传感器数据采集技术.ppt

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AD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。,8, 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。 A/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。 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025mv。目前手上有8位和12位的ADC。 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 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 YN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。,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。,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。,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。,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,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 NmADC上限对应的数字量 N0ADC下限对应的数字量 NxADC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200800， 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