微機(jī)化測控系統(tǒng)第四章

第四章測量數(shù)據(jù)處理

主要內(nèi)容:零位和靈敏度的誤差校正、量程切換、越限報(bào)警、標(biāo)度變換、非線性校正、數(shù)字濾波。重點(diǎn)：零位和靈敏度的誤差校正、標(biāo)度變換、數(shù)字濾波難點(diǎn)：非線性校正的插值算法?！?-1零位和靈敏度的誤差校正校正對象：零位誤差——系統(tǒng)當(dāng)輸入為零時(shí)，輸出不為零。靈敏度誤差——實(shí)際靈敏度K與標(biāo)稱靈敏度Ko的偏差。靈敏度誤差是指實(shí)際靈敏度k與標(biāo)稱靈敏度k0的偏差，即k=k0+Δk

二者都屬于系統(tǒng)誤差校正方法：軟件校正方法硬件校正方法對于一個(gè)理想線形系統(tǒng)來說，輸出（測量讀數(shù)x）和輸入（被測真值y）之間的關(guān)系為

存在零位和靈敏度的話，則由讀數(shù)確定的值為 (4-1-2)而出現(xiàn)‘系統(tǒng)誤差’：y?△k/k0+x0/k0其中：x——讀數(shù)值。y——測量對象真值?！?-1零位和靈敏度的誤差校正-軟件校正由式（4-1-2）建立誤差校正模型：

（4-1-5）采集兩次數(shù)據(jù)輸入上式，可得到a1、a0得到誤差矯正公式：其中：x——讀數(shù)值。y——測量對象真值。X1，X2，Y1，Y2，兩次測量對應(yīng)輸入輸出值。§4-1零位和靈敏度的誤差校正-軟件校正當(dāng)選Y1=0，X1=X0時(shí)，公式簡化為：方法：如圖4-3-1先將開關(guān)置于1，測出X0。然后將開關(guān)置于2，測得對應(yīng)Y2的X2值。最后將開關(guān)置于3，測量得到X，根據(jù)公式可得實(shí)際待測值Y?！?-1零位和靈敏度的誤差校正-軟件校正采用傳感器自帶的調(diào)零電路電橋調(diào)零電路放大器輸入偏移調(diào)零電路A/D轉(zhuǎn)換器調(diào)零電路§4-1零位和靈敏度的誤差校正-硬件校正運(yùn)放計(jì)算依據(jù)運(yùn)放工作方式：虛短虛斷基本電路定律：基爾霍夫電流定律：基爾霍夫電流定律(Kirchhoff’sCurrentLaw),簡寫為KCL，它陳述為：對于任何集總參數(shù)電路的任一結(jié)點(diǎn)，在任一時(shí)刻，流出該結(jié)點(diǎn)全部支路電流的代數(shù)和等于零基爾霍夫電壓定律自動(dòng)零點(diǎn)調(diào)整實(shí)例消除零位誤差最常用的方法是選擇優(yōu)質(zhì)的輸入放大器和A/D轉(zhuǎn)換器，但是這種方法的代價(jià)高，而且效果也是有限的。因此，要想通過硬件來確保零點(diǎn)穩(wěn)定是非常困難的，尤其是在環(huán)境溫度變化較大的場合就更不容易做到了。智能儀器的自動(dòng)零點(diǎn)調(diào)整功能卻可以較好地解決這一問題。

量程切換可使測量過程自動(dòng)迅速地選擇在最佳量程上，既能防止數(shù)據(jù)溢出和系統(tǒng)過載，又能防止讀數(shù)精度損失，它是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)測量的重要組成部分?！?-2量程切換§4-2量程切換量程概念：檢測系統(tǒng)測量上下限之差切換目的：擴(kuò)大測量范圍，同時(shí)保持一定的測量精度。圖4-2-1量程自動(dòng)切換原理框圖公式4-2-1P133Dx§4-2判斷量程是否需要切換依據(jù)判斷依據(jù)：A/D輸出的數(shù)字量“不超量程”，不溢出滿足讀數(shù)精度，即不欠量程圖中的第I通道A/D轉(zhuǎn)化結(jié)果應(yīng)該滿足下式：即其中：E-滿度輸入電壓。DFS-滿度輸出數(shù)字。-相對誤差，也可稱讀數(shù)精度。S-傳感器靈敏度

公式4-2-3P133§4-2判斷量程是否需要切換的方法模擬比較法：設(shè)置窗口比較器，比較電平分別為UH，UL，其中

UH=0.95E，UL=UH/10數(shù)字比較法：將A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果Dx與DFS和1/比較§4-2量程切換方法切換放大倍數(shù)K方法：程控放大程控衰減設(shè)置一個(gè)窗口比較器（如圖）。通過模擬開關(guān)可改變衰減系數(shù)實(shí)現(xiàn)量程切換。程控放大器和程控衰減器

針對不同的信號幅度，測試系統(tǒng)一般是切換不同的放大器增益，放大器倍數(shù)K不能過大（A/D溢出），也不能太?。ú皇棺x數(shù)精度受損）。以保證上式得到滿足，這就叫“量程的切換”。4-3超限自動(dòng)報(bào)警基本原理：將采樣并處理后的參數(shù)與給定的上下限進(jìn)行比較，若大于上限或小于下限，則輸出報(bào)警信號或進(jìn)行自動(dòng)處理超限報(bào)警處理程序框圖P136圖4-3-14.4標(biāo)度變換圖4-4-1測量通道簡化框圖

使操作人員能從顯示器上直接讀取帶有被測量量綱單位的數(shù)值的這一過程稱為標(biāo)度變換。4.4標(biāo)度變換—實(shí)現(xiàn)方法硬件實(shí)現(xiàn)方法模擬顯示儀表的標(biāo)度變換數(shù)字顯示儀表的標(biāo)度變換軟件實(shí)現(xiàn)方法-針對數(shù)字顯示線性通道的標(biāo)度變換。非線性通道的標(biāo)度變換4.4標(biāo)度變換4.2.1模擬顯示儀表的標(biāo)度變換

通過將模擬表頭（如mA表、mV表等）的表盤刻度改成被測量值刻度即可實(shí)現(xiàn)標(biāo)度變換。線性模擬測量通道模擬顯示表頭指針的偏轉(zhuǎn)角θ與被測量x成線性關(guān)系，則不僅讀數(shù)方便而且讀數(shù)誤差也比較小。對于非線性測量通道模擬顯示，就需要在測量通道中增設(shè)非線性校正電路。在圖4-4-1(c),(d)所示測量通道中，可用微機(jī)軟件實(shí)現(xiàn)非線性校正，就不必增設(shè)非線性校正硬件電路。把A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果變換成能夠被顯示或打印的帶有被測量量綱單位的數(shù)值，這個(gè)變換就是數(shù)字顯示的標(biāo)度變換。一、線性通道的標(biāo)度變換

只要適當(dāng)選擇和調(diào)整增益K，令則可使A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果Di與被測量xi的數(shù)值Ni相等，即可將Di直接用于顯示或打印。實(shí)現(xiàn)的方法：除了調(diào)整放大器增益，還可調(diào)整傳感器靈敏度和A/D轉(zhuǎn)換器基準(zhǔn)電壓E。注意：傳感器和ADC基準(zhǔn)電壓使用同一個(gè)電源，可避免轉(zhuǎn)換結(jié)果受電源電壓波動(dòng)影響。硬件實(shí)現(xiàn)圖4-4-1b，d4.4數(shù)字顯示的標(biāo)度變換-硬件實(shí)現(xiàn)方法一、線性通道的標(biāo)度變換

圖4-2-3線性通道的標(biāo)度變換曲線4.4.2數(shù)字顯示的標(biāo)度變換-軟件實(shí)現(xiàn)方法一、線性通道的標(biāo)度變換

標(biāo)度變換公式(4-4-10)軟件實(shí)現(xiàn)：測量前通過校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)，得到兩對校準(zhǔn)數(shù)據(jù)(NH,DH)、(NL,DL)，即可根據(jù)以上公式編寫程序計(jì)算Di。公式(4-2-6)也可改寫為如下形式 其中練習(xí)：例4-2(4-4-10)4.4.2數(shù)字顯示的標(biāo)度變換-軟件實(shí)現(xiàn)方法§4-5非線性校正非線性校正概念：非線性測控系統(tǒng)A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果與被測量無明確數(shù)學(xué)公式；或有的話，卻不便計(jì)算機(jī)計(jì)算，此種情況下根據(jù)A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果求出對應(yīng)“真值”的過程就稱為非線性校正。非線性校正使用前提：測控系統(tǒng)有非線性環(huán)節(jié)，公式復(fù)雜無公式，只有離散數(shù)據(jù)點(diǎn)非線性產(chǎn)生原因：A/D轉(zhuǎn)換；放大電路；傳感器。非線性校正的要求： P148非線性校正方法：查表；插值；擬合。4-5-1非線性校正--查表法原理：將標(biāo)定或校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)的N對數(shù)據(jù)建立一張輸入輸出數(shù)據(jù)表。方法：1、由標(biāo)準(zhǔn)的輸入Yi測得對應(yīng)的讀數(shù)Xi。建立表格。2、存儲表格。Xi作為存儲單元的地址，Yi作為內(nèi)容。3、由測得的讀數(shù)Xi作為地址，查找Yi。4、近似取值法或內(nèi)插值法處理表格中沒有的實(shí)際測量值。插值的任務(wù)就是由已知的觀測點(diǎn)(xi,yi)為物理量(未知量),建立一個(gè)簡單的、連續(xù)的解析模型g(x)，以便能根據(jù)該模型推測該物理量在非觀測點(diǎn)處的特性。oxy●●●●●

y0

x1

x2

xn

y1

y2

yn

x0y=f(x)g(x)4-5-2非線性校正--插值法4-5-2非線性校正--插值法原理：將標(biāo)定或校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)的N對數(shù)據(jù)建立一個(gè)函數(shù)F（X），作為實(shí)際的輸出讀數(shù)X與被測量真值的函數(shù)關(guān)系近似表達(dá)式。這個(gè)函數(shù)必須滿足以下兩點(diǎn)：1、簡單，便于計(jì)算機(jī)處理2、在所有校準(zhǔn)點(diǎn)（X1、X2….Xi）上滿足Yi=F（Xi）例子：P149。方法：線性插值；非線性插值；分段插值。注意事項(xiàng)：P150

機(jī)翼斷面的下輪廓線如圖所示，下表給出了下輪廓線上的部分?jǐn)?shù)據(jù)。用程控銑床加工時(shí)，每一刀只能沿x方向和y方向走非常小的一步。例如，如果工藝要求銑床沿x方向每次只能移動(dòng)0.1單位，這時(shí)就需要求出當(dāng)x坐標(biāo)每改變0.1單位時(shí)的y坐標(biāo)。試完成加工所需的數(shù)據(jù)，畫出曲線。

問題1：機(jī)床加工

xi035791112131415

yi01.21.72.02.12.01.81.21.01.6基本方法線性插值分段線性插值等距節(jié)點(diǎn)分段直線校正法非等距節(jié)點(diǎn)分段直線校正法拋物線插值4-5-2非線性校正--插值法4-5-2非線性校正--插值法一、線性插值線性插值步驟：選兩個(gè)代表點(diǎn)，計(jì)算P1(x)=a1x+a0使擬合誤差在全部x區(qū)間<允許誤差實(shí)際測量時(shí)，每采樣一次，就用該公式計(jì)算一次P1(x)，作為顯示值復(fù)雜曲線就用分段線性插值例：設(shè)變量Y與變量X的關(guān)系如上圖；已知點(diǎn)X0、X1的對應(yīng)值Y0、Y1，現(xiàn)在用直線AB代替弧線AB，由此得直線方程：g（x）=ax+b根據(jù)插值條件，應(yīng)該滿足：解出a和b，得到直線方程：4-5-2非線性校正--插值法二、分段線性插值—等距節(jié)點(diǎn)分段直線校正法適用于非線性、曲率變化不大的場合每段直線用一個(gè)直線方程代替分段數(shù)取決于非線性程度和儀表精度要求， 常取段數(shù)N=2m，4-5-2非線性校正--插值法二、分段線性插值適于曲率變化大和切線斜率大的非線性，若采用等距法則為滿足精度會(huì)增加分段數(shù)圖4-5-1非等距節(jié)點(diǎn)分段直線校正4-5-2非線性校正--插值法三、拋物線插值圖4-5-2分段拋物線插值4-5-2非線性校正--插值法§4-4數(shù)字濾波原理：利用一定的計(jì)算方法對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行某種處理，從而消除或減弱干擾噪聲的影響，提高測量的可靠性和精度。作用：抑制干擾，提高信噪比，提高測量精度和可靠性。種類：限幅濾波、中值濾波、平均濾波、加權(quán)平均濾波、低通濾波、復(fù)合濾波。特點(diǎn)：節(jié)省硬件；可靠穩(wěn)定；功能強(qiáng)大；方便靈活；不會(huì)丟失原始數(shù)據(jù)數(shù)字濾波4-6-1限幅濾波和中位值濾波一、限幅濾波適用對象：可消除尖脈沖干擾。原理：本次采樣和上次采樣之差，較小則選本次采樣值，反之選用上次采樣值。公式：程序?qū)崿F(xiàn)：P158數(shù)字濾波二、中位濾波適用對象：可消除尖脈沖干擾。原理：也叫中值濾波，連續(xù)采樣M次（大于3），進(jìn)行排序，取其中位值作為采樣結(jié)果。程序?qū)崿F(xiàn)：P159數(shù)字濾波4-6-2平均濾波一、算術(shù)平均濾波適用對象：對周期性干擾信號有抑制作用。原理：程序?qū)崿F(xiàn)：P160二、去極值平均濾波適用對象：可消除尖脈沖干擾。去掉一個(gè)最大值和最小值，然后求N-2次采樣