提高测量精度7大技巧
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注：稳定时间是指信号被放大到特定精度时所需的总时间
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25
滤波
低通滤波器
时域 时域
频域
频域
•
•
移除噪声信号 抑制冗余频率信号
ni.com/china | NI CONFIDENTIAL
26
NI信号调理——连接任何传感器
ni.com/china | NI CONFIDENTIAL
(5kHz 正弦波)
10.00 8.75 7.50 6.25 Amplitude 5.00 (volts) 3.75 2.50 1.25 0
|
111 110 101 100 011 010 001 000
| | | |
16-bit resolution 3-bit resolution
0
50
100 Time (ms)
+
信号源
VS
-
VM
测量系统
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37
终端模式：差分模式(Differential)
•
差分模式
• •
每个信号使用两个通道
o
ACH 0 与 ACH 8, ACH 1 与 ACH 9, 等等.
抑制共模电压和共模噪声
ACH (n)
+
Instrumentation Amplifier
+ −
+
10 mV
Motor
−
~
ni.com/china | NI CONFIDENTIAL
35
选择合理的接线方法
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36
接地方式
为了实现正确测量，需合理选择系统接地方式 • 接地基本步骤:
•
– –
确认信号是如何接地的 针对测量系统选择接地方式
– Mux
+
+
Gain PGIA Block
–
+
ADC
ADC Ref
–
增益后 漂移误差 温度漂移 非线性
12
ADC 增益和漂 移 ADC INL 错误
随机噪声 (相对于输入)
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不确定性中的几个固定的误差
量化误差 • 内在系统噪声 • 漂移误差 • 增益误差 • 非线性
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43
选择您的测量系统
信号源
接地
+ V _s
浮地
+ V _s
差分
RSE
NRSE
44
差分
RSE
NRSE
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接地信号测量方式
+ 抑制共模电压 - 通道数减半
最好
差分方式
- 产生接地环路，可能损害设备 RSE + 允许使用全部通道数 - 无法抑制共模电压
•
噪声源离DAQ设备、线缆以及传感器越远越好
ni.com/china | NI CONFIDENTIAL
30
合理的放置
•
DAQ设备离传感器越近越好
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31
合理的放置
•
如果实际情况不允许实现上述原则……
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27
技巧 三
合理的放置与屏蔽
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测量噪声基础
•
加入测量信号的任何冗余信号
•
电磁干扰
•
电场, 磁场, 无线电波 电机, 照明设施, 阴极射线管, 手机等
•
常见噪声源
•
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29
合理的放置
16
NI 产品测量精度的认证
•
NI 中国提供本地的产品校准服务
• •
与上海计量院合作 建议使用2年后校准一次
•
NI 数据采集设备支持自校准功能
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17
技巧 二
对传感器进行信号调理
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什么情况下你需要信号调理？
Instrumentation Amplifier
+
VS
+ VM _
AISENSE
_
_
AIGND
测量系统
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39
终端模式：非参考单端模式(NRSE)
•
非参考单端模式
• • • •
每个信号一个通道 以AISENSE为参考端进行测量 AISENSE 是浮动端 不能抑制共模电压
•
非wk.baidu.com性
理想
量化误差
Vmeasured
漂移
增益
系统噪声
Vinput
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13
影响测量精度的几个变化的误差
• •
相对于时间的漂移 相对于环境的漂移
24 Hrs
90 Days
1 Year
?
Error
Time
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14
NI产品提供绝对精度列表
绝对精度 = (读数 x 增益误差) + (范围 x 偏移误差) + 不确定噪声
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15
NI 产品测量精度的认证
•
所有NI的数据采集设备都带有 NIST-Traceable认证的校准证书
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32
合理的屏蔽
不要让你的信号输在起跑线上！！
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33
技巧 四
正确的接地方式
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接地环路问题
•
当两个“地”同时连接在电路中时，会产生电流，导致测试出现 问题
AI +
10 mV
AI GND
ni.com/china
提高测量精度的七大技巧
周冠雄
美国国家仪器应用工程师
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National Instruments 公司概况
• 收益超过30年强劲增长 • 全球超过40个国家、6000名员 工 • 年收益的16%被用于研发和创新 • 连续13年被《财富》杂志评为美 国最适合工作的100家公司之一
VS
+
_ ACH (n + 8) AISENSE AIGND
+ VM _
_
测量系统
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38
终端模式：参考单端模式(RSE)
•
参考单端模式
• • •
以系统地为参考进行测量 每个信号使用一个通道 不能抑制共模电压
ACH (n) ACH (n + 8) +
41
接地信号源
信号源 接地
+ Vs _
•
信号与系统地相关
– –
大地 建筑地
•
举例:
–
– –
电源 信号发生器 需要插座的任何电子设备
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42
浮地信号源
信号源
• 信号不与系统地相关
– 大地 – 建筑地
浮地
+ Vs _
•
举例:
– – – – 干电池 热电偶 变压器 带隔离的放大器
Vendor 4
Vendor 4
“National Instruments, which is the leading vendor in the global market, is the leader in the Chinese market as well, as customers prefer it to due to its product relevance and robust product line” Source: Chinese DAQ HW and SW Market Report by Frost & Sullivan
更好
RSE
好
NRSE
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46
技巧 五
使用隔离
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抑制共模噪声
•
使用单端测量，噪声进入单条线中
AI+ AI GND
+
•
通过差分测量方式，噪声分别引入+/-两条线中， 因此被成功抑制
AI+
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3
NI公司在全球数据采集产品市场中的地位
National Instruments Vendor #1 Vendor #2 Vendor #3 Vendor #4 Vendor #5
0%
31.6% 9.4% 8.8% 7.5% 6.8% 4.8%
• •
使难以测量的信号易于测量 提高测量精度，确保安全性
信号调理
包含噪音的小电压信号 滤波和放大后的信号
• 可直接连接传感器 •
某些传感器需要特定激励
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20
信号调理的常用类型
传感器/信号
热电偶
信号调理
放大、线性化和冷端补偿
热电阻（RTDs） 应变片
150
200
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10
模拟信号基础知识－绝对精度
绝对精度
测量值
不确定范围
输入值
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11
不确定度的来源
Cal. Ref.
参考量随时间漂移 参考量随温度漂移
增益前的漂移误差 增益前的温度漂移 增益前的非线性 增益误差 增益温度
AI-
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48
共模电压
•
思考：DAQ设备读数为多少V？
AI +
8.5 V
±
7V
+ −
+ 8.5 -7 = 1.5 V −
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5
典型的数据采集系统（DAQ）
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6
绝对精度
分辨率
PGIA 2 技术
自标定
从数据采集设备自身谈起……
ni.com/china | NI CONFIDENTIAL
7
技巧 一
理解硬件技术指标
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分辨率=精度？
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9
模拟信号的基础知识－分辨率(resolution)
• •
3-bit 分辨率能表示8个电压等级 16-bit 分辨率能表示65,536电压等级
16-Bit 与 3-Bit 分辨率对比
电流激励和线性化
电压激励、桥路配置和线性化
共模或高压信号 大电流或者交流开关 带有高频噪音的信号
隔离放大(光偶隔离)
数据采集设备
电磁继电器或固态继电器
低通滤波器
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21
NI-PGIA 2 放大器技术
为确保测量的准确性，NI M系列产品采用NI-PGIA 2技术 • 自定义的仪器级放大器 • 快速稳定时间
+
VS
ACH (n) +
Instrumentation Amplifier
ACH (n + 8) _ AISENSE AIGND
+ VM _
_
测量系统
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40
信号源分类
信号源 接地
+ Vs _
浮地
+ Vs _
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50% 100%
Figure 2.7 presents the company market share by revenues in the data acquisition boards, modules & software (not including interface-based data acquisition) market.. All other vendors have less than 4.8% market share. Source: Figure 2-7: Data Acquisition Systems Market: Company Market Share by Revenues (World), 2005, Frost & Sullivan World Data Acquisition Boards Modules Software and Interface-Based Markets 2006
不推荐
好
NRSE
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45
浮地信号测量方式
+ 抑制共模电压 - 通道数减半 - 需要偏置电阻 + 允许使用全部通道数 + 不需要偏置电阻 - 无法抑制共模电压 + 允许使用全部通道数 - 需要偏置电阻 - 无法抑制共模电压
最好
Differential
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4
NI公司在中国数据采集产品市场中的地位
Vendor 1
Vendor 2 Vendor 3
Data Acquisition Hardware and Software Market: Competitive Analysis (China), 2009 Source: Frost & Sullivan
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滤波
低通滤波器
时域 时域
频域
频域
•
•
移除噪声信号 抑制冗余频率信号
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NI信号调理——连接任何传感器
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(5kHz 正弦波)
10.00 8.75 7.50 6.25 Amplitude 5.00 (volts) 3.75 2.50 1.25 0
|
111 110 101 100 011 010 001 000
| | | |
16-bit resolution 3-bit resolution
0
50
100 Time (ms)
+
信号源
VS
-
VM
测量系统
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37
终端模式：差分模式(Differential)
•
差分模式
• •
每个信号使用两个通道
o
ACH 0 与 ACH 8, ACH 1 与 ACH 9, 等等.
抑制共模电压和共模噪声
ACH (n)
+
Instrumentation Amplifier
+ −
+
10 mV
Motor
−
~
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35
选择合理的接线方法
ni.com/china | NI CONFIDENTIAL
36
接地方式
为了实现正确测量，需合理选择系统接地方式 • 接地基本步骤:
•
– –
确认信号是如何接地的 针对测量系统选择接地方式
– Mux
+
+
Gain PGIA Block
–
+
ADC
ADC Ref
–
增益后 漂移误差 温度漂移 非线性
12
ADC 增益和漂 移 ADC INL 错误
随机噪声 (相对于输入)
ni.com/china | NI CONFIDENTIAL
不确定性中的几个固定的误差
量化误差 • 内在系统噪声 • 漂移误差 • 增益误差 • 非线性
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43
选择您的测量系统
信号源
接地
+ V _s
浮地
+ V _s
差分
RSE
NRSE
44
差分
RSE
NRSE
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接地信号测量方式
+ 抑制共模电压 - 通道数减半
最好
差分方式
- 产生接地环路，可能损害设备 RSE + 允许使用全部通道数 - 无法抑制共模电压
•
噪声源离DAQ设备、线缆以及传感器越远越好
ni.com/china | NI CONFIDENTIAL
30
合理的放置
•
DAQ设备离传感器越近越好
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31
合理的放置
•
如果实际情况不允许实现上述原则……
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27
技巧 三
合理的放置与屏蔽
ni.com/china | NI CONFIDENTIAL
测量噪声基础
•
加入测量信号的任何冗余信号
•
电磁干扰
•
电场, 磁场, 无线电波 电机, 照明设施, 阴极射线管, 手机等
•
常见噪声源
•
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29
合理的放置
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NI 产品测量精度的认证
•
NI 中国提供本地的产品校准服务
• •
与上海计量院合作 建议使用2年后校准一次
•
NI 数据采集设备支持自校准功能
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技巧 二
对传感器进行信号调理
ni.com/china | NI CONFIDENTIAL
什么情况下你需要信号调理？
Instrumentation Amplifier
+
VS
+ VM _
AISENSE
_
_
AIGND
测量系统
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终端模式：非参考单端模式(NRSE)
•
非参考单端模式
• • • •
每个信号一个通道 以AISENSE为参考端进行测量 AISENSE 是浮动端 不能抑制共模电压
•
非wk.baidu.com性
理想
量化误差
Vmeasured
漂移
增益
系统噪声
Vinput
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13
影响测量精度的几个变化的误差
• •
相对于时间的漂移 相对于环境的漂移
24 Hrs
90 Days
1 Year
?
Error
Time
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14
NI产品提供绝对精度列表
绝对精度 = (读数 x 增益误差) + (范围 x 偏移误差) + 不确定噪声
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15
NI 产品测量精度的认证
•
所有NI的数据采集设备都带有 NIST-Traceable认证的校准证书
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32
合理的屏蔽
不要让你的信号输在起跑线上！！
ni.com/china | NI CONFIDENTIAL
33
技巧 四
正确的接地方式
ni.com/china | NI CONFIDENTIAL
接地环路问题
•
当两个“地”同时连接在电路中时，会产生电流，导致测试出现 问题
AI +
10 mV
AI GND
ni.com/china
提高测量精度的七大技巧
周冠雄
美国国家仪器应用工程师
ni.com/china | NI CONFIDENTIAL
National Instruments 公司概况
• 收益超过30年强劲增长 • 全球超过40个国家、6000名员 工 • 年收益的16%被用于研发和创新 • 连续13年被《财富》杂志评为美 国最适合工作的100家公司之一
VS
+
_ ACH (n + 8) AISENSE AIGND
+ VM _
_
测量系统
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终端模式：参考单端模式(RSE)
•
参考单端模式
• • •
以系统地为参考进行测量 每个信号使用一个通道 不能抑制共模电压
ACH (n) ACH (n + 8) +
41
接地信号源
信号源 接地
+ Vs _
•
信号与系统地相关
– –
大地 建筑地
•
举例:
–
– –
电源 信号发生器 需要插座的任何电子设备
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42
浮地信号源
信号源
• 信号不与系统地相关
– 大地 – 建筑地
浮地
+ Vs _
•
举例:
– – – – 干电池 热电偶 变压器 带隔离的放大器
Vendor 4
Vendor 4
“National Instruments, which is the leading vendor in the global market, is the leader in the Chinese market as well, as customers prefer it to due to its product relevance and robust product line” Source: Chinese DAQ HW and SW Market Report by Frost & Sullivan
更好
RSE
好
NRSE
ni.com/china | NI CONFIDENTIAL
46
技巧 五
使用隔离
ni.com/china | NI CONFIDENTIAL
抑制共模噪声
•
使用单端测量，噪声进入单条线中
AI+ AI GND
+
•
通过差分测量方式，噪声分别引入+/-两条线中， 因此被成功抑制
AI+
ni.com/china | NI CONFIDENTIAL
3
NI公司在全球数据采集产品市场中的地位
National Instruments Vendor #1 Vendor #2 Vendor #3 Vendor #4 Vendor #5
0%
31.6% 9.4% 8.8% 7.5% 6.8% 4.8%
• •
使难以测量的信号易于测量 提高测量精度，确保安全性
信号调理
包含噪音的小电压信号 滤波和放大后的信号
• 可直接连接传感器 •
某些传感器需要特定激励
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20
信号调理的常用类型
传感器/信号
热电偶
信号调理
放大、线性化和冷端补偿
热电阻（RTDs） 应变片
150
200
ni.com/china | NI CONFIDENTIAL
10
模拟信号基础知识－绝对精度
绝对精度
测量值
不确定范围
输入值
ni.com/china | NI CONFIDENTIAL
11
不确定度的来源
Cal. Ref.
参考量随时间漂移 参考量随温度漂移
增益前的漂移误差 增益前的温度漂移 增益前的非线性 增益误差 增益温度
AI-
ni.com/china | NI CONFIDENTIAL
48
共模电压
•
思考：DAQ设备读数为多少V？
AI +
8.5 V
±
7V
+ −
+ 8.5 -7 = 1.5 V −
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5
典型的数据采集系统（DAQ）
ni.com/china | NI CONFIDENTIAL
6
绝对精度
分辨率
PGIA 2 技术
自标定
从数据采集设备自身谈起……
ni.com/china | NI CONFIDENTIAL
7
技巧 一
理解硬件技术指标
ni.com/china | NI CONFIDENTIAL
分辨率=精度？
ni.com/china | NI CONFIDENTIAL
9
模拟信号的基础知识－分辨率(resolution)
• •
3-bit 分辨率能表示8个电压等级 16-bit 分辨率能表示65,536电压等级
16-Bit 与 3-Bit 分辨率对比
电流激励和线性化
电压激励、桥路配置和线性化
共模或高压信号 大电流或者交流开关 带有高频噪音的信号
隔离放大(光偶隔离)
数据采集设备
电磁继电器或固态继电器
低通滤波器
ni.com/china | NI CONFIDENTIAL
21
NI-PGIA 2 放大器技术
为确保测量的准确性，NI M系列产品采用NI-PGIA 2技术 • 自定义的仪器级放大器 • 快速稳定时间
+
VS
ACH (n) +
Instrumentation Amplifier
ACH (n + 8) _ AISENSE AIGND
+ VM _
_
测量系统
ni.com/china | NI CONFIDENTIAL
40
信号源分类
信号源 接地
+ Vs _
浮地
+ Vs _
ni.com/china | NI CONFIDENTIAL
50% 100%
Figure 2.7 presents the company market share by revenues in the data acquisition boards, modules & software (not including interface-based data acquisition) market.. All other vendors have less than 4.8% market share. Source: Figure 2-7: Data Acquisition Systems Market: Company Market Share by Revenues (World), 2005, Frost & Sullivan World Data Acquisition Boards Modules Software and Interface-Based Markets 2006
不推荐
好
NRSE
ni.com/china | NI CONFIDENTIAL
45
浮地信号测量方式
+ 抑制共模电压 - 通道数减半 - 需要偏置电阻 + 允许使用全部通道数 + 不需要偏置电阻 - 无法抑制共模电压 + 允许使用全部通道数 - 需要偏置电阻 - 无法抑制共模电压
最好
Differential
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4
NI公司在中国数据采集产品市场中的地位
Vendor 1
Vendor 2 Vendor 3
Data Acquisition Hardware and Software Market: Competitive Analysis (China), 2009 Source: Frost & Sullivan