第四章 智能仪器的基本数据处理并法 数据处理能力是智能仪器水平的标志，不能充 分发挥软件作用，等同硬件化的数字式仪器. 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
第四章 智能仪器的基本数据处理算法 数据处理能力是智能仪器水平的标志,不能充 分发挥软件作用,等同硬件化的数字式仪器. 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
基本数据处理并法内容提要 克服随机误差的数字滤波算法 ● 消除系镜误差的算法、非孩性校正 ● 工程量的标度变换。 ● 诸如频谱估计、相关分析、复杂滤波等 算法，阅读数字信号处理方面的文献
基本数据处理算法内容提要 ⚫ 克服随机误差的数字滤波算法 ⚫ 消除系统误差的算法、非线性校正 ⚫ 工程量的标度变换。 ⚫ 诸如频谱估计、相关分析、复杂滤波等 算法，阅读数字信号处理方面的文献
第一节克服随机误差的数字滤波算法 ●1 随机误差：由串入仪表的随机干扰、仪器内 部器件噪声和A/D量化噪声等引起的，在相同条 件下测量同一量时，其大小和符号作无规则变 化而无法预测，但在多次测量中符合统计规律 的误差。采用模拟滤波器是主要硬件方法
第一节 克服随机误差的数字滤波算法 ⚫随机误差：由串入仪表的随机干扰、仪器内 部器件噪声和A/D量化噪声等引起的，在相同条 件下测量同一量时，其大小和符号作无规则变 化而无法预测，但在多次测量中符合统计规律 的误差。采用模拟滤波器是主要硬件方法
数字滤波算法的优点： (1)数字滤波是一个计算过程，通常用软件 实现，在实时性要求高的情况下用FPGA实现， 因此可靠性高。无需模拟电路，不存在阻抗匹 配、特性波动、非一致性等问题。 (2)只要适当改变数字滤波程序有关参数， 就能方便的改变滤波特性，因此数字滤波使用 时方便灵活
数字滤波算法的优点： （1）数字滤波是一个计算过程，通常用软件 实现，在实时性要求高的情况下用FPGA实现， 因此可靠性高。无需模拟电路，不存在阻抗匹 配、特性波动、非一致性等问题。 （2）只要适当改变数字滤波程序有关参数， 就能方便的改变滤波特性，因此数字滤波使用 时方便灵活
常用的数字滤波算法 克服大脉冲干扰的数字滤波法（非线性法） 1.限幅滤波法 2.中值滤波法 3.基于拉依达准则的奇异数据滤波法 4. 基于中值数绝对偏差的决策滤波器 二、抑制小幅度高频噪声的平均滤波法 1.算数平均2.滑动平均3.加权滑动平均 三、复合滤波法
常用的数字滤波算法 一、克服大脉冲干扰的数字滤波法(非线性法） 1．限幅滤波法 2．中值滤波法 3．基于拉依达准则的奇异数据滤波法 4. 基于中值数绝对偏差的决策滤波器 二、抑制小幅度高频噪声的平均滤波法 1．算数平均 2．滑动平均 3．加权滑动平均 三、复合滤波法
克服大脉冲干扰的数字滤波法 ●克服由仪器外部环镜偶然因素引 起的突变性扰动或仪器内部不稳定 引起误码等造成的尖脉冲干扰，通 常采用简单的非线性滤波法。 ●滤除脉冲干扰是仪器数据处理的 第一步
一、克服大脉冲干扰的数字滤波法 ⚫克服由仪器外部环境偶然因素引 起的突变性扰动或仪器内部不稳定 引起误码等造成的尖脉冲干扰，通 常采用简单的非线性滤波法。 ⚫滤除脉冲干扰是仪器数据处理的 第一步
1.限幅滤波法 ● 限幅滤波法（又称程序判别法、增量判别法）通过 程序判断被测信号的变化幅度，从而消除缓变信号 中的尖脉冲干扰。具体方法是，依赖已有的时域采 样结果，将本次采样值与上次采样值进行比较，若 它们的差值超出允许范围，则认为本次采样值受到 了干扰，应予易除。 已滤波的采样结果 n-1,.yn-2,yn-1 ●若本次采样值为y, 则本次滤波的结果由下式确定：
1．限幅滤波法 ⚫ 限幅滤波法（又称程序判别法、增量判别法）通过 程序判断被测信号的变化幅度，从而消除缓变信号 中的尖脉冲干扰。具体方法是，依赖已有的时域采 样结果，将本次采样值与上次采样值进行比较，若 它们的差值超出允许范围，则认为本次采样值受到 了干扰，应予易除。 n 1 n 2 yn 1 y , y , 已滤波的采样结果： − − − ⚫若本次采样值为yn，则本次滤波的结果由下式确定：
≤a,yn=yn Ay Hy-y- >a,yn=yn-或应n=2n-1-yn-2 ● 是相邻两个采样值的最大允许增量，其数值 可根据y的最大变化速率Vax及采样间隔Ts确 定，即a=Vmax TS 实现本算法的关键是设定被则参量相邻两次 采样值的最大允许误差a.要求准确估计Vax和 采样间隔TS。 适合对温度、压力等变化校慢测控系统
⚫ a是相邻两个采样值的最大允许增量，其数值 可根据y的最大变化速率Vmax及采样间隔Ts确 定，即 a = Vmax Ts ⚫ 实现本算法的关键是设定被测参量相邻两次 采样值的最大允许误差a.要求准确估计Vmax和 采样间隔Ts。 ⚫ 适合对温度、压力等变化较慢测控系统
2.中值滤波法 中值滤波是一种典型的非线性滤波器，它运 算简单，在滤除脉冲噪声的同时可以很好地 保护信号的细节信息。 ●对某一被测参数连续采样n次 (一般n应为奇 数)，然后将这些采样值进行排序，选取中 间值为本次采样值。 对温度、液位等缓慢变化（呈现单调变化) 的被测参数。采用中值滤波法一般能收到良 好的滤波效果
2．中值滤波法 ⚫ 中值滤波是一种典型的非线性滤波器，它运 算简单，在滤除脉冲噪声的同时可以很好地 保护信号的细节信息。 ⚫ 对某一被测参数连续采样n次（一般n应为奇 数），然后将这些采样值进行排序，选取中 间值为本次采样值。 ⚫ 对温度、液位等缓慢变化（呈现单调变化） 的被测参数，采用中值滤波法一般能收到良 好的滤波效果
● 设滤波器窗口的宽度为=2k+1,离散时间信号x （i)的长度为W（i=1,2,,W;M>n),则 当窗口在信号序列上滑动时，一维中值滤波器的 输出： med[x（i)]=x因 表示窗口2k+1内排序的第个 值，即排序后的中间值。 原始信号 中值滤波后的信号 对不同宽度脉冲滤波效果
⚫ 设滤波器窗口的宽度为n=2k+1，离散时间信号x （i）的长度为N，（i=1，2，…，N；N>>n），则 当窗口在信号序列上滑动时，一维中值滤波器的 输出: med[x（i）]=x (k) 表示窗口2k+1内排序的第k个 值，即排序后的中间值。 原始信号 中值滤波后的信号 对不同宽度脉冲滤波效果