微机化测控系统第四章

第四章测量数据处理

主要内容:零位和灵敏度的误差校正、量程切换、越限报警、标度变换、非线性校正、数字滤波。重点：零位和灵敏度的误差校正、标度变换、数字滤波难点：非线性校正的插值算法。§4-1零位和灵敏度的误差校正校正对象：零位误差——系统当输入为零时，输出不为零。灵敏度误差——实际灵敏度K与标称灵敏度Ko的偏差。灵敏度误差是指实际灵敏度k与标称灵敏度k0的偏差，即k=k0+Δk

二者都属于系统误差校正方法：软件校正方法硬件校正方法对于一个理想线形系统来说，输出（测量读数x）和输入（被测真值y）之间的关系为

存在零位和灵敏度的话，则由读数确定的值为 (4-1-2)而出现‘系统误差’：y٠△k/k0+x0/k0其中：x——读数值。y——测量对象真值。§4-1零位和灵敏度的误差校正-软件校正由式（4-1-2）建立误差校正模型：

（4-1-5）采集两次数据输入上式，可得到a1、a0得到误差矫正公式：其中：x——读数值。y——测量对象真值。X1，X2，Y1，Y2，两次测量对应输入输出值。§4-1零位和灵敏度的误差校正-软件校正当选Y1=0，X1=X0时，公式简化为：方法：如图4-3-1先将开关置于1，测出X0。然后将开关置于2，测得对应Y2的X2值。最后将开关置于3，测量得到X，根据公式可得实际待测值Y。§4-1零位和灵敏度的误差校正-软件校正采用传感器自带的调零电路电桥调零电路放大器输入偏移调零电路A/D转换器调零电路§4-1零位和灵敏度的误差校正-硬件校正运放计算依据运放工作方式：虚短虚断基本电路定律：基尔霍夫电流定律：基尔霍夫电流定律(Kirchhoff’sCurrentLaw),简写为KCL，它陈述为：对于任何集总参数电路的任一结点，在任一时刻，流出该结点全部支路电流的代数和等于零基尔霍夫电压定律自动零点调整实例消除零位误差最常用的方法是选择优质的输入放大器和A/D转换器，但是这种方法的代价高，而且效果也是有限的。因此，要想通过硬件来确保零点稳定是非常困难的，尤其是在环境温度变化较大的场合就更不容易做到了。智能仪器的自动零点调整功能却可以较好地解决这一问题。

量程切换可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，又能防止读数精度损失，它是实现自动测量的重要组成部分。§4-2量程切换§4-2量程切换量程概念：检测系统测量上下限之差切换目的：扩大测量范围，同时保持一定的测量精度。图4-2-1量程自动切换原理框图公式4-2-1P133Dx§4-2判断量程是否需要切换依据判断依据：A/D输出的数字量“不超量程”，不溢出满足读数精度，即不欠量程图中的第I通道A/D转化结果应该满足下式：即其中：E-满度输入电压。DFS-满度输出数字。-相对误差，也可称读数精度。S-传感器灵敏度

公式4-2-3P133§4-2判断量程是否需要切换的方法模拟比较法：设置窗口比较器，比较电平分别为UH，UL，其中

UH=0.95E，UL=UH/10数字比较法：将A/D转换结果Dx与DFS和1/比较§4-2量程切换方法切换放大倍数K方法：程控放大程控衰减设置一个窗口比较器（如图）。通过模拟开关可改变衰减系数实现量程切换。程控放大器和程控衰减器

针对不同的信号幅度，测试系统一般是切换不同的放大器增益，放大器倍数K不能过大（A/D溢出），也不能太小（不使读数精度受损）。以保证上式得到满足，这就叫“量程的切换”。4-3超限自动报警基本原理：将采样并处理后的参数与给定的上下限进行比较，若大于上限或小于下限，则输出报警信号或进行自动处理超限报警处理程序框图P136图4-3-14.4标度变换图4-4-1测量通道简化框图

使操作人员能从显示器上直接读取带有被测量量纲单位的数值的这一过程称为标度变换。4.4标度变换—实现方法硬件实现方法模拟显示仪表的标度变换数字显示仪表的标度变换软件实现方法-针对数字显示线性通道的标度变换。非线性通道的标度变换4.4标度变换4.2.1模拟显示仪表的标度变换

通过将模拟表头（如mA表、mV表等）的表盘刻度改成被测量值刻度即可实现标度变换。线性模拟测量通道模拟显示表头指针的偏转角θ与被测量x成线性关系，则不仅读数方便而且读数误差也比较小。对于非线性测量通道模拟显示，就需要在测量通道中增设非线性校正电路。在图4-4-1(c),(d)所示测量通道中，可用微机软件实现非线性校正，就不必增设非线性校正硬件电路。把A/D转换结果变换成能够被显示或打印的带有被测量量纲单位的数值，这个变换就是数字显示的标度变换。一、线性通道的标度变换

只要适当选择和调整增益K，令则可使A/D转换结果Di与被测量xi的数值Ni相等，即可将Di直接用于显示或打印。实现的方法：除了调整放大器增益，还可调整传感器灵敏度和A/D转换器基准电压E。注意：传感器和ADC基准电压使用同一个电源，可避免转换结果受电源电压波动影响。硬件实现图4-4-1b，d4.4数字显示的标度变换-硬件实现方法一、线性通道的标度变换

图4-2-3线性通道的标度变换曲线4.4.2数字显示的标度变换-软件实现方法一、线性通道的标度变换

标度变换公式(4-4-10)软件实现：测量前通过校准实验，得到两对校准数据(NH,DH)、(NL,DL)，即可根据以上公式编写程序计算Di。公式(4-2-6)也可改写为如下形式 其中练习：例4-2(4-4-10)4.4.2数字显示的标度变换-软件实现方法§4-5非线性校正非线性校正概念：非线性测控系统A/D转换结果与被测量无明确数学公式；或有的话，却不便计算机计算，此种情况下根据A/D转换结果求出对应“真值”的过程就称为非线性校正。非线性校正使用前提：测控系统有非线性环节，公式复杂无公式，只有离散数据点非线性产生原因：A/D转换；放大电路；传感器。非线性校正的要求： P148非线性校正方法：查表；插值；拟合。4-5-1非线性校正--查表法原理：将标定或校准实验的N对数据建立一张输入输出数据表。方法：1、由标准的输入Yi测得对应的读数Xi。建立表格。2、存储表格。Xi作为存储单元的地址，Yi作为内容。3、由测得的读数Xi作为地址，查找Yi。4、近似取值法或内插值法处理表格中没有的实际测量值。插值的任务就是由已知的观测点(xi,yi)为物理量(未知量),建立一个简单的、连续的解析模型g(x)，以便能根据该模型推测该物理量在非观测点处的特性。oxy●●●●●

y0

x1

x2

xn

y1

y2

yn

x0y=f(x)g(x)4-5-2非线性校正--插值法4-5-2非线性校正--插值法原理：将标定或校准实验的N对数据建立一个函数F（X），作为实际的输出读数X与被测量真值的函数关系近似表达式。这个函数必须满足以下两点：1、简单，便于计算机处理2、在所有校准点（X1、X2….Xi）上满足Yi=F（Xi）例子：P149。方法：线性插值；非线性插值；分段插值。注意事项：P150

机翼断面的下轮廓线如图所示，下表给出了下轮廓线上的部分数据。用程控铣床加工时，每一刀只能沿x方向和y方向走非常小的一步。例如，如果工艺要求铣床沿x方向每次只能移动0.1单位，这时就需要求出当x坐标每改变0.1单位时的y坐标。试完成加工所需的数据，画出曲线。

问题1：机床加工

xi035791112131415

yi01.21.72.02.12.01.81.21.01.6基本方法线性插值分段线性插值等距节点分段直线校正法非等距节点分段直线校正法抛物线插值4-5-2非线性校正--插值法4-5-2非线性校正--插值法一、线性插值线性插值步骤：选两个代表点，计算P1(x)=a1x+a0使拟合误差在全部x区间<允许误差实际测量时，每采样一次，就用该公式计算一次P1(x)，作为显示值复杂曲线就用分段线性插值例：设变量Y与变量X的关系如上图；已知点X0、X1的对应值Y0、Y1，现在用直线AB代替弧线AB，由此得直线方程：g（x）=ax+b根据插值条件，应该满足：解出a和b，得到直线方程：4-5-2非线性校正--插值法二、分段线性插值—等距节点分段直线校正法适用于非线性、曲率变化不大的场合每段直线用一个直线方程代替分段数取决于非线性程度和仪表精度要求， 常取段数N=2m，4-5-2非线性校正--插值法二、分段线性插值适于曲率变化大和切线斜率大的非线性，若采用等距法则为满足精度会增加分段数图4-5-1非等距节点分段直线校正4-5-2非线性校正--插值法三、抛物线插值图4-5-2分段抛物线插值4-5-2非线性校正--插值法§4-4数字滤波原理：利用一定的计算方法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。作用：抑制干扰，提高信噪比，提高测量精度和可靠性。种类：限幅滤波、中值滤波、平均滤波、加权平均滤波、低通滤波、复合滤波。特点：节省硬件；可靠稳定；功能强大；方便灵活；不会丢失原始数据数字滤波4-6-1限幅滤波和中位值滤波一、限幅滤波适用对象：可消除尖脉冲干扰。原理：本次采样和上次采样之差，较小则选本次采样值，反之选用上次采样值。公式：程序实现：P158数字滤波二、中位滤波适用对象：可消除尖脉冲干扰。原理：也叫中值滤波，连续采样M次（大于3），进行排序，取其中位值作为采样结果。程序实现：P159数字滤波4-6-2平均滤波一、算术平均滤波适用对象：对周期性干扰信号有抑制作用。原理：程序实现：P160二、去极值平均滤波适用对象：可消除尖脉冲干扰。去掉一个最大值和最小值，然后求N-2次采样