第一篇：傳感器與信號處理

傳感器

一、名詞解釋

1．傳感器;能感受規(guī)定的被測量并按照一定規(guī)律轉(zhuǎn)化成可用輸出信號的器件和裝置。

2．應(yīng)電效應(yīng)

某些電介質(zhì)在沿一定的方向上受到外力的作用而變形時，內(nèi)部會產(chǎn)生極化現(xiàn)象，同時在其表面上產(chǎn)生電荷，當(dāng)外力去掉后，又重新回到不帶電的狀態(tài)，這種現(xiàn)象稱為壓電效應(yīng)。

3．壓阻效應(yīng)

4．霍爾效應(yīng)

金屬或半導(dǎo)體薄片置于磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的磁場中，當(dāng)有電流I通過時，在垂直于電流和磁場的方向上將產(chǎn)生電動勢UH，這種物理現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng)。

5．熱電效應(yīng)

將兩種不同的導(dǎo)體A和B連成閉合回路，當(dāng)兩個接點(diǎn)處的溫度不同時，回路中將產(chǎn)生熱電勢。

6．光電效應(yīng)

光電效應(yīng)是物體吸收到光子能量后產(chǎn)生相應(yīng)電效應(yīng)的一種物理現(xiàn)象。

二、填空題

1．傳感器通常由三部分組成。

2．按工作原理可以分為、。

3．誤差按出現(xiàn)的規(guī)律分、。

4．對傳感器進(jìn)行動態(tài)的主要目的是檢測傳感器的動態(tài)性能指標(biāo)。

1．敏感元件、轉(zhuǎn)換元件、測量電路

2．電容傳感器、電感傳感器、電阻傳感器、壓電式傳感器

3．系統(tǒng)誤差、隨機(jī)誤差、粗大誤差

4．標(biāo)定(或校準(zhǔn)或測試)

5．傳感器的過載能力是指傳感器在不致引起規(guī)定性能指標(biāo)永久改變的條件下，允許超過

6．傳感檢測系統(tǒng)目前正迅速地由模擬式、數(shù)字式，向

7．已知某傳感器的靈敏度為K0，且靈敏度變化量為△K0，則該傳感器的靈敏度誤差計算公式為

5．測量范圍

6．智能化

7．(△K0 / K0)×100%

8．電容式壓力傳感器是變

9．圖像處理過程中直接檢測圖像灰度變化點(diǎn)的處理方法稱為。

8．極距(或間隙)

9．微分法

10．目前應(yīng)用于壓電式傳感器中的壓電材料通常有、、。

11．根據(jù)電容式傳感器的工作原理，電容式傳感器有、12．熱敏電阻按其對溫度的不同反應(yīng)可分為三類、。

13．光電效應(yīng)根據(jù)產(chǎn)生結(jié)果的不同，通?？煞譃?、三種類型。

14．傳感器的靈敏度是指穩(wěn)態(tài)標(biāo)準(zhǔn)條件下，輸出與輸入的比值。對線性傳感器來說，其靈敏度是。

10．壓電晶體、壓電陶瓷、有機(jī)壓電材料

11．變間隙型、變面積型、變介電常數(shù)型

12．負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻（NTC）、正溫度系數(shù)熱敏電阻（PTC）、臨界溫度系數(shù)熱敏電阻（CTR）

13．外光電效應(yīng)、內(nèi)光電效應(yīng)、光生伏特效應(yīng)

14．變化量、變化量、常數(shù)

15．用彈性元件和電阻應(yīng)變片及一些附件可以組成應(yīng)變片傳感器，按用途劃分用應(yīng)變式傳感器、應(yīng)變式傳感器等（任填兩個）。

16．采用熱電阻作為測量溫度的移時，為了得到較好的線性度和較好的靈敏度，應(yīng)該讓的距離小于。元件是將的測量轉(zhuǎn)換為的測量。

17．利用渦流式傳感器測量位

式電容傳感器

15．壓力加速度

16．溫度、電阻

17．線圈與被測物、線圈半徑

18．差動

19．由光電管的光譜特性看出，檢測不同顏色的光需要選用不同的光電管，以便利用光譜特性的區(qū)段。

20．按熱電偶本身結(jié)構(gòu)劃分，有熱電偶、鎧裝熱電偶、21．硒光電池的光譜響應(yīng)區(qū)段與

19．光電陰極材料、靈敏度較高

20．普通、薄膜

21．人類

22．當(dāng)半導(dǎo)體材料在某一方向承受應(yīng)力時，它的發(fā)生顯著變化的現(xiàn)象稱為半導(dǎo)體壓阻效應(yīng)。

23．磁敏二極管工作時加。

24．可以測量加速度的傳感器有

22．電阻率

23．正向、弱磁場

24．電容式傳感器、壓電式傳感器、電阻應(yīng)變式傳感器18．空氣介質(zhì)變隙式電容傳感器中，提高靈敏度和減少非線性誤差是矛盾的，為此實(shí)際中大都采用

三、選擇題

1．電阻應(yīng)變片的初始電阻數(shù)值有多種,其中用的最多的是（B）。

A 60ΩB 120ΩC 200ΩD 350Ω

2．電渦流式傳感器激磁線圈的電源是（C）。

A 直流B 工頻交流C 高頻交流D 低頻交流

3．變間隙式電容傳感器的非線性誤差與極板間初始距離d0之間是（C）。

A 正比關(guān)系B 反比關(guān)系C 無關(guān)系

4．單色光的波長越短，它的（A）。

A 頻率越高，其光子能量越大B 頻率越低，其光子能量越大

C 頻率越高，其光子能量越小D 頻率越低，其光子能量越小

5．熱電偶可以測量（C）。

A 壓力B 電壓C 溫度D 熱電勢

6．光敏電阻適于作為（B）。

A 光的測量元件B 光電導(dǎo)開關(guān)元件C 加熱元件D 發(fā)光元件

7．目前我國使用的鉑熱電阻的測量范圍是（D）。

A-200～850℃B-50～850℃

C-200～150℃D-200～650℃

8．下列被測物理量適合于使用紅外傳感器進(jìn)行測量的是（C）

A．壓力B．力矩C．溫度D．厚度

9．屬于傳感器動態(tài)特性指標(biāo)的是（D）

A．重復(fù)性B．線性度C．靈敏度D．固有頻率

10．按照工作原理分類，固體圖象式傳感器屬于（A）

A．光電式傳感器B．電容式傳感器

C．壓電式傳感器D．磁電式傳感器

11．測量范圍大的電容式位移傳感器的類型為（D）

A．變極板面積型B．變極距型

C．變介質(zhì)型D．容柵型

12．利用相鄰雙臂橋檢測的應(yīng)變式傳感器，為使其靈敏度高、非線性誤差?。–）

A．兩個橋臂都應(yīng)當(dāng)用大電阻值工作應(yīng)變片

B．兩個橋臂都應(yīng)當(dāng)用兩個工作應(yīng)變片串聯(lián)

C．兩個橋臂應(yīng)當(dāng)分別用應(yīng)變量變化相反的工作應(yīng)變片

D．兩個橋臂應(yīng)當(dāng)分別用應(yīng)變量變化相同的工作應(yīng)變片

13．影響壓電式加速度傳感器低頻響應(yīng)能力的是（D）

A．電纜的安裝與固定方式B．電纜的長度

C．前置放大器的輸出阻抗D．前置放大器的輸入阻抗

14．將電阻R和電容C串聯(lián)后再并聯(lián)到繼電器或電源開關(guān)兩端所構(gòu)成的RC吸收電路，其作用是（D）

A．抑制共模噪聲B．抑制差模噪聲

C．克服串?dāng)_D．消除電火花干擾

四、問答題

1．傳感器有哪些組成部分？在檢測過程中各起什么作用？

1．答：傳感器通常由敏感元件、轉(zhuǎn)換元件及測量電路三部分組成。

各部分在檢測過程中所起作用是：敏感元件是在傳感器中直接感受被測量，并輸出與被測量成一定聯(lián)系的另一物理量的元件，如電阻式傳感器中的彈性敏感元件可將力轉(zhuǎn)換為位移。轉(zhuǎn)換元件是能將敏感元件的輸出量轉(zhuǎn)換為適于傳輸和測量的電參量的元件，如應(yīng)變片可將應(yīng)變轉(zhuǎn)換為電阻量。測量電路可將傳感元件輸出的電參量轉(zhuǎn)換成易于處理的電量信號。

5.熱電阻傳感器有哪幾種？各有何特點(diǎn)及用途？

5.答：熱電阻可分為金屬熱電阻和半導(dǎo)體熱電阻兩類。前者稱為熱電阻，后者稱為熱敏電阻。以熱電阻或熱敏電阻為主要器件制成的傳感器稱為熱電阻傳感器或熱敏電阻傳感器。

熱電阻傳感器主要是利用電阻隨溫度變化而變化這一特性來測量溫度的。

熱敏電阻按其對溫度的不同反應(yīng)可分為負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻（NTC）、正溫度系數(shù)熱敏電阻（PTC）和臨界溫度系數(shù)熱敏電阻（CTR）三類，7.電阻應(yīng)變傳感器主要由哪幾部分組成？

8.概述電渦流式傳感器的工作原理。

9．電容式傳感器有什么主要特點(diǎn)？可用于哪些方面的檢測？

9．答：電容式傳感器具有以下特點(diǎn)：功率小，阻抗高，動態(tài)特性良好，具有較高的固有頻率和良好的動態(tài)響應(yīng)特性；可獲取比較大的相對變化量；能在比較惡劣的環(huán)境條件下工作；可進(jìn)行非接觸測量；結(jié)構(gòu)簡單、易于制造；輸出阻抗較高，負(fù)載能力較差；寄生電容影響較大；輸出為非線性。

電容式傳感器可用于直線位移、角位移、尺寸、液體液位、材料厚度的測量。

10． 根據(jù)工作原理可將電容式傳感器分為哪幾種類型？各自用途是什么？

10． 答：根據(jù)電容式傳感器的工作原理，電容式傳感器有三種基本類型，即變極距(d)型（又稱變間隙型）、變面積(A)型和變介電常數(shù)(ε)型。變間隙型可測量位移，變面積型可測量直線位移、角位移、尺寸，變介電常數(shù)型可測量液體液位、材料厚度。

11．常用壓電材料有那幾種？

11．答：應(yīng)用于壓電式傳感器中的壓電材料通常有三類：一類是壓電晶體，另一類是經(jīng)過極化處理的壓電陶瓷，；第三類是有機(jī)壓電材料。

12．霍爾電動勢的大小、方向與哪些因素有關(guān)？

12．答：霍爾電動勢的大小正比于激勵電流I與磁感應(yīng)強(qiáng)度B，且當(dāng)I或B的方向改變時，霍爾電動勢的方向也隨著改變，但當(dāng)I和B的方向同時改變時霍爾電動勢極性不變。

13．試說明熱電偶的測溫原理。

13．答：兩種不同材料構(gòu)成的熱電變換元件稱為熱電偶，導(dǎo)體稱為熱電極，通常把兩熱電極的一個端點(diǎn)固定焊接，用于對被測介質(zhì)進(jìn)行溫度測量，這一接點(diǎn)稱為測量端或工作端，俗稱熱端；兩熱電極另一接點(diǎn)處通常保持為某一恒定溫度或室溫，稱冷端。熱電偶閉合回路中產(chǎn)生的熱電勢由溫差電勢和接觸電勢兩種電勢組成。熱電偶接觸電勢是指兩熱電極由于材料不同而具有不同的自由電子密度，在熱電極接點(diǎn)接觸面處產(chǎn)生自由電子的擴(kuò)散現(xiàn)象；擴(kuò)散的結(jié)果，接觸面上逐漸形成靜電場。該靜電場具有阻礙原擴(kuò)散繼續(xù)進(jìn)行的作用，當(dāng)達(dá)到動態(tài)平衡時，在熱電極接點(diǎn)處便產(chǎn)生一個穩(wěn)定電勢差，稱為接觸電勢。其數(shù)值取決于熱電偶兩熱電極的材料和接觸點(diǎn)的溫度，接點(diǎn)溫度越高，接觸電勢越大。

14．光電效應(yīng)有哪幾種類型？與之對應(yīng)的光電元件各有哪些？簡述各光電元件的優(yōu)缺點(diǎn)。

14．答：光電效應(yīng)根據(jù)產(chǎn)生結(jié)果的不同，通?？煞譃橥夤怆娦?yīng)、內(nèi)光電效應(yīng)和光生伏特效應(yīng)三種類型。

15．抑制干擾有哪些基本措施？

15．答：第一，消除或抑制干擾源。

第二，破壞干擾途徑。

第三，削弱接收電路對干擾信號的敏感性。

第二篇：ABS輪速傳感器及其信號處理

ABS輪速傳感器及其信號處理

車輪防抱死制動系統(tǒng)簡稱ABS 是基于汽車輪胎與路面之間的附著特性而開發(fā)的高技術(shù)制動系統(tǒng)。ABS由信號傳感器、邏輯控制器和執(zhí)行調(diào)節(jié)器組成。其控制目標(biāo)是：當(dāng)汽車在應(yīng)急制動時，使車輪能夠獲得最佳制動效率，同時又能實(shí)現(xiàn)車輪不被抱死、側(cè)滑，使汽車在整個制動過程中保持良好的行駛穩(wěn)

定性和方向可操作性。

在ABS系統(tǒng)中，幾乎都離不開對車輪轉(zhuǎn)動角速度的測定，因?yàn)橹灰辛塑囕嗈D(zhuǎn)動角速度，其它參數(shù)（如車輪轉(zhuǎn)動角和加速度）均可通過計算機(jī)計算獲得。ABS的工作原理就是在汽車制動過程中不斷檢測車輪速度的變化，按一定的控制方法，通過電磁閥調(diào)節(jié)輪缸制動壓力，以獲得最高的縱向附著系數(shù)和較高的側(cè)向附著系數(shù)，使車輪始終處于較好的制動狀態(tài)。因此精確檢測車輪速度是ABS系統(tǒng)正常工作的先決條件。

ABS輪速傳感器及特性分析

通常，用來檢測車輪轉(zhuǎn)速信號的傳感器有磁電式、電渦流式和霍爾元件式。由于磁電式輪速傳感器工作可靠，幾乎不受溫度、灰塵等環(huán)境因素影響，所以在ABS系統(tǒng)中得到廣

泛應(yīng)用。

1.1 磁電式輪速傳感器的工作原理

磁電式傳感器的基本原理是電磁感應(yīng)原理。根據(jù)電磁感應(yīng)定律，當(dāng)N匝線圈在均恒磁場內(nèi)運(yùn)動時，設(shè)穿過線圈的磁通為φ，則線圈內(nèi)的感應(yīng)電勢ε與磁通變化率

關(guān)系：

有如下

若線圈在恒定磁場中作直線運(yùn)動并切割磁力線時，則線圈兩端的感應(yīng)電勢ε為：

式中，N為線圈匝數(shù)；B為磁感應(yīng)強(qiáng)度；L為每匝線圈的平均長度： 為線圈相對磁場運(yùn)動的速度；θ為線圈運(yùn)動方向與磁場方向的夾角。

若線圈相對磁場作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動并切割磁力線時，則線圈兩端的感應(yīng)電勢ε為：

式中，ω為旋轉(zhuǎn)運(yùn)動的相對角速度；A為每匝線圈的截面積；φ為線圈平面的法線方

向與磁場方向間的夾角。

根據(jù)上述基本原理，磁電傳感器可以分為兩種類型：變磁通式（變磁阻式）和恒定磁通式。由于變磁通式磁電傳感器結(jié)構(gòu)簡單、牢固、工作可靠、價格便宜，被廣泛用于車輛上作為檢測車輪轉(zhuǎn)速的輪速傳感器。圖1為變磁通式磁電傳感器的結(jié)構(gòu)原理。其中傳感器線圈、磁鐵和外殼均固定不動，齒輪安裝在被測的旋轉(zhuǎn)體上。

當(dāng)齒輪與被測的車輪軸一起轉(zhuǎn)動時，齒輪與鐵芯之間的氣隙隨之變化，從而導(dǎo)致氣隙磁阻和穿過氣隙的主磁通發(fā)生變化。結(jié)果在感應(yīng)線圈中感應(yīng)出交變的電動勢，其頻率等于齒輪的齒數(shù)Z和車輪軸轉(zhuǎn)速n的乘積，即：

f=Zh（4）

感應(yīng)電動勢的幅值與車輪軸的轉(zhuǎn)速和氣隙有關(guān)，當(dāng)氣隙一定時，轉(zhuǎn)速越大，其幅值越大；當(dāng)轉(zhuǎn)速一定時，氣隙越小，其幅值越大。

1.2 輪速傳感器特性試驗(yàn)研究

目前，測量車輪轉(zhuǎn)動速度的一般方法是將變磁阻式磁電傳感器安裝在車輪總成的非旋轉(zhuǎn)部分上，與隨車輪一起轉(zhuǎn)動的由導(dǎo)磁材料制成的齒圈相對。當(dāng)齒圈隨車輪一起轉(zhuǎn)動時，由于齒圈與傳感器之間氣隙的的交替變化，導(dǎo)致兩者間磁阻的變化，從而在傳感器內(nèi)的線

圈上感生出交變的電壓信號。

筆者對國內(nèi)某公司生產(chǎn)的配備某商務(wù)車ABS系統(tǒng)的變磁阻式磁電傳感器進(jìn)行了研究。該車車輪轉(zhuǎn)動半徑為302mm，齒圈齒數(shù)為47齒，用固定螺釘將其與車輪連接。在研制的傳感器參數(shù)檢測系統(tǒng)試驗(yàn)臺上進(jìn)行試驗(yàn)，齒輪由可以無極調(diào)速的驅(qū)動電機(jī)驅(qū)動。將最高車速從10km/h到100km/h對輪速傳感器的輸出信號進(jìn)行觀察、記錄。試驗(yàn)過程中，將齒圈和傳感頭之間的氣隙分別控制在0.5mm，0.6mm，?，1.0mm。表

1、表2分別是傳感器輸出信號的頻率和電壓與車輪轉(zhuǎn)速和氣隙之間的關(guān)系。

當(dāng)氣隙為0.5mm時，不同輪速下變磁阻式磁電輪速傳感器所產(chǎn)生的信號如圖2所示。

1.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

由表

1、表2和圖2可知，變磁阻式輪速傳感器產(chǎn)生的信號具有如下特征：

（1）傳感器頭與齒圈間的氣隙控制在0.5~1.0mm比較理想；

（2）在氣隙一定時，傳感器的靈敏度為常數(shù)；

（3）傳感器產(chǎn)生的信號為接近零均值的正弦波信號；

（4），正弦波信號的幅值隨傳感器頭與齒圈間的氣隙減小和車輪轉(zhuǎn)速增加而變大；正弦波信號的頻率等于齒圈齒數(shù)與輪速的乘積。

由圖2可以看出，傳感器輸出的信號波形并不是標(biāo)準(zhǔn)的、光滑的正弦波，其波形有抖動。經(jīng)過分析可知，它是由于測試系統(tǒng)本身的系統(tǒng)誤差以及在測試現(xiàn)場的一定頻率成分的高頻干擾信號的影響所產(chǎn)生的。2 輪速傳感器信號處理電路的設(shè)計 2.1 信號處理電路的功能要求分析

通過上文的分析可知，當(dāng)齒圈的齒數(shù)一定時，傳感器信號的頻率只與車輪的轉(zhuǎn)速有關(guān)。因此，ABS系統(tǒng)的電控單元（ECU）通常是經(jīng)過專門的信號處理電路將傳感器正弦波信號轉(zhuǎn)換為同頻率的方波信號，通過檢測方波信號的頻率或周期來計算車輪的轉(zhuǎn)速。為了提高測量輪速度精度，輪速信號處理電路應(yīng)具有如下功能：

（1）將正弦波信號轉(zhuǎn)換為同頻率的方波信號時，方波的占空比應(yīng)當(dāng)適中；

（2）由于振動，氣隙在一定范圍內(nèi)變動時，仍然能正確地進(jìn)行波形變換；（3）電磁兼容性好，能抑制噪聲干擾。

2.2 信號處理電路的結(jié)構(gòu)設(shè)計

綜合變磁阻磁電式傳感器的信號特性和信號處理電路的功能要求分析，設(shè)計信號處理電路的結(jié)構(gòu)如圖3所示。它由濾波電路、方波產(chǎn)生電路組成。

2.2.1 濾波電路

由試驗(yàn)可知，中高頻干擾信號的頻率遠(yuǎn)大于傳感器感應(yīng)信號的頻率，因此采用標(biāo)準(zhǔn)的低通濾波器。其作用是在盡可能地保留有用的傳感器信號的前提下濾去噪聲.2.2.2 方波產(chǎn)生電路

利用基于遲滯比較器的方波產(chǎn)生電路能夠產(chǎn)生波形比較理想的方波。根據(jù)不同的要求，通過電路元件參數(shù)的設(shè)計以改變遲滯比較器的門限電壓，從而實(shí)現(xiàn)波形的轉(zhuǎn)換。

當(dāng)遲滯比較器的回差電壓設(shè)計的比較小（約0.1v）時，只要輪速傳感器的原始正弦波信號的幅值大于0.1 v就可以被保留下來轉(zhuǎn)換為方波，而幅值小于0.1 v的噪聲則被濾除；只有當(dāng)輪速傳感器信號電壓的幅值接近零時的幅值大于0.1 v的噪聲才能進(jìn)人后續(xù)處理電路。因?yàn)檫t滯比較器引人了正反饋網(wǎng)絡(luò)，它的抗干擾能力大大提高，產(chǎn)生的方波波形也比較理想（即上升沿與下降沿比較陡，波峰、波谷平整）.2.3 信號處理電路的仿真研究

利用Matlab/Simulink中的信號處理（Signal Pro-cessing Blockset）等模塊構(gòu)建仿

真電路模型，進(jìn)行仿真研究。

由上述“輪速傳感器及其信號特性試驗(yàn)”可知，輪速傳感器信號的幅值和頻率與齒隙、齒數(shù)和車輪轉(zhuǎn)速有關(guān)。在Matlab中，利用正弦波信號源模塊模擬輪速傳感器的感應(yīng)信號。因?yàn)檎也ㄐ盘栐茨K產(chǎn)生的正弦信號非常“純凈”，所以在輸人端加人噪聲信號源，與正弦波信號源信號合成后模擬輪速傳感器信號作為信號處理電路的輸人信號。通過改變正弦波信號的幅值和頻率即可模擬不同輪速和齒隙的傳感器感應(yīng)信號。圖4所示是不同輪速時的輪速傳感幾器信號處理電路的輸入和輸出。

根據(jù)信號處理電路的輸人和輸出，在Matlab中計算輪速傳感器信號處理電路的傳遞特性。二者之間的傳遞函數(shù)對應(yīng)的Bode圖如圖5所示。

由Bode圖分析可知，信號處理電路的傳遞特性近似為3階低通濾波器，具有較理想的幅頻特性和相頻特性，其截至頻率約為1 kHz。因?yàn)榘惭b該ABS傳感器的商務(wù)車的車輪滾動半徑為322 mm，齒圈齒數(shù)為47齒，按最高車速為150 km/h計算時，輪速傳感器信號的頻率為968 Hz，因此該輪速傳感器信號的頻率在所設(shè)計信號處理電路的通帶內(nèi)，滿足使用要

求。

2.4 信號處理電路的試驗(yàn)研究

根據(jù)上述設(shè)計，制成仿真電路進(jìn)行試驗(yàn)研究。由于受到ABS輪速傳感器檢測系統(tǒng)中無極調(diào)速電機(jī)的轉(zhuǎn)速限制，試驗(yàn)分2種情況進(jìn)行。

（1）輪速從3 km/h到100 km/h時，在該公司的ABS輪速傳感器檢測系統(tǒng)上利用該公

司生產(chǎn)的變磁阻式磁電傳感器進(jìn)行試驗(yàn)。

當(dāng)輪速較低時，輪速傳感器信號處理電路存在最低工作速度。因?yàn)楫?dāng)輪速較低，信噪比太小以致信號處理電路無法區(qū)分有效信號與低頻噪聲時，信號處理電路為了防止誤觸發(fā)而將有效信號和噪聲一并阻斷。又由于信號幅值與氣隙有關(guān)，所以對應(yīng)不同氣隙有不同的最低工作速度。正常情況下，傳感器頭與齒圈之間的氣隙在0.5~1.0mm之間，所以對氣隙分別為0.5 mm和1.0 mm兩種工況進(jìn)行了試驗(yàn)。氣隙為0.5 mm時，齒輪最低工作轉(zhuǎn)速對應(yīng)的車速為5.17km/h；氣隙為1.0 mm時，齒輪最低工作轉(zhuǎn)速對應(yīng)的車速為8.26 km/h。與實(shí)際應(yīng)用中ABS的最低工作車速（一般為5-10 km/h）比較，該信號處理電路可以滿足使用要求。當(dāng)車輪轉(zhuǎn)速低于最低工作轉(zhuǎn)速時，輸出信號保持水平，不會導(dǎo)致誤觸發(fā)。

對于氣隙為0.5 mm和1.0mm的兩種工況，在不同轉(zhuǎn)速下，信號處理電路的輸出方波均有比較合適的占空比，也沒有因?yàn)樵肼暩蓴_而導(dǎo)致的誤觸發(fā)脈沖。

（2）輪速從100 km/h到150 km/h時，使用XD5-1低頻信號發(fā)生器產(chǎn)生信號模擬傳感器信號輸人電路。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，在高速時輪速傳感器信號處理電路工作沒有問題。試驗(yàn)結(jié)果與仿真試驗(yàn)結(jié)果一致，證明該信號處理電路能夠正常工作。

結(jié)論

在對變磁阻式磁電輪速傳感器試驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上，分析了ABS輪速傳感器信號的特性，并設(shè)計了該輪速傳感器信號的處理電路。它采用高階低通濾波器實(shí)現(xiàn)抑制噪聲的目的，并利用基于遲滯比較器的方波產(chǎn)生電路達(dá)到了提高信噪比和整形的目的。在Matlab上進(jìn)行的仿真研究和試驗(yàn)研究結(jié)果都表明，該電路具有信號噪聲比高、抗干擾性能強(qiáng)、工作可靠的優(yōu)點(diǎn)。該輪速信號處理電路可以充分發(fā)揮變磁阻式磁電輪速傳感器的潛能，完全可以滿足

ABS系統(tǒng)的要求。

第三篇：淺談生物醫(yī)學(xué)信號及傳感器

淺談生物醫(yī)學(xué)信號及傳感器

導(dǎo)論：

人體存在高度精密而復(fù)雜的生物信號，每一種信號都在傳遞著身體的工作狀態(tài)，器官機(jī)能是否正常，呼吸、循環(huán)系統(tǒng)是否健全，人體是否處于一種健康狀態(tài)……隨著信息科技的發(fā)展，在醫(yī)學(xué)研究領(lǐng)域，產(chǎn)生了“高端”的醫(yī)生，它們通過接收人體信號，對人體信息進(jìn)行檢測，實(shí)現(xiàn)疾病的診斷和防治。

生物醫(yī)學(xué)傳感器好比人的五官，人通過五官，即眼（視覺）、耳（聽覺）、鼻（嗅覺）、舌（味覺）和四肢（觸覺）感知和接受外界信息，然后通過神經(jīng)系統(tǒng)傳遞給大腦進(jìn)行加工處理。傳感器則是一個測量控制系統(tǒng)的“電五官”，他感測到外界的信息，然后送給系統(tǒng)的處理器進(jìn)行加工處理。如果一個系統(tǒng)沒有傳感器，就相當(dāng)于人沒有五官。

生物醫(yī)學(xué)信號處理是生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)的一個重要研究領(lǐng)域，也是近年來迅速發(fā)展的數(shù)字信號處理技術(shù)的一個重要的應(yīng)用方面，正是由于數(shù)字信號處理技術(shù)和生物醫(yī)學(xué)工程的緊密結(jié)合，才使得我們在生物醫(yī)學(xué)信號特征的檢測、提取及臨床應(yīng)用上有了新的手段，因而也幫助我們加深了對人體自身的認(rèn)識。

生物醫(yī)學(xué)傳感器的認(rèn)識

一、定義

我們定義：傳感器是能感受（或響應(yīng)）規(guī)定的被測量并按照一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用信號輸出的器件或裝置。傳感器通常由直接響應(yīng)于被測量的敏感元件和產(chǎn)生可用信號輸出的轉(zhuǎn)換元件以及相應(yīng)的電子線路組成。也可把傳感器狹義地定義為：能把外界非電信號轉(zhuǎn)換成電信號輸出的器件或裝置。

二、分類

生物醫(yī)學(xué)傳感器是一類特殊的電子器件，它能把各種被觀測的生物醫(yī)學(xué)中的非電量轉(zhuǎn)換為易觀測的電量，擴(kuò)大人地感官功能，是構(gòu)成各種醫(yī)療分析和診斷儀器與設(shè)備的關(guān)鍵部件。我們將生物醫(yī)學(xué)傳感技術(shù)中常用的傳感器按被觀測的量劃分為以下三類：

（1）物理傳感器：用于測量和監(jiān)護(hù)生物體的血壓、呼吸、脈搏、體溫、心音、心電、血液的粘度、流速和流量等物理量的檢測。

（2）化學(xué)傳感器：用于生物體中氣味分子，體液（血液、汗液、尿液等）中的PH值，氧和二氧化碳含量（pO2、pCO2），Na+、K+、Ca2+、Cl-以及重金屬離子等化學(xué)量的檢測。

（3）生物傳感器：用于生物體中組織、細(xì)胞、酶、抗原、抗體、受體、激素、膽酸，乙酰膽堿、五羥色胺等神經(jīng)遞質(zhì)，DNA與RNA以及蛋白質(zhì)等生物量的檢測。

傳感器按尺寸劃分有：常規(guī)傳感器（毫米級，可用于組織檢測），微型傳感器（微米級，可用于細(xì)胞檢測）和納米傳感器（納米級，可用于細(xì)胞內(nèi)檢測）。

三、對傳感器的性能要求：

（1）有較高的靈敏度和信噪比。

靈敏度高時，輸入較小的信號即可產(chǎn)生較大的輸出信號。傳感器輸出信號電壓與噪聲電壓之比稱為信噪比。信噪比越高，說明獲得的有用的輸出信號就越大，信噪比越小，信號與噪聲越難分辨，嚴(yán)重時將出現(xiàn)信號被噪聲淹沒的現(xiàn)象，無法獲得有用的信號，測量無效。

（2）有良好的線性和較高的響應(yīng)速度

線性好是指傳感器的輸出信號在規(guī)定的工作范圍內(nèi)與輸出信號成比例關(guān)系，而不產(chǎn)生信號非線性失真。響應(yīng)速度快表明輸出和輸入的延遲時間短、實(shí)時性好。

（3）重復(fù)性、一致性和選擇性好

重復(fù)性好是指傳感器反復(fù)使用，其性能不變。一致性好是指傳感器的互換性強(qiáng)，在生產(chǎn)與修理中尤為重要。選擇性好是指傳感器只對確定目標(biāo)的變量有響應(yīng)，不受其他變量的影響。

（4）化學(xué)、物理性能好

傳感器必須與人體的化學(xué)成分相容，既不會腐蝕也不會給人體帶來毒性。傳感器的形狀、尺寸和結(jié)構(gòu)應(yīng)與待測部位的解剖結(jié)構(gòu)相適應(yīng)，對被測對象的影響要小，使用時應(yīng)不損傷組織。

（5）電氣安全性好

傳感器要與人體有足夠的電絕緣，即使在傳感器損傷的情況下，人體收到的電擊也應(yīng)在安全之下。

（6）操作性好

傳感器應(yīng)操作簡單、維護(hù)方便、便于消毒。

生物醫(yī)學(xué)傳感器的意義

隨著生物傳感技術(shù)的不斷發(fā)展，生物傳感器必將在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域掀起一股熱潮。

（1）生物傳感器采用固定化生物活性物質(zhì)作催化劑，價值昂貴的試劑可以重復(fù)多次使用，克服了過去酶法分析試劑費(fèi)用高和化學(xué)分析繁瑣復(fù)雜的缺點(diǎn)。因此，這一技成本低，在連續(xù)使用時，每例測定僅需要幾分錢人民幣，術(shù)在很大程度上減輕病患醫(yī)療費(fèi)用上的負(fù)擔(dān)。（2）生物傳感器專一性強(qiáng)，只對特定的底物起反應(yīng)，而且不受顏色、濁度的影響，準(zhǔn)確度高，一般相對誤差可以達(dá)到1％；分析速度快，可以在一分鐘得到結(jié)果。因此，這一技術(shù)應(yīng)用于醫(yī)學(xué)上不僅提高了檢測結(jié)果的準(zhǔn)確性，更是縮短了整個過程所需的時間，進(jìn)一步提供了救治病人的先機(jī)。

（3）操作系統(tǒng)比較簡單，容易實(shí)現(xiàn)自動分析。在臨床中，許多操作對于病患來說是痛苦的，若能很好的利用生物傳感器的這一特點(diǎn)，我相信將為他們減少很多的痛苦。

當(dāng)前各種利用生物傳感技術(shù)開發(fā)的儀器也已問世，但是在應(yīng)用上還有許多技術(shù)需要深入研究。診斷各種疾病的醫(yī)用傳感器，還有待于引深研發(fā)，例如谷氨酸傳感器是一種穩(wěn)定的脫氫酶、轉(zhuǎn)氨酶、血氨的指示性傳感器，它在臨床急癥室等許多場合可取代光度法測定，有潛在應(yīng)用前景；測定胸外科病人乳酸指標(biāo)的生物傳感器也已開始應(yīng)用,與腎透析聯(lián)用的幾種生物傳感器也有產(chǎn)業(yè)化開發(fā)價值。今后這些生物傳感器將逐漸得到普及，給廣大病患帶來更多的福音。

生物醫(yī)學(xué)信號

生物醫(yī)學(xué)信號有一維、二維之分一般而言, 將一維信號稱為信號, 二維信號稱為圖像自然界廣泛存在的生物醫(yī)學(xué)信號是連續(xù)的, 由于計算機(jī)巨大的計算能力, 一般先用轉(zhuǎn)換器將

連續(xù)信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號, 然后在計算機(jī)內(nèi)用各種方法編制成的軟件進(jìn)行分析處理限于篇幅, 這里只論一維生物醫(yī)學(xué)信號的處理方法。

信號處理的領(lǐng)域是相當(dāng)廣泛而又深人的, 已在不同程度上滲透到幾乎所有的醫(yī)療衛(wèi)生領(lǐng)域從預(yù)防醫(yī)學(xué)、基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)到臨床醫(yī)學(xué), 從醫(yī)療、科研到健康普查, 都已有許多成功的例子如心電圖分析, 腦電圖分析, 視網(wǎng)膜電圖分析, 光片處理, 圖像重建, 健康普查的醫(yī)學(xué)統(tǒng)計, 疾病的自動診斷, 細(xì)胞、染色體顯微圖像處理, 血流速度測定, 生物信號的混沌測量等等。

一、生物醫(yī)學(xué)信號特點(diǎn)

（1）信號弱：直接從人體中檢測到的生理電信號其幅值一般比較小。如從母體腹部取到的胎兒心電信號僅為10～50μV，腦干聽覺誘發(fā)響應(yīng)信號小于1μV，自發(fā)腦電信號約5～150μV，體表心電信號相對較大，最大可達(dá)5mV。

因此，在處理各種生理信號之前要配置各種高性能的放大器。

（2）噪聲強(qiáng)：噪聲是指其它信號對所研究對象信號的干擾。如電生理信號總是伴隨著由于肢體動作、精神緊張等帶來的干擾，而且?；煊休^強(qiáng)的工頻干擾；誘發(fā)腦電信號中總是伴隨著較強(qiáng)的自發(fā)腦電；從母腹取到的胎兒心電信號常被較強(qiáng)的母親心電所淹沒。這給信號的檢測與處理帶來了困難。

因此要求采用一系列的有效的去除噪聲的算法。

（3）頻率范圍一般較低：經(jīng)頻譜分析可知，除聲音信號（如心音）頻譜成分較高外，其它電生理信號的頻譜一般較低。如心電的頻譜為0.01～35Hz，腦電的頻譜分布在l～30Hz之間。

因此在信號的獲取、放大、處理時要充分考慮對信號的頻率響應(yīng)特性。

（4）隨機(jī)性強(qiáng)：生物醫(yī)學(xué)信號是隨機(jī)信號，一般不能用確定的數(shù)學(xué)函數(shù)來描述，它的規(guī)律主要從大量統(tǒng)計結(jié)果中呈現(xiàn)出來，必須借助統(tǒng)計處理技術(shù)來檢測、辨識隨機(jī)信號和

估計它的特征。而且它往往是非平穩(wěn)的，即信號的統(tǒng)計特征（如均值、方差等）隨時間的變化而改變。這給生物醫(yī)學(xué)信號的處理帶來了困難。

因此在信號處理時往往進(jìn)行相應(yīng)的理想化和簡化。當(dāng)信號非平穩(wěn)性變化不太快時，可以把它作為分段平穩(wěn)的準(zhǔn)平穩(wěn)信號來處理；如果信號具有周期重復(fù)的節(jié)律性，只是周期和各周期的波形有一定程度的隨機(jī)變異，則可以作為周期平穩(wěn)的重復(fù)性信號來處理。更一般性的方法是采用自適應(yīng)處理技術(shù)，使處理的參數(shù)自動跟隨信號的非平穩(wěn)性而改變。

二、生物醫(yī)學(xué)信號的檢測方法

（1）AEV方法

AEV方法原是通信研究中用于提高信噪比的一種疊加平均法, 在醫(yī)學(xué)研究中也叫平均誘發(fā)反應(yīng)法,簡稱方法所謂誘發(fā)反應(yīng)是指肌體對某個外加刺激所產(chǎn)生的反應(yīng),AEV方法常用來檢測那些微弱的生物醫(yī)學(xué)信號如希氏束電圖、腦電圖、耳蝸電圖等希氏束電圖的信號幅度僅一拼, 它們在用丫方法檢測出之前, 幾乎或完全淹沒在很強(qiáng)的噪聲中, 這些噪聲包括自發(fā)反應(yīng), 外界干擾, 儀器噪聲方法要求噪聲是隨機(jī)的, 并且其協(xié)方差為零, 信號是周期或可重復(fù)產(chǎn)生的, 這樣經(jīng)過平方次疊加, 信噪比可提高N倍, 使用方法的關(guān)鍵是尋找疊加的時間基準(zhǔn)點(diǎn)。

（2）生物醫(yī)學(xué)信號的混沌測量

傳統(tǒng)的測量技術(shù)以線性方法為主, 強(qiáng)調(diào)的是穩(wěn)定、平衡和均勻性而非線性系統(tǒng)是在不穩(wěn)定、非平衡的狀態(tài)中提取信息、處理信息, 從而顯示它特有的優(yōu)點(diǎn)混沌用于測量閉可以說是一種嘗試, 也許人們很難想象一個極不穩(wěn)定的混沌系統(tǒng)能進(jìn)行精確的測量, 可是生物的感覺器官就是極不穩(wěn)定的混沌系統(tǒng), 其檢測靈敏度卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出目前的科技水平, 這是一個全

混沌系統(tǒng)的最大特點(diǎn)是初值敏感性和參數(shù)敏感性, 即所謂蝴蝶效應(yīng)混沌測量的基本思路就是把蝴蝶效應(yīng)倒過來應(yīng)用將敏感元件作為混沌電路的一部分, 其敏感參數(shù)隨待測量變化而變化, 并使系統(tǒng)的混沌軌道變化, 測出餛沌軌道的變化就可得到待測量, 這是一種不同于傳統(tǒng)測量的新方法。

三、生物醫(yī)學(xué)信號的處理方法

簡單的信號處理是建立在線性時不變系統(tǒng)理論基礎(chǔ)上的，這種理論只適用于平穩(wěn)信號的處理，非平穩(wěn)信號是多種多樣的。其中有一種是均值緩慢變化而方差不變的信號。由于生物體對處界刺激的適應(yīng)能力，生物體在接受外界刺激的適應(yīng)過程中產(chǎn)生的生物信號就具有這樣的特點(diǎn)。均值變化的規(guī)律稱為趨勢函數(shù)，一旦從這類信號中除去趨勢函數(shù)，信號就變成了平穩(wěn)的。因而在分析這種信號時，首先應(yīng)進(jìn)行消除趨勢函數(shù)處理；另一類非平穩(wěn)的信號可近似地看成是分段平穩(wěn)的。腦電信號常具有這個特點(diǎn)，因?yàn)槟X電信號隨著精神狀態(tài)的改變而改變，造成逐段平穩(wěn)的狀態(tài)。在處理這類信號的第一步是把它正確地分段，使它的每一段都可以認(rèn)為是平穩(wěn)的，再用平穩(wěn)信號處理方法處理它們。

由于計算機(jī)技術(shù)的普及與發(fā)展，以及數(shù)字處理方法的通用性和靈活性，數(shù)字信號處理技術(shù)己成了信號處理技術(shù)的主流。為了進(jìn)行數(shù)字信號處理，必須在正式處理前先把模擬信號時間離散化、量化。在數(shù)字信號處理中已經(jīng)指出，采樣導(dǎo)致信號頻譜的周期延托，周期延拓結(jié)果造成頻譜混疊。對一個頻帶寬度有限的信號，只要采樣頻率大于信號最高頻率的兩倍，就可以避免這種頻譜混疊。然而，實(shí)際信號的頻譜并不像理想的那樣，在高于某個最高頻率的區(qū)域上幅度就截然變?yōu)榱?，而只是比較小而已。因此，采樣定理只能近似地滿足，實(shí)際頻譜混疊仍然存在。為了克服這個問題，必須在采樣以前，將信號通過一個高頻抑制能力較理想的低溫濾波器(稱為抗混迭濾波器)進(jìn)行限帶濾波處理。

根據(jù)信號處理系統(tǒng)任務(wù)要求，有時在取得信號后，不需立即得到處理結(jié)果，這時就可以來用離線處理。大多數(shù)情況下，要求處理結(jié)果在采集同時或采集結(jié)束后立即得到，就要用實(shí)時的或在線的處理方法。在實(shí)時和在線的處理中，處理(運(yùn)算)速度要足夠快，占用內(nèi)存空間也有一定限制，均比離線處理要求高，有時為了實(shí)現(xiàn)足夠快的處理速度，不得不采用專用的硬件處理器。

參考文獻(xiàn)：

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《生物醫(yī)學(xué)信號數(shù)字處理技術(shù)及應(yīng)用》 科學(xué)出版社聶能 堯德中 等著

《生物醫(yī)學(xué)信號處理》 電子科技大學(xué)出版社 李凌 饒妮妮 著

第四篇：傳感器信號調(diào)理電路

傳感器信號調(diào)理電路

傳感器信號調(diào)理電路

信號調(diào)理往往是把來自傳感器的模擬信號變換為用于數(shù)據(jù)采集、控制過程、執(zhí)行計算顯示讀出和其他目的的數(shù)字信號。模擬傳感器可測量很多物理量，如溫度、壓力、力、流量、運(yùn)動、位置、PH、光強(qiáng)等。通常，傳感器信號不能直接轉(zhuǎn)換為數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)，這是因?yàn)閭鞲衅鬏敵鍪窍喈?dāng)小的電壓、電流或電阻變化，因此，在變換為數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)之前必須進(jìn)行調(diào)理。調(diào)理就是放大，緩沖或定標(biāo)模擬信號，使其適合于模/數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)的輸入。然后，ADC對模擬信號進(jìn)行數(shù)字化，并把數(shù)字信號送到微控制器或其他數(shù)字器件，以便用于系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理。此鏈路工作的關(guān)鍵是選擇運(yùn)放，運(yùn)放要正確地接口被測的各種類型傳感器。然后，設(shè)計人員必須選擇ADC。ADC應(yīng)具有處理來自輸入電路信號的能力，并能產(chǎn)生滿足數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)分辨率、精度和取樣率的數(shù)字輸出。

傳感器

傳感器根據(jù)所測物理量的類型可分類為：測量溫度的熱電偶、電阻溫度檢測器(RTD)、熱敏電阻；測量壓力或力的應(yīng)變片；測量溶液酸堿值的PH電極；用于光電子測量光強(qiáng)的PIN光電二極管等等。傳感器可進(jìn)一步分類為有源或無源。有源傳感器需要一個外部激勵源(電壓或電流源)，而無源傳感器不用激勵而產(chǎn)生自己本身的電壓。通常的有源傳感器是RTD、熱敏電阻、應(yīng)變片，而熱電偶和PIN二極管是無源傳感器。為了確定與傳感器接口的放大器所必須具備的性能指標(biāo)，設(shè)計人員必須考慮傳感器如下的主要性能指標(biāo)：

·源阻抗

——高的源阻抗大于100KΩ

——低的源阻抗小于100Ω

·輸出信號電平

——高信號電平大于500mV滿標(biāo)

——低信號電平大于100mV滿標(biāo)

·動態(tài)范圍

在傳感器的激勵范圍產(chǎn)生一個可測量的輸出信號。它取決于所用傳感器類型。

放大器功用

放大器除提供dc信號增益外，還緩沖和定標(biāo)送到ADC之前的傳感器輸入。放大器有兩個關(guān)鍵職責(zé)。一個是根據(jù)傳感器特性為傳感器提供合適的接口。另一個職責(zé)是根據(jù)所呈現(xiàn)的負(fù)載接口ADC。關(guān)鍵因素包括放大器和ADC之間的連接距離，電容負(fù)載效應(yīng)和ADC的輸入阻抗。

選擇放大器與傳感器正確接口時，設(shè)計人員必須使放大器與傳感器特性匹配?？煽康姆糯笃魈匦詫τ趥鞲衅鳌糯笃鹘M合的工作是關(guān)鍵性的。例如，PH電極是一個高阻抗傳感器，所以，放大器的輸入偏置電流是優(yōu)先考慮的。PH傳感器所提供的信號不允許產(chǎn)生任何相當(dāng)大的電流，所以，放大器必須是在工作時不需要高輸入偏置電流的型號。具有低輸入偏置電流的高阻抗MOS輸入放大器是符合這種要求的最好選擇。另外，對于應(yīng)用增益帶寬乘積(GBP)是低優(yōu)先考慮，這是因?yàn)閭鞲衅鞴ぷ髟诘皖l，而放大器的頻率響應(yīng)不應(yīng)該妨礙傳感器信號波形的真正再生。

傳感器和放大器匹配電路

PH電極緩沖器

高阻抗PH傳感器可與具有低功率電路(僅需要2個1.5V電池供電)的放大器配對。放大器MOS輸入晶體管為傳感器提供高阻抗，傳感器輸出阻抗為1MW或更大。此放大器的輸入偏置電流小于1pA，所以，放大器工作消耗非常小的電流。放大器的失調(diào)電壓小于1mV。放大器提供軌到軌工作并具有高驅(qū)動能力，能在長線上發(fā)送信號(放大器遠(yuǎn)離ADC的情況)。在電路中增加了一個精密溫度傳感器，可以測量PH傳感器的溫度。這使得具有精確的PH溫度補(bǔ)償值。

完整的傳感器橋接口

·測量應(yīng)變片傳感器通常要通過橋網(wǎng)絡(luò)，應(yīng)變片構(gòu)成橋的兩個(或4個)臂。應(yīng)變片是低源阻抗器件，其輸出信號范圍是小的(幾百微伏~幾毫伏)。圖3所示的電路能為精確測量傳感器信號提供測量橋穩(wěn)定激勵電壓和高共模電壓抑制(CMR)，消除了任何共模電壓。用高精度和非常低漂移(隨溫度)的精密電壓基準(zhǔn)驅(qū)動放大器A1。這可為橋提供非常精確、穩(wěn)定的激勵源。因?yàn)楣材ｋ妷捍蠹s為激勵電壓的一半，所以被測信號僅僅是橋臂之間小的差分電壓。放大器A2、A3、A4必須提供高共模抑制比(CMRR)，所以僅測量差分電壓。這些放大器也必須具有低值輸入失調(diào)電壓(VOS)漂移(也稱之為失調(diào)電壓溫度系數(shù)TCVOS)和輸入偏置電流，以使得從傳感器能精確地讀數(shù)。放大器A1~A4連接成儀表放大器以達(dá)到上述目標(biāo)。這種配置的電壓增益(AV)為：AV=(1+2R2/bR2)(aR1/R1)，其中a和b是確定總增益的比值。

輻射分析儀通道

輻射譜測量來自輻射源的發(fā)射能量的分布，輻射源可以是粒子，X射線或γ射線。輻射照到閃光晶體上并發(fā)射強(qiáng)度正比于能量的短脈沖。然后由PIN光電二極管把光轉(zhuǎn)換為電流。放大器(見圖4)用做首置放大器和PIN光電二極管輸出的電流/電壓轉(zhuǎn)換器。此電路為用于基本輻射譜的單通道分析儀。信號的脈沖幅度包含重要信息，所以低輸入失調(diào)電壓和低失調(diào)電壓漂移是重要的。寬帶寬為處理脈沖(可窄到幾納秒)提供快速響應(yīng)。首置放大器輸出(VOUT)到脈沖幅度分析儀(如快速ADC)來測量和儲存每個峰值發(fā)生的數(shù)。分布是單個源的光譜。反饋電阻R1值取決于來自PIN光電二極管的最大電流和到ADC的最大輸出電壓。因此，R1=(MaxVOUT)/(MaxISIGNAL)。電容C1用于PIN光電二極管寄生電容的補(bǔ)償。R2和C2相當(dāng)于R1和C1用于補(bǔ)償放大器非倒相輸入的輸入偏置電流。

熱電耦接口電路

熱電偶根據(jù)兩個不同金屬線結(jié)點(diǎn)之間的溫度差提供電壓信號。熱電偶溫度傳感器具有一個感測端(金屬A/金屬B連接端)和一個參考端(金屬A和金屬B與銅導(dǎo)線連接端)。冷端參考溫度與熱電偶信號一道進(jìn)行控制和測量。熱電偶具有大約10mV/℃~80mV/℃的小信號電平范圍和小的源阻抗。配置成差分放大器的單放大器(圖5)把信號放大到ADC輸入所需的電平。差分放大器增益為：

AV=xR/R

其中x是電阻比，它決定增益。差分配置有助于抑制熱電偶線的共模拾取。放大器應(yīng)具有低失調(diào)電壓和低失調(diào)電壓漂移。

信號調(diào)理系統(tǒng)的最后級——ADC

信號調(diào)理系統(tǒng)的基本目標(biāo)是盡可能快速、完整和便宜地把模擬傳感器數(shù)據(jù)變換為數(shù)字形式，此任務(wù)就落在ADC身上。所用ADC的類型由一系列參數(shù)決定。這包括所需的分辨率(位數(shù))、速度(數(shù)據(jù)吞吐率)、ac或dc信號輸入、精度(dc和ac)、等待時間(取樣周期開始和第一個有效數(shù)字輸出之間的時間)和電源電平。在輸出端(接口到微控制器或數(shù)字信號處理器)的重要參數(shù)包括串行或并行、處理器的輸入電壓電平、有效的電源電壓和功耗考慮。

大多數(shù)信號調(diào)理應(yīng)用采用逐次逼近(SAR)或積分型ADC。這兩種ADC能很好地處理dc信號，而SAR型ADC對快速ac信號能提供更好的支持。SAR轉(zhuǎn)換器是所有ADC中最通用的，這種轉(zhuǎn)換器把高分辨率(高達(dá)

16位)和高吞吐能力結(jié)合在一起。

積分ADC具有長操作時間，這是因?yàn)樗棉D(zhuǎn)換方法的原因，但通過信號平均使其具有噪音低的特點(diǎn)。對于中頻ac信號，D-S轉(zhuǎn)換器是最好的選擇，因?yàn)樗鼈兙哂懈叻直媛屎透呔?。D-S轉(zhuǎn)換器分辨率高達(dá)24位，但以降低速度為代價，其等待時間非常長。其他兩類ADC—流水線和分段ADC是高速器件，非常適合用于轉(zhuǎn)換高頻ac信號。

第五篇：信號分析與處理 期末考試

2014-2015學(xué)年第一學(xué)期期末考試

《信號分析與處理中的數(shù)學(xué)方法》

學(xué)號： 姓名：

注意事項：

1.嚴(yán)禁相互抄襲，如有雷同，直接按照不及格處理； 2.試卷開卷；

3.本考試提交時間為2014年12月31日24時，逾期郵件無效； 4.考試答案以PDF和word形式發(fā)送到sp_exam@126.com。

1、敘述卡享南—洛厄維變換，為什么該變換被稱為最佳變換，何為其實(shí)用時的困難所在，舉例說明其應(yīng)用。

解：形為λφ()=(,)()(1-1)

0的方程稱為齊次佛萊德霍姆積分方程，其中φ（t）為未知函數(shù)，λ是參數(shù)，C（t,s）為已知的“核函數(shù)”，它定義在[0，T]×[0，T]上，我們假定它是連續(xù)的，且是對稱的：

(t,s)=(s,t)(1-2)使積分方程(1-1)有解的參數(shù)λ稱為該方程的特征值，相應(yīng)的解φ(t)稱為該方程的特征函數(shù)。

又核函數(shù)可表示為：

C(t,s)= =1()()（1-3）

固定一個變量（例如t），則式（1-3）表示以s為變量的函數(shù)C(t,s)關(guān)于正交系{φ(s)}

n∞的傅里葉級數(shù)展開，而傅里葉級數(shù)正好是λ

n

φn(t)。

設(shè)x（t）為一隨機(jī)信號，則其協(xié)方差函數(shù)

（t,s）={[x(t)-E{x(t)}][x(s)-E{x(s)}]}是一個非隨機(jī)的對稱函數(shù)，而且是非負(fù)定的。為了能方便地應(yīng)用式(1-3)，假定C(t,s)是正定的，在多數(shù)情況下，這是符合實(shí)際的。當(dāng)然，還假定C(t,s)在[0，T]×[0，T]上連續(xù)。現(xiàn)在用特征函數(shù)系{φ(t)}作為基來表示x（t）：

nx(t)= n=1αnφn(t)(1-4)其中

T∞

αn

n

= x（t）φn（t）dt

0因?yàn)閧φ（t）}是歸一化正交系，所以展開式（1-4）類似于傅里葉級數(shù)展開。但是因?yàn)閤（t）是隨機(jī)的，從而系數(shù)xn也是隨機(jī)的，因此這個展開式實(shí)際上并不是通常的傅里葉展開。

式(1-4)稱為隨機(jī)信號的卡享南-洛厄維展開。因?yàn)檫@種變換能使變換后的分量互不相關(guān)，而且這種展開的截斷既能使均方差誤差最小，又能使統(tǒng)計影響最小，故具有最優(yōu)性。

卡享南-洛厄維變換沒有固定的變換矩陣，它依賴于給定的隨機(jī)向量的協(xié)方差陣。正是這種變換的特點(diǎn)，也是它在實(shí)際使用時的困難所在，因?yàn)樗枰勒詹还潭ǖ木仃嚽筇卣髦岛吞卣飨蛄俊?/p>

卡享南-洛厄維變換應(yīng)用在數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)中。按照最優(yōu)化原則的數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)可以解決通訊和數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的信道容量不足和計算機(jī)存儲容量不足的問題。通過對信號作正交變換，根據(jù)失真最小的原則在變換域進(jìn)行壓縮。卡享南-洛厄維變換被選用并不是偶然的，因?yàn)檫@種變換消除了原始信號x的諸分量間的相關(guān)性，從而使數(shù)據(jù)壓縮能遵循均方誤差最小的準(zhǔn)則實(shí)施。

2、最小二乘法的三種表現(xiàn)形式是什么？以傅里葉級數(shù)展開為例說明其各自的優(yōu)缺點(diǎn)。

解：希爾伯特空間中線性逼近問題的求解方法稱為最小二乘法。通常它有三種不同的表現(xiàn)形式：投影法、求導(dǎo)法和配方法。我們以傅里葉級數(shù)展開為例來說明。

投影法：

設(shè)X為希爾伯特空間，{e1,e2,e3??}為X中的一組歸一化正交元素，x為X中的某一元素。在子空間M=span{e1,e2,e3??}中求一元素m，使得

x?m‖‖x-m0‖=minm‖∈(2-1)M由于M中的元素可表示為e1,e2,e3??的線性組合，那么問題就轉(zhuǎn)化為求系數(shù) α1,α2??使得

‖x-k=1akek‖=min 2-2 投影定理指出了最優(yōu)系數(shù)α

1∞,α2??應(yīng)滿足 x-k=1akek⊥ek ,m=1,2, ??

∞由此可得（x,em）=(k=1akek ∞,em)=am

也就是說，當(dāng)且僅當(dāng)ak取為x關(guān)于歸一化正交系{ e1,e2,e3??}的傅立葉系數(shù)ak=(x,ek)ck時式（2-2）成立。

＝Δ

求導(dǎo)法： 記泛函

f??1,?2,??x???kekk?1?

2(2-4)為了便于使用求導(dǎo)法求此泛函的最小值，將它表為

f??1,?2,???????x???kek,x???mem?k?1m?1???x?2??kck???k2k?1k?12??(2-5)

其中ck??x,ek?。于是最優(yōu)的?1,?2,應(yīng)滿足

?f?0,m?1,2,??m即?2cm?2?m?0，或?m?cm,配方法：

m?1,2,。

f??1,?2,?2?x?2??kck???k2k?1k?1?2k?2k?2??(2-6)

? ?x??c??c?2??kck???k2

k?1k?1k?1k?12 ?x??c????k?ck?

2kk?1k?1??2 ?min??k?ck，k?1,2，以上三種方法都稱為最小二乘法。比較起來，從數(shù)學(xué)理論上講，投影法較高深，求導(dǎo)法次之，配方法則屬初等；從方法難度上講，求導(dǎo)法最容易，投影法和配方法各有千秋；從結(jié)果看，配方法最好，因?yàn)樗粌H求出了最優(yōu)系數(shù)?k，而且由配方結(jié)果立即可知目標(biāo)函數(shù)f??1,?2,?的極值。此外，配方法和投影法都給出了f達(dá)到極小的充分和必要條件，但求導(dǎo)法給出的僅僅是極值的必要條件，如果是極值，還不知道是極大還是極小，所以是不完整的。

通過以上的比較，我們不能簡單地得出結(jié)論，說這三種方法孰勝孰劣。例如： 投影法必須把所討論的最優(yōu)化問題放到某個希爾伯特空間的框架中去；

求導(dǎo)法必須有可行的求導(dǎo)法則，如果未知的變元是向量，矩陣或函數(shù)，求導(dǎo)法就不那么直捷了；

配方法則是一種技巧性很強(qiáng)的方法，如果目標(biāo)函數(shù)的表達(dá)式比較復(fù)雜（例如含有向量和矩陣），那么配方是相當(dāng)困難的，甚至?xí)譄o策。

因此，在不同的場合，根據(jù)不同的需要和可能，靈活地使用恰當(dāng)?shù)姆椒?，是掌握最小二乘法的關(guān)鍵。

3、二階矩有限的隨機(jī)變量希爾伯特空間中平穩(wěn)序列的預(yù)測問題的法方程稱為關(guān)于平穩(wěn)序列預(yù)測問題的yule-walker方程，試用投影法和求導(dǎo)法推導(dǎo)該方程。該方程的求解算法稱為最小二乘算法，請對這些算法的原理予以描述。

解：考慮二階矩有限的隨機(jī)變量希爾伯特空間中的序列?x1,x2,?，記子空間

Mk,N?span?xk?N,xk?N?1,現(xiàn)在的問題是，用Mk,N中的元素 ,xk?1?(3-1)

xk?N????mxk?mm?1N(3-2)

來估計xk，并使得均放誤差最小，也就是求系數(shù)?1，?N使得

xk?xN2k?E??x?x???min(3-3)

?N?2kk這個問題就是隨機(jī)序列的預(yù)測問題。投影法：

?N?根據(jù)投影定理，xk應(yīng)是xk在子空間Mk,N中的投影，即?1，?N滿足

N??x??x?k?mk?m??xk?l,l?1,m?1??,N(3-4)根據(jù)空間中的正交性定義，上式即為

??E?xmm?1Nk?mk?lx??E?xkxk?l?,l?1，N(3-5)這就是最佳預(yù)測的法方程。因?yàn)殡S機(jī)序列?x1,x2,?是平穩(wěn)的，故式(3-5)可寫作

?rm?1Nm?l?m?rl,l?1，N(3-6)其中r???r?。方程(3-6)即為??E?xm??xm?是該平穩(wěn)序列的自相關(guān)，它滿足rYule-Walker方程，它的分量形式為

?r0?r?1???rN?1求導(dǎo)法：

r1r0rN?2rN?1???1??r1?rN?2???2??r2???????(3-7)??????????r0???N??rN? 我們先將式(3-3)改寫為如下形式

f??1,進(jìn)一步推導(dǎo)有 ,?n??x???kykk?1n2?min(3-8)

nn??f??x???kyk,x???kyk?k?1k?1???x?2??x,yk??k????yk,ym??k?mk?1k?1m?12nnn(3-9)

?x?2?T???TY?利用求導(dǎo)公式，?應(yīng)滿足??f??2??2Y??0，即Y???。

2最小二乘法是一種數(shù)學(xué)優(yōu)化技術(shù)。它通過最小化誤差的平方和尋找數(shù)據(jù)的最佳函數(shù)匹配。利用最小二乘法可以簡便地求得未知的數(shù)據(jù)，并使得這些求得的數(shù)據(jù)與實(shí)際數(shù)據(jù)之間誤差的平方和為最小。最小二乘法還可用于曲線擬合。其他一些優(yōu)化問題也可通過最小化能量或最大化熵用最小二乘法來表達(dá)。

4、簡述卡爾曼濾波以及由其衍生出的EKF、UKF和粒子濾波的原理，指出卡爾曼濾波中Q陣和R陣的確定方法以及對濾波結(jié)果的影響，并指出以上這些濾波算法可能的應(yīng)用。

解：卡爾曼濾波器用反饋控制的方法估計過程狀態(tài)：濾波器估計過程某一時刻的狀態(tài)，然后以測量變量的方式獲得反饋。

卡爾曼濾波器可分為兩個部分：時間更新方程和測量更新方程。

時間更新方程負(fù)責(zé)及時向前推算當(dāng)前狀態(tài)變量和誤差協(xié)方差估計的值，以便為下一個時間狀態(tài)構(gòu)造先驗(yàn)估計。

測量更新方程負(fù)責(zé)反饋——也就是說，它將先驗(yàn)估計和新的測量變量結(jié)合以構(gòu)造改進(jìn)的后驗(yàn)估計。時間更新方程也可視為預(yù)估方程，測量更新方程可視為校正方程。

時間更新方程：

??k?1?Buk?1(4-1)xk?Ax?TP?APA?Q(4-2)kk?1

狀態(tài)更新方程：

?T?T?1Kk?PkH(HPkH?R)(4-3)???k?xk?kx?Kk(yk?Hx)(4-4)

Pk?(I?KkH)Pk?(4-5)

測量更新方程首先做的是計算卡爾曼增益Kk。

?其次便測量輸出以獲得zk，然后產(chǎn)生狀態(tài)的后驗(yàn)估計。最后按Pk?(I?KkH)Pk產(chǎn)生估計狀態(tài)的后驗(yàn)協(xié)方差。

計算完時間更新方程和測量更新方程，整個過程再次重復(fù)。上一次計算得到的后驗(yàn)估計被作為下一次計算的先驗(yàn)估計。由于這種遞歸很容易實(shí)現(xiàn)，所以卡爾曼濾波器得到了廣泛的應(yīng)用。

卡爾曼濾波器可應(yīng)用于所有的需要對狀態(tài)進(jìn)行估計的對象中，目前在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的信息融合，雷達(dá)目標(biāo)跟蹤，計算機(jī)圖像處理等領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用。

5、什么是插值？有多少種插值？具體說明樣條插值的原理，舉例說明其應(yīng)用。

解：在有的實(shí)際問題中，被逼函數(shù)處的數(shù)值：

x?t?并不是完全知道的，只是知道其在一些采樣點(diǎn)x?ti??xi,i?0,1,(5-1)這時，希望用簡單的或可實(shí)現(xiàn)的函數(shù)f?x?去擬合這些數(shù)據(jù)。如果恰能做到f?ti??xi，那么這就為插值；如果辦不到，則要考慮最佳逼近問題。

插值的種類：

多項式插值，有理插值，指數(shù)多項式插值。

差值很早就為人所應(yīng)用，早在6世紀(jì)，中國的劉焯已將等距二次插值用于天文計算。17世紀(jì)之后，I.牛頓，J.-L.拉格朗日分別討論了等距和非等距的一般插值公式。在近代，插值法仍然是數(shù)據(jù)處理和編制函數(shù)表的常用工具，又是數(shù)值積分、數(shù)值微分、非線性方程求根和微分方程數(shù)值解法的重要基礎(chǔ)，許多求解計算公式都是以插值為基礎(chǔ)導(dǎo)出的。

插值在圖像處理中的應(yīng)用。在許多實(shí)際應(yīng)用中，需要對圖形或圖像以某種方式進(jìn)行放大或縮小。幾何變換中的縮放處理可以改變圖像或圖像中部分區(qū)域的大小，但對圖像進(jìn)行縮放的目標(biāo)是盡量減少變化后圖像的空間畸變，插值方法可以幫助我們將這種畸變減少到最少程度。