1、第第1515章章 现代检测新技术现代检测新技术15.1 15.1 虚拟仪器虚拟仪器15.1.1 虚拟仪器的概念虚拟仪器的概念 一、测量仪器发展的四个阶段一、测量仪器发展的四个阶段1、模拟仪器、模拟仪器借助表头指针来显示测量结果借助表头指针来显示测量结果 2、数字化仪器、数字化仪器以数字方式显示测量结果以数字方式显示测量结果 3、智能仪器、智能仪器内置微处理器，既能进行自动测试又具有一定的数内置微处理器，既能进行自动测试又具有一定的数 据处理功能据处理功能 4、虚拟仪器、虚拟仪器用计算机软件和仪器软面板实现仪器的测量和控制用计算机软件和仪器软面板实现仪器的测量和控制 功能。功能。15.1.1 虚
2、拟仪器的概念虚拟仪器的概念 二、虚拟仪器与传统仪器的比较二、虚拟仪器与传统仪器的比较 传统仪器虚拟仪器功能由仪器厂商定义功能由用户自己定义与其他仪器设备的连接十分有限可方便地与网络、外设及多种仪器连接人工读取数据计算机直接读取数据并进行分析处理数据无法编辑数据可编辑、存储、打印硬件是关键部分软件是关键部分价格昂贵价格低廉系统封闭、功能固定、可扩展性差基于计算机技术开放的功能块可构成多种仪器技术更新慢技术更新快开发和维护费用高基于软件体系的结构，大大节省开发维护费用15.1.2 虚拟仪器的组成特点虚拟仪器的组成特点一、仪器最基本的组成模块一、仪器最基本的组成模块1、输入模块、输入模块2、输出模块
3、、输出模块3、数据处理模块、数据处理模块15.1.2 虚拟仪器的组成特点虚拟仪器的组成特点二、虚拟仪器的组成特点二、虚拟仪器的组成特点1、软件和硬件功能的模块化、软件和硬件功能的模块化n利用软件对若干功能模块进行组态，以模拟一个或多个传统仪利用软件对若干功能模块进行组态，以模拟一个或多个传统仪器及其功能。器及其功能。2、软件和硬件功能的分层、软件和硬件功能的分层 图图 15-1-1n具备所需完整功能的顶层虚拟仪器是一个包含所有应用功能的具备所需完整功能的顶层虚拟仪器是一个包含所有应用功能的子虚拟仪器的集合，而每台虚拟仪器功能的差异就在于这个集子虚拟仪器的集合，而每台虚拟仪器功能的差异就在于这个
4、集合中的元素各不相同。合中的元素各不相同。1511 虚拟仪器的分层结构15.1.2 虚拟仪器的组成特点虚拟仪器的组成特点二、虚拟仪器的组成特点二、虚拟仪器的组成特点3、仪器功能的软件化、仪器功能的软件化n在计算机屏幕上形成软面板不仅能够在外观和操作上模仿传统在计算机屏幕上形成软面板不仅能够在外观和操作上模仿传统仪器，而且还可以根据需要通过软件来选择仪器的功能设置和仪器，而且还可以根据需要通过软件来选择仪器的功能设置和改变面板的控制方式。改变面板的控制方式。15.1.3 虚拟仪器的体系结构虚拟仪器的体系结构 图图 15-1-215-1-2一、虚拟仪器硬件一、虚拟仪器硬件1、插入式数据采集卡、插入
5、式数据采集卡2、VXI总线总线15.1.3 虚拟仪器的体系结构虚拟仪器的体系结构 图图 15-1-215-1-2二、应用软件的主要作用：二、应用软件的主要作用：1、提供集成的开发环境、提供集成的开发环境、2、提供仪器硬件的高级接口、提供仪器硬件的高级接口(仪器驱动程序仪器驱动程序)3、提供虚拟仪器的用户接口。、提供虚拟仪器的用户接口。1512 虚拟仪器的体系结构15.215.2网络化仪器和网络化传感器网络化仪器和网络化传感器 15.2.1 网络化仪器的概念网络化仪器的概念n 网络化仪器网络化仪器具备网络功能的新型仪器：具备网络功能的新型仪器：1、被测对象可通过测试现场的普通仪器设备，将测得数据
6、、被测对象可通过测试现场的普通仪器设备，将测得数据(信息信息)通过通过 网络传输给异地的精密测量设备或高档次的微机化仪器去分析、网络传输给异地的精密测量设备或高档次的微机化仪器去分析、处理；处理；2、能实现测量信息的共享；、能实现测量信息的共享；3、可掌握网络节点处信息的实时变化的趋势。、可掌握网络节点处信息的实时变化的趋势。4、可通过具有网络传输功能的仪器将数据传至原端即现场、可通过具有网络传输功能的仪器将数据传至原端即现场。15.215.2网络化仪器和网络化传感器网络化仪器和网络化传感器 15.2.2 基于现场总线技术的网络化测控系统基于现场总线技术的网络化测控系统一、现场总线一、现场总线
7、n是用于过程自动化和制造自动化的现场设备或仪表互连的现场是用于过程自动化和制造自动化的现场设备或仪表互连的现场数字通信网络，数字通信网络，二、基于现场总线的仪表单元的优点二、基于现场总线的仪表单元的优点n 1)彻底网络化彻底网络化n 2)一对一对N结构结构n 3)可靠性高可靠性高15.215.2网络化仪器和网络化传感器网络化仪器和网络化传感器 二、基于现场总线的仪表单元的优点二、基于现场总线的仪表单元的优点n 4)操作性好操作性好n 5)综合功能强综合功能强n 6)组态灵活组态灵活图1521 基于现场总线的测控网络15.2.3 面向面向InternetInternet的网络测控系统的网络测控系
8、统 n网络化仪器设备充当着网络中独立节点的角色，信息可跨越网网络化仪器设备充当着网络中独立节点的角色，信息可跨越网络传输至所及的任何领域，可实现实时、动态（包括远程）的络传输至所及的任何领域，可实现实时、动态（包括远程）的在线测控。在线测控。15.215.2网络化仪器和网络化传感器网络化仪器和网络化传感器 15.2.4 网络化传感器网络化传感器n网络化传感器是在智能传感器的基础上，把网络协议作为一种网络化传感器是在智能传感器的基础上，把网络协议作为一种嵌入式应用，嵌入现场智能传感器的嵌入式应用，嵌入现场智能传感器的ROM中，使其具有网络中，使其具有网络接口能力，这样，网络化传感器就像计算机一样
9、成为了测控网接口能力，这样，网络化传感器就像计算机一样成为了测控网络上的节点，并具有网络节点的组态性和互操作性。络上的节点，并具有网络节点的组态性和互操作性。15.3 15.3 软测量技术软测量技术 15.3.1 软测量技术的概念软测量技术的概念n软测量技术的测量原理是：选择与无法直接测量的待测变量软测量技术的测量原理是：选择与无法直接测量的待测变量（常称为主导变量（常称为主导变量Primary Variable）相关的一组可测变）相关的一组可测变量（常称为辅助变量或二次变量量（常称为辅助变量或二次变量Secondary Variable），），依据这些可测变量与待测变量之间的关系，建立某种以
10、可测变依据这些可测变量与待测变量之间的关系，建立某种以可测变量为输入，待测变量为输出的数学模型（软测量模型），用计量为输入，待测变量为输出的数学模型（软测量模型），用计算机进行模型的数值运算，从而得到待测变量的估计值。算机进行模型的数值运算，从而得到待测变量的估计值。15.3 15.3 软测量技术软测量技术 15.3.2 软测量技术的实现方法软测量技术的实现方法一、辅助变量的选择一、辅助变量的选择n辅助变量的选择包括变量的类型、数目和测点位置等三个相互辅助变量的选择包括变量的类型、数目和测点位置等三个相互关联的方面。关联的方面。n辅助变量的选择要基于对对象的机理分析和实际工况的了解。辅助变量的
11、选择要基于对对象的机理分析和实际工况的了解。15.3 15.3 软测量技术软测量技术 15.3.2 软测量技术的实现方法软测量技术的实现方法二、测量数据的处理二、测量数据的处理1、测量误差处理、测量误差处理2、测量数据变换、测量数据变换15.3 15.3 软测量技术软测量技术 15.3.2 软测量技术的实现方法软测量技术的实现方法三、软测量模型的建模三、软测量模型的建模是软测量的的核心问题。是软测量的的核心问题。四、软测量模型的校正四、软测量模型的校正1、软测量模型结构优化、软测量模型结构优化2、模型参数修正、模型参数修正15.4 15.4 多传感器数据融合多传感器数据融合 15.4.1 多传
12、感器数据融合的概念多传感器数据融合的概念n“多传感器数据融合多传感器数据融合”是将来自多传感器或多信息源的信息和是将来自多传感器或多信息源的信息和数据，模仿人类专家的综合信息处理能力进行智能化处理，从数据，模仿人类专家的综合信息处理能力进行智能化处理，从而获得更为广泛全面、准确可信的结论。而获得更为广泛全面、准确可信的结论。15.415.4多传感器数据融合多传感器数据融合 15.4.2 基本原理、过程及关键技术基本原理、过程及关键技术一、基本原理一、基本原理n充分利用多传感器资源，通过对这些传感器及其观测信息的合充分利用多传感器资源，通过对这些传感器及其观测信息的合理支配和使用，把多传感器在空
13、间或时间上的冗余或互补信息理支配和使用，把多传感器在空间或时间上的冗余或互补信息依据某种准则来进行组合，以获得被测对象的一致性解释或描依据某种准则来进行组合，以获得被测对象的一致性解释或描述，使该传感器系统所提供的信息比它的各组成部分子集单独述，使该传感器系统所提供的信息比它的各组成部分子集单独提供的信息更有优越性。提供的信息更有优越性。15.4 15.4 多传感器数据融合多传感器数据融合 15.4.2 基本原理、过程及关键技术基本原理、过程及关键技术二、数据融合的过程二、数据融合的过程 15.4 15.4 多传感器数据融合多传感器数据融合 15.4.2 基本原理、过程及关键技术基本原理、过程及关键技术三、关键技术三、关键技术n（1）数据转换）数据转换n（2）数据相关技术）数据相关技术n（3）数据库）数据库n（4）融合计算）融合计算15.415.4多传感器数据融合多传感器数据融合 15.4.3 结构及功能模型结构及功能模型一、结构一、结构 n数据融合的结构形式有串行、并行、串并行混合和网络型数据融合的结构形式有串行、并行、串并行混合和网络型4种种基本形式。基本形式。（a）串联型；（）串联型；（b）并联型）并联型15.415.4多传感器数据融合多传感器数据融合 15.4.3 结构及功能模型结构及功能模型二、功能模型二、功能模型
