傳感器數(shù)據(jù)采集技術(shù)

傳感器數(shù)據(jù)采集技術(shù)

2021/6/271自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖2021/6/2722本節(jié)重點(diǎn)1.數(shù)據(jù)采集裝置的組成2.數(shù)據(jù)采集裝置的結(jié)構(gòu)配置3.數(shù)據(jù)采集裝置的技術(shù)性能4.數(shù)據(jù)采集裝置的發(fā)展2021/6/2733一、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的組成典型的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(DAS)主要包括多路模擬開(kāi)關(guān)（MUX）、信號(hào)濾波與放大電路（IA）、采樣/保持電路（S/H）、模/數(shù)轉(zhuǎn)換電路A／D等。2021/6/2744一、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的功能功能：對(duì)多個(gè)被測(cè)參量進(jìn)行自動(dòng)連續(xù)掃描、集中監(jiān)視、數(shù)字顯示和打印制表等。在確定它的結(jié)構(gòu)時(shí)，必須綜合考慮的問(wèn)題有：1.參數(shù)變化的速率2.分辨率3.精度4.通道數(shù)2021/6/2755（1）共享測(cè)量放大器IA和A/D轉(zhuǎn)換器(包括SHA)的結(jié)構(gòu)配置二、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)配置2021/6/2766優(yōu)點(diǎn)：系統(tǒng)分辨率高，僅用一個(gè)ADC，因此投資少二、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)配置這種結(jié)構(gòu)形式適用于慢變化過(guò)程對(duì)象及傳感器輸出電壓較高的場(chǎng)合。2021/6/2777①當(dāng)傳感器的輸出電壓較小時(shí)，對(duì)多路模擬開(kāi)關(guān)的要求很高，甚至要求能接收微伏級(jí)的信號(hào)，一般的多路模擬開(kāi)關(guān)很難滿足要求。②A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換過(guò)程需要一定的時(shí)間，一般在幾十微秒到幾十毫秒。因此，當(dāng)通道數(shù)較多及輸入信號(hào)的變化較快時(shí)，即使用高速的A/D轉(zhuǎn)換器也難以勝任。③這種采集系統(tǒng)是分時(shí)采樣，每采樣一次就進(jìn)行一次A/D轉(zhuǎn)換，送入內(nèi)存后才對(duì)下一個(gè)采樣點(diǎn)進(jìn)行采樣。因此每個(gè)采樣點(diǎn)之間存在一個(gè)時(shí)差，這就使得各通道采樣值在時(shí)軸上產(chǎn)生扭斜現(xiàn)象，輸入通道的數(shù)目越多，這種扭斜現(xiàn)象越嚴(yán)重。二、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)配置缺點(diǎn)：2021/6/2788二、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)配置（2）每個(gè)通道一個(gè)IA，共享A/D轉(zhuǎn)換器的結(jié)構(gòu)配置優(yōu)點(diǎn)：僅用一個(gè)ADC，因此投資較少，多路模擬開(kāi)關(guān)處理高電平信號(hào)，MUX可能引入的誤差減小。2021/6/2799這種方案能夠很好地滿足同時(shí)檢測(cè)多個(gè)模擬信號(hào)的要求，適用于高速的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，但成本較高。二、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)配置（3）每個(gè)通道一個(gè)IA和一個(gè)A/D轉(zhuǎn)換器的結(jié)構(gòu)配置（同時(shí)采集系統(tǒng)）2021/6/271010缺點(diǎn)：各輸入信號(hào)均以一個(gè)公共點(diǎn)為參考，并通過(guò)導(dǎo)線將這個(gè)公共點(diǎn)與放大器、ADC的參考點(diǎn)聯(lián)接起來(lái)。由于這兩個(gè)參考點(diǎn)可能不處于同一電位，因而會(huì)出現(xiàn)電位差UCM，形成干擾信號(hào)。二、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)配置以上三種方案的多路轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)均為單端形式2021/6/271111（4）差動(dòng)結(jié)構(gòu)配置二、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)配置運(yùn)放IA接成差動(dòng)輸入、單端輸出，多路模擬開(kāi)關(guān)采用雙通道輸出結(jié)構(gòu)，信號(hào)源的參考點(diǎn)（即接地點(diǎn)）和IA、A/D的參考點(diǎn)不需要用導(dǎo)線連接，具有較強(qiáng)的抑制共模干擾能力。2021/6/271212（5）模擬量隔離的結(jié)構(gòu)配置二、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)配置2021/6/271313

采用電壓頻率轉(zhuǎn)換器（VFC）和頻率電壓轉(zhuǎn)換器（FVC）構(gòu)成的隔離式數(shù)據(jù)采集裝置，它將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)變成開(kāi)關(guān)量信號(hào)以實(shí)現(xiàn)光電隔離和遠(yuǎn)距離傳遞。特點(diǎn)：隔離性能好、抗干擾能力強(qiáng)、精度高、容易實(shí)現(xiàn)的特點(diǎn)。廣泛使用在溫度、壓力和流量等方面的檢測(cè)。二、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)配置2021/6/271414三、數(shù)據(jù)采集裝置的技術(shù)性能技術(shù)指標(biāo)：1.通道數(shù)目2.分辨率3.精度4.采樣速度2021/6/271515三、數(shù)據(jù)采集裝置的技術(shù)性能技術(shù)指標(biāo)：A/D轉(zhuǎn)換器的分辨率及精度選擇例題1：某測(cè)溫?zé)犭娕?，在?，450℃）的溫度范圍內(nèi)，輸出電壓為0—25mv。目前手上有8位和12位的ADC。要求所設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)采集裝置需要有1℃的分辨率，求兩個(gè)ADC能不能滿足測(cè)試要求要求所設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)采集裝置測(cè)量精度達(dá)到100uV，求兩個(gè)ADC能不能滿足測(cè)試要求2021/6/271616三、數(shù)據(jù)采集裝置的技術(shù)性能技術(shù)指標(biāo)：A/D轉(zhuǎn)換器的采樣速度選擇例題2：某16路模擬輸入信號(hào)，每個(gè)輸入信號(hào)要求采樣頻率為1000次/s，那么選擇的A/D轉(zhuǎn)換器的采樣時(shí)間必須小于多少。2021/6/271717四、數(shù)據(jù)采集裝置的發(fā)展發(fā)展趨勢(shì)：1.集成化（模塊化）2.體積小3.成本低4.應(yīng)用方便2021/6/271818智能儀表的組成及功能2021/6/2719本節(jié)重點(diǎn)1.智能儀表的特點(diǎn)2.智能儀表的數(shù)字濾波技術(shù)3.智能儀表的標(biāo)度變換4.智能儀表的非線性補(bǔ)償技術(shù)2021/6/272020一、智能儀表的特點(diǎn)1.微處理器化2.采用總線結(jié)構(gòu)和標(biāo)準(zhǔn)化接口3.廣泛使用鍵盤(pán)、CRT顯示等技術(shù)，使檢測(cè)結(jié)果可視化，而且操作方便4.智能儀表在結(jié)構(gòu)上模塊化發(fā)展2021/6/272121二、智能儀表的數(shù)字濾波技術(shù)數(shù)字濾波的優(yōu)點(diǎn)：1.不需增加硬件，只需在軟件中加入數(shù)字濾波程序2.多個(gè)輸入通道共用一個(gè)濾波器，經(jīng)濟(jì)性好。3.不依賴硬件，可靠性高，不存在阻抗匹配問(wèn)題4.使用靈活，只要改變?yōu)V波程序段或參數(shù)，就可以實(shí)現(xiàn)不同的濾波效果2021/6/272222二、智能儀表的數(shù)字濾波技術(shù)常用的數(shù)字濾波方法：1.算術(shù)平均值法2.加權(quán)平均值法3.中位值法4.一階慣性濾波法5.抑制脈沖算術(shù)平均法2021/6/272323二、智能儀表的數(shù)字濾波技術(shù)算術(shù)平均值法對(duì)同一采樣點(diǎn)連續(xù)采樣N次，取其平均值作為測(cè)量值式中Y——N次測(cè)量的平均值

Xi——第i次測(cè)量值

N——測(cè)量次數(shù)對(duì)周期性波動(dòng)信號(hào)有良好的平滑作用。優(yōu)點(diǎn)是程序簡(jiǎn)單，計(jì)算速度快。2021/6/272424二、智能儀表的數(shù)字濾波技術(shù)加權(quán)平均值法對(duì)同一采樣點(diǎn)連續(xù)采樣N次，取其加權(quán)平均值作為測(cè)量值式中ai——第i次測(cè)量值的加權(quán)系數(shù)適用于系統(tǒng)純滯后較大的受控對(duì)象。權(quán)系數(shù)需要在現(xiàn)場(chǎng)反復(fù)調(diào)整，花費(fèi)時(shí)間長(zhǎng)。所以這種方法在實(shí)際使用中不太常用。2021/6/272525二、智能儀表的數(shù)字濾波技術(shù)中位值法對(duì)同一采樣點(diǎn)連續(xù)采樣3次，以其中間值作為本次采樣時(shí)刻的測(cè)量值式中ai——第i次測(cè)量值的加權(quán)系數(shù)中位值法能夠有效的濾除脈沖干擾。但它不適用于快速變化的過(guò)程變量。2021/6/272626二、智能儀表的數(shù)字濾波技術(shù)一階慣性濾波法（數(shù)字低通濾波器）式中T——采樣周期

T1——模擬低通濾波器時(shí)間常數(shù)

X(i)——第i次測(cè)量值

Y(i)和Y(i-1)分別為第i次和第i-1次數(shù)字濾波器的輸出值有效的減少周期性干擾，對(duì)隨機(jī)干擾抑制能力較差。2021/6/272727二、智能儀表的數(shù)字濾波技術(shù)抑制脈沖算術(shù)平均法算術(shù)平均值法和中位值法結(jié)合起來(lái)，稱為抑制脈沖算術(shù)平均法，它綜合了二者的優(yōu)勢(shì)。2021/6/272828三、智能儀表的標(biāo)度變換ADC的輸出量為00H-FFH之間的數(shù)據(jù)量，為了顯示，記錄等功能，必須將其轉(zhuǎn)化為與被測(cè)參數(shù)相對(duì)應(yīng)的參量，這就是標(biāo)度變換，又稱為工程量變換。變換的前提條件是測(cè)量值與工程量值的關(guān)系為線性。2021/6/272929三、智能儀表的標(biāo)度變換標(biāo)度變換原理式中Ym——傳感器輸出上限

Y0——傳感器輸出下限Yx——傳感器輸出實(shí)際值Nm——ADC上限對(duì)應(yīng)的數(shù)字量

N0——ADC下限對(duì)應(yīng)的數(shù)字量

Nx——ADC實(shí)際值對(duì)應(yīng)的數(shù)字量為了測(cè)量方便，通常將被測(cè)參數(shù)的下限Y0所對(duì)應(yīng)的A/D轉(zhuǎn)換值定為零，即N0=0，因此上式可以改寫(xiě)為2021/6/273030三、智能儀表的標(biāo)度變換標(biāo)度變換原理某熱處理爐溫度測(cè)量?jī)x表的量程為200～800℃，設(shè)該儀表的量程是線性的，在某一時(shí)刻計(jì)算機(jī)經(jīng)8位A/D轉(zhuǎn)換、