数据采集与分析总复习

第一章绪论

1.数据采集的定义：数据采集——将温度、压力、流量、位移

等模拟量采集、转换成数字量后，再由计算机进行存储、处理、显示

或打印的过程。

2.数据采集系统的组成？：硬件，软件。

3.数据采集系统性能的好坏是如何评价的？：采样精度：精度越

高，系统性能越好-分辨率；采样速度：速度越快，系统性能越好-

采样率；通道数；通道数是指数据采集板卡能够同时输入的信号路数。

4.数据采集的任务是什么？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.系统计算机对数字信号进行处理，

得到所需的数据。

5.画出数据采集系统的硬件组成框图，并说明各组成部分的作用。

传感器：将非电量转换为电信号。

―

计

-I打印元I

算

一（绘图范|

机

定时与逻辑控制4—

多路开关：分时切换各路模拟量与采样/保持器的通路。

程控放大器：对模拟信号进行放大。

采样/保持器：保持模拟信号电压。

A/D转换器：将模拟信号转换为数字信号。

接口电路：将数字信号进行整形或电平调整。

微机及外部设备：管理和控制数据采集系统。

定时与逻辑控制电路：产生逻辑控制信号，控制时序。

第2章.采集系统常用的传感器

1、传感器定义？传感器的定义：

能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件

或装置。

2、传感器标定的基本方法是什么？：静态标定，1.将传感器全量程（测

量范围）分成若干等间距点。2,根据传感器量程分点情况，由小到大、

逐点递增输入标准量值，并记录下与各点输入值相对应的输出值c3.将

输入量值由大到小逐点递减，同时记录下与各点输入值相对应的输出值。

4.按2）、3）所述过程，对传感器进行正、反行程往复循环多次（一般为3〜

10次）测试，将得到的输出■输入测试数据用表格列出或画成曲线。5.对

测试数据进行必要的处理，根据处理结果就可以得到传感器校正曲线，进

而可以确定出传感器的灵敏度、线性度、迟滞和重复性；动态标定，传

感器动态标定实质上就是通过实验得到传感器动态性能指标的具体数值

（实验确定法）。实验确定法常因传感器形式不同而不完全一样，一般可

分为阶跃信号响应法、正弦信号响应法、随机信号响应法和脉冲信号响

应法。

3、在选择传感器时传感器和A/D转换器的精度哪一个应该更高些？为

什么？转换器的精度要高一些。

4、简述选用传感器的原则？1、系统分辨率2、系统精度3、采集速率4、

动态范围5、非线性失真

5、测量位移可用哪几类传感器？举出三种，试说明原理。：电阻式应变

位移传感器，应用时将应变片粘结在被测试件表面上，当试件受力变形

时，应变片的敏感栅也随之变形，引起应变片电阻变化，通过测量电路

将其转换为电压或电流信号输出；电容式位移传感器，保持其中两个参

数不变，而使另外一个参数改变，则电容量就将发生变化；电感式位移

传感器，电感式传感器是利用被测量的变化引起线圈自感或互感系数的

变化，从而导致线圈电感量改变这一物理现象来实现测量的。

6、影响电容式极距变化型传感器灵敏度的因素有哪些？提高其灵敏度

可以采取哪些措施，带来什么后果？极板间的距离d和活动板移动量X；

为了提高灵敏度，减小非线性，可采用差动式结构。

7、简述传感器的分类方法及特点。

按被测物理量来分：对应的传感器分别为温度传感器、湿度传感

器，压力传感器、位移传感器、流量传感器等。按制造传感器的材

料分类：如半导体传感器、陶瓷传感器、光导纤维传感器、高分子材

料传感器等。按能量关系分类：可将传感器分为有源传感器和无源

传感器两大类。

8、电阻式应变片工作原理？

答：应用时将应变片粘结在被测试件表面上，当试件受力变形时，应变

片的敏感栅也随之变形，引起应变片电阻变化，通过测量电路将其转换

为电压或电流信号输出。

9、霍尔效应的本质是什么？用霍尔元件可以测量哪些物理量？举三个

例子说明。

答：金属或半导体薄片置于磁场中，当有电流流过时，在垂直于电流和

磁场的方向上将产生电动势；检测磁场磁感应强度，物体运动速度,

调节工作磁场，检测铁磁物体，检测工件缺口。

10、热电偶是如何实现温度测量的？影响热电势与温度之间关系的因素

是什么？

答：热电偶的热端插入需要测温地方，冷端置于外面，如果两端所处的

温度不同，则在热电偶的回路中便会产生热电势。该热电势与热电偶

两端的温度均有关，如果保持冷端温度不变，则电动势就只和热端温

度有关，这样只要测出电动势，被测温度大小就知道了；导体材料和

热端、冷端温度。

11、以电阻R,灵敏度S=2的电阻应变片与阻值R的固定电阻组成的电

桥，供桥电压为并假定负载无穷大，当应变片的应变值为天”和

〃寸，绘出直流电桥电路图，分别求出单臂、双臂电桥的输出电压,

求出灵敏度的表达式。U.%酸2U，

答：单臂：，■鲁等■93双臂：么宣了一父户严佝一

12、有一钢板,原长H米，钢板的弹性模量E=2xl0"',使用BP-3箔

式应变片R=120欧姆，灵敏度系数S=2,测出的拉伸应变值为300吟

求：弹簧伸长量△/,应变ZSR/R及如果测出12应变值的对

应的4R/R是多少？

答：△/=4•/（J=Eq=SQ

13、一电容测微仪，其传感礁的圆柱极板的半径r=4mm,工作初始间隙

4=0.3次小，空气介质，试求：

（1）通过测量得到的电容变化量为△。=±3'10-2八则传感器与工件之

间由初始间隙变化的距离4d=？=<

（2）如果测量电路的放大倍数&=100V/不，读数仪表的灵敏度

$2=5格/mv,则此时仪表指示值变化多少格？格数二AC,』八

15、关于电桥的电压关系:=氏1%一犬2犬4

一出十区2瓶+&）1

17、18见复习大纲

19、热电偶测温的充要条件：

答:①只有当热电偶的两个电极材料不同，且两个接点的温度也不同时，

才会产生电动势，热电偶才能进行温度测量；

②当热电偶的两个不同极的材料确定后，热电偶便和两个接点温度T1,

T2有关，即回路的电动势是两个接点温度函数之差。

20、极距变化型电容传感器适宜于测量微小位移

量是因（B）A.电容量微小影响灵敏度B.灵敏

度与极距的平方成反比，间距变化大则产生非线

形误差C.非接触测量

2k可用于实现非接触式测量的传感器有涡流式传感器和电容

式传感器等。

22、常用的压电材料有石英晶体和压电陶瓷_。

23、当测量较小应变值时应选用压阻效应工作的应变片，

24、当测量大应变值时应选用应变效应工件的应变片.

25、光电组件中常用的有光敏电阻、光敏晶体管和光电池一。

26、不同的光电组件对于不同波长的光源，其灵敏度是不相同的。

27、电阻应变片的电阻相对变化率是与应变成正比的。

28、电容式传感器有变极距、变面积和变介质三种类型。

29、在三种类型的电容式传感器中变极距一型的灵敏度最高。

30、霍尔组件是利用半导体组件的霍尔效应一特性工作的。

31、按光纤的作用不同，光纤传感器可分为同感型和传光型

—两种类型。

第3章

1、根据CD4051的结构原理图分析说明8路模拟开关的工作原理

8路模拟开关由电平转换、译码驱动及开关电路三部分组成。当禁止

端为“1”时，前后级通道断开；当为“()”时，则通道可以被接通，

通过改变控制输入端C、B、A的数值，就可选通8个通道S0〜S7中的

一路。

2、采样定理？什么叫周期采样？采样时间？采样周期？一般情况

下如何选择采样周期？

采样定理：在进行模拟/数字信号的转换过程中，当采样频率

fs.max大于信号中最高频率fmax的2倍时(fs.max>=2fmax),采样之

后的数字信号完整地保留了原始信号中的信息，一般实际应用中

保证采样频率为信号最高频率的5〜10倍；采样定理又称奈奎斯特

定理。

周期采样就是以相同的时间间隔进行采样，即把一个连续变化的模

拟信号丁⑺，按一定的时间间隔了转变为在瞬时0，T,2T,…的一连

串脉冲序列信号)，*(1)

采样时间■采样开关每次闭合的时间；采样周期•采样开关每次通断

的时间间隔

为了使采样信号)，*⑺既不失真，又不会因频率太高而浪费时间，我

们可依据香农采样定理。香农定理指出：为了使采样信号y*⑺能完全

复现原信号)，⑺，采样频率/,至少要为原信号最高有效频率/nax的2倍，

即2/maxo采样定理给出了y*⑺唯一地复现所必需的最低采样频

率。实际应用中，常取/>(5-10)加ax。

3、什么叫量化？量化误差？简述量化过程？

答：量化指将信号的连续取值(或者大量可能的离散取值)近似为

有限多个(或较少的)离散值的过程；量化误差是指量化结果和被

量化模拟量的差值；

量化过程：把采样信号的幅值与某个最小数量单位的一系列整数倍

比较，以最接近于采样信号幅值的最小数量单位来代替该幅值。

4、设被测温度的变化范围为300℃-1000℃,如要求测量误差不超过

±rc,应选用分辨率为多少位的A/D转换器？

答：取最大的温度变化范围1000C，最小的温度分辨为1C，这样只

要不少于1000等份就可以。因此可选10位A/D转换器，若它的满量程

是1000。最小的温度分辨为：1000/(2的10次方・1)=0.98度

5、某数据采集系统具有8个模拟他

通道。各通道输入信号的频率可达

5kHZ,而且至少要用每个采样周期

10个采样点的速度进采样。

问：

(1)多路开关的切换速率应是多少？

(2)选用的多路开关应有多少位的地址线？

(1)・・•yc=5kHz,

4

采样频率£=2九=2x5xl()3=IXIO(HZ)

采样周期n={=支；04=lxl0.4(s)=0.0001(s)

每个采样点的采国期

区=0W01=000001(s)

1d1()11()

・・・切换速率V===(Hz)=100(kHz)

LJU.LRAAJI

⑵选择多路开关

♦・,由表3.5可知，CD4051&<J/on>fnroff^5^0.8us

则©口4051开关的切换时间为1.64

开关的切换速率=-1-.-6-x--1-0--6=625000=625kHz

J多路开关选择CD4051o

6、A/D转换器的分辨率？相对分辨率？精度？转换时间和转换速率?

在A/D转换器中，最重要的技术指标是一转换精度和转换速度

分辨率是指转换器所能分辨的模拟信号的最小变化值

相对分辨率二分辨率/FSR

精度是指转换后所得结果相对于实际值的准确度；

转换时间按照规定的精度将模拟信号转换为数字信号并输出所

需要的时间

转换速率每秒钟转换的次数

7、设某12位A/D转换器的输入电压为0—+5V,求出当输入模拟量

为下列值时输出的

数字量：

(1)1.25V；(3)2.5V；(6)5V

102420484096

8、什么是采样保持器？简述其工作原理？

答：1.采用一种器件，在A/D转换时保持住输入信号的电平，在A/D

转换结束时跟踪输入信号的变化，这种功能的器件就是采样保持器。

2.采样保持器由输入输出缓冲放大器Al、A2和采样开关S、保持电容

CH等组成。采样期间，开关S闭合，输入电压VIN通过A1对CH快

速充电，输出电压VOUT跟随VIN变化；保持期间，开关S断开，由

于A2的输入阻抗很高，理想情况下电容CH将保持电压VC不变，因

而输出电压VOUT二VC也保持恒定。

9.采样/保持器在模拟输入信号频率很低时，是否有必要使用？在

模拟信号频率很高时呢，为什么？

答：输入信号频率很低时，由于在A/D转换过程中模拟信号的电压几

乎不变，因而不必使用采样保持器。当模拟信号频率很高时，由于信

号电平变化很快，必须使用采样保持器以稳定转换电平。

10.采样频率fs高时，保持电容应取大些还是小些？

答：采样保持器的捕捉时间ACt受保持电容HC的影响，HC越大，ACt

越长，当采样频率Sf很高时，必须使用较小的HC,以减少AC3提

高SfO

11、采样/保持器是否具有放大功能？其放大值由什么决定？

答：采样保持器具有放大功能，通常其放大倍数由相关外接电阻决定。

15、设在某数据采集系统中，采样/保持器的孔径时间tAP=10ns,

A/D转换器的位数为12,求：采样精度能达到0.5LSB的最高信号

频率fmax是多少？

解:

1

2"式

1

2*3.14x10x10.=3.887kHz

16.一个数据采集系统的孔径时间tAP=2ns,试问一个10kHz信号在

其变化率最大点被采样时所能达到的分辨率是多少?

501

17.放大舞轴硼制脑郎娘村

答：共模抑制比CMRR（CommonModeRejectionRatio）是指放大

器对差模信号的电压放大倍数与对共模信号的电压放大倍数Auc之

比。

18、测量放大器的主要技术指标是什么

答：（1）非线性度：是指放大器实际输出输入关系曲线与理想直线的

偏差。它与增益有关，对数据采集的精度的影响很大。在选择测量放

大器时，一定选择非线性度偏差小于0.024%的测量放大器。

（2）温漂：指测量放大器输出电压随温度变化而变化的程度。它也

与测量放大器的增益有关。

（3）建立时间：指从阶跃信号驱动瞬间全测量放大器输出电压达到

并保持在给定误差范围内所需的时间。它随增益的增加而上升。

（4）恢复时间：是指放大器撤除驱动信号瞬间至放大器由饱和状态

恢复到最终值随需的时间。它直接影响数据采集系统的采样速率。

（5）电源引起的失调：是指电源电压每变化现，引起放大器的漂移

电压值，测量放大器一般用作数据采集系统的前置放大器，对于共电

源系统，该指标则是设计系统稳压电源的主要依据之一。

（6）共模抑制比当放大器两个输入端具有等量电压变化值〃时，

在放大器输出端测量出电压变化值则共模抑制比CMRR可为

cw/e/e=20iog^-

19、试推绿测量放大器的增益表达式

G=%UT=&<+"）

八十一X"凡儿第4章.数据处理技术

1、在计算机控制系统中，一般要对测量数据进行哪些预处理技术？

答：对测量数据的予处理是计算机控制系统数据处理的基础，这包括

数字调零技术、系统校准技术以及输入、输出数据的极性与字长的予

处理技术。

2、何为数字调零？何为系统校准？

答；零点偏移是造成系统误差的主要原因之一，因此零点的自动调整

在实际应用中最多，常把这种用软件程序进行零点调整的方法称为数

字调零。

系统校准的原理与数字调零差不多，只是把测量电路扩展到包括

现场的传感器，而且不是在每次采集数据时都进行校准，而是在需要

时人工接入标准参数进行校准测量，把测得的数据存储起来，供以后

实际测量使用。一般自动校准系统只测一个标准输入信号VR,零点

漂移的补偿仍由数字调零来完成。

3、什么是零点的自动校准？自动校准如何实现？

答：在控制系统的测量输入通道中，一般均存在放大器等器件的零点

偏移和漂移，会造成放大电路的增益误差及器件参数的不稳定等现象,

它们都会影响测量数据的准确性，这些误差都属于系统误差。它的特

点是在一定的测量条件下，其变化规律是可以掌握的，产生误差的原

因一般也是知道的。因此，系统误差是可以通过适当的技术方法来确

定并加以校正的，一般采用软件程序进行处理，即可对这些系统误差

进行自动校准。

4、什么叫数字滤波？

答；数字滤波，就是计算机系统对输入信号采样多次，然后用某种计

算方法进行数字处理，以削弱或滤除干扰噪声造成的随机误差，从而

获得一个真实信号的过程。

5、简述各种数字滤波方法的原理或算法及适用场合。

1.平均值滤波

算术平均滤波是在采样周期7内，对测量信号y进行历次采样，

把〃z个采样值相加后的算术平均值作为本次的有效采样值.

去极值平均滤波去极值平均滤波是对连续采样的m个数据进

行比较，去掉其中的最大值与最小值，然后计算余下的〃『2个数据的

算术平均值

2.加权平均滤波是对每，次采样值不以相同的权系数而以增加新鲜采

样值的权重相加'"'""6这种算法能协调系统的平滑度和灵敏度

的矛盾，提高灵敏度，更适用于纯滞后较大的对象。

3.滑动平均滤波滑动平均滤波是在每个采样周期只采样一次，将这一

次采样值和过去的若干次采样值一起求平均，所得结果即为有效采样

值。而滑动平均滤波算法的最大优势就是实时性好，提高了系统的响

应速度。

4.中值滤波是将信号），的连续机次采样值按大小进行排序，取其中间

值作为本次的有效采样值。本算法为取中值，故采样次数相应为奇数，

一般3〜5次即可。

5.限幅滤波限幅滤波就是把两次相邻的采样值相减，求其增量的绝对

值，再与两次采样所允许的最大差值进行比较.限幅滤波就是把

两次相邻的采样值相减，求其增量的绝对值，再与两次采样所允许的

最大差值AY进行比较.=