第八章 数据处理技术

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号与被测参数之间呈线性关系
工程量 Am Ax A0 N0 Nx Nm 数字量
图 8-12 线性关系的标度变换 线性关系的标度变换
工程量
数字量Nx工程量Ax：
Am
A x ( A m A0 )
Nx N0 Nm N0
Ax
通常，采样周期T 足够小，则a ≈T / Tf ，滤波算法的 截止频率为
f
1 2 RC

a 2 T
当采样周期T一定时，滤波系数 a 越小，数字滤波器 的截止频率 f 就越低 For example，T=0.5s，a =1/32： f = (1/32)/(2×3.14×0.5) ≈ 0.01Hz
y (k )
y m
i 1
1
m
i
一般：流量信号可取10左右，压力信号可取4左右， 温度、等缓变信号可取2甚至不进行算术平均 适用于含周期性干扰的信号
2.去极值平均滤波
算术平均滤波不能将明显的偶然的脉冲干扰消除，只 是把其平均到采样结果中，从而降低了测量精度
去极值平均滤波？
对连续采样的m个数据进行比较，去掉其中的最大值 与最小值，然后计算余下的m-2个数据的算术平均值 适用于经常遇到尖脉冲干扰的信号
+ A0
A0 N0 Nx Nm
数字量
图 8-12 线性关系的标度变换
A0——一次测量仪表的下限（测量范围最小值）
Am——一次测量仪表的上限（测量范围最大值）
Ax——实际测量值(工程量) N0——仪表下限所对应的数字量 Nm——仪表上限所对应的数字量 Nx——实际测量值所对应的数字量
1．顺序查表法
针对无序排列表格 类似人工查表
2． 计算查表法 各数据元素在表中的排列方法及所占的存储器单元个数 都一样的有序表格 根据所给的数据元素Xi ，通过一定的计算，求出元素Xi 所对应的数值的地址 将该地址单元的内容取出即可 关键在于找出一个计算表地址的公式 查表的时间与表格的长度无关 对表格的要求比较严格
取三阶多项式为：t = a3 R 3+ a2 R 2+ a1R + a0
取t=10，17，27，39这4点为插值点，
8.00003 a3 + 8.00002 a2 + 8.0000 a1 + a0 = 10 7.01743 a3 + 7.01742 a2 + 7.0174 a1 + a0 = 17 5.97013 a3 + 5.97012 a2 + 5.9701 a1 + a0 = 27 5.06313 a3 + 5.06312 a2 + 5.0631 a1 + a0 = 39 a3 = －0.2346989 a2 = 6.120273 a1 = －59.28043 a0 = 212.7118 t = －0.2346989 R 3 + 6.120273 R 2－ 59.28043 R + 212.7118
由算法软件程序来完成的 各种不同的算法：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：输入通道中的放大器、A/D转换器基本上是线 性的
传感器的输入输出特性函数关系的表达形式不同 的标度变换方法 主要方法有：线性式变换、非线性式变换、多项式变 换以及查表法
8.3.1
线性式变换
例：热敏电阻测温 热敏电阻的阻值与温度之间的关系是非线性的。 构造三阶多项式P3( R )来逼近这种函数关系
热敏电阻的温度-电阻特性
━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━ 温度 t(℃) 阻值R(kΩ) 温度 t(℃) 阻值R(kΩ) 10 8.0000 26 6.0606 11 7.8431 27 5.9701 12 7.6923 28 5.8823 13 7.5471 29 5.7970 14 7.4074 30 5.7142 15 7.2727 31 5.6337 16 7.1428 32 5.5554 17 7.0174 33 5.4793 18 6.8965 34 5.4053 19 6.7796 35 5.3332 20 6.6670 36 5.2630 21 6.5574 37 5.1946 22 6.4516 38 5.1281 23 6.3491 39 5.0631 24 6.2500 40 5.0000 25 6.1538
Cm > Cm-1 > …C1 > 0
4．滑动平均滤波
前三种共同点：
一个有效采样值连续采样多次
采样速度慢、采样信号变化快？？系统的实时性 滑动平均滤波？ 在每个采样周期只采样一次 将这个值和过去的若干次采样值求平均有效采样值
实时性好
8.2.2 中值滤波
信号的连续m次采样值按大小进行排序 取中间值作为本次的有效采样值 采样次数m应为奇数，一般：3~5次 适于缓变过程中脉动干扰 不适用快速变化过程(如流量)
通常在函数y= f( x )的曲线上曲率大的地方应适当加密 插值点 一般:增加插值点和多项式的次数能提高逼近精度
但同时会增加计算时间
带拐点的函数，如果用一个多项式去逼近，将会产生较 大的误差。
分段插值法：将被逼近的函数根据其变化情况分成几段，每一 段区间分别用直线或抛物线去逼近 分段插值的分段点的选取可按实际曲线的情况灵活决定：等距 分段法or非等距分段法。
能很好地消除周期性干扰和较宽频率的随机干扰信号。
采用不采用、采用哪种，应视具体情况而定
8.3 标度变换
显示、记录、打印和报警 标度变换：把得到的二进制的数字量还原成原来值 的样子
。 0~1200 C
0~48mV 放大
0~5V A/D
00~FFH CPU
。 0~1200 C 显示
图 8-11 标度变换原理图
A x A m A0 ) Nx Nm + A0 200 ) 205 + 200
255
= 682℃
8.3.2
非线性式变换
例：在差压法测流量中，流量与差压间的关系为:
Q K P
Q—— 流体流量 K—— 刻度系数，与流体的性质及节流装 置的尺寸有关 P——节流装置前后的差压。
温度
－k0(R - R0) + t3
R0≤R≤R1
t 3 L0 t2 t1 t0 R0 R1 R2 L1 L2 R3
t=
－k1(R - R1) + t2
－k2(R – R2) + t1
R1≤R≤R2
R2≤R≤R3
k0、k1、k2分别为线段L0、L1、L2的斜率
电阻
图 8-13 热敏电阻特性及分段线性化 热敏电阻特性及分段线性化
用某种计算方法进行数字处理(削弱或滤除干扰噪声造成 的随机误差)
获得一个较真实信号 一种程序滤波 特点？ 修改滤波参数容易 一个滤波程序可被多个通道共用
可以对极低频率的信号进行滤波
常用的简单数字滤波方法：
平均值滤波、中值滤波、限幅滤波和惯性滤波等
8.2.1平均值滤波
对多个采样值进行平均算法
消除随机误差最常用的方法 1. 算术平均滤波 在采样周期T内，对测量信号进行m次采样， 把m个 采样值相加后的算术平均值作为本次的有效采样值
CPU分时巡回采集1路校准电路与n路传感变送器送来的电 压信号 首先:零点偏移值N0 然后:依次采集1、2、… n路， N1、N2、… Nn=实际值+N0
数字调零减法运算
可去掉很多项漂移的影响 降低硬件成本
8.2
数字滤波方法
工业生产的现场环境非常恶劣
硬件电路的滤波处理
仍然混有随机干扰
什么是数字滤波？ 采样多次
8.2.3 限幅滤波 生产过程中许多物理量的变化需要一定的时间相邻 两次采样值之间的变化幅度应在一定的限度之内 限幅滤波? 当| y(k)y(k1)| Y 时，则取 y(k)=(k) 当| y(k)y(k1) |>Y时，则取y(k)=y(k-1) Y──相邻两次采样值所允许的最大偏差，采样周期T 和信号Y的正常变化率 对随机干扰或采样通道不稳定引起的失真有良好的滤 波效果
8.3.4
查表法
把事先计算或测得的数据编制成表格 检测得到的值查出代表的被测值
非数值计算方法
例：热电偶的mV-℃分度表，通过计算机的查表程序就 能迅速便捷地由电势mV值查到相应的温度℃值
查表程序的繁简程度及查询时间的长短：
表格的长短；表格的排列方法
表格有两种排列方法：
(1)无序表格，即表格中的数据是任意排列的； (2) 有序表格，即表格中的数据按一定的顺序排列。 查表方法有：顺序查表法，计算查表法，对分搜索法 等。
例：某加热炉温度测量仪表的量程为200 ~ 800℃(0~FFH)，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：A0 = 200℃, Am = 800℃，Nx = CDH = (205)D， Nm= FFH = (255)D。所以此时的温度为
Q x (Q m Q 0 )
Nx N0 Nm N0
+ Q0
式中：Q0—— 差压流量仪表的下限值；
Qm—— 差压流量仪表的上限值；
Qx—— 被测液体的流量测量值； N0—— 差压流量仪表下限所对应的数字量； Nm—— 差压流量仪表上限所对应的数字量； Nx—— 差压流量仪表测得差压值所对应的数字量。
3. 加权平均滤波
算术平均滤波和去极值平均滤波：
次数太多则灵敏度下降，对测量参数的变化趋势不敏感。 为协调两者关系，可采用加权平均滤波。 加权平均滤波？ 对每次采样值以增加新鲜采样值的权重相加。
m
y (k ) C i y i