傳感器與自動(dòng)檢測技術(shù)：第7章測量信號的調(diào)理及處理

第7章測量信號的調(diào)理及處理

7.1信號調(diào)理電路7.2多傳感器信息融合7.1信號調(diào)理電路信號調(diào)理電路是測量系統(tǒng)的組成部分，它的輸入是傳感器的輸出電信號，輸出為適合傳輸、顯示、記錄或者能更好地滿足后續(xù)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備或裝置要求的信號。

信號調(diào)理電路通常具有放大、電平移動(dòng)、阻抗匹配、濾波、調(diào)制、解調(diào)等功能。圖7.1所示為數(shù)據(jù)域表示信息的量的名稱。傳感器輸出信號通常可以分為模擬量和數(shù)字量兩類。圖7.2和圖7.3所示分別給出了傳感器輸出為模擬量和數(shù)字量的信號調(diào)理過程示意圖。圖7.2傳感器輸出為模擬量的信號調(diào)理過程示意圖圖7.3傳感器輸出為數(shù)字量的信號調(diào)理過程示意圖測試系統(tǒng)的第二個(gè)環(huán)節(jié)為信號的調(diào)理，圖7.4所示為測試系統(tǒng)的信號傳輸過程。

圖7.4測試系統(tǒng)的信號傳輸過程7.1.1信號放大電路信號放大電路是指用來放大傳感器輸出的微弱電壓、電流或電荷信號的放大電路。（1）測量放大器

1）基本測量放大器圖7.5為測量放大器的結(jié)構(gòu)示意圖。

2）三運(yùn)放測量放大器圖7.6所示為三個(gè)運(yùn)算放大器構(gòu)成的測量放大器。它是由二級放大器串聯(lián)組成，前級是兩個(gè)對稱同相放大器，后級是差動(dòng)放大器輸出電壓為

由此可見，此電路放大差模信號，抑制共模信號。差模放大倍數(shù)數(shù)值越大，共模抑制比越高，而且當(dāng)輸入信號中含有共模噪聲時(shí)，也將被抑制。

3）實(shí)用測量放大器在實(shí)際應(yīng)用要求較高的場合下，常采用集成測量放大器。AD521就是美國AnalogDevices公司的集成測量放大器，其管腳說明和基本應(yīng)用電路如圖7.7所示。其實(shí)際放大倍數(shù)為值得提醒是：在使用AD521或其他測量放大器時(shí)，特別注意為偏置電流提供回路。為此，輸入端“1”或“3”必須與電源地線相連?？芍苯酉噙B或通過電阻相連（如圖7.8所示）。（2）程控增益放大器程控增益放大器是指放大電路的增益通過數(shù)字邏輯電路由程序來控制，簡記為PGA（programmablegainamplifier），也稱為可編程增益放大電路。其主要作用是：在多通道或多參數(shù)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)時(shí)，共用一個(gè)測量放大器，根據(jù)各個(gè)輸入信號電平的大小，改變測量放大器的增益，使各輸入通道均有最合適的放大增益，各通道或各參數(shù)的信號經(jīng)放大器后達(dá)到A/D變換器輸入所要求的標(biāo)準(zhǔn)值。圖7.9所示為程控增益放大器的原理圖

圖7.10所示為單片集成程控增益放大器LH0084的原理圖。它是由可變增益輸入級、輸出級、譯碼器和開關(guān)驅(qū)動(dòng)器以及電阻網(wǎng)等組成。它是由測量放大器構(gòu)成，是一種通用性很強(qiáng)的放大器，不僅增益可由程序控制，而且具有輸入阻抗高、失調(diào)電壓小、共模抑制比高、速度快、增益準(zhǔn)確度高、非線性小等優(yōu)點(diǎn)。（3）隔離放大器在工業(yè)檢測控制系統(tǒng)中，被測信號中往往包含高共模電壓和干擾。為此，采用隔離放大器，其目的在于使共模電壓和干擾信號隔離，同時(shí)又放大有用信號。圖7.12所示為隔離放大器示意圖。它主要由輸入部分、輸出部分、信號耦合器和隔離電源組成。圖7.13所示為AD204變壓器耦合隔離放大器結(jié)構(gòu)圖。

圖7.14所示為ISO100光電耦合隔離放大器結(jié)構(gòu)圖。

圖7.15所示為ISO100光電耦合隔離在實(shí)際應(yīng)用中的基本接線圖。

7.1.2信號濾波電路濾波是測量系統(tǒng)排除干擾、抑制噪聲常用的方法。濾波技術(shù)分為硬件濾波和軟件濾波。其中，硬件濾波是利用電路組成濾波器對傳感器信號進(jìn)行處理，抑制不需要的頻率成分信號；軟件濾波是通過計(jì)算機(jī)程序，采用某些算法對傳感器信號進(jìn)行處理。硬件濾波器是一種選頻電路，它的功能是讓指定頻段的信號以固定增益通過，而將其余頻段的信號加以抑制或使其極大地衰減。它在測控系統(tǒng)中的作用：一方面是濾除噪聲，另一方面是分離各種不同的信號。依據(jù)不同的方法，濾波器有多種不同類型。根據(jù)濾波器處理信號的頻帶，濾波器可分為低通濾波器、高通濾波器、帶通濾波器、帶阻濾波器及全通濾波器等五種；根據(jù)處理信號的性質(zhì)不同可分為模擬濾波器和數(shù)字濾波器兩種；根據(jù)濾波器以何種方法逼近理想濾波器可分為巴特沃斯濾波器、切比雪夫?yàn)V波器和貝塞爾濾波器等（1）二階RC有源濾波器的幾種電路形式1）壓控電壓源型濾波電路圖7.16所示為壓控電壓源型二階濾波電路的基本結(jié)構(gòu)圖，該電路的傳遞函數(shù)為當(dāng)選擇電阻和電容元件，電路即可構(gòu)成低通濾波器、高通濾波器和帶通濾波器等濾波電路。低通濾波器在圖7.16中取與為電阻，和為電容，可構(gòu)成低通濾波器（如圖7.17（a）所示），不同值二階低通濾波器的幅頻特性和相頻特性分別如圖7.17（b）（c）所示。高通濾波器在圖7.16中取與為電容，和為電阻，可構(gòu)成高通濾波器（如圖7.18（a）所示），不同值二階高通濾波器的幅頻特性和相頻特性如圖7.18（b）（c）所示。帶通濾波器在圖7.16中取與為電容，、和為電阻，可構(gòu)成帶通濾波器（如圖7.19（a）所示），其品質(zhì)因數(shù)表示為為帶寬不同值二階帶通濾波器的幅頻特性和相頻特性如圖7.19（b）（c）所示。帶阻濾波電路圖7.20是基于RC雙T網(wǎng)絡(luò)的二階帶阻濾波電路。為滿足帶阻濾波傳遞函數(shù)的要求，必須有或?qū)嶋H只需取即可。其品質(zhì)因數(shù)表示為為帶寬不同值二階帶阻濾波器的幅頻特性和相頻特性如圖7.21（a）（b）所示。2）無限增益多路反饋型濾波電路圖7.19所示為無限增益多路反饋型濾波電路的基本結(jié)構(gòu)圖，該電路的傳遞函數(shù)為當(dāng)選擇不同的元件時(shí)，電路即可構(gòu)成低通濾波器、高通濾波器和帶通濾波器等濾波電路。低通濾波器在圖7.22中取和為電容，其余為電阻，即可構(gòu)成低通濾波器（如圖7.23（a）所示）。高通濾波器在圖7.22中取和為電阻，其余為電容，即可構(gòu)成高通濾波器（如圖7-23（b）所示）帶通濾波器在圖7.22中取與為電容，、和為電阻，可構(gòu)成帶通濾波器（如圖7.23（c）所示）。3）雙二階環(huán)濾波電路圖7.24所示為雙二階環(huán)濾波電路的基本結(jié)構(gòu)圖，它是利用兩個(gè)以上由加法器、積分放大器等組成的運(yùn)算放大電路，根據(jù)所要求的傳遞函數(shù)，引入適當(dāng)?shù)姆答仒?gòu)成的濾波電路。其突出特點(diǎn)是靈敏度低、特性穩(wěn)定、可實(shí)現(xiàn)多種濾波。該電路的傳遞函數(shù)為當(dāng)選擇適當(dāng)?shù)腞、C元件時(shí)，電路即可構(gòu)成雙二階環(huán)低通濾波器、高通濾波器、帶通濾波器和帶阻濾波器等濾波電路。低通濾波器在圖7.24中取和為電容，（即對應(yīng)位置開路），其余為電阻，即可構(gòu)成雙二階環(huán)低通濾波器（如圖7.25（a）所示）。高通濾波器在圖7.24中取和為電容，（即對應(yīng)位置開路），其余為電阻，即可構(gòu)成雙二階環(huán)高通濾波器（如圖7.25（b）所示）。帶通濾波器在圖7.24中取與為電容，（即對應(yīng)位置開路），其余為電阻，可構(gòu)成雙二階環(huán)帶通濾波器（如圖7.25（c）所示）。帶阻濾波器在圖7.24中取與為電容，其余為電阻（如圖7.25（d）所示）。（2）集成有源濾波器集成有源濾波器是由MOS開關(guān)、MOS電容器和運(yùn)算放大器組成的一種集成電路，以開關(guān)電容代替RC濾波器中的電阻R，通過改變開關(guān)電容的切換頻率可方便地改變電路的等效電阻。1）開關(guān)電容濾波器原理其基本原理是電路兩節(jié)點(diǎn)間接有帶高速開關(guān)的電容器，其效果相當(dāng)于兩個(gè)節(jié)點(diǎn)間連接一個(gè)電阻（如圖7.26）。2）電路轉(zhuǎn)換示例同相開關(guān)電容式積分放大器和反相開關(guān)電容式積分放大器電路如圖7.27所示。雙二階環(huán)RC有源濾波器轉(zhuǎn)換為開關(guān)電容式濾波器電路圖7.28所示3）單片集成開關(guān)電容式濾波器圖7.29所示為單片集成五階低通濾波器MAX280芯片的引用腳圖和內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖。

圖7.30是單5V電源五階低通濾波器的原理圖。

圖7.31是七階100Hz低通濾波器的電路原理圖。

7.1.3信號轉(zhuǎn)換電路（1）采樣/保持器(S/H)1）工作原理圖7.32所示為采樣／保持器(Sample／Hold)的原理圖。其中A1及A2為理想的同相跟隨器，其輸入阻抗及輸出阻抗均分別趨于無窮大及零?？刂菩盘栐诓蓸訒r(shí)使開關(guān)S閉合。

采樣定理（Shannonsamplingtheorm）指出：當(dāng)采樣頻率大于信號最高次諧波頻率的兩倍時(shí),就可用時(shí)間離散的采樣點(diǎn)恢復(fù)原來的連續(xù)信號。所以采樣/保持器是以“快采慢測”的方法，實(shí)現(xiàn)了對快速變化信號進(jìn)行測量的有效措施。2）特性及主要性能參數(shù)①捕捉時(shí)間TAC(AcquisitionTime)

②孔徑時(shí)間TAP(ApertureTime)③孔徑抖動(dòng)TAJ(ApertureJitter)④保持建立時(shí)間THS(HoldModeSettlingTime)⑤衰減率(DroopRate)⑥傳導(dǎo)誤差(Feedthrough)3）多路模擬開關(guān)的典型應(yīng)用

①巡回檢測傳輸電路圖7.33所示為巡回檢測傳輸電路的原理圖。②用時(shí)分法傳輸多路信號時(shí)間分割法（簡稱時(shí)分法）就是解決這類問題的有效手段之一。如圖7.34所示，即為采用時(shí)間分割法傳輸多路信號的原理圖。如圖7.35所示為實(shí)現(xiàn)這個(gè)功能的電路圖。

（2）模/數(shù)與數(shù)/模轉(zhuǎn)換器在測量控制系統(tǒng)中，需要有將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號或數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為模擬信號的功能電路，簡稱A/D轉(zhuǎn)換器和D/A轉(zhuǎn)換器。

1）A/D轉(zhuǎn)換常用A/D轉(zhuǎn)換器按其工作原理不同，A/D轉(zhuǎn)換器可分為積分型和比較型兩大類。①積分型A／D轉(zhuǎn)換器積分型A／D轉(zhuǎn)換器又稱為間接型轉(zhuǎn)換器，這是因?yàn)檫@類轉(zhuǎn)換器是先將輸入的模擬量（模擬電壓）轉(zhuǎn)換成某種中間量（時(shí)間間隔或頻率），然后再將此中間量變換為相應(yīng)的數(shù)字量。積分型A／D轉(zhuǎn)換器種類較多，如單積分型、雙積分型、四重積分型、電荷平衡型和脈沖寬度調(diào)制型等。應(yīng)用最廣泛的是雙積分型A／D轉(zhuǎn)換器雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器的基本原理如圖7.36所示。

②比較型A／D轉(zhuǎn)換器比較型A／D轉(zhuǎn)換器又稱為直接型轉(zhuǎn)換器。這是因?yàn)檫@種轉(zhuǎn)換器是將輸入模擬量(模擬電壓)與基準(zhǔn)電壓直接進(jìn)行比較，再轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的數(shù)字量。比較型A/D轉(zhuǎn)換器按內(nèi)部工作時(shí)有無反饋，可分為反饋比較型A／D轉(zhuǎn)換器和無反饋比較型A／D轉(zhuǎn)換器。

反饋比較型A／D轉(zhuǎn)換器，根據(jù)控制邏輯電路的不同，又可分為逐次近似型和跟蹤比較型。

逐次近似型A/D轉(zhuǎn)換器它是目前應(yīng)用得最為廣泛的中、高速A/D轉(zhuǎn)換器，其最大特點(diǎn)是轉(zhuǎn)換速率較快，而且在售價(jià)(成本)、精度和轉(zhuǎn)換速率三個(gè)重要的指標(biāo)之間易于取得較好的平衡。跟蹤比較型A/D轉(zhuǎn)換器圖7.37所示為跟蹤比較型A/D轉(zhuǎn)換器的原理圖，它由高速電壓比較器、D/A轉(zhuǎn)換器和計(jì)數(shù)器等單元組成。③無反饋比較型A/D轉(zhuǎn)換器無反饋比較型A/D轉(zhuǎn)換器是迄今為止能獲得最快轉(zhuǎn)換速度的A/D轉(zhuǎn)換器，特別是其中的并行比較型A/D轉(zhuǎn)換器。高速A／D轉(zhuǎn)換器一般都是屬于無反饋比較型A/D轉(zhuǎn)換器。

這類A/D轉(zhuǎn)換器又分為并行比較型、串行比較型和串—并行比較型等三種轉(zhuǎn)換器。

并行比較型A/D轉(zhuǎn)換器圖7.38所示為并行比較型A/D轉(zhuǎn)換器的原理圖。

串行比較型A/D轉(zhuǎn)換器圖7.39所示為串行比較型A/D轉(zhuǎn)換器工作原理圖

串—并行比較型A／D轉(zhuǎn)換器前面已經(jīng)提到，并行比較型A／D轉(zhuǎn)換器難以達(dá)到高位要求，將并行比較型和串行比較型這兩種結(jié)構(gòu)結(jié)合起來構(gòu)成的串—并行比較型A／D轉(zhuǎn)換器，在一定程度上克服了并行或串行比較型A／D轉(zhuǎn)換器難于達(dá)到高位數(shù)的要求，隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，目前已有16位以上的串—并行比較型高速A／D轉(zhuǎn)換器供實(shí)際工程采用。

按精度和速率分類的A/D轉(zhuǎn)換器應(yīng)用簡介表7-2列出了A／D轉(zhuǎn)換器按精度高低進(jìn)行分類的標(biāo)準(zhǔn)，表7-3列出了A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換速率的分類標(biāo)準(zhǔn)，以及其主要應(yīng)用領(lǐng)域。

A/D轉(zhuǎn)換器選擇原則

A/D轉(zhuǎn)換器的選擇原則是根據(jù)其分辨率、轉(zhuǎn)換時(shí)間和精度來進(jìn)行。一般位數(shù)越高，轉(zhuǎn)換誤差越小，則測量精度越高，但成本也越高。

A/D轉(zhuǎn)換通道的確定實(shí)際的計(jì)算機(jī)檢測系統(tǒng)中，常常需要采集多個(gè)模擬信號。如果這些模擬信號之間沒有什么嚴(yán)格的關(guān)系，系統(tǒng)可以一個(gè)一個(gè)地分別采集；如果這些模擬信號之間存在較嚴(yán)格關(guān)系如相位關(guān)系等，則應(yīng)對這些信號同時(shí)采集。所以，系統(tǒng)數(shù)據(jù)輸入通道應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況區(qū)別對待，以確定合適通道結(jié)構(gòu)。①不帶采樣/保持電路的通道圖7.40所示為不帶采樣/保持器的A/D通道示意圖

②帶采樣/保持器的A/D轉(zhuǎn)換通道如圖7.41所示為帶采樣/保持器的A/D轉(zhuǎn)換通道的幾種主要結(jié)構(gòu)形式：每通道具有獨(dú)立的采樣/保持電路和A/D轉(zhuǎn)換器的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（如圖7.41（a）所示）。

多通道分時(shí)共享采樣/保持電路和A/D轉(zhuǎn)換器的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（如圖7.41（b）所示）。多通道共享A/D轉(zhuǎn)換器的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（如圖7.41（c）所示）。主計(jì)算機(jī)管理的各通道獨(dú)立變換和預(yù)處理的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（如圖7.41（d）所示）。2）D/A轉(zhuǎn)換器計(jì)算機(jī)測控系統(tǒng)的重要組成部分之一是將處理后的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成模擬量（即連續(xù)變化的電流或電壓）送出。一般來說，模擬量輸出通道主要包括有：D/A轉(zhuǎn)換器；多路模擬開關(guān)；采樣/保持器等部分。其中，D/A轉(zhuǎn)換器是構(gòu)成模擬量輸出通道的關(guān)鍵器件。D/A轉(zhuǎn)換器的工作原理

D/A轉(zhuǎn)換器的基本功能是將數(shù)字量轉(zhuǎn)換為與其大小成正比的模擬量。常用的D/A轉(zhuǎn)換器由電阻網(wǎng)絡(luò)、開關(guān)及基準(zhǔn)電源等部分組成。

D/A轉(zhuǎn)換器的組成原理有多種，采用最多的是R—2R梯形網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器，如圖7.41所示為一個(gè)4位D/A轉(zhuǎn)換器的原理圖。D/A轉(zhuǎn)換器輸入與輸出形式

D/A轉(zhuǎn)換器的數(shù)字量輸入端有不含數(shù)據(jù)鎖存器、含單個(gè)數(shù)據(jù)鎖存器、含雙數(shù)據(jù)鎖存器等三種情況。對于D/A轉(zhuǎn)換器的輸出，則又有單極性和雙極性之分，以及某些場合下的偏置輸出方式。前二種輸出電路的連接示意圖如圖7.43所示。（3）電壓/頻率轉(zhuǎn)換電路電壓/頻率（V/f）轉(zhuǎn)換是指把電壓信號轉(zhuǎn)換成與之成正比的頻率信號，其過程實(shí)質(zhì)上是對信號進(jìn)行頻率調(diào)制，頻率信息可遠(yuǎn)距離傳遞并有優(yōu)良的抗干擾能力，采用光電隔離和變壓器隔離時(shí)不會(huì)損失精度，因而被廣泛應(yīng)用。圖7.44所示為電荷平衡轉(zhuǎn)換法的V/f轉(zhuǎn)換器的原理和輸出波形圖。

圖7.45所示為利用單片集成電路AD650及外部元件構(gòu)成的V/f轉(zhuǎn)換器電路圖。

（4）交流/直流轉(zhuǎn)換電路在檢測中有時(shí)需要知道傳感器的交流輸出信號的幅值或功率。例如磁電式振動(dòng)速度傳感器或電渦流式振動(dòng)位移傳感器，在其信號處理電路中都需一個(gè)交流—直流變換電路，即將交流振幅信號變?yōu)榕c之成正比的直流信號輸出。根據(jù)被測信號的頻率不同或要求測量精度不同，可采用不同的變換的變換方法。目前，常用的變換方法有線性檢波電路（半波整流電路）、絕對值電路（全波整流電路）、有效值變換電路（方均根/直流變換電路）。

1）線性檢波電路圖7.46所示為采用反相放大結(jié)構(gòu)的常用半波整流電路及其波形圖。2）絕對值轉(zhuǎn)換電路圖7.47所示為絕對值轉(zhuǎn)換電路及其波形圖。該電路只是在半波整流電路的基礎(chǔ)上，加了一級加法運(yùn)算放大器。其可把輸入信號轉(zhuǎn)換為單極性信號，再用低通濾波器濾去交流成分，得到的直流信號稱為絕對平均偏差（MAD）。

絕對值轉(zhuǎn)換電路的增益為1，而增益為1的電壓跟隨器是不要求電阻匹配的。從這點(diǎn)出發(fā)，把同相型半波整流電路和反相型整流電路結(jié)合起來組成絕對值轉(zhuǎn)換電路，可以減小匹配電阻的數(shù)目。圖7.48所示為改進(jìn)的絕對值轉(zhuǎn)換電路

為了提高輸入阻抗，將半波整流和加法電路都采用同相輸入形式，便可以得到高輸入阻抗的絕對值轉(zhuǎn)換電路，如圖7.49所示。

3）有效值轉(zhuǎn)換電路交流信號有效值的測量方法較多。如果已知被信號波形，可采用峰值檢測法、絕對平均法分別測出交流信號的峰值或絕對平均值，再進(jìn)行換算即可。圖7.50所示為一種峰值檢測電路。

絕對平均法利用絕對值轉(zhuǎn)換和低通濾波器電路，得到輸入信號的MAD值，再換算成RMS值。目前，較為理想的方法是利用集成器件實(shí)現(xiàn)有效值的實(shí)時(shí)運(yùn)算，其電路框圖如圖7.51所示。常用集成有效轉(zhuǎn)換器有AD536、AD636、AD637等。圖7.52所示為AD637的功能和基本應(yīng)用電路。除絕對值放大器、平方—除法器和低通濾波器等基本單元外，在引腳1與14之間還有可供選用的緩沖放大器。

7.1.4信號的非線性校正與補(bǔ)償在實(shí)際檢測中，為了保證傳感器的輸出與輸入之間具有線性關(guān)系，除了對傳感器本身在設(shè)計(jì)和制造工藝上采取一定措施外，還必須對輸入?yún)?shù)的非線性進(jìn)行補(bǔ)償（或稱線性化處理）。

常用的方法有模擬線性化和數(shù)字線性化兩類（1）模擬線性化該方法是采用在輸入通道中加入非線性補(bǔ)償環(huán)節(jié)來進(jìn)行線性化處理。

1）開環(huán)式非線性特性補(bǔ)償圖7.53所示為具有開環(huán)式非線性靜態(tài)特性補(bǔ)償?shù)慕Y(jié)構(gòu)原理圖。解析計(jì)算法如圖7.53所示系統(tǒng)中，傳感器輸出-輸入關(guān)系的解析表達(dá)式為放大器的輸出—輸入關(guān)系解析表達(dá)式為要求整個(gè)系統(tǒng)的方程為由式得到非線性補(bǔ)償環(huán)節(jié)輸出—輸入的解析表達(dá)式為

式中，——是的反函數(shù)。圖解法用圖解法求取非線性補(bǔ)償環(huán)節(jié)的輸出—輸入特性，比用解析法簡單實(shí)用。應(yīng)用圖解法時(shí)，必須根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)或方程，將測試系統(tǒng)組成環(huán)節(jié)及整個(gè)測試系統(tǒng)的輸出—輸入特性用曲線形式給出。用圖解法求取非線性補(bǔ)償環(huán)節(jié)特性曲線的具體方法如圖7.54所示。2）閉環(huán)式非線性反饋補(bǔ)償圖7.55所示為具有閉環(huán)式非線性反饋補(bǔ)償?shù)慕Y(jié)構(gòu)原理圖。

解析計(jì)算法如圖7.55所示系統(tǒng)中，傳感器輸出-輸入關(guān)系的解析表達(dá)式為放大器的輸出—輸入關(guān)系解析表達(dá)式為要求整個(gè)系統(tǒng)的方程為由式得到非線性反饋環(huán)節(jié)的非線性特性輸出—輸入的解析表達(dá)式為圖解法用圖解法求取非線性反饋環(huán)節(jié)的輸出—輸入特性曲線的具體方法如下（如圖7.56所示）。3）增益控制式非線性特性補(bǔ)償法圖7.57所示為增益控制式非線性補(bǔ)償結(jié)構(gòu)原理框圖。

解析計(jì)算法為了更加表明測試系統(tǒng)中的各環(huán)節(jié)的功能，可繪制如圖7.58所示的增益控制式非線補(bǔ)償功能框圖。其中，K為前向通道（包括放大、整流、濾波環(huán)節(jié)）電壓放大系數(shù)，A為幅度可控激勵(lì)源輸出電壓幅值與輸入控制電壓之比。由圖可得，傳感器輸出-輸入關(guān)系的解析表達(dá)式為

放大器的輸出—輸入關(guān)系解析表達(dá)式為要求整個(gè)系統(tǒng)的方程為得到增益控制電路的非線性特性輸出—輸入的解析表達(dá)式為圖解法應(yīng)用圖解法求取增益電路的輸出—輸入特性時(shí)，必須將傳感器的輸出—輸入特性用曲線形式給出。用圖解法求取增益控制電路的輸出—輸入特性曲線的具體方法如圖7.59所示。4）實(shí)現(xiàn)非線性補(bǔ)償?shù)木唧w方法折線逼近法補(bǔ)償原理任何非線性函數(shù)關(guān)系都可以用折線去近似逼近，如圖7.60所示。其具體實(shí)現(xiàn)方法是在特性曲線的不同范圍內(nèi)，分段地用直線擬合非線性特性曲線，只要擬合的精度保證在一定范圍內(nèi)，這些直線的關(guān)系就可以代替非線性的函數(shù)關(guān)系。再用電路來實(shí)現(xiàn)這些直線關(guān)系，就可以達(dá)到目的。將非線性元件接在運(yùn)算放大器的反相輸入端（如圖7.61），其輸出—輸入關(guān)系為圖中為非線性元件的輸出—輸入關(guān)系。

將非線性元件接在單端反相輸入運(yùn)放的反饋電路（如圖7.62），其輸出—輸入關(guān)系為

將非線性元件接在單端運(yùn)放的反饋電路（如圖7.63），其輸出—輸入關(guān)系為

非線性電阻網(wǎng)絡(luò)與運(yùn)算放大器構(gòu)成的補(bǔ)償電路圖7.64所示為非線性電阻網(wǎng)絡(luò)與運(yùn)算放大器構(gòu)成的補(bǔ)償電路圖，它是由電阻及二極管組合而成的非線性網(wǎng)絡(luò)設(shè)置在運(yùn)算放大器的反相輸入端。

非線性網(wǎng)絡(luò)反饋的電流都與輸入電壓線性相關(guān)。這些電流經(jīng)運(yùn)算放大器相加減后，就可以以一系列正切于所需非線性函數(shù)曲線的直線段方式逼近任何非線性函數(shù)，其逼近原理如圖7.65所示。用來逼近所需要函數(shù)曲線的各直線段斜率為

實(shí)際上，二極管的正向壓降不為0，并且隨著環(huán)境溫度T而變。為了能抑制二極管正向壓降影響，可采用由“運(yùn)放”和二極管組成的“精密整流器”來代替圖7.64中的普通二極管（如圖7.66所示）。（2）數(shù)字線性化隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的廣泛應(yīng)用，充分發(fā)揮計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理的能力，用軟件進(jìn)行傳感器特性的非線性補(bǔ)償，使輸出的數(shù)字量與被測物理量之間呈線性關(guān)系。用軟件實(shí)現(xiàn)傳感器特性線性化，一般需要進(jìn)行以下兩方面工作：首先要將傳感器輸出的模擬量或頻率量轉(zhuǎn)化為數(shù)字量；其次是將特性數(shù)據(jù)表格存于內(nèi)存，通過微處理器執(zhí)行程序，對信息進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，實(shí)現(xiàn)特性數(shù)據(jù)線性化。通常采用軟件實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)線性化處理方法有計(jì)算法、查表法和插值法三種。1）計(jì)算法計(jì)算法就是在軟件中編制一段完成數(shù)字表達(dá)式的計(jì)算程序，當(dāng)被測參量經(jīng)過采樣、濾波和變換后，直接進(jìn)入計(jì)算程序進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算后的數(shù)值即為經(jīng)過線性化處理的輸出量。在工程實(shí)際中，通常采用“誤差平方和為最小”的方法，求得被測參量和輸出量的近似表達(dá)式，隨后利用計(jì)算法進(jìn)行線性化處理。

2）查表法當(dāng)某些參數(shù)計(jì)算非常復(fù)雜，或被測量與輸出量沒有確定的關(guān)系，或不能用某種函數(shù)表達(dá)式進(jìn)行擬合，通常采用查表法。其方法是把測量范圍內(nèi)參量變化分成若干等分點(diǎn)，然后由小到大順序計(jì)算或測量出這些等分點(diǎn)相對應(yīng)的輸出數(shù)值，這些等分點(diǎn)和其對應(yīng)的輸出數(shù)據(jù)就組成一張表格，把這張數(shù)據(jù)表格存放在計(jì)算機(jī)的存儲器中。軟件處理方法是在程序中編制一段查表程序，當(dāng)被測量經(jīng)采樣等轉(zhuǎn)換后，通過查表程序，直接從表中查出其對應(yīng)的輸出數(shù)值。

3）插值法圖7.67所示為某傳感器的輸出—輸入特性，為被測參量，為輸出電量，且，它們是非線性關(guān)系。

常用方法線性插值法（又稱折線法）該方法的基本思想是用通過n+1個(gè)插值結(jié)點(diǎn)的n段直線來代替函數(shù)的值。在數(shù)學(xué)上可用下述簡單公式表示：二次插值法（又稱拋物線法）該方法的基本思想是用n段拋物線，每段拋物線通過三個(gè)相鄰的插值結(jié)點(diǎn)，來代替函數(shù)的值。其計(jì)算公式為：7.1.5調(diào)制與解調(diào)調(diào)制是指利用某種信號來控制或改變普通為高頻振蕩信號的某個(gè)參數(shù)的過程，這些參數(shù)包括幅值、頻率或相位。當(dāng)被控制的量是高頻振蕩信號的幅值時(shí)，稱為幅值調(diào)制或調(diào)幅；當(dāng)控制量為高頻振蕩信號的頻率時(shí)，稱為頻率調(diào)制或調(diào)頻；而當(dāng)被控制的量為高頻振蕩信號的相位時(shí)，則稱為相位調(diào)制或調(diào)相。解調(diào)則是從已調(diào)制波信號中恢復(fù)出原有低頻調(diào)制信號的過程。調(diào)制與解調(diào)是一對信號變換過程。

（1）幅度調(diào)制與解調(diào)的基本原理圖7.68所示為連續(xù)時(shí)間幅度調(diào)制的基本模型。為被測信號，為高頻載波信號，兩者相乘的輸出稱為已調(diào)制信號。若載波信號是正弦信號，稱為正弦幅度調(diào)制。連續(xù)時(shí)間正弦幅度調(diào)制和解調(diào)的方框圖如圖7.69（a）所示，調(diào)制器的輸出為：

它的頻譜可利用傅里葉的頻域卷積性質(zhì)求出，即圖7.69（b）畫出了連續(xù)時(shí)間正弦幅度調(diào)節(jié)器制的信號頻譜圖在接收端，解調(diào)的任務(wù)是從中恢復(fù)出。利用三角恒等公式，不難證明它的頻譜為

不難想到，當(dāng)時(shí)，若用一個(gè)理想低通濾波器就可完全恢復(fù)出，只要滿足（2）幅度調(diào)制的調(diào)制電路幅度調(diào)制就是用被測信號去控制高頻率載波信號的幅度。常用方法是線性調(diào)幅。圖7.70所示為交流電橋幅度調(diào)制器圖。電壓輸出為

由此可知，輸出信號是載波信號與被信號在時(shí)域上的乘積，實(shí)現(xiàn)了調(diào)制過程。圖7.71所示為交流電橋的調(diào)制信號、載波及已調(diào)制波的波形變化規(guī)律。已調(diào)制波不僅包含調(diào)制信號的大小，還包含調(diào)制信號的方向信息。

（3）幅度調(diào)制的解調(diào)電路幅值調(diào)制的解調(diào)過程是將已調(diào)制波恢復(fù)為原低頻調(diào)制信號的過程，實(shí)現(xiàn)方法有整流檢波解調(diào)、相敏檢波解調(diào)等。

圖7.72所示為實(shí)用的精密半波檢波電路圖。

圖7.73所示為環(huán)形相敏解調(diào)器電路原理圖。其中，橋式電路由四個(gè)特性完全一致的二極管組成。7.2多傳感器信息融合7.2.1信息融合的基本概念（1）信息融合的目的和意義

數(shù)據(jù)融合的目的是通過出現(xiàn)在輸入信息中的任何個(gè)別元素?cái)?shù)據(jù)組合，推導(dǎo)出更多的信息，得到最佳協(xié)同作用的結(jié)果，即利用多個(gè)傳感器共同或聯(lián)合操作的優(yōu)勢，提高傳感器系統(tǒng)的有效性，消除單個(gè)或少量傳感器的局限性。多傳感器數(shù)據(jù)融合的主要作用：①提高信息的準(zhǔn)確性和全面性②降低信息的不確定性③提高系統(tǒng)的可靠性④增加系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性使用多傳感器數(shù)據(jù)融合技術(shù)將使測量系統(tǒng)具有如下優(yōu)勢：

1）增加測量維數(shù)，增加置信度，提高容錯(cuò)功能，改進(jìn)系統(tǒng)的可靠性和可維護(hù)性。

2）提高精度。

3）擴(kuò)展了空間和時(shí)間的覆蓋，提高了空間分辨率及環(huán)境的適應(yīng)能力。

4）改進(jìn)探測性能，增加響應(yīng)的有效性，降低了對單個(gè)傳感器的性能要求，提高信息處理的速度。

5）降低信息獲取的成本。（2）數(shù)據(jù)融合的定義充分利用不同時(shí)間與空間的多傳感器信息資源，采用計(jì)算機(jī)技術(shù)對按時(shí)序獲得的多傳感器觀測信息在一定準(zhǔn)則下加以自動(dòng)分析、綜合、支配和使用，獲得對被測對象的一致性解釋與描述，以完成所需要的決策和估計(jì)任務(wù)，使系統(tǒng)獲得比它的各組成部分更優(yōu)越的性能。（3）數(shù)據(jù)融合的時(shí)間性和空間性分布在不同空間位置上的多傳感器在對運(yùn)動(dòng)目標(biāo)進(jìn)行觀測時(shí)，各傳感器不同時(shí)間的和不同空間的觀測值將不同，從而形成一個(gè)觀測值集合。

對于目標(biāo)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的觀測，存在數(shù)據(jù)融合的時(shí)間性與空間性問題。1）數(shù)據(jù)融合的時(shí)間性數(shù)據(jù)融合的時(shí)間性表示按時(shí)間先后對觀測目標(biāo)在不同時(shí)間觀測值進(jìn)行融合。利用單傳感器在不同時(shí)間的觀測結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)融合時(shí)，要考慮數(shù)據(jù)融合的時(shí)間性。2）數(shù)據(jù)融合的空間性數(shù)據(jù)融合的空間性表示對同一時(shí)刻不同空間位置的多傳感器觀測值進(jìn)行數(shù)據(jù)融合。利用多傳感器在同一時(shí)刻的觀測結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)融合時(shí)，要考慮數(shù)據(jù)融合的空間性。

7.2.2信息融合的基本原理多傳感器信息融合與經(jīng)典信號處理方法之間存在本質(zhì)的區(qū)別，其關(guān)鍵在于信息融合所處理的多傳感器信息具有更雜的形式，而且可以在不同的信息層次上出現(xiàn)，實(shí)際上是對人腦綜合處理復(fù)雜問題的一種功能模擬，其基本原理就是充分利用多個(gè)傳感器資源，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(gè)傳感器在空間或時(shí)間上的冗余或互補(bǔ)信息依據(jù)某種準(zhǔn)測來進(jìn)行