智能仪器与数据处理技术

专业概论一、仪器科学成为国家综合国力标志之一•仪器仪表是用以检出、测量、观察、计算各种物理量、物质成分、物性参数等的器具或设备。真空检漏仪、压力表、测长仪、显微镜、乘法器等均属于仪器仪表。广义来说，仪器仪表也可具有自动控制、报警、信号传递和数据处理等功能，例如用于工业生产过程自动控制中的气动调节仪表，电动调节仪表，以及集散型仪表控制系统也皆属于仪器仪表。•仪器仪表能改善、扩展或补充人的官能。人们用感觉器官去视、听、尝、摸外部事物，而显微镜、望远镜、声级计（噪声）、酸度计、高温计等仪器仪表，可以改善和扩展人的这些官能；另外，有些仪器仪表如磁强计、射线计数计等可感受和测量到人的感觉器官所不能感受到的物理量；还有些仪器仪表可以超过人的能力去记录、计算和计数，如高速照相机、计算机等。仪器仪表在当今社会中具有十分重要的地位。•现代高新技术发展与基础科学实验研究对仪器仪表的先进性依赖程度越来越高，先进的仪器设备既是知识创新和技术创新的前提，也是创新研究的主题内容之一和创新成就的重要体现形式。据统计，诺贝尔科技奖50%的授奖内容直接与新型科学仪器的研制和应用有关。•著名科学家王大珩先生指出，“机器是改造世界的工具，仪器是认识世界的工具”。仪器是工业生产的“倍增器”，是科学研究的“先行官”，是军事上的“战斗力”，是现代社会活动的“物化法官”。不言而喻，仪器在当今时代推动科学技术和国民经济的发展具有非常重要的地位。仪器仪表在当代社会的重要作用仪器仪表在当代社会的重要作用仪器仪表在当代社会的重要作用仪器仪表在当代社会的重要作用仪器仪表在当代社会的重要作用仪器仪表协会张汉权教授在09年社会力量奖项工作研讨会的讲话：“仪器仪表学科的整体发展水平将成为国家综合国力的重要标志之一”。国内仪器仪表行业发展需求及技术水平概况•1、企业群概况•我国仪器仪表行业经过几十年的发展，该行业企业总数达到1592家，其中有超大型企业80家，大型企业150家，中型企业300家，中小型企业600家，小型企业462家。职工总数为100.5万人，其中工程技术人员20.59万人，管理人员15.33万人。固定资产原值1146.96亿元，净产值907.49亿元，工业总产值按1990年不变价计算1344.13亿元，按现行价计算为1293.87亿元，利润总金额1112.92亿元，工业全员劳动生产率94.72万元/人年(按工业增加值计算)。2010/11/30/6:40来源：易展仪表展览网•2、产品种类应用范围及市场需求概况•目前我国国民经济在安全快速发展，在微观调控政策以及推行积极的财政政策下，扩展内需市场。国民经济各部门将有一大批企业为进一步提高产品质量和经济效益需要进行技术改造，尤其近两年对冶金、石化、发电厂等七大行业实行重点技术改造，对仪器仪表有较大的需求。在冶金、石化、热电厂等陆续消费进程的范畴中，需自动化仪器仪表及控制设备130万台(套)以上，其中主控安装(大型DCS、中小型DCS、PLC、单、多回路调理器)15多万台(套)，变送器约25万台，双金属温度计10万支，校验仪表达50多万台，调理阀20多万台，新一代现场工业控制系统仪器需求将有较大的增长。国内仪器仪表行业发展需求及技术水平概况•科研、教育、农业、环保、气候、医药卫生、地质和机电工业每年需求仪器仪表100万台以上(各类分光光度计2.5万台，汽车检测仪1.5万台，环境监测仪1.3万台，医疗仪器3万多台。•1998年仪器仪表行业的出口值为95.74亿元(自营出口创汇额7.12亿美元)，其中自动化仪表占4.2%，实验室仪器占2.20%，剖析仪器占0.45%，光学仪器占4.89%，照相机及器材占73.1%，电影机械占0.32%，电工仪器占6.91%。重要出口产物有电能表、显微镜、水表、煤气表、转速表、温度表、压力表、减压器等。•1999年仪器仪表行业出口额为25.8亿元，其中光学仪器3.33亿美元，大地及水道测量、陆地水文、气候等用仪器1.5亿美元，流量、液位、压力变送器等检测仪器5.49亿美元，理化分析仪3.26亿美元，电量及射线仪器3.5亿美元，分散型工业进程控制设备2.01亿美元，自动调理或控制仪器及安装3.75亿美元，未列名测量或检测仪器4.02亿美元。国内仪器仪表行业发展需求及技术水平概况2012年中国仪表仪器的发展趋势（来源中国仪器仪表网)•未来5年，我国对各类仪器仪表的市场需求很大，主要是：1、工业自动化仪表和控制系统当前，国民经济的运行正处于一个特殊的时期，在保持持续快速、健康发展的同时，要在基础设施，基础行业、农业、房地产业及高新技术等领域加大投资力度。因此，国民经济各部门在今后一段时期内，要新建一批重大工程项目，同时还有一大批企业为提高产品质量，提高经济效益保持较强的社会竞争力，需要进行技术改造，因此，从国民经济发展总趋势来看，对工业自动化仪表及控制系统将形成较大的社会需求。未来五年，年需求量的平均增速可达15%以上。2、科学仪器科学仪器按原机械系统仪器仪表分类方法，除包括各种分析仪器外，还包括光学仪器、试验机及实验室仪器三类。光学仪器主要包括各种显微镜（生物显微镜、体现显微镜及电子显微镜等）、大地测绘仪器（经纬仪，水准仪等）、光学计量仪器（工具显微镜、投影仪、角度测量仪器及机床附属光学仪器等）、物理光学仪器（摄谱仪、光量计、分光光度计、单色仪、偏振仪、折射仪等）及光学测试仪器等。2012年中国仪表仪器的发展趋势（来源中国仪器仪表网)•3、医疗仪器我国有13亿人口，31万多个医疗卫生机构，医疗仪器有广阔的市场。随着我国经济从温饱进入小康，人民生活水平和医疗情况有了显著改善，中国已成为全球医疗仪器十大新兴市场之一，已成为除日本以外亚洲最大的市场。仪器仪表的分类•仪器仪表是多种科学技术的综合产物，品种繁多，使用广泛，而且不断更新，有多种分类方法。•按使用目的和用途来分：仪器仪表的分类仪器仪表的性能指标•衡量仪器仪表性能的主要技术指标有精确度、灵敏度、响应时间等。•精确度表示仪表测量结果与被测量真值的一致程度。仪器仪表的精确度常用精确度等级来表示，如0．1级、0．2级、0．5级、1．0级、1．5级等，0．1级表示仪表总的误差不超过±0．1％范围。精确度等级数小，说明仪表的系统误差和随机误差都小，也就是这种仪表精密。•灵敏度表示当被测的量有一个很小的增量时与此增量引起仪表示值增量之比，它反映仪表能够测量的最小被测量：•响应时间是指仪表输入一个阶跃量时，其输出由初始值第一次到达最终稳定值的时间间隔，一般规定以到达稳定值的95％时的时间为准：此外，还有重复性、线性度、滞环、死区、漂移等性能技术指标。仪器仪表的发展趋势•科学技术的进步不断对仪器仪表提出更高更新的要求。在现代科学研究试验、精密测试系统、生产过程自动检测控制系统，以及各种管理自动化系统中，仪器仪表都是重要的技术工具。•为了进一步提高仪器仪表的各种性能，增强耐受各种苛刻使用环境的能力，提高可靠性和使用寿命，仪器仪表将不断利用新的工作原理和采用新材料及新的元器件。例如利用超声波微波、射线、红外线、核磁共振、超导、激光等原理，以及采用各种新型半导体敏感元件、集成电路、集成光路、光导纤维等元器件。其目的是实现仪器仪表的小型化、减轻重量、降低生产成本和便于使用与维修等。•另一重要的趋势是，通过微型计算机的使用来提高仪器仪表的性能，提高仪器仪表本身自动化、智能化程度和数据处理能力。仪器仪表不仅供单项使用，而且可以通过标准接口和数据通道，与电子计算机结合起来，组成各种测试控制管理综合系统，满足更高的要求。二、智能仪器概述•1、智能仪器的发展概况1、智能仪器的发展概况1、智能仪器的发展概况2、智能仪器的基本组成3、智能仪器的功能特点随着微电子技术的不断发展，集成了CPU、存储器、定时器/计数器、并行和串行接口、看门狗、前置放大器甚至A/D、D/A转换器等电路在一块芯片上的超大规模集成电路芯片(即单片机)出现了。以单片机为主体，将计算机技术与测量控制技术结合在一起，又组成了所谓的“智能化测量控制系统”，也就是智能仪器。3、智能仪器的主要功能和特点3、智能仪器的主要功能和特点3、智能仪器的主要功能和特点3、智能仪器的主要功能和特点3、智能仪器的主要功能和特点3、智能仪器的主要功能和特点3、智能仪器的主要功能和特点4、智能仪器的发展趋势4、智能仪器的发展趋势4、智能仪器的发展趋势4、智能仪器的发展趋势4、智能仪器的发展趋势•智能仪器发展趋势–总的来数，智能仪器是计算机科学、电子学、数字信号处理、人工智能、VLSI等新兴技术与传统的仪器仪表技术的结合。随着专用集成电路、个人仪器等相关技术的发展，智能仪器将会得到更加广泛的应用。作为智能仪器核心部件的单片计算机技术是推动智能仪器向小型化、多功能化、更加灵活的方向发展的动力。可以预料，各种功能的智能仪器在不远的将来会广泛地使用在社会的各个领域。典型智能仪器—数字多用表典型智能仪器—函数信号发生器典型智能仪器—数字存贮示波器典型智能仪器—频谱分析仪2、自动测试系统自动测量系统被测器件或过程GP-IB仪器总线…智能仪器应用实例——智能型电话遥控器三、智能仪器中的数据处理技术数据处理能力是智能仪器水平的标志,不能充分发挥软件作用,等同硬件化的数字式仪器.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。基本数据处理算法内容提要•克服随机误差的数字滤波算法•消除系统误差的算法、非线性校正•工程量的标度变换。•诸如频谱估计、相关分析、复杂滤波等算法，阅读数字信号处理方面的文献。1、克服随机误差的数字滤波算法•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。采用模拟滤波器是主要硬件方法。数字滤波算法的优点：（1）数字滤波是一个计算过程，通常用软件实现，在实时性要求高的情况下用FPGA实现，因此可靠性高。无需模拟电路，不存在阻抗匹配、特性波动、非一致性等问题。（2）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，因此数字滤波使用时方便灵活。常用的数字滤波算法一、克服大脉冲干扰的数字滤波法(非线性法）1．限幅滤波法2．中值滤波法3．基于拉依达准则的奇异数据滤波法二、抑制小幅度高频噪声的平均滤波法1．算数平均2．滑动平均3．加权滑动平均三、复合滤波法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，通常采用简单的非线性滤波法。•滤除脉冲干扰是仪器数据处理的第一步。1．限幅滤波法•限幅滤波法（又称程序判别法、增量判别法）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。1n2n1ny,y,y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及采样间隔Ts确定，即a=VmaxTs•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和采样间隔Ts。•适合对温度、压力等变化较慢测控系统2．中值滤波法•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。•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。•对温度、液位等缓慢变化（呈现单调变化）的被测参数，采用中值滤波法一般能收到良好的滤波效果。•设滤波器窗口的宽度为n=2k+1，离散时间信号x（i）的长度为N，（i=1，2，…，N；Nn），则当窗口在信号序列上滑动时，一维中值滤波器的输出:med