第12章采樣數(shù)據(jù)的預(yù)處理

1、數(shù)據(jù)采集與處理技術(shù)第12章 采樣數(shù)據(jù)的預(yù)處理第12章 采樣數(shù)據(jù)的預(yù)處理n采樣數(shù)據(jù)的標(biāo)度變換n采樣數(shù)據(jù)的數(shù)字濾波n剔除采樣數(shù)據(jù)中的奇異項(xiàng)n去除或提取采樣數(shù)據(jù)的趨勢(shì)項(xiàng)n采樣數(shù)據(jù)的平滑處理12.1 采樣數(shù)據(jù)的標(biāo)度變換n各種物理量有不同的單位和數(shù)值。把A/D轉(zhuǎn)換的數(shù)字量變換為帶有工程單位的數(shù)字量，這種變換稱為標(biāo)度變換n標(biāo)度變換有多種形式，它取決于被測(cè)物理量所用的傳感器或變送器的類型n標(biāo)度變換使得A/D轉(zhuǎn)換的數(shù)字量結(jié)果回歸具有被測(cè)量物理意義和適當(dāng)工程單位的數(shù)值表達(dá)，變換過程體現(xiàn)被測(cè)量與A/D轉(zhuǎn)換的數(shù)字量之間的映射關(guān)系采樣數(shù)據(jù)標(biāo)度變換的方法n線性參數(shù)的標(biāo)度變換n非線性參數(shù)的標(biāo)度變換n公式變換法n多項(xiàng)式變換

2、法n表格法12.1.1 線性參數(shù)的標(biāo)度變換n當(dāng)被測(cè)物理量與傳感器或儀表的輸出之間呈線性關(guān)系時(shí)，采用線性變換。n工程上常采用簡(jiǎn)化的形式進(jìn)行線性變換轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量。所對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量；對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量；對(duì)應(yīng)的標(biāo)度變換后的數(shù)值；被測(cè)量量程的上限；被測(cè)量量程的下限；式中：DAYXDAYNDAYNYYYNXNNYYYYmmmmm/)(0000000baXY12.1.2 非線性參數(shù)的標(biāo)度變換n公式變換法n當(dāng)傳感器或變送器的輸出信號(hào)與被測(cè)信號(hào)之間的關(guān)系可以用解析式表達(dá)的話，則可以通過解析式來推導(dǎo)出所需要的參量，這樣一類參量稱為導(dǎo)出參量n公式變換法常用于被測(cè)信號(hào)與A/D轉(zhuǎn)換數(shù)字量之間有明晰的公式表達(dá)的

3、狀況，各轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)之間有明確的解析表達(dá)關(guān)系，公式推導(dǎo)及表達(dá)有明確的物理意義12.1.2 非線性參數(shù)的標(biāo)度變換n多項(xiàng)式變換法n傳感器或變送器的輸出信號(hào)與被測(cè)參數(shù)之間的關(guān)系無法用解析式表達(dá)，但他們之間有確定的映射關(guān)系的時(shí)候，可以采用多項(xiàng)式變換法進(jìn)行標(biāo)度變換n多項(xiàng)式變換法的依據(jù)在于對(duì)于任意物理可實(shí)現(xiàn)的輸入輸出關(guān)系，都可以選擇足夠多項(xiàng)的多項(xiàng)式進(jìn)行描述n多項(xiàng)式變換法的實(shí)質(zhì)在于用足夠多項(xiàng)數(shù)的多項(xiàng)式可以以足夠的精度逼近某個(gè)確定的映射關(guān)系多項(xiàng)式變換法n多項(xiàng)式變換法的公式表達(dá)為n多項(xiàng)式變換法的關(guān)鍵在于要找出一個(gè)能夠較準(zhǔn)確地反映傳感器輸出信號(hào)與被測(cè)量之間關(guān)系的多項(xiàng)式n選擇多項(xiàng)式合適的項(xiàng)數(shù)n確定各項(xiàng)系數(shù)n一般來說多項(xiàng)

4、式各項(xiàng)系數(shù)的確定是通過對(duì)足夠多相異的確定輸入量和相應(yīng)的輸出量之間的關(guān)系來進(jìn)行確定的，常見的方法有最小二乘法、代數(shù)插值法等0111axaxaxaYnnnn12.1.2 非線性參數(shù)的標(biāo)度變換n表格法n在已知的被測(cè)量與傳感器輸出的關(guān)系曲線上選取若干個(gè)樣點(diǎn)并以表格形式存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)中，即把關(guān)系曲線分成若干段。對(duì)每一個(gè)需要做標(biāo)度變換的數(shù)據(jù)分別查表一次，找出數(shù)據(jù)所在的區(qū)間，然后用該區(qū)間的線性插值公式來完成標(biāo)度變換n這種方法實(shí)質(zhì)上是一種分段線性逼近的方法iiiiiiiixxyykxxkyy11)(其中12.2 采樣數(shù)據(jù)的數(shù)字濾波n數(shù)字濾波就是通過特定的計(jì)算程序處理，減少干擾信號(hào)在有用信號(hào)中的比重n數(shù)字濾波用程

5、序?qū)崿F(xiàn)，不需增加硬件設(shè)備，可以重用n可靠性高，穩(wěn)定性好，各回路之間不存在阻抗匹配的問題n數(shù)字濾波可以對(duì)頻率很低的信號(hào)實(shí)現(xiàn)濾波，克服了模擬濾波器的缺陷，而且通過改寫數(shù)字濾波程序，可以實(shí)現(xiàn)不同的濾波方法或改變?yōu)V波參數(shù)，更加靈活方便12.2.1 中值濾波法n所謂中值濾波，就是對(duì)某一個(gè)被測(cè)量連續(xù)采樣n次（一般n取奇數(shù)），然后把n個(gè)采樣值從小到大（或從大到?。┡抨?duì)，再取中值作為本次采樣值n中值濾波法，對(duì)于去掉脈動(dòng)性質(zhì)的干擾比較有效，但是對(duì)快速變化過程的參數(shù)則不宜采用12.2.2 算術(shù)平均值法n算術(shù)平均值法適用于對(duì)壓力、流量一類信號(hào)作平滑處理，這類信號(hào)的特點(diǎn)是有一個(gè)平均值，信號(hào)在某一數(shù)值范圍附近作上下波動(dòng)

6、n算術(shù)平均值法是尋找一個(gè) 作為本次采樣的平均值，使該值與本次各采樣值間誤差的平方和最小，即Y采樣次數(shù)。次采樣值；第；次采樣值的算術(shù)平均值式中：NiXNYXNYXYeEiNiiiNii12121)(minmin12.2.3 加權(quán)平均濾波法n加權(quán)平均濾波法常采用下式求平均值n加權(quán)遞推平均法適用于系統(tǒng)純滯后時(shí)間常數(shù)較大、采樣周期較短的過程，它對(duì)以不同采樣時(shí)間得到的采樣值分別給予不同的權(quán)系數(shù)，以便能夠迅速反應(yīng)系統(tǒng)當(dāng)前所受干擾的嚴(yán)重程度10), 1 , 0(0100NiiNiNiiiaaaaNiaxaY均為常數(shù)，且滿足式中，12.2.4 一階滯后濾波法（慣性濾波法）n慣性濾波法是一種以數(shù)字形式實(shí)現(xiàn)低通濾

7、波的動(dòng)態(tài)濾波方法，尤其適用于濾波常數(shù)要求大的場(chǎng)合n慣性濾波法適用于波動(dòng)頻繁的被測(cè)量的濾波，它能很好地消除周期性干擾，但也帶來了相位滯后采樣周期。濾波環(huán)節(jié)的時(shí)間常數(shù)；濾波平滑系數(shù)值；次采樣后濾波結(jié)果輸出第上次濾波結(jié)果輸出值；次采樣值；第式中：ssnnnnnnTTnYYnXYXY,)1 (1112.3 剔除采樣數(shù)據(jù)中的奇異項(xiàng)n采樣數(shù)據(jù)中的奇異項(xiàng)是指采樣數(shù)據(jù)序列中有明顯錯(cuò)誤的個(gè)別數(shù)據(jù)。這些奇異項(xiàng)的存在會(huì)使數(shù)據(jù)處理后的誤差大大增加n在采樣數(shù)據(jù)序列中確定奇異項(xiàng)要根據(jù)具體的被測(cè)物理過程和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的精度而定n一般可選用一階差分法、多項(xiàng)式逼近法和最小二乘法來剔除采樣數(shù)據(jù)中的奇異項(xiàng)12.4 去除或提取采樣數(shù)

8、據(jù)的趨勢(shì)項(xiàng)n待處理的采樣數(shù)據(jù)中，一般包含兩種分量n周期大于數(shù)據(jù)采樣周期的頻率成分，稱為趨勢(shì)項(xiàng)n周期小于數(shù)據(jù)采樣周期的頻率成分，稱為交變分量n去除或提取趨勢(shì)項(xiàng)的方法有兩種n平均斜率法n最小二乘法12.5 采樣數(shù)據(jù)的平滑處理n數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集到的數(shù)據(jù)通常疊加有噪聲n周期性噪聲，如工頻干擾n不規(guī)則噪聲，如隨機(jī)噪聲n由于噪聲中的高頻成分比較豐富，會(huì)導(dǎo)致根據(jù)采樣數(shù)據(jù)繪制的曲線很不光滑，常需對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行平滑處理n數(shù)據(jù)平滑處理的原則是，通過平滑處理既要消弱干擾成分，又要保持原有曲線的變化特性12.5.1 平均法n簡(jiǎn)單平均法n加權(quán)平均法n直線滑動(dòng)平均法NNnNNnntxNtyntxnhNty)(121)()()(121)(1)()()()(NNnNNnnhntxnhty其中人有了知識(shí)，就會(huì)具備各種分析能力，明辨是非的能力。所以我們要勤懇讀書，廣泛