第四章测量数据处理

第四章测量数据处理第1页，共68页，2023年，2月20日，星期三4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第2页，共68页，2023年，2月20日，星期三4.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数字滤波第3页，共68页，2023年，2月20日，星期三4.1零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第4页，共68页，2023年，2月20日，星期三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的偏差第5页，共68页，2023年，2月20日，星期三软件校正方法测量误差（系统误差）误差值真值系统误差第6页，共68页，2023年，2月20日，星期三软件校正方法误差校正算法？？根据式4－1－2推导第7页，共68页，2023年，2月20日，星期三软件校正方法误差校正算法被测系统X1Y1被测系统X2Y2

第8页，共68页，2023年，2月20日，星期三软件校正方法误差校正算法被测系统X00简化第9页，共68页，2023年，2月20日，星期三软件校正方法标准输入输入为零被测量第10页，共68页，2023年，2月20日，星期三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。第11页，共68页，2023年，2月20日，星期三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，电桥输出电压为零第12页，共68页，2023年，2月20日，星期三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在x=0时为零K第13页，共68页，2023年，2月20日，星期三硬件校正方法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Ua＝Ub,则有S－传感器和A/D转换之前模拟电路的总灵敏度，q－A/D转换器的量化单位，即N=1所对应的模拟电压。第14页，共68页，2023年，2月20日，星期三AD590调零电路第15页，共68页，2023年，2月20日，星期三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。第16页，共68页，2023年，2月20日，星期三4.2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，又能保证一定的测量精度。传统：手动切换第17页，共68页，2023年，2月20日，星期三两个问题：

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量程自动切换第18页，共68页，2023年，2月20日，星期三4.2量程自动切换量程切换的依据第19页，共68页，2023年，2月20日，星期三4.2量程自动切换量程切换的依据不能使数据溢出，要求或第20页，共68页，2023年，2月20日，星期三4.2量程自动切换相对误差要求：或第21页，共68页，2023年，2月20日，星期三4.2量程自动切换量程判别条件第22页，共68页，2023年，2月20日，星期三4.2量程自动切换模拟判别的方法――窗口比较器。图4－2－1，

通常取：过量程欠量程第23页，共68页，2023年，2月20日，星期三4.2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。第24页，共68页，2023年，2月20日，星期三量程切换的方法程控放大器和程控衰减器量程（上限）值第25页，共68页，2023年，2月20日，星期三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”。第26页，共68页，2023年，2月20日，星期三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4－2－3第27页，共68页，2023年，2月20日，星期三4.3超限自动报警重要参数上下限检查报警程序设计：比较方法采样、数字滤波以及标度变换、比较第28页，共68页，2023年，2月20日，星期三上限处理下限处理第29页，共68页，2023年，2月20日，星期三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。第30页，共68页，2023年，2月20日，星期三锅炉报警电路原理图第31页，共68页，2023年，2月20日，星期三软件设计－控制报警报警参数和标志存放地址的分配：①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”；②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；③5个报警点分别存放在30H~34H内部RAM中。水位上、下限用MAX1、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30H~34H单元。第32页，共68页，2023年，2月20日，星期三第33页，共68页，2023年，2月20日，星期三4.4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第34页，共68页，2023年，2月20日，星期三第35页，共68页，2023年，2月20日，星期三硬件实现-模拟显示

线性、非线性线性模拟仪表非线性模拟仪表测量通道不包含任何非线性环节包含非线性环节表头指针偏转角θ与被测量x的关系线性关系非线性关系表盘刻度线性均匀刻度非线性非均匀刻度标定方法两点定标多点定标：加多个标准输入量x1,x2,…,xn，在表头指针偏转θ1,θ2，…，θn所指度盘处各刻一刻线，并在刻线处依次标出x1,x2,…,xn的值。典型实例普通万用表上电流、电压刻度普通万用表上电阻刻度第36页，共68页，2023年，2月20日，星期三硬件实现--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成非线性关系第37页，共68页，2023年，2月20日，星期三硬件实现--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第38页，共68页，2023年，2月20日，星期三硬件实现--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)；E—A/D转换器满量程输入电压；DFS—A/D转换器满量程输出数字。实现标度变换的条件：

第39页，共68页，2023年，2月20日，星期三硬件实现--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。第40页，共68页，2023年，2月20日，星期三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第41页，共68页，2023年，2月20日，星期三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=２V，要求A/D转换器直接输出公斤数即

第42页，共68页，2023年，2月20日，星期三硬件实现--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。第43页，共68页，2023年，2月20日，星期三硬件实现—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。第44页，共68页，2023年，2月20日，星期三软件实现方法—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；DH，DL—NH，NL对应的A/D转换结果；Di—被测量Ni对应的A/D转换结果。第45页，共68页，2023年，2月20日，星期三例4—4－2某微机化温度测量仪表的量程为100～900℃，利用单片机803l和ADC0809进行A／D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０CDH，求此时对应的温度值是多少?(设仪表的量程是线性的)第46页，共68页，2023年，2月20日，星期三软件实现--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第47页，共68页，2023年，2月20日，星期三4.5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z≈y)的方法第48页，共68页，2023年，2月20日，星期三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,y2…yn，并记下对应的输出读数(A/D转换结果)x1,x2…xn。这样就获得n对输入/输出数据(xi,yi)，(i=1,2…n)这些“标定”数据就是y=f(x)的离散方式描述。第49页，共68页，2023年，2月20日，星期三4.5.1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=1,2…n)。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A／D转换，有256个数据需占用一页内存，12位A／D转换则需4K内存。第50页，共68页，2023年，2月20日，星期三4.5.2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。第51页，共68页，2023年，2月20日，星期三直线插值第52页，共68页，2023年，2月20日，星期三抛物线插值第53页，共68页，2023年，2月20日，星期三4.4.3拟合法要求z=φ(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=φ(x)被称为拟合曲线。最小二乘法第54页，共68页，2023年，2月20日，星期三4.6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。第55页，共68页，2023年，2月20日，星期三一、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。克服随机干扰第56页，共68页，2023年，2月20日，星期三一、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第57页，共68页，2023年，2月20日，星期三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。第58页，共68页，2023年，2月20日，星期三4.6.2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。第59页，共68页，2023年，2月20日，星期三4.6.2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。第60页，共68页，2023年，2月20日，星期三4.6.2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第61页，共68页，2023年，2月20日，星期三4.6.2平均滤波四、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。第62页，共68页，2023年，2月20日，星期三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