数据融合基本概念
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第二篇 数据融合
自动化学院
NUST
智能信息处理技术
第1讲 数据融合的基本原理
2
自动化学院
NUST
智能信息处理技术
数据融合的名称
类似的名称
多
数
传
多
据
感
源
融
器
相
合
相
关
关
多
多
传
传
信
感
感
息
器
器
融
混
融
合
合
合
3
自动化学院
NUST
多传感器数据融合 传感器在检测系统中的作用 什么是传感器？
4
自动化学院
NUST
传感器组成框图
8
自动化学院
NUST
应变式压力传感器
压力 弹性膜片
应变 电阻应变片
敏感元件
转换元件
电阻变化量
定义
由半导体材料制成的物性性传感器基本是 敏感元件与转换元件二合一。直接能将被 测量转换为电量输出。压电传感器、光电 池、热敏电阻等。
自动化学9 院
NUST
传感器系统的基本特性
传感器系统
自动化学院
L
|Lm| Y(FS)
10% 0
式中：ΔLm表示静态特性与选定拟合直线的最大拟合偏差。
Байду номын сангаас由于拟合直线确定的方法不同，相应的拟合偏差值与线性度的数值也就 不同。目前常用的有：理论线性度、平均选点线性度、端基线性度、最小 二乘法线性度等。其中尤以理论线性度与最小二乘法线性度应用最普遍。
自动化学院
NUST
qTi To CdTo
R
dt
式中：R——
C—— 若令τ=RC上式可写为
dTo dt
To
KTi
自动化学院
NUST
式中：τ=RC——时间常数，
K——放大倍数，式中K=1。
上式为一阶微分方程，Ti, To分别是系统的输入量、输出量。 不仅是热电偶，其它类型的传感器系统也可能具有一阶微分方
程形式所表征的动态特性，则广义的一阶微分方程为
NUST
线性度
自动化学院
NUST
2)
最小二乘法线性度
自动化学院
NUST
4. 精度
系统误差的绝对值为 随机误差的绝对值为
故系统的总精度A为
LY(F)S H Y(F)S
RY(FS)
A系统误差的 随绝 机对 误值 差的 基 绝本 对误 值
Y(F)S
Y(F)S
LHR
自动化学院
NUST
Ø动态特性
大量被测物理量是随时间变化的动态信号，即x(t)是时间t 的函数，不是常量。 理想的传感器系统， 其输出量y(t)与输入 量x(t)的时间函数表达式应该相同。但实际上，二者只能在一定 频率范围内， 在允许的动态误差条件下保持所谓的一致。
NUST
对传感器系统的基本特性研究， 第一，用于建立一个测量系统。 只有知道传感器系统
的基本特性，才能通过测量输出信号y(t)，推导得到输入信号 x(t)。
第二，用于传感器系统本身的研究、设计与建立。通 过观测系统的输入x(t)及输出y(t)，推断建立系统的特性。 如 果系统特性不满足要求，则应修改相应的内部参数，直至合格为 止。
N
x
2 j
N
y j
N
x j
N
x j y j
b j1
j1 j1 j1
2
N
N
x
2 j
N
x j
j1
j1
N
N N
N x j y j x j y j
k j1
j1 j1
2
N
N
x
2 j
N
x j
j1
j1
自动化学院
自动化学院
NUST
一、 静态特性的基本参数
1. 零位(零点) 2. 量程Y(FS) 3. 4.
自动化学院
NUST
二、 静态特性的性能指标
1. 迟滞
滞环 自动化学院
NUST
2. 重复性
重复性
自动化学院
NUST
3. 线性度
线性度又称“直线性”，它表示系统静态特性对选定拟合直线(y=b+kx) 的接近程度。在数值上用非线性相对误差δL的百分数来表示
动态特性用数学模型来描述, 对于连续时间系统主要有三种 形式：时域中的微分方程、复频域中的传递函数H(s)、频率域中 的频率特性H(jω)。
自动化学院
NUST
一、 微分方程
1. 一阶系统
热电偶测温元件
自动化学院
NUST
当热电偶接点温度To低于被测介质温度Ti时，To<Ti, 则有热 流q流入热电偶结点。它与Ti和To的关系可表示如下：
作用力
F
弹性反作用力
F(弹)=-ky
阻尼力
F(阻) bdy dt
直到位移量y足够大，使弹性反作用力与作用力相等，即F(弹)=F,
达到平衡，质量块不再运动F(阻)=0。在未达到平衡状态的运动
过程中，运动规律服从牛顿运动定律，其运动加速度
m
d 2y dt 2
由所受的合力决定
自动化学院
NUST
定义：
按一定规律将这些信息转换成可 用信号的器件或装置。如下图所
示:
非电信息
7
电信号
自动化学院
NUST
传感器的组成
智能信息处理技术
Ø 转换元件是对信号进行转换输 出；
被测信息
敏感元件 转换元件 信号调节电路 输出信息
Ø 敏感器件的作用是感受 被测物理量；
辅助电路
Ø 辅助器件则是对输出的电信号进行放大、 阻抗匹配，以便于后续仪表接入；
1) 设拟合直线方程通式为
ybkx
则第j个标定点的标定值yj与拟合直线上相应值的偏差为
Lj (bkjx)yj
最小二乘法拟合直线的确定原则是均方误差为最小值。
1 N
N j1
(Lj)2 f(b,k)
自动化学院
NUST
令其一阶偏导为零
f (b,k) 0 b
f (b,k) 0 k
可得两个方程，并解得两个未知量b, k的表达式如下：
自动化学院
NUST
Ø
静态特性又称“刻度特性”、“标定曲线”或“校准曲线”。 它表示当输入系统的被测物理量x(t)为不随时间变化的恒定信号， 即x(t)=常量时，系统的输入与输出之间呈现的关系。通常，静态 特性可由如下的多项式来表示：
y s0 s1 x s2x2 L snxn
式中： s0,s1,s2,…,sn—— y—— x——输入量。
式中： y——
dy y Kx
dt
x——
K—— τ——时间常数，由系统的固有属性决定的常数。
自动化学院
NUST
2.
m-k-b系统
自动化学院
NUST
这种系统可以是压力传感器的弹性敏感元件的等效结构。 等效质量块m在受到作用力F后产生位移y和运动速度dy/dt，在 运动过程中，质量块m所受的力有：
智能信息处理技术
人与机器的机能对应关系图
外
感官
人脑
肢体
界
对
象
传感器
微处理器
执行器
5
自动化学院5
NUST
人与传感器
光敏传感器
眼
声敏传感器
耳
人的感觉 器官与对 应的传感
器：
智能信息处理技术
舌 味觉传感器
皮肤
鼻
6
声敏传感器
压敏、热敏、湿敏传感器
自动化学6院
NUST
智能信息处理技术
传感器就是能感知外界信息并能
自动化学院
NUST
智能信息处理技术
第1讲 数据融合的基本原理
2
自动化学院
NUST
智能信息处理技术
数据融合的名称
类似的名称
多
数
传
多
据
感
源
融
器
相
合
相
关
关
多
多
传
传
信
感
感
息
器
器
融
混
融
合
合
合
3
自动化学院
NUST
多传感器数据融合 传感器在检测系统中的作用 什么是传感器？
4
自动化学院
NUST
传感器组成框图
8
自动化学院
NUST
应变式压力传感器
压力 弹性膜片
应变 电阻应变片
敏感元件
转换元件
电阻变化量
定义
由半导体材料制成的物性性传感器基本是 敏感元件与转换元件二合一。直接能将被 测量转换为电量输出。压电传感器、光电 池、热敏电阻等。
自动化学9 院
NUST
传感器系统的基本特性
传感器系统
自动化学院
L
|Lm| Y(FS)
10% 0
式中：ΔLm表示静态特性与选定拟合直线的最大拟合偏差。
Байду номын сангаас由于拟合直线确定的方法不同，相应的拟合偏差值与线性度的数值也就 不同。目前常用的有：理论线性度、平均选点线性度、端基线性度、最小 二乘法线性度等。其中尤以理论线性度与最小二乘法线性度应用最普遍。
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NUST
qTi To CdTo
R
dt
式中：R——
C—— 若令τ=RC上式可写为
dTo dt
To
KTi
自动化学院
NUST
式中：τ=RC——时间常数，
K——放大倍数，式中K=1。
上式为一阶微分方程，Ti, To分别是系统的输入量、输出量。 不仅是热电偶，其它类型的传感器系统也可能具有一阶微分方
程形式所表征的动态特性，则广义的一阶微分方程为
NUST
线性度
自动化学院
NUST
2)
最小二乘法线性度
自动化学院
NUST
4. 精度
系统误差的绝对值为 随机误差的绝对值为
故系统的总精度A为
LY(F)S H Y(F)S
RY(FS)
A系统误差的 随绝 机对 误值 差的 基 绝本 对误 值
Y(F)S
Y(F)S
LHR
自动化学院
NUST
Ø动态特性
大量被测物理量是随时间变化的动态信号，即x(t)是时间t 的函数，不是常量。 理想的传感器系统， 其输出量y(t)与输入 量x(t)的时间函数表达式应该相同。但实际上，二者只能在一定 频率范围内， 在允许的动态误差条件下保持所谓的一致。
NUST
对传感器系统的基本特性研究， 第一，用于建立一个测量系统。 只有知道传感器系统
的基本特性，才能通过测量输出信号y(t)，推导得到输入信号 x(t)。
第二，用于传感器系统本身的研究、设计与建立。通 过观测系统的输入x(t)及输出y(t)，推断建立系统的特性。 如 果系统特性不满足要求，则应修改相应的内部参数，直至合格为 止。
N
x
2 j
N
y j
N
x j
N
x j y j
b j1
j1 j1 j1
2
N
N
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2 j
N
x j
j1
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N
N N
N x j y j x j y j
k j1
j1 j1
2
N
N
x
2 j
N
x j
j1
j1
自动化学院
自动化学院
NUST
一、 静态特性的基本参数
1. 零位(零点) 2. 量程Y(FS) 3. 4.
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NUST
二、 静态特性的性能指标
1. 迟滞
滞环 自动化学院
NUST
2. 重复性
重复性
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3. 线性度
线性度又称“直线性”，它表示系统静态特性对选定拟合直线(y=b+kx) 的接近程度。在数值上用非线性相对误差δL的百分数来表示
动态特性用数学模型来描述, 对于连续时间系统主要有三种 形式：时域中的微分方程、复频域中的传递函数H(s)、频率域中 的频率特性H(jω)。
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NUST
一、 微分方程
1. 一阶系统
热电偶测温元件
自动化学院
NUST
当热电偶接点温度To低于被测介质温度Ti时，To<Ti, 则有热 流q流入热电偶结点。它与Ti和To的关系可表示如下：
作用力
F
弹性反作用力
F(弹)=-ky
阻尼力
F(阻) bdy dt
直到位移量y足够大，使弹性反作用力与作用力相等，即F(弹)=F,
达到平衡，质量块不再运动F(阻)=0。在未达到平衡状态的运动
过程中，运动规律服从牛顿运动定律，其运动加速度
m
d 2y dt 2
由所受的合力决定
自动化学院
NUST
定义：
按一定规律将这些信息转换成可 用信号的器件或装置。如下图所
示:
非电信息
7
电信号
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NUST
传感器的组成
智能信息处理技术
Ø 转换元件是对信号进行转换输 出；
被测信息
敏感元件 转换元件 信号调节电路 输出信息
Ø 敏感器件的作用是感受 被测物理量；
辅助电路
Ø 辅助器件则是对输出的电信号进行放大、 阻抗匹配，以便于后续仪表接入；
1) 设拟合直线方程通式为
ybkx
则第j个标定点的标定值yj与拟合直线上相应值的偏差为
Lj (bkjx)yj
最小二乘法拟合直线的确定原则是均方误差为最小值。
1 N
N j1
(Lj)2 f(b,k)
自动化学院
NUST
令其一阶偏导为零
f (b,k) 0 b
f (b,k) 0 k
可得两个方程，并解得两个未知量b, k的表达式如下：
自动化学院
NUST
Ø
静态特性又称“刻度特性”、“标定曲线”或“校准曲线”。 它表示当输入系统的被测物理量x(t)为不随时间变化的恒定信号， 即x(t)=常量时，系统的输入与输出之间呈现的关系。通常，静态 特性可由如下的多项式来表示：
y s0 s1 x s2x2 L snxn
式中： s0,s1,s2,…,sn—— y—— x——输入量。
式中： y——
dy y Kx
dt
x——
K—— τ——时间常数，由系统的固有属性决定的常数。
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NUST
2.
m-k-b系统
自动化学院
NUST
这种系统可以是压力传感器的弹性敏感元件的等效结构。 等效质量块m在受到作用力F后产生位移y和运动速度dy/dt，在 运动过程中，质量块m所受的力有：
智能信息处理技术
人与机器的机能对应关系图
外
感官
人脑
肢体
界
对
象
传感器
微处理器
执行器
5
自动化学院5
NUST
人与传感器
光敏传感器
眼
声敏传感器
耳
人的感觉 器官与对 应的传感
器：
智能信息处理技术
舌 味觉传感器
皮肤
鼻
6
声敏传感器
压敏、热敏、湿敏传感器
自动化学6院
NUST
智能信息处理技术
传感器就是能感知外界信息并能