热工测量技术A

第8部分

检测领域新技术

第8章

虚拟仪器、软测量技术、模糊传感器、多传感器数据融合等

《热工测量技术A》

8检测领域新技术

8.1虚拟仪器

8.2软测量技术

8.3模糊传感器

8.4多传感器数据融合

第8章检测领域新技术第8部分检测领域新技术本章提要

随着控制理论及电子和计算机技术的高速发展，为适应科研和生产中的需求，在检测技术领域中出现了许多新的理论、新的技术和新的概念。在这一章中将简要介绍四种新技术，即虚拟仪器、软测量技术、模糊传感器和多传感器数据融合。对每一种新技术将从它的发展历史、概念定义、硬件和软件结构、核心技术、应用范围和存在的问题及发展方向几个层面加以说明，使读者对其有一个入门的了解。

第8章检测领域新技术

8.1虚拟仪器

由于电子、计算机和网络技术的发展及其在测量仪器上的应用，产生了新的测试理论和方法，仪器的结构和特性也冲破了原有的传统观念，产生了新一代的虚拟仪器（VI，VirtualInstrument）。

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8检测领域新技术8.1虚拟仪器

它是指通过应用程序将计算机与功能硬件（完成信号获取、转换和调理的专用硬件）结合起来，从而把计算机的强大运算存储和通信能力与功能硬件的测量和转换能力融为一体，形成一种多功能，高精度，可灵活组合并带有通信功能的测试技术平台。在电子测量中它可以代替传统的示波器、逻辑分析仪、信号发生器和频谱分析仪等，在工业控制系统中所有以计算机为核心的自动化装置也都可以归纳到虚拟仪器的范围内，如它可以代替通常安装在控制室中的常规调节器、手操器、指示仪、记录仪和报警器

第8章检测领域新技术等。在使用虚拟器时，用户可通过显示屏上的友好界面来操作计算机，就像在操作自己定义的一台台传统的仪器仪表一样，从而完成对被测量的采集、分析、判断、调节和存储等功能。虚拟仪器与传统仪器的最大区别在于，传统仪器功能单一，并由制造厂定义，因此它系统封闭、功能固定、扩展性低，由于信息量少，因此一般都是人工读数、手工生成测试报告。而虚拟仪器则相反，它的功能完全可

第8章检测领域新技术8.1虚拟仪器由用户自己编程加以定义和组态，并形成适合用户需要的专用测试系统。此外它还可以实现多媒体操作符指令；时间标记和测量注释；测量关联和趋势分析等多种功能，最重要的是它可以实现可编程全自动测试和结果自动分析等功能。在性能价格比方面它也具有优势。虚拟仪器可以广泛应用于工程测量、物矿勘探、生物医学、振动分析和故障诊断等科研和工程领域，目前在过程工业中大量使用的计算机监控系统等也可以认为是虚拟仪器。

第8章检测领域新技术8.1虚拟仪器

1986年NI推出的LabVIEW

编程语言就是这样一个工具，它致力于简化工程师在构建自动化系统过程中的各个环节，大大降低了开发自动化测试系统的难度，提高了工程师的效率。与此同时，板卡式数据采集（DAQ）设备让工程师们可以灵活地使用模块化的硬件搭建自己的采集系统。

第8章检测领域新技术8.1虚拟仪器

通过LabVIEW

和DAQ设备，工程师就可以在一台普通PC上搭建测控系统，在前面板中设计自定义的操作界面，在程序框图中定制采集与分析功能。软件在整个系统中占有了举足轻重的地位，因此“软件就是仪器”的概念就是指这样一种以软件为核心的模块化仪器系统。

第8章检测领域新技术8.1虚拟仪器至此，虚拟仪器技术已不再单纯是个概念名词，而成为了一种实际可行的方案，不但能为用户带来广泛的灵活性和可扩展性，而且还可以实现成本上的节约。

第8章检测领域新技术8.1虚拟仪器

8.2软测量技术

随着生产技术的发展，生产的规模不断地扩大及生产流程的日益复杂，这些都给自动化技术提出了新的要求。为确保生产过程能够安全、环保地运行，就需要对系统的稳定性指标和产品及排放物的质量指标进行实时检测和优化控制。

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8检测领域新技术8.2软测量技术

但上述的指标参数有很大一部分由于技术和经济方面的原因，很难通过传感器或仪表进行直接的测量，如化工生产中精馏塔的组分浓度和塔板效率，生化制药中发酵缸中菌体的种类和浓度，等等。

第8章检测领域新技术8.2软测量技术为了解决此类测量问题，以前往往采用两种方法，其一是采用间接测量法，即用温度、压力、流量等常规的状态参数测量值来反映成分或质量参数的大小，但这种方法往往与实际情况相差甚远，无法满足要求。其二是采用在线分析仪表，这种方式往往投资较大，维护成本高，并信号滞后大。即使采用分析仪表，还是有很多指标参数无法进行在线分析。因此人们迫切需要找到一种新的技术来满足生产过程的监控和优化控制的要求。

第8章检测领域新技术

目前软测量技术（SoftSensingTechniques)被认为是最具有吸引力和卓有成效的新方法。软测量就是选择与被选择变量（无法直接测量）相关的一组可测变量，构造某种以可测变量为输入，被测变量为输出的数学模型，使用计算机进行模型的数值运算，从而得到被测变量的估计值的过程。被测变量称为主导变量（PrimaryVariable)可测变量称为二次变量或辅助变量（SecondaryVariable)，而这类数学模型及相应的计算机软件也被称为软测量估计器或软测量仪表。

第8章检测领域新技术8.2软测量技术软测量的估计值可作为控制系统的被控制变量或反映过程特征的工艺参数，为优化控制与决策提供重要的信息。软测量技术主要包括三部分的内容，第一是根据某种最优原则研究建立软测量数学模型的方法，这是软测量技术的核心。第二是模型实时运算的工程化实施技术，这是软测量技术的关键。第三是模型自校正（模型维护）技术，这是提高软测量精度的有效方法。

第8章检测领域新技术8.2软测量技术

8.3模糊传感器

模糊逻辑控制技术(FLC,FuzzyLogicControl)是近代控制理论中的一种新颖的高级控制方式，是智能控制的一个分支。模糊控制技术的基础是模型逻辑理论，1965年美国加州大学伯克利分校的自动控制理论专家L。A。Zadeh在《InformationandControl》杂志上首次发表了《FuzzySets》一文，提出了模糊集合的概念。

第8章检测领域新技术

8检测领域新技术8.3模糊传感器

模糊现象是普遍存在的，如在评价一个人时可以用“高与矮”、“胖与瘦”、“年老与年青”等模糊的概念加以判别，就已达到在一定程度上对事物的认识了。在自动化工程中往往有许多被测量是无法用精度的数值来度量的，所以完全可以采用模糊理论技术，用人对事物认识的模式达到对事物的了解。但需要强调的是模糊控制并不是控制过程和结果是模糊和不确定的，而是只在控制方法上应用了模糊数学的理论。模糊理论的核心是对复杂的系统和过程建立

第8章检测领域新技术一种语言分析的模型，使人们在日常生活中的自然语言能直接转化为计算机所能接收的算法语言。模糊控制所进行的完是确定性的工作，它能模仿人的思维方法，对于非线形复杂系统，特别是无法精确解析建模和信息不足的生产过程，通过拟人的思维推理和综合决策，就可以有效地获取对象的本质信息。可以利用”IF…THEN…”这样的模糊语言条件句来表达无法用精确数值表达的知识和经验。

第8章检测领域新技术8.3模糊传感器

模糊理论是建立在人类思维方式的基础上的，它能较好地模仿和描述人的思维方式，总结和反映人的经验，对复杂事物和系统进行模糊度量、模糊识别、模糊推理和模糊控制及决策。与传统的控制理论和方法相比，模糊理论如下特点：

⑴模糊系统的设计是基于人的丰富知识和经验，使用自然语言方法，它不依赖于系统精确的数学模型，最适用于无法精确解析建模的非线形复杂系统。

第8章检测领域新技术8.3模糊传感器

⑵模糊系统专门设计了人机接口，可使有经验的操作者通过人机界面把人的经验加入到测控系统中去。

⑶模糊系统可吸收专家知识和操作者的经验来构成模糊规则并进行合成推理操作，通过自学习使规则不断更新，因此它具有知识性和自学习性。

⑷当采用不同的知识和经验来对同一个对象进行设计，可以调整不同的隶属度函数和模糊规则库，使它们都能达到良好的控制效果。

第8章检测领域新技术8.3模糊传感器

⑸使用模糊理论设计的系统在对非线形复杂系统或信息不足过程进行控制运算时，所用时间大大减少，提高了系统的时效。

30多年来模糊数学及其应用的发展十分迅速，开拓了模糊控制、模糊线形规划和模糊聚类分析等研究领域，正是在这种背景下，模糊仪器仪表也应运而生。如模糊传感器、模糊控制器等，它们正在成为测控领域中的一支生力军。

第8章检测领域新技术8.3模糊传感器

8.4多传感器数据融合

“多传感器数据融合”一词出现在20世纪70年代初期，并于20世纪80年代发展成为一门专门技术。它是人类模仿自身信息处理能力的结果。到目前，已形成和发展成为一门自动化信息综合处理的专门技术。这一技术首先广泛地应用于军事领域，由于其研究最早是基于军事应用背景，所以很长时期其技术一直处于封闭状态。

第8章检测领域新技术

8检测领域新技术8.4多传感器数据融合

随着研究的深入和应用领域的扩大，有关这方面的研究内容及成果才逐渐批露于各种学术会议和公开文献中，使得各个领域的研究人员日益认识到多传感器数据融合技术的重要性，并很快推广应用到智能检测、自动控制、空中交通管理和医疗诊断等许多领域。对多传感器数据融合这样的新概念，很难给出一个同一的全面的定义。

第8章检测领域新技术

从早期的军事应用领域出发，美国国防部把它定义为这样一个过程，即把来自多传感器、信息源的数据和信息加以联合、相关和组合，以获得被测对象精确的位置估计和身份估计，以便对战场的态势和威胁以及其重要的程度进行完整的评价。这一定义强调信息融合的三个核心方面：第一，多传感器数据融合是在几个层次上完成对多源信息处理的过程，其中每一个层次都表示不同级别的信息抽象；第二，多传感器数据融合包括探测、互连、相关、估计以及信息组合；第三，多传感器数据融合的结果包括较低层次上的状态和身份估计，以及较高层次上的整个战术态势的估计。

第8章检测领域新技术8.4多传感器数据融合

随着多传感器数据融合技术应用领域的不断扩展，多传感器数据融合比较确切的定义可概括为：利用计算机技术对按时间序列和空间序列获得若干传感器观测信息，在一定准则下自动分析、综合以完成所需决策和估计任务而进行的信息处理过程。因此，多传感器系统是多传感器数据融合的硬件基础，多源信息是多传感器数据融合的加工对象，协调优化和综合处理是多传感器数据融合的核心。综上所述，“多传感器数据融合”是将来自多传感器或多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，从而获得更为广泛全面、准确可信的结论。

第8章检测领域新技术8.4多传感器数据融合本章小结

本章所介绍的四种检测技术个有其特点：

⑴虚拟仪器是通过软件工具把计算机和功能硬件模块结合起来，形成一个多功能的软件就可以形成不同功能的测试仪器和自动化测试系统，即实现了“软件即仪器”的概念。

第8章检测领域新技术本章小结

⑵软测量技术是顺应科研和生产中大量的现实需求而产生的，它是选择与被测量