数据采集与处理技术

数据采集与处理技术教学内容第1章

绪论

第2章

模拟信号处理第3章

模拟多路开关第4章

测量放大器第5章

采样／保持器第6章

模／数转换器第8章数据接口卡采集第9章

数字信号的采集第10章

数据的预处理

思考题与习题点评

2第1章绪论教学内容31.1数据采集的意义与任务

1.2数据采集系统的基本功能1.3数据采集系统的结构形式1.5数据处理的类型和任务第1章绪论本章教学内容41.1数据采集的意义与任务

第1章绪论51.1

数据采集的意义与任务

本节教学目标理解数据采集的定义

理解数据采集系统的任务了解数据采集系统性能优劣的标准

了解构成数据采集系统的依据61.1

数据采集的意义与任务

1.数据采集的形成

机械式蒸汽机转速的闭环自动调速系统

1788年，英国机械师

J.瓦特(Watt)在改进蒸汽机的同时，发明了离心式调速器，如左图。这是机械式蒸汽机转速的闭环自动调速系统。当蒸汽机输出轴转速发生变化时，离心调速器自动调节进汽阀门的开度，从而控制蒸汽机的转速。数据采集71.1

数据采集的意义与任务

离心式调节器形成的蒸汽机调速系统，见下图。

瓦特的这项发明对第一次工业革命的发展有重要影响。数据采集进汽阀转速+-

离心式调节器形成的调速系统蒸汽源蒸汽机负载离心式调速器反馈

瓦特蒸汽机转速不稳问题也引发了自动化科学的发展。81.1

数据采集的意义与任务

水温的手动控制

图中，水温操作员要用手（通过感觉）来测试水的温度，并将此温度与他要求的值（给定值）相比较（通过大脑）。同时，他要决定（通过大脑）：其手应该朝哪个方向旋转阀门（打开或关闭）；旋转多大的角度）。2.数据采集在自动控制中的位置

9水温的自动控制1.1

数据采集的意义与任务

采用自动控制时，水温的手动控制的功能，由各种传感器、仪表、执行器来代替。传感器—测温计：感测水的温度；执行器—调节阀：打开或关闭蒸汽阀；控制器—调节记录仪：采集、比较、判断水温，驱动调节阀。103.数据采集的工程应用实例

1.1

数据采集的意义与任务

生产过程数据采集与控制系统控制量输出信号扰动……生产过程传感器数据采集控制信号11钢铁热连轧数据采集与自动控制1.1

数据采集的意义与任务

12核电厂131.1

数据采集的意义与任务

数控车床控制面板

防护罩排屑机冷却液箱141.1

数据采集的意义与任务

自动驾驶汽车151.1

数据采集的意义与任务

仿人机器人多指灵巧机器手161.1

数据采集的意义与任务

自动控制温室171.1

数据采集的意义与任务

4.数据采集的定义

指采集温度、压力、流量等模拟量，转换成数字量，由计算机进行存储、处理、打印的过程。

数据采集——相应系统称为数据采集系统。181.1

数据采集的意义与任务

5.数据采集的意义

①在生产过程中，对工艺参数进行采集、监测，为提高质量、安全生产、降低成本提供信息。作用②在科学研究中，用来获取微观、动静态信息。例如，物体的运动数据记录、处理。191.1

数据采集的意义与任务

汽车碰撞数据采集20解决人不能解决的问题。意义：6.

数据采集系统的任务任务有①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。②计算机对数字信号进行处理。提高工作效率，取得较好的经济效益。结果：1.1

数据采集的意义与任务

21数据采集的定义

数据采集—指采集温度、压力、流量等模拟量， 转换成数字量，由计算机进行存储、 处理、打印的过程。

相应系统称为数据采集系统。数据采集的意义221.1

数据采集的意义与任务

8.

构成数据采集系统的依据

在保证系统具备采样精度的条件下，有尽可能高的采样速度，以满足实时处理、控制的要求。7.

评价数据采集系统性能优劣的标准

标准有系统的采样精度。系统的采样速度。231.2数据采集系统的基本功能第1章绪论24本节教学目标理解模拟信号与处理

理解数字信号与处理理解二次数据计算

1.2

数据采集系统的基本功能

25数据采集系统一般具有以下功能：1.

采集数据按照采样周期，对模拟、数字、开关信号采样。2.

模拟信号处理模拟信号—指信号幅值随时间连续变化的信号。1.2

数据采集系统的基本功能

261.2

数据采集系统的基本功能

特点：在规定的一段连续时间内，其幅值为连续值。优点：便于传送。缺点：易受干扰。信号类型①由传感器输出的电压信号②由仪表输出的电流信号0～20mA4～20mA271.2

数据采集系统的基本功能

信号处理①将采样信号②将转换的数字信号作标度变换3.

数字信号处理

数字信号—指在有限离散瞬时上取值间断的信号。特点：时间和幅值都不连续的信号。→数字信号281.2

数据采集系统的基本功能

优点：抗干扰能力强缺点：需要一套转换电路，增加成本。传送方式①并行传送②串行传送信号处理：将数字信号采入计算机后，进行码制转换。如BCD→ASCII，便于在屏幕上显示。291.2

数据采集系统的基本功能

4.

开关信号的处理

开关信号—由按钮、行程开关等器件触点产生的信号。信号处理：根据开关的状态执行相应的操作。5.

二次数据计算

概念一次数据—二次数据—从传感器采集的数据。对一次数据作计算得到的数据。301.2

数据采集系统的基本功能

二次数据平均、累计傅里叶变换、积分变换变化率、差值最大值、最小值6.

屏幕显示

将数字、图形、图表等显示在屏幕上。7.

数据存储

按时间间隔，将数据存储在外部存储器。311.2

数据采集系统的基本功能

8.

打印输出按时间间隔，打印输出数字、图形。9.

人机联系操作人员用键盘或鼠标与系统对话，完成运行方式的设置。321.2

数据采集系统的基本功能

331.3数据采集系统的结构形式第1章绪论34本节教学目标理解微型计算机数据采集系统的结构

理解集散型数据采集系统的结构1.3

数据采集系统的结构形式

351.3

数据采集系统的结构形式

系统组成①硬件结构形式①微型计算机数据采集系统②软件②集散型数据采集系统361.3

数据采集系统的结构形式

1.

微型计算机数据采集系统系统的结构如图1-1所示。371.3

数据采集系统的结构形式

图1-1微型计算机数据采集系统放大器采样/保持器传感器传感器传感器…A/D转换器计算机显示器打印机绘图机定时与逻辑控制接口被测物理量数字信号开关信号…多路开关传感器传感器传感器381.3

数据采集系统的结构形式

(1)(2)(3)(4)(5)一个工作周期多路开关放大器采样／保持A／D转换数据总线图1-2数据采集系统工作时序1.2s6stAD启动脉冲391.3

数据采集系统的结构形式

系统特点①结构简单，易实现②对环境要求不高③系统成本低④集散型的基本单元⑤模板齐全，易组成系统2.

集散型数据采集系统

系统结构如图1-3所示。401.3

数据采集系统的结构形式

模拟量输入模拟量输入模拟量输入数字量输入数字量输入数字量输入RS-485RS-485生产现场生产现场生产现场数据采集站数据采集站数据采集站通信接口上位机图1-3集散型数据采集系统411.3

数据采集系统的结构形式

系统特点①适应能力强②可靠性高③实时性好④对硬件要求不高421.5数据处理的类型和任务第1章绪论43本节教学目标理解数据处理的类型

理解采集信号的标度变换1.5

数据处理的类型和任务

441.5

数据处理的类型和任务

处理类型①按处理方式实时（在线）处理事后（脱机）处理②按处理性质预处理剔除误差标度变换二次处理微分、积分傅里叶变换451.5

数据处理的类型和任务

处理任务①对采集信号作标度变换②消除数据中的干扰③分析计算数据中的内在特征对采集到的电信号作标度变换将没有物理意义的电压信号，转换为原来对应的物理量。461.5

数据处理的类型和任务

消除数据中的干扰信号消除在数据的采集、传送和转换过程中，系统内部和外部干扰在数据中混入干扰信号，以保证采样精度。分析计算数据的内在特征对采集到的数据进行变换计算，得到表达采样数据内在特征的二次数据。471.5

数据处理的类型和任务

例如，在研究振动时，由于频谱更能说明振动波形对机械结构所产生影响，因此，常对采集到的振动信号作傅里叶（FFT）变换，得出振动波形的频谱。图1-4电机轴承故障数据采集系统481.5

数据处理的类型和任务

图1-5更换轴承后电机运行的振动波形与频谱

用振动标准(如ISO2372标准)判断振动是合格的。

但是，这种状态表现为轴承部件存在缺陷，在测完此图后两小时转子抱轴。

49第六章目录1.6核数据获取和处理方法、设备及系统

☆§1.核脉冲计数☆§2.核谱数据获得和处理§3.通用核实验数据获取和处理系统§4.在自动测量与控制中通用接口和系统

50§1.核脉冲计数

核辐射强度

三种核脉冲计数系统方框图：

（a）简单的计数系统

（b）单道计数系统

（c）符合计数系统

定标器和计数率计51一.定标器

1.工作原理（图6.1.2）（1）通用结构

①输入级（倒相，缓冲器，脉冲幅度甄别器）；

②计数电路；③定时电路；

④控制电路（手动，半自动，自动计数，预置定时计数，定数计时）。52

（2）形式：多路定标器，可逆定标器，自动定标器，盲预置定标器，带有缓冲扫描器的系统

2.定标器插件电路实例（图6.1.4）

（1）输入电路

（2）计数显示电路

（3）定时电路

（4）控制电路

（手动，半自动，自动）→（开始，停止，复位）

533.测量核脉冲计数的误差

（1）统计涨落误差

σN=N1/2 定标器的最小统计误差

νN=σN/N=1/（N1/2）满足统计误差所需测量时间

（2）漏记误差

分辨时间τ最高计数率fmax

①计数率n

τ内出现m个脉冲几率（泊松分布）

丢计数

漏记误差

②最高计数率nmax〈0.01fmax

多位计数单元讨论543.数字式计数率计（略）

(1)连续数字式计数率计

（图5.1.12）

dv/dt=n-N/PTo

55§1习题与思考题(P326):1.2.(2)归一化脉冲计数率表（图6.1.13）

n=N/T

T=r=(r+1)t-

56

§2.核谱数据获得和处理

一.概述二.计算机技术应用基础

三.多道分析器的基本原理和功能

1.多道分析器的基本组成（图6.2.5）2.多道分析器的数据获取（三种类型方式）

（1）脉冲幅度分析（PHA）（图6.2.6）

（2）多定标器方式（脉冲计数率——时间关系）

（3）列表方式（幅度——时间）波形记录

3.

多道分析器的数据处理

（1）核能谱数据分析

（2）系统刻度

（3）应用软件

四.典型结构

1.基于微处理器的多道分析器

2.基于PC的多道分析器

3.使用多道缓存器的微机多道分析器内容提要(P267—305)57§2.核谱数据获得和处理

一.概述

核能谱、时间谱的获得和处理

以μP或微机为核心的多道分析器

二.计算机技术应用基础

1.

组成和特点（图6.2.2）：三总线

2.

功能部件：

（1）微处理器μP

（2）存储器

（3）I/0接口

3.

软件

(P267—305)5859三.多道分析器的基本原理和功能

1.多道分析器的基本组成（图6.2.5）602.多道分析器的数据获取（三种类型方式）

（1）脉冲幅度分析（PHA）（幅度——计数关系）

框图（图6.2.6）