（机械电子工程专业论文）交流电压电流智能传感器信号处理技术的研究.pdf

西华大学学位论文独创性声明 作者郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究 工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用内容和致谢的地方外， 本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果，也不包含其他已申请 学位或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献 均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者鲐互凯指导教师张噌涉节 日期： f 口午明 日期： 加j o 丰朔 西华大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，在校 攻读学位期间论文工作的知识产权属于西华大学，同意学校保留并向国家 有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅，西 华大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采 用影印、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位论文。( 保密的论文在解 密后遵守此规定) 学位论文作者签名：王物u指导教师签名：1 彳善雩 日期： 乃。年朔 日期：加7 哗岁月 西华大学硕士学位论文 摘要 传感器技术是信息获取的基础，智能传感器是传感器的重要发展趋势，是信息技术 领域的一种前沿技术。智能传感器的一个核心内容是信号处理。因此对智能传感器信号 处理技术进行研究具有很重要的理论和现实意义。 本文首先介绍了传感器的组成以及发展趋势，阐述了智能传感器的特点和系统构 成。鉴于交流电力对国民经济的重要意义，引出了对交流电压电流智能传感器信号处 理技术的研究。接着分析了交流电压电流有效值u i 、电压电流初始相位角e o e i o 的 传统定义法和噪声因素对这些电力参数测试精度的影响。提出、研究了基于误差最小均 方法对电力参数( ，、j 、吼d 、1 9 i d 的获取方法。基于相关性原理，探索出了交流电力参数 队厶吼口、锄的测试方法。研究了交流电力关键采样点对测试精度的影响，提出了基 于误差l m s 法、拉格朗日插值法的关键采样点估计方法。这些方法提高了测试精度、 减少了运算量、简化了硬件、降低了成本，从而满足了智能传感器小体积、低成本、高 性能的要求。本论文还在w i n d o w sx p 操作系统中，利用v i s u a lc + + 软件为作为开发平 台，创建了交流电压电流智能传感器信号处理的实验仿真平台，通过大量仿真实验， 验证了基于误差最小均方法、相关分析法、以及基于拉格朗日插值法和误差l m s 法对 关键采样点的估计等信号处理方法。 关键词：智能传感器；信号处理；交流电压；交流电流；误差最小均方法；相关分 析法；估计一 交流电压电流智能传感器信号处理技术的研究 a b s t r a c t s e n s o rt e c h n o l o g yi st h eb a s i so fi n f o r m a t i o na c q u i s i t i o n f o rs m a r ts e n s o rr e p r e s e n t sa l l i m p o r t a n td e v e l o p m e n tt r e n da n di s t h el e a d i n go n ei ni n f o r m a t i o nt e c h n o l o g y a ss i g n a l p r o c e s s i n gi so n ec o r eo fs m a r ts e n s o rt e c h n o l o g y , i ti so fg r e a tt h e o r e t i c a la n dp r a c t i c a l s i g n i f i c a t i o nt or e s e a r c ht h es i g n a lp r o c e s s i n gt e c h n o l o g yf o rs m a r ts e n s o r f i r s t l y , s e n s o ra r c h i t e c t u r ea n dd e v e l o p m e n tt r e n da r ei n t r o d u c e d ，t h e nt h es m a r ts e n s o r c h a r a c t e r i s t i c sa n ds t r u c t u r ea l eo v e r v i e w e d c o n s i d e r e dt h ei m p o r t a n ti n f l u e n c eo fa cp o w e r o nn a t i o n a le c o n o m y ，t h er e s e a r c ho ns i g n a lp r o c e s s i n gf o ra c v o l t a g e c u r r e n ts m a r ts e n s o ri s e d u c e d s e c o n d l y , t h et r a d i t i o n a lm e t h o dt ot e s tt h ea cv o l t a g e c u r r e n tr m su ia n di m t i a l p h a s eo d o l o ，a n dt h ei m p a c to fn o i s eo nt h et e s tp r e c i s i o no ft h ea cp o w e rc h a r a c t e r i s t i c p a r a m e t e r sa r ea n a l y z e d t h e nb a s e do nt h ee r r o rl m sa n dc o r r e l a t i o na n a l y s i sp r i n c i p i u m ， t h ea p p r o a c h e st oo b t a i nt h ea c p a r a m e t e r sa r ep r e s e n t e d t h i r d l y , t h ee f f e c to fs o m ek e ya c p o w e rs a m p l ed a t ao nt h et e s tp r e c i s i o no ft h ea cp o w e rc h a r a c t e r i s t i c si ss t u d i e d t h e nt h e w a y st oe s t i m a t et h ek e ys a r a p ed a t ab a s e do nt h ee r r o rl m sa n dl a g r a n g ei n t e r p o l a t i o n t h e o r ya r ep r o p o s e da n dr e s e a r c h e d w i t ht h e s em e t h o d s ，t h et e s tp r e c i s i o ni si m p r o v e d ，t h e c a l c u l a t i o nv o l u m er e d u c e d ，t h eh a r d w a r es i m p l i f i e da n dt h ec o s tr e d u c e d ，t om e e tt h e a c q u i r eo fs m a l ls i z e ，l o wc o s ta n dh i g hp e r f o r m a n c ef o rs m a r ts e n s o r u n d e rw i n d o w sx p o p e r a t i o ns y s t e m ，t h et h es i m u l a t i o np l a t f o r mf o rs i g n a lp r o c e s s i n go fa cv o l t a g e c u r r e n t s m a r ts e n s o ri se s t a b l i s h e di nv i s u a lc 抖i n t e g r a t e dd e v e l o p m e n te n v i r o n m e n t w i t ht h e p l a t f o r m ，m a n ys i m u l a t i o ne x p e r i m e n t sa r ec a r r i e do u ta n dt h er e s u l t sv e n f yt h ee f f e c t i v eo f t h ea p p r o a c h e s k e yw o r d s ：s m a r ts e n s o r ；s g n a lp r o c e s s i n g ；a cv o l t a g e ；a cc u r r e n t ；e r r o rl m s ； c o r r e l a t i o na n a l y s i s ；e s t i m a t i o n i i 西华大学硕士学位论文 目录 摘要i a b s t r a c t i i 1 绪论1 1 1 研究目的和意义1 1 2 研究现状和趋势2 1 3主要研究内容4 2 传感器与数据采集7 2 1 传感器的定义与组成7 2 2 传感器的分类及其发展前景8 2 2 1 传感器的分类。8 2 2 2 传感器技术的发展前景9 2 3 传感器的技术性能指标一1 0 2 4 本章小结1 1 3智能传感器与电力智能测试系统1 2 3 1 传感器的智能化1 2 3 1 1 传感器系统智能化的层次1 2 3 1 2 智能传感器及其主要功能和优点1 2 3 1 3 传感器的数字信号处理1 5 3 2 交流电参量与电力智能测量仪器设备17 3 2 1 交流电的主要参量及其计算方法1 7 3 2 2 电力智能测量仪器1 9 3 3本章小结2 2 4 交流电压电流智能传感器基于误差l m s 法的信号处理技术研究2 3 4 1误差l m s 理论2 3 4 2 误差l m s 法在交流电压电流信号分析中的应用2 5 4 3 仿真平台的建立2 8 4 3 1 操作系统的选择2 9 4 3 2 开发环境的选择2 9 4 3 3 主要功能模块的实现3 1 4 3 4 基于误差l m s 法的交流电信号处理方法的实现3 8 4 4实验：4 0 m 交流电压，电流智能传感器信号处理技术的研究 4 5 算法性能分析4 3 4 6 本章小结。4 5 5 交流电压电流智能传感器基于相关分析法的信号处理技术研究4 6 5 1 相关性分析基本原理4 6 5 2 相关分析法在交流电压电流信号分析中的应用4 7 5 3 相关性分析算法的实现4 9 5 4 实验5 0 5 5 算法性能分析5 2 5 6 本章小结5 3 6 交流电压电流智能传感器中关键采样点估计的研究。5 4 6 1 交流电压电流信号关键采样点5 4 6 2 基于拉格朗日插值法对关键采样点估计的研究5 5 6 3 基于误差l m s 法对关键采样点估计的研究5 8 6 4 关键采样点估计算法的实现5 8 6 5实验5 9 6 6 算法性能分析6 3 6 6 1关键点估算对测试精度的影响6 3 6 6 2 关键点估计的运算量分析6 3 6 7 本章小结6 5 7 总结与展望6 6 参考文献6 7 攻读硕士学位期间学术论文及科研情况7 0 致谢7 1 西华大学硕士学位论文 1绪论 1 1 研究目的和意义 电子信息科学是现代科学技术的重要象征，信息获取技术、信息处理技术和信息传输技 术是电子信息科学的三大技术支柱。伴随着计算机技术、网络技术的快速发展，当今的电子 信息科学技术无处不在。信息获取是电子信息科学的源头，而信息获取的基础是传感器技术， 传感器是获取自然、生产和科研领域中信息的主要途径与手段，是检测系统、信息处理系统、 反馈控制系统等系统的首要环节，它处于研究对象与监测系统的接口位置，是感知、获取与 监测信息的窗口，为系统提供了进行决策和处理所必需的原始数据，因此传感器具有极为重 要的作用。传感器技术的基础性很强，它不仅涉及工业，还涉及农业、医疗、交通、航海、 航空、航天、国防等各个领域。由于传感器的重要性，上个世纪8 0 年代以来国际上出现了“传 感器热”。日本把传感器技术列为8 0 年代十大技术之首，美国把传感器技术列为9 0 年代2 2 项关键技术之一，英国传感器销售额1 9 9 0 年比1 9 8 0 年增长了2 4 倍。由于传感器的使用，生 产工艺过程的控制和产品性能的检验才有保证，所以它是提高产品竞争力的强有力手段，是 获得经济效益的有效途径。据有关资料介绍，全美电站有关数据显示，如果主汽流量测量精 度提高1 ，电站的燃烧成本( 热效率) 将会改善1 ，每年可节约3 亿美元；若传感器及其 测量仪表可利用率提高1 ，则每年可节约3 0 亿美元；美国的电站采用了先进的传感器和控 制技术后，使全美经济每年获益达1 1 0 亿美元之多。甚至有学者提出，“谁掌握和支配了传 感器技术谁就能够支配新时代”【1 1 。 为了构建性能更高、可靠性更强、测试参数更多、测试内容更丰富全面的复杂测试系统 或具有强的环境适应性、学习性等复杂的高性能智能控制系统，从而满足日益高涨的社会需 求，二十世纪8 0 年代人们提出了一种新的传感器技术：智能传感器( s m a r ts e n s o r ) 技术。 国家中长期科学和技术发展规划纲要( 2 0 0 2 2 0 2 0 年) 【2 】将智能传感器网络技术作为信息技 术领域的一种前沿技术。智能传感器由传统的感应元件、调理电路和微处理器等构成的，因 其能完成信号探测与变换、信息处理、数据通讯，具有而自检测、自校正、自补偿、自诊断 等功能，得到了广泛的关注和研究。因此，研究智能传感器技术对我国的经济建设、国民生 产和国防建设均具有非常重要的现实意义。 信号处理是智能传感器的核心、灵魂，从国内外研究现状可知，国内对智能传感器信号 处理技术的研究刚刚起步，目前还比较薄弱，与此同时，电力电能已经成为我国国民经济和 社会发展的命脉之一，为了加速电力智能传感器在我国各行业的应用与推广，使传感器技术 能更好的推动国民经济发展和科学技术进步，本论文在四川省教育厅科研基金资助项目智 能传感器信号处理技术的研究( 项目编号：0 8 z c o i o ) 的资助下，在交流电压电流智能传 感器信号处理方面展开了研究工作，分析了电力智能传感器的基本构成和作用，研究了电压 交流电压电流智能传感器信号处理技术的研究 电流智能传感器信号处理算法及技术，寻求更加经济实用的信号处理方法，研究如何在降低 成本、提高精度、方便实用等方面改进电力智能传感器的设计，并利用现有技术和条件创建 仿真实验平台，对相关的电压电流智能传感器信号处理算法进行实验分析。本论文的研究成 果将会让交流电压电流智能传感器在降低应用成本的同时提高测量精度，这必将进一步加快 智能传感器在我国更为广泛的推广、应用，产生巨大的社会经济效益，并推动传感器技术进 一步研究发展。 1 2 研究现状和趋势 目前，国内外学者和机构对智能传感器进行了较为广泛的研究，使智能传感器在更加广 泛的领域得到了发展。 国外学者对智能传感器技术展开了系统、广泛的研究。j m d i a sp c r c i r a 等学者提出了智 能传感器的基于双脉冲宽度调制( p w m ) 的数字可编程a d 转换器【3 j 。m a r i om c d u g n o 提出 了一种用于液体侦察与鉴别的可低成本实现的智能电化学传感器【4 】。a e l o u a r d i 等学者提出了 将图像感知、图像处理算法与处理器集成在单片芯片上的用于图像处理的智能传感器h j 。 a n d r e ws i x s m i t h 提出了用于侦查老年人衰老的智能传感器【6 j 。m p o p a 提出了一种能测试包括 温度在内多种参数的w e b 连接智能传感器【7 】。k e nu c n o 等学者利用依赖于m o s f e t s 中次阀 值电流的温度与等级的相似性，开发出了一种测试随温度而变的易腐坏物品质量的c m o s 集 成电路智能传感器【引。m a s s i m ol a n z o n i 等学者提出了快速侦测、分析d n a 的智能传感器【9 】。 j s o r r i b a s 等学者针对构建灵活、可升级系统所需的海洋传感器网络，提出了一种基于 i e e e l 4 5 1 标准的智能传感器结构及其实现【1 0 1 。f a b r i z i oc i a n c c t t a 等学者利用开放软件资源和 低成本硬件架构，提出了即插即用w e b 智能传感器的一种基于w e b 服务方法的实现【l 。e r i c o m c n c s c sl c a o 等学者提出了一种事件( 由数据压缩产生) 触发智能传感器网络结构【1 2 1 。j m d i a s p c r c i r a 等学者针对智能传感器的线性化处理，提出了一种自适应的自校正算法【1 3 】。a n d r c a s l o i z o s 等学者基于收集到的区域数据，研究了用于铁路轨道评估的地面透视雷达智能传感器 系统的应用能力，以及地面透视雷达智能传感器技术对评估质量与轨道信息的能力【1 4 1 。 s r i k a n t ha n u m a l l a 等学者利用智能压力传感器，设计了一种用于检测地面水的无线网络监视 系统【1 5 1 。j m q u e r o 等学者利用无线电池功率传感器、无线远程功率传感器，基于个人移动电 话中心智能传感器网络，提出了一种医疗保健应用架构和相应的应用开发平台【1 6 】。m i r o s l a v s v c d a 等学者提出了一种基于对象且由可视化结构实现的具有i e e e1 4 5 1 接口标准的集成、智 能传感器网络架构，并将该架构应用于使用了智能压力传感器和i n t e r a c t 链接的压力测量系 纠1 。丌。j a d s o n l c cd as i l v as 矗等学者实现了一种监视温度的智能传感器，这些传感器基于c a n 协议能相互通讯【l 引。k c n j ii d e 等学者设计并研制了具有随机访问功能的图像智能传感器，利 用8 个这样的智能传感器构建了实时物体跟踪的万维浏览图像系统【1 w 。h a r i s hr a m a m u r t h y 等 学者提出了一种用于工业自动化监控的无线智能传感器平台，该平台具有即插即用功能，支 2 西华大学硕士学位论文 持硬件接口，能实现r f 链接【2 。 国内学者对智能传感器技术的研究也非常活跃。刘刚等学者针对智能传感器，提出了一 种新的基于被动聚类的无线网络组织结构( e n e r g ye f f i c i e n tp r o t o c o lw i t hp a s s i v ec l u s t e r i n g e e p c ) 协议，该协议具有较好的可扩展性与容错性，能实现能源的自适应管型2 1 1 。陈向群等 作者对i e e e l 4 5 1 标准中的智能传感器功能模型和信息模型进行了具体分析，并且结合网络化 智能传感器通用开发平台设计实现的体验，对i e e e l 4 5 1 的设计思想做出评价瞄】。赵曦等学者 介绍了智能传感器网络中传感器和网络适配器之间无线接口的i e e e l 4 5 1 5 标准，提出了一种 基于z i g b e e 无线通讯技术的无线接口设计方梨2 3 】。宋光明等学者基于i e e e1 4 5 1 标准，提出 了一种具有标准网络接口的适用于机器人力感知系统的高集成度智能六维力传感器的设计方 法【2 4 】。唐慧强等学者针对机器人腕力传感器，提出了简化应变电阻贴片、机械结构、电路与 数据处理的智能化设计方案【2 5 1 。杨新勇等学者针对智能磁航向传感器，分析了影响磁航向精 度的误差来源，提出了基于b p 神经元网络、最小二乘法及最佳椭圆拟合等3 种不同的磁航 向误差补偿算法【2 6 】。王威远等学者从系统状态空间的角度，基于遗传算法，提出了一种压电 主动结构振动控制中智能传感器作动器的位置优化方法【2 7 】。林洪文等学者利用统计方法获取 背景模式，提出了智能传感器的一种移动目标侦测方法【2 8 1 。学者翁桂荣通过对比不同的神经 网络、不同学习算法，找到一种适用于未知数学模型的智能传感器的较快收敛速度及较高精 度的训练方法和神经网络1 2 刿。闫晓等学者提出了一种对电流真有效值测量的智能传感器设计 方案，为该智能传感器设计了一种典型应用实例【3 们。刘常杰等学者将视觉传感技术与大容量 f p g a 相结合，构建了集图像采集、数据处理、传输于一体的智能化视觉传感器【3 。陈琳等 学者采用片上系统a dc 8 1 2 实现了基于i e e e l 4 5 1 协议的智能传感器模块( s t m i ) 【3 2 1 。学 者李昔华结合m i e r o c h i p 新型嵌入式芯片p i c l 2 f 6 7 5 ，设计了具有模糊识别、灵敏度任意调节 和串行接口的智能传感器，给出了器件污损自适应处理方法和器件失效报警措施【3 3 】。学者庄 哲民基于神经网络设计出了智能气体传感器，利用神经网络对气体传感器的各种环境参数进 行了数据融合，获得了高精度的气体浓度值【3 4 1 。李敏等学者为满足粮情测控系统实现全数字 化的要求，以简单硬件电路结构为基础，通过软件补偿与校正技术，研制出一种基于一线总 线的粮情检测智能温湿度传感器【3 5 1 。黄大贵等学者基于i e e e l 4 5 1 2 标准，实现了用于紫外线 侦测器的网络智能传感器1 36 1 。常炳国等学者基于模糊神经网络技术构造了智能模糊传感器系 统，并用于监测大型电力变压器绕组热点温度。佟继春等作者针对半导体气体传感器的交 叉敏感特性，提出了利用6 个半导体气体传感器组成传感器阵列，采用b p 神经网络进行模 式识别的网络智能传感器【3 8 1 。 综上所述，从整体上，国外学者对电化学、图像、医疗保健、温度、d n a 、海洋、铁路 轨道、压力、功率等各种智能传感器进行了广泛研究，国内则主要集中于磁航向、环境参数、 粮情、机器人腕力、电流有效值、视觉等智能传感器。智能传感器的基本组成模块为信息感 知、信号调理、信号处理与分析、通讯。其中，信息感知与信号调理的基本原理、方法一般 交流电压电流智能传感器信号处理技术的研究 与传统传感器的相同。由上述资料也可以看出，国外学者在智能传感器方面的研究进展主要 体现在实现形式上，如微型化，采用集成电路实现；国内主要体现在简化电路结构、集成实 现等方面。国外学者在智能传感器的通讯方面进行了卓有成效的研究工作，成功地推出了智 能传感器通讯协议标准i e e e l 4 5 1 ，基于该标准，国内外学者对智能传感器均作了大量的研究 工作。 今后，智能传感器将向纵、深两个方向发展，各种新型智能传感器将不断涌现。智能传 感器集成度、精度与性价比要求越来越高，这些在很大程度上依赖于传感器信号处理技术。 但目前对国内外智能传感器信号处理方面的研究还比较薄弱，国外主要集中于自校 正技术的研究【1 3 】，国内则开始了自校正技术和误差补偿技术的研究【2 8 】1 2 9 3 4 1 。 我国一些学者对交流电力传感器与信号处理方面进行了研究，例如，学者王学 伟在深入分析提升电压、电流有效值和功率分频带测量过程的基础上，首次提出了基于第二 代小波的电压、电流有效值及功率分频带测量的方法，并进行了仿真实验，准确度和运算速 度得到了较大提升【3 9 1 。王茂海为解决电力系统全局信息的快速准确测量问题，提出了一种实 用的幅值和功率测量算法。结合电力系统实际情况，对离散傅里叶变换( d f t ) 算法中的强 非线性部分进行了合理简化，从而可以方便地利用d f t 计算结果对其自身进行补偿修正。与 传统d f t 方法相比，该方法测量精度有明显提高，且计算负担增加很少1 4 0 。学者曾博针对快 速傅里叶变换( f f t ) 应用于谐波分析与测量时容易因频谱泄漏影响测量准确度，提出了一 种基于r i f e v i n c e n t 窗频谱相位差校正的谐波分析与谐波功率测量方法，并在此基础上设计 了一种新型三相谐波电能表，给出了基于t d k 6 5 1 3 h + a d s p b f 5 3 3 + m 3 0 6 2 4 f g p f p 的多c p u 电力谐波精确测量解决方案。实验结果表明，该谐波分析算法适合于高精度谐波功率测量【4 。 从总体上来看，这些电力测试与信号处理方法的测试精度较高，但运算量均很大，一般需要 多c p u 或d s p 、f p g a 等专用芯片的支持，这不利于电力智能传感器的低成本、小体积要求， 而人们对低成本高功效电力智能传感器的广泛需求凸现了对于交流电力智能传感器小运算 量、高精度的信号分析方法研究的现实性、迫切性和重要性。本论文在交流电压电流智 能传感器信号处理技术上的研究将有助于推动智能传感器的发展和应用。 1 3 主要研究内容 如图1 1 所示，智能传感器通常包括敏感元件( 感知元件) 、调理电路、微处理系统等 几个部分，其中敏感元件和调理电路主要负责信号的探测与预处理，微处理系统首先进行信 号的处理，得到直接可用于进行通讯的测试结果，同时微处理系统通过通讯接口让智能传感 器与外部通讯。敏感元件将感知的外界电压电流等信号传送到调理电路，调理电路将这些信 号放大并进行简单滤波，而微处理器对调理电路传来的电信号作进一步的信号处理，并通过 一定的接1 2 1 规范和通信协议将其转换成相应的信号，传送到上位系统或其他系统。信号处理 4 西华大学硕士学位论文 被测 对象 、，j i 竺兰堡竺! 兰翌竺兰i ii 精度低 利用获取的 成本高 一 信号直接根 据定义进行 系统复杂 l r j 至口 厂、 粗 信 自检测 号 自诊断 处 自补偿 理 自校正 图1 1 智能传感的构成 f i g 1 1 t h ea r c h i t e c t u r eo fs m a r ts e n s o r 圉 包括粗信号处理、自检验、自诊断、自补偿、自校正等。研究现状表明，人们基于神经网络 或自适应算法已对智能传感器的自检验、自诊断、自补偿进行了广泛、深入的研究。对于交 流智能传感器的粗信号处理进行的研究，目前主要采用的是直接定义法，该方法的测试精度 几乎取决于来自调理电路的信号质量，故其精度一般不高，为了提高测试精度，需要复杂的 调理电路，这就使得硬件成本通常很高。 鉴于此，本次毕业设计研究内容主要集中在以下两个方面： 线性智能传感器粗信号处理方法和技术的研究。 目前的智能传感器，其信号中噪声等干扰的去除一般由调理电路完成，其粗信号处理仅 仅是根据被测量的物理信息定义，对其调理之后的信号直接进行计算，从而获得被测信息。 理论上，调理后的信号不可能完全“纯净 ，这样，就对其信号调理、采集等电路提出了非 常高的要求，高精度、高性能的智能传感器在这方面的要求则更加苛刻，由此带来了电路的 庞杂与成本的急剧提高、可靠性与性价比的降低，严重阻碍了智能传感器的发展与应用。鉴 于此，本论文将研究相关信号处理方法、技术，简化计算方法，充分利用其c p u 资源，简化 其硬件结构，降低设计成本，提高可靠性与性价比。 构建仿真实验平台并进行实验分析。 为了方便验证改进后交流电压电流智能传感器粗信号处理方法的精确性、实用性，需进 行大量的仿真实验，结合实验结果，分析相关的各种信号处理方法的优缺点，改善相 5 交流电压电流智能传感器信号处理技术的研究 应算法。但目前国内外尚没有可供利用的相关仿真实验平台，因此，本论文将设计创建交流 电压电流智能传感器信号分析仿真实验平台，并在该平台上针对不同的电力参数信号处理方 法进行了大量的仿真实验，分析研究不同信号处理方法的实验数据。仿真实验应尽量接近 实际工程背景，从而使所研究的方法、技术具有更好的实际应用效果。 在研究交流电压电流智能传感器的粗信号处理方法、技术时，主要考虑在满足预定性能 指标的情况下实现该方法所需的运算时间和占用的系统资源，以综合考虑硬件配置、经济开 销，提高研究出的方法、技术的实用性，便于其推广、应用。因此，在电压电流智能传感器 信号处理技术的研究中，主要考虑的方法为最d , - - 乘法、拉格朗日插值、软件数字滤波等方 法，根据具体情况，灵活性、创造性地单独或者综合使用这些方法。应综合考虑在满足预定 性能指标的情况下实现该方法所需的硬件、经济开销。减少电力智能传感器的硬件开销和系 统资源，降低成本、缩短处理时间、提高测试精度与性价比是本研究的总体目标，使本论文 研究成果能更好的促进智能传感器的进一步发展与应用。 6 西华大学硕士学位论文 2 传感器与数据采集 2 1 传感器的定义与组成 根据国家标准( g b 7 6 6 5 8 7 ) ，传感器( t r a n s d u c e r s e n s o r ) 的定义是：能感受规定的被 测量并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置。 传感器是获取自然和生产、科研领域中信息的主要途径与手段，是检测系统、信息处理 系统、反馈控制系统等的首要环节。作为一个测量装置，它能把被测物理量转换为有确定对 应关系的电量输出，满足信息的记录、显示、传输、处理和控制等要求。传感器是实现自动 测量和控制的首要环节，在工业生产自动化、航空航天、能源交通、土建结构、环境保护及 医疗卫生等国民生活的众多领域，各种传感器在检测各种参数方面起到了十分重要的作用。 此外，用于工厂自动化制造系统中的机械手或者机器人可实现高精度的在线测量，保证产品 的质量，因此国内外已普遍重视传感器的研制、生产和应用。 传感器的定义包含了以下几个方面的含义：传感器是测量装置，能完成检测任务； 它的输入量是某一被测量，可能是物理量，也可能是化学量、生物量等；它的输出量是某 种物理量，这种物理量便于传输、转换、处理、显示等，这种量可以是气、光、电物理量， 但主要是电物理量；输出输入具有对应关系，且应有一定的精确程度4 2 】【4 3 】【4 5 1 。 传感器一般由敏感元件、传感元件和测量电路三部分组成，有时还需要加上辅助电源， 其组成框图如图2 1 所示。 图2 1 传感器组成框图 f i g 2 1c o m p o n e n to fs e n s o rs y s t e m 敏感元件：它是直接感受被测物理量，将输出与被测量转换成确定关系的某一种量的 元件，如膜片、圆筒、弹簧片等。在应变式传感器中它又称为弹性元件。 传感元件：敏感元件的输出就是它的输入，它把输入信号转换成电参量。一般的，传 感元件与敏感元件构成敏感部件或融入到测量电路中。 测量电路：它是将传感元件输出的电参量转换为便于显示、控制和处理的有用电信号 的电路，使用较多的有电桥电路，还有其他特殊电路。 交流电压电流智能传感器信号处理技术的研究 由于传感元件输出的信号一般比较小，大多数测量电路还包括了放大器，但有时把传感 器和测试仪器分开，放大器归在测试仪器中作为测试仪器的组成部分，也有些近代传感器中 包括了放大器及显示器，直接在传感器上显示多个测试物理量。 2 2 传感器的分类及其发展前景 2 2 1 传感器的分类 传感器的种类繁多，随着材料科学、应用技术和制造工艺等技术的飞速发展，传感器的 品种如雨后春笋般层出不穷。传感器的分类方法很多，比较常见的有下列几种： 按输入量( 被测对象) 分类。输入量即被测对象，按此方法分类，传感器可分为物理 量传感器、化学量传感器和生物量传感器三大类。其中，物理量传感器又可分为温度传感器、 压力传感器、位移传感器等。这种分类方法给使用者提供了方便，容易根据被测对象来选择 所需要的传感器。 按输出量分类。传感器按输出量不同可分为模拟式传感器和数字式传感器两类。模拟 式传感器是指传感器的输出信号为模拟量，数字式传感器是指传感器的输出信号为数字量。 按基本效应分类。根据传感技术所蕴涵的基本效应，可以将传感器分为物理型、化学 型、生物型。物理型是指依靠传感器的敏感元件材料本身的物理特性变化来实现信号的变换， 如水银温度计：化学型是指依靠传感器的敏感元件材料本身的电化学反应来实现信号的变换， 如气敏传感器、湿度传感器；生物型是利用生物活性物质选择性的识别来实现测量，即依靠 传感器的敏感元件材料本身的生物效应来实现信号的变换，如本酶传感器、免疫传感器。 按工作原理进行分类。传感器可按其工作原理命名，如应变式传感器、电容式传感器、 电感式传感器、压电式传感器、热电式传感器等。这种分类方法通常在讨论传感器的工作原 理时使用。 按能量变换关系进行分类。按能量变换关系，传感器可分为能量变换型传感器和能量 控制型传感器。能量变换型传感器输出端的能量是由被测对象取出的能量转换而来的，它无 须外加电源就能将被测的非电量转换成电能量输出，它无能量放大作用，且要求从被测量对 象获取的能量越小越好。这类传感器包括热电偶、光电池等。 能量控制型传感器又称为参量型或无源型传感器，这类传感器本身不能转换能量，其输 出的电能量必须由外加电源供给，而不是由被测对象提供的。但被测对象的信号控制着由电 源提供给传感器输出端的能量，并将电压( 或电流) 作为与被测量相对应的输出信号。由于 能量控制型传感器的输出能量是由外加电源供给的，因此，传感器输出端的电能可能大于输 入端的非电能量，所以这种传感器具有一定的能量放大作用。这种类型的传感器包括电阻式、 电感式、电容式、霍尔式、谐振式和某些光电传感器等。 8 西华大学硕士学位论文 2 2 2 传感器技术的发展前景 随着科学技术的发展和社会进步的需要，传感器技术得到了迅速的发展。目前，传感器 技术的发展主要有以下五个方面：( 1 ) 扩展检测范围；( 2 ) 提高检测性能；( 3 ) 传感器的集成化、 功能化；( 4 ) 智能传感器；( 5 ) 新领域、新原理的传感器。 一扩展检测范围 目前检测技术正在向宏观世界和微观世界的纵深方向发展。空间技术、海洋开发、环境 保护以及地震预测等都要求检测技术满足观测研究宏观世界的要求；细胞生物学、遗传工程、 光合作用、医学及微r e t 技术等又希望检测技术跟上研究微观世界的步伐。所有这些都对传 感器的研究开发提出许多新的要求。其中重要的一点就是扩展检测范围，不断突破检测参数 的极限。例如，连续测量液态金属的温度；微差压( 几十帕) 测量；大吨位测量；分子量测 量等等，都要求研究解决极端参数检测用的传感器。近代物理学中的新成就应用于传感器的 研究与开发，极大地扩展了传感器的检测范围。用激光、红外、超声、各种谱线及射线等原 理可以制成测温、测流、测距等各类新颖传感器。用半导体砷化锗二极管可测0 3 k - 4 0 0 k 的 深低温，分辨率达0 0 7 k ；利用发光二极管或激光为光源加上光纤可以传送图象及测温。发 展地看，传感器的极限检测范围大多将取决于量子力学效应，例如，利用约瑟夫逊效应的热 噪声温度计可测1 0 心的超低温。具有检测这种极其微弱信号的传感器技术，不仅展示了传 感器开发的方向及能力，也可以促进其它技术的发展，甚至会使一些新学科诞生。 二提高检测性能 对传感器而言，检测准确度是其最重要的综合指标。检测技术的发展，必然要求传感器 的性能不断提高。例如，对超精机加工的在线检测，要求准确度达o 1 z m ，且工作可靠，由 此需要研制性能优异的传感器。近年来检测准确度提高很快，有些量的检测准确度甚至可达 百万分之一。例如，采用光电倍增管作为传感器的自动光学高温计，测温范围可达数千度， 而准确度为1 0 欠。 三传感器的集成化、功能化 传感器的集成化，是由于引入了半导体集成电路技术及开发思想的结果。传感器的集成 化一般具有两方面含义。其一是将传感器与其相配的放大电路、运算电路、温度补偿电路等 制成一个组件，实现一体化。这样与一般传感器相比，它具有体积小、反应快、抗干扰、稳 定性好的优点。其二是将同一类传感器集成于同一芯片上构成二维阵列式传感器，或称面型 固态图象传感器，可用于测量物体的表面状况，由于从一开始就用一体化构造的形式来完成， 不是在个别传感器制造后用组合或结合的方法构成，因而消除了因为个别实现时在时间上及 耗能上的浪费，而制造成坚固、高准确度和高可靠性的传感器。传感器的功能化是与“集成 化”相对应的一个概念。过去由几个元件连接成电路才能完成的功能，经功能化后，只要由 一个半导体器材就能实现了。并且，传感器与别的功能结合，可产生出新的功能。例如，由 温度传感器与开关元件集成化可构成某种热敏传感器。只要将这种元件的集电结反向饱和电 9 交流电压，电流智能传感器信号处理技术的研究 流设计成随温度而变化，就能起控温作用。可见，这种热敏传感器同时具备温度传感器与开 关两种功能。 传感器的集成化、功能化充分利用了传感器特性的均匀性，降低了制造成本，实现了系 统的小型化和整体性能的提高。 四智能传感器 传感器由分立式向集成化、功能化发展，另一方面，微型计算机的高性能、低成本给传 感器的检测系统以极大影响，从而出现了智能传感器的概念。智能传感器是将传统传感器与 微型计算机结合为一个整体，实现了常规技术所不能完成的高功能系统。智能传感器除了具 备一般传感器的功能把被测量变换为电信号之外，还必须能够记忆、存储数据，进而解析和 统计处理这些数据，最后以所需要的数据形式作为有用信息输出。智能传感器与一般传感器 相比，具有自校正功能，即可以通过功能键送人的指令，按预先编制并在机内存贮的操作程 序，完成自校准、自调零、自选量程、自动测试和自动分选。由此能对传感器的非线性及零 点进行校准，提高其准确度；信息变换功能，即可按各参数间关系式，通过计算作参数变换， 因而可以通过某些参数的检测而自动求出一系列有关的未知数，便于实现多功能多参数测试； 统计处理功能，即可将检测得到的数据进行计算，根据误差理论求出并剔除误差影响，根据 工作条件的变化，按一定公式加以修正，以及各种统计分析等；指令功能等等。智能传感器 能实现硬件本身难以实现的功能，使传感器高性能化。 由于有了微型计算机这个先进工具，因此研究与开发传感器的指导思想也就与以往情况 不同了。例如，在传感器技术中，最希望得到的是传感器输出与输入之间成正比关系，因此 一直把如何保证输出输入的线性关系作为实用上的重要课题。而在实际工作中要做到这一点 常常是非常困难的。利用微型计算机则不仅能提高线性度，而且能有效地进行各种特性的补 偿，因而对智能传感器来说，对传感元件的线性度要求就不一定很高，只要其有较好的稳定 性和重复性就可以了。可见，智能传感器发挥了微型计算机的长处和优势，用软件解决了许 多用硬件难以解决的问题，是传感器技术发展的一大飞跃。 五新领域、新原理的传感器 传感器的研究与开发可以分为两大方面：一个是传感器本身的研究开发；另一个是与计 算机相连接的传感器系统( 或称智能传感器) 的研究开发。近年来，许多新原理新技术，如 激光、半导体技术、光导纤维、遥感技术、自动化技术等都已成功地应用于传感器的开发， 这都极大的推动了传感器传感器研究与应用的发展。 2 3 传感器的技术性能指标 全面衡量传感器性能的统一指标是很困难的。通常情况下，采用基