第8章智能技术.doc

第七章 智能技术概述：数据处理能力是智能仪器重要的标志,如果不能发挥软件作用,等同硬件化的数字式仪器。智能技术的主要内容，就是对采集的数据进行处理，消除误差，能够更好的，更真实的反映被测对象。测量精度和可靠性是仪器的重要指标，引入数据处理算法后，使许多原来靠硬件电路难以实现的信号处理问题得以解决，从而克服和弥补了包括传感器在内的各个测量环节中硬件本身的缺陷或弱点，提高了仪器的综合性能。智能技术主要包含以下内容：1）工程量的标度变换；2）自诊断功能和故障诊断功能；3）消除误差和提高精度的数据处理4）误差自动补偿；5）数据处理，克服随机误差的数字滤波算法，诸如频谱分析、相关分析、复杂滤波等算法。6）量程自动转换技术第一节 标度变换及非线性校正一、标度变换的概念与作用将测量显示结果与被测物理量按量纲对应起来。一般测量过程：被测物理量电量（电流或电压等）经A/D为数字量输入计算机标度变换、数据处理显示（对应输入的物理量）仪器采集的数据并不等于原来带有量纲的参数值，它仅仅对应于参数的大小，必须把它转换成带有量纲的数值后才能显示、打印输出和应用，这种转换就是工程量变换，又称标度变换。例：测量压力时，当压力变化为010MPa时，压力传感器输出的电压为0-10mV，放大为0-5V后进行A/D转换（8位），得到00H-FFH的数字量，如果不进行标度变换，则输出的是0255的整型数字量。 二、标度变换的步骤当测量系统调试好以后，未进行标度变换前，仪器输入任何物理量信号，输出都是在AD转换区间的数字量。如果已知传感器的标定系数，即输入传感器的物理量与传感器输出电量的关系，如一传感器的标定系数为: V=aY+b (1)其中V为输出电压，Y为输入的物理量置。a,b为标定系数。标度变换按以下步骤：1） 采用过程校验仪（或标准信号源），给仪器按测量范围输入电信号V；2） 每次输入记录对应的系统输出数字量值X；3） 对输入、输出数据进行拟合，按是否为线性还是非线性得出关系式；X=f(V) (2)4) 由上两式得到Y=f(X)的关系式；5）用Y=f(X)关系式编程，就得到了输出与输入物理量相对应的显示值。如果不知道传感器的标定系数，就需要直接给传感器输入一个标准物理量Y，得到测量系统输出的数字量X，与上述过程相同，求出：Y=f(X)的关系式即可三、标度变换的数据处理 从理论上讲，采用插值法，对于线性变化，有两个点就可以确定线性方程，有3个点就可以确定按二次方程变化的曲线，存在的问题是精度太低。一般采用测量多个点，用最小二乘法拟合得到标度变化函数。顺便提一下，这样处理，将仪器的非线性也一体进行了校正。一）最小二乘法拟合 原理数据拟合，就是通过实验获得有限对测试数据（xi, yi）,利用这些数据来求取近似函数y= f ( x )。式中x为传感器输出量，y为被测物理量。与插值不同的是，曲线拟合并不要求y= f ( x )的曲线通过所有离散点（xi, yi），只要求y= f ( x )反映这些离散点的一般趋势，且满足总误差最小的原则。 1、函数拟合的最小二乘法自变量x与因变量y之间的单值非线性关系可以用自变量x的高次多项式来逼近：其中ai为拟合方程系数。对于n个实验数据对（xi，yi）（i =1，2，n），则可得如下n个试验数据与拟合多项式之间的误差方程 ： 简记为： i1，2，n设：显然是ai的函数，上式对系数求导，并使其导数等于0，可以求得误差最小时方程的系数。可以得到下列方程组：理论上讲，求解上面的方程组，就可以得到该方程的系数aj。拟合多项式的次数越高，拟合结果的精度也就越高，但计算量相应地也增加。常用的是直线拟合，取m = 1，则被拟合的曲线方程 y = a0 + a1x n个实验数据对（xi，yi）（i = 1，2，n）， 可以求得系数为：二）拟合举例如对热电偶传感器进行标定，输入的温度与输出的电压值如下表：可以用表中的全部数据，进行线性拟合和非线性拟合，观察其拟合误差。误差不大于3。线性拟合: T=a+bVa =1.296b =24.3212拟合的直线方程为：T=24.3212V+1.2961线性拟合误差：0 -1.2961586180.4 -1.0246606990.8 -0.75316278011.2 -0.48166486121.61 -0.45337949432.02 -0.42509412742.44 -0.64002131262.85 -0.61173594573.27 -0.82666313083.68 -0.79837776394.1 -1.0133049494.51 -0.98501958214.92 -0.95673421525.33 -0.92844884835.73 -0.65695092946.14 -0.62866556256.54 -0.35716764366.94 -0.085669724677.34 074 0.45732611328.14 0.72882403218.54 1.0003219518.94 1.271819879.34 1.5433177899.75 1.57160315610.151.84310107510.561.87138644210.971.89967180811.381.92795717511.8 1.7130299912.211.74131535712.621.76960072413.041.55467353913.461.33974635413.871.36803172114.291710.938177350415.130.723250165315.550.508322980215.970.29339579516.4 -0.164743942116.82-0.379671127317.24-0.594598312417.67-1.0527380518.09-1.26766523518.51-1.4825924218.94-1.94073215719.36-279-2.61379907920.21-2.828726264(误差最大值)如果用二次曲线拟合，方程为：T=24.992V-0.033278V2-0.912498二次多项式拟合误差：0 0.91249765780.40.92100530270.80.94016195461.20.9699676136（最大误差）1.610.76157008672.020.56436067282.44085-0.044520710863.27-0.45564026343.68-0.60755146354.1-0.99546949194.51-1.1247315854.92-1.2428055665.33-1.3496914335.73-1.1992857696.14-1.2840682916.54-1.1120983886.94-0.92947947817.34-0.7362115617.74-0.53229463698.14-0.31772870578.54-0.092513767528.940340.389863139.750.403590578810.150.671667770310.560.707498564310.970.754517471311.380.812724491311.80.640049517812.210.720905644712.620.812949884613.040.67493742913.460.548665503613.870.674819844214.290.57174944314.710.48041957215.130.400830231215.550.332981420815.970.276873140616.4-0.00650312639416.82-0.0388508096217.24-0.0594579625917.67-0.306487837418.09-0.303334393418.51-0.288440419118.94-0.499123901819.36-0.460469330619.79-0.646826487820.21-0.5844113196精度比直线方程拟合要高。2、分段曲线拟合法分段拟合的方法是将曲线y = f (x)按分成N段，每段用一个多项式进行拟合。各段可以选不同的多项式。具体拟合方法与前面相同，不再讲解。第二节 自动测量补偿一、测量误差1、系统误差:是指在相同条件下，多次测量同一物理量时其大小和符号保持不变或按一定规律变化的误差。2、恒定系统误差:校验仪表时标准表存在的固有误差、仪表的基准误差等；3、变化系统误差:仪表的零点和放大倍数的漂移、温度变化而引入的误差等；4、非线性系统误差:传感器及检测电路（如电桥）被测量与输出量之间的非线性关系。二、仪器零位误差和增益误差的校正方法 由于传感器、测量电路、放大器等不可避免地存在温度漂移和时间漂移，所以会给仪器引入零位误差和增益误差。 1零位误差的校正方法仪器零点：对于一般的仪器，当输入为零时，输出也应为零。零位不准：由于仪器的使用环境、条件的变化，长期使用电子元件发生老化等原因，使仪器出厂时的零点发生变化。变化一般发生在A/D以前，变换以后，比较稳定。解决方法：在测量过程中，对零点进行修正。修正基准：如果基准为零，将输入接地，输出的值则为要修正的误差。如果测量下限不为零，需要一个高精度的基准电压VZ，对应于测量下限。测量步骤：1）每一个测量周期或中断正常的测量过程中，先把输入接基准电压Vz测得数据N01， N01=K(Vz+VE)N01为输出的数字量；K为转换系数；VE为获取信息部分的零点变化量。2）存储N01。3）将开关转换到测量位置，测量被测信号。N02=K(Vm+VE)4）数据处理N=N02- N01=K(VmVz)显然N只与被测参数成正比，而与VE无关，即实现了零位补偿。由于Vz是容易获得的(许多情况下Vz=0)，因此这种零位校正的原理已被广泛用于智能数字电压表等电量测量仪器中。对于有些非电量测量仪表(如力、位移、速度、加速度和转速等，由于零基准比较容易得到，因此同样可用上述原理来实现整个仪器的零位补偿。2、零漂的补偿当仪器的零位随仪器运行时间的持续或运行环境的变化而变化时，说明仪器的零位发生了漂移(零漂)。此时，用上述零位补偿方法难以达到良好的补偿效果。为消除零漂对仪器测量精度的影响，应对零漂进行补偿。其基本思路和前面是一样的，由于零飘较快，每次测量都进行一次补偿。测量过程：当测量过程按如图所示的时序进行时，1)在t0时刻，s开关接通电压Vz； 2）在t0-tl期间等待S开关稳定；3)在t1-t2期间测得N01。4）在t2t3期间，S开关接通传感器输出并等待其稳定；5）在t3t4期间，再次运行数据采集程序，测出N02；6）然后将计算可得到：N=N02-N0l在每一次测量过程中，均重复上述各个步骤，以得到新的N值。由于每一个N值的获得均扣除了在获取该N值时的零位，因此即使零位是变化的(即零漂)也能得到很好的补偿。 用这种方法减少零漂对测量的影响(即零漂的补偿)是以花近似两倍的测量时间为代价的，因此采用这种方法时对仪器的测量速度有一定的影响。 3标度漂移补偿 标度漂移既可能由传感器的特性改变引起，也可能由信息获取部分的参数变化(例如各种放大器的增益漂移)产生。即标度变换的系数发生了变化。假定被测参数处于测量下限时传感器的输出为零，则减少信息获取部分标度漂移的系统结构如图所示。在微机控制下，开关依次接通地、VREF和VSR，并依次进行三次测量。 第一次测量：s开关接地，CPU获得的测量值N01为N01=KGVe 式中：K-为ADC的转换系数； G-为前置放大器增益； Ve为前置放大器及ADC漂移电压折算到前置放大器输人端的等效漂移电压。 第二次测量：s开关接VREF，CPU所获得的测量值N02为 N02=KG(VREF+Ve) 式中，VREF为基准电压(常为仪器测量上限时传感器输出的电压值)。 第三次测量：s开关接VSR，CPU所获得的测量值N03为N03=KG(VSR+Ve) 式中，VSR为传感器输出电压。 设N=(N03N01)(N02N01)，则： N=VSRVREF 由上式可看出：N与VSR(被测量)成正比而与Ve，G，K无关。也就是说，利用这种方法可以从根本上消除信息获取部分的零漂和标度漂移对测量的影响。必须确保VREF是稳定的。由于采用自校准技术时花费的测量时间至少是常规测量时的3倍，因此对仪器测量速度的影响更加明显。4、传感器温度误差的校正方法 在高精度仪器仪表中，传感器的温度误差已成为提高仪器性能的严重障碍，对于环境温度变化较大的应用场合更是如此。仅依靠传感器本身附加的一些简单的电路或其他装置来实现完善的传感器温度误差校正是困难且不便的。但只要能建立起较精确的温度误差模型，就可能实现完善的校正。 （1）温度的测量。在测量中，温度本身就是一个需要检测的量，或在传感器内靠近敏感元件处附加一个测温元件(PN二极管、热敏电阻)等。它们的某些特性随温度而变化，经测温电路、ADC后可转换为与温度有关的数字量，设为。（2）温度误差数学模型的建立。知道温度对误差影响的规律，或者用仪器已标定出温度误差曲线。采用前面已介绍的代数插值法或曲线拟合法等，可得到数学模型。如可采用以下 yc=y(1+0)+1 式中，y为未经温度补偿的测量值； yc为经温度补偿的测量值； 为实际工作环境与标准温度之差； a0和a1，为温度变化系数(a1用于补偿由于温度变化引起的传感器零位漂移，a。用于补偿由于温度变化引起的传感器标度的变化。第三节 数字滤波技术随机误差：由串入仪表的随机干扰、仪器内部器件噪声和A/D量化噪声等引起的，在相同条件下测量同一量时，其大小和符号作无规则变化而无法预测，但在多次测量中符合统计规律的误差。解决方法：采用滤波器进行硬件模拟滤波；用软件编程的数字滤波。数字滤波算法的优点： 数字滤波只是一个计算过程，无需硬件，因此可靠性高，并且不存在阻抗匹配、特性波动、非一致性等问题。模拟滤波器在频率很低时较难实现的问题，不会出现在数字滤波器的实现过程中。 只要适当改变数字滤波程序有关参数，就能方便的改变滤波特性，因此数字滤波使用方便灵活。常用的数字滤波算法 克服大脉冲干扰的数字滤波法：限幅滤波法、中值滤波法、基于莱特准则法的奇异数据滤波法（剔除粗大误差）、 基于中值数绝对偏差的决策滤波器 抑制小幅度高频噪声的平均滤波法：算术平均 、滑动平均、加权滑动平均复合滤波法 一、克服大脉冲干扰的数字滤波法克服由仪器外部环境偶然因素引起的突变性扰动或仪器内部不稳定引起误码等造成的尖脉冲干扰，是仪器数据处理的第一步。通常采用简单的非线性滤波法。 1限幅滤波法 限幅滤波法（又称程序判别法），通过程序判断被测信号的变化幅度，从而消除缓变信号中的尖脉冲干扰。具体方法是，依赖已有的时域采样结果，将本次采样值与上次采样值进行比较，若它们的差值超出允许范围，则认为本次采样值受到了干扰，应予易除。已滤波的采样结果：若本次采样值为yn，则本次滤波的结果由下式确定：a是相邻两个采样值的最大允许增量，其数值可根据y的最大变化速率Vmax及采样周期T确定，即 a = Vmax T 实现本算法的关键是设定被测参量相邻两次采样值的最大允许误差a。要求准确估计Vmax和采样周期T。2、中值滤波法 1）中值滤波是一种典型的非线性滤波器，它运算简单，在滤除脉冲噪声的同时可以很好地保护信号的细节信息。2）对某一被测参数连续采样n次（一般n应为奇数），然后将这些采样值进行排序，选取中间值为本次采样值。3）对温度、液位等缓慢变化的被测参数，采用中值滤波法一般能收到良好的滤波效果。中值滤波的实现：将采集到的n个数据排队，然后取其中值。3莱特准则法（剔除粗大误差）莱特准则法的应用场合与程序判别法类似，并可更准确地剔除严重失真的奇异数据。莱特准则法：当测量次数N足够多且测量服从正态分布时，在各次测量值中，若某次测量值Xi所对应的剩余误差Vi3，则认为该Xi为坏值，予以剔除。 莱特准则法实施步骤 ： （1）求N次测量值X1至XN的算术平均值 （2）求各项的剩余误差Vi （3）计算标准偏差 （4）判断并剔除奇异项Vi3，则认为该Xi为坏值，予以剔除。 （5）对剩余的N-1个测量值再用同样的方法进行计算和判断，直到无坏值为止。莱特准则净化数据的局限性 （1）该准则在样本值少于10个时不能判别任何奇异数据；（2）3准则是建立在正态分布的等精度重复测量基础上，而造成奇异数据的干扰或噪声难以满足正态分布。二、抑制小幅度高频噪声的平均滤波法小幅度高频电子噪声：电子器件热噪声、A/D量化噪声等。通常采用具有低通特性的线性滤波器：算术平均滤波法、加权平均滤波法、滑动加权平均滤波法等。1算术平均滤波 N个连续采样值（分别为X1至XN）相加，然后取其算术平均值作为本次测量的滤波值。即 设：Si为采样值中的有用部分，ni为随机误差。按统计规律，随机噪声的统计平均值为零，故有滤波效果主要取决于采样次数N，N越大，滤波效果越好，但系统的灵敏度要下降。因此这种方法只适用于缓慢变化的信号。 2滑动平均滤波法 对于采样速度较慢或要求数据更新率较高的实时系统，算术平均滤法无法使用的。 滑动平均滤波法把N个测量数据看成一个队列，队列的长度固定为N，每进行一次新的采样，把测量结果放入队尾，而去掉原来队首的一个数据，这样在队列中始终有N个“最新”的数据。 式中：为第n次采样经滤波后的输出；为未经滤波的第ni次采样值；N为滑动平均项数。n为采样次数。平滑度高，灵敏度低；但对偶然出现的脉冲性干扰的抑制作用差。实际应用时，通过观察不同N值下滑动平均的输出响应来选取N值以便少占用计算机时间，又能达到最好的滤波效果。3加权滑动平均滤波增加新的采样数据在滑动平均中的比重，以提高系统对当前采样值的灵敏度，即对不同时刻的数据加以不同的权。通常越接近现时刻的数据，权取得越大。计算公式如下：权系数要满足以下条件：1）2）三、复合滤波法 在实际应用中，有时既要消除大幅度的脉冲干扰，有要做数据平滑。因此常把前面介绍的两种以上的方法结合起来使用，形成复合滤波。去极值平均滤波算法：先用中值滤波算法滤除采样值中的脉冲性干扰，然后把剩余的各采样值进行平均滤波。连续采样N次，剔除其最大值和最小值，再求余下N2个采样的平均值。显然，这种方法既能抑制随机干扰，又能滤除明显的脉冲干扰。 为使计算更方便，N2应为2，4，8，16。常取N为4，6，10，18。主要是用汇编语言编程时，求平均值可以用右移的方法，右移一次等于除以2，编程方便，程序短，运行块。第五节 自动量程转换电路（不讲） 1、一般要求 尽可能高的测量速度自动量程转换的测量速度是指根据被测量的大小自动选择合适量程并完成一次测量的速度。 确定性自动量程转换的确定性是指在升、降量程时，不应该发生在二个相邻量程间反复选择的现象。 安全性由于每次测量并不都从最高量程开始，而是在选定量程上进行，因此不可避免地会发生被测量超过选定量程的最大测量范围，甚至达到仪器的最大允许值。2、自动量程转换电路 实现的方法较多，但都是软、硬件结合实现、基本原理：由仪器测量的值反馈回来调节放大电路的增益，会对信号进行分压。如图输入信号：K1B,不分压K1A，分压1/10放大器增益：K2D，电压跟随，不放大K2C，增益为10信号输出：K3E，不衰减K3F，衰减成1/10动作状态图开关状态 开关量程K1K2K3200mVBDE2VBCE20VADE200VACE1000VACF转换阈值见表8-3当R1当输入电源为1000V时，可以现在在12V。 过载电压的快速切除未过载时，比较器LM139输出高电平；过载时，保护电路起作用，LM139输出低电平；使触发器置1，74LS245关闭，是各开关失去激励，恢复到最高量程，并使单片机中断。思考题与习题 l 1与硬件滤波器相比，采用数字滤波器有何优点？l 2常用的数字滤波算法有哪些？说明各种滤波算法的特点和使用场合。l 3各种常用的滤波算法能组合使用吗？若能，请举例说明；若不能，请说明理由。l 4设检测信号是幅度较小的直流电压，经过适当放大和A/D转换，由于50Hz工频干扰使测量数据呈现周期性波动。设采样周期Ts=1ms，采用算数平均滤波算法，是否能够消除工频干扰？平均点数N如何选择？l 5采用51系列单片机实现4题，请画出算法流程图，编写汇编程序，加以详细注释。l 6在4题中又增加了脉冲干扰，设计复合滤波算法，画出算法流程图，编写汇编程序，加以详细注释。l 7中值数绝对偏差决策滤波器与中值滤波器有哪些特点？画算法流程图。l 8什么是系统误差？有哪几种类型？简要说明系统误差与随机误差根本区别。l 9产生零位误差的原因有哪些？产生增益误差的原因有哪些？简述校正方法。l 10基准电压Vr的精度和稳定性是否影响零位误差、增益误差的校正效果？l 11.系统非线性误差校正的思路与方法。l 12通过测量获得一组反映被测值的离散数据，建立起一个反应被测量值变化的近似数学模型。有哪些常用的建模方法？ 13什么是代数插值法？简述线性插值和抛物线插值是如何进行的。 14什么是线性拟合法？如何利用最小二乘法来实现多项式拟合。 15试建立标准数据校正表，采用查表内插方法实现系统误差校正，画出流程图，设计程序。 16例说明什么是标度变换？ 5332减少整个仪器的标度漂移 上面介绍了减少信息获取部分的漂移(包括零位和标度漂移)的方法。但仅仅如此还不能使测量获得最满意的结果。因为许多传感器自身就存