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 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0 25mv 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 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