第6章 6.3 测量数据预处理技术.ppt

1、6.3 测量数据预处理技术,6.3.1 系统误差的自动校准 6.3.2 线性化处理和非线性补偿 6.3.3 标度变换方法 6.3.4 越限报警处理,传感器把生产过程的信号转换成电信号，然后用AD转换器把模拟信号变成数字信号，读入计算机中，完成数据的采集。 对于这样得到的数据，一般要进行一些预处理，其中最基本的处理有线性化处理、标度变换和系统误差的自动校准。,6.3.1 系统误差的自动校准,系统误差：是指在相同条件下，经过多次测量，误差的数值(包括大小符号)保持恒定，或按某种已知的规律变化的误差。 特点：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，原则上讲，系

2、统误差是可以通过适当的技术途径来确定并加以校正的。 方法：偏移校准在实际中应用最多，并且常采用程序来实现，称为数字调零。(模拟电路中常用),除了数字调零外，还可以采用偏移和增益误差的自动校准。自动校准的基本思想是在系统开机后或每隔一定时间自动测量基准参数，如数字电压表中的基准参数为基准电压和零电压，然后计算误差模型，获得并存贮误差补偿因子。在正式测量时，根据测量结果和误差补偿因子，计算校准方程，从而消除误差。,调零电路的实现：在测量时，先把多路输入接到所需测量的一组输入电压上进行测量，测出这时的输入值为x1，然后把多路开关的输入接地，测出零输入时AD转换器的输出为x0，用x1减去x0即为实际输

3、入电压x= x1 x0 。,1. 全自动校准,全自动校准由系统自动完成，不需人的介入。该电路的输入部分加有一个多路开关。系统在刚上电时或每隔一定时间时，自动进行一次校准。这时，先把开关接地，测出这时的输入值x0，然后把开关接VR，测出输入值x1，并存放x1、x0，在正式测量时，如测出的输入值为x，则这时的V可用下式计算得出：（公式推导见讲稿2P30）,采用这种方法测得的V与放大器的漂移和增益变化无关，与VR的精度也无关（？）。这样可大大提高测量精度，降低对电路器件的要求。,2.人工自动校准,全自动校准只适于基准参数是电信号的场合，并且它不能校正由传感器引入的误差。为了克服这种缺点，可采用人工自

4、动校准。 人工自动校准的原理与全自动校准差不多，是由人工在需要时接入标准的参数进行校准测量，把测得的数据存贮起来，供后使用。一般人工自动校准只测一个标准输入信号yR，零信号的补偿由数字调零来完成。设数字调零后测出的数据分别为xR(接校准输入yR时)和x(接被测输入y时)，则可按下式来计算y。,如果在校准时，计算并存放yRxR的值，则测量校准时，只需进行一次乘法即可。,人工自动校准特别适于传感器特性随时间会发生变化的场合。如常用的湿敏电容等湿度传感器。,有时校准输入信号yR不容易得到，这时可采用现时的输入信号yi。校准时，计算机测出这时的对应输入xi，而人采用其它的高精度仪器测出这时的yi，并输

5、入计算机中，然后计算机计算并存放yixi的值，代替前面的yRxR来作校准系数。,6.3.2 线性化处理和非线性补偿 1.铂热电阻的阻值与温度的关系 -2000度：Rt=R01+At+Bt2+C(t-100)t3 0850度：Rt=R01+At+Bt2 其中：A=3.9080210-3 -1 B=-5.80210-7 -1 C=-4.2735010-12 -1 R0=100(0 时的电阻值),2.热电偶的热电势与温度的关系 0400: T=a4E4+a3E3+a2E2+a1E 4001000: T=b4E4+b3E3+b2E2+b1E+b0,对非线性曲线处理，一般有两种方法： （1）分段线性化：

6、利用多段折线代替曲线，然后利用线性化公式计算求取结果。 （2）分度表法：离线计算出输入值与输出值的对应关系，然后利用查表法求取。,分段线性化法是将函数根据其变化情况分成几段，然后将每一段区间分别用直线去逼近。分段插值的分段点的选取可按实际曲线的情况灵活决定，既可以采用等距分段法，又可采用非等距分段法。,如热敏电阻温度t与阻值R的插值多项式，其计算量较大，程序也较复杂。为使计算简单，提高实时性，可采用分段线性插值公式或称分段线性化的方法，即用多段折线代替曲线进行计算。,图中曲线为热敏电阻的负温度-电阻特性，折线L0、L1、L2代替或逼近曲线。当获取某个采样值R后，先判断R的大小处于哪一折线段内，

7、然后就可按相应段的线性化公式计算出标度变换值。其计算公式是：,k0(R - R0) + t3 R0RR1 t = k1(R - R1) + t2 R1RR2 k2(R R2) + t1 R2RR3 式中k0、k1、k2分别为线段L0、L1、L2的斜率。,分段数越多，线性化精度越高，软件开销也相应增加。分段数应视具体情况和要求而定。,分度表法：,所谓分度表法就是把事先计算或测得的数据按照一定顺序编制成表格，查表程序的任务就是根据被测参数的值或者中间结果，查出最终所需要的结果。它是一种非数值计算方法，利用这种方法可以完成数据的补偿、计算、转换等各种工作。比如输入通道中对热电偶特性的处理，可以用非线

8、性插值法进行标度变换，也可以采用精度更高效果更好的查表法进行标度变换利用热电偶的mV-分度表，通过计算机的查表指令就能迅速便捷地由电势mV值查到相应的温度值；当然控制系统中还会有一些其它参数或表格也是如此，如对数表、三角函数表、模糊控制表等。,3.孔板差压与流量的关系,补：牛顿迭代法 对非线性方程f(x)=0， 将f(x)在x0处展开为台劳级数：,令f(x)=0，则x必定是上式的根。为了计算方便，只保留前两项，就可以得到迭代法求x近似值的公式：,迭代形式为：,对,4.气体体积流量的非线性补偿,6.3.3 标度变换方法,计算机控制系统在读入被测模拟信号并转换成数字量后，往往要转换成操作人员所熟悉

9、的工程值。这是因为被测量对象的各种数据的量纲与AD转换的输入值是不一样的。例如，压力的单位为Pa，流量的单位为m3h，温度的单位为等。这些参数经传感器和AD转换后得到一系列的数码，这些数码值并不一定等于原来带有量纲的参数值，它仅仅对应于参数值的大小，故必须把它转换成带有量纲的数值后才能运算、显示或打印输出，这种转换就是标度变换。,下图为标度变换原理图，这是一个温度测控系统，某种热电偶传感器把现场中的温度 0 1200转变为048mV信号，经输入通道中的运算放大器放大到05V，再由8位A/D转换成00FFH的数字量，这一系列的转换过程是由输入通道的硬件电路完成的。,标度变换原理图,CPU 读入该

10、数字信号在送到显示器进行显示以前，必须把这一无量纲的二进制数值再还原变换成原量纲为的温度信号。比如，最小值00H应变换对应为0、最大值FFH应变换对应为1200。,这个标度变换的过程是由算法软件程序来完成的，标度变换有各种不同的算法，它取决于被测参数的工程量与转换后的无量纲数字量之间的函数关系。一般而言，输入通道中的放大器、A/D转换器基本上是线性的，因此，传感器的输入输出特性就大体上决定了,标度变换有各种类型，它取决于被测参数的传感器的类型，应根据实际要求来选用适当的标度变换方法。 1线性变换公式 2公式转换法 3其它标度变换法,线性标度变换是最常用的标度变换方式，其前提条件是传感器的输出信

11、号与被测参数之间呈线性关系，如图所示。,1.线性变换公式,Y=(Ymax-Ymin)(X-Nmin)(Nmax-Nmin)+Ymin Y表示参数测量值，Ymax表示参数量程最大值，Ymin表示参数量程最小值，Nmax表示 Ymax对应的AD转换后的输入值，Nmin表示量程起点Ymin对应的AD转换后的输入值，X表示测量值Y对应的AD转换值。公式推导见讲稿2P34,编程用的标度变换子程序公式简化为:,式中：,例：某加热炉温度测量仪表的量程为200 800，在某一时刻计算机系统采样并经数字滤波后的数字量为CDH，求此时的温度值是多少？(设该仪表的量程是线性的)。,解：根据式(6.3.12)式，已知

12、，Ymin = 200, Ymax= 800，x = CDH = (205)D，Nmax= FFH = (255)D，Nmin=0。所以此时的温度为,= 682,Y=(Ymax-Ymin)(X-Nmin)(Nmax-Nmin)+Ymin,2.公式转换法 有些传感器测出的数据与实际的参数不是线性关系，它们有着由传感器和测量方法决定的函数关系，并且这些函数关系可用解析式来表示，这时我们可采用直接按解析式来计算。 3.其它标度变换法 许多非线性传感器并不象上面讲的流量传感器那样，可以写出一个简单的公式，或者虽然能够写出，但计算相当困难。这时可采用多项式插值法，也可以用线性插值法或查表进行标度变换。,

13、6.3.4 越限报警处理,越限报警是工业控制过程常见而又实用的一种报警形式，它分为上限报警、下限报警及上下限报警。如果需要判断的报警参数是xn，该参数的上下限约束值分别是xmax和xmin，则上下限报警的物理意义如下： (1)上限报警 若xnxmax，则上限报警，否则继续执行原定操作。 (2)下限报警 若xnxmin，则下限报警，否则继续执行原定操作。 (3)上下限报警 若xnxmax，则上限报警，否则对下式做判别； xnxmin否?若是则下限报警，否则继续原定操作。 根据上述规定，程序可以实现对被控参数y、偏差e以及控制量u进行上下限检查。,具体设计报警程序时，为了避免测量值在极限值一点处来回摆动造成频繁报警，一般应在极限值附近设置一个回差带，如图所示:,图中XH、XL是上、下限约束值，2e为回差带宽。当被测值超越XHe时，才算越过上限报警值并设置相应的越上限标志（上限标志位置1），同时输出越上限的声、光报警；