傳感器與檢測(cè)技術(shù)第二版胡向東著第十四章 現(xiàn)代檢測(cè)技術(shù)

1、下頁(yè)返回第14章 現(xiàn)代檢測(cè)(jin c)技術(shù)14.1 抗干擾技術(shù)14.2 多傳感器信息融合(rngh)技術(shù)14.3 虛擬儀器14.4 軟測(cè)量技術(shù)本章要點(diǎn)共七十一頁(yè)一、概念 干擾是指影響測(cè)量裝置和儀表正常工作的各種外部和內(nèi)部的無(wú)用信號(hào)(xnho)。 分類：內(nèi)部干擾：正確設(shè)計(jì)，部件合理布局、選用外部(wib)干擾：采取抗干擾措施14.1.1 干擾與防護(hù)下頁(yè)上頁(yè)返回14.1 抗干擾技術(shù)共七十一頁(yè) 防護(hù)是指消除或減弱各種干擾影響(yngxing)的全部技術(shù)措施 的總稱。差模干擾 檢測(cè)系統(tǒng)的一個(gè)信號(hào)輸入端相對(duì)于另一個(gè)信號(hào)輸入端的電位發(fā)生變化，即干擾信號(hào)與有用信號(hào)串聯(lián)起來(lái)一起進(jìn)入輸入端。共模干擾 相對(duì)于公

2、共的電位基準(zhǔn)點(diǎn)（通常(tngchng)為接地點(diǎn)），在檢測(cè)系統(tǒng)的兩個(gè)輸入端同時(shí)出現(xiàn)干擾。共模干擾抑制比：下頁(yè)上頁(yè)返回共七十一頁(yè)下頁(yè)上頁(yè)返回二、干擾(gnro)的分類及防護(hù) 機(jī)械干擾 熱干擾 光干擾 濕度干擾 化學(xué)干擾 電磁干擾共七十一頁(yè)下頁(yè)上頁(yè)返回14.1.2 噪聲(zoshng)源與噪聲(zoshng)耦合方式一、噪聲與信噪比 1.噪聲 在檢測(cè)儀表中出現(xiàn)的不希望存在的變化無(wú)規(guī)律的無(wú)用信號(hào)(xnho)即為噪聲。干擾即為噪聲造成的不良效應(yīng)。 噪聲不能用確定的時(shí)間函數(shù)來(lái)描述，是隨機(jī)過(guò)程。 2.信噪比 信噪比用來(lái)衡量噪聲對(duì)有用信號(hào)的影響共七十一頁(yè)下頁(yè)上頁(yè)返回 二、噪聲源 即噪聲的來(lái)源，主要(zhyo)

3、包括放電噪聲、電氣設(shè)備噪聲及設(shè)備固有噪聲等。三、噪聲(zoshng)的耦合方式 1.噪聲形成干擾的三要素：噪聲源耦合通道接收電路圖14-1 噪聲形成干擾的三要素共七十一頁(yè)下頁(yè)上頁(yè)返回電磁(dinc)耦合（互感耦合） 由于兩個(gè)電路之間存在互感，使得當(dāng)一個(gè)電路的電流變化時(shí)，通過(guò)磁鏈影響到另一個(gè)電路。靜電耦合（電容耦合）2.耦合方式（獲得噪聲(zoshng)或干擾的途徑）圖14-2 電磁耦合 由于兩個(gè)電路之間存在著寄生電容，使一個(gè)電路的電荷變化影響到另一個(gè)電路。圖14-3 靜電耦合共七十一頁(yè) 共阻抗耦合 由于(yuy)幾個(gè)電路之間有公共阻抗，當(dāng)一個(gè)電路中的電流流經(jīng)公共阻抗產(chǎn)生壓降時(shí)，就形成對(duì)其它電路

4、的干擾電壓。 漏電耦合 由于絕緣不良，流經(jīng)絕緣電阻R的漏電流(dinli)造成干擾。電源內(nèi)阻抗的共阻抗耦合公共地線的共阻抗耦合信號(hào)輸出電路的共阻抗耦合圖14-4 漏電耦合下頁(yè)上頁(yè)返回共七十一頁(yè)下頁(yè)上頁(yè)返回 傳導(dǎo)(chundo)耦合 經(jīng)導(dǎo)線檢拾到噪聲(zoshng)，再經(jīng)其傳輸?shù)皆肼?zoshng)接收電路而形成干擾。 輻射電磁場(chǎng)耦合 大功率的高頻電氣設(shè)備、廣播、電視、通訊發(fā)射臺(tái)等，不斷向外發(fā)射電磁波，對(duì)測(cè)量系統(tǒng)造成干擾。共七十一頁(yè)下頁(yè)上頁(yè)返回14.1.3 常用(chn yn)抗干擾技術(shù)一、干擾的抑制(yzh) 消除或抑制噪聲源 破壞干擾途徑 削弱或降低接收電路對(duì)噪聲的敏感性 二、抗干擾措施 1

5、.屏蔽 利用金屬罩（銅、鋁等鐵磁材料）將信號(hào)源或測(cè)量電路包圍起來(lái)。共七十一頁(yè)下頁(yè)上頁(yè)返回 在靜電場(chǎng)作用下，導(dǎo)體內(nèi)部無(wú)電力線，即各點(diǎn)等電位。因此采用導(dǎo)電性能良好的金屬外屏蔽罩，并將它接地（靜電屏蔽罩必須與被屏蔽電路的零信號(hào)基準(zhǔn)電位相連），使其內(nèi)部的電力線不外傳，同時(shí)也不使外部的電力線影響其內(nèi)部， 靜電屏蔽能防止靜電場(chǎng)的影響，用它可以消除或削弱(xuru)兩電路之間由于寄生分布電容耦合而產(chǎn)生的干擾。屏蔽(pngb)的目的是隔斷場(chǎng)的耦合，抑制各種場(chǎng)的干擾。分類： 靜電屏蔽共七十一頁(yè) 電磁屏蔽 電磁屏蔽是采用導(dǎo)電良好的金屬材料做成屏蔽層，利用高頻干擾電磁場(chǎng)在屏蔽體內(nèi)產(chǎn)生渦流，再利用渦流消耗高頻干擾磁場(chǎng)

6、的能量，從而削弱高頻電磁場(chǎng)的影響(yngxing)。 若將電磁屏蔽層接地，則同時(shí)兼有靜電屏蔽的作用，即可同時(shí)起到電磁屏蔽和靜電屏蔽兩種作用。 低頻磁屏蔽 采用高導(dǎo)磁材料作屏蔽層，使低頻干擾磁通被限制在磁阻很小的磁屏蔽層內(nèi)部，防止其干擾。下頁(yè)上頁(yè)返回共七十一頁(yè) 驅(qū)動(dòng)(q dn)屏蔽圖14-5 驅(qū)動(dòng)(q dn)屏蔽 驅(qū)動(dòng)屏蔽就是使被屏蔽導(dǎo)體的電位與屏蔽導(dǎo)體的電位相等。它能有效抑制通過(guò)寄生電容的耦合干擾。下頁(yè)上頁(yè)返回共七十一頁(yè)下頁(yè)上頁(yè)返回2.接地(jid) 目的： 保證人身及設(shè)備安全 抑制干擾 消除各電路電流流經(jīng)公共(gnggng)地線時(shí)所產(chǎn)生的噪聲電壓以及免受電磁場(chǎng)和地電位差的影響，即：不使其形成

7、地環(huán)路。地線種類 屏蔽接地線或機(jī)殼接地線 信號(hào)接地線（模擬、數(shù)字接地線） 負(fù)載接地線 交流電源地線共七十一頁(yè)下頁(yè)上頁(yè)返回接地原則： 低頻電路（f1MHz）一點(diǎn)接地； 可有效克服地電位差的影響(yngxing)和公共地線的共阻抗引起的干擾。 圖14-6 單級(jí)電路的一點(diǎn)接地(jid) a)任意點(diǎn)接地 b)一點(diǎn)接地圖14-7 多級(jí)電路的一點(diǎn)接地 a)串聯(lián)接地 b)并聯(lián)接地共七十一頁(yè)下頁(yè)上頁(yè)返回 高頻電路（f10MHz）大面積就近多點(diǎn)接地； 強(qiáng)電(qin din)地線與信號(hào)地線分開(kāi)設(shè)置； 模擬信號(hào)地線與數(shù)字信號(hào)地線分開(kāi)設(shè)置； 交流地線與直流地線分開(kāi)設(shè)置；圖14-8 大面積多點(diǎn)接地(jid)共七十一頁(yè)接

8、地(jid)方式： 傳感器接口(ji ku)電路的接地下頁(yè)上頁(yè)返回共七十一頁(yè)下頁(yè)上頁(yè)返回 檢測(cè)裝置(zhungzh)與計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的一點(diǎn)接地圖14-9 三條(sn tio)地線與系統(tǒng)地線相聯(lián)共七十一頁(yè)下頁(yè)上頁(yè)返回3.浮空 浮空又稱浮置、浮接。如果檢測(cè)裝置的輸入放大器的公共線，既不接機(jī)殼也不接大地。則稱為浮空。被浮空的檢測(cè)系統(tǒng)，其檢測(cè)裝置與機(jī)殼、大地沒(méi)有任何導(dǎo)電性的直接聯(lián)系。 浮空的目的是要阻斷干擾電流的通路。浮空后，檢測(cè)電路的公共線與大地(或機(jī)殼)之間的阻抗(zkng)很大，因此，浮空與接地相比能更強(qiáng)地抑制共模干擾電流。共七十一頁(yè)下頁(yè)上頁(yè)返回4.隔離(gl) 當(dāng)檢測(cè)裝置的信號(hào)測(cè)量電路及信號(hào)源在兩

9、端接地時(shí)，很容易形成環(huán)路電流(dinli)，引起干擾。這時(shí)就需要采用隔離的方法。特別當(dāng)測(cè)量系統(tǒng)含有模擬與數(shù)字信號(hào)、低壓與高壓混合電路時(shí)，必須對(duì)電路各環(huán)節(jié)進(jìn)行隔離。這樣還可以同時(shí)起到抑制漂移和安全保護(hù)的作用。 隔離的方法主要是采用變壓器隔離和光電耦合器。共七十一頁(yè)下頁(yè)上頁(yè)返回圖14-14 光電隔離(gl)圖14-15 變壓器隔離(gl)圖14-16 微機(jī)的電源隔離共七十一頁(yè)下頁(yè)上頁(yè)返回 指雙線電路中的兩根導(dǎo)線與連接到這兩根導(dǎo)線的所有電路，對(duì)地或?qū)ζ渌麑?dǎo)線的結(jié)構(gòu)對(duì)稱，且對(duì)應(yīng)的阻抗相等。（如電橋電路） 此結(jié)構(gòu)可使電路所檢拾的噪聲相等，從而(cng r)使負(fù)載上的噪聲電壓互相抵消，抑制了干擾。5.對(duì)稱

10、(duchn)電路（平衡電路）共七十一頁(yè)下頁(yè)上頁(yè)返回6.濾波(lb) 濾波器是一種允許某一頻帶(pndi)信號(hào)通過(guò)，而阻止 另某些頻帶通過(guò)的網(wǎng)絡(luò)，是抑制干擾的有效的手段 之一，特別是對(duì)抑制經(jīng)導(dǎo)線耦合到電路中的噪聲干 擾效果尤其顯著。 硬件濾波 軟件濾波 算術(shù)平均值濾波 限幅濾波 滑動(dòng)濾波 加權(quán)濾波 共七十一頁(yè)下頁(yè)上頁(yè)返回圖14-17 高頻(o pn)干擾電壓對(duì)稱濾波器圖14-18 低頻(dpn)干擾電壓濾波器共七十一頁(yè)下頁(yè)上頁(yè)返回圖14-20 電源(dinyun)退耦濾波器圖14-19 高、低頻干擾(gnro)電壓濾波器共七十一頁(yè)下頁(yè)上頁(yè)返回7.采用合適(hsh)的連接電纜線 連接電纜線盡量短

11、； 雙絞線具有較強(qiáng)的防護(hù)能力，可使干擾電壓(diny)大為 降低； 間距小，對(duì)屏蔽網(wǎng)的分布電容及阻抗基本相同； 電磁感應(yīng)電流方向相反，互相抵消；圖14-21 不同導(dǎo)線的電磁感應(yīng) a)平行線 b)雙絞線共七十一頁(yè)三、印刷(ynshu)電路板的抗干擾盡量采用插接式結(jié)構(gòu)，且留有余地；交直流分開(kāi)，強(qiáng)弱電分開(kāi)，輸入/輸出分開(kāi)；集成器件電源和地線之間接入0.010.1uf陶瓷或 獨(dú)石電容，且電容引線要短；電路之間連線應(yīng)盡量短，避免長(zhǎng)距離敷設(shè)；電源線、地線應(yīng)加粗或大面積輻射；跨接線(ji xin)不能過(guò)多；采用雙面線路板，正反面垂直交叉，避免直角走線。下頁(yè)上頁(yè)返回共七十一頁(yè)14.2 多傳感器數(shù)據(jù)(shj)融

12、合技術(shù) 一、概念 傳感器數(shù)據(jù)融合（Sensor Data Fusion）又稱信息融合，它是對(duì)多種信息的獲取、表示及其內(nèi)在聯(lián)系進(jìn)行綜合處理和優(yōu)化的技術(shù)。傳感器數(shù)據(jù)融合技術(shù)從多信息的視角進(jìn)行分析及綜合，以產(chǎn)生對(duì)被測(cè)對(duì)象統(tǒng)一的最佳估計(jì)。 多傳感器數(shù)據(jù)融合的目的(md)是利用多個(gè)傳感器或聯(lián)合操作的優(yōu)勢(shì)，提高傳感器系統(tǒng)的有效性，消除少量傳感器的局限性。最終目的(md)是構(gòu)造高性能智能化系統(tǒng)。下頁(yè)上頁(yè)返回共七十一頁(yè)下頁(yè)上頁(yè)返回二、意義(yy)及應(yīng)用 單一傳感器只能獲得環(huán)境或被測(cè)對(duì)象的部分信息段，而多傳感器信息經(jīng)過(guò)融合后能夠完善地、準(zhǔn)確地反映環(huán)境的特征。經(jīng)過(guò)融合后的傳感器信息具有以下特征：信息冗余性、信息互

13、補(bǔ)性、信息實(shí)時(shí)性、信息獲取的低成本性。 傳感器數(shù)據(jù)融合技術(shù)(jsh)的理論和應(yīng)用涉及到信息電子學(xué)、計(jì)算機(jī)和自動(dòng)化學(xué)多個(gè)學(xué)科，是一門應(yīng)用廣泛的綜合性高新技術(shù)(jsh)，在軍事、工業(yè)、交通、金融等眾多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。 共七十一頁(yè)三、數(shù)據(jù)(shj)融合的特性 1.數(shù)據(jù)融合的時(shí)、空特性 時(shí)間性：對(duì)觀測(cè)目標(biāo)在不同時(shí)間的觀測(cè)值進(jìn)行融合空間性：對(duì)同一時(shí)刻不同空間位置的多傳感器觀測(cè)進(jìn)行融合時(shí)間、空間同時(shí)考慮(kol) 2.數(shù)據(jù)融合的系統(tǒng)性 強(qiáng)調(diào)系統(tǒng)、整體協(xié)調(diào) 下頁(yè)上頁(yè)返回共七十一頁(yè)四、數(shù)據(jù)(shj)融合的優(yōu)點(diǎn) 準(zhǔn)確性和全面性冗余(rn y)性和容錯(cuò)性互補(bǔ)性可靠性實(shí)時(shí)性和經(jīng)濟(jì)性 下頁(yè)上頁(yè)返回共七十一頁(yè)五、數(shù)據(jù)

14、(shj)融合的層次 1.原始層（數(shù)據(jù)層） 底層融合，對(duì)原始數(shù)據(jù)很少處理(chl)，直接綜合。處理量大、實(shí)時(shí)性差，對(duì)信息配準(zhǔn)性要求高。2.特征層 從原始信息中提取典型特征信息。主要方法：神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊聚類方法等。3.決策層 最高層次。對(duì)原始信息進(jìn)行預(yù)處理，獲得初步的決策結(jié)果后進(jìn)行融合。具有較好的容錯(cuò)性，數(shù)據(jù)處理量較大。下頁(yè)上頁(yè)返回共七十一頁(yè)六、數(shù)據(jù)(shj)融合模型下頁(yè)上頁(yè)返回共七十一頁(yè)七、數(shù)據(jù)(shj)融合結(jié)構(gòu)形式 下頁(yè)上頁(yè)返回共七十一頁(yè)八、數(shù)據(jù)(shj)融合關(guān)鍵技術(shù)1.數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換(zhunhun) 不同層次、時(shí)間、空間信息坐標(biāo)變換 2.數(shù)據(jù)相關(guān) 將信息歸為不同集合，保證數(shù)據(jù)的一致性3.態(tài)勢(shì)數(shù)

15、據(jù)庫(kù) 分為實(shí)時(shí)和非實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)。提供各種數(shù)據(jù)及分析結(jié)果、中間結(jié)果及歷史信息。4.融合計(jì)算 進(jìn)行分析、綜合態(tài)勢(shì)決策 下頁(yè)上頁(yè)返回共七十一頁(yè)九、數(shù)據(jù)(shj)融合方法1.隨機(jī)方法加權(quán)平均法Bayes概率推理法 用測(cè)量值的概率描述和先驗(yàn)知識(shí)計(jì)算備選假設(shè)的概率，并不斷更新，確定被測(cè)對(duì)象的最佳估計(jì)。 Dempster-Shafer證據(jù)推理 利用(lyng)鑒別框架，將不同的證據(jù)體（信息源）合并成一個(gè)新的證據(jù)體 卡爾曼濾波 利用統(tǒng)計(jì)特征遞推最優(yōu)估計(jì)產(chǎn)生式規(guī)則下頁(yè)上頁(yè)返回共七十一頁(yè)模糊邏輯推理 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法 智能(zh nn)融合方法 2.人工智能(rn n zh nn)方法下頁(yè)上頁(yè)返回共七十一頁(yè)下頁(yè)上頁(yè)返回

16、十、應(yīng)用(yngyng)實(shí)例1. 在機(jī)器人中的應(yīng)用(yngyng)自主移動(dòng)裝配機(jī)器人共七十一頁(yè)下頁(yè)上頁(yè)返回2.艦船(jin chun)上的應(yīng)用 海軍艦船傳感器數(shù)據(jù)融合(rngh)系統(tǒng)共七十一頁(yè)3.軍事(jnsh)上的應(yīng)用 軍事多傳感器數(shù)據(jù)(shj)融合系統(tǒng)下頁(yè)上頁(yè)返回共七十一頁(yè)下頁(yè)上頁(yè)返回14.3 虛擬儀器14.3.1 虛擬儀器的出現(xiàn)(chxin) 虛擬儀器(Virtual Instruments) 是檢測(cè)技術(shù)與計(jì)算機(jī)技術(shù)和通信技術(shù)有機(jī)結(jié)合的產(chǎn)物。它是美國(guó)國(guó)家儀器( National Instruments) 公司于1986 年提出的。虛擬儀器是指在通用計(jì)算機(jī)上添加(tin ji)一層軟件和一

17、些硬件模塊, 使用戶操作這臺(tái)通用計(jì)算機(jī)就像操作一臺(tái)真實(shí)的儀器一樣。虛擬儀器技術(shù)強(qiáng)調(diào)軟件的作用, 提出了“軟件就是儀器”的概念。共七十一頁(yè) 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)儀器無(wú)法比擬的效果(xiogu)。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)。 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(lái)進(jìn)行信號(hào)處理分析，實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)儀器的功能，這就是虛擬儀器。 計(jì)算機(jī)技術(shù)和儀器(yq)技術(shù)結(jié)合： 下頁(yè)上頁(yè)返回共七十一頁(yè)虛擬儀器 “軟件就是(jish)儀器” 具有虛擬儀器面板的個(gè)人計(jì)算機(jī)儀器。 組成：計(jì)算機(jī)、模塊化功

18、能硬件和控制軟件。 操作人員通過(guò)友好的圖形界面及圖形化編程語(yǔ)言控制儀器的運(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。 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)(zhngg)儀表的關(guān)鍵。操作者可以通過(guò)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。下頁(yè)上頁(yè)返回共七十一頁(yè) 虛擬儀器是在計(jì)算機(jī)上顯示傳統(tǒng)儀器面板，它將硬件電路完成的信號(hào)調(diào)理(tio l)和處理功能由計(jì)算14.3.2 虛擬儀器定義(dngy)機(jī)程序完成，這種硬件功能軟件化是虛擬儀器的一大特征。下頁(yè)上頁(yè)返回共七十一頁(yè) 虛擬儀器是一種以計(jì)算機(jī)和測(cè)試模塊的硬件為基礎(chǔ)、以計(jì)算機(jī)軟件(run jin)

19、為核心所構(gòu)成的，并且在計(jì)算機(jī)顯示屏幕上虛擬的儀器面板，以及由計(jì)算機(jī)所完成的儀器功能，都可由用戶軟件來(lái)定義的計(jì)算機(jī)儀器。定義(dngy)：下頁(yè)上頁(yè)返回虛擬儀器基于“軟件就是儀器”的設(shè)計(jì)理念，具有數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析處理、結(jié)果輸出顯示三大基本功能，而數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)自動(dòng)采集是其最基本功能。共七十一頁(yè) 虛擬儀器是利用PC機(jī)的顯示功能模擬真實(shí)儀器的控制面板, 以多種形式表達(dá)輸出檢測(cè)結(jié)果, 利用PC軟件功能實(shí)現(xiàn)(shxin)信號(hào)的運(yùn)算、分析、處理，由I/O接口設(shè)備完成信號(hào)的采集、測(cè)量與調(diào)理，從而完成各種測(cè)試功能的一種計(jì)算機(jī)儀器系統(tǒng)。 “虛擬”二字主要包含兩個(gè)方面的含義。 1 虛擬儀器的面板是虛擬的 2 虛擬儀器

20、測(cè)量功能是由軟件編程來(lái)實(shí)現(xiàn)的下頁(yè)上頁(yè)返回共七十一頁(yè) 基于虛擬儀器的溫度(wnd)檢測(cè)與控制虛擬(xn)數(shù)字電壓表共七十一頁(yè)下頁(yè)上頁(yè)返回共七十一頁(yè)下頁(yè)上頁(yè)返回共七十一頁(yè)下頁(yè)上頁(yè)返回共七十一頁(yè)下頁(yè)上頁(yè)返回共七十一頁(yè)下頁(yè)上頁(yè)返回共七十一頁(yè)虛擬(xn)數(shù)字示波器的軟面板下頁(yè)上頁(yè)返回共七十一頁(yè)14.3.3 虛擬儀器的特點(diǎn)(tdin)1）融合計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的硬件資源，突破了傳統(tǒng)儀器在數(shù)據(jù)處理、顯示、存儲(chǔ)等方面(fngmin)的限制，大大增強(qiáng)了傳統(tǒng)儀器的功能。2）利用了計(jì)算機(jī)豐富的軟件資源，實(shí)現(xiàn)了部分儀器硬件的軟件化，增加了系統(tǒng)靈活性。3）基于計(jì)算機(jī)總線和模塊化儀器總線。4）基于計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和接口技術(shù)，具有方

21、便、靈活的互聯(lián)能力，廣泛支持各種工業(yè)總線標(biāo)準(zhǔn)。5）基于計(jì)算機(jī)的開(kāi)放式標(biāo)準(zhǔn)體系結(jié)構(gòu)。下頁(yè)上頁(yè)返回共七十一頁(yè)比較內(nèi)容虛擬儀器 傳統(tǒng)儀器系統(tǒng)構(gòu)成軟件和通用硬件。軟件是關(guān)鍵 專用硬件系統(tǒng)開(kāi)發(fā)周期開(kāi)發(fā)時(shí)間短、技術(shù)要求低、系統(tǒng)通用性強(qiáng)開(kāi)發(fā)時(shí)間長(zhǎng)、技術(shù)要求高、系統(tǒng)功能較專一開(kāi)發(fā)費(fèi)用軟件使得開(kāi)發(fā)和維護(hù)費(fèi)用降至最低開(kāi)發(fā)與維修開(kāi)銷高技術(shù)更新周期短（1-2年）長(zhǎng)（5-10年）價(jià)格價(jià)格低、可復(fù)用與可重配置性強(qiáng)價(jià)格昂貴功能可塑性用戶定義儀器功能，柔性廠商定義儀器功能，剛性系統(tǒng)開(kāi)放性開(kāi)放、靈活，與計(jì)算機(jī)技術(shù)同步發(fā)展封閉、固定構(gòu)成復(fù)雜系統(tǒng)能力易與網(wǎng)絡(luò)及其他周邊設(shè)備互連功能單一的獨(dú)立設(shè)備人機(jī)交互無(wú)限的顯示選項(xiàng)、界面友好有限的

22、顯示選項(xiàng)虛擬儀器(yq)與傳統(tǒng)儀器(yq)的比較下頁(yè)上頁(yè)返回共七十一頁(yè)14.3.4 虛擬儀器的發(fā)展(fzhn)下頁(yè)上頁(yè)返回計(jì)算機(jī)技術(shù)、軟件技術(shù)、總線技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、微電子技術(shù)的發(fā)展，及其在電子測(cè)量技術(shù)與儀器(yq)領(lǐng)域中的應(yīng)用，使新測(cè)試?yán)碚?、測(cè)試方法、測(cè)試技術(shù)不斷出現(xiàn)，儀器(yq)與系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)不斷推陳出新，性能不斷提高。計(jì)算機(jī)（PC機(jī)）處于核心地位，計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)和儀器與測(cè)試系統(tǒng)更緊密結(jié)合成了一個(gè)有機(jī)整體。在上述的背景下，提出了全新概念的儀器虛擬儀器。1986年，美國(guó)國(guó)家儀器公司（NI, National Instrument）提出了虛擬儀器（Virtual Instrumentation）的

23、概念。共七十一頁(yè)下頁(yè)上頁(yè)返回1990年代，虛擬儀器得到業(yè)界廣泛認(rèn)可和應(yīng)用，相繼推出了基于(jy)GPIB總線、PC-DAQ和VXI總線、PXI總線等多種虛擬儀器系統(tǒng)。虛擬儀器軟件采用面向?qū)ο蠛涂梢暬幊碳夹g(shù)。底層驅(qū)動(dòng)和上層應(yīng)用軟件融為一體。虛擬儀器軟件的標(biāo)準(zhǔn)化： VPP（VXI即插即用，VXIplug&play，1993年） 和VISA（Virtual Instrument Software Architecture, 虛擬儀器軟件體系結(jié)構(gòu)）。 IVI（Interchangeable Virtual Instruments，可互換式虛擬儀器，1997年）。共七十一頁(yè)下頁(yè)上頁(yè)返回虛擬儀器技術(shù)的發(fā)

24、展(fzhn)與展望（1）新的總線技術(shù)的應(yīng)用（如HS488，1394b等）。（2）速度不斷提高。（3）智能化、模塊化、集成化是硬件發(fā)展的主流。（4）軟件技術(shù)。第一是軟件標(biāo)準(zhǔn)化問(wèn)題；第二是如何利用各種軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境及工具，編制出符合標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用軟件。（5）網(wǎng)絡(luò)化儀器系統(tǒng)。（6）應(yīng)用范圍更加廣泛。共七十一頁(yè) 14.4.1 概述(i sh)在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，存在著許多因?yàn)榧夹g(shù)或經(jīng)濟(jì)原因無(wú)法通過(guò)傳感器進(jìn)行直接測(cè)量的過(guò)程變量，如精餾塔的產(chǎn)品組分濃度、生物發(fā)酵罐的菌體濃度、高爐鐵水中的含硅量和化學(xué)反應(yīng)器中反應(yīng)物濃度、轉(zhuǎn)化率、催化劑活性等傳統(tǒng)的解決方法有兩種：采用間接的質(zhì)量指標(biāo)控制，難以保證最終質(zhì)量指標(biāo)的控制精

25、度；采用在線分析儀表控制，但設(shè)備投資(tu z)大、維護(hù)成本高、存在較大的滯后性，影響調(diào)節(jié)效果。14.4 軟測(cè)量技術(shù)下頁(yè)上頁(yè)返回共七十一頁(yè)軟測(cè)量(cling)（soft-sensing）概念就是選擇與被估計(jì)變量相關(guān)的一組可測(cè)變量，構(gòu)造某種以可測(cè)變量為輸入、被估計(jì)變量為輸出的數(shù)學(xué)模型，通過(guò)計(jì)算機(jī)軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)無(wú)法直接測(cè)量的重要過(guò)程變量的估計(jì)； 軟測(cè)量的基本思想是把自動(dòng)控制理論與生產(chǎn)工藝過(guò)程知識(shí)有機(jī)結(jié)合起來(lái)，應(yīng)用計(jì)算機(jī)技術(shù)，對(duì)于一些難于測(cè)量或暫時(shí)不能測(cè)量的重要變量（主導(dǎo)變量），選擇另外一些容易測(cè)量的變量（輔助變量），通過(guò)構(gòu)成某種數(shù)學(xué)關(guān)系來(lái)推斷和估計(jì)，以軟件來(lái)代替硬件功能；軟測(cè)量是一種利用較易在線測(cè)量的

26、輔助變量和離線分析(fnx)信息去估計(jì)不可測(cè)或難測(cè)變量的方法；以成熟的傳感器檢測(cè)為基礎(chǔ)，以計(jì)算機(jī)技術(shù)為核心，通過(guò)軟測(cè)量模型運(yùn)算處理而完成。 下頁(yè)上頁(yè)返回共七十一頁(yè) 14.4.2 軟測(cè)量(cling)的方法 選擇輔助變量輔助變量的選擇一般取決于工藝機(jī)理分析 輔助變量的選擇包括變量的類型、變量的數(shù)目和檢測(cè)點(diǎn)位置的選擇三個(gè)方面，它們相互關(guān)聯(lián)，并由過(guò)程特性(txng)所決定 下頁(yè)上頁(yè)返回共七十一頁(yè)變量類型(lixng)選擇 過(guò)程適用性 靈敏性 準(zhǔn)確性 魯棒性 變量數(shù)目(shm)選擇 輔助變量個(gè)數(shù)的最小值為被估計(jì)主導(dǎo)變量的個(gè)數(shù)。 檢測(cè)點(diǎn)位置選擇 下頁(yè)上頁(yè)返回共七十一頁(yè) 處理輸入(shr)數(shù)據(jù)軟測(cè)量的輸入

27、(shr)數(shù)據(jù)處理包括換算和數(shù)據(jù)誤差處理兩個(gè)方面 換算：實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù)可能有不同的工程單位，需通過(guò)引入因子或加權(quán)系數(shù)等方法進(jìn)行數(shù)據(jù)變換。其直接影響過(guò)程模型的精度和非線性映射能力，還影響著數(shù)值優(yōu)化算法的運(yùn)行效果。測(cè)量數(shù)據(jù)的換算包括標(biāo)度、轉(zhuǎn)換和權(quán)函數(shù)三個(gè)方面 數(shù)據(jù)誤差處理主要針對(duì)隨機(jī)誤差和粗大誤差 下頁(yè)上頁(yè)返回共七十一頁(yè) 建立(jinl)軟測(cè)量模型軟測(cè)量模型是在深入理解過(guò)程(guchng)機(jī)理基礎(chǔ)上，建立的適用于估計(jì)的模型，這是軟測(cè)量的核心軟測(cè)量模型不同于一般意義下的數(shù)學(xué)模型，強(qiáng)調(diào)的是通過(guò)輔助變量來(lái)獲得對(duì)主導(dǎo)變量的最佳估計(jì)機(jī)理建模、統(tǒng)計(jì)回歸建模和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建模等 下頁(yè)上頁(yè)返回共七十一頁(yè)軟測(cè)量(cl

28、ing)模型下頁(yè)上頁(yè)返回共七十一頁(yè) 軟測(cè)量模型的在線(zi xin)校正由于過(guò)程的時(shí)變性，不可避免地要產(chǎn)生一定的偏差，造成軟測(cè)量模型的估計(jì)偏差。必須對(duì)建立的軟測(cè)量模型進(jìn)行在線校正，以使其適應(yīng)過(guò)程操作特性的變化和生產(chǎn)工況的變遷。包括模型的參數(shù)修正和結(jié)構(gòu)修正。軟測(cè)量模型的在線校正必須注意過(guò)程測(cè)量數(shù)據(jù)與實(shí)驗(yàn)室人工(rngng)分析數(shù)據(jù)在時(shí)序上的匹配，通過(guò)在線校正并不斷與目標(biāo)控制結(jié)果相比較，力爭(zhēng)達(dá)到理想的控制效果。定時(shí)校正 滿足一定條件的校正 下頁(yè)上頁(yè)返回共七十一頁(yè)14.4.3 軟測(cè)量(cling)的意義能夠測(cè)量目前由于技術(shù)或經(jīng)濟(jì)的原因無(wú)法或難以用傳感器直接檢測(cè)的重要的過(guò)程參數(shù)；打破了傳統(tǒng)單輸入、單輸出的儀表