最小化被測變量的誤差的方法
2023-06-27 03:46:31
專利名稱：最小化被測變量的誤差的方法
技術領域：
依據權利要求1的導言，本發明涉及一種用於最小化被測變量的誤差的方法。
背景技術：
通常，被測信號除了信息成份之外還具有噪聲成份。一般通過低通濾波器以響應時間為代價減少被測信號中的噪聲振幅和/或噪聲成份。
因此，當評估被測信號時，通常有必要在較低噪聲振幅和較短響應時間之間找到一種折衷的方法。
依據現有技術，常常使用一種具有固定高帶寬的濾波器，其具有很短的響應時間；然而，這類濾波器卻具有較高的噪聲振幅。但是，通過使用具有固定低帶寬的濾波器，可以減少噪聲振幅，但是已發現，這種過程將導致較長的響應時間。
因此，如果除了較短的響應時間以外，還要求低噪聲振幅，則相關技術中所教示的具有固定帶寬的濾波器是不適合的。
此外，依據相關現有技術所了解的，最小化誤差的方法是基於以固定預定值為基礎來控制帶寬。在這種情況中，結果是僅僅最適宜於在特殊範圍內的信號。
發明內容
本發明的目的是基於指定最小化被測變量的誤差、尤其是指定待測信號的誤差的方法，其避免了相關現有技術的缺點。特定而言，需要確保就噪聲和響應時間而論為最佳的信號輸出。
本目的是通過權利要求1的特徵來獲得的。其他的實施例和優點由從屬權利要求產生。
因，提出一種最小化被測變量的誤差的方法、尤其是使用可變帶寬濾波待測信號的誤差的方法，其中信號變化不是由噪聲引起的，也就是說，信號的信息成分的變化儘可能提早地被識別，以依據本發明的方法所固有的物理標準為基礎來調整帶寬。
依據本發明，帶寬較佳按照所述的方式被調整，即被測信號的變化量幾乎不能超過測量傳感器固有噪聲的預定倍數；較佳通過從濾波器組中選擇合適的濾波器來調整帶寬，其可為濾波器並聯電路或濾波器串聯電路。
此外，在計算機中執行濾波是可能的，從而無需任何濾波硬體。對於在計算機中執行的方法，所示的串聯電路是有利的，因為濾波器的輸出數據可以被用於計算下述具有低帶寬的濾波器的輸出數據。在這種情況中，會出現數據速率降低，這節約了大量的計算時間和存儲空間。相反地，在基於硬體達到此目的時，由於在串聯電路中濾波器組的運行時間(也就是，響應時間)必須被總計，因此並聯電路提供了最快的計算結果。
在這種情況中，從測量傳感器的已知頻譜噪聲輸出密度和特定濾波器帶寬計算出固有噪聲；有利地，測定的濾波器輸出和信號模型的差別被方便地測定為所測量信號的變化，其中該信號模型的帶寬被徹底限定。
特別地，正如已說明的，從最高有效帶寬的濾波器開始，觀測到越來越小的帶寬，直到被測信號當前的變化大於與測量傳感器相關聯的固有噪聲。選擇具有最低帶寬的濾波器並用於顯示，在此最低帶寬下，這種濾波器以及具有較高帶寬的所有濾波器中的此測量信號的變化不超過測量傳感器的固有噪聲的預定倍數。如果不能建立具有這樣特性濾波輸出，則選擇具有最高帶寬的濾波輸出，因為它的響應時間是最短的。
依據本發明的方法，可確保的是並非噪聲引起的信號改變，也就是，信息成分的變化量應儘可能提早地被識別，由於下一個較低帶寬濾波器在被測信號中的變化量比固有噪聲更大，因此一定存在不是由噪聲造成的信號改變。另外，由於所有較高帶寬的濾波器的變化量如此之大以至於其覆蓋了信號的信息成分，因此有可能無法較早地識別信號改變。依據本發明儘早的識別信號信息成分中的變化量是做得到的，例如在熱輻射探測器或其它安全相關的應用中這是一個重要的優點。此外，本發明的方法具有以固有的物理標準為基礎來調整帶寬的優點。
在依據本發明方法架構的變化中，可以使用較低的限制標準替代前述的標準，或可以使用濾波器組的至少兩個輸出的標準線性組合替代濾波器組中的濾波器。
所使用的濾波器較佳是低通濾波器本發明提出的方法可免於反饋並且可基於原理來提供穩定性。
圖1展示了不具有作為時間函數的噪聲的信號，即展示了信號的信息成分，在所有其它附圖中，被測信號的頻譜噪聲輸出密度總是為1/sqrt(Hz)。
圖2展示了具有作為時間函數的噪音的圖1所示的信號，通過帶寬為25MHz的濾波器傳導該信號。
圖3展示了具有作為時間函數的噪音的圖1所示的信號，通過帶寬為3MHz的濾波器傳導該信號。
圖4展示了具有作為時間函數的噪音的圖1所示的信號，通過帶寬為0.4MHz的濾波器傳導該信號。
圖5展示了圖3中所示信號的誤差信號。
圖6展示了依據本發明具有可控帶寬的誤差信號。
圖7展示了依據本發明使用兩個濾波器的示範性判定過程。
圖8展示了依據本發明使用多個濾波器的示範性判定過程。
圖9展示了依據本發明方法的具有可控帶寬的輸出信號。
具體實施例方式
圖1展示了無噪聲信號的理想情形。在t＝0時刻信號執行從0到3MHz的跳躍，然後仍舊保持恆定。
圖2、圖3、和圖4提供了現實的圖示。在這種情況下，將圖1所示的信號展示為具有不同帶寬噪聲的信號，並為此目的通過不同帶寬的低通濾波器傳送該信號。圖1中的帶寬為25MHz[sic；2]，圖3中的帶寬為3MHz，而圖4中的帶寬為0.4MHz。正如可以從圖2、3、和4中推斷出，信號的帶寬越高其噪聲振幅就越高；然而，帶寬頻率越高在t＝0時的跳躍就越迅速。
圖5展示了3MHz帶寬的誤差信號。誤差信號是圖1所示的信息成分和通過低通濾波器(如圖3所示，其具有3MHz的帶寬)後的被測信號之間的差異。從瞬間t＝0到低通濾波器的響應時間，誤差對應於跳躍的全部高度；在這情況中，低通濾波器的響應時間近似130秒。這意味著，在近似130秒後才識別到快速和/或顯著的信號改變。隨後，如圖3所示，誤差信號由作為濾波器帶寬特性的噪聲所控制。
依據本發明，因為在跳躍後，很快和/或立即觀測到較高帶寬的濾波器輸出，並且隨後立即觀測到較低帶寬的濾波器輸出，因此可以產生比示範性3MHz頻率的濾波器更小誤差的信號。通過這種方式，較高和較低帶寬的優點就可以有利地結合在一起。
例如(在這裡所示的實施例的架構中)，對於達到t＝200秒的瞬間，可以使用高於3MHz的帶寬的濾波器，其的確具有高於3MHz濾波器的噪聲幅度，但可以有更短的響應時間，因此誤差被全面降低。對於超過t＝1000秒的瞬間，可以優選使用具有低於3MHz的帶寬的濾波器，這已經闡述過了，該濾波器具有比3MHz的濾波器更低的噪聲幅度。因此，如果信息成分保持恆定和/或沒有發生快速變化，則自其產生的誤差低於使用3MHz濾波器的誤差，從而從低頻率濾波器的長響應時間不會再獲得誤差。
這在圖6中得以說明。在這情況中，曲線A表示依據本發明調整的寬帶產生「改進」的誤差信號。為了比較，將對應於使用3MHz濾波器的誤差信號展示為曲線B。此外，以曲線C為基礎展示在濾波器中使用的特定帶寬(以MHz計)，其被指定給右Y軸。因而，使用頻率值在25MHz和0.75MHz之間的帶寬。通過本發明獲得的信號顯示一個誤差，該誤差對應於在間隔t＝360秒到t＝800秒中3MHz濾波器產生的誤差。在其他區域，誤差明顯地降低。
依據本發明，以這樣的方式來調整帶寬使得所觀測信號的變化量幾乎不超過測量感應器固有噪聲的預定倍數。優選地使用下述過程來調整濾波器的帶寬分析所觀測濾波器的輸出到較低帶寬的第二濾波器輸出的距離絕對值。這意味著具有較低帶寬的第二濾波器表示不具有所觀測濾波器的噪聲的被量信號。如果所觀測濾波器的輸出到較低帶寬的第二濾波器輸出的距離小到足以解釋為觀測濾波器輸出地隨機噪聲的距離，則所觀測的濾波器可以用於顯示。這種濾波器在下文中將稱為容許濾波器。
如果觀測的濾波器輸出和具有低帶寬的第二濾波器輸出之間的距離很大以至於不能認為是隨機噪聲，則可認識到信息成分的顯著改變。該濾波器不是一容許的濾波器。由於在這種情況下較低響應時間將最小化誤差，這樣便導致了具有較高帶寬的濾波器的使用。執行本發明的方法至少需要三種不同帶寬的濾波器。
測量傳感器固有噪聲的多個標準偏差σ作為所測量濾波器輸出到較低帶寬濾波器輸出的距離絕對值的極限值，由於信號分析是以測量系統中的固有物理標準為基礎的。這避免了在任意參數和/或外部測量產生的參數的基礎上挑選的濾波器並且從而被顯示。如果所觀測的濾波器輸出和較低帶寬的濾波器輸出之間的距離是在定點間隔中，則該距離對應於所觀測濾波器輸出的隨機噪聲。
圖7中展示了這類判定過程的示範例。曲線A表示從3MHz濾波器獲得的信號，而曲線B表示從1.6MHz濾波器獲得的信號；曲線C和D表示圍繞在1.6MHz濾波器信號周圍的頻帶，該頻帶相對應於3MHz信號的固有噪聲+/-5σ，這樣3MHz信號可能以小到可以忽略的恆定信息成分離開頻帶。
依據本發明，為了消除低帶寬濾波器的噪聲影響，僅僅觀測到上部獨立的一半噪聲譜是可能的。
曲線E代表邏輯信號的曲線，該邏輯信號表示3MHz信號到1.6MHz信號距離的絕對值小於3MHz信號的5σ。從而該邏輯信號是顯示所觀測的濾波器是否和何時是一個容許的濾波器並且其用於顯示的信號。
如圖7中所示，在t＝70秒到t＝360秒的間隔，3MHz信號餘留5σ的頻帶在1.6MHz信號周圍。這意味著，依據本發明在t＝70秒到t＝360秒之間的3MHz信號不能用來顯示，因為觀測濾波器輸出和具有1.6MHz較低帶寬濾波器輸出之間的距離很大，以至於不能認為是隨機噪音。
為了示範本發明的目的，圖8展示了用於不同帶寬的多個濾波器的方法。在該實施例中，濾波器的帶寬分別是25，12，6，3，1.6和0.8MHz。在圖中，對應於這些濾波器的邏輯信號分別以曲線A、B、C、D、E、和F描繪出。此外，如曲線G(曲線G歸於Y軸右側)繪畫出的是具有最小帶寬的容許濾波器的濾波器帶寬，所有具有較高帶寬的濾波器同樣也是容許濾波器。
圖9展示了依據本發明用於可控帶寬的輸出信號。可以從圖中看出用於可控帶寬所顯示的信號在t＝0處快速跳升；另外，隨著時間的增加噪聲開始降低。
例如，本文提出的方法可應用於電子秤中，在砝碼放置在電子秤上後，可直接提供有效的顯示。然而這還是不精確的，雖然立即表展示與當前砝碼相對應的一個值，並且不是先前顯示的。如果砝碼仍長時間放置在電子秤上，則隨著時間的變化，顯示的結果變得更加精確。
此外，使用依據本發明的方法可以顯示出由測量少量氣體濃度的裝置產生的信號，如具有熱量檢測器的光度計。
依據本發明的方法具有以物理標準為基礎來調整帶寬的優點。如果了解信號源的頻譜噪聲輸出密度，則每個濾波器的距離標準就可從該頻譜噪聲輸出密度中獲得。優選地，選擇的數值為5σ，但其它數值或σ的倍數也同樣是可能的。因此可將不適合於特定信號曲線的固定任意的閾值排除在外。
另外，與相關現有技術比較，通過依據本發明的方法減少了所要求的數據量。例如，如果存儲顯示屏上的信號，則在較低帶寬，同樣需要相應少數數據點。依據本發明，如果信息成分顯著優於噪聲，則立即記錄信號的快速變化。對於變化慢的信息成分，通過很長時間僅僅只存儲少數的平均值。該方法並不損害對優於噪聲的信號成分的取樣法則。因此，也同樣存儲測量傳感器從信息成分中記錄的所有信息。
本發明的進一步的優點在於固有的穩定性，因為本發明不存在反饋。本發明的方法應用在以下情況中，即信號的頻譜噪聲輸出密度恆定，並且在很大程度上不依賴於已顯示出優點的信號振幅。該情況下在產生寬範圍信號的感應器並非量子檢測器，例如，應變儀，鉑及鎳熱變電阻器，NTC和PTC，半導體溫度傳感器，電熱偶，磁控電阻器，壓阻傳感器，熱輻射檢測器，等等。在這些實例中，噪聲振幅是帶寬平方根的函數，這樣就可簡單地執行帶寬調整，因為在這些實例中距離標準特別簡單，這是因為如果帶寬通過因素a*a減小則噪聲振幅通過因素a減小。
權利要求
1.一種最小化被測變量的誤差的方法、尤其是使用可變帶寬濾波待測信號的誤差的方法，其特徵在於基於所述方法固有的物理標準來調整所述帶寬，以儘可能提早地識別出不是由噪聲引起的信號變化。
2.根據權利要求1所述最小化被測變量的誤差的方法，其特徵在於調整所述帶寬的方式使得被測信號的變化量幾乎不能超過測量傳感器固有噪聲的預定倍數。
3.根據權利要求2所述最小化被測變量的誤差的方法，其特徵在於從所述測量傳感器已知的頻譜噪聲輸出密度和所述濾波器的帶寬計算固有噪聲。
4.根據權利要求1、2、或3所述最小化被測變量的誤差的方法，其特徵在於將來自帶寬被更嚴格限定的信號模型的信號差異看作是所述信號的變化。
5.根據權利要求1-4中任一項所述最小化被測變量的誤差的方法，其特徵在於在帶寬調整的架構中從濾波器組選擇合適的濾波器。
6.根據權利要求1至4中任一項所述最小化被測變量的誤差的方法，其特徵在於可以使用所述濾波器組的至少兩個輸出的標準線性組合來替代所述濾波器組中的濾波器。
7.根據權利要求1-6中任一項所述最小化被測變量的誤差的方法，其特徵在於所述濾波器組可以是濾波器並聯電路或濾波器串聯電路。
8.根據權利要求1-7中任一項所述最小化被測變量的誤差的方法，其特徵在於可將低通濾波器用作所述濾波器。
9.根據權利要求1-8中任一項所述最小化被測變量的誤差的方法，其特徵在於所測量濾波器輸出到具有較低帶寬的至少另一濾波器輸出的距離絕對值被測量，並且如果所測量濾波器的輸出到所述至少一具有較低帶寬的濾波器輸出的距離小於極限值，該極限值是測量感應器預定的多個固有噪聲，則所觀測到的濾波器被用來顯示信號，如果所測量濾波器的輸出到所述至少一個具有較低帶寬的濾波器輸出的距離超過極限值，則將識別出信號中的信息成分的明顯變化並且使用具有較高帶寬和/或較低的響應時間的濾波器，使其輸出被顯示。
10.根據權利要求9所述最小化被測變量的誤差的方法，其特徵在於使用輸出信號不超過臨界值的所有濾波器中帶寬最低的濾波器來顯示待測量的信號。
11.根據權利要求9或10所述最小化被測變量的誤差的方法，其特徵在於所述臨界值是測量傳感器固有噪聲標準偏差的倍數。
12.一種根據權利要求1至11中任一項所述最小化被測變量的誤差的方法用於顯示應變儀、PT100感應器、電熱偶、壓阻傳感器或熱輻射檢測器的測量值的用途。
全文摘要
在用於最小化被測變量的誤差的方法中、尤其是使用可變帶寬濾波待測信號的誤差的方法架構中，基於該方法固有的物理標準來調整所述帶寬，以儘可能提早地識別出不是由噪音引起的信號變化。
文檔編號G01D3/032GK1751228SQ200380109807
公開日2006年3月22日 申請日期2003年12月16日 優先權日2002年12月19日
發明者瓊璩·威雀爾 申請人:Cs清潔系統有限公司