传感器数据采集技术

传感器数据采集技术2自动检测系统结构框图3本节重点1.数据采集装置的组成2.数据采集装置的结构配置3.数据采集装置的技术性能4.数据采集装置的发展4一、数据采集系统的组成典型的数据采集系统(DAS)主要包括多路模拟开关（MUX）、信号滤波与放大电路（IA）、采样/保持电路（S/H）、模/数转换电路A／D等。5一、数据采集系统的功能功能：对多个被测参量进行自动连续扫描、集中监视、数字显示和打印制表等。在确定它的结构时，必须综合考虑的问题有：1.参数变化的速率2.分辨率3.精度4.通道数6（1）共享测量放大器IA和A/D转换器(包括SHA)的结构配置二、数据采集系统的结构配置7优点：系统分辨率高，仅用一个ADC，因此投资少二、数据采集系统的结构配置这种结构形式适用于慢变化过程对象及传感器输出电压较高的场合。8①当传感器的输出电压较小时，对多路模拟开关的要求很高，甚至要求能接收微伏级的信号，一般的多路模拟开关很难满足要求。②A/D转换器的转换过程需要一定的时间，一般在几十微秒到几十毫秒。因此，当通道数较多及输入信号的变化较快时，即使用高速的A/D转换器也难以胜任。③这种采集系统是分时采样，每采样一次就进行一次A/D转换，送入内存后才对下一个采样点进行采样。因此每个采样点之间存在一个时差，这就使得各通道采样值在时轴上产生扭斜现象，输入通道的数目越多，这种扭斜现象越严重。二、数据采集系统的结构配置缺点：9二、数据采集系统的结构配置（2）每个通道一个IA，共享A/D转换器的结构配置优点：仅用一个ADC，因此投资较少，多路模拟开关处理高电平信号，MUX可能引入的误差减小。10这种方案能够很好地满足同时检测多个模拟信号的要求，适用于高速的数据采集系统，但成本较高。二、数据采集系统的结构配置（3）每个通道一个IA和一个A/D转换器的结构配置（同时采集系统）11缺点：各输入信号均以一个公共点为参考，并通过导线将这个公共点与放大器、ADC的参考点联接起来。由于这两个参考点可能不处于同一电位，因而会出现电位差UCM，形成干扰信号。二、数据采集系统的结构配置以上三种方案的多路转换结构均为单端形式12（4）差动结构配置二、数据采集系统的结构配置运放IA接成差动输入、单端输出，多路模拟开关采用双通道输出结构，信号源的参考点（即接地点）和IA、A/D的参考点不需要用导线连接，具有较强的抑制共模干扰能力。13（5）模拟量隔离的结构配置二、数据采集系统的结构配置14采用电压频率转换器（VFC）和频率电压转换器（FVC）构成的隔离式数据采集装置，它将模拟信号转变成开关量信号以实现光电隔离和远距离传递。特点：隔离性能好、抗干扰能力强、精度高、容易实现的特点。广泛使用在温度、压力和流量等方面的检测。二、数据采集系统的结构配置15三、数据采集装置的技术性能技术指标：1.通道数目2.分辨率3.精度4.采样速度16三、数据采集装置的技术性能技术指标：A/D转换器的分辨率及精度选择例题1：某测温热电偶，在（0，450℃）的温度范围内，输出电压为0—25mv。目前手上有8位和12位的ADC。1.要求所设计的数据采集装置需要有1℃的分辨率，求两个ADC能不能满足测试要求2.要求所设计的数据采集装置测量精度达到100uV，求两个ADC能不能满足测试要求17三、数据采集装置的技术性能技术指标：A/D转换器的采样速度选择例题2：某16路模拟输入信号，每个输入信号要求采样频率为1000次/s，那么选择的A/D转换器的采样时间必须小于多少。18四、数据采集装置的发展发展趋势：1.集成化（模块化）2.体积小3.成本低4.应用方便智能仪表的组成及功能20本节重点1.智能仪表的特点2.智能仪表的数字滤波技术3.智能仪表的标度变换4.智能仪表的非线性补偿技术21一、智能仪表的特点1.微处理器化2.采用总线结构和标准化接口3.广泛使用键盘、CRT显示等技术，使检测结果可视化，而且操作方便4.智能仪表在结构上模块化发展22二、智能仪表的数字滤波技术数字滤波的优点：1.不需增加硬件，只需在软件中加入数字滤波程序2.多个输入通道共用一个滤波器，经济性好。3.不依赖硬件，可靠性高，不存在阻抗匹配问题4.使用灵活，只要改变滤波程序段或参数，就可以实现不同的滤波效果23二、智能仪表的数字滤波技术常用的数字滤波方法：1.算术平均值法2.加权平均值法3.中位值法4.一阶惯性滤波法5.抑制脉冲算术平均法24二、智能仪表的数字滤波技术算术平均值法对同一采样点连续采样N次，取其平均值作为测量值式中Y——N次测量的平均值Xi——第i次测量值N——测量次数对周期性波动信号有良好的平滑作用。优点是程序简单，计算速度快。11NiiYXN25二、智能仪表的数字滤波技术加权平均值法对同一采样点连续采样N次，取其加权平均值作为测量值式中ai——第i次测量值的加权系数适用于系统纯滞后较大的受控对象。权系数需要在现场反复调整，花费时间长。所以这种方法在实际使用中不太常用。111(01,1)NNiiiiiiYaXaaN26二、智能仪表的数字滤波技术中位值法对同一采样点连续采样3次，以其中间值作为本次采样时刻的测量值式中ai——第i次测量值的加权系数中位值法能够有效的滤除脉冲干扰。但它不适用于快速变化的过程变量。1232XXXYX若则取27二、智能仪表的数字滤波技术一阶惯性滤波法（数字低通滤波器）式中T——采样周期T1——模拟低通滤波器时间常数X(i)——第i次测量值Y(i)和Y(i-1)分别为第i次和第i-1次数字滤波器的输出值有效的减少周期性干扰，对随机干扰抑制能力较差。1()(1)(1)()TTTYiYiXi28二、智能仪表的数字滤波技术抑制脉冲算术平均法算术平均值法和中位值法结合起来，称为抑制脉冲算术平均法，它综合了二者的优势。29三、智能仪表的标度变换ADC的输出量为00H-FFH之间的数据量，为了显示，记录等功能，必须将其转化为与被测参数相对应的参量，这就是标度变换，又称为工程量变换。变换的前提条件是测量值与工程量值的关系为线性。30三、智能仪表的标度变换标度变换原理00mxxmYYYYNN0000mxmxYYYYNNNN式中Ym——传感器输出上限Y0——传感器输出下限Yx——传感器输出实际值Nm——ADC上限对应的数字量N0——ADC下限对应的数字量Nx——ADC实际值对应的数字量为了测量方便，通常将被测参数的下限Y0所对应的A/D转换值定为零，即N0=0，因此上式可以改写为31三、智能仪表的标度变换标度变换原理某热处理炉温度测量仪表的量程为200～800℃，设该仪表的量程是线性的，在某一时刻计算机经8位A/D转换、数字滤波后得到的数字量为CDH，求此时炉温是多少？32四、智能仪表的非线性补偿技术智能仪表非线性产生原因：1.许多传感器的转换原理为非线性2.所采用的测量电路为非线性解决办法：1.缩小测量范围，即选取非线性特性中的一段。2.指示仪表为非线性刻度3.增加非线性补偿环节，即线性化器件