CN1751228A - 最小化被测变量的误差的方法 - Google Patents

Abstract

在用于最小化被测变量的误差的方法中、尤其是使用可变带宽滤波待测信号的误差的方法架构中，基于该方法固有的物理标准来调整所述带宽，以尽可能提早地识别出不是由噪音引起的信号变化。

Description

最小化被测变量的误差的方法

技术领域

依据权利要求1的导言，本发明涉及一种用于最小化被测变量的误差的方法。

背景技术

通常，被测信号除了信息成份之外还具有噪声成份。一般通过低通滤波器以响应时间为代价减少被测信号中的噪声振幅和/或噪声成份。

因此，当评估被测信号时，通常有必要在较低噪声振幅和较短响应时间之间找到一种折衷的方法。

依据现有技术，常常使用一种具有固定高带宽的滤波器，其具有很短的响应时间；然而，这类滤波器却具有较高的噪声振幅。但是，通过使用具有固定低带宽的滤波器，可以减少噪声振幅，但是已发现，这种过程将导致较长的响应时间。

因此，如果除了较短的响应时间以外，还要求低噪声振幅，则相关技术中所教示的具有固定带宽的滤波器是不适合的。

此外，依据相关现有技术所了解的，最小化误差的方法是基于以固定预定值为基础来控制带宽。在这种情况中，结果是仅仅最适宜于在特殊范围内的信号。

发明内容

本发明的目的是基于指定最小化被测变量的误差、尤其是指定待测信号的误差的方法，其避免了相关现有技术的缺点。特定而言，需要确保就噪声和响应时间而论为最佳的信号输出。

本目的是通过权利要求1的特征来获得的。其他的实施例和优点由从属权利要求产生。

因，提出一种最小化被测变量的误差的方法、尤其是使用可变带宽滤波待测信号的误差的方法，其中信号变化不是由噪声引起的，也就是说，信号的信息成分的变化尽可能提早地被识别，以依据本发明的方法所固有的物理标准为基础来调整带宽。

依据本发明，带宽较佳按照所述的方式被调整，即被测信号的变化量几乎不能超过测量传感器固有噪声的预定倍数；较佳通过从滤波器组中选择合适的滤波器来调整带宽，其可为滤波器并联电路或滤波器串联电路。

此外，在计算机中执行滤波是可能的，从而无需任何滤波硬件。对于在计算机中执行的方法，所示的串联电路是有利的，因为滤波器的输出数据可以被用于计算下述具有低带宽的滤波器的输出数据。在这种情况中，会出现数据速率降低，这节约了大量的计算时间和存储空间。相反地，在基于硬件达到此目的时，由于在串联电路中滤波器组的运行时间(也就是，响应时间)必须被总计，因此并联电路提供了最快的计算结果。

在这种情况中，从测量传感器的已知频谱噪声输出密度和特定滤波器带宽计算出固有噪声；有利地，测定的滤波器输出和信号模型的差别被方便地测定为所测量信号的变化，其中该信号模型的带宽被彻底限定。

特别地，正如已说明的，从最高有效带宽的滤波器开始，观测到越来越小的带宽，直到被测信号当前的变化大于与测量传感器相关联的固有噪声。选择具有最低带宽的滤波器并用于显示，在此最低带宽下，这种滤波器以及具有较高带宽的所有滤波器中的此测量信号的变化不超过测量传感器的固有噪声的预定倍数。如果不能建立具有这样特性滤波输出，则选择具有最高带宽的滤波输出，因为它的响应时间是最短的。

依据本发明的方法，可确保的是并非噪声引起的信号改变，也就是，信息成分的变化量应尽可能提早地被识别，由于下一个较低带宽滤波器在被测信号中的变化量比固有噪声更大，因此一定存在不是由噪声造成的信号改变。另外，由于所有较高带宽的滤波器的变化量如此之大以至于其覆盖了信号的信息成分，因此有可能无法较早地识别信号改变。依据本发明尽早的识别信号信息成分中的变化量是做得到的，例如在热辐射探测器或其它安全相关的应用中这是一个重要的优点。此外，本发明的方法具有以固有的物理标准为基础来调整带宽的优点。

在依据本发明方法架构的变化中，可以使用较低的限制标准替代前述的标准，或可以使用滤波器组的至少两个输出的标准线性组合替代滤波器组中的滤波器。

所使用的滤波器较佳是低通滤波器

本发明提出的方法可免于反馈并且可基于原理来提供稳定性。

附图说明

图1展示了不具有作为时间函数的噪声的信号，即展示了信号的信息成分，在所有其它附图中，被测信号的频谱噪声输出密度总是为1/sqrt(Hz)。

图2展示了具有作为时间函数的噪音的图1所示的信号，通过带宽为25MHz的滤波器传导该信号。

图3展示了具有作为时间函数的噪音的图1所示的信号，通过带宽为3MHz的滤波器传导该信号。

图4展示了具有作为时间函数的噪音的图1所示的信号，通过带宽为0.4MHz的滤波器传导该信号。

图5展示了图3中所示信号的误差信号。

图6展示了依据本发明具有可控带宽的误差信号。

图7展示了依据本发明使用两个滤波器的示范性判定过程。

图8展示了依据本发明使用多个滤波器的示范性判定过程。

图9展示了依据本发明方法的具有可控带宽的输出信号。

具体实施方式

图1展示了无噪声信号的理想情形。在t＝0时刻信号执行从0到3MHz的跳跃，然后仍旧保持恒定。

图2、图3、和图4提供了现实的图示。在这种情况下，将图1所示的信号展示为具有不同带宽噪声的信号，并为此目的通过不同带宽的低通滤波器传送该信号。图1中的带宽为25MHz[sic；2]，图3中的带宽为3MHz，而图4中的带宽为0.4MHz。正如可以从图2、3、和4中推断出，信号的带宽越高其噪声振幅就越高；然而，带宽频率越高在t＝0时的跳跃就越迅速。

图5展示了3MHz带宽的误差信号。误差信号是图1所示的信息成分和通过低通滤波器(如图3所示，其具有3MHz的带宽)后的被测信号之间的差异。从瞬间t＝0到低通滤波器的响应时间，误差对应于跳跃的全部高度；在这情况中，低通滤波器的响应时间近似130秒。这意味着，在近似130秒后才识别到快速和/或显著的信号改变。随后，如图3所示，误差信号由作为滤波器带宽特性的噪声所控制。

依据本发明，因为在跳跃后，很快和/或立即观测到较高带宽的滤波器输出，并且随后立即观测到较低带宽的滤波器输出，因此可以产生比示范性3MHz频率的滤波器更小误差的信号。通过这种方式，较高和较低带宽的优点就可以有利地结合在一起。

例如(在这里所示的实施例的架构中)，对于达到t＝200秒的瞬间，可以使用高于3MHz的带宽的滤波器，其的确具有高于3MHz滤波器的噪声幅度，但可以有更短的响应时间，因此误差被全面降低。对于超过t＝1000秒的瞬间，可以优选使用具有低于3MHz的带宽的滤波器，这已经阐述过了，该滤波器具有比3MHz的滤波器更低的噪声幅度。因此，如果信息成分保持恒定和/或没有发生快速变化，则自其产生的误差低于使用3MHz滤波器的误差，从而从低频率滤波器的长响应时间不会再获得误差。

这在图6中得以说明。在这情况中，曲线A表示依据本发明调整的宽带产生“改进”的误差信号。为了比较，将对应于使用3MHz滤波器的误差信号展示为曲线B。此外，以曲线C为基础展示在滤波器中使用的特定带宽(以MHz计)，其被指定给右Y轴。因而，使用频率值在25MHz和0.75MHz之间的带宽。通过本发明获得的信号显示一个误差，该误差对应于在间隔t＝360秒到t＝800秒中3MHz滤波器产生的误差。在其他区域，误差明显地降低。

依据本发明，以这样的方式来调整带宽使得所观测信号的变化量几乎不超过测量感应器固有噪声的预定倍数。优选地使用下述过程来调整滤波器的带宽：分析所观测滤波器的输出到较低带宽的第二滤波器输出的距离绝对值。这意味着具有较低带宽的第二滤波器表示不具有所观测滤波器的噪声的被量信号。如果所观测滤波器的输出到较低带宽的第二滤波器输出的距离小到足以解释为观测滤波器输出地随机噪声的距离，则所观测的滤波器可以用于显示。这种滤波器在下文中将称为容许滤波器。

如果观测的滤波器输出和具有低带宽的第二滤波器输出之间的距离很大以至于不能认为是随机噪声，则可认识到信息成分的显著改变。该滤波器不是一容许的滤波器。由于在这种情况下较低响应时间将最小化误差，这样便导致了具有较高带宽的滤波器的使用。执行本发明的方法至少需要三种不同带宽的滤波器。

测量传感器固有噪声的多个标准偏差σ作为所测量滤波器输出到较低带宽滤波器输出的距离绝对值的极限值，由于信号分析是以测量系统中的固有物理标准为基础的。这避免了在任意参数和/或外部测量产生的参数的基础上挑选的滤波器并且从而被显示。如果所观测的滤波器输出和较低带宽的滤波器输出之间的距离是在定点间隔中，则该距离对应于所观测滤波器输出的随机噪声。

图7中展示了这类判定过程的示范例。曲线A表示从3MHz滤波器获得的信号，而曲线B表示从1.6MHz滤波器获得的信号；曲线C和D表示围绕在1.6MHz滤波器信号周围的频带，该频带相对应于3MHz信号的固有噪声+/-5σ，这样3MHz信号可能以小到可以忽略的恒定信息成分离开频带。

依据本发明，为了消除低带宽滤波器的噪声影响，仅仅观测到上部独立的一半噪声谱是可能的。

曲线E代表逻辑信号的曲线，该逻辑信号表示3MHz信号到1.6MHz信号距离的绝对值小于3MHz信号的5σ。从而该逻辑信号是显示所观测的滤波器是否和何时是一个容许的滤波器并且其用于显示的信号。

如图7中所示，在t＝70秒到t＝360秒的间隔，3MHz信号余留5σ的频带在1.6MHz信号周围。这意味着，依据本发明在t＝70秒到t＝360秒之间的3MHz信号不能用来显示，因为观测滤波器输出和具有1.6MHz较低带宽滤波器输出之间的距离很大，以至于不能认为是随机噪音。

为了示范本发明的目的，图8展示了用于不同带宽的多个滤波器的方法。在该实施例中，滤波器的带宽分别是25，12，6，3，1.6和0.8MHz。在图中，对应于这些滤波器的逻辑信号分别以曲线A、B、C、D、E、和F描绘出。此外，如曲线G(曲线G归于Y轴右侧)绘画出的是具有最小带宽的容许滤波器的滤波器带宽，所有具有较高带宽的滤波器同样也是容许滤波器。

图9展示了依据本发明用于可控带宽的输出信号。可以从图中看出用于可控带宽所显示的信号在t＝0处快速跳升；另外，随着时间的增加噪声开始降低。

例如，本文提出的方法可应用于电子秤中，在砝码放置在电子秤上后，可直接提供有效的显示。然而这还是不精确的，虽然立即表展示与当前砝码相对应的一个值，并且不是先前显示的。如果砝码仍长时间放置在电子秤上，则随着时间的变化，显示的结果变得更加精确。

此外，使用依据本发明的方法可以显示出由测量少量气体浓度的装置产生的信号，如具有热量检测器的光度计。

依据本发明的方法具有以物理标准为基础来调整带宽的优点。如果了解信号源的频谱噪声输出密度，则每个滤波器的距离标准就可从该频谱噪声输出密度中获得。优选地，选择的数值为5σ，但其它数值或σ的倍数也同样是可能的。因此可将不适合于特定信号曲线的固定任意的阈值排除在外。

另外，与相关现有技术比较，通过依据本发明的方法减少了所要求的数据量。例如，如果存储显示屏上的信号，则在较低带宽，同样需要相应少数数据点。依据本发明，如果信息成分显著优于噪声，则立即记录信号的快速变化。对于变化慢的信息成分，通过很长时间仅仅只存储少数的平均值。该方法并不损害对优于噪声的信号成分的取样法则。因此，也同样存储测量传感器从信息成分中记录的所有信息。

本发明的进一步的优点在于固有的稳定性，因为本发明不存在反馈。本发明的方法应用在以下情况中，即信号的频谱噪声输出密度恒定，并且在很大程度上不依赖于已显示出优点的信号振幅。该情况下在产生宽范围信号的感应器并非量子检测器，例如，应变仪，铂及镍热变电阻器，NTC和PTC，半导体温度传感器，电热偶，磁控电阻器，压阻传感器，热辐射检测器，等等。在这些实例中，噪声振幅是带宽平方根的函数，这样就可简单地执行带宽调整，因为在这些实例中距离标准特别简单，这是因为如果带宽通过因素a*a减小则噪声振幅通过因素a减小。

Claims (12)

1、一种最小化被测变量的误差的方法、尤其是使用可变带宽滤波待测信号的误差的方法，其特征在于基于所述方法固有的物理标准来调整所述带宽，以尽可能提早地识别出不是由噪声引起的信号变化。

2、根据权利要求1所述最小化被测变量的误差的方法，其特征在于调整所述带宽的方式使得被测信号的变化量几乎不能超过测量传感器固有噪声的预定倍数。

3、根据权利要求2所述最小化被测变量的误差的方法，其特征在于从所述测量传感器已知的频谱噪声输出密度和所述滤波器的带宽计算固有噪声。

4、根据权利要求1、2、或3所述最小化被测变量的误差的方法，其特征在于将来自带宽被更严格限定的信号模型的信号差异看作是所述信号的变化。

5、根据权利要求1-4中任一项所述最小化被测变量的误差的方法，其特征在于在带宽调整的架构中从滤波器组选择合适的滤波器。

6、根据权利要求1至4中任一项所述最小化被测变量的误差的方法，其特征在于可以使用所述滤波器组的至少两个输出的标准线性组合来替代所述滤波器组中的滤波器。

7、根据权利要求1-6中任一项所述最小化被测变量的误差的方法，其特征在于所述滤波器组可以是滤波器并联电路或滤波器串联电路。

8、根据权利要求1-7中任一项所述最小化被测变量的误差的方法，其特征在于可将低通滤波器用作所述滤波器。

9、根据权利要求1-8中任一项所述最小化被测变量的误差的方法，其特征在于：所测量滤波器输出到具有较低带宽的至少另一滤波器输出的距离绝对值被测量，并且如果所测量滤波器的输出到所述至少一具有较低带宽的滤波器输出的距离小于极限值，该极限值是测量感应器预定的多个固有噪声，则所观测到的滤波器被用来显示信号，如果所测量滤波器的输出到所述至少一个具有较低带宽的滤波器输出的距离超过极限值，则将识别出信号中的信息成分的明显变化并且使用具有较高带宽和/或较低的响应时间的滤波器，使其输出被显示。

10、根据权利要求9所述最小化被测变量的误差的方法，其特征在于使用输出信号不超过临界值的所有滤波器中带宽最低的滤波器来显示待测量的信号。

11、根据权利要求9或10所述最小化被测变量的误差的方法，其特征在于所述临界值是测量传感器固有噪声标准偏差的倍数。

12、一种根据权利要求1至11中任一项所述最小化被测变量的误差的方法用于显示应变仪、PT100感应器、电热偶、压阻传感器或热辐射检测器的测量值的用途。

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