测技术基础-2-my

1、1u一个完整的检测过程一般包括信息的提一个完整的检测过程一般包括信息的提取、信号的转换存储与传输、信号的显示取、信号的转换存储与传输、信号的显示记录和信号的分析处理。检测技术是涉及记录和信号的分析处理。检测技术是涉及检测方法、检测系统结构以及检测信号处检测方法、检测系统结构以及检测信号处理的一门综理的一门综合性技术。合性技术。被测量传感器测量电路电源指示仪记录仪数据处理仪器22.1. 测量定义测量定义 测量是指人们用实验的方法，借助于一定测量是指人们用实验的方法，借助于一定的仪器或设备，将被测量与同性质的单位标准的仪器或设备，将被测量与同性质的单位标准量进行比较，并确定被测量对标准量的倍数，量

2、进行比较，并确定被测量对标准量的倍数，从而获得关于被测量的定量信息。从而获得关于被测量的定量信息。2 检测系统误差分析检测系统误差分析图11 测量的比较原理(a) 天平直接比较（b）弹簧称间接比较32.2 2.2 误差的概念误差的概念在检测过程中，由于检测系统的精确度有限、测在检测过程中，由于检测系统的精确度有限、测量方法不完善、环境中存在各种干扰因素，以及检测量方法不完善、环境中存在各种干扰因素，以及检测技术水平的限制等原因，必然使测量值和真实值之间技术水平的限制等原因，必然使测量值和真实值之间存在着一定的差值，存在着一定的差值，这个差值称为测量误差。这个差值称为测量误差。u测量误差的主要来

3、源可以概括为工具误差、环境误测量误差的主要来源可以概括为工具误差、环境误差、方法误差和人员误差等；差、方法误差和人员误差等；u测量误差的表示方法有多种，含义各异。测量误差的表示方法有多种，含义各异。 42.3 2.3 测量误差的表示方法测量误差的表示方法 测量误差有绝对误差和相对误差两种表示方法。测量误差有绝对误差和相对误差两种表示方法。v1.1.绝对误差绝对误差v（1 1）定义）定义：由测量所得到的被测量值与其真值之差，：由测量所得到的被测量值与其真值之差，称为绝对误差称为绝对误差 0AxxxxAx5v2.2.相对误差相对误差一个量的准确程度，不仅与它的绝对误差的大小，一个量的准确程度，不仅

4、与它的绝对误差的大小，而且与这个量本身的大小有关。而且与这个量本身的大小有关。v例：测量足球场的长度和广州到珠海的距离，若绝例：测量足球场的长度和广州到珠海的距离，若绝对误差都为对误差都为1 1米，测量的准确程度是否相同？米，测量的准确程度是否相同？v相对误差：绝对误差与被测量的真值之比相对误差：绝对误差与被测量的真值之比相对误差是两个有相同量纲的量的比值，只有大小相对误差是两个有相同量纲的量的比值，只有大小和符号，没有单位。和符号，没有单位。0100%xA 6v3. 3. 满度相对误差（引用相对误差）满度相对误差（引用相对误差）用测量仪器在一个量程范围内出现的最大绝对误用测量仪器在一个量程范

5、围内出现的最大绝对误差与该量程值（上限值下限值）之比来表示的差与该量程值（上限值下限值）之比来表示的相对误差，称为满度相对误差（或引用相对误差）相对误差，称为满度相对误差（或引用相对误差）100%mmmxx 0 0mx|mx |mx A AxAmAmx A mmmxx7v电工仪表就是按引用误差电工仪表就是按引用误差 之值进行分级的。是之值进行分级的。是仪表在工作条件下不应超过的最大引用相对误差仪表在工作条件下不应超过的最大引用相对误差v我国电工仪表共分七级：我国电工仪表共分七级：0.10.1，0.20.2，0.50.5，1.01.0，1.51.5，2.52.5及及5.05.0。如果仪表为。如果

6、仪表为S S级，则说明该仪表级，则说明该仪表的最大引用误差不超过的最大引用误差不超过S% S% v测量点的最大相对误差测量点的最大相对误差v在使用这类仪表测量时，应选择适当的量程，使在使用这类仪表测量时，应选择适当的量程，使示值尽可能接近于满度值，指针最好能偏转在示值尽可能接近于满度值，指针最好能偏转在不不小于满度值小于满度值2/32/3以上的区域。以上的区域。 m %mxxSx82.4 2.4 误差的分类和结果的表征误差的分类和结果的表征2.4.1 2.4.1 误差的分类误差的分类根据测量误差的性质，测量误差可分为随机误差、系统根据测量误差的性质，测量误差可分为随机误差、系统误差、粗大误差三

7、类。误差、粗大误差三类。v1.1.随机误差随机误差定义定义: : 在同一测量条件下（指在测量环境、测量人员、在同一测量条件下（指在测量环境、测量人员、测量技术和测量仪器都相同的条件下），多次重复测量测量技术和测量仪器都相同的条件下），多次重复测量同一量值时（等精度测量），每次测量误差的绝对值和同一量值时（等精度测量），每次测量误差的绝对值和符号都以不可预知的方式变化的误差，称为随机误差或符号都以不可预知的方式变化的误差，称为随机误差或偶然误差。偶然误差。9v2.2.系统误差系统误差定义：在同一测量条件下，多次测量重复同一量时，定义：在同一测量条件下，多次测量重复同一量时，测测量误差的绝对值和符

8、号都保持不变量误差的绝对值和符号都保持不变，或，或在测量条件改变在测量条件改变时按一定规律变化时按一定规律变化的误差，称为系统误差。例如仪器的的误差，称为系统误差。例如仪器的刻度误差和零位误差，或值随温度变化的误差。刻度误差和零位误差，或值随温度变化的误差。产生的主要原因是仪器的制造、安装或使用方法不正确，产生的主要原因是仪器的制造、安装或使用方法不正确，环境因素（温度、湿度、电源等）影响，测量原理中使环境因素（温度、湿度、电源等）影响，测量原理中使用近似计算公式，用近似计算公式，测量人员不良的读数习惯测量人员不良的读数习惯等。等。10系统误差表明了一个测量结果偏离真值或实际值的程度。系统误差

9、表明了一个测量结果偏离真值或实际值的程度。系差越小，测量就越准确。系差越小，测量就越准确。系统误差的定量定义是：在重复性条件下，对同一被测系统误差的定量定义是：在重复性条件下，对同一被测量进行无限多次测量所得结果的平均值与被测量的真值量进行无限多次测量所得结果的平均值与被测量的真值之差。即之差。即0 xA11v3.3.粗大误差：粗大误差： 粗大误差是一种显然与实际值不符的误差。粗大误差是一种显然与实际值不符的误差。产生粗差的原因有：产生粗差的原因有：测量操作疏忽和失误测量操作疏忽和失误 如测错、读错、记错以及实验如测错、读错、记错以及实验条件未达到预定的要求而匆忙实验等。条件未达到预定的要求而

10、匆忙实验等。测量方法不当或错误测量方法不当或错误 如用普通万用表电压档直接测如用普通万用表电压档直接测高内阻电源的开路电压高内阻电源的开路电压测量环境条件的突然变化测量环境条件的突然变化 如电源电压突然增高或降如电源电压突然增高或降低，雷电干扰、机械冲击等引起测量仪器示值的剧烈变低，雷电干扰、机械冲击等引起测量仪器示值的剧烈变化等。化等。v含有粗差的测量值称为坏值或异常值，含有粗差的测量值称为坏值或异常值， 在数据处理时，应剔除掉。在数据处理时，应剔除掉。 122.4.2 2.4.2 结果的表征结果的表征v准确度准确度表示系统误差的大小表示系统误差的大小。系统误差越小，则准确度越。系统误差越小

11、，则准确度越高，即测量值与实际值符合的程度越高。高，即测量值与实际值符合的程度越高。v精密度精密度表示随机误差的影响表示随机误差的影响。精密度越高，表示随机误差。精密度越高，表示随机误差越小。随机因素使测量值呈现分散而不确定，但总是分布越小。随机因素使测量值呈现分散而不确定，但总是分布在平均值附近。在平均值附近。v精确度精确度用来反映系统误差和随机误差的综合影响用来反映系统误差和随机误差的综合影响。精确度。精确度越高，表示正确度和精密度都高，意味着系统误差和随机越高，表示正确度和精密度都高，意味着系统误差和随机误差都小。误差都小。射击误差射击误差示意图示意图 13v测量值|xA 是粗大误差是粗

12、大误差4x14v2.5 2.5 随机误差的统计特性及减少方法随机误差的统计特性及减少方法在测量中，在测量中，随机误差是不可避免的随机误差是不可避免的。随机误差是由大量微小的没有确定规律的因素随机误差是由大量微小的没有确定规律的因素引起的，比如外界条件（温度、湿度、气压、引起的，比如外界条件（温度、湿度、气压、电源电压等）的微小波动，电磁场的干扰，大电源电压等）的微小波动，电磁场的干扰，大地轻微振动等。地轻微振动等。多次测量，测量值和随机误差多次测量，测量值和随机误差服从概率统计规服从概率统计规律律。可用可用数理统计数理统计的方法，处理测量数据，从而的方法，处理测量数据，从而减减少随机误差少随机

13、误差对测量结果的影响对测量结果的影响。15正态分布时概率密度曲线正态分布时概率密度曲线 随机误差和测量数据的分布形状相同，因为它们的标准偏随机误差和测量数据的分布形状相同，因为它们的标准偏差相同，只是横坐标相差差相同，只是横坐标相差 ( (a a) )随随 机机 误误 差差( (b b) ) 测测 量量 数数 据据0 )( p x xp p( (x x) )0 0图图 3 3 1 1 随随 机机 误误 差差 和和 测测 量量 数数 据据 的的 正正 态态 分分 布布 曲曲 线线随机误差具有：随机误差具有：对称性对称性 单峰性单峰性 有界性有界性 抵偿性抵偿性 16算术平均值算术平均值：（3）有

14、限次测量数据的标准偏差的估计值）有限次测量数据的标准偏差的估计值残差：残差：实验标准偏差实验标准偏差（标准偏差的估计值），贝塞尔公式：标准偏差的估计值），贝塞尔公式：算术平均值标准偏差的估计值算术平均值标准偏差的估计值 ：xxii niiniixxnnxs1212)(1111)( nxsxs)()( niixnx11173. 测量结果的置信问题测量结果的置信问题（1 1）置信概率与置信区间：）置信概率与置信区间： 置信区间置信区间 内包含真值的概率称为置信概率。内包含真值的概率称为置信概率。 置信限：置信限： k k置信系数（或置信因子）置信系数（或置信因子） k kxEx )(置信概率是图中

15、置信概率是图中阴影部分面积阴影部分面积18（2 2）正态分布的置信概率）正态分布的置信概率v当分布和当分布和k k值确定之后，则置信概率可定值确定之后，则置信概率可定 v正态分布正态分布,当当k=3时时置信因子k置信概率Pc10.68320.95530.997 kkdpkPkxExP)()(997. 0)2exp(21)()3(223333 ddpP区间越宽，区间越宽，置信概率越大置信概率越大194.1. 4.1. 系统误差的特征：系统误差的特征： c a 0 t 图3 7 多 种 系 统 误 差 的 特 征 其 中 ： a -不 变 系 差 b -线 性 变 化 系 差 c -周 期 性 系

16、 差 d -复 杂 规 律 变 化 系 差 d b 在同一条件下，多次测量同一量值时，误差的绝对值和符在同一条件下，多次测量同一量值时，误差的绝对值和符号保持不变，或者在条件改变时，误差按一定的规律变化。号保持不变，或者在条件改变时，误差按一定的规律变化。 多次测量求平均不能减少系差。多次测量求平均不能减少系差。 204.3. 系统误差的削弱或消除方法系统误差的削弱或消除方法 （1 1）从产生系统误差根源上采取措施减小系统误差）从产生系统误差根源上采取措施减小系统误差 要从测量原理和测量方法尽力做到正确、严格。要从测量原理和测量方法尽力做到正确、严格。 测量仪器定期检定和校准，正确使用仪器。测

17、量仪器定期检定和校准，正确使用仪器。 注意周围环境对测量的影响，特别是温度对电子测量的注意周围环境对测量的影响，特别是温度对电子测量的影响较大。影响较大。 尽量减少或消除测量人员主观原因造成的系统误差。尽量减少或消除测量人员主观原因造成的系统误差。应提高测量人员业务技术水平和工作责任心，改进设备。应提高测量人员业务技术水平和工作责任心，改进设备。（2 2）用修正方法减少系统误差）用修正方法减少系统误差修正值误差修正值误差= =（测量值真值）（测量值真值） 实际值测量值修正值实际值测量值修正值21（3 3）采用一些专门的测量方法）采用一些专门的测量方法v 替代法替代法v 交换法交换法 v 对称测

18、量法对称测量法 v 减小周期性系统误差的半周期法减小周期性系统误差的半周期法 系统误差可忽略不计的准则系统误差可忽略不计的准则是：是：系统误差或残余系统误差代数和的绝对值不系统误差或残余系统误差代数和的绝对值不超过测量结果扩展不确定度的最后一位有效数超过测量结果扩展不确定度的最后一位有效数字的一半。字的一半。225. 5. 粗大误差及其判断准则粗大误差及其判断准则 v大误差出现的概率很小，列出可疑数据，分析是否是粗大误差出现的概率很小，列出可疑数据，分析是否是粗大误差，若是，则应将对应的测量值大误差，若是，则应将对应的测量值剔除剔除。v1. 粗大误差产生原因以及防止与消除的方法粗大误差产生原因

19、以及防止与消除的方法 粗大误差的产生原因粗大误差的产生原因 v 测量人员的主观原因测量人员的主观原因：操作失误或错误记录；：操作失误或错误记录；v 客观外界条件的原因客观外界条件的原因：测量条件意外改变、受：测量条件意外改变、受较大的电磁干扰，或测量仪器偶然失效等。较大的电磁干扰，或测量仪器偶然失效等。防止和消除粗大误差的方法防止和消除粗大误差的方法v重要的是采取各种措施，重要的是采取各种措施，防止产生粗大误差防止产生粗大误差。232. 粗大误差的判别准则粗大误差的判别准则统计学的方法的基本思想是：给定一置信概率，确定相应统计学的方法的基本思想是：给定一置信概率，确定相应的置信区间，凡超过置信

20、区间的误差就认为是粗大误差，的置信区间，凡超过置信区间的误差就认为是粗大误差，并予以剔除。并予以剔除。莱特检验法莱特检验法 格拉布斯检验法格拉布斯检验法 si3 sG max 式中，式中，G G值按重复测量次数值按重复测量次数n n及置信概率及置信概率PcPc确定确定 3456789101195%1.151.461.671.821.942.032.112.182.2399%1.161.491.751.942.12.222.322.412.4812131415161718192095%2.292.332.372.412.442.472.52.532.5699%2.552.612.662.72.7

21、42.782.822.852.88cpncpn243. 3. 结果的处理步骤结果的处理步骤 v对测量值进行系统误差修正，将数据依次列成表格；对测量值进行系统误差修正，将数据依次列成表格；v求出算术平均值求出算术平均值v列出残差列出残差 ，并验证，并验证v按贝塞尔公式计算标准偏差的估计值按贝塞尔公式计算标准偏差的估计值v按莱特准则按莱特准则 ，或格拉布斯准则，或格拉布斯准则 检查和剔除粗大误差；检查和剔除粗大误差；v判断有无系统误差。如有系统误差，应查明原因，修正或判断有无系统误差。如有系统误差，应查明原因，修正或消除系统误差后重新测量；消除系统误差后重新测量；v计算算术平均值的标准偏差计算算术

22、平均值的标准偏差 ；v写出最后结果的表达式，即写出最后结果的表达式，即 （单位）（单位）。 niixnx11xxii 01 nii niins1211 nssx xskxA 256. 6. 误差的合成分析误差的合成分析v问题：用间接法测量电阻消耗的功率时，需测量电阻问题：用间接法测量电阻消耗的功率时，需测量电阻R R、端电压端电压V V和电流和电流I I三个量中的两个量，如何根据电阻、电压三个量中的两个量，如何根据电阻、电压或电流的误差来推算功率的误差呢？或电流的误差来推算功率的误差呢？26v在实际应用中，由于分项误差符号不定而可同时取在实际应用中，由于分项误差符号不定而可同时取正负，有时就采

23、用保守的办法来估算误差，即将式正负，有时就采用保守的办法来估算误差，即将式中各分项中各分项取绝对值后再相加取绝对值后再相加v该公式常用于在设计阶段中对传感器、仪器及系统该公式常用于在设计阶段中对传感器、仪器及系统等的误差进行分析和估算，以采取减少误差的相应等的误差进行分析和估算，以采取减少误差的相应措施。措施。1niiifyxx 271.3 1.3 传感器基础知识传感器基础知识 1.定义定义 传感器就是能感知外界信息并能按一定规律传感器就是能感知外界信息并能按一定规律将这些信息转换成可用信号的机械电子装置。如将这些信息转换成可用信号的机械电子装置。如下图所示下图所示:物理量物理量电量电量281

24、. 数据采集的定义数据采集的定义( DAQ ) 指采集温度、压力、流指采集温度、压力、流量等模拟量，转换成数量等模拟量，转换成数字量，由计算机进行存字量，由计算机进行存储、处理、打印的过程。储、处理、打印的过程。 相应系统称为数据采集系统。相应系统称为数据采集系统。 数据采集数据采集 29数据采集的意义数据采集的意义 在生产过程中，对工艺参数进在生产过程中，对工艺参数进 行采集、监测，为提高质量，行采集、监测，为提高质量， 降低成本，提供信息。降低成本，提供信息。在科学研究中，用来获取微观、在科学研究中，用来获取微观、 动静态信息。动静态信息。解决靠人不能解决的问题。解决靠人不能解决的问题。作

25、用作用意义：意义：303. 数据采集系统的任务数据采集系统的任务有有采集传感器输出的模拟信号，并转采集传感器输出的模拟信号，并转 换成数字信号，然后送入计算机。换成数字信号，然后送入计算机。计算机对数字信号进行处理。计算机对数字信号进行处理。 例如，物体的运动数据记录、处理。例如，物体的运动数据记录、处理。提高工作效率，取得较好的经济提高工作效率，取得较好的经济效益。效益。结果：结果：315. 构成数据采集系统的构成数据采集系统的依据依据 保证系统具备保证系统具备采样精度采样精度的条件下，有的条件下，有尽可能高的尽可能高的采样速度采样速度，以满足实时处理、，以满足实时处理、控制的要求。控制的要

26、求。4. 评价数据采集系统性能优劣的标准评价数据采集系统性能优劣的标准 标准有标准有系统的系统的采样精度采样精度。系统的系统的采样速度采样速度。32模拟，抽样，数字化模拟，抽样，数字化 数字信号：时间和幅值均为离散数字信号：时间和幅值均为离散 的信号的信号。 模拟信号：时间和幅值均为连续模拟信号：时间和幅值均为连续 的信号的信号。 抽样信号：时间离散的，幅值抽样信号：时间离散的，幅值 连续的信号连续的信号。量化Ot tf nfnO nfnO抽样33模拟信号的数字化处理模拟信号的数字化处理v数据采集的核心过程就数据采集的核心过程就是将连续的模拟信号转是将连续的模拟信号转换成离散的数字信号换成离散

27、的数字信号v采样点太多，会占用大采样点太多，会占用大量内存单元；采样点太量内存单元；采样点太少，会使模拟信号的某少，会使模拟信号的某些信息被丢失，出现失些信息被丢失，出现失真现象真现象34足够的采样率下的采样结果足够的采样率下的采样结果 过低采样率下的采样结果过低采样率下的采样结果 35混叠干扰混叠干扰采样频率为采样频率为500Hz500Hz，5 5个个正 弦 波 的 频 率 分 别 为正 弦 波 的 频 率 分 别 为100Hz100Hz，200Hz200Hz，300Hz300Hz，375Hz375Hz和和400 Hz400 Hz。因为。因为100Hz100Hz，200Hz200Hz的信号频

28、的信号频率小于率小于f fs s/2/2，可以由离散，可以由离散信号还原出原始的正弦信号还原出原始的正弦波连续信号。而波连续信号。而300Hz300Hz，375Hz375Hz和和400Hz400Hz的信号频的信号频率都大于率都大于f fs s/2/2，故，故离散信离散信号重构原信号时形成了号重构原信号时形成了频率不同于原信号频率频率不同于原信号频率的信号，的信号，即混叠干扰。即混叠干扰。36采样定理采样定理 在进行信号采样时，需要遵循在进行信号采样时，需要遵循采样定理采样定理：设连：设连续模拟信号续模拟信号X(t)的频谱为的频谱为X(f)，以采样间隔，以采样间隔Ts采样采样得到的离散模拟信号为

29、得到的离散模拟信号为X(nTs)，如果，如果X(f)和和Ts满足满足以下条件，离散信号以下条件，离散信号X(nTs)可以完全确定频谱可以完全确定频谱X(f) vX(f)有截止频率有截止频率(即最高频率即最高频率)fh，即当，即当|f| fh时，时，X(f)0vTs 1/2fh 或或 fs 2fh 37混叠的消除混叠的消除v由采样定理可知，如果要求不产生混叠干扰，首先应使被由采样定理可知，如果要求不产生混叠干扰，首先应使被采样信号采样信号X(t)成为有限带宽的信号。为此，对不满足此要成为有限带宽的信号。为此，对不满足此要求的信号，在采样之前，求的信号，在采样之前，使其先通过模拟低通滤波器滤除使其

30、先通过模拟低通滤波器滤除高频成分，使其成为带限信号。这种处理称为抗混叠滤波高频成分，使其成为带限信号。这种处理称为抗混叠滤波预处理。预处理。其次，应使采样频率其次，应使采样频率fs大于带限信号最高频率大于带限信号最高频率fh的的2倍，即倍，即fs2fh。v在实际工作中，考虑到实际的模拟低通滤波器不可能有理在实际工作中，考虑到实际的模拟低通滤波器不可能有理想的截止特性，在其截止频率想的截止特性，在其截止频率fh之后总有一定的过渡带，之后总有一定的过渡带，故故采样频率常常选为（采样频率常常选为（34）fh，甚至更高甚至更高。 38量化量化为了能用计算机处理信号，须将采样信号转换成数为了能用计算机处

31、理信号，须将采样信号转换成数字信号，也就是将采样信号的幅值用二进制码来表字信号，也就是将采样信号的幅值用二进制码来表示，由于二进制码的位数是有限的，只能代表有限示，由于二进制码的位数是有限的，只能代表有限个信号的电平，故在编码之前，首先要对采样信号个信号的电平，故在编码之前，首先要对采样信号进行进行“量化量化”。量化就是把采样信号的幅值与某个最小数量单位的量化就是把采样信号的幅值与某个最小数量单位的一系列整倍数比较，以最接近于采样信号幅值的最一系列整倍数比较，以最接近于采样信号幅值的最小数量单位倍数来代替该幅值。这一过程称为小数量单位倍数来代替该幅值。这一过程称为“量量化过程化过程”，简称，简

32、称“量化量化”。39最小数量单位称为量化单位。量化单位定义为量化最小数量单位称为量化单位。量化单位定义为量化器满量程电压器满量程电压FSR（Full Scale Range）与）与2n的比的比值，用值，用q表示，有：表示，有：2nFSRq 式中，式中，n为量化器的位数，也就是采集卡的采样位数。为量化器的位数，也就是采集卡的采样位数。40量化误差量化误差v由量化引起的误差叫做量化误差（也常叫做量化噪声，因为由量化引起的误差叫做量化误差（也常叫做量化噪声，因为它常与噪声有相同影响）。它常与噪声有相同影响）。v量化误差的最大值为量化误差的最大值为q，它是一种原理性误差，只能减小而，它是一种原理性误差

33、，只能减小而不能完全消除。不能完全消除。v由前面由前面q的定义式可以看出，减小量化误差可以通过两个途的定义式可以看出，减小量化误差可以通过两个途径：径：u减小减小FSR，即根据输入信号的大小，设置合理的采集，即根据输入信号的大小，设置合理的采集卡通道的输入信号范围；卡通道的输入信号范围；u增大增大n的值，即选择采样分辨率高的采集卡。的值，即选择采样分辨率高的采集卡。41信号分类信号分类v在数据采集应用领域，常将被测信号分为数字信号和模拟信在数据采集应用领域，常将被测信号分为数字信号和模拟信号（也称连续时间信号）。号（也称连续时间信号）。42v数数字字信信号号onofft1-0-t开关信号开关信

34、号输入：输入：检测一个开关的打开检测一个开关的打开/闭合闭合输出：输出：打开打开/关闭一个阀门关闭一个阀门驱动能力驱动能力通道数通道数脉冲队列脉冲队列输入：输入：读光编码器的输出信号读光编码器的输出信号输出：输出：产生一个方波产生一个方波时钟频率时钟频率分辨率分辨率对采集卡的要求对采集卡的要求43v模模拟拟信信号号电压信号电压信号温度温度压力压力流量流量应力应力DC精度精度频域信号频域信号振动振动语音语音声呐声呐分辨率分辨率采样频率采样频率精度精度触发触发对采集卡的要求对采集卡的要求时域信号时域信号雷达回波雷达回波血压变化血压变化汽车点火波形汽车点火波形分辨率分辨率采样频率采样频率精度精度触发

35、触发0.985ttf44vTrigger（触发）：（触发）：启动、停止或同步采集事件的方法启动、停止或同步采集事件的方法MNN延时触发延时触发预触发预触发中触发中触发后触发后触发模拟触发模拟触发数字触发数字触发上升沿触发上升沿触发MNN下降沿触发下降沿触发正沿触发正沿触发负沿触发负沿触发触发触发事件事件45v下列情况适用软件触发模式（下列情况适用软件触发模式（Software Trigger）用户需要对所有采集事件进行明确控制用户需要对所有采集事件进行明确控制时间要求不甚严格时间要求不甚严格v下列情况适用硬件触发模式下列情况适用硬件触发模式采集事件需要与外部装置严格同步采集事件需要与外部装置严

36、格同步高速、瞬态采集事件高速、瞬态采集事件46模拟信号的连接方式模拟信号的连接方式 v信号根据参考点的不同可以分为接地信号和浮动信号两种类型。信号根据参考点的不同可以分为接地信号和浮动信号两种类型。接地信号接地信号：就是以系统地（如建筑物的地）为参考点的信号，也称：就是以系统地（如建筑物的地）为参考点的信号，也称参考信号。因为接地信号用的是系统地，所以与数据采集设备是共参考信号。因为接地信号用的是系统地，所以与数据采集设备是共地的。地的。如信号发生器和电源如信号发生器和电源。一个不与任何地（如大地或建一个不与任何地（如大地或建筑物的地）连接的电压信号称筑物的地）连接的电压信号称为为浮动信号浮动

37、信号，浮动信号的每个，浮动信号的每个端口都与系统地独立。一些常端口都与系统地独立。一些常见的浮动信号源有见的浮动信号源有电池、热电电池、热电偶、变压器和隔离放大器等。偶、变压器和隔离放大器等。 47测量系统分类测量系统分类 -参考地单端测量（参考地单端测量（RSE）所有信号均使用同所有信号均使用同一个参考电压或接一个参考电压或接地电压，也称为接地电压，也称为接地测量系统。在接地测量系统。在接地测量系统中，被地测量系统中，被测信号一端接模拟测信号一端接模拟输入通道，另一端输入通道，另一端直接与系统地直接与系统地AIGND相连。相连。 48-差分测量（差分测量（DI）信号的正负极分别与一个模信号的

38、正负极分别与一个模拟输入通道相连接。具有仪拟输入通道相连接。具有仪器放大器（器放大器（Instrumentation Amplifier）的数据采集设备）的数据采集设备可配置成差分测量系统。可配置成差分测量系统。 一个理想的差分测量系统能一个理想的差分测量系统能够精确测量（够精确测量（+）和（）和（-）输）输入端口之间的电位差，并将入端口之间的电位差，并将共模电压完全抑制掉。共模电压完全抑制掉。49-无参考地单端测量（无参考地单端测量（NRSE）所有测量都有一个共同所有测量都有一个共同的参考源，但此类参考的参考源，但此类参考电压可根据测量系统的电压可根据测量系统的地面实际情况而有所不地面实际情

39、况而有所不同。在无参考地单端测同。在无参考地单端测量系统中，信号的一端量系统中，信号的一端接模拟输入通道，另一接模拟输入通道，另一端接一个公共参考端端接一个公共参考端（AISENSE），但这个），但这个参考端电压相对于测量参考端电压相对于测量系统的地来说是不断变系统的地来说是不断变化的。化的。50v接地信号的测量接地信号的测量最好采用差分或最好采用差分或NRSE方式方式若采用若采用RSE方式，会引入较大误差方式，会引入较大误差接地回路通常会在测量数据中引入频率为电源频率的交流接地回路通常会在测量数据中引入频率为电源频率的交流和偏置直流干扰和偏置直流干扰如果信号电压很高并且信号源和数据采集卡之间

40、的连接阻如果信号电压很高并且信号源和数据采集卡之间的连接阻抗很小，也可以采用抗很小，也可以采用RSE输入方式输入方式51v浮空信号的测量浮空信号的测量可以用可以用DI、RSE、NRSE方式测量浮空信号方式测量浮空信号在差分输入时，必须保证相对于测量地的信号共模电压在差分输入时，必须保证相对于测量地的信号共模电压在允许范围之内在允许范围之内需在测量端与测量地之间连接偏置电阻需在测量端与测量地之间连接偏置电阻10K ohmR1=R21V连线比较短，一般连线比较短，一般5m环境干扰很小或信号屏蔽比较好环境干扰很小或信号屏蔽比较好所有输入信号都与信号源共地所有输入信号都与信号源共地v否则建议选用差分输

41、入方式否则建议选用差分输入方式总体而言，差分输入方式是比较好的选择总体而言，差分输入方式是比较好的选择53测量系统的选择测量系统的选择连接方式连接方式接地信号接地信号浮动信号浮动信号差分差分参考地单端参考地单端X无参考地单端无参考地单端 单端输入以一个共同点为参考点，这种方式适用于输入信号为高单端输入以一个共同点为参考点，这种方式适用于输入信号为高电平（大于电平（大于1V）且信号源与采集端之间的距离较短（通常小于）且信号源与采集端之间的距离较短（通常小于5m）的应用场合。如果不能满足上述条件，则需要使用差分输入。在差分的应用场合。如果不能满足上述条件，则需要使用差分输入。在差分输入方式下，每个

42、输入可以有不同的参考点，并且有效地消除了共模输入方式下，每个输入可以有不同的参考点，并且有效地消除了共模噪声的影响，所以差分输入方式的采集精度较高。噪声的影响，所以差分输入方式的采集精度较高。54数据采集系统的组成数据采集系统的组成55数据采集卡的功能数据采集卡的功能功功 能能描描 述述模拟输入模拟输入数据采集卡数据采集卡最基本、最常用最基本、最常用的功能，将模拟电压信号的功能，将模拟电压信号通 过通 过 A / D 转 换 成 数 字 信 号 。 常 用 于 检 测 温 度 、转 换 成 数 字 信 号 。 常 用 于 检 测 温 度 、压力压力 、流量等传感器的输出电压信号。、流量等传感器

43、的输出电压信号。模拟输出模拟输出通过通过D/A转换将自定义的数字信号转化成模拟信号输转换将自定义的数字信号转化成模拟信号输出。常用作信号发生器为其他系统提供激励。出。常用作信号发生器为其他系统提供激励。数字数字I/O处理二值信号，多数采用处理二值信号，多数采用TTL电平标准。通常用于获电平标准。通常用于获取取/设置数据采集系统外围设备的状态，可以利用其与设置数据采集系统外围设备的状态，可以利用其与外围设备进行通信，还能驱动步进电机等。外围设备进行通信，还能驱动步进电机等。计数器计数器实现定时功能，或生成数字脉冲信号，以驱动步进电实现定时功能，或生成数字脉冲信号，以驱动步进电机一类的执行元器件。

44、也能对脉冲信号计数，如测量机一类的执行元器件。也能对脉冲信号计数，如测量数字脉冲信号的频率等。数字脉冲信号的频率等。56采集卡基本参数采集卡基本参数v以以NI公司的公司的PCI-6071E多功能采集卡为例，介绍采集卡的一多功能采集卡为例，介绍采集卡的一般参数：般参数：u模拟输入：模拟输入：64路单端路单端/32路双端，输入范围：路双端，输入范围：10Vu分辨率：分辨率：12位位 u采样频率：最高采样频率：最高1.25MS/s u模拟输出：模拟输出：2路，路，12位，位，1MS/s，输出范围：，输出范围：10V u数字数字I/O：8路路 u计数器：计数器：2路，路，24位，基准时钟位，基准时钟2

45、0MHz或或100KHz57检测系统的组成和性能检测系统的组成和性能系统组成系统组成硬件硬件软件软件结构形式结构形式微型计算机数据采集系统微型计算机数据采集系统集散型数据采集系统集散型数据采集系统58传感器传感器图图1.1 微型计算机数据采集系统微型计算机数据采集系统放大放大器器采采样样/保保持持器器传感器传感器传感器传感器传感器传感器A/D转转换换器器计计算算机机显示器显示器打印机打印机绘图机绘图机定时与逻辑控制定时与逻辑控制传感器传感器传感器传感器接接口口被被测测物物理理量量数字信号数字信号开关信号开关信号多路开关多路开关1. 微型计算机数据采集系统微型计算机数据采集系统59系统系统组成组

46、成传感器传感器 将非电量转换为电信号。将非电量转换为电信号。 多路开关多路开关 分时切换各路模拟量与分时切换各路模拟量与 采样保持器的通路。采样保持器的通路。 程控放大器程控放大器 对模拟信号进行放大。对模拟信号进行放大。 采样采样/ /保持器保持器 保持模拟信号电压。保持模拟信号电压。A/DA/D转换器转换器 将模拟信号转换为数字将模拟信号转换为数字 信号。信号。 接口电路接口电路 将数字信号进行整形电将数字信号进行整形电 平调整。平调整。60时序图如图时序图如图1.2所示。所示。(1)(2)(3)(4)(5)一个工作周期一个工作周期多路开关多路开关放大器放大器采样保持采样保持AD转换转换数

47、据总线数据总线图图1.2 数据采集系统工作时序数据采集系统工作时序1.2 s6 stAD启动脉冲启动脉冲61系统特点系统特点结构简单，易实现结构简单，易实现对环境要求不高对环境要求不高系统成本低系统成本低集散型的基本单元集散型的基本单元模板齐全，易组成系统模板齐全，易组成系统 2. 集散型数据采集系统集散型数据采集系统 系统结构如图系统结构如图1.3所示所示 62图图1.3 集散型数据采集系统集散型数据采集系统模拟量模拟量输入输入模拟量模拟量输入输入模拟量模拟量输入输入数字量数字量输入输入数字量数字量输入输入数字量数字量输入输入RS-485RS-485生生产产现现场场生生产产现现场场生生产产现

48、现场场数据数据采集采集 站站数据数据采集采集 站站数据数据采集采集 站站通信接口通信接口 上位机上位机63数据采集站一般是由单片机数据采集装数据采集站一般是由单片机数据采集装置组成，位于生产设备附近，可独立完置组成，位于生产设备附近，可独立完成数据采集和预处理任务，还可将数据成数据采集和预处理任务，还可将数据以数字信号的形式传送给上位机。以数字信号的形式传送给上位机。 数据采集站与上位机之间通常采用异步数据采集站与上位机之间通常采用异步串行传送数据。数据通信通常采用主从串行传送数据。数据通信通常采用主从方式，由上位机确定与哪一个数据采集方式，由上位机确定与哪一个数据采集站进行数据传送。站进行数

49、据传送。 它由若干个它由若干个“数据采集站数据采集站”和一台上位机和一台上位机及通信线路组成。及通信线路组成。 64系统特点系统特点适应能力强适应能力强可靠性高可靠性高实时性好实时性好对硬件要求不高对硬件要求不高65 检测系统一般具有以下功能：检测系统一般具有以下功能： 1. 采集数据采集数据按照采样周期，对模拟、数字、开关信号采样。按照采样周期，对模拟、数字、开关信号采样。 2. 模拟信号处理模拟信号处理模拟信号模拟信号 指信号幅值随时间连续变化指信号幅值随时间连续变化的信号。的信号。 66特点：特点： 在规定的一段连续时间内，其幅值在规定的一段连续时间内，其幅值为连续值。为连续值。优点：优点： 便于传送。便于传送。缺点：缺点： 易受干扰。易受干扰。信号信号类型类型由传感器输出的电压信号由传感器输出的电压信号由仪表输出的电流信号由仪表输出的电流信号420mA05V67信号信号处理处理将采样信号将采样信号将转换的数字信号作标度变换将转换的数字信号作标度变换3. 数字信号处理数字信号处理 数字信号数字信号 指在有限离散瞬时上取值间指在有限离散瞬时上取值间断的信号。断的信号。 特点：特点：时间和幅值都不连续的信号。时间和幅值都不连续的信号。 数字信号数字信号68优点：优点： 抗干扰能力强抗干扰能力强缺点