传感器与检测技术第二版胡向东著第十四章现代检测技术.

下页返回第14章现代检测技术14.1抗干扰技术14.2多传感器信息融合技术14.3虚拟仪器14.4软测量技术本章要点一、概念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。分类：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14.1.1干扰与防护下页上页返回14.1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的总称。•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。•共模干扰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。)(lg20)(lg20dBKKdBUUCMRRmdcdcm共模干扰抑制比：下页上页返回下页上页返回二、干扰的分类及防护机械干扰热干扰光干扰湿度干扰化学干扰电磁干扰下页上页返回14.1.2噪声源与噪声耦合方式一、噪声与信噪比1.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描述，是随机过程。2.信噪比NSNSUUPPNSlg20lg10/信噪比用来衡量噪声对有用信号的影响下页上页返回二、噪声源即噪声的来源，主要包括放电噪声、电气设备噪声及设备固有噪声等。三、噪声的耦合方式1.噪声形成干扰的三要素：噪声源耦合通道接收电路图14-1噪声形成干扰的三要素下页上页返回电磁耦合（互感耦合）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，通过磁链影响到另一个电路。静电耦合（电容耦合）2.耦合方式（获得噪声或干扰的途径）图14-2电磁耦合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到另一个电路。图14-3静电耦合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。漏电耦合由于绝缘不良，流经绝缘电阻R的漏电流造成干扰。电源内阻抗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图14-4漏电耦合下页上页返回下页上页返回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成干扰。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，不断向外发射电磁波，对测量系统造成干扰。下页上页返回14.1.3常用抗干扰技术一、干扰的抑制消除或抑制噪声源破坏干扰途径削弱或降低接收电路对噪声的敏感性二、抗干扰措施1.屏蔽利用金属罩（铜、铝等铁磁材料）将信号源或测量电路包围起来。下页上页返回在静电场作用下，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内部，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。屏蔽的目的是隔断场的耦合，抑制各种场的干扰。分类：静电屏蔽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作用，即可同时起到电磁屏蔽和静电屏蔽两种作用。低频磁屏蔽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。下页上页返回驱动屏蔽图14-5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电位相等。它能有效抑制通过寄生电容的耦合干扰。下页上页返回下页上页返回2.接地目的：保证人身及设备安全抑制干扰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：不使其形成地环路。地线种类屏蔽接地线或机壳接地线信号接地线（模拟、数字接地线）负载接地线交流电源地线下页上页返回接地原则：低频电路（f＜1MHz）一点接地；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。图14-6单级电路的一点接地a)任意点接地b)一点接地图14-7多级电路的一点接地a)串联接地b)并联接地下页上页返回高频电路（f＞10MHz）大面积就近多点接地；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；交流地线与直流地线分开设置；图14-8大面积多点接地接地方式：传感器接口电路的接地下页上页返回下页上页返回检测装置与计算机系统的一点接地图14-9三条地线与系统地线相联下页上页返回3.浮空浮空又称浮置、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。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(或机壳)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。下页上页返回4.隔离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。隔离的方法主要是采用变压器隔离和光电耦合器。下页上页返回图14-14光电隔离图14-15变压器隔离图14-16微机的电源隔离下页上页返回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，从而使负载上的噪声电压互相抵消，抑制了干扰。5.对称电路（平衡电路）下页上页返回6.滤波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。硬件滤波软件滤波算术平均值滤波限幅滤波滑动滤波加权滤波下页上页返回图14-17高频干扰电压对称滤波器图14-18低频干扰电压滤波器下页上页返回图14-20电源退耦滤波器图14-19高、低频干扰电压滤波器下页上页返回7.采用合适的连接电缆线连接电缆线尽量短；双绞线具有较强的防护能力，可使干扰电压大为降低；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；图14-21不同导线的电磁感应a)平行线b)双绞线三、印刷电路板的抗干扰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/输出分开；集成器件电源和地线之间接入0.01―0.1uf陶瓷或独石电容，且电容引线要短；电路之间连线应尽量短，避免长距离敷设；电源线、地线应加粗或大面积辐射；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。下页上页返回14.2多传感器数据融合技术一、概念传感器数据融合（SensorDataFusion）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估计。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，消除少量传感器的局限性。最终目的是构造高性能智能化系统。下页上页返回下页上页返回二、意义及应用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、准确地反映环境的特征。经过融合后的传感器信息具有以下特征：信息冗余性、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、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，在军事、工业、交通、金融等众多领域得到广泛应用。三、数据融合的特性1.数据融合的时、空特性时间性：对观测目标在不同时间的观测值进行融合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时间、空间同时考虑2.数据融合的系统性强调系统、整体协调下页上页返回四、数据融合的优点•准确性和全面性•冗余性和容错性•互补性•可靠性•实时性和经济性下页上页返回五、数据融合的层次1.原始层（数据层）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。2.特征层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。3.决策层最高层次。对原始信息进行预处理，获得初步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。下页上页返回六、数据融合模型特征提取分类决策识别参数估计传感器1传感器3传感器2目标状态测量目标属性测量低层处理高层处理状态向量特征、属性下页上页返回七、数据融合结构形式信息融合中心传感器1传感器N传感器2传感器1输入传感器2输入传感器N输入最终融合结果……传感器1传感器N传感器2传感器1输入传感器2输入传感器N输入最终融合结果……传感器1输出传感器2输出次级融合中心初级融合中心1传感器1传感器M传感器2传感器1输入传感器2输入传感器M输入最终融合结果…………初级融合中心L传感器1传感器N传感器2传感器1输入传感器2输入传感器N输入…………下页上页返回八、数据融合关键技术1.数据转换不同层次、时间、空间信息→坐标变换2.数据相关将信息归为不同集合，保证数据的一致性3.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、中间结果及历史信息。4.融合计算进行分析、综合→态势决策下页上页返回九、数据融合方法1.随机方法加权平均法Bayes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率，并不断更新，确定被测对象的最佳估计。Dempster-Shafer证据推理利用鉴别框架，将不同的证据体（信息源）合并成一个新的证据体卡尔曼滤波利用统计特征递推→最优估计产生式规则下页上页返回•模糊逻辑推理•神经网络方法•智能融合方法2.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上页返回下页上页返回十、应用实例1.在机器人中的应用自主移动装配机器人下页上页返回2.舰船上的应用海军舰船传感器数据融合系统3.军事上的应用军事多传感器数据融合系统下页上页返回下页上页返回14.3虚拟仪器14.3.1虚拟仪器的出现虚拟仪器(VirtualInstruments)是检测技术与计算机技术和通信技术有机结合的产物。它是美国国家仪器(NationalInstruments)公司于1986年提出的。虚拟仪器是指在通用计算机上添加一层软件和一些硬件模块,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,提出了“软件就是仪器”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。计算机技术和仪器技术结合：下页上页返回虚拟仪器“软件就是仪器”具有虚拟仪器面板的个人计算机仪器。组成：计算机、模块化功能硬件和控制软件。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、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、增减仪器系统的功能与规模。下页上页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调理和处理功能由计算14.3.2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。下页上页返回虚拟仪器是一种以计算机和测试模块的硬件为基础、以计算机软件为核心所构成的，并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，都可由用户软件来定义的计算机仪器。定义：下页上页返回•虚拟仪器基于“软件就是仪器”的设计理念，具有数据采集、数据分析处理、结果输出显示三大基本功能，而数据的实时自动采集是其最基本功能。虚拟