传感器及检测技术第二版胡向东著第十四章 现代检测技术

1、下页下页返回返回第第1414章章 现代检测技术现代检测技术 14.1 14.1 抗干扰技术抗干扰技术 14.2 14.2 多传感器信息融合技术多传感器信息融合技术 14.3 14.3 虚拟仪器虚拟仪器 14.4 14.4 软测量技术软测量技术 本章要点本章要点一、概念一、概念 干扰是指影响测量装置和仪表正常工作的各种干扰是指影响测量装置和仪表正常工作的各种外部和内部的无用信号。外部和内部的无用信号。 分类：分类：内部干扰：正确设计，部件合理布局、选用内部干扰：正确设计，部件合理布局、选用外部干扰：采取抗干扰措施外部干扰：采取抗干扰措施14.1.1 14.1.1 干扰与防护干扰与防护下页下页上页

2、上页返回返回14.1 14.1 抗干扰技术抗干扰技术 防护是指消除或减弱各种干扰影响的全部技术措施防护是指消除或减弱各种干扰影响的全部技术措施 的总称。的总称。差模干扰差模干扰 检测系统的一个信号输入端相对于另一个信号输检测系统的一个信号输入端相对于另一个信号输入端的电位发生变化，即干扰信号与有用信号串联起入端的电位发生变化，即干扰信号与有用信号串联起来一起进入输入端。来一起进入输入端。共模干扰共模干扰 相对于公共的电位基准点（通常为接地点），在相对于公共的电位基准点（通常为接地点），在检测系统的两个输入端同时出现干扰。检测系统的两个输入端同时出现干扰。)(lg20)(lg20dBKKdBUU

3、CMRRmdcdcm共模干扰抑制比：共模干扰抑制比：下页下页上页上页返回返回下页下页上页上页返回返回二、干扰的分类及防护二、干扰的分类及防护q 机械干扰机械干扰q 热干扰热干扰q 光干扰光干扰q 湿度干扰湿度干扰q 化学干扰化学干扰q 电磁干扰电磁干扰下页下页上页上页返回返回14.1.2 14.1.2 噪声源与噪声耦合方式噪声源与噪声耦合方式一、噪声与信噪比一、噪声与信噪比 1.1.噪声噪声 在检测仪表中出现的不希望存在的变化无规律的无用在检测仪表中出现的不希望存在的变化无规律的无用信号即为噪声。干扰即为噪声造成的不良效应。信号即为噪声。干扰即为噪声造成的不良效应。 噪声不能用确定的时间函数来

4、描述，是随机过程。噪声不能用确定的时间函数来描述，是随机过程。 2.2.信噪比信噪比 NSNSUUPPNSlg20lg10/信噪比用来衡量噪声对有用信号的影响信噪比用来衡量噪声对有用信号的影响下页下页上页上页返回返回 二、噪声源二、噪声源 即噪声的来源，主要包括放电噪声、电气设备即噪声的来源，主要包括放电噪声、电气设备噪声及设备固有噪声等。噪声及设备固有噪声等。三、噪声的耦合方式三、噪声的耦合方式 1. 1.噪声形成干扰的三要素：噪声形成干扰的三要素：噪声源噪声源耦合通道耦合通道接收电路接收电路图图14-1 14-1 噪声形成干扰的三要素噪声形成干扰的三要素下页下页上页上页返回返回电磁耦合（互

5、感耦合）电磁耦合（互感耦合） 由于两个电路之间存在互感，使由于两个电路之间存在互感，使得当一个电路的电流变化时，通过磁得当一个电路的电流变化时，通过磁链影响到另一个电路。链影响到另一个电路。静电耦合（电容耦合）静电耦合（电容耦合）2.2.耦合方式（获得噪声或干扰的途径）耦合方式（获得噪声或干扰的途径）图图14-2 14-2 电磁耦合电磁耦合 由于两个电路之间存在着寄生由于两个电路之间存在着寄生电容，使一个电路的电荷变化影响电容，使一个电路的电荷变化影响到另一个电路。到另一个电路。图图14-3 14-3 静电静电耦合耦合 共阻抗耦合共阻抗耦合 由于几个电路之间有公共阻抗，当一个电路中的由于几个电

6、路之间有公共阻抗，当一个电路中的电流流经公共阻抗产生压降时，就形成对其它电路的电流流经公共阻抗产生压降时，就形成对其它电路的干扰电压。干扰电压。 漏电耦合漏电耦合 由于绝缘不良，流经绝缘由于绝缘不良，流经绝缘电阻电阻R R的漏电流造成干扰。的漏电流造成干扰。电源内阻抗的共阻抗耦合电源内阻抗的共阻抗耦合公共地线的共阻抗耦合公共地线的共阻抗耦合信号输出电路的共阻抗耦合信号输出电路的共阻抗耦合图图14-4 14-4 漏电漏电耦合耦合下页下页上页上页返回返回下页下页上页上页返回返回 传导耦合传导耦合 经导线检拾到噪声，再经其传输到噪声接收电路而形经导线检拾到噪声，再经其传输到噪声接收电路而形成干扰。成

7、干扰。 辐射电磁场耦合辐射电磁场耦合 大功率的高频电气设备、广播、电视、通讯发射台等，大功率的高频电气设备、广播、电视、通讯发射台等，不断向外发射电磁波，对测量系统造成干扰。不断向外发射电磁波，对测量系统造成干扰。下页下页上页上页返回返回14.1.3 14.1.3 常用抗干扰技术常用抗干扰技术一、干扰的抑制一、干扰的抑制 消除或抑制噪声源消除或抑制噪声源 破坏干扰途径破坏干扰途径 削弱或降低接收电路对噪声的敏感性削弱或降低接收电路对噪声的敏感性 二、抗干扰措施二、抗干扰措施 1.1.屏蔽屏蔽 利用金属罩（铜、铝等铁磁材料）将信号源或测利用金属罩（铜、铝等铁磁材料）将信号源或测量电路包围起来。量

8、电路包围起来。下页下页上页上页返回返回 在静电场作用下，导体内部无电力线，即各点等电位。在静电场作用下，导体内部无电力线，即各点等电位。因此采用导电性能良好的金属外屏蔽罩，并将它接地（静因此采用导电性能良好的金属外屏蔽罩，并将它接地（静电屏蔽罩必须与被屏蔽电路的零信号基准电位相连），使电屏蔽罩必须与被屏蔽电路的零信号基准电位相连），使其内部的电力线不外传，同时也不使外部的电力线影响其其内部的电力线不外传，同时也不使外部的电力线影响其内部，内部， 静电屏蔽能防止静电场的影响，用它可以消除或削弱静电屏蔽能防止静电场的影响，用它可以消除或削弱两电路之间由于寄生分布电容耦合而产生的干扰。两电路之间由于

9、寄生分布电容耦合而产生的干扰。屏蔽的目的是隔断场的耦合，抑制各种场的干扰。屏蔽的目的是隔断场的耦合，抑制各种场的干扰。分类：分类： 静电屏蔽静电屏蔽 电磁屏蔽电磁屏蔽 电磁屏蔽是采用导电良好的金属材料做成屏蔽电磁屏蔽是采用导电良好的金属材料做成屏蔽层，利用高频干扰电磁场在屏蔽体内产生涡流，再层，利用高频干扰电磁场在屏蔽体内产生涡流，再利用涡流消耗高频干扰磁场的能量，从而削弱高频利用涡流消耗高频干扰磁场的能量，从而削弱高频电磁场的影响。电磁场的影响。 若将电磁屏蔽层接地，则同时兼有静电屏蔽的若将电磁屏蔽层接地，则同时兼有静电屏蔽的作用，即可同时起到电磁屏蔽和静电屏蔽两种作用。作用，即可同时起到电

10、磁屏蔽和静电屏蔽两种作用。 低频磁屏蔽低频磁屏蔽 采用高导磁材料作屏蔽层，使低频干扰磁通被采用高导磁材料作屏蔽层，使低频干扰磁通被限制在磁阻很小的磁屏蔽层内部，防止其干扰。限制在磁阻很小的磁屏蔽层内部，防止其干扰。下页下页上页上页返回返回 驱动屏蔽驱动屏蔽图图14-5 14-5 驱动屏蔽驱动屏蔽 驱动屏蔽就是使被屏蔽导体的电位与屏蔽导体的驱动屏蔽就是使被屏蔽导体的电位与屏蔽导体的电位相等。它能有效抑制通过寄生电容的耦合干扰。电位相等。它能有效抑制通过寄生电容的耦合干扰。下页下页上页上页返回返回下页下页上页上页返回返回2.2.接地接地 目的：目的： 保证人身及设备安全保证人身及设备安全 抑制干扰

11、抑制干扰 消除各电路电流流经公共地线时所产生的噪消除各电路电流流经公共地线时所产生的噪声电压以及免受电磁场和地电位差的影响，即：声电压以及免受电磁场和地电位差的影响，即：不使其形成地环路。不使其形成地环路。地线种类地线种类 屏蔽接地线或机壳接地线屏蔽接地线或机壳接地线 信号接地线（模拟、数字接地线）信号接地线（模拟、数字接地线） 负载接地线负载接地线 交流电源地线交流电源地线下页下页上页上页返回返回接地原则：接地原则： 低频电路（低频电路（f f1MHz1MHz）一点接地；）一点接地； 可有效克服地电位差的影响和公共地线的共可有效克服地电位差的影响和公共地线的共阻抗引起的干扰。阻抗引起的干扰。

12、 图图14-6 14-6 单级电路的一点接地单级电路的一点接地 a)a)任意点接地任意点接地 b)b)一点接地一点接地图图14-7 14-7 多级电路的一点接地多级电路的一点接地 a)a)串联接地串联接地 b)b)并联接地并联接地下页下页上页上页返回返回 高频电路（高频电路（f f10MHz10MHz）大面积就近多点接地；）大面积就近多点接地； 强电地线与信号地线分开设置；强电地线与信号地线分开设置； 模拟信号地线与数字信号地线分开设置；模拟信号地线与数字信号地线分开设置； 交流地线与直流地线分开设置；交流地线与直流地线分开设置；图图14-8 14-8 大面积多点接地大面积多点接地接地方式：接

13、地方式： 传感器接口电路的接地传感器接口电路的接地下页下页上页上页返回返回下页下页上页上页返回返回 检测装置与计算机系统的一点接地检测装置与计算机系统的一点接地图图14-9 14-9 三条地线与系统地线相联三条地线与系统地线相联下页下页上页上页返回返回3.3.浮空浮空 浮空又称浮置、浮接。如果检测装置的输入放大器浮空又称浮置、浮接。如果检测装置的输入放大器的公共线，既不接机壳也不接大地。则称为浮空。被浮的公共线，既不接机壳也不接大地。则称为浮空。被浮空的检测系统，其检测装置与机壳、大地没有任何导电空的检测系统，其检测装置与机壳、大地没有任何导电性的直接联系。性的直接联系。 浮空的目的是要阻断干

14、扰电流的通路。浮空后，检浮空的目的是要阻断干扰电流的通路。浮空后，检测电路的公共线与大地测电路的公共线与大地( (或机壳或机壳) )之间的阻抗很大，因此，之间的阻抗很大，因此，浮空与接地相比能更强地抑制共模干扰电流。浮空与接地相比能更强地抑制共模干扰电流。下页下页上页上页返回返回4.4.隔离隔离 当检测装置的信号测量电路及信号源在两端接地时，当检测装置的信号测量电路及信号源在两端接地时，很容易形成环路电流，引起干扰。这时就需要采用隔离很容易形成环路电流，引起干扰。这时就需要采用隔离的方法。特别当测量系统含有模拟与数字信号、低压与的方法。特别当测量系统含有模拟与数字信号、低压与高压混合电路时，必

15、须对电路各环节进行隔离。这样还高压混合电路时，必须对电路各环节进行隔离。这样还可以同时起到抑制漂移和安全保护的作用。可以同时起到抑制漂移和安全保护的作用。 隔离的方法主要是采用变压器隔离和光电耦合器。隔离的方法主要是采用变压器隔离和光电耦合器。下页下页上页上页返回返回图图14-14 14-14 光电隔离光电隔离图图14-15 14-15 变压器隔离变压器隔离图图14-16 14-16 微机的电源隔离微机的电源隔离下页下页上页上页返回返回 指双线电路中的两根导线与连接到这两根导线的指双线电路中的两根导线与连接到这两根导线的所有电路，对地或对其他导线的结构对称，且对应的所有电路，对地或对其他导线的

16、结构对称，且对应的阻抗相等。（如电桥电路）阻抗相等。（如电桥电路） 此结构可使电路所检拾的噪声相等，从而使负载此结构可使电路所检拾的噪声相等，从而使负载上的噪声电压互相抵消，抑制了干扰。上的噪声电压互相抵消，抑制了干扰。5.5.对称电路（平衡电路）对称电路（平衡电路）下页下页上页上页返回返回6.6.滤波滤波 滤波器是一种允许某一频带信号通过，而阻止滤波器是一种允许某一频带信号通过，而阻止 另某些频带通过的网络，是抑制干扰的有效的手段另某些频带通过的网络，是抑制干扰的有效的手段 之一，特别是对抑制经导线耦合到电路中的噪声干之一，特别是对抑制经导线耦合到电路中的噪声干 扰效果尤其显著。扰效果尤其显

17、著。 硬件滤波硬件滤波 软件滤波软件滤波u 算术平均值滤波算术平均值滤波u 限幅滤波限幅滤波u 滑动滤波滑动滤波u 加权滤波加权滤波 下页下页上页上页返回返回图图14-17 14-17 高频干扰电压对称滤波器高频干扰电压对称滤波器图图14-18 14-18 低频干扰电压滤波器低频干扰电压滤波器下页下页上页上页返回返回图图14-20 14-20 电源退耦滤波器电源退耦滤波器图图14-19 14-19 高、低频干扰电压滤波器高、低频干扰电压滤波器下页下页上页上页返回返回7.7.采用合适的连接电缆线采用合适的连接电缆线 连接电缆线尽量短；连接电缆线尽量短； 双绞线具有较强的防护能力，可使干扰电压大为

18、双绞线具有较强的防护能力，可使干扰电压大为 降低；降低； 间距小，对屏蔽网的分布电容及阻抗基本相同；间距小，对屏蔽网的分布电容及阻抗基本相同； 电磁感应电流方向相反，互相抵消；电磁感应电流方向相反，互相抵消；图图14-21 14-21 不同导线的电磁感应不同导线的电磁感应 a)a)平行线平行线 b)b)双绞线双绞线三、印刷电路板的抗干扰三、印刷电路板的抗干扰尽量采用插接式结构，且留有余地；尽量采用插接式结构，且留有余地；交直流分开，强弱电分开，输入交直流分开，强弱电分开，输入/ /输出分开；输出分开；集成器件电源和地线之间接入集成器件电源和地线之间接入0.010.1uf0.010.1uf陶瓷或

19、陶瓷或 独石电容，且电容引线要短；独石电容，且电容引线要短；电路之间连线应尽量短，避免长距离敷设；电路之间连线应尽量短，避免长距离敷设；电源线、地线应加粗或大面积辐射；电源线、地线应加粗或大面积辐射；跨接线不能过多；跨接线不能过多；采用双面线路板，正反面垂直交叉，避免直角走线。采用双面线路板，正反面垂直交叉，避免直角走线。下页下页上页上页返回返回14.2 14.2 多传感器数据融合技术多传感器数据融合技术 一、概念一、概念 传感器数据融合（传感器数据融合（Sensor Data FusionSensor Data Fusion）又称信息）又称信息融合，它是对多种信息的获取、表示及其内在联系进行

20、融合，它是对多种信息的获取、表示及其内在联系进行综合处理和优化的技术。传感器数据融合技术从多信息综合处理和优化的技术。传感器数据融合技术从多信息的视角进行分析及综合，以产生对被测对象统一的最佳的视角进行分析及综合，以产生对被测对象统一的最佳估计。估计。 多传感器数据融合的目的是利用多个传感器或联合多传感器数据融合的目的是利用多个传感器或联合操作的优势，提高传感器系统的有效性，消除少量传感操作的优势，提高传感器系统的有效性，消除少量传感器的局限性。最终目的是构造高性能智能化系统。器的局限性。最终目的是构造高性能智能化系统。下页下页上页上页返回返回下页下页上页上页返回返回二、意义及应用二、意义及应

21、用 单一传感器只能获得环境或被测对象的部分信息段，单一传感器只能获得环境或被测对象的部分信息段，而多传感器信息经过融合后能够完善地、准确地反映环境而多传感器信息经过融合后能够完善地、准确地反映环境的特征。经过融合后的传感器信息具有以下特征：的特征。经过融合后的传感器信息具有以下特征：信息冗信息冗余性、信息互补性、信息实时性、信息获取的低成本性余性、信息互补性、信息实时性、信息获取的低成本性。 传感器数据融合技术的理论和应用涉及到信息电子学、传感器数据融合技术的理论和应用涉及到信息电子学、计算机和自动化学多个学科，是一门应用广泛的综合性高计算机和自动化学多个学科，是一门应用广泛的综合性高新技术，

22、在军事、工业、交通、金融等众多领域得到广泛新技术，在军事、工业、交通、金融等众多领域得到广泛应用。应用。 三、数据融合的特性三、数据融合的特性 1.数据融合的时、空特性数据融合的时、空特性 l时间性：对观测目标在不同时间的观测值进行融合时间性：对观测目标在不同时间的观测值进行融合l空间性：对同一时刻不同空间位置的多传感器观测空间性：对同一时刻不同空间位置的多传感器观测进行融合进行融合l时间、空间同时考虑时间、空间同时考虑 2.数据融合的系统性数据融合的系统性 强调系统、整体协调强调系统、整体协调 下页下页上页上页返回返回四、数据融合的优点四、数据融合的优点 准确性和全面性准确性和全面性 冗余性

23、和容错性冗余性和容错性 互补性互补性 可靠性可靠性 实时性和经济性实时性和经济性 下页下页上页上页返回返回五、数据融合的层次五、数据融合的层次 1.1.原始层（数据层）原始层（数据层） 底层融合，对原始数据很少处理，直接综合。底层融合，对原始数据很少处理，直接综合。处理量大、实时性差，对信息配准性要求高。处理量大、实时性差，对信息配准性要求高。2.2.特征层特征层 从原始信息中提取典型特征信息。主要方法：从原始信息中提取典型特征信息。主要方法：神经网络、模糊聚类方法等。神经网络、模糊聚类方法等。3.3.决策层决策层 最高层次。对原始信息进行预处理，获得初步最高层次。对原始信息进行预处理，获得初

24、步的决策结果后进行融合。具有较好的容错性，的决策结果后进行融合。具有较好的容错性，数据处理量较大。数据处理量较大。下页下页上页上页返回返回六、数据融合模型六、数据融合模型下页下页上页上页返回返回七、数据融合结构形式七、数据融合结构形式 下页下页上页上页返回返回八、数据融合关键技术八、数据融合关键技术1.数据转换数据转换 不同层次、时间、空间信息不同层次、时间、空间信息坐标变换坐标变换 2.数据相关数据相关 将信息归为不同集合，保证数据的一致性将信息归为不同集合，保证数据的一致性3.态势数据库态势数据库 分为实时和非实时数据库。提供各种数据及分析结果、分为实时和非实时数据库。提供各种数据及分析结

25、果、中间结果及历史信息。中间结果及历史信息。4.融合计算融合计算 进行分析、综合进行分析、综合态势决策态势决策 下页下页上页上页返回返回九、数据融合方法九、数据融合方法1.1.随机方法随机方法l 加权平均法加权平均法l BayesBayes概率推理法概率推理法 用测量值的概率描述和先验知识计算备选假设的概用测量值的概率描述和先验知识计算备选假设的概率，并不断更新，确定被测对象的最佳估计。率，并不断更新，确定被测对象的最佳估计。 l Dempster-ShaferDempster-Shafer证据推理证据推理 利用鉴别框架，将不同的证据体（信息源）合并成利用鉴别框架，将不同的证据体（信息源）合并

26、成一个新的证据体一个新的证据体 l 卡尔曼滤波卡尔曼滤波 利用统计特征递推利用统计特征递推最优估计最优估计l 产生式规则产生式规则下页下页上页上页返回返回 模糊逻辑推理模糊逻辑推理 神经网络方法神经网络方法 智能融合方法智能融合方法 2.2.人工智能方法人工智能方法环境实际传感器分析抽象传感器类型数值计算传感器数学模型知识库信息融合环境实际传感器多传感器并行处理分析抽象感觉缓冲器环境信息控制信息下页下页上页上页返回返回下页下页上页上页返回返回十、十、应用实例应用实例1. 在机器人中的应用在机器人中的应用自主移动装配机器人自主移动装配机器人下页下页上页上页返回返回2.2.舰船上的应用舰船上的应用

27、 海军舰船传感器数据融合系统3.3.军事上的应用军事上的应用 军事多传感器数据融合系统下页下页上页上页返回返回下页下页上页上页返回返回14.3 14.3 虚拟仪器虚拟仪器14.3.1 14.3.1 虚拟仪器的出现虚拟仪器的出现 虚拟仪器虚拟仪器(Virtual Instruments) (Virtual Instruments) 是检测技术与是检测技术与计算机技术和通信技术有机结合的产物。它是美国国家计算机技术和通信技术有机结合的产物。它是美国国家仪器仪器( National Instruments) ( National Instruments) 公司于公司于1986 1986 年提出的。年

28、提出的。虚拟仪器是指在通用计算机上添加一层软件和一些硬件虚拟仪器是指在通用计算机上添加一层软件和一些硬件模块模块, , 使用户操作这台通用计算机就像操作一台真实的使用户操作这台通用计算机就像操作一台真实的仪器一样。虚拟仪器技术强调软件的作用仪器一样。虚拟仪器技术强调软件的作用, , 提出了提出了“软软件就是仪器件就是仪器”的概念。的概念。 充分利用计算机丰富的软硬件资源，可以较大突破传充分利用计算机丰富的软硬件资源，可以较大突破传统仪器在数据处理、表达、传递、存储等方面的限制，统仪器在数据处理、表达、传递、存储等方面的限制，达到传统仪器无法比拟的效果。还可以把仪器的三大达到传统仪器无法比拟的效

29、果。还可以把仪器的三大功能全部放在计算机上实现。功能全部放在计算机上实现。 在计算机中插入数据采集卡，然后，用软件在屏幕上在计算机中插入数据采集卡，然后，用软件在屏幕上生成仪器面板，用软件来进行信号处理分析，实现传生成仪器面板，用软件来进行信号处理分析，实现传统仪器的功能，这就是虚拟仪器。统仪器的功能，这就是虚拟仪器。 计算机技术和仪器技术结合：计算机技术和仪器技术结合： 下页下页上页上页返回返回虚拟仪器虚拟仪器 “软件就是仪器软件就是仪器” 具有虚拟仪器面板的个人计算机仪器。具有虚拟仪器面板的个人计算机仪器。 组成：组成：计算机、模块化功能硬件和控制软件。计算机、模块化功能硬件和控制软件。

30、操作人员通过友好的图形界面及图形化编程语言操作人员通过友好的图形界面及图形化编程语言控制仪器的运行，完成对被测量的采集、分析、判断、控制仪器的运行，完成对被测量的采集、分析、判断、显示、存储及数据生成。显示、存储及数据生成。 在虚拟仪器系统中，硬件仅仅是为了解决信号的在虚拟仪器系统中，硬件仅仅是为了解决信号的输入输出，软件才是整个仪表的关键。操作者可以通输入输出，软件才是整个仪表的关键。操作者可以通过修改软件的方法，方便地改变、增减仪器系统的功过修改软件的方法，方便地改变、增减仪器系统的功能与规模。能与规模。下页下页上页上页返回返回 虚拟仪器是在计算机上显示传统仪器面板，它将硬件电路完成的信号

31、调理和处理功能由计算14.3.2 虚拟仪器定义虚拟仪器定义机程序完成，这种硬件功能软件化是虚拟仪器的一大特征。下页下页上页上页返回返回 虚拟仪器是一种以计算机和测试模块的虚拟仪器是一种以计算机和测试模块的硬硬件为基础件为基础、以计算机、以计算机软件为核心软件为核心所构成的，并所构成的，并且在计算机显示屏幕上虚拟的仪器面板，以及且在计算机显示屏幕上虚拟的仪器面板，以及由计算机所完成的仪器功能，都可由用户软件由计算机所完成的仪器功能，都可由用户软件来定义的计算机仪器。来定义的计算机仪器。 定义：定义：下页下页上页上页返回返回虚拟仪器基于虚拟仪器基于“软件就是仪器软件就是仪器”的设计理念，具有的设计

32、理念，具有数据采集、数据采集、数据分析处理、结果输出显示数据分析处理、结果输出显示三大基本功能，而数据的实时三大基本功能，而数据的实时自动采集是其最基本功能。自动采集是其最基本功能。 虚拟仪器是利用虚拟仪器是利用PCPC机的显示功能模拟真实机的显示功能模拟真实仪器的控制面板仪器的控制面板, , 以多种形式表达输出检测结果以多种形式表达输出检测结果, , 利用利用PCPC软件功能实现信号的运算、分析、处理，软件功能实现信号的运算、分析、处理，由由I/OI/O接口设备完成信号的采集、测量与调理，从接口设备完成信号的采集、测量与调理，从而完成各种测试功能的一种计算机仪器系统。而完成各种测试功能的一种

33、计算机仪器系统。 “ “虚拟虚拟”二字主要包含两个方面的含义。二字主要包含两个方面的含义。 1 1 虚拟仪器的面板是虚拟的虚拟仪器的面板是虚拟的 2 2 虚拟仪器测量功能是由软件编程来实现的虚拟仪器测量功能是由软件编程来实现的下页下页上页上页返回返回 基于虚拟仪器的温度检测与控制虚拟数字电压表下页下页上页上页返回返回下页下页上页上页返回返回下页下页上页上页返回返回下页下页上页上页返回返回下页下页上页上页返回返回虚拟数字示波器的软面板虚拟数字示波器的软面板下页下页上页上页返回返回14.3.3 虚拟仪器的特点1 1）融合计算机强大的硬件资源，突破了传统仪器在数据融合计算机强大的硬件资源，突破了传统

34、仪器在数据处理、显示、存储等方面的限制，大大增强了传统仪器处理、显示、存储等方面的限制，大大增强了传统仪器的功能。的功能。2 2）利用了计算机丰富的软件资源，实现了部分仪器硬件）利用了计算机丰富的软件资源，实现了部分仪器硬件的软件化，增加了系统灵活性。的软件化，增加了系统灵活性。3 3）基于计算机总线和模块化仪器总线。）基于计算机总线和模块化仪器总线。4 4）基于计算机网络技术和接口技术，具有方便、灵活的）基于计算机网络技术和接口技术，具有方便、灵活的互联能力，广泛支持各种工业总线标准。互联能力，广泛支持各种工业总线标准。5 5）基于计算机的开放式标准体系结构。）基于计算机的开放式标准体系结构

35、。下页下页上页上页返回返回比较内容虚拟仪器 传统仪器系统构成软件和通用硬件。软件是关键 专用硬件系统开发周期开发时间短、技术要求低、系统通用性强开发时间长、技术要求高、系统功能较专一开发费用软件使得开发和维护费用降至最低开发与维修开销高技术更新周期短（1-2年）长（5-10年）价格价格低、可复用与可重配置性强价格昂贵功能可塑性用户定义仪器功能，柔性厂商定义仪器功能，刚性系统开放性开放、灵活，与计算机技术同步发展封闭、固定构成复杂系统能力易与网络及其他周边设备互连功能单一的独立设备人机交互无限的显示选项、界面友好有限的显示选项虚拟仪器与传统仪器的比较虚拟仪器与传统仪器的比较下页下页上页上页返回返

36、回14.3.4 虚拟仪器的发展下页下页上页上页返回返回计算机技术、软件技术、总线技术、网络技术、微计算机技术、软件技术、总线技术、网络技术、微电子技术的发展，及其在电子测量技术与仪器领域中电子技术的发展，及其在电子测量技术与仪器领域中的应用，使新测试理论、测试方法、测试技术不断出的应用，使新测试理论、测试方法、测试技术不断出现，仪器与系统的结构不断推陈出新，性能不断提高。现，仪器与系统的结构不断推陈出新，性能不断提高。计算机（计算机（PCPC机）处于核心地位，机）处于核心地位，计算机软件技术和计算机软件技术和仪器与测试系统更紧密结合仪器与测试系统更紧密结合成了一个有机整体。成了一个有机整体。在

37、上述的背景下，提出了全新概念的仪器在上述的背景下，提出了全新概念的仪器虚拟虚拟仪器。仪器。19861986年，美国国家仪器公司（年，美国国家仪器公司（NI, National NI, National InstrumentInstrument）提出了虚拟仪器（）提出了虚拟仪器（Virtual Virtual InstrumentationInstrumentation）的概念。）的概念。下页下页上页上页返回返回19901990年代，虚拟仪器得到业界广泛认可和应用，年代，虚拟仪器得到业界广泛认可和应用，相继推出了基于相继推出了基于GPIBGPIB总线、总线、PC-DAQPC-DAQ和和VXIVX

38、I总线、总线、PXIPXI总线等多种虚拟仪器系统。总线等多种虚拟仪器系统。虚拟仪器软件采用面向对象和可视化编程技术。虚拟仪器软件采用面向对象和可视化编程技术。底层驱动和上层应用软件融为一体。底层驱动和上层应用软件融为一体。虚拟仪器软件的标准化：虚拟仪器软件的标准化： VPPVPP（VXIVXI即插即用，即插即用，VXIplug&playVXIplug&play，19931993年）年） 和和VISAVISA（Virtual Virtual Instrument Software AInstrument Software Architecture, rchitecture, 虚拟仪器软虚拟仪器软

39、件体系结构）。件体系结构）。 IVI IVI（Interchangeable Virtual Interchangeable Virtual InstrumentsInstruments，可互换式虚拟仪器，可互换式虚拟仪器，19971997年）。年）。下页下页上页上页返回返回虚拟仪器技术的发展与展望虚拟仪器技术的发展与展望（1 1）新的总线技术的应用（如）新的总线技术的应用（如HS488HS488，1394b1394b等）。等）。（2 2）速度不断提高。）速度不断提高。（3 3）智能化、模块化、集成化是硬件发展的）智能化、模块化、集成化是硬件发展的主流。主流。（4 4）软件技术。第一是软件标准

40、化问题；第）软件技术。第一是软件标准化问题；第二是如何利用各种软件开发环境及工具，编二是如何利用各种软件开发环境及工具，编制出符合标准的应用软件。制出符合标准的应用软件。（5 5）网络化仪器系统。）网络化仪器系统。（6 6）应用范围更加广泛。）应用范围更加广泛。 14.4.1 概述概述 在实际生产过程中，存在着许多因为技术或经济原因无法在实际生产过程中，存在着许多因为技术或经济原因无法通过传感器进行直接测量的过程变量，如精馏塔的产品组通过传感器进行直接测量的过程变量，如精馏塔的产品组分浓度、生物发酵罐的菌体浓度、高炉铁水中的含硅量和分浓度、生物发酵罐的菌体浓度、高炉铁水中的含硅量和化学反应器中

41、反应物浓度、转化率、催化剂活性等化学反应器中反应物浓度、转化率、催化剂活性等 传统的解决方法有两种：传统的解决方法有两种： 采用间接的质量指标控制，难以保证最终质量指标的控制采用间接的质量指标控制，难以保证最终质量指标的控制精度；精度； 采用在线分析仪表控制，但设备投资大、维护成本高、存采用在线分析仪表控制，但设备投资大、维护成本高、存在较大的滞后性，影响调节效果。在较大的滞后性，影响调节效果。14.4 14.4 软测量技术软测量技术下页下页上页上页返回返回软测量（软测量（soft-sensing）概念）概念就是选择与被估计变量相关的一组可测变量，构造某种以可就是选择与被估计变量相关的一组可测

42、变量，构造某种以可测变量为输入、被估计变量为输出的数学模型，通过计算机测变量为输入、被估计变量为输出的数学模型，通过计算机软件实现对软件实现对无法直接测量无法直接测量的重要过程变量的估计；的重要过程变量的估计； 软测量的基本思想是把自动控制理论与生产工艺过程知识有软测量的基本思想是把自动控制理论与生产工艺过程知识有机结合起来，应用计算机技术，对于一些难于测量或暂时不机结合起来，应用计算机技术，对于一些难于测量或暂时不能测量的重要变量（主导变量），选择另外一些容易测量的能测量的重要变量（主导变量），选择另外一些容易测量的变量（辅助变量），通过构成某种数学关系来推断和估计，变量（辅助变量），通过构

43、成某种数学关系来推断和估计，以软件来代替硬件功能；以软件来代替硬件功能；软测量是一种利用较易在线测量的辅助变量和离线分析信息软测量是一种利用较易在线测量的辅助变量和离线分析信息去估计不可测或难测变量的方法；以成熟的传感器检测为基去估计不可测或难测变量的方法；以成熟的传感器检测为基础，以计算机技术为核心，通过软测量模型运算处理而完成。础，以计算机技术为核心，通过软测量模型运算处理而完成。 下页下页上页上页返回返回 14.4.2 软测量的方法软测量的方法 选择辅助变量选择辅助变量 辅助变量的选择一般取决于工艺机理分析辅助变量的选择一般取决于工艺机理分析 辅助变量的选择包括变量的类型、变量的数目辅助

44、变量的选择包括变量的类型、变量的数目和检测点位置的选择三个方面，它们相互关联，和检测点位置的选择三个方面，它们相互关联，并由过程特性所决定并由过程特性所决定 下页下页上页上页返回返回l 变量类型选择变量类型选择u 过程适用性过程适用性u 灵敏性灵敏性u 准确性准确性u 鲁棒性鲁棒性 l 变量数目选择变量数目选择 辅助变量个数的最小值为被估计主导变辅助变量个数的最小值为被估计主导变量的个数。量的个数。l 检测点位置选择检测点位置选择 下页下页上页上页返回返回u 处理输入数据处理输入数据 软测量的输入数据处理包括换算和数据误差处理软测量的输入数据处理包括换算和数据误差处理两个方面两个方面 换算：实

45、际测量数据可能有不同的工程单位，需换算：实际测量数据可能有不同的工程单位，需通过引入因子或加权系数等方法进行数据变换。通过引入因子或加权系数等方法进行数据变换。其直接影响过程模型的精度和非线性映射能力，其直接影响过程模型的精度和非线性映射能力，还影响着数值优化算法的运行效果。测量数据的还影响着数值优化算法的运行效果。测量数据的换算包括标度、转换和权函数三个方面换算包括标度、转换和权函数三个方面 数据误差处理主要针对随机误差和粗大误差数据误差处理主要针对随机误差和粗大误差 下页下页上页上页返回返回u 建立软测量模型建立软测量模型 软测量模型是在深入理解过程机理基础上，建立软测量模型是在深入理解过程机理基础上，建立的适用于估计的模型，这是软测量的核心的适用于估计的模型，这是软测量的核心 软测量模型不同于一般意义下的数学模型，强调软测量模型不同于一般意义下的数学模型，强调的是通过辅助变量来获得对主导变量的最佳估计的是通过辅助变量来获得对主导变量的最佳估计 机理建模、统计回归建模和人工神经网络建模等机理建模、统计回归建模和人工神经网络建模等 下页下页上页上页返回返回软测量模型软测量模型下页下页上页上页返回返回u 软测量模型的在线校正软测量模型的在线校正 由于过程的时变性，不可避免地要产生一定的偏差，造成由于过程的时变性，不可避免地要产