1、下頁下頁返回返回第第1414章章 現代檢測技術現代檢測技術 14.1 14.1 抗干擾技術抗干擾技術 14.2 14.2 多傳感器信息融合技術多傳感器信息融合技術 14.3 14.3 虛擬儀器虛擬儀器 14.4 14.4 軟測量技術軟測量技術 本章要點本章要點一、概念一、概念 干擾是指影響測量裝置和儀表正常工作的各種干擾是指影響測量裝置和儀表正常工作的各種外部和內部的無用信號。外部和內部的無用信號。 分類：分類：內部干擾：正確設計，部件合理布局、選用內部干擾：正確設計，部件合理布局、選用外部干擾：采取抗干擾措施外部干擾：采取抗干擾措施14.1.1 14.1.1 干擾與防護干擾與防護下頁下頁上頁

2、上頁返回返回14.1 14.1 抗干擾技術抗干擾技術 防護是指消除或減弱各種干擾影響的全部技術措施防護是指消除或減弱各種干擾影響的全部技術措施 的總稱。的總稱。差模干擾差模干擾 檢測系統的一個信號輸入端相對于另一個信號輸檢測系統的一個信號輸入端相對于另一個信號輸入端的電位發生變化，即干擾信號與有用信號串聯起入端的電位發生變化，即干擾信號與有用信號串聯起來一起進入輸入端。來一起進入輸入端。共模干擾共模干擾 相對于公共的電位基準點（通常為接地點），在相對于公共的電位基準點（通常為接地點），在檢測系統的兩個輸入端同時出現干擾。檢測系統的兩個輸入端同時出現干擾。)(lg20)(lg20dBKKdBUU

3、CMRRmdcdcm共模干擾抑制比：共模干擾抑制比：下頁下頁上頁上頁返回返回下頁下頁上頁上頁返回返回二、干擾的分類及防護二、干擾的分類及防護q 機械干擾機械干擾q 熱干擾熱干擾q 光干擾光干擾q 濕度干擾濕度干擾q 化學干擾化學干擾q 電磁干擾電磁干擾下頁下頁上頁上頁返回返回14.1.2 14.1.2 噪聲源與噪聲耦合方式噪聲源與噪聲耦合方式一、噪聲與信噪比一、噪聲與信噪比 1.1.噪聲噪聲 在檢測儀表中出現的不希望存在的變化無規律的無用在檢測儀表中出現的不希望存在的變化無規律的無用信號即為噪聲。干擾即為噪聲造成的不良效應。信號即為噪聲。干擾即為噪聲造成的不良效應。 噪聲不能用確定的時間函數來

4、描述，是隨機過程。噪聲不能用確定的時間函數來描述，是隨機過程。 2.2.信噪比信噪比 NSNSUUPPNSlg20lg10/信噪比用來衡量噪聲對有用信號的影響信噪比用來衡量噪聲對有用信號的影響下頁下頁上頁上頁返回返回 二、噪聲源二、噪聲源 即噪聲的來源，主要包括放電噪聲、電氣設備即噪聲的來源，主要包括放電噪聲、電氣設備噪聲及設備固有噪聲等。噪聲及設備固有噪聲等。三、噪聲的耦合方式三、噪聲的耦合方式 1. 1.噪聲形成干擾的三要素：噪聲形成干擾的三要素：噪聲源噪聲源耦合通道耦合通道接收電路接收電路圖圖14-1 14-1 噪聲形成干擾的三要素噪聲形成干擾的三要素下頁下頁上頁上頁返回返回電磁耦合（互

5、感耦合）電磁耦合（互感耦合） 由于兩個電路之間存在互感，使由于兩個電路之間存在互感，使得當一個電路的電流變化時，通過磁得當一個電路的電流變化時，通過磁鏈影響到另一個電路。鏈影響到另一個電路。靜電耦合（電容耦合）靜電耦合（電容耦合）2.2.耦合方式（獲得噪聲或干擾的途徑）耦合方式（獲得噪聲或干擾的途徑）圖圖14-2 14-2 電磁耦合電磁耦合 由于兩個電路之間存在著寄生由于兩個電路之間存在著寄生電容，使一個電路的電荷變化影響電容，使一個電路的電荷變化影響到另一個電路。到另一個電路。圖圖14-3 14-3 靜電靜電耦合耦合 共阻抗耦合共阻抗耦合 由于幾個電路之間有公共阻抗，當一個電路中的由于幾個電

6、路之間有公共阻抗，當一個電路中的電流流經公共阻抗產生壓降時，就形成對其它電路的電流流經公共阻抗產生壓降時，就形成對其它電路的干擾電壓。干擾電壓。 漏電耦合漏電耦合 由于絕緣不良，流經絕緣由于絕緣不良，流經絕緣電阻電阻R R的漏電流造成干擾。的漏電流造成干擾。電源內阻抗的共阻抗耦合電源內阻抗的共阻抗耦合公共地線的共阻抗耦合公共地線的共阻抗耦合信號輸出電路的共阻抗耦合信號輸出電路的共阻抗耦合圖圖14-4 14-4 漏電漏電耦合耦合下頁下頁上頁上頁返回返回下頁下頁上頁上頁返回返回 傳導耦合傳導耦合 經導線檢拾到噪聲，再經其傳輸到噪聲接收電路而形經導線檢拾到噪聲，再經其傳輸到噪聲接收電路而形成干擾。成

7、干擾。 輻射電磁場耦合輻射電磁場耦合 大功率的高頻電氣設備、廣播、電視、通訊發射臺等，大功率的高頻電氣設備、廣播、電視、通訊發射臺等，不斷向外發射電磁波，對測量系統造成干擾。不斷向外發射電磁波，對測量系統造成干擾。下頁下頁上頁上頁返回返回14.1.3 14.1.3 常用抗干擾技術常用抗干擾技術一、干擾的抑制一、干擾的抑制 消除或抑制噪聲源消除或抑制噪聲源 破壞干擾途徑破壞干擾途徑 削弱或降低接收電路對噪聲的敏感性削弱或降低接收電路對噪聲的敏感性 二、抗干擾措施二、抗干擾措施 1.1.屏蔽屏蔽 利用金屬罩（銅、鋁等鐵磁材料）將信號源或測利用金屬罩（銅、鋁等鐵磁材料）將信號源或測量電路包圍起來。量

8、電路包圍起來。下頁下頁上頁上頁返回返回 在靜電場作用下，導體內部無電力線，即各點等電位。在靜電場作用下，導體內部無電力線，即各點等電位。因此采用導電性能良好的金屬外屏蔽罩，并將它接地（靜因此采用導電性能良好的金屬外屏蔽罩，并將它接地（靜電屏蔽罩必須與被屏蔽電路的零信號基準電位相連），使電屏蔽罩必須與被屏蔽電路的零信號基準電位相連），使其內部的電力線不外傳，同時也不使外部的電力線影響其其內部的電力線不外傳，同時也不使外部的電力線影響其內部，內部， 靜電屏蔽能防止靜電場的影響，用它可以消除或削弱靜電屏蔽能防止靜電場的影響，用它可以消除或削弱兩電路之間由于寄生分布電容耦合而產生的干擾。兩電路之間由于

9、寄生分布電容耦合而產生的干擾。屏蔽的目的是隔斷場的耦合，抑制各種場的干擾。屏蔽的目的是隔斷場的耦合，抑制各種場的干擾。分類：分類： 靜電屏蔽靜電屏蔽 電磁屏蔽電磁屏蔽 電磁屏蔽是采用導電良好的金屬材料做成屏蔽電磁屏蔽是采用導電良好的金屬材料做成屏蔽層，利用高頻干擾電磁場在屏蔽體內產生渦流，再層，利用高頻干擾電磁場在屏蔽體內產生渦流，再利用渦流消耗高頻干擾磁場的能量，從而削弱高頻利用渦流消耗高頻干擾磁場的能量，從而削弱高頻電磁場的影響。電磁場的影響。 若將電磁屏蔽層接地，則同時兼有靜電屏蔽的若將電磁屏蔽層接地，則同時兼有靜電屏蔽的作用，即可同時起到電磁屏蔽和靜電屏蔽兩種作用。作用，即可同時起到電

10、磁屏蔽和靜電屏蔽兩種作用。 低頻磁屏蔽低頻磁屏蔽 采用高導磁材料作屏蔽層，使低頻干擾磁通被采用高導磁材料作屏蔽層，使低頻干擾磁通被限制在磁阻很小的磁屏蔽層內部，防止其干擾。限制在磁阻很小的磁屏蔽層內部，防止其干擾。下頁下頁上頁上頁返回返回 驅動屏蔽驅動屏蔽圖圖14-5 14-5 驅動屏蔽驅動屏蔽 驅動屏蔽就是使被屏蔽導體的電位與屏蔽導體的驅動屏蔽就是使被屏蔽導體的電位與屏蔽導體的電位相等。它能有效抑制通過寄生電容的耦合干擾。電位相等。它能有效抑制通過寄生電容的耦合干擾。下頁下頁上頁上頁返回返回下頁下頁上頁上頁返回返回2.2.接地接地 目的：目的： 保證人身及設備安全保證人身及設備安全 抑制干擾

11、抑制干擾 消除各電路電流流經公共地線時所產生的噪消除各電路電流流經公共地線時所產生的噪聲電壓以及免受電磁場和地電位差的影響，即：聲電壓以及免受電磁場和地電位差的影響，即：不使其形成地環路。不使其形成地環路。地線種類地線種類 屏蔽接地線或機殼接地線屏蔽接地線或機殼接地線 信號接地線（模擬、數字接地線）信號接地線（模擬、數字接地線） 負載接地線負載接地線 交流電源地線交流電源地線下頁下頁上頁上頁返回返回接地原則：接地原則： 低頻電路（低頻電路（f f1MHz1MHz）一點接地；）一點接地； 可有效克服地電位差的影響和公共地線的共可有效克服地電位差的影響和公共地線的共阻抗引起的干擾。阻抗引起的干擾。

12、 圖圖14-6 14-6 單級電路的一點接地單級電路的一點接地 a)a)任意點接地任意點接地 b)b)一點接地一點接地圖圖14-7 14-7 多級電路的一點接地多級電路的一點接地 a)a)串聯接地串聯接地 b)b)并聯接地并聯接地下頁下頁上頁上頁返回返回 高頻電路（高頻電路（f f10MHz10MHz）大面積就近多點接地；）大面積就近多點接地； 強電地線與信號地線分開設置；強電地線與信號地線分開設置； 模擬信號地線與數字信號地線分開設置；模擬信號地線與數字信號地線分開設置； 交流地線與直流地線分開設置；交流地線與直流地線分開設置；圖圖14-8 14-8 大面積多點接地大面積多點接地接地方式：接

13、地方式： 傳感器接口電路的接地傳感器接口電路的接地下頁下頁上頁上頁返回返回下頁下頁上頁上頁返回返回 檢測裝置與計算機系統的一點接地檢測裝置與計算機系統的一點接地圖圖14-9 14-9 三條地線與系統地線相聯三條地線與系統地線相聯下頁下頁上頁上頁返回返回3.3.浮空浮空 浮空又稱浮置、浮接。如果檢測裝置的輸入放大器浮空又稱浮置、浮接。如果檢測裝置的輸入放大器的公共線，既不接機殼也不接大地。則稱為浮空。被浮的公共線，既不接機殼也不接大地。則稱為浮空。被浮空的檢測系統，其檢測裝置與機殼、大地沒有任何導電空的檢測系統，其檢測裝置與機殼、大地沒有任何導電性的直接聯系。性的直接聯系。 浮空的目的是要阻斷干

14、擾電流的通路。浮空后，檢浮空的目的是要阻斷干擾電流的通路。浮空后，檢測電路的公共線與大地測電路的公共線與大地( (或機殼或機殼) )之間的阻抗很大，因此，之間的阻抗很大，因此，浮空與接地相比能更強地抑制共模干擾電流。浮空與接地相比能更強地抑制共模干擾電流。下頁下頁上頁上頁返回返回4.4.隔離隔離 當檢測裝置的信號測量電路及信號源在兩端接地時，當檢測裝置的信號測量電路及信號源在兩端接地時，很容易形成環路電流，引起干擾。這時就需要采用隔離很容易形成環路電流，引起干擾。這時就需要采用隔離的方法。特別當測量系統含有模擬與數字信號、低壓與的方法。特別當測量系統含有模擬與數字信號、低壓與高壓混合電路時，必

15、須對電路各環節進行隔離。這樣還高壓混合電路時，必須對電路各環節進行隔離。這樣還可以同時起到抑制漂移和安全保護的作用。可以同時起到抑制漂移和安全保護的作用。 隔離的方法主要是采用變壓器隔離和光電耦合器。隔離的方法主要是采用變壓器隔離和光電耦合器。下頁下頁上頁上頁返回返回圖圖14-14 14-14 光電隔離光電隔離圖圖14-15 14-15 變壓器隔離變壓器隔離圖圖14-16 14-16 微機的電源隔離微機的電源隔離下頁下頁上頁上頁返回返回 指雙線電路中的兩根導線與連接到這兩根導線的指雙線電路中的兩根導線與連接到這兩根導線的所有電路，對地或對其他導線的結構對稱，且對應的所有電路，對地或對其他導線的

16、結構對稱，且對應的阻抗相等。（如電橋電路）阻抗相等。（如電橋電路） 此結構可使電路所檢拾的噪聲相等，從而使負載此結構可使電路所檢拾的噪聲相等，從而使負載上的噪聲電壓互相抵消，抑制了干擾。上的噪聲電壓互相抵消，抑制了干擾。5.5.對稱電路（平衡電路）對稱電路（平衡電路）下頁下頁上頁上頁返回返回6.6.濾波濾波 濾波器是一種允許某一頻帶信號通過，而阻止濾波器是一種允許某一頻帶信號通過，而阻止 另某些頻帶通過的網絡，是抑制干擾的有效的手段另某些頻帶通過的網絡，是抑制干擾的有效的手段 之一，特別是對抑制經導線耦合到電路中的噪聲干之一，特別是對抑制經導線耦合到電路中的噪聲干 擾效果尤其顯著。擾效果尤其顯

17、著。 硬件濾波硬件濾波 軟件濾波軟件濾波u 算術平均值濾波算術平均值濾波u 限幅濾波限幅濾波u 滑動濾波滑動濾波u 加權濾波加權濾波 下頁下頁上頁上頁返回返回圖圖14-17 14-17 高頻干擾電壓對稱濾波器高頻干擾電壓對稱濾波器圖圖14-18 14-18 低頻干擾電壓濾波器低頻干擾電壓濾波器下頁下頁上頁上頁返回返回圖圖14-20 14-20 電源退耦濾波器電源退耦濾波器圖圖14-19 14-19 高、低頻干擾電壓濾波器高、低頻干擾電壓濾波器下頁下頁上頁上頁返回返回7.7.采用合適的連接電纜線采用合適的連接電纜線 連接電纜線盡量短；連接電纜線盡量短； 雙絞線具有較強的防護能力，可使干擾電壓大為

18、雙絞線具有較強的防護能力，可使干擾電壓大為 降低；降低； 間距小，對屏蔽網的分布電容及阻抗基本相同；間距小，對屏蔽網的分布電容及阻抗基本相同； 電磁感應電流方向相反，互相抵消；電磁感應電流方向相反，互相抵消；圖圖14-21 14-21 不同導線的電磁感應不同導線的電磁感應 a)a)平行線平行線 b)b)雙絞線雙絞線三、印刷電路板的抗干擾三、印刷電路板的抗干擾盡量采用插接式結構，且留有余地；盡量采用插接式結構，且留有余地；交直流分開，強弱電分開，輸入交直流分開，強弱電分開，輸入/ /輸出分開；輸出分開；集成器件電源和地線之間接入集成器件電源和地線之間接入0.010.1uf0.010.1uf陶瓷或

19、陶瓷或 獨石電容，且電容引線要短；獨石電容，且電容引線要短；電路之間連線應盡量短，避免長距離敷設；電路之間連線應盡量短，避免長距離敷設；電源線、地線應加粗或大面積輻射；電源線、地線應加粗或大面積輻射；跨接線不能過多；跨接線不能過多；采用雙面線路板，正反面垂直交叉，避免直角走線。采用雙面線路板，正反面垂直交叉，避免直角走線。下頁下頁上頁上頁返回返回14.2 14.2 多傳感器信息融合技術多傳感器信息融合技術|14.2.1 14.2.1 概念概念 傳感器信息融合（傳感器信息融合（Sensor Data FusionSensor Data Fusion）又稱數據）又稱數據融合，它是對多種信息的獲取、

20、表示及其內在聯系進行融合，它是對多種信息的獲取、表示及其內在聯系進行綜合處理和優化的技術。傳感器融合技術從多信息的視綜合處理和優化的技術。傳感器融合技術從多信息的視角進行處理及綜合，得到各種信息的內在聯系和規律，角進行處理及綜合，得到各種信息的內在聯系和規律，從而剔除無用的和錯誤的信息，保留正確的和有用的成從而剔除無用的和錯誤的信息，保留正確的和有用的成分，最終實現信息的優化。分，最終實現信息的優化。 定義定義：將經過集成處理的多傳感器信息進行合成，將經過集成處理的多傳感器信息進行合成，形成一種對外部環境或被測對象某一特征的表達方式。形成一種對外部環境或被測對象某一特征的表達方式。下頁下頁上頁

21、上頁返回返回下頁下頁上頁上頁返回返回|14.2.2 14.2.2 意義及應用意義及應用 單一傳感器只能獲得環境或被測對象的部分信息段，單一傳感器只能獲得環境或被測對象的部分信息段，而多傳感器信息經過融合后能夠完善地、準確地反映環境而多傳感器信息經過融合后能夠完善地、準確地反映環境的特征。經過融合后的傳感器信息具有以下特征：的特征。經過融合后的傳感器信息具有以下特征：信息冗信息冗余性、信息互補性、信息實時性、信息獲取的低成本性余性、信息互補性、信息實時性、信息獲取的低成本性。 傳感器信息融合技術的理論和應用涉及到信息電子學、傳感器信息融合技術的理論和應用涉及到信息電子學、計算機和自動化學多個學科

22、，是一門應用廣泛的綜合性高計算機和自動化學多個學科，是一門應用廣泛的綜合性高新技術。新技術。 1 1信息電子學領域信息電子學領域 2 2計算機科學領域計算機科學領域 3 3自動化領域自動化領域下頁下頁上頁上頁返回返回14.2.3 14.2.3 多傳感器信息融合的分類和結構多傳感器信息融合的分類和結構 分類分類1 1組合（多傳感器）組合（多傳感器） 組合是由組合成平行或互補方式的多個傳感器的多組數組合是由組合成平行或互補方式的多個傳感器的多組數據來獲得輸出的一種處理方法。據來獲得輸出的一種處理方法。2 2綜合綜合 綜合是信息優化處理中的一種獲得明確信息的有效方法。綜合是信息優化處理中的一種獲得明

23、確信息的有效方法。3 3融合融合 將傳感器數據組之間進行相關或將傳感器數據與系統內部將傳感器數據組之間進行相關或將傳感器數據與系統內部的指示模型進行相關，產生信息的一個新的表達式。的指示模型進行相關，產生信息的一個新的表達式。4 4相關相關 對信息進行綜合和優化。對信息進行綜合和優化。下頁下頁上頁上頁返回返回 結構結構圖14-22 信息融合的串聯（a）和并聯（b）結構下頁下頁上頁上頁返回返回14.2.4 多傳感器信息融合的一般方法多傳感器信息融合的一般方法1 1 嵌入約束法嵌入約束法| BayesBayes估計估計| 卡爾曼濾波卡爾曼濾波2 2 證據組合法證據組合法| 概率統計方法概率統計方法

24、| Dempster-ShaferDempster-Shafer證據推理證據推理3 3 人工神經網絡法人工神經網絡法下頁下頁上頁上頁返回返回14.2.5 多傳感器信息融合實例多傳感器信息融合實例1. 多傳感器信息融合在機器人中的應用多傳感器信息融合在機器人中的應用圖14-23 多傳感器信息融合自主移動裝配機器人下頁下頁上頁上頁返回返回2.2.艦船上的多傳感器信息融合艦船上的多傳感器信息融合圖14-24 海軍艦船傳感器信息融合系統下頁下頁上頁上頁返回返回14.3 14.3 虛擬儀器虛擬儀器14.3.1 14.3.1 虛擬儀器的出現虛擬儀器的出現 虛擬儀器虛擬儀器(Virtual Instrume

25、nts) (Virtual Instruments) 是檢測是檢測技術與計算機技術和通信技術有機結合的產物。技術與計算機技術和通信技術有機結合的產物。它是美國國家儀器它是美國國家儀器( National Instruments) ( National Instruments) 公司于公司于1986 1986 年提出的。虛擬儀器是指在通用計年提出的。虛擬儀器是指在通用計算機上添加一層軟件和一些硬件模塊算機上添加一層軟件和一些硬件模塊, , 使用戶操使用戶操作這臺通用計算機就像操作一臺真實的儀器一樣。作這臺通用計算機就像操作一臺真實的儀器一樣。虛擬儀器技術強調軟件的作用虛擬儀器技術強調軟件的作用,

26、 , 提出了提出了“軟件就軟件就是儀器是儀器”的概念。的概念。 充分利用計算機豐富的軟硬件資源，可以較大充分利用計算機豐富的軟硬件資源，可以較大突破傳統儀器在數據處理、表達、傳遞、存儲等突破傳統儀器在數據處理、表達、傳遞、存儲等方面的限制，達到傳統儀器無法比擬的效果。還方面的限制，達到傳統儀器無法比擬的效果。還可以把儀器的三大功能全部放在計算機上實現。可以把儀器的三大功能全部放在計算機上實現。 在計算機中插入數據采集卡，然后，用軟件在在計算機中插入數據采集卡，然后，用軟件在屏幕上生成儀器面板，用軟件來進行信號處理分屏幕上生成儀器面板，用軟件來進行信號處理分析，實現傳統儀器的功能，這就是虛擬儀器

27、。析，實現傳統儀器的功能，這就是虛擬儀器。 計算機技術和儀器技術結合：計算機技術和儀器技術結合： 下頁下頁上頁上頁返回返回虛擬儀器虛擬儀器 “軟件就是儀器軟件就是儀器” 具有虛擬儀器面板的個人計算機儀器。具有虛擬儀器面板的個人計算機儀器。 組成：組成：計算機、模塊化功能硬件和控制軟件。計算機、模塊化功能硬件和控制軟件。 操作人員通過友好的圖形界面及圖形化編程語言操作人員通過友好的圖形界面及圖形化編程語言控制儀器的運行，完成對被測量的采集、分析、判斷、控制儀器的運行，完成對被測量的采集、分析、判斷、顯示、存儲及數據生成。顯示、存儲及數據生成。 在虛擬儀器系統中，硬件僅僅是為了解決信號的在虛擬儀器

28、系統中，硬件僅僅是為了解決信號的輸入輸出，軟件才是整個儀表的關鍵。操作者可以通輸入輸出，軟件才是整個儀表的關鍵。操作者可以通過修改軟件的方法，方便地改變、增減儀器系統的功過修改軟件的方法，方便地改變、增減儀器系統的功能與規模。能與規模。下頁下頁上頁上頁返回返回 虛擬儀器虛擬儀器是在計算機上是在計算機上顯示傳統儀器顯示傳統儀器面板，它將硬面板，它將硬件電路完成的件電路完成的信號調理和處信號調理和處理功能由計算理功能由計算14.3.2 虛擬儀器定義虛擬儀器定義機程序完成，這種硬件功能軟件化是虛擬儀器的機程序完成，這種硬件功能軟件化是虛擬儀器的一大特征。一大特征。下頁下頁上頁上頁返回返回 虛擬儀器是

29、一種以計算機和測試模塊的虛擬儀器是一種以計算機和測試模塊的硬硬件為基礎件為基礎、以計算機、以計算機軟件為核心軟件為核心所構成的，并所構成的，并且在計算機顯示屏幕上虛擬的儀器面板，以及且在計算機顯示屏幕上虛擬的儀器面板，以及由計算機所完成的儀器功能，都可由用戶軟件由計算機所完成的儀器功能，都可由用戶軟件來定義的計算機儀器。來定義的計算機儀器。 定義：定義：下頁下頁上頁上頁返回返回虛擬儀器基于虛擬儀器基于“軟件就是儀器軟件就是儀器”的設計理念，具有的設計理念，具有數據采集、數據采集、數據分析處理、結果輸出顯示數據分析處理、結果輸出顯示三大基本功能，而數據的實時三大基本功能，而數據的實時自動采集是其

30、最基本功能。自動采集是其最基本功能。 虛擬儀器是利用虛擬儀器是利用PCPC機的顯示功能模擬真實儀器的控機的顯示功能模擬真實儀器的控制制面板面板, , 以多種形式表達輸出檢測結果以多種形式表達輸出檢測結果, , 利用利用PCPC軟件軟件功能實現信號的運算、分析、處理，由功能實現信號的運算、分析、處理，由I/OI/O接口設備接口設備( (卡卡) ) 完成信號的采集、測量與調理，從而完成各種測完成信號的采集、測量與調理，從而完成各種測試功能的一種計算機儀器系統。試功能的一種計算機儀器系統。“虛擬虛擬”二字主要包含二字主要包含兩個方面的含義。兩個方面的含義。 1 1 虛擬儀器的面板是虛擬的虛擬儀器的面

31、板是虛擬的 2 2 虛擬儀器測量功能是由軟件編程來實現的虛擬儀器測量功能是由軟件編程來實現的下頁下頁上頁上頁返回返回 基于虛擬儀器的溫度檢測與控制虛擬數字電壓表下頁下頁上頁上頁返回返回下頁下頁上頁上頁返回返回下頁下頁上頁上頁返回返回下頁下頁上頁上頁返回返回下頁下頁上頁上頁返回返回虛擬數字示波器的軟面板虛擬數字示波器的軟面板下頁下頁上頁上頁返回返回14.3.3 虛擬儀器的特點1 1）融合計算機強大的硬件資源，突破了傳統儀器在數據融合計算機強大的硬件資源，突破了傳統儀器在數據處理、顯示、存儲等方面的限制，大大增強了傳統儀器處理、顯示、存儲等方面的限制，大大增強了傳統儀器的功能。的功能。2 2）利用

32、了計算機豐富的軟件資源，實現了部分儀器硬件）利用了計算機豐富的軟件資源，實現了部分儀器硬件的軟件化，增加了系統靈活性。的軟件化，增加了系統靈活性。3 3）基于計算機總線和模塊化儀器總線。）基于計算機總線和模塊化儀器總線。4 4）基于計算機網絡技術和接口技術，具有方便、靈活的）基于計算機網絡技術和接口技術，具有方便、靈活的互聯能力，廣泛支持各種工業總線標準。互聯能力，廣泛支持各種工業總線標準。5 5）基于計算機的開放式標準體系結構。）基于計算機的開放式標準體系結構。下頁下頁上頁上頁返回返回比較內容比較內容虛擬儀器虛擬儀器 傳統儀器傳統儀器系統構成系統構成軟件和通用硬件。軟件是關鍵軟件和通用硬件。

33、軟件是關鍵 專用硬件系統專用硬件系統開發周期開發周期開發時間短、技術要求低、系統開發時間短、技術要求低、系統通用性強通用性強開發時間長、技術要開發時間長、技術要求高、系統功能較求高、系統功能較專一專一開發費用開發費用軟件使得開發和維護費用降至最軟件使得開發和維護費用降至最低低開發與維修開銷高開發與維修開銷高技術更新周期技術更新周期短（短（12年）年）長（長（510年）年）價格價格價格低、可復用與可重配置性強價格低、可復用與可重配置性強價格昂貴價格昂貴功能可塑性功能可塑性用戶定義儀器功能，柔性用戶定義儀器功能，柔性廠商定義儀器功能，廠商定義儀器功能，剛性剛性系統開放性系統開放性開放、靈活，與計算

34、機技術同步開放、靈活，與計算機技術同步發展發展封閉、固定封閉、固定構成復雜系統構成復雜系統能力能力易與網絡及其他周邊設備互連易與網絡及其他周邊設備互連功能單一的獨立設備功能單一的獨立設備人機交互人機交互無限的顯示選項、界面友好無限的顯示選項、界面友好有限的顯示選項有限的顯示選項虛擬儀器與傳統儀器的比較虛擬儀器與傳統儀器的比較14.3.4 虛擬儀器的發展下頁下頁上頁上頁返回返回虛擬儀器是技術發展的結果虛擬儀器是技術發展的結果計算機技術、軟件技術、總線技術、網絡技術、微計算機技術、軟件技術、總線技術、網絡技術、微電子技術的發展，及其在電子測量技術與儀器領域中電子技術的發展，及其在電子測量技術與儀器

35、領域中的應用，使新測試理論、測試方法、測試技術不斷出的應用，使新測試理論、測試方法、測試技術不斷出現，儀器與系統的結構不斷推陳出新，電子測量儀器現，儀器與系統的結構不斷推陳出新，電子測量儀器及自動測試系統的結構也發生了質的變化，功能與性及自動測試系統的結構也發生了質的變化，功能與性能得到不斷提高。能得到不斷提高。計算機（計算機（PCPC機）處于核心地位，機）處于核心地位，計算機軟件技術和計算機軟件技術和儀器與測試系統更緊密結合儀器與測試系統更緊密結合成了一個有機整體。成了一個有機整體。在上述的背景下，提出了全新概念的儀器在上述的背景下，提出了全新概念的儀器虛擬虛擬儀器。儀器。19861986年

36、，美國國家儀器公司（年，美國國家儀器公司（NI, National NI, National InstrumentInstrument）提出了虛擬儀器（）提出了虛擬儀器（Virtual Virtual InstrumentationInstrumentation）的概念。）的概念。下頁下頁上頁上頁返回返回19901990年代，虛擬儀器得到業界廣泛認可和應用，相年代，虛擬儀器得到業界廣泛認可和應用，相繼推出了基于繼推出了基于GPIBGPIB總線（總線（General Purpose General Purpose Interface BusInterface Bus）、）、PC-DAQPC-DA

37、Q（Data AcquisitionData Acquisition）和和VXIVXI總線（總線（VMEbus eXtension for VMEbus eXtension for InstrumentationInstrumentation，19871987年）、年）、PXIPXI總線（總線（PCI PCI eXtension for InstrumentationeXtension for Instrumentation，19971997年）等多年）等多種虛擬儀器系統。種虛擬儀器系統。虛擬儀器軟件采用面向對象和可視化編程技術。虛擬儀器軟件采用面向對象和可視化編程技術。底層驅動和上層應用軟件

38、融為一體。底層驅動和上層應用軟件融為一體。虛擬儀器軟件的標準化：虛擬儀器軟件的標準化： 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, 虛擬儀器軟虛擬儀器軟件體系結構）。件體系結構）。 IVI IVI（Interchangeable Virtual Interchangeable Virtual InstrumentsInstrume

39、nts，可互換式虛擬儀器，可互換式虛擬儀器，19971997年）。年）。下頁下頁上頁上頁返回返回虛擬儀器技術的發展與展望虛擬儀器技術的發展與展望虛擬儀器技術是計算機技術與測試技術相結合的虛擬儀器技術是計算機技術與測試技術相結合的產物。多門學科多種技術的融合，如測試技術、產物。多門學科多種技術的融合，如測試技術、計算機技術、軟件技術、數字信號處理、總線與計算機技術、軟件技術、數字信號處理、總線與接口、網絡與通信、傳感技術、光電技術、微機接口、網絡與通信、傳感技術、光電技術、微機械技術等。械技術等。（1 1）新的總線技術的應用（如）新的總線技術的應用（如HS488HS488，1394b1394b等

40、）。等）。（2 2）速度不斷提高。）速度不斷提高。（3 3）智能化、模塊化、集成化是硬件發展的主）智能化、模塊化、集成化是硬件發展的主流。流。（4 4）軟件技術。第一是軟件標準化問題；第二）軟件技術。第一是軟件標準化問題；第二是如何利用各種軟件開發環境及工具，編制出符是如何利用各種軟件開發環境及工具，編制出符合標準的應用軟件。合標準的應用軟件。（5 5）網絡化儀器系統。）網絡化儀器系統。（6 6）應用范圍更加廣泛。）應用范圍更加廣泛。 14.4.1 概述概述到目前為止，在實際生產過程中，存在著許多因為技術或經濟到目前為止，在實際生產過程中，存在著許多因為技術或經濟原因無法通過傳感器進行直接測量

41、的過程變量，如精餾塔的產原因無法通過傳感器進行直接測量的過程變量，如精餾塔的產品組分濃度、生物發酵罐的菌體濃度、高爐鐵水中的含硅量和品組分濃度、生物發酵罐的菌體濃度、高爐鐵水中的含硅量和化學反應器中反應物濃度、轉化率、催化劑活性等化學反應器中反應物濃度、轉化率、催化劑活性等傳統的解決方法有兩種：一是采用間接的質量指標控制，如精傳統的解決方法有兩種：一是采用間接的質量指標控制，如精餾塔靈敏板溫度控制、溫差控制等，存在的問題是難以保證最餾塔靈敏板溫度控制、溫差控制等，存在的問題是難以保證最終質量指標的控制精度；二是采用在線分析儀表控制，但設備終質量指標的控制精度；二是采用在線分析儀表控制，但設備投

42、資大、維護成本高、存在較大的滯后性，影響調節效果投資大、維護成本高、存在較大的滯后性，影響調節效果軟測量技術應運而生軟測量技術應運而生 14.4 14.4 軟測量技術軟測量技術軟測量（soft-sensing）概念就是選擇與被估計變量相關的一組可測變量，構造某種以可就是選擇與被估計變量相關的一組可測變量，構造某種以可測變量為輸入、被估計變量為輸出的數學模型，通過計算機測變量為輸入、被估計變量為輸出的數學模型，通過計算機軟件實現對無法直接測量的重要過程變量的估計軟件實現對無法直接測量的重要過程變量的估計 軟測量的基本思想是把自動控制理論與生產工藝過程知識有軟測量的基本思想是把自動控制理論與生產工

43、藝過程知識有機結合起來，應用計算機技術，對于一些難于測量或暫時不機結合起來，應用計算機技術，對于一些難于測量或暫時不能測量的重要變量（主導變量），選擇另外一些容易測量的能測量的重要變量（主導變量），選擇另外一些容易測量的變量（輔助變量），通過構成某種數學關系來推斷和估計，變量（輔助變量），通過構成某種數學關系來推斷和估計，以軟件來代替硬件功能以軟件來代替硬件功能軟測量是一種利用較易在線測量的輔助變量和離線分析信息軟測量是一種利用較易在線測量的輔助變量和離線分析信息去估計不可測或難測變量的方法；以成熟的傳感器檢測為基去估計不可測或難測變量的方法；以成熟的傳感器檢測為基礎，以計算機技術為核心，通過

44、軟測量模型運算處理而完成礎，以計算機技術為核心，通過軟測量模型運算處理而完成 14.4.2 軟測量的方法軟測量的方法 選擇輔助變量選擇輔助變量 輔助變量的選擇一般取決于工藝機理分析輔助變量的選擇一般取決于工藝機理分析 輔助變量的選擇包括變量的類型、變量的數目和輔助變量的選擇包括變量的類型、變量的數目和檢測點位置的選擇三個方面，它們相互關聯，并檢測點位置的選擇三個方面，它們相互關聯，并由過程特性所決定由過程特性所決定 l 變量類型選擇變量類型選擇u 過程適用性過程適用性u 靈敏性靈敏性u 準確性準確性u 魯棒性魯棒性 l 變量數目選擇變量數目選擇 輔助變量個數的最小值為被估計主導變量的輔助變量個

45、數的最小值為被估計主導變量的個數。個數。l 檢測點位置選擇檢測點位置選擇 處理輸入數據處理輸入數據 軟測量的輸入數據處理包括換算和數據誤差處理軟測量的輸入數據處理包括換算和數據誤差處理兩個方面兩個方面 換算：實際測量數據可能有不同的工程單位，需換算：實際測量數據可能有不同的工程單位，需通過引入因子或加權系數等方法進行數據變換。通過引入因子或加權系數等方法進行數據變換。其直接影響過程模型的精度和非線性映射能力，其直接影響過程模型的精度和非線性映射能力，還影響著數值優化算法的運行效果。測量數據的還影響著數值優化算法的運行效果。測量數據的換算包括標度、轉換和權函數三個方面換算包括標度、轉換和權函數三

46、個方面 數據誤差處理主要針對隨機誤差和粗大誤差數據誤差處理主要針對隨機誤差和粗大誤差 建立軟測量模型建立軟測量模型 軟測量模型是在深入理解過程機理基礎上，建立軟測量模型是在深入理解過程機理基礎上，建立的適用于估計的模型，這是軟測量的核心的適用于估計的模型，這是軟測量的核心 軟測量模型不同于一般意義下的數學模型，強調軟測量模型不同于一般意義下的數學模型，強調的是通過輔助變量來獲得對主導變量的最佳估計的是通過輔助變量來獲得對主導變量的最佳估計 機理建模、統計回歸建模和人工神經網絡建模等機理建模、統計回歸建模和人工神經網絡建模等 軟測量模型軟測量模型的在線校正軟測量模型的在線校正 由于過程的時變性，不可避免地要產生一定的