第四章测量数据处理.ppt

1、第4章,测量数据处理,4测量数据处理,原始测量数据A/D转换微机内部先预处理显示或输出,数据处理算法,4.测量数据处理,4.1零位和灵敏度的误差校正4.2量程自动切换4.3超限自动报警4.4标度变换4.5非线性校正算法4.6数字滤波,4.1零位和灵敏度的误差校正,软件校正方法理想的线性测试系统,输出读数,被测真值,该通道的标称灵敏度或增益,软件校正方法,实际的线性测试系统存在“零位误差”和“灵敏度误差”,“零位误差”x0输入y为零时的输出,指实际灵敏度k与标称灵敏度k0的偏差,软件校正方法,测量误差（系统误差）,误差值,真值,系统误差,软件校正方法,误差校正算法,？,？,根据式412推导,软件

2、校正方法,误差校正算法,被测系统,X1,Y1,被测系统,X2,Y2,软件校正方法,误差校正算法,被测系统,X0,0,简化,软件校正方法,标准输入,输入为零,被测量,硬件校正方法,零位调整电路传感器调零电路许多传感器都设置了专门的调零电路，当被测非电量为零而传感器的输出不为零，可调整调零电路中的调零电位器实现调零。,硬件校正方法,电桥调零电路传感器常采用电桥作为测量电路为保证被测参数为零时，电桥输出也为零。设置了调零电位器。,图中为调零电位器，调整它可使温度为0时，电桥输出电压为零,硬件校正方法,放大器输入偏移调零电路,放大器输入电压,为前级测量电路的零位输出。,调整目的：保证放大器输出电压U0

3、在x=0时为零,K,硬件校正方法,A/D转换器调零电路若A/D的输入高端：被测电压Ux低端：调零电路提供偏移电压UaUb,则有,S传感器和A/D转换之前模拟电路的总灵敏度，qA/D转换器的量化单位，即N=1所对应的模拟电压。,AD590调零电路,灵敏度调整的硬件实现,调整传感器本身的灵敏度调整传感器电桥电源电压调整放大器放大倍数最常用。调整A/D转换器的基准电压注意：在零点和灵敏度都发生漂移的情况下，通常是先调零，后调灵敏度。,4.2量程自动切换,量程指检测系统测量上限xmax和测量下限xmin之代数差，即：量程自动切换使测量过程自动迅速地选择在最佳量程上既能防止数据溢出和系统过载，又能保证一

4、定的测量精度。,传统：手动切换,两个问题：1、如何才能知道什么时候该量程切换？2、怎么实现量程切换？,4.2量程自动切换,4.2量程自动切换,量程切换的依据,4.2量程自动切换,量程切换的依据,不能使数据溢出，要求,或,4.2量程自动切换,相对误差,要求：,或,4.2量程自动切换,量程判别条件,4.2量程自动切换,模拟判别的方法窗口比较器。图421,，,通常取：,过量程,欠量程,4.2量程自动切换,数字判别的方法,1、高位检测法读取A/D转换数据的高两位或高三位：若都为“1”，则“过量程”，若都为“0”，则“欠量程”。2、A/D自检测法A/D自身提供“过量程”和“欠量程”指示信号。,量程切换的

5、方法,程控放大器和程控衰减器,量程（上限）值,量程切换的方法,改变量程值方法改变E改变S改变K最常用改变K的常用电路数控放大器由多路开关MUX和放大器构成（a）。程控衰减器由多路开关MUX和电阻分压网络构成。MUX用作“量程切换开关”。,量程切换的程序,编程原则若判别结果是“欠量程”，则切换到较小的量程即降一个量程；若判别结果是“超量程”，则切换到较大的量程即升一个量程；若判别结果是既不“欠量程”也不“超量程”，则不进行量程切换；若已经达到最小量程或最大量程，也不再进行量程切换。通常一开始应先选用最大量程进行测量，以避免仪器过载或损坏。,图423,4.3超限自动报警,重要参数上下限检查报警程序

6、设计：比较方法采样、数字滤波以及标度变换、比较,上限处理,下限处理,越限报警系统设计实例,锅炉报警系统P1口各位功能分配报警参数：水位(X1)、炉温(X2)、蒸汽压力下限(X3)；报警点：水位上、下限、温度上、下限和蒸汽下限。报警方式：当各参数均正常、无报警时绿灯亮，当某参数过限发出报警信号，鸣笛并使相应指示灯亮。,锅炉报警电路原理图,软件设计控制报警,报警参数和标志存放地址的分配：设一个报警标志单元如20H单元，无报警时20H清0，有报警时20H置“1”；水位、温度、压力三个参数采样值分别存放在SAMP为首地址的内存单元中；5个报警点分别存放在30H34H内部RAM中。水位上、下限用MAX1

7、、MIN1表示；温度上、下限用MAX2、MIN2表示，蒸汽压力用MIN3表示，依次存于30H34H单元。,4.4标度变换,标度变换为能从显示器上直接读取带有被测量量纲的数值所进行必要的变换。普通万用表上电流、电压刻度普通万用表上电阻刻度,硬件实现-模拟显示线性、非线性,硬件实现-模拟显示非线性校正电路,若串接非线性校正电路的传输函数是被校正非线性环节传输函数的反函数，则刻度盘就可采用线性刻度。,开方器,实例差压式流量计的指针偏角与流量Q成非线性关系,硬件实现-数字显示线性通道,从A/D转换结果Di得到被测量的数值Ni,硬件实现-数字显示线性通道,S传感器灵敏度(即被测量转换成电压的转换系数)；

8、EA/D转换器满量程输入电压；DFSA/D转换器满量程输出数字。,实现标度变换,的条件：,硬件实现-数字显示线性通道,实现标度变换的方法调整放大增益；调整传感器灵敏度(例如调整应变电桥的电源电压)；调整A/D转换器基准电压E。,为了采用硬件方法实现标度变换,应将测量放大器增益调整为,称重传感器的灵敏度为,MC14433的满量程输出数字,满量程输入电压E2=V，要求A/D转换器直接输出公斤数即,硬件实现-数字显示非线性通道,在A/D转换器之前串接“模拟线性校正电路”该校正电路的输入输出特性曲线与非线性环节的输入输出特性曲线成反函数关系，就可使A/D转换结果与被测量成线性关系。A/D转换器之后增设

9、EPROM线性化器首先通过校准实验获得每个标准输入产生的A/D转换数据，把标准输入值Ni写入以Di为地址的EPROM存贮单元中，这样每当A/D转换器产生一个数据Di时，就能以Di作为访问地址从EPROM的该地址存贮单元中读出与Di相对应的Ni值。,硬件实现效果分析,用硬件实现标度变换的优缺点优点实时性强缺点增加硬件开销结论：在一般的不要求进行适时控制的检测系统中，只要时间允许，应尽可能采用软件方法进行标度变换和非线性校正，这样可大大节省硬件开销，而且手段灵活，不同参量的标度变换只需调用不同的变换软件或参数即可。,软件实现方法线性通道,线性通道的标度变换,式中，NH，NL线性测量范围的上、下限；

10、DH，DLNH，NL对应的A/D转换结果；Di被测量Ni对应的A/D转换结果。,例442,某微机化温度测量仪表的量程为100900，利用单片机803l和ADC0809进行AD转换。在某一时刻计算机采样并经过数字滤波后的数字量为CDH，求此时对应的温度值是多少?(设仪表的量程是线性的),软件实现-非线性通道,实例差压式流量测量通道A/D转换结果Di将与被测流量Qi的平方成正比,如果不增设开方器,4.5非线性校正算法,非线性校正算法适用于A/D转换结果与被测量不存在明确或简单的函数关系本节约定：x表示由A/D送入微机的原始测量数据y表示被测量的“真值”z表示经过“校正”处理后，微机输出给显示器或控

11、制器的数据本节讨论在y=f(x)公式复杂和y=f(x)只有离散数据两种情况下，由A/D转换结果x求取显示数据z(要求z=y或误差在允许范围之内即zy)的方法,离散数据的获得,标定实验在规定的实验条件下，给测试系统的输入端逐次加入一个个已知的标准的被测量y1,y2yn，并记下对应的输出读数(A/D转换结果)x1,x2xn。这样就获得n对输入/输出数据(xi,yi)，(i=1,2n)这些“标定”数据就是y=f(x)的离散方式描述。,4.5.1查表法,通过热电阻、热电偶分度表，或通过标定实验，获得n对“标定”数据(xi,yi)，i=1,2n)。优点不需要进行计算；为标定数据，不存在误差。缺点需要在整

12、个测量范围内标定实验测得很多的测试数据；占用较多内存。如8位AD转换，有256个数据需占用一页内存，12位AD转换则需4K内存。,4.5.2插值法,插值法从标定或校准实验的n对测定数据(xi,yi)(i=1,2,n)中，求得一个函数作为实际的输出读数x与被测量真值y的函数关系的近似表达式。,直线插值,抛物线插值,4.4.3拟合法,要求z=(x)逼近y=f(x)，即二者误差最小或在允许范围之内。因此，曲线z=(x)被称为拟合曲线。最小二乘法,4.6数字滤波,数字滤波通过一定的计算程序，对采集的数据进行某种处理，从而消除或减弱干扰噪声的影响，提高测量的可靠性和精度。采用数字滤波克服干扰，具有如下优

13、点：1、节省硬件成本。2、可靠稳定。3、功能强。4、方便灵活。5、不会丢失原始数据。,一、限幅滤波,基本方法：比较本次采样值和上一次采样值，如果它们的差值未超过允许的最大偏差值，则认为本次采样值有效而保留。如果它们的差值超过允许的最大偏差值，则认为本次采样值无效而用上一次采样值替代。,克服随机干扰,一、限幅滤波,最大允许偏差值,的选择,采样周期,参数可能的最大变化速度,过程的动态特性决定其输出参数的变化速度,中位值滤波,基本方法：对某一被测参数连续采样n次(一般n取奇数)，然后把n次采样值按大小排列，取中间值为本次采样值。中位值滤波的基本功能能有效地克服偶然因素引起的波动或采样器不稳定引起的误

14、码等脉冲干扰。对温度、液位等缓慢变化的被测参数采用此法能收到良好的滤波效果，但对于流量、压力等快速变化的参数一般不宜采用中位值滤波。,4.6.2平均滤波,一、算术平均滤波,适用于对一般具有随机干扰的信号进行滤波。,4.6.2平均滤波,二、去极值平均滤波连续采样N次，去掉一个最大值，去掉一个最小值，再求余下N-2个采样值的平均值。这种方法既能抑制随机干扰，又能抑制明显的脉冲干扰。,4.6.2平均滤波,三、移动平均滤波(递推平均滤波)移动平均滤波的方法每进行一次采样，就计算一次最近N个数据的平均值,大大加快了数据处理的能力,取一丢一,对周期性干扰有良好的抑制作用，对脉冲干扰抑制作用差,4.6.2平

15、均滤波,四、加权平均滤波在算术平均滤波法和递推平均滤波法中，N次采样值在输出结果中的权重是均等的，即1/N，用这样的滤波算法，对于时变信号会引入滞后，N越大，滞后越严重。为了增加新采样的数据在递推平均中的权重，以提高系统对当前采样值中所受干扰的灵敏度，可采用加权递推平均滤波算法。不同时刻的数据加以不同的权，通常越接近现时刻的数据，权取得越大。,提高系统对当前采样值的灵敏度,N项加权递推平均滤波算法为,Ci为常数，且满足如下条件：,加权平均滤波,适用于有较大的纯滞后时间常数的对象和采样周期较短的系统。对于纯滞后时间常数较小、采样周期较长、缓慢变化的信号，则不能迅速反应系统当前所受干扰的严重程度，滤波效果差。,低通滤波,将描述模拟RC低通滤波器特性的微分方程用差分方程来表示，也可以用软件方法来实现模拟滤波器的功能。,未经滤波的第n次采样值,第n次采样值经滤波后输出,低通滤波,优点：对周期性干扰具有良好的抑制作用，适用于波动频繁的参数滤波；缺点：带来了相位滞后，灵敏度低。滞后的程度取决于a值的大小。同时，它不能滤除频率高于采样频率二分之一的干扰信号。,复合滤波,把前面介绍的两种以上的方法结合起来使用。,例：防脉冲扰动平均值滤波算法,先用中位值滤波算