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1、第七章 智能技术概述：数据处理能力是智能仪器重要的标志,如果不能发挥软件作用,等同硬件化的数字式仪器。智能技术的主要内容，就是对采集的数据进行处理，消除误差，能够更好的，更真实的反映被测对象。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。智能技术主要包含以下内容：1）工程量的标度变换；2）自诊断功能和故障诊断功能；3）消除误差和提高精度的数据处理4）误差自动补偿；5）数据处理，克服随机误差的数字滤波算法，诸如频谱分析、相关分析、复杂滤波等算法。6
2、）量程自动转换技术第一节 标度变换及非线性校正一、标度变换的概念与作用将测量显示结果与被测物理量按量纲对应起来。一般测量过程：被测物理量电量（电流或电压等）经A/D为数字量输入计算机标度变换、数据处理显示（对应输入的物理量）仪器采集的数据并不等于原来带有量纲的参数值，它仅仅对应于参数的大小，必须把它转换成带有量纲的数值后才能显示、打印输出和应用，这种转换就是工程量变换，又称标度变换。例：测量压力时，当压力变化为010MPa时，压力传感器输出的电压为0-10mV，放大为0-5V后进行A/D转换（8位），得到00H-FFH的数字量，如果不进行标度变换，则输出的是0255的整型数字量。 二、标度变换
3、的步骤当测量系统调试好以后，未进行标度变换前，仪器输入任何物理量信号，输出都是在AD转换区间的数字量。如果已知传感器的标定系数，即输入传感器的物理量与传感器输出电量的关系，如一传感器的标定系数为: V=aY+b (1)其中V为输出电压，Y为输入的物理量置。a,b为标定系数。标度变换按以下步骤：1） 采用过程校验仪（或标准信号源），给仪器按测量范围输入电信号V；2） 每次输入记录对应的系统输出数字量值X；3） 对输入、输出数据进行拟合，按是否为线性还是非线性得出关系式；X=f(V) (2)4) 由上两式得到Y=f(X)的关系式；5）用Y=f(X)关系式编程，就得到了输出与输入物理量相对应的显示值
4、。如果不知道传感器的标定系数，就需要直接给传感器输入一个标准物理量Y，得到测量系统输出的数字量X，与上述过程相同，求出：Y=f(X)的关系式即可三、标度变换的数据处理 从理论上讲，采用插值法，对于线性变化，有两个点就可以确定线性方程，有3个点就可以确定按二次方程变化的曲线，存在的问题是精度太低。一般采用测量多个点，用最小二乘法拟合得到标度变化函数。顺便提一下，这样处理，将仪器的非线性也一体进行了校正。一）最小二乘法拟合 原理数据拟合，就是通过实验获得有限对测试数据（xi, yi）,利用这些数据来求取近似函数y= f ( x )。式中x为传感器输出量，y为被测物理量。与插值不同的是，曲线拟合并不
5、要求y= f ( x )的曲线通过所有离散点（xi, yi），只要求y= f ( x )反映这些离散点的一般趋势，且满足总误差最小的原则。 1、函数拟合的最小二乘法自变量x与因变量y之间的单值非线性关系可以用自变量x的高次多项式来逼近：其中ai为拟合方程系数。对于n个实验数据对（xi，yi）（i =1，2，n），则可得如下n个试验数据与拟合多项式之间的误差方程 ： 简记为： i1，2，n设：显然是ai的函数，上式对系数求导，并使其导数等于0，可以求得误差最小时方程的系数。可以得到下列方程组：理论上讲，求解上面的方程组，就可以得到该方程的系数aj。拟合多项式的次数越高，拟合结果的精度也就越高，但
6、计算量相应地也增加。常用的是直线拟合，取m = 1，则被拟合的曲线方程 y = a0 + a1x n个实验数据对（xi，yi）（i = 1，2，n）， 可以求得系数为：二）拟合举例如对热电偶传感器进行标定，输入的温度与输出的电压值如下表：可以用表中的全部数据，进行线性拟合和非线性拟合，观察其拟合误差。误差不大于3。线性拟合: T=a+bVa =1.296b =24.3212拟合的直线方程为：T=24.3212V+1.2961线性拟合误差：0 -1.2961586180.4 -1.0246606990.8 -0.75316278011.2 -0.48166486121.61 -0.4533794
7、9432.02 -0.42509412742.44 -0.64002131262.85 -0.61173594573.27 -0.82666313083.68 -0.79837776394.1 -1.0133049494.51 -0.98501958214.92 -0.95673421525.33 -0.92844884835.73 -0.65695092946.14 -0.62866556256.54 -0.35716764366.94 -0.085669724677.34 0.18582819437.74 0.45732611328.14 0.72882403218.54 1.000321
8、9518.94 1.271819879.34 1.5433177899.75 1.57160315610.151.84310107510.561.87138644210.971.89967180811.381.92795717511.8 1.7130299912.211.74131535712.621.76960072413.041.55467353913.461.33974635413.871.36803172114.291.15310453614.710.938177350415.130.723250165315.550.508322980215.970.29339579516.4 -0.
9、164743942116.82-0.379671127317.24-0.594598312417.67-1.0527380518.09-1.26766523518.51-1.4825924218.94-1.94073215719.36-2.15565934219.79-2.61379907920.21-2.828726264(误差最大值)如果用二次曲线拟合，方程为：T=24.992V-0.033278V2-0.912498二次多项式拟合误差：0 0.91249765780.40.92100530270.80.94016195461.20.9699676136（最大误差）1.610.761570
10、08672.020.56436067282.440.13003959622.85-0.044520710863.27-0.45564026343.68-0.60755146354.1-0.99546949194.51-1.1247315854.92-1.2428055665.33-1.3496914335.73-1.1992857696.14-1.2840682916.54-1.1120983886.94-0.92947947817.34-0.7362115617.74-0.53229463698.14-0.31772870578.54-0.092513767528.940.143350177
11、79.340.389863139.750.403590578810.150.671667770310.560.707498564310.970.754517471311.380.812724491311.80.640049517812.210.720905644712.620.812949884613.040.67493742913.460.548665503613.870.674819844214.290.57174944314.710.48041957215.130.400830231215.550.332981420815.970.276873140616.4-0.00650312639
12、416.82-0.0388508096217.24-0.0594579625917.67-0.306487837418.09-0.303334393418.51-0.288440419118.94-0.499123901819.36-0.460469330619.79-0.646826487820.21-0.5844113196精度比直线方程拟合要高。2、分段曲线拟合法分段拟合的方法是将曲线y = f (x)按分成N段，每段用一个多项式进行拟合。各段可以选不同的多项式。具体拟合方法与前面相同，不再讲解。第二节 自动测量补偿一、测量误差1、系统误差:是指在相同条件下，多次测量同一物理量时其大小和
13、符号保持不变或按一定规律变化的误差。2、恒定系统误差:校验仪表时标准表存在的固有误差、仪表的基准误差等；3、变化系统误差:仪表的零点和放大倍数的漂移、温度变化而引入的误差等；4、非线性系统误差:传感器及检测电路（如电桥）被测量与输出量之间的非线性关系。二、仪器零位误差和增益误差的校正方法 由于传感器、测量电路、放大器等不可避免地存在温度漂移和时间漂移，所以会给仪器引入零位误差和增益误差。 1零位误差的校正方法仪器零点：对于一般的仪器，当输入为零时，输出也应为零。零位不准：由于仪器的使用环境、条件的变化，长期使用电子元件发生老化等原因，使仪器出厂时的零点发生变化。变化一般发生在A/D以前，变换以
14、后，比较稳定。解决方法：在测量过程中，对零点进行修正。修正基准：如果基准为零，将输入接地，输出的值则为要修正的误差。如果测量下限不为零，需要一个高精度的基准电压VZ，对应于测量下限。测量步骤：1）每一个测量周期或中断正常的测量过程中，先把输入接基准电压Vz测得数据N01， N01=K(Vz+VE)N01为输出的数字量；K为转换系数；VE为获取信息部分的零点变化量。2）存储N01。3）将开关转换到测量位置，测量被测信号。N02=K(Vm+VE)4）数据处理N=N02- N01=K(VmVz)显然N只与被测参数成正比，而与VE无关，即实现了零位补偿。由于Vz是容易获得的(许多情况下Vz=0)，因此这种零位校正的原理已被广泛用于智能数字电压表等电量测量仪器中。对于有些非电量测量仪表(如力、位移、速度、加速度和转速等，由
