文档介绍：国内图书分类号:TP212 学校代码:10213
国际图书分类号: 密级:公开
工学博士学位论文
多功能传感器信号重构若干关键技术研究
博士研究生:王昕
导师:孙金玮教授
副导师魏国教授
申请学位:工学博士
学科:仪器科学与技术
所在单位:自动化测试与控制系
答辩日期:2012 年 6 月
授予学位单位:哈尔滨工业大学
Classified Index: TP212
:
Dissertation for the Doctoral Degree in Engineering
RESEARCH ON KEY TECHNIQUES OF SIGNAL
RECONSTRUCTION FOR MULTIFUNCTIONAL
SENSORS
Candidate: Wang Xin
Supervisor: Prof. Sun Jinwei
Associate Supervisor: Prof. Wei Guo
Academic Degree Applied for: Doctor of Engineering
Speciality: Instrument Science and Technology
Affiliation: Dept. of Automatic Testing and
Control
Date of Defence: June, 2012
Degree-Conferring-Institution: Harbin Institute of Technology
摘要
摘要
作为现代传感技术的主要发展趋势之一,多功能传感技术因其具有体积
小、功耗低、能有效克服交叉敏感效应等优点,能够很好地满足各种测控系统
在测试精度、稳健性和抗干扰能力等方面的要求,已越来越多地在科学研究和
工程实际中被采用。同时,由于与传统的单一功能传感器相比,多功能传感器
的输入输出特性更加复杂,因而对其信号重构方法也提出了更高的要求。
本论文的目的是研究多功能传感器信号重构中的若干关键技术。首先,设
计了一种多功能传感器,以实现对食品渗透脱水过程中,三元溶液浓度的在线
测量。然后,以此传感器为基础,研究多功能传感器信号重构中的三个关键技
术:信号重构的方法、信号重构中均方误差与计算量的平衡算法以及信号重构
中的样本选择方法。本课题的研究,不但能够实现对三元溶液的测量,其信号
重构的方法还可广泛地应用于多种多功能传感器。
论文的主要研究工作如下:
针对三元溶液两种溶质的浓度测量,设计了一种多功能传感器。该传感器
通过测量超声波在水中的传播速度和水的电导率间接地反映三元溶液溶质的浓
度。以该多功能传感器为基础,制作相应的实验电路并获得实验数据,用于验
证本文提出的多功能传感器信号重构关键技术的可行性和有效性。
研究了多功能传感器的信号重构问题,提出了基于 B 样条和扩展卡尔曼
滤波的信号重构方法。本方法将 B 样条作为多功能传感器的逆模型,并利用
扩展卡尔曼滤波估计 B 样条模型的控制系数。仿真和实验结果表明,本方法
不但能够获得较高的信号重构精度,而且结构简单、计算复杂度低,适合在微
处理器上实现,能够满足智能传感器在线信号重构的需求。
研究了多功能传感器信号重构过程中重构精度和计算量的平衡算法。首
先,研究 B 样条逆模型的结构对信号重构精度和计算量的影响,并给出信号
重构精度和计算量的估计方法。然后,设计适应度函数,利用遗传算法寻找能
够获得信号重构精度和计算量平衡的 B 样条模型结构。仿真和实验结果表
明,经过平衡后的 B 样条模型,在保证重构效果的前提下,能够极大地降低
建模过程中所需的计算量,即实现了重构精度和计算量的平衡,从而降低微处
理器在对多功能传感器进行信号重构时的负荷。
针对大批量多功能传感器的信号重构,提出了多功能传感器信号重构中训
练样本的选择方法。利用核减法聚类对多功能传感器的高维样本数据进行分类
和筛选,从而找出数量较少且能够保证信号重构精度的训练样本。仿真结果表
- I -
哈尔滨工业大学博士学位论文
明,经过了样本选择的训练样本,虽然在数量上明显减少,但是仍然能够获得
较高的重构精度。因此,将本方法应用于大批量多功能传感器的信号重构中,
能够在保证重构精度的前提下,大大减少采样所需的工作量。
关键词:多功能传感器;信号重构;计算量;样本选择
-