常所說的系統(tǒng)誤差和隨機(jī)誤差。其中，系統(tǒng)誤差是指在相同條件下，多次測(cè)量同一量時(shí)，其大小和符號(hào)誤差是指在相同條件下，多次測(cè)量同一量時(shí)，其大小和符號(hào)保持不變或按一定規(guī)律變化的誤差。保持不變或按一定規(guī)律變化的誤差。動(dòng)態(tài)誤差動(dòng)態(tài)誤差是指檢測(cè)系統(tǒng)輸入與輸出信號(hào)之間的差異。由于產(chǎn)是指檢測(cè)系統(tǒng)輸入與輸出信號(hào)之間的差異。由于產(chǎn)生動(dòng)態(tài)誤差的原因不同，動(dòng)態(tài)誤差又可分為第一類和第二類。生動(dòng)態(tài)誤差的原因不同，動(dòng)態(tài)誤差又可分為第一類和第二類。第一類動(dòng)態(tài)誤

5、差：第一類動(dòng)態(tài)誤差：因檢測(cè)系統(tǒng)中各環(huán)節(jié)存在慣性、阻尼及非線因檢測(cè)系統(tǒng)中各環(huán)節(jié)存在慣性、阻尼及非線性等原因，動(dòng)態(tài)測(cè)試時(shí)造成的誤差。性等原因，動(dòng)態(tài)測(cè)試時(shí)造成的誤差。第二類誤差：第二類誤差：因各種隨時(shí)間改變的干擾信號(hào)所引起的動(dòng)態(tài)誤差因各種隨時(shí)間改變的干擾信號(hào)所引起的動(dòng)態(tài)誤差。針對(duì)不同的誤差，有不同的修正方法；就是對(duì)同一誤差，針對(duì)不同的誤差，有不同的修正方法；就是對(duì)同一誤差，也有多種修正方法。也有多種修正方法。 9.1.1 系統(tǒng)誤差的數(shù)字修正方法1. 1. 利用校正曲線修正系統(tǒng)誤差利用校正曲線修正系統(tǒng)誤差 2 2用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)修正系統(tǒng)誤差用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)修正系統(tǒng)誤差3 3非線性特性的校正方法非線性特性的校正方法

6、 1.利用校正曲線修正系統(tǒng)誤差通過實(shí)驗(yàn)校準(zhǔn)通過實(shí)驗(yàn)校準(zhǔn)( (或稱標(biāo)定或稱標(biāo)定) )來獲得系統(tǒng)的校準(zhǔn)曲線來獲得系統(tǒng)的校準(zhǔn)曲線( (輸入、輸入、輸出關(guān)系曲線輸出關(guān)系曲線) )。校準(zhǔn)校準(zhǔn)：在標(biāo)準(zhǔn)狀況下，利用一定等級(jí)的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備，為系統(tǒng)：在標(biāo)準(zhǔn)狀況下，利用一定等級(jí)的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備，為系統(tǒng)提供標(biāo)準(zhǔn)的輸入量，測(cè)試系統(tǒng)的輸出。提供標(biāo)準(zhǔn)的輸入量，測(cè)試系統(tǒng)的輸出。在整個(gè)量程范圍內(nèi)，選多點(diǎn)測(cè)試；在每個(gè)點(diǎn)上，測(cè)試多次，在整個(gè)量程范圍內(nèi)，選多點(diǎn)測(cè)試；在每個(gè)點(diǎn)上，測(cè)試多次，由此得出系統(tǒng)的輸入、輸出數(shù)據(jù)，列成表格或繪出曲線。由此得出系統(tǒng)的輸入、輸出數(shù)據(jù)，列成表格或繪出曲線。將曲線上各校準(zhǔn)點(diǎn)的數(shù)據(jù)存入存儲(chǔ)器的校準(zhǔn)表格中，在實(shí)將曲線

7、上各校準(zhǔn)點(diǎn)的數(shù)據(jù)存入存儲(chǔ)器的校準(zhǔn)表格中，在實(shí)際測(cè)量時(shí)，測(cè)一個(gè)值，就到微處理器去訪問這個(gè)地址，讀際測(cè)量時(shí)，測(cè)一個(gè)值，就到微處理器去訪問這個(gè)地址，讀出其內(nèi)容，即為被測(cè)量經(jīng)修正過的值。出其內(nèi)容，即為被測(cè)量經(jīng)修正過的值。內(nèi)插方法對(duì)于值介于兩個(gè)校準(zhǔn)點(diǎn)與之間時(shí)，可以按最鄰近的一個(gè)值對(duì)于值介于兩個(gè)校準(zhǔn)點(diǎn)與之間時(shí)，可以按最鄰近的一個(gè)值去查找對(duì)應(yīng)的值，作為最后的結(jié)果。這個(gè)結(jié)果帶有誤差。去查找對(duì)應(yīng)的值，作為最后的結(jié)果。這個(gè)結(jié)果帶有誤差。此時(shí)，可以利用此時(shí)，可以利用 ( (分段直線擬合分段直線擬合) )來提高準(zhǔn)確度。校準(zhǔn)點(diǎn)來提高準(zhǔn)確度。校準(zhǔn)點(diǎn)之間的內(nèi)插，最簡(jiǎn)單的是線性內(nèi)插。之間的內(nèi)插，最簡(jiǎn)單的是線性內(nèi)插。當(dāng)取當(dāng)取)

8、()()(11iiiiyyyyxxxx1iiyyy2用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)修正系統(tǒng)誤差 傳感器模型傳感器模型 )(txfz；Tktttt),.,(21環(huán)環(huán) 境境 參參 數(shù)數(shù) )(1tzfx；)(tzz；誤差修正模型的輸出誤差修正模型的輸出 )()(1tzftz；xtzftzz)()(1；即誤差修正模型的輸出即誤差修正模型的輸出z z與被測(cè)非電量與被測(cè)非電量x x成線性關(guān)系成線性關(guān)系, ,且與各環(huán)境參數(shù)無關(guān)。且與各環(huán)境參數(shù)無關(guān)。只要使誤差修正模型只要使誤差修正模型即可實(shí)現(xiàn)傳感器靜態(tài)誤差的綜合修正。即可實(shí)現(xiàn)傳感器靜態(tài)誤差的綜合修正。)()(1tzftz；(9(91 12)2) ，通常傳感器模型及其反函數(shù)是復(fù)雜

9、的，難以用數(shù)學(xué)式子描述。通常傳感器模型及其反函數(shù)是復(fù)雜的，難以用數(shù)學(xué)式子描述。但是，可以通過實(shí)驗(yàn)測(cè)得傳感器的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)集但是，可以通過實(shí)驗(yàn)測(cè)得傳感器的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)集 ：TkiiiikiittttniRztx),.,(,.,2 , 1)(212：；根據(jù)前向神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有很強(qiáng)的輸入、輸出非線性映射能力的特點(diǎn)，根據(jù)前向神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有很強(qiáng)的輸入、輸出非線性映射能力的特點(diǎn)，以實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)集的以實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)集的 和和 為輸入樣本，及對(duì)應(yīng)的為輸入樣本，及對(duì)應(yīng)的 為輸出樣本，為輸出樣本，對(duì)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練，使神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)逐步調(diào)節(jié)各個(gè)權(quán)值自動(dòng)實(shí)現(xiàn)。對(duì)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練，使神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)逐步調(diào)節(jié)各個(gè)權(quán)值自動(dòng)實(shí)現(xiàn)。 ixizit歸一化處理因神經(jīng)

10、網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)時(shí)，加在輸入端的數(shù)據(jù)太大，會(huì)使神經(jīng)元因神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)時(shí)，加在輸入端的數(shù)據(jù)太大，會(huì)使神經(jīng)元節(jié)點(diǎn)迅速進(jìn)入飽和，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)麻痹現(xiàn)象。此外，由于節(jié)點(diǎn)迅速進(jìn)入飽和，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)麻痹現(xiàn)象。此外，由于在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中采用在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中采用S S型函數(shù)，輸出范圍為型函數(shù)，輸出范圍為(0(0，1)1)，且很難，且很難達(dá)到達(dá)到0 0或或1 1。故在學(xué)習(xí)之前，應(yīng)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理。故在學(xué)習(xí)之前，應(yīng)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理。)/()(minmaxminiiiiiDDDDD05. 0)/()(9 . 0minmaxminoooooDDDDD(913) (914) 式中，式中，D Di i、D Do o分別是欲作為神經(jīng)網(wǎng)

11、絡(luò)輸入、輸出樣本的原始數(shù)據(jù)分別是欲作為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸入、輸出樣本的原始數(shù)據(jù) 建立神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)誤差修正模型的步驟：取傳感器原始實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。取傳感器原始實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。由式由式(9.1.3)(9.1.3)變換原始數(shù)據(jù)和式變換原始數(shù)據(jù)和式(9.1.4)(9.1.4)變換原始數(shù)變換原始數(shù)據(jù)，得訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入、輸出樣本對(duì)。據(jù)，得訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入、輸出樣本對(duì)。確定神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸入、輸出端數(shù)量、各層節(jié)點(diǎn)數(shù)、學(xué)確定神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸入、輸出端數(shù)量、各層節(jié)點(diǎn)數(shù)、學(xué)習(xí)率和動(dòng)量因子的值。網(wǎng)絡(luò)輸入端數(shù)量與輸入層節(jié)習(xí)率和動(dòng)量因子的值。網(wǎng)絡(luò)輸入端數(shù)量與輸入層節(jié)點(diǎn)數(shù)量相同，等于環(huán)境參數(shù)個(gè)數(shù)加點(diǎn)數(shù)量相同，等于環(huán)境參數(shù)個(gè)數(shù)加1 1。輸出端數(shù)量。輸出

12、端數(shù)量與輸出層節(jié)點(diǎn)數(shù)均為與輸出層節(jié)點(diǎn)數(shù)均為1 1。隱層節(jié)點(diǎn)數(shù)根據(jù)被測(cè)非電。隱層節(jié)點(diǎn)數(shù)根據(jù)被測(cè)非電量、環(huán)境參數(shù)及傳感器輸出之間的關(guān)系的復(fù)雜程度量、環(huán)境參數(shù)及傳感器輸出之間的關(guān)系的復(fù)雜程度而定，關(guān)系復(fù)雜取多些，反之取少些。學(xué)習(xí)率和動(dòng)而定，關(guān)系復(fù)雜取多些，反之取少些。學(xué)習(xí)率和動(dòng)量因子的值一般取量因子的值一般取0 01 1。訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)得到誤差修正模型。訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)得到誤差修正模型。3非線性特性的校正方法傳感器和自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)的非線性誤差傳感器和自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)的非線性誤差( (或稱線性度或稱線性度) )是一種是一種系統(tǒng)誤差，是用其輸入、輸出特性曲線與擬合直線之間最系統(tǒng)誤差，是用其輸入、輸出特性曲線與擬合直

13、線之間最大偏差與其滿量程輸出之比來定義的。大偏差與其滿量程輸出之比來定義的。擬合直線：擬合直線：依據(jù)若干實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，利用一定的數(shù)學(xué)方法得到依據(jù)若干實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，利用一定的數(shù)學(xué)方法得到的直線。當(dāng)采用的數(shù)學(xué)方法不同時(shí)，擬合直線不同，以此的直線。當(dāng)采用的數(shù)學(xué)方法不同時(shí)，擬合直線不同，以此為基準(zhǔn)得出的線性度也不同。為基準(zhǔn)得出的線性度也不同。輸入輸入 、輸出關(guān)系呈線性的優(yōu)點(diǎn)、輸出關(guān)系呈線性的優(yōu)點(diǎn)：可用線性疊加原理，分析、計(jì)算方便；可用線性疊加原理，分析、計(jì)算方便；輸出信號(hào)的處理方便，只要知道輸出量的起始值和滿量程值，就可輸出信號(hào)的處理方便，只要知道輸出量的起始值和滿量程值，就可確定其余的輸出值，刻度盤可按線性

14、刻度；確定其余的輸出值，刻度盤可按線性刻度；在工業(yè)過程控制中常用的電動(dòng)單元組合儀表，由于單元之間用標(biāo)準(zhǔn)在工業(yè)過程控制中常用的電動(dòng)單元組合儀表，由于單元之間用標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)聯(lián)系，要求儀表具有線性特性。信號(hào)聯(lián)系，要求儀表具有線性特性。非線性校正方法非線性校正方法很多，例如：非線性校正方法很多，例如：利用校準(zhǔn)曲線用查表法作修正；利用校準(zhǔn)曲線用查表法作修正；利用分段折線法進(jìn)行校正；利用分段折線法進(jìn)行校正；用整段高次多項(xiàng)式近似。用整段高次多項(xiàng)式近似。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的方法。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的方法。(1) 整段校正法整段校正法也稱整段多項(xiàng)式近似法，其核心問題整段校正法也稱整段多項(xiàng)式近似法，其核心問題是多項(xiàng)式的生成，即直接利用非

15、線性方程進(jìn)行校是多項(xiàng)式的生成，即直接利用非線性方程進(jìn)行校正。正。由標(biāo)定傳感器所得到的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)來推出反映輸入、由標(biāo)定傳感器所得到的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)來推出反映輸入、輸出關(guān)系的多項(xiàng)式，并要求這個(gè)多項(xiàng)式的次數(shù)盡輸出關(guān)系的多項(xiàng)式，并要求這個(gè)多項(xiàng)式的次數(shù)盡量低、與實(shí)際特性的誤差盡量小。這實(shí)質(zhì)上是個(gè)量低、與實(shí)際特性的誤差盡量小。這實(shí)質(zhì)上是個(gè)曲線擬合問題。曲線擬合問題。最小二乘意義下的多項(xiàng)式擬合對(duì)于對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)于對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù) ),(),.,(),(2211nnyxyxyx12321.)(mmxaxaxaaxP)(nm min)(12niiiyxP使得使得 構(gòu)造多項(xiàng)式構(gòu)造多項(xiàng)式 根據(jù)最小二乘原理，要使根據(jù)最小二乘原理，要

16、使為最小，按通常求極值的方法，為最小，按通常求極值的方法，取對(duì)取對(duì)ai的偏導(dǎo)數(shù)，并令其為零，得到正則方程組，解出的偏導(dǎo)數(shù)，并令其為零，得到正則方程組，解出a ai i在實(shí)際修正中，預(yù)先把方程的系數(shù)存在存儲(chǔ)器中。在實(shí)際修正中，預(yù)先把方程的系數(shù)存在存儲(chǔ)器中。單片機(jī)進(jìn)行校正時(shí)，將測(cè)量值與存儲(chǔ)器中的系數(shù)進(jìn)行運(yùn)算，單片機(jī)進(jìn)行校正時(shí)，將測(cè)量值與存儲(chǔ)器中的系數(shù)進(jìn)行運(yùn)算，就可獲得實(shí)際被測(cè)量。就可獲得實(shí)際被測(cè)量。 (2) 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)校正法傳感器的靜態(tài)輸入、輸出特性可用一個(gè)多項(xiàng)式表示傳感器的靜態(tài)輸入、輸出特性可用一個(gè)多項(xiàng)式表示 .54332210oipiiiixxkxxkxkxkxkky可簡(jiǎn)化為可簡(jiǎn)化為 33221

17、0iiixkxkxkky實(shí)際應(yīng)用中往往需要根據(jù)所得的輸出量實(shí)際應(yīng)用中往往需要根據(jù)所得的輸出量y y，求出輸入非電量，求出輸入非電量x xi i。而由而由y y表示的表示的x xi i表達(dá)式為表達(dá)式為332210ykykykkxi通過靜態(tài)標(biāo)定，事先得到一組傳感器的輸入、輸出數(shù)據(jù)，通過靜態(tài)標(biāo)定，事先得到一組傳感器的輸入、輸出數(shù)據(jù)，然后用函數(shù)聯(lián)接型神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，通過迭代得到然后用函數(shù)聯(lián)接型神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，通過迭代得到 這些系數(shù)。這些系數(shù)。ik利用輸入數(shù)據(jù)集利用輸入數(shù)據(jù)集( ) ( ) 和輸出和輸出y yi i，經(jīng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)算法，經(jīng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)算法不斷調(diào)整權(quán)值不斷調(diào)整權(quán)值W Wn n(n(n=0,1,2,

18、3)=0,1,2,3)。32, 1iiixxx估計(jì)輸出為估計(jì)輸出為30)()(nnniikWxky誤差為誤差為 )()()(kykykeiii權(quán)值調(diào)整為權(quán)值調(diào)整為 niiiiixkekWkW)()() 1(第第i i個(gè)輸入數(shù)據(jù)的期望輸出、估計(jì)輸出個(gè)輸入數(shù)據(jù)的期望輸出、估計(jì)輸出 W Wn n(k(k) )網(wǎng)絡(luò)在第網(wǎng)絡(luò)在第k k步的第步的第n n個(gè)聯(lián)接權(quán)，個(gè)聯(lián)接權(quán)，a ai i學(xué)習(xí)因子學(xué)習(xí)因子 經(jīng)過學(xué)習(xí)，當(dāng)權(quán)值趨于穩(wěn)定時(shí)，所得的經(jīng)過學(xué)習(xí)，當(dāng)權(quán)值趨于穩(wěn)定時(shí)，所得的W Wn n(n(n=0,1,2,3)=0,1,2,3)就是系數(shù)就是系數(shù)k k0 0、 k k1 1 、 k k2 2 、 k k3 3

19、。9.1.2 隨機(jī)誤差的數(shù)字濾波方法數(shù)字濾波：數(shù)字濾波：通過特定的計(jì)算程序處理，降低干擾信號(hào)通過特定的計(jì)算程序處理，降低干擾信號(hào)在有用信號(hào)中的比例，故實(shí)質(zhì)上是一種程序?yàn)V波。在有用信號(hào)中的比例，故實(shí)質(zhì)上是一種程序?yàn)V波。數(shù)字濾波可以對(duì)各種干擾信號(hào)，甚至極低頻率的信號(hào)數(shù)字濾波可以對(duì)各種干擾信號(hào)，甚至極低頻率的信號(hào)濾波。濾波。數(shù)字濾波由于穩(wěn)定性高，濾波器參數(shù)修改方便，因此數(shù)字濾波由于穩(wěn)定性高，濾波器參數(shù)修改方便，因此得到廣泛應(yīng)用。得到廣泛應(yīng)用。數(shù)字濾波器優(yōu)點(diǎn)：(1)(1)不需要增加任何硬設(shè)備，只要程序在進(jìn)入數(shù)據(jù)處理和控不需要增加任何硬設(shè)備，只要程序在進(jìn)入數(shù)據(jù)處理和控制算法之前，附加一段數(shù)字濾波程序即可

20、。制算法之前，附加一段數(shù)字濾波程序即可。(2)(2)不存在阻抗匹配問題。不存在阻抗匹配問題。 (3)(3)可以對(duì)頻率很低，例如可以對(duì)頻率很低，例如0.01Hz0.01Hz的信號(hào)濾波，而模擬的信號(hào)濾波，而模擬RCRC濾濾波器由于受電容容量的影響，頻率不能太低。波器由于受電容容量的影響，頻率不能太低。(4)(4)對(duì)于多路信號(hào)輸入通道，可以共用一個(gè)濾波器，從而降對(duì)于多路信號(hào)輸入通道，可以共用一個(gè)濾波器，從而降低儀表的硬件成本。低儀表的硬件成本。(5)(5)只要適當(dāng)改變?yōu)V波器程序或參數(shù)，就可方便地改變?yōu)V波只要適當(dāng)改變?yōu)V波器程序或參數(shù)，就可方便地改變?yōu)V波特性，這對(duì)于低頻脈沖干擾和隨機(jī)噪聲的克服特別有效。

21、特性，這對(duì)于低頻脈沖干擾和隨機(jī)噪聲的克服特別有效。數(shù)字濾波方法 1 限幅濾波限幅濾波 2中位值濾波中位值濾波3平滑濾波：算術(shù)平均濾波法；遞推平均濾波法；加權(quán)平滑濾波：算術(shù)平均濾波法；遞推平均濾波法；加權(quán) 移動(dòng)平均濾波法移動(dòng)平均濾波法 4一階慣性濾波一階慣性濾波 5復(fù)合濾波復(fù)合濾波 9.1.3 動(dòng)態(tài)補(bǔ)償方法隨著科技生產(chǎn)的發(fā)展，對(duì)自動(dòng)檢測(cè)和儀器儀表提出了更高隨著科技生產(chǎn)的發(fā)展，對(duì)自動(dòng)檢測(cè)和儀器儀表提出了更高要求，要求測(cè)量一些瞬變的非電量。要求，要求測(cè)量一些瞬變的非電量。同時(shí)，傳感器廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)過程的檢測(cè)，作為控制系統(tǒng)同時(shí)，傳感器廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)過程的檢測(cè)，作為控制系統(tǒng)中提供信息的單元，要能迅速反映

22、被控參量的變化，否則，中提供信息的單元，要能迅速反映被控參量的變化，否則，整個(gè)控制系統(tǒng)就無法正常工作。整個(gè)控制系統(tǒng)就無法正常工作。在許多生產(chǎn)工藝中，反應(yīng)速度加快了，設(shè)備結(jié)構(gòu)尺寸減小在許多生產(chǎn)工藝中，反應(yīng)速度加快了，設(shè)備結(jié)構(gòu)尺寸減小了，即控制對(duì)象的時(shí)間常數(shù)日益減小，這就需要選擇快速了，即控制對(duì)象的時(shí)間常數(shù)日益減小，這就需要選擇快速的檢測(cè)元件。的檢測(cè)元件。傳感器的阻尼比太小，階躍響應(yīng)振蕩劇烈，達(dá)到穩(wěn)態(tài)的時(shí)傳感器的阻尼比太小，階躍響應(yīng)振蕩劇烈，達(dá)到穩(wěn)態(tài)的時(shí)間長。間長。傳感器的工作頻帶窄，對(duì)被測(cè)信號(hào)中的高頻分量沒有反應(yīng)，傳感器的工作頻帶窄，對(duì)被測(cè)信號(hào)中的高頻分量沒有反應(yīng)，以致動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度慢。以致動(dòng)態(tài)響

23、應(yīng)速度慢。提高傳感器動(dòng)態(tài)響應(yīng)的快速性1 1、在傳感器本身想辦法，改變傳感器的結(jié)構(gòu)、參數(shù)和、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(jì)。設(shè)計(jì)。2 2、在傳感器輸出信號(hào)的后續(xù)處理方面想辦法，設(shè)計(jì)用、在傳感器輸出信號(hào)的后續(xù)處理方面想辦法，設(shè)計(jì)用于動(dòng)態(tài)補(bǔ)償?shù)哪M或數(shù)字濾波器于動(dòng)態(tài)補(bǔ)償?shù)哪M或數(shù)字濾波器( (通常稱為動(dòng)態(tài)補(bǔ)償通常稱為動(dòng)態(tài)補(bǔ)償器器) )，對(duì)傳感器的信號(hào)進(jìn)行校正，改善其動(dòng)態(tài)性能。，對(duì)傳感器的信號(hào)進(jìn)行校正，改善其動(dòng)態(tài)性能。 進(jìn)行傳感器動(dòng)態(tài)補(bǔ)償器設(shè)計(jì)的方法：進(jìn)行傳感器動(dòng)態(tài)補(bǔ)償器設(shè)計(jì)的方法：零極點(diǎn)配置法零極點(diǎn)配置法系統(tǒng)辨識(shí)法系統(tǒng)辨識(shí)法基于基于DSPDSP的實(shí)時(shí)實(shí)現(xiàn)的實(shí)時(shí)實(shí)現(xiàn)End 9.19.

24、2 MEMS技術(shù)與微型傳感器9.2.1 9.2.1 MEMSMEMS技術(shù)技術(shù)9.2.2 9.2.2 微型傳感器微型傳感器 MEMSMEMS技術(shù)是多學(xué)科交叉的新興領(lǐng)域，涉及精密機(jī)械、技術(shù)是多學(xué)科交叉的新興領(lǐng)域，涉及精密機(jī)械、微電子材料科學(xué)、微細(xì)加工、系統(tǒng)與控制等技術(shù)學(xué)科微電子材料科學(xué)、微細(xì)加工、系統(tǒng)與控制等技術(shù)學(xué)科和物理、化學(xué)、力學(xué)、生物學(xué)等基礎(chǔ)學(xué)科。包含微傳和物理、化學(xué)、力學(xué)、生物學(xué)等基礎(chǔ)學(xué)科。包含微傳感器、微執(zhí)行器及信號(hào)處理、控制電路等，利用三維感器、微執(zhí)行器及信號(hào)處理、控制電路等，利用三維加工技術(shù)制造微米或納米尺度的零件、部件或集光機(jī)加工技術(shù)制造微米或納米尺度的零件、部件或集光機(jī)于一體，完

25、成一定功能的復(fù)雜微細(xì)系統(tǒng)，是實(shí)現(xiàn)于一體，完成一定功能的復(fù)雜微細(xì)系統(tǒng)，是實(shí)現(xiàn)“片片上系統(tǒng)上系統(tǒng)”的發(fā)展方向。的發(fā)展方向。9.2.1 MEMS技術(shù)MEMSMEMS（MicroMicro Electro-Mechanical System Electro-Mechanical System）通常稱通常稱微機(jī)電系統(tǒng)。微機(jī)電系統(tǒng)。MEMSMEMS系統(tǒng)主要包括微型傳感器、微執(zhí)行器和相應(yīng)的處系統(tǒng)主要包括微型傳感器、微執(zhí)行器和相應(yīng)的處理電路三部分。理電路三部分。1. 微電子機(jī)械系統(tǒng)MEMSMEMS系統(tǒng)與外界相互作用示意圖系統(tǒng)與外界相互作用示意圖 微型化微型化集成化集成化硅基材料硅基材料制作工藝與制作工藝與IC

26、IC產(chǎn)品的主流工藝相似。產(chǎn)品的主流工藝相似。MEMSMEMS中的機(jī)械不限于力學(xué)中的機(jī)械，它代表一切具有能量中的機(jī)械不限于力學(xué)中的機(jī)械，它代表一切具有能量轉(zhuǎn)化、傳輸?shù)裙δ艿男?yīng)，包括力、熱、光、磁、化學(xué)、轉(zhuǎn)化、傳輸?shù)裙δ艿男?yīng)，包括力、熱、光、磁、化學(xué)、生物等效應(yīng)。生物等效應(yīng)。MEMSMEMS的目標(biāo)是的目標(biāo)是“微機(jī)械微機(jī)械”與與ICIC結(jié)合的微系統(tǒng)，并向智能化結(jié)合的微系統(tǒng)，并向智能化方向發(fā)展。方向發(fā)展。2. MEMS技術(shù)的特點(diǎn)尺寸效應(yīng)是尺寸效應(yīng)是MEMSMEMS中許多物理現(xiàn)象不同于宏觀現(xiàn)象的一個(gè)重中許多物理現(xiàn)象不同于宏觀現(xiàn)象的一個(gè)重要的原因，其主要特征表現(xiàn)在：要的原因，其主要特征表現(xiàn)在：微構(gòu)件材

27、料的物理特性的變化。微構(gòu)件材料的物理特性的變化。力的尺寸效應(yīng)和微結(jié)構(gòu)的表面效應(yīng)。在微小尺寸領(lǐng)域，與特征尺寸力的尺寸效應(yīng)和微結(jié)構(gòu)的表面效應(yīng)。在微小尺寸領(lǐng)域，與特征尺寸的高次方成比例的慣性力、電磁力等的作用相對(duì)減弱，而在傳統(tǒng)理論的高次方成比例的慣性力、電磁力等的作用相對(duì)減弱，而在傳統(tǒng)理論中常常被忽略了的、與尺寸的低次方成比例的粘性力、彈性力、表面中常常被忽略了的、與尺寸的低次方成比例的粘性力、彈性力、表面張力、靜電力等的作用相對(duì)增強(qiáng)。張力、靜電力等的作用相對(duì)增強(qiáng)。微摩擦與微潤滑機(jī)制對(duì)微機(jī)械尺度的依賴性以及傳熱與燃燒對(duì)微機(jī)微摩擦與微潤滑機(jī)制對(duì)微機(jī)械尺度的依賴性以及傳熱與燃燒對(duì)微機(jī)械尺度的制約。此外，

28、隨著尺寸的減小，表面積械尺度的制約。此外，隨著尺寸的減小，表面積(L(L2 2) )與體積與體積(L(L3 3) )之比之比相對(duì)增大，因而熱傳導(dǎo)、化學(xué)反應(yīng)等的速度將加快。相對(duì)增大，因而熱傳導(dǎo)、化學(xué)反應(yīng)等的速度將加快。3. MEMS的理論基礎(chǔ)硅壓力傳感器硅壓力傳感器硅微加速度傳感器硅微加速度傳感器微型流量傳感器微型流量傳感器微型氧傳感器微型氧傳感器氣相色譜儀氣相色譜儀9.2.2 微型傳感器幾種常見的微型傳感器幾種常見的微型傳感器End 9.29.3 虛擬儀器9.3.1 9.3.1 定義和特點(diǎn)定義和特點(diǎn)9.3.2 9.3.2 產(chǎn)生和分類產(chǎn)生和分類9.3.3 9.3.3 體系結(jié)構(gòu)體系結(jié)構(gòu) 9.3.1

29、 定義和特點(diǎn) 傳統(tǒng)儀器傳統(tǒng)儀器虛擬儀器的出現(xiàn)虛擬儀器的出現(xiàn)傳統(tǒng)儀器一個(gè)獨(dú)立的裝置，有一機(jī)箱，有操作面板，信號(hào)輸一個(gè)獨(dú)立的裝置，有一機(jī)箱，有操作面板，信號(hào)輸入輸出端，還有開關(guān)、旋鈕等。檢測(cè)結(jié)果輸出的入輸出端，還有開關(guān)、旋鈕等。檢測(cè)結(jié)果輸出的方式有指針式表頭、數(shù)字式和圖形等，可能還有方式有指針式表頭、數(shù)字式和圖形等，可能還有打印輸出。打印輸出。一般由以下三大功能塊組成：一般由以下三大功能塊組成：信號(hào)的采集和控制、信號(hào)的采集和控制、信號(hào)的分析與處理信號(hào)的分析與處理結(jié)果的表達(dá)與輸出。結(jié)果的表達(dá)與輸出。功能塊功能塊全部都是以硬件全部都是以硬件( (或固化的軟件或固化的軟件) )的形式存在。的形式存在。這

30、種框架式的結(jié)構(gòu)，決定了傳統(tǒng)的儀表只能由儀這種框架式的結(jié)構(gòu)，決定了傳統(tǒng)的儀表只能由儀器廠家來定義、制造，用戶無法改變的現(xiàn)實(shí)。器廠家來定義、制造，用戶無法改變的現(xiàn)實(shí)。虛擬儀器的出現(xiàn)計(jì)算機(jī)技術(shù)和儀器技術(shù)結(jié)合：計(jì)算機(jī)技術(shù)和儀器技術(shù)結(jié)合： 充分利用計(jì)算機(jī)豐富的軟硬件資源，可以較大突破傳統(tǒng)儀器充分利用計(jì)算機(jī)豐富的軟硬件資源，可以較大突破傳統(tǒng)儀器在數(shù)據(jù)處理、表達(dá)、傳遞、存儲(chǔ)等方面的限制，達(dá)到傳統(tǒng)在數(shù)據(jù)處理、表達(dá)、傳遞、存儲(chǔ)等方面的限制，達(dá)到傳統(tǒng)儀器無法比擬的效果。還可以把儀器的三大功能全部放在儀器無法比擬的效果。還可以把儀器的三大功能全部放在計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)。計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)。在計(jì)算機(jī)中插入數(shù)據(jù)采集卡，然后，用軟件

31、在屏幕上生成儀在計(jì)算機(jī)中插入數(shù)據(jù)采集卡，然后，用軟件在屏幕上生成儀器面板，用軟件來進(jìn)行信號(hào)處理分析，實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)儀器的功器面板，用軟件來進(jìn)行信號(hào)處理分析，實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)儀器的功能，這就是能，這就是虛擬儀器虛擬儀器。虛擬儀器 “軟件就是儀器”具有虛擬儀器面板的個(gè)人計(jì)算機(jī)儀器。具有虛擬儀器面板的個(gè)人計(jì)算機(jī)儀器。組成：組成：計(jì)算機(jī)、模塊化功能硬件和控制軟件。計(jì)算機(jī)、模塊化功能硬件和控制軟件。操作人員通過友好的圖形界面及圖形化編程語言控操作人員通過友好的圖形界面及圖形化編程語言控制儀器的運(yùn)行，完成對(duì)被測(cè)量的采集、分析、判斷、制儀器的運(yùn)行，完成對(duì)被測(cè)量的采集、分析、判斷、顯示、存儲(chǔ)及數(shù)據(jù)生成。顯示、存儲(chǔ)及數(shù)據(jù)生成

32、。 在虛擬儀器系統(tǒng)中，硬件僅僅是為了解決信號(hào)的在虛擬儀器系統(tǒng)中，硬件僅僅是為了解決信號(hào)的輸入輸出，軟件才是整個(gè)儀表的關(guān)鍵。操作者可以輸入輸出，軟件才是整個(gè)儀表的關(guān)鍵。操作者可以通過修改軟件的方法，方便地改變、增減儀器系統(tǒng)通過修改軟件的方法，方便地改變、增減儀器系統(tǒng)的功能與規(guī)模。的功能與規(guī)模。9.3.2 產(chǎn)生和分類電子測(cè)量儀器發(fā)展至今大體分為電子測(cè)量儀器發(fā)展至今大體分為4 4代：模擬儀器、數(shù)代：模擬儀器、數(shù)字化儀器、智能儀器和虛擬儀器。字化儀器、智能儀器和虛擬儀器。隨著微機(jī)的發(fā)展和采用總線方式的不同，虛擬儀器分隨著微機(jī)的發(fā)展和采用總線方式的不同，虛擬儀器分為為5 5種類型：種類型：PCPC總線總

33、線- -插卡式虛擬儀器插卡式虛擬儀器并行口式虛擬儀器并行口式虛擬儀器GPIBGPIB總線式虛擬儀器總線式虛擬儀器VXIVXI總線式虛擬儀器總線式虛擬儀器PXIPXI總線式虛擬儀器總線式虛擬儀器9.3.3 體系結(jié)構(gòu) 1.虛擬儀器的硬件系統(tǒng) 一個(gè)典型的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由四部分組成。一個(gè)典型的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由四部分組成。2. 虛擬儀器的軟件系統(tǒng) 虛擬儀器技術(shù)最核心的思想就是利用計(jì)算機(jī)的硬、虛擬儀器技術(shù)最核心的思想就是利用計(jì)算機(jī)的硬、軟件資源，使本來需要硬件實(shí)現(xiàn)的技術(shù)軟件化（虛擬軟件資源，使本來需要硬件實(shí)現(xiàn)的技術(shù)軟件化（虛擬化），從而最大限度地降低系統(tǒng)的成本，增強(qiáng)系統(tǒng)的化），從而最大限度地降低系統(tǒng)的成本，增

34、強(qiáng)系統(tǒng)的功能和靈活性。所以，軟件是虛擬儀器的關(guān)鍵。功能和靈活性。所以，軟件是虛擬儀器的關(guān)鍵。（1） 軟件開發(fā)平臺(tái) 軟件是虛擬儀器系統(tǒng)的關(guān)鍵。軟件是虛擬儀器系統(tǒng)的關(guān)鍵。 采用面向?qū)ο蟮木幊碳夹g(shù)可以提高軟件編程效率采用面向?qū)ο蟮木幊碳夹g(shù)可以提高軟件編程效率 可視編程語言環(huán)境可視編程語言環(huán)境Visual C, Visual BASIC Visual C, Visual BASIC NI NI公司推出公司推出LabVIEWLabVIEW 和和LabWindowsLabWindows/CVI ,/CVI , HP HP公司推出了公司推出了VEEVEE， TektronixTektronix公司推出了公司

35、推出了TekTMSTekTMS LabVIEW軟件開發(fā)平臺(tái) LabVIEWLabVIEW是一種基于是一種基于G G語言的圖形化開發(fā)語言，是一語言的圖形化開發(fā)語言，是一種面向儀器的圖形化編程環(huán)境，用來進(jìn)行數(shù)據(jù)采集種面向儀器的圖形化編程環(huán)境，用來進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和控制、數(shù)據(jù)分析和數(shù)據(jù)表達(dá)、測(cè)試和測(cè)量、實(shí)驗(yàn)和控制、數(shù)據(jù)分析和數(shù)據(jù)表達(dá)、測(cè)試和測(cè)量、實(shí)驗(yàn)室自動(dòng)化以及過程監(jiān)控。室自動(dòng)化以及過程監(jiān)控。目的：目的：簡(jiǎn)化程序的開發(fā)工作，以使用戶能快速、簡(jiǎn)簡(jiǎn)化程序的開發(fā)工作，以使用戶能快速、簡(jiǎn)便地完成自己的工作。便地完成自己的工作。使用使用LabVIEWLabVIEW開發(fā)平臺(tái)編制的程序稱為虛擬儀器程序，開發(fā)平臺(tái)編制的程序稱為虛擬儀器程序，簡(jiǎn)稱為簡(jiǎn)稱為VIVI。VIVI：程序前面板、框圖程序和圖標(biāo)程序前面板、框圖程序和圖標(biāo)/ /連接器。連接器。程序前面板用于設(shè)置輸入數(shù)值和觀察輸出量，用于模擬真實(shí)儀用于設(shè)置輸入數(shù)值和觀察輸出量，用于模擬真實(shí)儀表的前面板。表的前面板。在程序前面板上，輸入量被稱為在程序前面板上，輸入量被稱為控制控制，輸出量被稱，輸出量被稱為為顯示顯示。控制和顯示是以各種控制和顯示是以各種圖標(biāo)圖標(biāo)形式出現(xiàn)在前面板上，如形式出現(xiàn)在前面板上，如旋鈕、開關(guān)、按鈕、圖表、圖形等，這使得前面板旋鈕、開關(guān)、按鈕、圖表、圖形等，這使得前面板直觀易