測量數(shù)據(jù)處理

關于測量數(shù)據(jù)處理第1頁，講稿共69頁，2023年5月2日，星期三4測量數(shù)據(jù)處理原始測量數(shù)據(jù)A/D轉換微機內部先預處理顯示或輸出數(shù)據(jù)處理算法第2頁，講稿共69頁，2023年5月2日，星期三4.測量數(shù)據(jù)處理4.1零位和靈敏度的誤差校正4.2量程自動切換4.3超限自動報警4.4標度變換4.5非線性校正算法4.6數(shù)字濾波第3頁，講稿共69頁，2023年5月2日，星期三4.1零位和靈敏度的誤差校正軟件校正方法理想的線性測試系統(tǒng)輸出讀數(shù)被測真值該通道的標稱靈敏度或增益第4頁，講稿共69頁，2023年5月2日，星期三軟件校正方法實際的線性測試系統(tǒng)――存在“零位誤差”和“靈敏度誤差”“零位誤差”x0――輸入y為零時的輸出指實際靈敏度k與標稱靈敏度k0的偏差第5頁，講稿共69頁，2023年5月2日，星期三軟件校正方法測量誤差（系統(tǒng)誤差）誤差值真值系統(tǒng)誤差第6頁，講稿共69頁，2023年5月2日，星期三軟件校正方法誤差校正算法？？根據(jù)式4－1－2推導第7頁，講稿共69頁，2023年5月2日，星期三軟件校正方法誤差校正算法被測系統(tǒng)X1Y1被測系統(tǒng)X2Y2

第8頁，講稿共69頁，2023年5月2日，星期三軟件校正方法誤差校正算法被測系統(tǒng)X00簡化第9頁，講稿共69頁，2023年5月2日，星期三軟件校正方法標準輸入輸入為零被測量第10頁，講稿共69頁，2023年5月2日，星期三硬件校正方法零位調整電路傳感器調零電路許多傳感器都設置了專門的調零電路，當被測非電量為零而傳感器的輸出不為零，可調整調零電路中的調零電位器實現(xiàn)調零。第11頁，講稿共69頁，2023年5月2日，星期三硬件校正方法電橋調零電路傳感器常采用電橋作為測量電路為保證被測參數(shù)為零時，電橋輸出也為零。設置了調零電位器。圖中為調零電位器，調整它可使溫度為0℃時，電橋輸出電壓為零第12頁，講稿共69頁，2023年5月2日，星期三硬件校正方法放大器輸入偏移調零電路放大器輸入電壓為前級測量電路的零位輸出。調整目的：保證放大器輸出電壓U0在x=0時為零K第13頁，講稿共69頁，2023年5月2日，星期三硬件校正方法A/D轉換器調零電路若A/D的輸入高端：被測電壓Ux低端：調零電路提供偏移電壓Ua＝Ub,則有S－傳感器和A/D轉換之前模擬電路的總靈敏度，

q－A/D轉換器的量化單位，即N=1所對應的模擬電壓。第14頁，講稿共69頁，2023年5月2日，星期三AD590調零電路第15頁，講稿共69頁，2023年5月2日，星期三靈敏度調整的硬件實現(xiàn)調整傳感器本身的靈敏度調整傳感器電橋電源電壓調整放大器放大倍數(shù)――最常用。調整A/D轉換器的基準電壓注意：在零點和靈敏度都發(fā)生漂移的情況下，通常是先調零，后調靈敏度。第16頁，講稿共69頁，2023年5月2日，星期三4.2量程自動切換量程指檢測系統(tǒng)測量上限xmax和測量下限xmin之代數(shù)差，即：量程自動切換使測量過程自動迅速地選擇在最佳量程上既能防止數(shù)據(jù)溢出和系統(tǒng)過載，又能保證一定的測量精度。傳統(tǒng)：手動切換第17頁，講稿共69頁，2023年5月2日，星期三兩個問題：

1、如何才能知道什么時候該量程切換？

2、怎么實現(xiàn)量程切換？4.2量程自動切換第18頁，講稿共69頁，2023年5月2日，星期三4.2量程自動切換量程切換的依據(jù)第19頁，講稿共69頁，2023年5月2日，星期三4.2量程自動切換量程切換的依據(jù)不能使數(shù)據(jù)溢出，要求或第20頁，講稿共69頁，2023年5月2日，星期三4.2量程自動切換相對誤差要求：或第21頁，講稿共69頁，2023年5月2日，星期三4.2量程自動切換量程判別條件第22頁，講稿共69頁，2023年5月2日，星期三4.2量程自動切換模擬判別的方法――窗口比較器。圖4－2－1，

通常?。?/p>

過量程

欠量程第23頁，講稿共69頁，2023年5月2日，星期三4.2量程自動切換數(shù)字判別的方法1、高位檢測法――讀取A/D轉換數(shù)據(jù)的高兩位或高三位：若都為“1”，則“過量程”，若都為“0”，則“欠量程”。2、A/D自檢測法――A/D自身提供“過量程”和“欠量程”指示信號。第24頁，講稿共69頁，2023年5月2日，星期三量程切換的方法程控放大器和程控衰減器量程（上限）值第25頁，講稿共69頁，2023年5月2日，星期三量程切換的方法改變量程值方法改變E改變S改變K――最常用改變K的常用電路數(shù)控放大器――由多路開關MUX和放大器構成（a）。程控衰減器――由多路開關MUX和電阻分壓網(wǎng)絡構成。MUX――用作“量程切換開關”。第26頁，講稿共69頁，2023年5月2日，星期三量程切換的程序編程原則若判別結果是“欠量程”，則切換到較小的量程即降一個量程；若判別結果是“超量程”，則切換到較大的量程即升一個量程；若判別結果是既不“欠量程”也不“超量程”，則不進行量程切換；若已經(jīng)達到最小量程或最大量程，也不再進行量程切換。通常一開始應先選用最大量程進行測量，以避免儀器過載或損壞。圖4－2－3第27頁，講稿共69頁，2023年5月2日，星期三4.3超限自動報警重要參數(shù)上下限檢查報警程序設計：比較方法采樣、數(shù)字濾波以及標度變換、比較第28頁，講稿共69頁，2023年5月2日，星期三上限處理下限處理第29頁，講稿共69頁，2023年5月2日，星期三越限報警系統(tǒng)設計實例鍋爐報警系統(tǒng)P1口各位功能分配報警參數(shù)：水位(X1)、爐溫(X2)、蒸汽壓力下限(X3)；報警點：水位上、下限、溫度上、下限和蒸汽下限。報警方式：當各參數(shù)均正常、無報警時綠燈亮，當某參數(shù)過限發(fā)出報警信號，鳴笛并使相應指示燈亮。第30頁，講稿共69頁，2023年5月2日，星期三鍋爐報警電路原理圖第31頁，講稿共69頁，2023年5月2日，星期三軟件設計－控制報警報警參數(shù)和標志存放地址的分配：①設一個報警標志單元如20H單元，無報警時20H清0，有報警時20H置“1”；②水位、溫度、壓力三個參數(shù)采樣值分別存放在SAMP為首地址的內存單元中；③5個報警點分別存放在30H~34H內部RAM中。水位上、下限用MAX1、MIN1表示；溫度上、下限用MAX2、MIN2表示，蒸汽壓力用MIN3表示，依次存于30H~34H單元。第32頁，講稿共69頁，2023年5月2日，星期三第33頁，講稿共69頁，2023年5月2日，星期三4.4標度變換標度變換為能從顯示器上直接讀取帶有被測量量綱的數(shù)值所進行必要的變換。普通萬用表上電流、電壓刻度普通萬用表上電阻刻度第34頁，講稿共69頁，2023年5月2日，星期三第35頁，講稿共69頁，2023年5月2日，星期三硬件實現(xiàn)-模擬顯示

線性、非線性線性模擬儀表非線性模擬儀表測量通道不包含任何非線性環(huán)節(jié)包含非線性環(huán)節(jié)表頭指針偏轉角θ與被測量x的關系線性關系非線性關系表盤刻度線性均勻刻度非線性非均勻刻度標定方法兩點定標多點定標：加多個標準輸入量x1,x2,…,xn，在表頭指針偏轉θ1,θ2，…，θn所指度盤處各刻一刻線，并在刻線處依次標出x1,x2,…,xn的值。典型實例普通萬用表上電流、電壓刻度普通萬用表上電阻刻度第36頁，講稿共69頁，2023年5月2日，星期三硬件實現(xiàn)--模擬顯示

非線性校正電路若串接非線性校正電路的傳輸函數(shù)是被校正非線性環(huán)節(jié)傳輸函數(shù)的反函數(shù)，則刻度盤就可采用線性刻度。開方器實例――差壓式流量計的指針偏角與流量Q成非線性關系第37頁，講稿共69頁，2023年5月2日，星期三硬件實現(xiàn)--數(shù)字顯示

線性通道從A/D轉換結果Di得到被測量的數(shù)值Ni第38頁，講稿共69頁，2023年5月2日，星期三硬件實現(xiàn)--數(shù)字顯示

線性通道S—傳感器靈敏度(即被測量轉換成電壓的轉換系數(shù))；E—A/D轉換器滿量程輸入電壓；DFS—A/D轉換器滿量程輸出數(shù)字。實現(xiàn)標度變換的條件：

第39頁，講稿共69頁，2023年5月2日，星期三硬件實現(xiàn)--數(shù)字顯示

線性通道實現(xiàn)標度變換的方法調整放大增益；調整傳感器靈敏度(例如調整應變電橋的電源電壓)；調整A/D轉換器基準電壓E。第40頁，講稿共69頁，2023年5月2日，星期三為了采用硬件方法實現(xiàn)標度變換應將測量放大器增益調整為第41頁，講稿共69頁，2023年5月2日，星期三稱重傳感器的靈敏度為

MC14433的滿量程輸出數(shù)字滿量程輸入電壓E2=２V，要求A/D轉換器直接輸出公斤數(shù)即

第42頁，講稿共69頁，2023年5月2日，星期三硬件實現(xiàn)--數(shù)字顯示

非線性通道在A/D轉換器之前串接“模擬線性校正電路”該校正電路的輸入－輸出特性曲線與非線性環(huán)節(jié)的輸入－輸出特性曲線成反函數(shù)關系，就可使A/D轉換結果與被測量成線性關系。A/D轉換器之后增設EPROM線性化器首先通過校準實驗獲得每個標準輸入產(chǎn)生的A/D轉換數(shù)據(jù)，把標準輸入值Ni寫入以Di為地址的EPROM存貯單元中，這樣每當A/D轉換器產(chǎn)生一個數(shù)據(jù)Di時，就能以Di作為訪問地址從EPROM的該地址存貯單元中讀出與Di相對應的Ni值。第43頁，講稿共69頁，2023年5月2日，星期三硬件實現(xiàn)—效果分析用硬件實現(xiàn)標度變換的優(yōu)缺點優(yōu)點――實時性強缺點――增加硬件開銷結論：在一般的不要求進行適時控制的檢測系統(tǒng)中，只要時間允許，應盡可能采用軟件方法進行標度變換和非線性校正，這樣可大大節(jié)省硬件開銷，而且手段靈活，不同參量的標度變換只需調用不同的變換軟件或參數(shù)即可。第44頁，講稿共69頁，2023年5月2日，星期三軟件實現(xiàn)方法—線性通道線性通道的標度變換式中，NH，NL—線性測量范圍的上、下限；DH，DL—NH，NL對應的A/D轉換結果；Di—被測量Ni對應的A/D轉換結果。第45頁，講稿共69頁，2023年5月2日，星期三例4—4－2某微機化溫度測量儀表的量程為100～900℃，利用單片機803l和ADC0809進行A／D轉換。在某一時刻計算機采樣并經(jīng)過數(shù)字濾波后的數(shù)字量為０CDH，求此時對應的溫度值是多少?(設儀表的量程是線性的)第46頁，講稿共69頁，2023年5月2日，星期三軟件實現(xiàn)--非線性通道實例――差壓式流量測量通道A/D轉換結果Di將與被測流量Qi的平方成正比如果不增設開方器第47頁，講稿共69頁，2023年5月2日，星期三4.5非線性校正算法非線性校正算法――適用于A/D轉換結果與被測量不存在明確或簡單的函數(shù)關系本節(jié)約定：x表示由A/D送入微機的原始測量數(shù)據(jù)y表示被測量的“真值”z表示經(jīng)過“校正”處理后，微機輸出給顯示器或控制器的數(shù)據(jù)本節(jié)討論在y=f(x)公式復雜和y=f(x)只有離散數(shù)據(jù)兩種情況下，由A/D轉換結果x求取顯示數(shù)據(jù)z(要求z=y或誤差在允許范圍之內即z≈y)的方法第48頁，講稿共69頁，2023年5月2日，星期三離散數(shù)據(jù)的獲得標定實驗在規(guī)定的實驗條件下，給測試系統(tǒng)的輸入端逐次加入一個個已知的標準的被測量y1,y2…yn，并記下對應的輸出讀數(shù)(A/D轉換結果)x1,x2…xn。這樣就獲得n對輸入/輸出數(shù)據(jù)(xi,yi)，(i=1,2…n)這些“標定”數(shù)據(jù)就是y=f(x)的離散方式描述。第49頁，講稿共69頁，2023年5月2日，星期三4.5.1查表法通過熱電阻、熱電偶分度表，或通過標定實驗，獲得n對“標定”數(shù)據(jù)(xi,yi)，i=1,2…n)。優(yōu)點不需要進行計算；為標定數(shù)據(jù)，不存在誤差。缺點需要在整個測量范圍內標定實驗測得很多的測試數(shù)據(jù)；占用較多內存。如8位A／D轉換，有256個數(shù)據(jù)需占用一頁內存，12位A／D轉換則需4K內存。第50頁，講稿共69頁，2023年5月2日，星期三4.5.2插值法插值法從標定或校準實驗的n對測定數(shù)據(jù)(xi,yi)(i=1,2,…,n)中，求得一個函數(shù)作為實際的輸出讀數(shù)x與被測量真值y的函數(shù)關系的近似表達式。第51頁，講稿共69頁，2023年5月2日，星期三直線插值第52頁，講稿共69頁，2023年5月2日，星期三拋物線插值第53頁，講稿共69頁，2023年5月2日，星期三4.4.3擬合法要求z=φ(x)逼近y=f(x)，即二者誤差最小或在允許范圍之內。因此，曲線z=φ(x)被稱為擬合曲線。最小二乘法第54頁，講稿共69頁，2023年5月2日，星期三4.6數(shù)字濾波數(shù)字濾波通過一定的計算程序，對采集的數(shù)據(jù)進行某種處理，從而消除或減弱干擾噪聲的影響，提高測量的可靠性和精度。采用數(shù)字濾波克服干擾，具有如下優(yōu)點：1、節(jié)省硬件成本。2、可靠穩(wěn)定。3、功能強。4、方便靈活。5、不會丟失原始數(shù)據(jù)。第55頁，講稿共69頁，2023年5月2日，星期三一、限幅濾波基本方法：比較本次采樣值和上一次采樣值，如果它們的差值未超過允許的最大偏差值，則認為本次采樣值有效而保留。如果它們的差值超過允許的最大偏差值，則認為本次采樣值無效而用上一次采樣值替代?？朔S機干擾第56頁，講稿共69頁，2023年5月2日，星期三一、限幅濾波最大允許偏差值的選擇

采樣周期參數(shù)可能的最大變化速度過程的動態(tài)特性決定其輸出參數(shù)的變化速度第57頁，講稿共69頁，2023年5月2日，星期三中位值濾波基本方法：對某一被測參數(shù)連續(xù)采樣n次(一般n取奇數(shù))，然后把n次采樣值按大小排列，取中間值為本次采樣值。中位值濾波的基本功能能有效地克服偶然因素引起的波動或采樣器不穩(wěn)定引起的誤碼等脈沖干擾。對溫度、液位等緩慢變化的被測參數(shù)采用此法能收到良好的濾波效果，但對于流量、壓力等快速變化的參數(shù)一般不宜采用中位值濾波。第58頁，講稿共69頁，2023年5月2日，星期三4.6.2平均濾波一、算術平均濾波適用于對一般具有隨機干擾的信號進行濾波。第59頁，講稿共69頁，2023年5月2日，星期三4.6.2平均濾波二、去極值平均濾波連續(xù)采樣N次，去掉一個最大值，去掉一個最小值，再求余下N-2個采樣值的平均值。這種方法既能抑制隨機干擾，又能抑制明顯的脈沖干擾。第60頁，講稿共69頁，2023年5月2日，星期三4.6.2平均濾波三、移動平均濾波(遞推平均濾波)移動平均濾波的方法――每進行一次采樣，就計算一次最近N個數(shù)據(jù)的平均值大大加快了數(shù)據(jù)處理的能力取一丟一對周期性干擾有良好的抑制作用，對脈沖干擾抑制作用差第61頁，講稿共69頁，2023年5月2日，星期三4.6.2平均濾波四、加權平均濾波在算術平均濾波法和遞推平均濾波法中，N次采樣值在輸出結果中的權重是均等的，即1/N，用這樣的濾波算法，對于時變信號會引入滯后，N越大，滯后越嚴重。為了增加新采樣的數(shù)據(jù)在遞推平均中的權重，以提高系統(tǒng)對當前采樣值中所受干擾的靈敏度，可采用加權遞推平均濾波算法。不同時刻的數(shù)據(jù)加以不同的權，通常越接近現(xiàn)時刻的數(shù)據(jù)，權取得越大。第62頁，講稿共69頁，2023年5月2日，星期三提高系統(tǒng)對當前采樣值的靈敏度N項加權遞推平均濾波算法為Ci為常數(shù)，且滿足如下條件：第63頁，講稿共