电气测量技术新发展.ppt

电气测量技术新发展电气测量技术新发展现在学习的是第1页，共40页第11章 电气测量技术新发展l11.1 误差修正技术l11.2 传感器自评估技术l11.3 多传感器数据融合l11.4 DSP技术在测量系统中的应用现在学习的是第2页，共40页11.1 误差修正技术l我们从时间角度，把误差分为我们从时间角度，把误差分为静态误差静态误差和和动态误差动态误差。静态误差包括通常所说的静态误差包括通常所说的系统误差系统误差和和随机误差随机误差。动态误差又可分为第一类和第二类动态误差又可分为第一类和第二类11.1.1 系统误差的数字修正11.1.2 动态误差的实时补偿 现在学习的是第3页，共40页11.1.1 系统误差的数字修正l提高传感器动态响应的快速性，可以从两提高传感器动态响应的快速性，可以从两方面入手方面入手:一是在传感器本身想办法，改变传感器的结构、一是在传感器本身想办法，改变传感器的结构、参数和设计。参数和设计。二是在传感器输出信号的后续处理方面想办法，二是在传感器输出信号的后续处理方面想办法，设计用于动态补偿的模拟或数字滤波器设计用于动态补偿的模拟或数字滤波器(通常通常称为动态补偿器称为动态补偿器)，对传感器的信号进行校正，对传感器的信号进行校正，改善其动态性能。传感器动态补偿器设计的方改善其动态性能。传感器动态补偿器设计的方法有零极点配置法、系统辨识法和神经网络方法有零极点配置法、系统辨识法和神经网络方法等法等 现在学习的是第4页，共40页1 零极点配置法零极点配置法例如，对于一个属于二阶系统的传感器，其传递函数为:现在学习的是第5页，共40页(1)一阶模型的补偿器一阶模型的补偿器AD590集成温度传感器可以等效为一阶系统设计动态补偿器为:经过动态补偿后，等效系统(传感器和补偿器的组合)为现在学习的是第6页，共40页(2)二阶模型的补偿器二阶模型的补偿器设传感器为二阶系统，其传递函数为有两种方法构造补偿器：第一种是将传感器的零极点全部消去，换上合适的极 点，此时，补偿器为:等效系统为 现在学习的是第7页，共40页对 进行变换，得：第二种方法是替换传感器的极点，不动零点。补偿器为 现在学习的是第8页，共40页两种方法比较两种方法比较l这两种方法的效果相当。但是，第一种方这两种方法的效果相当。但是，第一种方法得出的补偿器是三阶非齐次模型；第二法得出的补偿器是三阶非齐次模型；第二种是二阶齐次模型，较易实现，更为可靠。种是二阶齐次模型，较易实现，更为可靠。用零极点配置法设计补偿器，要依据传感用零极点配置法设计补偿器，要依据传感器的模型，所以，对传感器建模精度有一器的模型，所以，对传感器建模精度有一定要求，但是，并不严格。由于人为控制定要求，但是，并不严格。由于人为控制极点，补偿效果非常明显。对于高阶系统，极点，补偿效果非常明显。对于高阶系统，一可以采用降阶的方法去近似处理；二可一可以采用降阶的方法去近似处理；二可以用低阶补偿器去校正。以用低阶补偿器去校正。现在学习的是第9页，共40页2.系统辨识设计方法系统辨识设计方法l(1)理想的动态响应理想的动态响应设等效系统为一阶系统：设等效系统为二阶系统现在学习的是第10页，共40页(2)设计步骤设计步骤l把传感器的阶跃响应作为补偿器的输入，把传感器的阶跃响应作为补偿器的输入，把等效系统的理想阶跃响应作为补偿器的把等效系统的理想阶跃响应作为补偿器的输出，用最小二乘辨识方法建立补偿器的输出，用最小二乘辨识方法建立补偿器的模型。如果对传感器做阶跃响应法标定不模型。如果对传感器做阶跃响应法标定不方便，没有传感器的阶跃响应数据，可以方便，没有传感器的阶跃响应数据，可以依据其它标定方法的数据，建立传感器的依据其它标定方法的数据，建立传感器的模型，再计算出传感器的阶跃响应模型，再计算出传感器的阶跃响应 现在学习的是第11页，共40页11.2 传感器自评估技术l1121 问题的提出l1122 基本定义l1123 应用举例现在学习的是第12页，共40页1121 问题的提出l传感器受本身工作原理的限制、设计和制造方面的传感器受本身工作原理的限制、设计和制造方面的不足以及外界环境的干扰，使得其输出的测量结不足以及外界环境的干扰，使得其输出的测量结果有时不够准确和不可信。为了保证传感器测量果有时不够准确和不可信。为了保证传感器测量的质量和输出数据的可信，和英国科学家提出了的质量和输出数据的可信，和英国科学家提出了传感器自评估这一新的概念，指出传感器应该利传感器自评估这一新的概念，指出传感器应该利用各种可用的信息，通过分析原始数据、测量值用各种可用的信息，通过分析原始数据、测量值和辅助信号等，对自身的状态和性能做出一个内和辅助信号等，对自身的状态和性能做出一个内部的评估，给出有效测量数据，即当前测量值的部的评估，给出有效测量数据，即当前测量值的最佳估计和有效度指数。最佳估计和有效度指数。现在学习的是第13页，共40页1122 基本定义l它的输出有：被评估的测量值它的输出有：被评估的测量值(Validated Measurement Value,缩写为缩写为VMV)、被评估的不确、被评估的不确定度定度(Validated Uncertainty,缩写为缩写为VU)、测量值状、测量值状态态(Measurement Value Status)和设备状态。和设备状态。现在学习的是第14页，共40页1123 应用举例l传感器自评估技术已经在热电偶、溶解氧传感器自评估技术已经在热电偶、溶解氧传感器、科氏力质量流量计、涡街流量计传感器、科氏力质量流量计、涡街流量计和差压式流量计等中得到了应用。和差压式流量计等中得到了应用。现在学习的是第15页，共40页113 多传感器数据融合l11.3.1 基本概念l11.3.2 融合方法l11.3.3 应用举例现在学习的是第16页，共40页11.3.1 基本概念l1.工作原理工作原理多传感器数据融合就是像人脑综合处理信息一多传感器数据融合就是像人脑综合处理信息一样，充分利用多个传感器的资源，通过对这些样，充分利用多个传感器的资源，通过对这些传感器及其观测信息的合理支配和使用，把多传感器及其观测信息的合理支配和使用，把多个传感器在空间或者时间上的冗余或者互补信个传感器在空间或者时间上的冗余或者互补信息以某种准则来进行组合，以获得被测对象的息以某种准则来进行组合，以获得被测对象的一致性解释和描述。一致性解释和描述。现在学习的是第17页，共40页l2.基本定义基本定义比较全面的定义关于概括为：采用计算机技术，比较全面的定义关于概括为：采用计算机技术，对不同时间与空间的多传感器信息资源，按照对不同时间与空间的多传感器信息资源，按照一定准则加以分析、综合、支配和使用，获得一定准则加以分析、综合、支配和使用，获得被测对象的一致性解释与描述，以完成所需的被测对象的一致性解释与描述，以完成所需的决策或者评估。决策或者评估。现在学习的是第18页，共40页3.发展过程发展过程l在第二次世界大战末期，高炮火控系统中同时使用在第二次世界大战末期，高炮火控系统中同时使用了雷达和光学传感器。了雷达和光学传感器。l上个世纪上个世纪80年代初，多传感器数据融合的研究受到年代初，多传感器数据融合的研究受到更多学者的注意，相应的理论和技术也在孕育中。更多学者的注意，相应的理论和技术也在孕育中。l1984年美国成立了数据融合专家组，并把数据融合列为年美国成立了数据融合专家组，并把数据融合列为重点研究开发的重点研究开发的20项关键技术之一。项关键技术之一。l1998年，在机器人领域颇有影响的一些国际学术会议、年，在机器人领域颇有影响的一些国际学术会议、期刊都推出了传感器数据融合的专辑，自此，这一方向期刊都推出了传感器数据融合的专辑，自此，这一方向的研究变得十分活跃。的研究变得十分活跃。现在学习的是第19页，共40页4.主要作用主要作用l(1)提高信息的准确性和全面性。与一个传提高信息的准确性和全面性。与一个传感器相比，多传感器数据融合处理可以获感器相比，多传感器数据融合处理可以获得有关周围环境更准确、全面的信息；得有关周围环境更准确、全面的信息；l(2)降低信息的不确定性，一组相似的传感降低信息的不确定性，一组相似的传感器采集的信息存在明显的互补性，这种互器采集的信息存在明显的互补性，这种互补性经过适当处理后，可以对单一传感器补性经过适当处理后，可以对单一传感器的不确定性和测量范围的局限性进行补偿；的不确定性和测量范围的局限性进行补偿；l(3)提高系统的可靠性，某个或某几个传感提高系统的可靠性，某个或某几个传感器失效时，系统仍能正常运行；器失效时，系统仍能正常运行；现在学习的是第20页，共40页11.3.2 融合方法l1 处理过程处理过程由于被测对象多半为具有不同特征的非电量，如温度、压由于被测对象多半为具有不同特征的非电量，如温度、压力、声音、色彩和灰度等，所以首先要将它们转换为电信力、声音、色彩和灰度等，所以首先要将它们转换为电信号，然后经过号，然后经过AD变换将它们转换为能由计算机处理的数字变换将它们转换为能由计算机处理的数字量。数字化后电信号需经过预处理，以滤除数据采集过程中的量。数字化后电信号需经过预处理，以滤除数据采集过程中的干扰和噪声。对经处理后的有用信号作特征抽取，再进行数据干扰和噪声。对经处理后的有用信号作特征抽取，再进行数据融合；或者直接对信号进行数据融合。最后，输出融合的结果。融合；或者直接对信号进行数据融合。最后，输出融合的结果。现在学习的是第21页，共40页2 融合层次融合层次l数据融合层次的划分主要有两种方法。数据融合层次的划分主要有两种方法。第一种方法是将数据融合划分为低层（数据级第一种方法是将数据融合划分为低层（数据级或像素级）、中层（特征级）和高层（决策级）或像素级）、中层（特征级）和高层（决策级）。另一种方法将是将传感器集成和数据融合划分另一种方法将是将传感器集成和数据融合划分为信号级、证据级和动态级。为信号级、证据级和动态级。现在学习的是第22页，共40页局限性局限性l(1)由于所要处理的传感器信息量大，故处理代价由于所要处理的传感器信息量大，故处理代价高；高；l(2)融合是在信息最低层进行的，由于传感器的原融合是在信息最低层进行的，由于传感器的原始数据的不确定性、不完全性和不稳定性，要求始数据的不确定性、不完全性和不稳定性，要求在融合时有较高的纠错能力；在融合时有较高的纠错能力；l(3)由于要求各传感器信息之间具有精确到一个像由于要求各传感器信息之间具有精确到一个像素的配准精度，故要求传感器信息来自同质传感素的配准精度，故要求传感器信息来自同质传感器；器；l(4)通信量大。通信量大。现在学习的是第23页，共40页3主要方法主要方法l具体的数据融合算法有：具体的数据融合算法有：加权平均加权平均卡尔曼滤波卡尔曼滤波贝叶斯估计贝叶斯估计统计决策理论统计决策理论模糊逻辑法模糊逻辑法产生式规则法产生式规则法神经网络方法神经网络方法 现在学习的是第24页，共40页神经网络方法神经网络方法 基于神经网络的多传感器信息融合 现在学习的是第25页，共40页处理过程处理过程 l用选定的用选定的N个传感器检测系统状态；个传感器检测系统状态；l采集采集N个传感器的测量信号并进行预处理；个传感器的测量信号并进行预处理；l对预处理后的对预处理后的N个传感器信号进行特征选择；个传感器信号进行特征选择；l对特征信号进行归一化处理，为神经网络的输入提对特征信号进行归一化处理，为神经网络的输入提供标准形式；供标准形式；l将归一化的特征信息与已知的系统状态信息作为训练将归一化的特征信息与已知的系统状态信息作为训练样本，送神经网络进行训练，直到满足要求为止样本，送神经网络进行训练，直到满足要求为止 现在学习的是第26页，共40页1133 应用举例l在工业机器人、智能检测系统、工业过程在工业机器人、智能检测系统、工业过程监控、智能交通、遥感和军事等领域得到监控、智能交通、遥感和军事等领域得到应用。应用。现在学习的是第27页，共40页11.4 DSP技术在测量系统中的应用l1141 DSP的特点l1142 DSP的主要系列l1143 DSP应用举例现在学习的是第28页，共40页11.4.1 DSP的特点lDSP针对实时数字处理在处理器结构、指令系统、指针对实时数字处理在处理器结构、指令系统、指令流程上做了很大的改进，其令流程上做了很大的改进，其特点特点如下：如下：(1)哈佛结构哈佛结构(2)流水线操作流水线操作(3)硬件乘法器硬件乘法器/累加器累加器(4)取指令和存取多个数据的操作取指令和存取多个数据的操作(5)带有带有DMA通道控制器通道控制器 (6)配有中断处理器和定时控制器配有中断处理器和定时控制器(7)具有软、硬件等待功能具有软、硬件等待功能 现在学习的是第29页，共40页(1)哈佛结构哈佛结构lDSP普遍采用了数据总线和程序总线分离普遍采用了数据总线和程序总线分离的哈佛的哈佛(Harvard)结构及改进的哈佛结构，结构及改进的哈佛结构，比传统处理器的冯比传统处理器的冯诺依曼诺依曼(Von Neumann)结构有更高的指令执行速度。结构有更高的指令执行速度。现在学习的是第30页，共40页微处理器结构(a)冯诺伊曼结构(b)哈佛结构(c)超级哈佛结构现在学习的是第31页，共40页(2)流水线操作流水线操作l要执行一条要执行一条DSP指令需要通过取指令、译指令需要通过取指令、译码、取操作数和执行等几个阶段，码、取操作数和执行等几个阶段，DSP的的流水线是指它的几个阶段在程序执行过程流水线是指它的几个阶段在程序执行过程中是重叠的，即在执行本条指令的同时，中是重叠的，即在执行本条指令的同时，下面的三条指令也依次完成了取操作数、下面的三条指令也依次完成了取操作数、译码、取指令的操作。译码、取指令的操作。现在学习的是第32页，共40页(3)硬件乘法器硬件乘法器/累加器累加器l针对滤波、相关、矩阵运算等需要大量乘针对滤波、相关、矩阵运算等需要大量乘法累加运算的特点，法累加运算的特点，DSP大都配有独立的大都配有独立的乘法器和加法器，使得同一时钟周期内可乘法器和加法器，使得同一时钟周期内可以完成一次乘加运算。以完成一次乘加运算。现在学习的是第33页，共40页l(4)片内不仅有多条总线，可以同时进行取指令和存取片内不仅有多条总线，可以同时进行取指令和存取多个数据的操作，并且有辅助寄存器用于寻址，它们多个数据的操作，并且有辅助寄存器用于寻址，它们可以在寻址访问前或访问后自动修改内容，以指向下可以在寻址访问前或访问后自动修改内容，以指向下一个要访问的地址；一个要访问的地址；l(5)许多许多DSP带有带有DMA通道控制器，以及串行通信口等，通道控制器，以及串行通信口等，配合片内多总线结构，数据块传送速度大大提高；配合片内多总线结构，数据块传送速度大大提高；l(6)配有中断处理器和定时控制器，可以方便地构配有中断处理器和定时控制器，可以方便地构成一个小规模系统；成一个小规模系统；l(7)具有软、硬件等待功能，能与各种存储器接口。具有软、硬件等待功能，能与各种存储器接口。现在学习的是第34页，共40页11.4.2 DSP的主要系列lTI(美国德州仪器美国德州仪器)公司和公司和ADI(美国模拟器件美国模拟器件)公司公司 lADI公司公司16位定点位定点DSP芯片芯片ADSP-21xx、SHARC系列系列DSP芯片以及芯片以及TigerSHARC系系列列DSP芯片。芯片。lTMS320系列已有系列已有:C2000，C5000和和C6000系列。其中，系列。其中，C2000系列主要用于数字控制，系列主要用于数字控制，C5000系列主要用于系列主要用于数字通信，数字通信，C6000系列主要用于图像处理。系列主要用于图像处理。现在学习的是第35页，共40页11.4.3 DSP应用举例l1基于基于DSP的传感器动态补偿系统的传感器动态补偿系统l2.基于基于DSP的多传感器数据融合系统的多传感器数据融合系统现在学习的是第36页，共40页1基于基于DSP的传感器动态补偿系统的传感器动态补偿系统动态实时校正系统框图 现在学习的是第37页，共40页动态补偿结果1为腕力传感器输出信号，2为动态补偿结果现在学习的是第38页，共40页2.基于基于DSP的多传感器数据融合系统的多传感器数据融合系统系统硬件框图 现在学习的是第39页，共40页 软件总框图 现在学习的是第40页，共40页