智能传感器系统习题参考答案.pdf

作业一 通过相关的检索手段 分项列出至少三种有关 智能传感器系统 方面的专业杂志 网站 专业参考书等 答 专业杂志 Sensors Journal Editor in Chief H Troy Nagle Sensor Review Book seller Emerald Group Publishing Limited Sensors and Actuators 网站 www sensor www i www smartsensor it 专业参考书 Intelligent Sensor Systems JE Brignell Nom White University of Southampton UK Signal processing for intelligent sensor systems The Pennsylvania State University USA Sensors with Digital or Frequency output Middel hoeks 作业二 一个二阶传感器系统 要想改善其动态特性 应如何进行 试用不同的模型形式具体分 析之 答 二阶传感器系统的动态响应指标有以下几个参数 r t 上升时间 响应曲线从稳态值的 10 上升到 90 或从稳态值的 5 上升到 95 或从 0 上升到稳态值的 100 所需要的时间 p t 峰值时间 响应曲线达到第一个峰值所需要的时间 p M 最大过调量 100 p y ty py M s t 调整时间 响应曲线进入到允许的误差范围内所需要的时间 1 二阶传感器系统的微分方程的标准形式为 2 22 2 1 n n d ydy dt dt yKx 二阶传感器系统的传递函数为 22 1 2 1 n n Y s K X s ss H s 系统是欠阻尼的 01 故方形膜片比圆形膜片的灵敏度高 而且有如下表格 M w h 0 06 0 07 0 080 090 1 0 2 0 3 0 4 0 5 0s M w w 0 00 0 00 0 000 000 000 000 020 03 0 05 0838 114 149 189 233 925 06 06 51 0r M w w 0 00 0 00 0 000 000 000 000 020 03 0 05 0845 115 115 119 234 918 01 43 10 从上表可见 方膜片的非线性相对误差随着膜片的位移增加比圆膜片的稍大些 因此圆 作业 桥臂电阻未知 零位失调电压已知 根据失调电压的正负 在确定的桥臂上 采取 膜片的精度要高一些 四 试就四 并联方式 该并联电阻如何计算 答 U U0 R1 R2 R3 R4 RP 0000 1234 0123 UUUU RRRR dUdRdRdRdR 电路如下图所示 未接并联电阻时 有如下式 1324 1234 0 R RR R RRRR UU 对上式全微分得 4 结果为 3214 222 12121212 0123 URURURUR RRRRRRRR URRR 2 4 R 整理后 得 0 04 U R R U 1 01234 RRRRR4 已知 0 11 RRR 022 RRR 033 RRR 044 RRR 0 U 零位失调电压 4 若 0 则 4 1324132 R RR RR RR RR 0 U 132 RRRR 可以选择在 1 R或者 3 R上并联 P R 假如并联在 1 R 001 1 4 1 P P U RR R RRU RR 2 1 00 14 R U PU R RR 上 则 若 0 则 40 U 132 RRRR 11 44 12 所以压阻系数可以简化为 2 22222 441 21212 i lmlmn n 222222 44111111 2 l l mm nl n 此时横向压阻系数变化很小 可以忽略 要想使得电阻的压阻系数最大 也就 是使电阻的纵向压阻系数最大 也就是要使得 222222 44111111 2 l l mm nl n 最大 由于 m 为纵向方向余弦 所以有 1 l 11 n lm 1 222 111 1n 又因为 2 1 1 晶面对法向量为 1 2 1 1 所以有 l m 与 111 n 1 2 1 1 垂直 即有 1 2 1 l 0 2 1 m 1 n 所以在条件 1 2 下使 l 最大 用拉格朗日乗数法 令 121 222 111 222222 111111 1 1 2 lmnlmnll mm nl n 11 所以由 11112 0000 lllll lmn 0 可以求得 111 2 222 36 lmn 6 所以沿 1 2 1 1 方向制作 起压阻系数最大 max44 37 162 l 作业六 一相对平稳测量信号受到工频信号的干扰 假定测量信号的输出幅值 为 0 5V 工频干扰幅值 1V 试设计一个数字滤波器 使之经过数字滤波后 信噪比 100 解 按照题意 设计一个带阻滤波器 对 50HZ 工频干扰予以滤波 且保证其他频 率信号不受太大影响 简单起见 先选择一个滤波器原型 采用二阶巴特沃兹滤波 器 2 1 p 1 41421 H pp 对该原型做如下变换 用 0 lpp c s HsH w 变 换 使 他 变 为 一 个 截 止 频 率 为45HZ的 低 通 滤 波 器 2 79944 399 86579944 L Hp ss 根据模拟滤波器的设计和相应数字滤波器的设计 应用双线性变换 21 1 Z S T Z 因为采样频率至少为工频干扰的 2 倍以上 所以取采 样频率为 200HZ 得到 2 52 5cos 2 cos 100 y ztt 作业七 在无功补偿系统中 电流与电压信号之间的相位差需要精确测量 但 实际测量中 因干扰信号的影响 很难直接获得精确值 试用相关分析的 方法具体实现之 假定干扰信号为白噪声 信噪比为 1 具体计算相关后的 精度 解 设电压和电流信号为 sin u u tUwtN t U 为 u t 的幅值 为 u t 中的噪声 u N t sin i i tIwtN t I 为 i t 的幅值 为 i t 中的噪声 i N t 为相位差 所以 0 1 0 sin sin T uiui RuwtNtIwtN t d T t 0 000 1 sin sin sin sin T TTT iu UIwtwtdt T UwtN t dtIwtNt dtN t N t dt ui u N t 与 i N tsin wt sin wt 不相关 且 也不相 关 u N t i N t 0 1 0 sin sin cos 2 T ui UI RUIwtwtdt T 2 0 arccos ui R UI 采用自相关函数 2 2 0 1 0 2 T uu U RNt dt T 2 2 0 1 0 2 T ii I RN T t dt 1 当没有噪声干扰的时候 22 0 0 22 ui UI RR 2 0 2 0 ui URIR 2 0 arccos 2 0 2 0 ui ui R RR 2 有噪声的时候 信噪比为 1 22 22 0 2 U 0 2 22 ui UI RRI 0 0 ui URIR 2 0 arccos 0 0 ui ui R RR 相关后的精度为 100 e 2 0 2 0 arccosarccos 2 0 2 0 0 0 100 2 0 arccos 2 0 2 0 uiui uiui ui ui RR RRRR R RR 作业八 试比较 自补偿技术中的多段折线逼近法 曲线拟合法以及曲面拟合法 BP 神 经网络法这几种信息处理方法各自的特点 主要从实时性 计算精度 复杂性等方 面讨论 上述方法是否能消除 或降低 迟滞和重复性的影响 答 以上几种方法的原理 书上都有 这里就不写了 就实时性而言 由于几种方法都要标定数据 那么它就与具体算法有关 如查 表的算法 神经网络算法的学习因子有很大关系 故要依实际而定 但是曲线拟合 法的实时性肯定比曲面拟合法的实时性要好 一 多段折线逼近法 首先通过标定试验来确定标定值 然后现场测量时 首先由测温传感器的输出 值求得 T 值 将已消除零位误差的输入量的值和对应的 T 值与标定值进行比较 判 定它所在列表网格中的位置 在上述几种方法中 计算精度不高 复杂度是几种方 法中最低的 二 曲线拟合法 此方法也要标定多项式的系数 且不用查表 但是计算复杂 而且原理上没有 误差 要依补偿精度而定 一般而言精度比较高 复杂度稍高 三 曲面拟合法 此法与曲线拟合法类似 但是系数为矩阵 计算较为复杂 复杂度比曲线拟合 法要高 同阶数的情况下 精度要比曲线拟合法要好 四 BP 神经网络法 此方法不要求系统的数学模型 只要经过足够时间的训练 就能够得到很高的 精度 但是此方法相应的复杂度也较高 迟滞属于系统误差范围 重复性属于随机误差范围 所以只要有很好的补偿方 法 迟滞可以消除 重复性不可以消除 却可尽量减小 作业九 结合 CAN 总线的一般电气连接结构形式和协议规范 说明 CAN 所采用的多主通信 和非破坏性总线仲裁技术的机制 答 根据国际标准 ISO11898 CAN 总线采用如下图所示的电气连接结构 CAN 模块模块 Vcc Vcc Tx Rx 终端电阻终端电阻RL 抑制反射 抑制反射 由图可以得出 只需在在 CAN 总线的两条信号线 CAN H 和 CAN L 之间添加 电子控制装置 ECU 就可以很方便地构成多主通信系统 整个多主通信系统的总线驱动方式有三种 CAN H 上拉 CAN L 下拉 双线 驱动 另外由 CAN 总线的协议规范 CAN 总线的拓扑结构如下 ECU 1 ECU 2 ECU 3 ECU N 1 ECU N CA N HCA N L 由 C