传感器数据采集技术 ppt课件

1. 要求所设计的数据采集装置需要有1℃的分辨率， 求两个ADC能不能满足测试要求
2. 要求所设计的数据采集装置测量精度达到100uV， 求两个ADC能不能满足测试要求
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三、数据采集装置的技术性能
技术指标： A/D转换器的采样速度选择 例题2：某16路模拟输入信号，每个输入信号要求采
样频率为1000次/s，那么选择的A/D转换器的采样 时间必须小于多少。
传感器数据采集技术
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自动检测系统结构框图
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本节重点
1. 数据采集装置的组成 2. 数据采集装置的结构配置 3. 数据采集装置的技术性能 4. 数据采集装置的发展
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一、数据采集系统的组成
典型的数据采集系统(DAS)
主要包括多路模拟开关（MUX）、信号滤波与放 大电路（IA）、采样/保持电路（S/H）、 模/数转 换电路A／D等。
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三、智能仪表的标度变换
标度变换原理
Ym Y0 Yx Y0 Nm N0 Nx N0
式中 Ym——传感器输出上限
Y0——传感器输出下限
Yx——传感器输出实际值
Nm——ADC上限对应的数字量
N0——ADC下限对应的数字量
Nx——ADC实际值对应的数字量
为了测量方便，通常将被测参数的下限Y0所对应的A/D转换值
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二、数据采集系统的结构配置
（2）每个通道一个IA，共享A/D转换器的结构配置
优点：仅用一个ADC，因此投资较少，多路模拟开关处理高 电平信号，MUX可能引入的误差减小。
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二、数据采集系统的结构配置
（3）每个通道一个IA和一个A/D转换器的结构配置 （同时采集系统）
这种方案能够很好地满足同时检测多个模拟信号的要 求，适用于高速的数据采集系统，但成本较高。
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一、数据采集系统的功能
功能：对多个被测参量进行自动连续扫描、集中 监视、数字显示和打印制表等。 在确定它的结构时，必须综合考虑的问题有： 1. 参数变化的速率 2. 分辨率 3. 精度 4. 通道数
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二、数据采集系统的结构配置
（1）共享测量放大器IA和A/D转换器(包括SHA)的 结构配置
现不同的滤波效果
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二、智能仪表的数字滤波技术
常用的数字滤波方法： 1. 算术平均值法 2. 加权平均值法 3. 中位值法 4. 一阶惯性滤波法 5. 抑制脉冲算术平均法
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二、智能仪表的数字滤波技术
算术平均值法
对同一采样点连续采样N次，取其平均值作为测量值
Y
1 N
N i 1
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二、数据采集系统的结构配置
以上三种方案的多路转换结构均为单端形式 缺点：各输入信号均以一个公共点为参考，并通过导线将这个 公共点与放大器、ADC的参考点联接起来。由于这两个参考 点可能不处于同一电位，因而会出现电位差UCM，形成干扰 信号。
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二、数据采集系统的结构配置
（4）差动结构配置
特点：隔离性能好、抗干扰能力强、精度高、容易实 现的特点。 广泛使用在温度、压力和流量等方面的检测。
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三、数据采集装置的技术性能
技术指标： 1. 通道数目 2. 分辨率 3. 精度 4. 采样速度
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三、数据采集装置的技术性能
技术指标：
A/D转换器的分辨率及精度选择
例题1：某测温热电偶，在（0，450℃）的温度范围 内，输出电压为0—25mv。目前手上有8位和12位 的ADC。
② A/D转换器的转换过程需要一定的时间，一般在几十 微秒到几十毫秒。因此，当通道数较多及输入信号的变化较快 时，即使用高速的A/D转换器也难以胜任。
③ 这种采集系统是分时采样，每采样一次就进行一次 A/D转换，送入内存后才对下一个采样点进行采样。因此每个 采样点之间存在一个时差，这就使得各通道采样值在时轴上产 生扭斜现象，输入通道的数目越多，这种扭斜现象越严重。
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四、数据采集装置的发展
发展趋势： 1. 集成化（模块化） 2. 体积小 3. 成本低 4. 应用方便
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智能仪表的组成及功能
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本节重点
1. 智能仪表的特点 2. 智能仪表的数字滤波技术 3. 智能仪表的标度变换 4. 智能仪表的非线性补偿技术
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式中 ai——第i次测量值的加权系数
适用于系统纯滞后较大的受控对象。
权系数需要在现场反复调整，花费时间长。所以这种
方法在实际使用中不太常用。
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二、智能仪表的数字滤波技术
中位值法
对同一采样点连续采样3次，以其中间值作为本次采 样时刻的测量值
若X1 X 2 X 3
则取Y X 2
式中 ai——第i次测量值的加权系数
运放IA接成差动输入、单端输出，多路模拟开关采用 双通道输出结构，信号源的参考点（即接地点）和IA、 A/D的参考点不需要用导线连接，具有较强的抑制共 模干扰能力。
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二、数据采集系统的结构配置
（5）模拟量隔离的结构配置
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二、数据采集系统的结构配置
采用电压频率转换器（VFC）和频率电压转换器 （FVC）构成的隔离式数据采集装置，它将模拟信号 转变成开关量信号以实现光电隔离和远距离传递。
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一、智能仪表的特点
1. 微处理器化 2. 采用总线结构和标准化接口 3. 广泛使用键盘、CRT显示等技术，使检测结果可视
化，而且操作方便 4. 智能仪表在结构上模块化发展
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二、智能仪表的数字滤波技术
数字滤波的优点： 1. 不需增加硬件，只需在软件中加入数字滤波程序 2. 多个输入通道共用一个滤波器，经济性好。 3. 不依赖硬件，可靠性高，不存在阻抗匹配问题 4. 使用灵活，只要改变滤波程序段或参数，就可以实
Xi
式中 Y——N次测量的平均值
Xi——第i次测量值 N——测量次数
对周期性波动信号有良好的平滑作用。优点是程序简 单，计算速度快。
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二、智能仪表的数字滤波技术
加权平均值法
对同一采样点连续采样N次，取其加权平均值作为测
量值
Y
1 N
N
ai X i
i 1
N
(0 ai 1, ai 1) i 1
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四、智能仪表的非线性补偿技术
智能仪表非线性产生原因： 1. 许多传感器的转换原理为非线性 2. 所采用的测量电路为非线性 解决办法： 1. 缩小测量范围，即选取非线性特性中的一段。 2. 指示仪表为非线性刻度 3. 增加非线性补偿环节，即线性化器件
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定为零，即N0=0，因此上式可以改写为
Yx
Y0
Ym Y0 Nm
Nx
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三、智能仪表的标度变换
标度变换原理 某热处理炉温度测量仪表的量程为200～800℃， 设该 仪表的量程是线性的，在某一时刻计算机经8位A/D转 换、 数字滤波后得到的数字量为CDH ，求此时炉温 是多少？
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中位值法能够有效的滤除脉冲干扰。但它不适用于快
速变化的过程变量。
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二、智能仪表的数字滤波技术
一阶惯性滤波法（数字低通滤波器）
T
Y
(i)
T
T1 (1
)Y
(i
1)
X
(i)
式中 T——采样周期
T1——模拟低通滤波器时间常数 X(i)——第i次测量值
Y(i)和Y(i-1)分别为第i次和第i-1次数字滤波器
的输出值 有效的减少周期性干扰，对随机干扰抑制能力较差。
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二、智能仪表的数字滤波技术
抑制脉冲算术平均法 算术平均值法和中位值法结合起来，称为抑制脉冲算 术平均法，它综合了二者的优势。
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三、智能仪表的标度变换
ADC的输出量为00H-FFH之间的数据量，为了显示， 记录等这就是标度变换，又称为工程量变换。变换的前 提条件是测量值与工程量值的关系为线性。
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二、数据采集系统的结构配置
优点：系统分辨率高，仅用一个ADC，因此投资少 这种结构形式适用于慢变化过程对象及传感器输出电压较高的 场合。
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二、数据采集系统的结构配置
缺点：
① 当传感器的输出电压较小时，对多路模拟开关的要求 很高，甚至要求能接收微伏级的信号，一般的多路模拟开关很 难满足要求。