傳感器數(shù)據(jù)采集技術

傳感器數(shù)據(jù)采集技術

2021/6/271自動檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖2021/6/2722本節(jié)重點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關（MUX）、信號濾波與放大電路（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：對多個被測參量進行自動連續(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，必須綜合考慮的問題有：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：系統(tǒng)分辨率高，僅用一個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程對象及傳感器輸出電壓較高的場合。2021/6/2777①當傳感器的輸出電壓較小時，對多路模擬開關的要求很高，甚至要求能接收微伏級的信號，一般的多路模擬開關很難滿足要求。②A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換過程需要一定的時間，一般在幾十微秒到幾十毫秒。因此，當通道數(shù)較多及輸入信號的變化較快時，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)是分時采樣，每采樣一次就進行一次A/D轉(zhuǎn)換，送入內(nèi)存后才對下一個采樣點進行采樣。因此每個采樣點之間存在一個時差，這就使得各通道采樣值在時軸上產(chǎn)生扭斜現(xiàn)象，輸入通道的數(shù)目越多，這種扭斜現(xiàn)象越嚴重。二、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)配置缺點：2021/6/2788二、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)配置（2）每個通道一個IA，共享A/D轉(zhuǎn)換器的結(jié)構(gòu)配置優(yōu)點：僅用一個ADC，因此投資較少，多路模擬開關處理高電平信號，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檢測多個模擬信號的要求，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）每個通道一個IA和一個A/D轉(zhuǎn)換器的結(jié)構(gòu)配置（同時采集系統(tǒng)）2021/6/271010缺點：各輸入信號均以一個公共點為參考，并通過導線將這個公共點與放大器、ADC的參考點聯(lián)接起來。由于這兩個參考點可能不處于同一電位，因而會出現(xiàn)電位差UCM，形成干擾信號。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）差動結(jié)構(gòu)配置二、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)配置運放IA接成差動輸入、單端輸出，多路模擬開關采用雙通道輸出結(jié)構(gòu)，信號源的參考點（即接地點）和IA、A/D的參考點不需要用導線連接，具有較強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，它將模擬信號轉(zhuǎn)變成開關量信號以實現(xiàn)光電隔離和遠距離傳遞。特點：隔離性能好、抗干擾能力強、精度高、容易實現(xiàn)的特點。廣泛使用在溫度、壓力和流量等方面的檢測。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)采集裝置的技術性能技術指標：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)采集裝置的技術性能技術指標：A/D轉(zhuǎn)換器的分辨率及精度選擇例題1：某測溫熱電偶，在（0，450℃）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。要求所設計的數(shù)據(jù)采集裝置需要有1℃的分辨率，求兩個ADC能不能滿足測試要求要求所設計的數(shù)據(jù)采集裝置測量精度達到100uV，求兩個ADC能不能滿足測試要求2021/6/271616三、數(shù)據(jù)采集裝置的技術性能技術指標：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，每個輸入信號要求采樣頻率為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：1.集成化（模塊化）2.體積小3.成本低4.應用方便2021/6/271818智能儀表的組成及功能2021/6/2719本節(jié)重點1.智能儀表的特點2.智能儀表的數(shù)字濾波技術3.智能儀表的標度變換4.智能儀表的非線性補償技術2021/6/272020一、智能儀表的特點1.微處理器化2.采用總線結(jié)構(gòu)和標準化接口3.廣泛使用鍵盤、CRT顯示等技術，使檢測結(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)字濾波技術數(shù)字濾波的優(yōu)點：1.不需增加硬件，只需在軟件中加入數(shù)字濾波程序2.多個輸入通道共用一個濾波器，經(jīng)濟性好。3.不依賴硬件，可靠性高，不存在阻抗匹配問題4.使用靈活，只要改變?yōu)V波程序段或參數(shù)，就可以實現(xiàn)不同的濾波效果2021/6/272222二、智能儀表的數(shù)字濾波技術常用的數(shù)字濾波方法：1.算術平均值法2.加權平均值法3.中位值法4.一階慣性濾波法5.抑制脈沖算術平均法2021/6/272323二、智能儀表的數(shù)字濾波技術算術平均值法對同一采樣點連續(xù)采樣N次，取其平均值作為測量值式中Y——N次測量的平均值

Xi——第i次測量值

N——測量次數(shù)對周期性波動信號有良好的平滑作用。優(yōu)點是程序簡單，計算速度快。2021/6/272424二、智能儀表的數(shù)字濾波技術加權平均值法對同一采樣點連續(xù)采樣N次，取其加權平均值作為測量值式中ai——第i次測量值的加權系數(shù)適用于系統(tǒng)純滯后較大的受控對象。權系數(shù)需要在現(xiàn)場反復調(diào)整，花費時間長。所以這種方法在實際使用中不太常用。2021/6/272525二、智能儀表的數(shù)字濾波技術中位值法對同一采樣點連續(xù)采樣3次，以其中間值作為本次采樣時刻的測量值式中ai——第i次測量值的加權系數(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程變量。2021/6/272626二、智能儀表的數(shù)字濾波技術一階慣性濾波法（數(shù)字低通濾波器）式中T——采樣周期

T1——模擬低通濾波器時間常數(shù)

X(i)——第i次測量值

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，對隨機干擾抑制能力較差。2021/6/272727二、智能儀表的數(shù)字濾波技術抑制脈沖算術平均法算術平均值法和中位值法結(jié)合起來，稱為抑制脈沖算術平均法，它綜合了二者的優(yōu)勢。2021/6/272828三、智能儀表的標度變換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)化為與被測參數(shù)相對應的參量，這就是標度變換，又稱為工程量變換。變換的前提條件是測量值與工程量值的關系為線性。2021/6/272929三、智能儀表的標度變換標度變換原理式中Ym——傳感器輸出上限

Y0——傳感器輸出下限Yx——傳感器輸出實際值Nm——ADC上限對應的數(shù)字量

N0——ADC下限對應的數(shù)字量

Nx——ADC實際值對應的數(shù)字量為了測量方便，通常將被測參數(shù)的下限Y0所對應的A/D轉(zhuǎn)換值定為零，即N0=0，因此上式可以改寫為2021/6/273030三、智能儀表的標度變換標度變換原理某熱處理爐溫度測量儀表的量程為200～800℃，設該儀表的量程是線性的，在某一時刻計算機經(jīng)8位A/D轉(zhuǎn)換、