现代检测技术及其应用课件

第十章现代检测技术及其应用第十章现代检测技术及其应用10.1 智能检测与虚拟仪器智能检测与虚拟仪器10.2 图像检测系统图像检测系统10.3 软测量技术软测量技术10.4 检测技术及其检测技术及其 主要介绍现代检测技术基本概念、系主要介绍现代检测技术基本概念、系统组成，检测技术在测量、控制系统中的统组成，检测技术在测量、控制系统中的综合应用。综合应用。2024/7/71 本章主要介绍现代检测系本章主要介绍现代检测系统组成，检测技术在测量、控统组成，检测技术在测量、控制系统中的综合应用，并了解制系统中的综合应用，并了解检测系统中常用的部件。检测系统中常用的部件。2024/7/72检测仪表在控制系统中的综合应用检测仪表在控制系统中的综合应用举例举例 一个现代化火力发电厂需要多台计算机来快速地一个现代化火力发电厂需要多台计算机来快速地测量锅炉、汽轮机、发电机上许多重要部位的测量锅炉、汽轮机、发电机上许多重要部位的温度、温度、压力、流量、转速、振动、位移、应力、燃烧压力、流量、转速、振动、位移、应力、燃烧状况状况等热工、机械参数，还必须测量发电机的电压、等热工、机械参数，还必须测量发电机的电压、电流、功率、功率因数以及各种辅机的运行状态，然电流、功率、功率因数以及各种辅机的运行状态，然后进行综合处理，将各被监测的重要参数进行数字或后进行综合处理，将各被监测的重要参数进行数字或模拟显示，自动调整运行工况，对某些超限参数进行模拟显示，自动调整运行工况，对某些超限参数进行声光报警或采取紧急措施。声光报警或采取紧急措施。在上述这个系统中，需要数百个不同的传感器将在上述这个系统中，需要数百个不同的传感器将各种机械、热工量转换成电量，供计算机采样和运算。各种机械、热工量转换成电量，供计算机采样和运算。2024/7/73现代化火力发电厂及其控制系统现代化火力发电厂及其控制系统火力发电火力发电厂控制室厂控制室火力发电厂机组火力发电厂机组汽轮机汽轮机发电机发电机励磁机励磁机2024/7/7410.1 10.1 智能检测与虚拟仪器智能检测与虚拟仪器.智能仪器智能仪器.自动测试系统自动测试系统.虚拟仪器虚拟仪器1.1.智能仪器：智能仪器：将诸如微处理器、存储器、接将诸如微处理器、存储器、接口等芯片与传感器融合在一起，可组成智能仪口等芯片与传感器融合在一起，可组成智能仪器。它有专用的小键盘、开关、按键及显示屏器。它有专用的小键盘、开关、按键及显示屏等，多使用汇编语言，体积小，专用性强。等，多使用汇编语言，体积小，专用性强。2024/7/75 所谓智能仪器是用以形容新的一代测量仪器所谓智能仪器是用以形容新的一代测量仪器这类仪器仪表中含有微处理器、单片计算这类仪器仪表中含有微处理器、单片计算机或体积很小的微型机，有时亦称为内含微机或体积很小的微型机，有时亦称为内含微处理器的仪器或基于微型机的仪器。这类仪处理器的仪器或基于微型机的仪器。这类仪器，因为功能丰富又很灵巧，国外书刊中常器，因为功能丰富又很灵巧，国外书刊中常简称为智能仪器。简称为智能仪器。2024/7/76各种智能仪器各种智能仪器 最低、最最低、最高温度高温度智能仪器的芯智能仪器的芯片及模块片及模块51系列单片机芯片系列单片机芯片2024/7/77 智能仪器的特点智能仪器的特点 （1）具有自动校准的功能；（2）具有强大的数据处理能力；（3）具有量程自动切换的功能；（4）具有操作面板和显示器；（5）具有修正误差的能力；（6）有简单的报警功能。2024/7/78自动测试系统一般由四部分组成：第一是微机或微处理器微机或微处理器，它是整个系统的核心；第二是被控制的测量仪器或设备，称为可程控仪可程控仪器器；第三是接口接口(接口的主要任务是在下列方面提供仪器与计算机连接需要的兼容)；第四是软件软件。2 自动测试系统自动测试系统 定义：通常把以计算机为核心，在程控指令的指挥下，能自动完成某种测试任务而组合起来的测量仪器和其它设备的有机整体称为自动测试系统，简称ATS(Automatic Test System)。2024/7/79 自动测试技术源于自动测试技术源于70年代，发展至今大致可分年代，发展至今大致可分为三代，其系统组成结构也有较大的不同。为三代，其系统组成结构也有较大的不同。v第一代自动测试系统第一代自动测试系统 第一代自动测试系统多为专用系统，通常是针对第一代自动测试系统多为专用系统，通常是针对某项具体任务而设计的。其结构特点是采用比较某项具体任务而设计的。其结构特点是采用比较简单的定时器或扫描器作为控制器，其接口也是简单的定时器或扫描器作为控制器，其接口也是专用的。因此，第一代测试系统通用性比较差。专用的。因此，第一代测试系统通用性比较差。自动测试系统发展历程自动测试系统发展历程2024/7/710v第二代自动测试系统第二代自动测试系统 第二代自动测试系统典型方块图如图所示。与第一代自动测试系统的主要不同在于：采用了标准化的通用可程控测量仪器接口总线(IEEE 488)及可程序控制的仪器和测控计算机(控制器)，从而使得自动测试系统的设计、使用和组装都比较容易。2024/7/711v第三代自动测试系统第三代自动测试系统 第二代自动测试系统虽然比人工测试显示出前所未有的优越性，但是在这些系统中，电子计算机并没有充分发挥作用，系统中仍是使用传统的测试设备(只不过是配备了新的标准接口)，整个系统的工作过程基本上还是对传统人工测试的模拟。于是出现了虚拟仪器虚拟仪器。2024/7/712虚拟仪器（Virtual Instrument简称VI）是计算机技术同仪器技术深层次结合产生的全新概念的仪器，是对传统仪器概念的重大突破，是仪器领域内的一次革命。虚拟仪器是继第一代仪器模拟式仪表、第二代仪器分立元件式仪表、第三代仪器数字式仪表、第四代仪器智能化仪器之后的新一代仪器。3 虚拟仪器虚拟仪器2024/7/7131）虚拟仪器的基本概念（1）定义传统仪器：特定功能和仪器外观。虚拟仪器（VI，Virtual Instrumentation）：是一种以计算机和测试模块的硬件为基础、以计算机软件为核心所构成的，并且在计算机显示屏幕上虚拟的仪器面板，以及由计算机所完成的仪器功能，都可由用户软件来定义的计算机仪器。2024/7/714如：虚拟示波器2024/7/715虚拟数字电压表虚拟数字电压表基于虚拟仪器的 温度检测与控制2024/7/716（2）虚拟仪器的特点从虚拟仪器的组成结构上来看：1）虚拟仪器的硬件是通用的（包括通用计算机硬件平台和通用的测量功能硬件）；2）良好的人机界面。虚拟仪器的面板（或称软面板）是虚拟的（通过“控件”虚拟出面板）；3）功能强。虚拟仪器的功能是由用户软件定义的。2024/7/7174）虚拟仪器之“虚拟”含义：虚拟仪器面板；软件实现仪器功能。如：基于高速数据采集硬件，通过计算机软件编程可实现“虚拟示波器”、“虚拟频谱仪”、“虚拟交流数字电压表”、“虚拟频率计”、“虚拟相位计”等不同仪器。5）因此，软件是虚拟仪器的核心，NI 提出“软件即仪器”（The software is the instrument）。2024/7/718与传统仪器相比，虚拟仪器技术特点：（1）功能强、性价比高、开放性（可扩充性）好；充分利用计算机丰富的软硬资源。仪器功能可通过软件灵活设计（基于相同的硬件，通过软件设计可实现不同的虚拟仪器）。仪器升级方便，性价比高（一机多用）。基于计算机网络技术，可实现“网络化虚拟仪器”。（2）操作方便；通过图形用户界面（GUI）操作虚拟仪器面板。（3）硬件模块化、系列化；基于仪器总线技术，设计出模块化、系列化硬件。2024/7/719比比较内容内容虚虚拟仪器器 传统仪器器系系统构成构成软件和通用硬件。件和通用硬件。软件是关件是关键 专用硬件系用硬件系统开开发周期周期开开发时间短、技短、技术要求低、系要求低、系统通用性通用性强强开开发时间长、技、技术要要求高、系求高、系统功能功能较专一一开开发费用用软件使得开件使得开发和和维护费用降至最用降至最低低开开发与与维修开修开销高高技技术更新周期更新周期短（短（12年）年）长（510年）年）价格价格价格低、可复用与可重配置性价格低、可复用与可重配置性强强价格昂价格昂贵功能可塑性功能可塑性用用户定定义仪器功能，柔性器功能，柔性厂商定厂商定义仪器功能，器功能，刚性性系系统开放性开放性开放、灵活，与开放、灵活，与计算机技算机技术同步同步发展展封封闭、固定、固定构成复构成复杂系系统能力能力易与网易与网络及其他周及其他周边设备互互连功能功能单一的独立一的独立设备人机交互人机交互无限的无限的显示示选项、界面友好、界面友好有限的有限的显示示选项虚拟仪器与传统仪器的比较：虚拟仪器与传统仪器的比较：2024/7/7202）虚拟仪器的形成和发展1.虚拟仪器形成的背景（1）电子测量仪器(Electronic Instruments)及自动测试系统(Automatic Test System,ATS)的发展2024/7/721（2）仪器与自动测试系统总线技术总线（bus）：信号或信息传输的公共路径。片内总线：微处理器芯片内连接内部各逻辑单元；片间总线：元件级总线（如典型的微机“三总线结构”）。还有串行总线，如：Motorola的SPI（Serial Peripheral Interface，串行外围接口）、Philips的I2C（Inter IC bus，片间总线）、NS的MicroWire（串行同步双工通信接口）等。内总线：板级总线。如个人计算机的PC/XT、PC/AT、ISA、EISA、MCA、PCI，及工业控制的STD、VME、CompatPCI，仪器与测量系统的CAMAC、VXI、PXI等。外总线：外部通信总线。如RS-232/485、USB、IEEE1394、EPP、SCSI；现场总线CAN、LONworks、FF；仪器与测量系统的GPIB、CAMAC、HP-IL、MXI等。2024/7/722通过总线技术，可实现：模块化硬件设计；标准化；便于生产、维护（维修）、升级；较好的经济性。2024/7/723（2）虚拟仪器是技术发展的结果计算机技术、软件技术、总线技术、网络技术、微电子技术的发展，及其在电子测量技术与仪器领域中的应用，使新测试理论、测试方法、测试技术不断出现，仪器与系统的结构不断推陈出新，电子测量仪器及自动测试系统的结构也发生了质的变化，功能与性能得到不断提高。计算机（PC机）处于核心地位，计算机软件技术和仪器与测试系统更紧密结合成了一个有机整体。在上述的背景下，提出了全新概念的仪器虚拟仪器。1986年，美国国家仪器公司（NI,National Instrument）提出了虚拟仪器（Virtual Instrumentation）的概念。2024/7/7241990年代，虚拟仪器得到业界广泛认可和应用，相继推出了基于GPIB总线（General Purpose Interface Bus）、PC-DAQ（Data Acquisition）和VXI总线（VMEbus eXtension for Instrumentation，1987年）、PXI总线（PCI eXtension for Instrumentation，1997年）等多种虚拟仪器系统。虚拟仪器软件采用面向对象和可视化编程技术。底层驱动和上层应用软件融为一体。虚拟仪器软件的标准化：VPP（VXI即插即用，VXIplug&play，1993年）和VISA（Virtual Instrument Software Architecture,虚拟仪器软件体系结构）。IVI（Interchangeable Virtual Instruments，可互换式虚拟仪器，1997年）。2024/7/725（3）虚拟仪器技术的发展与展望虚拟仪器技术是计算机技术与测试技术相结合的产物。多门学科多种技术的融合，如测试技术、计算机技术、软件技术、数字信号处理、总线与接口、网络与通信、传感技术、光电技术、微机械技术等。（1）新的总线技术的应用（如HS488，1394b等）。（2）速度不断提高。（3）智能化、模块化、集成化是硬件发展的主流。（4）软件技术。第一是软件标准化问题；第二是如何利用各种软件开发环境及工具，编制出符合标准的应用软件。（5）网络化仪器系统。（6）应用范围更加广泛。2024/7/7263）虚拟仪器的系统结构1.虚拟仪器系统组成及各部分基本功能（1）虚拟仪器的系统构成硬件和软件两大部分构成。硬件是基础，软件是核心。2024/7/727（2）各部分基本功能虚拟仪器的内部功能，可划分为信号采集与控制、数据分析与处理、结果表示与输出三大功能模块。信号采集与控制主要由虚拟仪器的通用硬件平台，并配合仪器驱动程序共同完成，而数据分析与处理、结果表达与输出则主要由用户应用软件完成。2024/7/7282.虚拟仪器的通用硬件平台（1）通用硬件平台的基本功能信号采集（模拟、数字输入）；信号产生（模拟、数字输出）；信号调理（信号幅度、频率、驱动、隔离等）；定时与计数；大容量数据存储。实时信号处理。总线与通信。2024/7/729（2）通用硬件平台的组成2024/7/7303.虚拟仪器通用硬件平台的构成形式通常为带有某种标准总线接口的各种测试设备（分立式或模块式仪器），主要有PC总线的数据采集模块（PC-DAQ）、GPIB总线仪器、VXI总线仪器模块、PXI总线仪器模块、RS-232串口、USB接口仪器等类型，或多种类型的组合。2024/7/731（1）基于PC总线的虚拟仪器内置PC总线（如ISA、PCI、PC/104）的通用数据采集卡（DAQ，Data AcQuisition）。（2）基于GPIB通用接口总线的虚拟仪器国际标准（IEEE488.1和IEEE488.2），技术成熟；但其数据传输速度一般低于500Kb/s，对测试速度要求很高的场合不太适用。（3）基于VXl总线的虚拟仪器具有模块化、系列化、通用化、“即插即用”及VXI仪器的互换性和互操作性。但价格相对较高，适合于高端的测试领域。（4）基于PXI总线的虚拟仪器兼容PCI总线产品。集CompactPCI的高性能和VXI可靠性，性价比最好。2024/7/7324）虚拟仪器的软件系统1.虚拟仪器的软件结构虚拟仪器系统的软件结构包括I/O接口软件、仪器驱动程序和应用软件三部分。2024/7/733（1）I/O接口软件（VISA库）I/O接口软件存在于仪器设备（即I/O接口设备）与仪器驱动程序之间，是一个完成对仪器寄存器进行直接存取数据操作，并为仪器设备与仪器驱动程序提供信息传递的底层软件。VPP规范了虚拟仪器的I/O接口软件的特点、组成、内部结构与实现规范，并将符合VPP规范的虚拟仪器I/O接口软件定义为VISA（虚拟仪器软件结构）软件。VISA库，实质就是标准的I/O函数库及其相关规范的总称。VISA函数库驻留于计算机系统中，是计算机与仪器之间的标准软件通信接口，用以实现对仪器的控制。2024/7/734（2）仪器驱动程序连接上层应用程序与底层I/O接口仪器的纽带和桥梁。是完成对某一特定仪器的控制与通信的软件程序集合。仪器厂商提供有相应仪器的驱动程序（原代码），为用户提供对仪器操作的较抽象的操作函数集。（3）程控仪器标准命令SCPISCPI（Standard Commands for Programmable Instruments，可程控仪器标准命令）。面向测试功能而非仪器。（4）应用软件建立在仪器驱动程序之上，直接面对用户操作。提供直观、友好的操作界面、丰富的数据分析与处理（时域、频域、数字滤波等）功能，完成自动测试任务。通常，包括测试管理软件和测试功能软件两部分。2024/7/7352.虚拟仪器软件开发平台（1）虚拟仪器软件框架结构2024/7/736（2）通用的可视化软件编程环境Microsoft公司的Visual C+和Visual Basic、Inprise公司的Delphi和C+Builder等。（3）专用于虚拟仪器开发的软件编程环境图形化编程（G语言）环境：Agilent VEE、NI LabVIEW；文本编程环境：NI LabWindows/CVI。其中，LabVIEW是目前最流行、应用最广、发展最快、功能最强的图形化软件。非常适于仪器、测量与控制领域的虚拟仪器软件开发。2024/7/7372024/7/738NI公司还推出了用于数据采集、自动测试、工业控制与自动化等领域的多种设备驱动软件和应用软件，如：LabVIEW的实时应用版本LabVIEW RT；工业自动化软件BridgeVIEW；工业组态软件Lookout；基于Excel的测量与自动化软件Measure；即时可用的虚拟仪器平台VirtualBench；生理数据采集与分析软件Biobench；测试执行与管理软件TestStand；还包括NI-488.2、NI-VISA、NI-VXI、NI-DAQ、NI-IMAQ、NI-CAN、NI-FBUS等设备驱动软件；以及各种LabVIEW和LabWindows/CVI的增值软件工具包。2024/7/7395）虚拟仪器系统设计及系统成1.虚拟仪器系统的设计过程主要包括测试需求分析、系统总体方案设计、系统硬件设计、系统软件设计、系统集成及系统调试等。2024/7/740（1）测试需求分析分析被测参数的形式（电量还是非电量、数字量还是模拟量）、范围（幅度、频率）和数量（通道数），激励信号的形式和范围要求；性能指标（测量精度、速度）要求；功能（用户接口界面、数据分析与处理、存储与显示、外部通信接口等）要求。（2）系统总体方案设计根据测试任务要求，确定测试方法；系统组成结构设计。（3）系统硬件设计自制或购买；硬件系统集成。2024/7/741（4）系统软件设计选择软件开发环境；底层驱动设计；上层应用软件设计（用户界面设计、测量数据分析与处理、算法设计、测量结果表达）。（5）软硬件集成与调试功能测试；指标测试；系统优化。2024/7/7426）虚拟仪器技术应用1.应用广泛从军事到民用；特别是仪器、测量与控制、自动化等领域。测试测量工业自动化声学测试设备测试工业自动化食品加工汽车测试生物医学研究控制工程机器视觉 计量校准电子与非电子测试石油和天然气工程制药生产光纤校准光学度量和测定工业机器人过程自动化研发调试半导体测试SCADA统计流程控制通信测试振动测试晶片传送手臂机械制造2024/7/7432024/7/744化工生产流量测控化工生产流量测控 2024/7/745滤波器频响分析滤波器频响分析2024/7/746汽车引擎汽车引擎震动分析震动分析2024/7/747马路路灯照度模拟马路路灯照度模拟2024/7/748一体化工作站一体化工作站 平板式平板式工作站工作站（带触摸屏）（带触摸屏）军用便携式军用便携式工作站工作站2024/7/749一体化工作站（续）一体化工作站（续）2024/7/750工业计算机（工控机）机箱工业计算机（工控机）机箱 工工控控机机的的抗抗电电磁磁干干扰扰能能力力、防防振振、防防潮潮、防防尘尘能能力力均均较较强强，有有较较多多的的扩扩展展槽槽，它它的的电电源源系系统统有有较较好好的的抗抗电电磁磁干干扰扰能能力力。虽虽然然工工控控机机的的价价格格比比个个人人电电脑脑贵贵，但但可可靠靠性性强强得得多多，性性能能价价格格比比高高，适适合合在在工工业业现现场场条条件件较较恶恶劣劣的场合使用。的场合使用。2024/7/751工业级底板工业级底板（参考研祥智能科技有限公司资料）（参考研祥智能科技有限公司资料）底板上的扩展槽用于底板上的扩展槽用于 插接各种数据采集卡插接各种数据采集卡PCI扩展槽扩展槽ISA扩展槽扩展槽2024/7/752各种数据采集卡各种数据采集卡 ISA数据采集卡数据采集卡ISA数据采集卡的插脚间隔为数据采集卡的插脚间隔为2.54mm（0.1英寸）英寸）2024/7/753各种数据各种数据 采采集卡（续）集卡（续）PCI数据采集数据采集传输卡传输卡2024/7/754ISA槽与槽与PCI槽的外形区别槽的外形区别ISA槽槽PCI槽槽将功能卡插到将功能卡插到ISA槽中槽中功能卡的镀金脚功能卡的镀金脚2024/7/755端子板与功能卡的连接端子板与功能卡的连接 端子板作为功能卡的扩展附件，端子板作为功能卡的扩展附件，用于连接传感器信号用于连接传感器信号光耦光耦25芯排线芯排线数据锁存器数据锁存器去计算机去计算机ISA槽槽传感器信号线接线端子传感器信号线接线端子2024/7/756端子板与功能卡的连接端子板与功能卡的连接37芯排线芯排线端子板端子板PCI数据采集、数据采集、控制卡控制卡传感器信号线接线端子传感器信号线接线端子输出信号接线端子输出信号接线端子去计算机去计算机PCI槽槽2024/7/757其他端子扩展板其他端子扩展板 34芯排线插座芯排线插座37芯排线插座芯排线插座2024/7/758数据采集便携式工控整机数据采集便携式工控整机 2024/7/759笔记本电脑数据采集整机笔记本电脑数据采集整机 USB接口盒接口盒及接口线及接口线利用利用USB扩展插头可配接多个扩展插头可配接多个接口盒接口盒信号输入信号输入2024/7/760USB接口卡及接口卡及USB线线嵌入式计算机数据采集系统嵌入式计算机数据采集系统 传感器信号采集卡可多层叠合，插传感器信号采集卡可多层叠合，插入到入到嵌入式计算机的总线接口中，就可嵌入式计算机的总线接口中，就可以构成数据采集系统。以构成数据采集系统。2024/7/762各种嵌入式计算机数据采集卡各种嵌入式计算机数据采集卡2024/7/763网络化仪表示意图网络化仪表示意图工业总线工业总线 2024/7/764网络化仪表网络化仪表工业总线工业总线 局域网局域网2024/7/765 钢厂自动化监控系统实例钢厂自动化监控系统实例2024/7/766 粮食温湿度测控系统实例粮食温湿度测控系统实例上位机（内插上位机（内插CANCAN通信卡）通信卡）温度分线器温度分线器CANCAN总线总线通风机械通风机械测湿探头测湿探头测温电缆测温电缆智能分机智能分机通风控制器通风控制器湿度分线器湿度分线器2024/7/767休休 息息 一一 下下图像获取 通过各种观测系统从被观测的场景中取得图像 图像处理 对图像信息进行加工处理，以满足我们不同的要求 10.2 图像检测技术 图像检测系统一、图像检测系统的构成及设备一、图像检测系统的构成及设备 光学成像设备 数字化设备 A/D 图像显示与输出 计算机 存储设备 数字图像检测处理系统图像检测系统光学成像设备电子管摄像机CCD电荷耦合器件摄像机 CMOS摄像机 数字化设备 图像采集卡 数字摄像机和数字图像信号采集卡 图像存储设备 图像采集卡帧缓存 计算机内存 硬盘、光盘、磁带存储器 闪存 计算机主机 图像显示和输出设备 电视图像监视器 计算机显示器 打印机和数码冲印设备胶片照相机 图像检测系统二、图像的描述二、图像的描述连续图像 数字图像 数字图像处理以连续图像转换为数字图像阵列为基础的 确定性情况下的图像抽样 随机性情况下的图像抽样 图像检测系统三、数字图像处理技术三、数字图像处理技术 指将图像信号转换成数字信号并利用计算机技术对其进行处理的过程 主要研究：图像变换、图像编码压缩、图像增强和复原、图像分割、图像描述和图像分类（识别）等 图像检测系统图像变换 将信号变换到其它域（多为频率域）进行分析 傅立叶变换 离散余弦变换 沃尔什变换 哈尔变换 图像检测系统斜变换 小波变换 图像压缩编码 图像数字化的 关键就是编码 PCM 亚奈氏取样编码法 常规编码法 图像高效编码法 预测法 自适应法 标准法 变换法 自适应法 标准法 统计编码 自适应法 标准法 其他方法 轮廓编码 行程编码 PCM编码统计编码 根据像素灰度值出现概率的分布特性而进行的压缩编码叫统计编码 变长编码是统计编码中最为主要的一种方法 最为常用的变长编码方法是霍夫曼（Huffman）码香农-费诺（Shannon-Fano）码 图像输入 低通滤波 取样保持 量化 编码 译码 低通滤波 重建图像 编码、译码原理方框图 图像检测系统预测编码预测编码（Delta Modulation）或DM编码法 DPCM（Differential Pulse Code Modulation）编码法 即差值脉冲编码调制法 DPCM的基本原理是基于图像中相邻像素之间具有较强的相关性 图像检测系统DPCM系统原理框图 量化器 编码器 预测器 译码器 预测器 输入 信道 系统原理框图 输出 Ne+-NX Ne+NX Ne NX NX NX 发送端 接收端 图像检测系统图像增强和复原 图像增强是指按特定的需要突出一幅图像中的某些信息，同时，消弱或去除某些不需要的信息处理方法 图像增强技术基本上可分为两大类 频域处理法 空域处理法 图像复原的主要目的是改善给定的图像质量，对给定的一幅退化了的或者受到噪声污染了的图像，利用退化现象的某种先验知识来重建或恢复原有图像 其他图像处理技术 图像分割 图像识别 图像识别框图 被识图像 图像信息 获取 信息处理 特征提取 判决 结果 图像识别系统框图 图像检测系统动态图像处理 动态图像处理的基本任务是从图像序列中检测出运动信息，识别与跟踪运动目标和估计三维运动及结构参数 运动图像的处理方法主要分两类 基于特征的方法 基于光流的方法 应用：应用：火焰火焰图像处理与特征提取图像处理与特征提取 数字图像处理数字图像处理 图像采集与火焰监视图像采集与火焰监视 图像分割图像分割 图像特征提取图像特征提取数字图像处理数字图像处理：1、常用颜色的表示方法有RGB模型和YUV模型等。2、图像处理方法按研究内容可分为图像增强、图像复原、图像重建、图像编码、图像分割、图像理解等；按图像作用域的不同可以分为空域算法和频域算法。3、回转窑火焰图像的处理工作是在空域滤波基础上进行分割和识别。火焰图像的采集火焰图像的采集：图像采集卡IPC摄像机分配器监视器解码器R、G、B吹扫、冷却系统烧成带火焰图像采集硬件结构图回转窑火焰监视回转窑火焰监视：窑壁背景黑靶子火焰区物料区原始火焰图像 图像预处理图像预处理：邻域平滑梯度倒数加权平滑改进梯度倒数加权平滑 下面是分别以图像YUV模型中Y值和RGB值为特征数据的分割效果比较。（a）YUV（b）RGB（1）C均值聚类方法图像分割图像分割：从计算速度及分割效果等方面综合考虑，这里选用最大隶属度函数法。最大隶属度函数法 加权平均判决法 中位数判决法（2）模糊C均值聚类方法（FCM）(a)熟料欠烧 (b)熟料正常 (c)熟料过烧AFCM分割比较（3）快速模糊C均值聚类方法（AFCM）熟料带高的提取熟料带高的提取：熟料带高提取图带高面积特征的提取面积特征的提取：面积特征提取图火圈面积黑靶子面积物料面积温度特征的提取温度特征的提取：1、物体的亮度和温度有一定关系，借助于它们之间的关系式，可以得到对应的温度。2、实际中根据分割后火焰区域和物料区域的平均亮度计算得到各区域的平均温度。10.3 软测量技术软测量技术软测量就是依据可测、易测的过程变量(称为辅助变量)与难以直接检测的待测变量(称为主导变量)的数学关系，根据某种最优准则，采用各种计算方法，用软件实现对待测变量的测量或估计。软测量技术主要包括四个方面：(1)辅助变量的选取；(2)数据处理；(3)软测量模型的建立；(4)软测量模型的在线校正。软测量技术软测量技术10.2.1 辅助变量的选取10.2.2 测量数据的处理10.2.3 软测量模型的建立10.2.4 软仪表的在线校正10.2.5 软测量的工业应用上一页下一页返 回10.3.1 辅助变量的选取1.变量类型的选择2.变量数目的选择3.测点位置的选择1.1.变量类型的选择变量类型的选择选择的方法往往从间接质量指标出发。例如：精馏塔产品的软测量一般采用塔板温度，化工反应器中产品的软测量采用反应器管壁温度。2.2.变量数目的选择变量数目的选择从过程机理入手分析，从影响被估计变量的变量中去挑选主要因素，因为全部引入既不可能也没必要。如果缺乏机理知识，则可用回归分析的方法找出影响被估计变量的主要因素，这需要大量的观测数据。需要指出，受系统自由度的限制，辅助变量的个数不能小于被估计变量的个数。至于辅助变量的最优数量问题，目前尚无统一结论。3.3.测点位置的选择测点位置的选择 对于许多工业过程，辅助变量的检测点的选择是十分重要的，因为可供选择的检测点很多。检测点的选择方法：采用奇异值分解的确定，采用工业控制仿真软件确定。确定的检测点往往需要在实际应用中加以调整。一种辅助变量的选择原则如下一种辅助变量的选择原则如下 灵敏性：能对过程输出(或不可测扰动)作出快速反应。特异性：能对过程输出(或不可测扰动)之外的干扰不敏感。工程适应性：工程上易于获得并达到一定的测量精度。精确性：构成的估计器达到要求的精度。鲁棒性：构成的估计器对模型误差不敏感。10.3.2 测量数据的处理 1误差处理2数据的变换 1 1误差处理误差处理 从现场采集的测量数据，由于受仪表精度和测量环境的影响，一般都不可避免地带有误差，有时甚至有严重的过失误差。如果将这些现场测量数据直接用于软测量，会导致软测量的精度降低，甚至完全失败。因此，测量数据必须经过误差处理。测量数据的误差：随机误差、系统误差和过失误差。10.3.2 测量数据的处理 1误差处理2数据的变换 随机误差的处理随机误差的处理符合统计规律，工程上多采用数字滤波算法。如：中位值滤波、算术平均滤波和一阶惯性滤波等。随着计算机优化控制系统的使用，复杂的数值计算方法对数据的精确度提出了更高的要求，于是出现了数据一致性处理技术。基本思想：根据物料或能量平衡等建立精确的数学模型，以估计值与测量值的方差最小为优化目标，构造一个估计模型，为测量数据提供一个最优估计。过失误差处理过失误差处理 含有过失误差的数据出现的机率较小，但是，一旦出现则可能严重破坏数据的统计特性，导致软测量的失败。提高测量数据质量的关键：及时侦测、剔除和校正含有过失误差的数据。侦测过失误差的方法：(i)对各种可能导致过失误差的因素进行理论分析；(ii)借助于多种测量手段对同一变量进行测量，然后进行比较；(iii)根据测量数据的统计特性进行检验等。2 2数据的变换数据的变换 对数据的变换包括标度、转换和权函数三方面。工业过程中的测量数据有着不同的工程单位，直接使用这些数据进行计算，不能得到准确结果，甚至结果分散。利用合适的因子对数据进行标度，能够改善算法的精度和稳定性。转换包含对数据的直接转换以及寻找新的变量替换原变量两个含义。通过对数据的转换，可以有效地降低非线性特性。权函数则可实现对变量动态特性的补偿。合理使用权函数使我们有可能用稳态模型实现对过程的动态估计。1 1软仪表的描述软仪表的描述 软仪表的目的：利用所有可获得的信息，求取主导变量的“最佳”估计值 ，即构造从可测信息集 到 的映射。主导变量 辅助变量 干扰 控制变量 10.3.3 软测量模型的建立 1软仪表的描述 2.建模方法 软仪表软仪表性能依赖于过程的描述、噪声和扰动的特性、辅助变量的选取以及“最佳”的含义，即给定的某种准则。建立软仪表的过程就是构造一个数学模型。在许多建立软仪表的方法中，要以一般意义下的数学模型为基础。软仪表与一般意义下的数学模型区别：数学模型主要反映与或之间动态(或稳态)关系，软仪表是通过求的估计值。2.2.建模方法建模方法 过程建模方法主要有两大类：机理建模方法实验建模方法。构造软仪表的方法也可分为两大类。上一页下一页返 回机理分析方法机理分析方法 建立在对过程工艺机理的深刻认识的基础上，运用物料平衡、热量平衡和化学反应动力学等原理，找出不可测主导变量与可测辅助变量之间的关系。对于过程机理较为清楚的工业过程，基于机理模型可以构造良好的软仪表。对复杂工业过程，其内在机理往往不十分清楚，完全依赖机理分析建模比较困难，通常要选用其它方法，结合机理知识构造软仪表。系统辨识方法系统辨识方法 辨识方法是将辅助变量和主导变量组成的系统看成“黑箱”，以辅助变量为输入，主导变量为输出，通过现场采集、流程模拟或实验测试，获得过程输入、输出数据，以此为依据建立软仪表模型。状态估计方法状态估计方法 如果已知系统的状态空间模型，而主导变量作为系统状态变量时辅助变量是可观测的，那么构造软仪表的问题可以转化为状态观测或状态估计问题。假设已知对象的状态空间模型为辅助变量 如果系统的状态关于辅助变量完全可测，那么，软测量问题就如果系统的状态关于辅助变量完全可测，那么，软测量问题就转化为典型的状态观测和状态估计问题，估计值就可以表示成转化为典型的状态观测和状态估计问题，估计值就可以表示成Kalman滤波器形式。滤波器形式。Kalman滤波器、滤波器、Luenberger观测器是解决上述问题的有效方法。观测器是解决上述问题的有效方法。回归方法回归方法基于最小二乘原理的一元、多元线性回归技术已经非常成熟。对于辅助变量较少的情况，利用多元线性回归中的逐步回归技术可以得到较理想的软仪表模型。对于辅助变量较多的情况，通常要借助机理方法，得到变量组合的基本假定，然后再采用逐步回归的方法排除不重要的变量组合，得到软仪表模型。也可以采用主元分析等数学方法，对原问题进行降维处理，然后进行回归。神经网络方法神经网络方法 以辅助变量为输入，待测变量为输出，形成足够多的理想样本，通过学习可以得到软仪表的神经网络模型。理论上，神经网络不需要有过程的先验知识，学习非线性特性的能力比较强，是解决软测量问题的较为理想的方法。实际应用中，样本的数量和质量在一定程度上决定了网络的性能。另外，网络类型、结构和算法的选择对软仪表的性能也有重要影响。模式识别方法模式识别方法 在缺乏系统先验知识的情况下，可以采用模式识别的方法对系统的操作数据进行处理，从中提取系统的特征，构成以模式描述分类为基础的模式识别模型。例如:分别采用空间超盒和多中心模聚类方法建立了某催化裂化装置粗汽油蒸汽压的软测量仪表；采用基于Bayes序列分类器的模式识别方法进行精馏塔板效率的估计。模糊数学的方法模糊数学的方法 模糊数学是人们处理复杂系统的一种有效手段，在软测量中也有应用。此外，模糊数学还与神经网络或模式识别技术相结合，构成模糊神经网络和模糊模式识别方法。10.3.4 软仪表的在线校正 由于装置操作条件及原料性质都会随时间而变化，软测量模型只适用于一定的操作范围，因而需要不定期地对模型进行修正，以适应工况的变化。通常对软仪表的在线修正仅修正模型的参数具体方法：自适应法、增量法和多时标法等。对模型结构的修正需要大量的样本数据和耗费较长时间，在线进行有困难。这可采用短期学习和长期学习的思路来解决。短期学习是指以某辅助变量的采样化验分析值与软测量值之差为依据，采用建模方法，修改模型系数。长期学习是指当软测量模型在线运行一段时间后，逐步积累了足够的新样本时，根据新样本，采用建模方法，重建软测量模型。值得注意的问题：在配备在线分析仪表的场合，系统的主导变量的真值可以连续得到，此时采用校正方法不会有太大问题。在主导变量的真值仅能来源于离线人工化验的场合，通常取样周期为数小时或更长，样本密度稀疏。此时，采用何种校正方法值得研究。样本数据与过程数据在时序上的配合，尤其在人工分析情况下，从辅助变量即时反映的产品质量状态到取样位置需要一定的取样时间，取样后直到产品质量数据返回现场又要耗费很长时间。因此，在利用分析值与与辅助变量进行软仪表的校正时，应特别注意保持两者在时间上的对应关系。10.3.5 软测量的工业应用 首先，在过程操作和监控方面有十分重要的作用。软仪表实现成分、物性等特殊变量的在线测量，而这些变量往往对过程评估和质量非常重要。没有仪表的时候，操作人员要主动收集温度、压力等过程信息，经过头脑中经验的综合，对生产情况进行判断和估算。有了软仪表，软件就部分地代替了人脑的工作，提供更直观的过程信息，并预测未来工况的变化，从而可以帮助操作人员及时调整生产条件，达到生产目标。过程控制应用过程控制应用软仪表对过程控制也很重要，可以构成推断控制。推断控制：利用模型由可测信息将不可测的被控输出变量推算出来，以实现反馈控制，或者将不可测的扰动推算出来，以实现前馈控制的一类控制系统。推断控制系统框图推断控制系统框图 写在最后写在最后成功的基成功的基础在于好的学在于好的学习习惯The foundation of success lies in good habits121谢谢大家荣幸这一路，与你同行ItS An Honor To Walk With You All The Way讲师：XXXXXX XX年XX月XX日