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n去除或提取采樣數(shù)據(jù)的趨勢項n采樣數(shù)據(jù)的平滑處理12.1 采樣數(shù)據(jù)的標度變換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，這種變換稱為標度變換n標度變換有多種形式，它取決于被測物理量所用的傳感器或變送器的類型n標度變換使得A/D轉(zhuǎn)換的數(shù)字量結(jié)果回歸具有被測量物理意義和適當工程單位的數(shù)值表達，變換過程體現(xiàn)被測量與A/D轉(zhuǎn)換的數(shù)字量之間的映射關(guān)系采樣數(shù)據(jù)標度變換的方法n線性參數(shù)的標度變換n非線性參數(shù)的標度變換n公式變換法n多項式變換

2、法n表格法12.1.1 線性參數(shù)的標度變換n當被測物理量與傳感器或儀表的輸出之間呈線性關(guān)系時，采用線性變換。n工程上常采用簡化的形式進行線性變換轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量。所對應(yīng)的轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量；對應(yīng)的轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量；對應(yīng)的標度變換后的數(shù)值；被測量量程的上限；被測量量程的下限；式中：DAYXDAYNDAYNYYYNXNNYYYYmmmmm/)(0000000baXY12.1.2 非線性參數(shù)的標度變換n公式變換法n當傳感器或變送器的輸出信號與被測信號之間的關(guān)系可以用解析式表達的話，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信號與A/D轉(zhuǎn)換數(shù)字量之間有明晰的公式表達的

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

4、式各項系數(shù)的確定是通過對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)的標度變換n表格法n在已知的被測量與傳感器輸出的關(guān)系曲線上選取若干個樣點并以表格形式存儲在計算機中，即把關(guān)系曲線分成若干段。對每一個需要做標度變換的數(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度變換n這種方法實質(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算程序處理，減少干擾信號在有用信號中的比重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)字濾波可以對頻率很低的信號實現(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，就是對某一個被測量連續(xù)采樣n次（一般n取奇數(shù)），然后把n個采樣值從小到大（或從大到?。┡抨?，再取中值作為本次采樣值n中值濾波法，對于去掉脈動性質(zhì)的干擾比較有效，但是對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)平均值法適用于對壓力、流量一類信號作平滑處理，這類信號的特點是有一個平均值，信號在某一數(shù)值范圍附近作上下波動

6、n算術(shù)平均值法是尋找一個 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)純滯后時間常數(shù)較大、采樣周期較短的過程，它對以不同采樣時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)當前所受干擾的嚴重程度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)字形式實現(xiàn)低通濾

7、波的動態(tài)濾波方法，尤其適用于濾波常數(shù)要求大的場合n慣性濾波法適用于波動頻繁的被測量的濾波，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n采樣數(shù)據(jù)中的奇異項是指采樣數(shù)據(jù)序列中有明顯錯誤的個別數(shù)據(jù)。這些奇異項的存在會使數(shù)據(jù)處理后的誤差大大增加n在采樣數(shù)據(jù)序列中確定奇異項要根據(jù)具體的被測物理過程和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的精度而定n一般可選用一階差分法、多項式逼近法和最小二乘法來剔除采樣數(shù)據(jù)中的奇異項12.4 去除或提取采樣數(shù)據(jù)的趨勢項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，稱為趨勢項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去除或提取趨勢項的方法有兩種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，如隨機噪聲n由于噪聲中的高頻成分比較豐富，會導(dǎo)致根據(jù)采樣數(shù)據(jù)繪制的曲線很不光滑，常需對數(shù)據(jù)進行平滑處理n數(shù)據(jù)平滑處理的原則是