传感器数据采集技术PPT课件
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22
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
实现不同的滤波效果
23
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
16
SUCCESS
THANK YOU
2019/7/31
ห้องสมุดไป่ตู้
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。
18
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
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。
8
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。
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。 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。
14
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
11
二、数据采集系统的结构配置
（4）差动结构配置
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。
12
二、数据采集系统的结构配置
（5）模拟量隔离的结构配置
13
二、数据采集系统的结构配置
传感器数据采集技术
自动检测系统结构框图
2
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
3
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。
24
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
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。
25
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
9
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。
10
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。
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。
7
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。
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。
4
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
5
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
6
二、数据采集系统的结构配置
15
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。
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
19
智能仪表的组成及功能
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
21
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
量值
Y
1 N
N
ai X i
i 1
N
(0 ai 1, ai 1) i 1
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。
26
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
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。
27
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
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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ห้องสมุดไป่ตู้
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。
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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
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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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。
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。 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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二、数据采集系统的结构配置
（4）差动结构配置
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
传感器数据采集技术
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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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
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
9
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。
10
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。
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。
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。
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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
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二、数据采集系统的结构配置
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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。
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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智能仪表的组成及功能
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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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
量值
Y
1 N
N
ai X i
i 1
N
(0 ai 1, ai 1) i 1
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
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