數(shù)據(jù)采集與處理技術(shù)

數(shù)據(jù)采集與處理技術(shù)教學(xué)內(nèi)容第1章

緒論

第2章

模擬信號處理第3章

模擬多路開關(guān)第4章

測量放大器第5章

采樣／保持器第6章

模／數(shù)轉(zhuǎn)換器第8章數(shù)據(jù)接口卡采集第9章

數(shù)字信號的采集第10章

數(shù)據(jù)的預(yù)處理

思考題與習(xí)題點評

2第1章緒論教學(xué)內(nèi)容31.1數(shù)據(jù)采集的意義與任務(wù)

1.2數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的基本功能1.3數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式1.5數(shù)據(jù)處理的類型和任務(wù)第1章緒論本章教學(xué)內(nèi)容41.1數(shù)據(jù)采集的意義與任務(wù)

第1章緒論51.1

數(shù)據(jù)采集的意義與任務(wù)

本節(jié)教學(xué)目標理解數(shù)據(jù)采集的定義

理解數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的任務(wù)了解數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)性能優(yōu)劣的標準

了解構(gòu)成數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的依據(jù)61.1

數(shù)據(jù)采集的意義與任務(wù)

1.數(shù)據(jù)采集的形成

機械式蒸汽機轉(zhuǎn)速的閉環(huán)自動調(diào)速系統(tǒng)

1788年，英國機械師

J.瓦特(Watt)在改進蒸汽機的同時，發(fā)明了離心式調(diào)速器，如左圖。這是機械式蒸汽機轉(zhuǎn)速的閉環(huán)自動調(diào)速系統(tǒng)。當蒸汽機輸出軸轉(zhuǎn)速發(fā)生變化時，離心調(diào)速器自動調(diào)節(jié)進汽閥門的開度，從而控制蒸汽機的轉(zhuǎn)速。數(shù)據(jù)采集71.1

數(shù)據(jù)采集的意義與任務(wù)

離心式調(diào)節(jié)器形成的蒸汽機調(diào)速系統(tǒng)，見下圖。

瓦特的這項發(fā)明對第一次工業(yè)革命的發(fā)展有重要影響。數(shù)據(jù)采集進汽閥轉(zhuǎn)速+-

離心式調(diào)節(jié)器形成的調(diào)速系統(tǒng)蒸汽源蒸汽機負載離心式調(diào)速器反饋

瓦特蒸汽機轉(zhuǎn)速不穩(wěn)問題也引發(fā)了自動化科學(xué)的發(fā)展。81.1

數(shù)據(jù)采集的意義與任務(wù)

水溫的手動控制

圖中，水溫操作員要用手（通過感覺）來測試水的溫度，并將此溫度與他要求的值（給定值）相比較（通過大腦）。同時，他要決定（通過大腦）：其手應(yīng)該朝哪個方向旋轉(zhuǎn)閥門（打開或關(guān)閉）；旋轉(zhuǎn)多大的角度）。2.數(shù)據(jù)采集在自動控制中的位置

9水溫的自動控制1.1

數(shù)據(jù)采集的意義與任務(wù)

采用自動控制時，水溫的手動控制的功能，由各種傳感器、儀表、執(zhí)行器來代替。傳感器—測溫計：感測水的溫度；執(zhí)行器—調(diào)節(jié)閥：打開或關(guān)閉蒸汽閥；控制器—調(diào)節(jié)記錄儀：采集、比較、判斷水溫，驅(qū)動調(diào)節(jié)閥。103.數(shù)據(jù)采集的工程應(yīng)用實例

1.1

數(shù)據(jù)采集的意義與任務(wù)

生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)控制量輸出信號擾動……生產(chǎn)過程傳感器數(shù)據(jù)采集控制信號11鋼鐵熱連軋數(shù)據(jù)采集與自動控制1.1

數(shù)據(jù)采集的意義與任務(wù)

12核電廠131.1

數(shù)據(jù)采集的意義與任務(wù)

數(shù)控車床控制面板

防護罩排屑機冷卻液箱141.1

數(shù)據(jù)采集的意義與任務(wù)

自動駕駛汽車151.1

數(shù)據(jù)采集的意義與任務(wù)

仿人機器人多指靈巧機器手161.1

數(shù)據(jù)采集的意義與任務(wù)

自動控制溫室171.1

數(shù)據(jù)采集的意義與任務(wù)

4.數(shù)據(jù)采集的定義

指采集溫度、壓力、流量等模擬量，轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，由計算機進行存儲、處理、打印的過程。

數(shù)據(jù)采集——相應(yīng)系統(tǒng)稱為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。181.1

數(shù)據(jù)采集的意義與任務(wù)

5.數(shù)據(jù)采集的意義

①在生產(chǎn)過程中，對工藝參數(shù)進行采集、監(jiān)測，為提高質(zhì)量、安全生產(chǎn)、降低成本提供信息。作用②在科學(xué)研究中，用來獲取微觀、動靜態(tài)信息。例如，物體的運動數(shù)據(jù)記錄、處理。191.1

數(shù)據(jù)采集的意義與任務(wù)

汽車碰撞數(shù)據(jù)采集20解決人不能解決的問題。意義：6.

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的任務(wù)任務(wù)有①采集傳感器輸出的模擬信號，并轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，然后送入計算機。②計算機對數(shù)字信號進行處理。提高工作效率，取得較好的經(jīng)濟效益。結(jié)果：1.1

數(shù)據(jù)采集的意義與任務(wù)

21數(shù)據(jù)采集的定義

數(shù)據(jù)采集—指采集溫度、壓力、流量等模擬量， 轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，由計算機進行存儲、 處理、打印的過程。

相應(yīng)系統(tǒng)稱為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。數(shù)據(jù)采集的意義221.1

數(shù)據(jù)采集的意義與任務(wù)

8.

構(gòu)成數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的依據(jù)

在保證系統(tǒng)具備采樣精度的條件下，有盡可能高的采樣速度，以滿足實時處理、控制的要求。7.

評價數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)性能優(yōu)劣的標準

標準有系統(tǒng)的采樣精度。系統(tǒng)的采樣速度。231.2數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的基本功能第1章緒論24本節(jié)教學(xué)目標理解模擬信號與處理

理解數(shù)字信號與處理理解二次數(shù)據(jù)計算

1.2

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的基本功能

25數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)一般具有以下功能：1.

采集數(shù)據(jù)按照采樣周期，對模擬、數(shù)字、開關(guān)信號采樣。2.

模擬信號處理模擬信號—指信號幅值隨時間連續(xù)變化的信號。1.2

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的基本功能

261.2

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的基本功能

特點：在規(guī)定的一段連續(xù)時間內(nèi)，其幅值為連續(xù)值。優(yōu)點：便于傳送。缺點：易受干擾。信號類型①由傳感器輸出的電壓信號②由儀表輸出的電流信號0～20mA4～20mA271.2

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的基本功能

信號處理①將采樣信號②將轉(zhuǎn)換的數(shù)字信號作標度變換3.

數(shù)字信號處理

數(shù)字信號—指在有限離散瞬時上取值間斷的信號。特點：時間和幅值都不連續(xù)的信號?！鷶?shù)字信號281.2

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的基本功能

優(yōu)點：抗干擾能力強缺點：需要一套轉(zhuǎn)換電路，增加成本。傳送方式①并行傳送②串行傳送信號處理：將數(shù)字信號采入計算機后，進行碼制轉(zhuǎn)換。如BCD→ASCII，便于在屏幕上顯示。291.2

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的基本功能

4.

開關(guān)信號的處理

開關(guān)信號—由按鈕、行程開關(guān)等器件觸點產(chǎn)生的信號。信號處理：根據(jù)開關(guān)的狀態(tài)執(zhí)行相應(yīng)的操作。5.

二次數(shù)據(jù)計算

概念一次數(shù)據(jù)—二次數(shù)據(jù)—從傳感器采集的數(shù)據(jù)。對一次數(shù)據(jù)作計算得到的數(shù)據(jù)。301.2

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的基本功能

二次數(shù)據(jù)平均、累計傅里葉變換、積分變換變化率、差值最大值、最小值6.

屏幕顯示

將數(shù)字、圖形、圖表等顯示在屏幕上。7.

數(shù)據(jù)存儲

按時間間隔，將數(shù)據(jù)存儲在外部存儲器。311.2

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的基本功能

8.

打印輸出按時間間隔，打印輸出數(shù)字、圖形。9.

人機聯(lián)系操作人員用鍵盤或鼠標與系統(tǒng)對話，完成運行方式的設(shè)置。321.2

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的基本功能

331.3數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式第1章緒論34本節(jié)教學(xué)目標理解微型計算機數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

理解集散型數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)1.3

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式

351.3

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式

系統(tǒng)組成①硬件結(jié)構(gòu)形式①微型計算機數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)②軟件②集散型數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)361.3

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式

1.

微型計算機數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1-1所示。371.3

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式

圖1-1微型計算機數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)放大器采樣/保持器傳感器傳感器傳感器…A/D轉(zhuǎn)換器計算機顯示器打印機繪圖機定時與邏輯控制接口被測物理量數(shù)字信號開關(guān)信號…多路開關(guān)傳感器傳感器傳感器381.3

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式

(1)(2)(3)(4)(5)一個工作周期多路開關(guān)放大器采樣／保持A／D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)總線圖1-2數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)工作時序1.2s6stAD啟動脈沖391.3

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式

系統(tǒng)特點①結(jié)構(gòu)簡單，易實現(xiàn)②對環(huán)境要求不高③系統(tǒng)成本低④集散型的基本單元⑤模板齊全，易組成系統(tǒng)2.

集散型數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1-3所示。401.3

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式

模擬量輸入模擬量輸入模擬量輸入數(shù)字量輸入數(shù)字量輸入數(shù)字量輸入RS-485RS-485生產(chǎn)現(xiàn)場生產(chǎn)現(xiàn)場生產(chǎn)現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集站數(shù)據(jù)采集站數(shù)據(jù)采集站通信接口上位機圖1-3集散型數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)411.3

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式

系統(tǒng)特點①適應(yīng)能力強②可靠性高③實時性好④對硬件要求不高421.5數(shù)據(jù)處理的類型和任務(wù)第1章緒論43本節(jié)教學(xué)目標理解數(shù)據(jù)處理的類型

理解采集信號的標度變換1.5

數(shù)據(jù)處理的類型和任務(wù)

441.5

數(shù)據(jù)處理的類型和任務(wù)

處理類型①按處理方式實時（在線）處理事后（脫機）處理②按處理性質(zhì)預(yù)處理剔除誤差標度變換二次處理微分、積分傅里葉變換451.5

數(shù)據(jù)處理的類型和任務(wù)

處理任務(wù)①對采集信號作標度變換②消除數(shù)據(jù)中的干擾③分析計算數(shù)據(jù)中的內(nèi)在特征對采集到的電信號作標度變換將沒有物理意義的電壓信號，轉(zhuǎn)換為原來對應(yīng)的物理量。461.5

數(shù)據(jù)處理的類型和任務(wù)

消除數(shù)據(jù)中的干擾信號消除在數(shù)據(jù)的采集、傳送和轉(zhuǎn)換過程中，系統(tǒng)內(nèi)部和外部干擾在數(shù)據(jù)中混入干擾信號，以保證采樣精度。分析計算數(shù)據(jù)的內(nèi)在特征對采集到的數(shù)據(jù)進行變換計算，得到表達采樣數(shù)據(jù)內(nèi)在特征的二次數(shù)據(jù)。471.5

數(shù)據(jù)處理的類型和任務(wù)

例如，在研究振動時，由于頻譜更能說明振動波形對機械結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生影響，因此，常對采集到的振動信號作傅里葉（FFT）變換，得出振動波形的頻譜。圖1-4電機軸承故障數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)481.5

數(shù)據(jù)處理的類型和任務(wù)

圖1-5更換軸承后電機運行的振動波形與頻譜

用振動標準(如ISO2372標準)判斷振動是合格的。

但是，這種狀態(tài)表現(xiàn)為軸承部件存在缺陷，在測完此圖后兩小時轉(zhuǎn)子抱軸。

49第六章目錄1.6核數(shù)據(jù)獲取和處理方法、設(shè)備及系統(tǒng)

☆§1.核脈沖計數(shù)☆§2.核譜數(shù)據(jù)獲得和處理§3.通用核實驗數(shù)據(jù)獲取和處理系統(tǒng)§4.在自動測量與控制中通用接口和系統(tǒng)

50§1.核脈沖計數(shù)

核輻射強度

三種核脈沖計數(shù)系統(tǒng)方框圖：

（a）簡單的計數(shù)系統(tǒng)

（b）單道計數(shù)系統(tǒng)

（c）符合計數(shù)系統(tǒng)

定標器和計數(shù)率計51一.定標器

1.工作原理（圖6.1.2）（1）通用結(jié)構(gòu)

①輸入級（倒相，緩沖器，脈沖幅度甄別器）；

②計數(shù)電路；③定時電路；

④控制電路（手動，半自動，自動計數(shù)，預(yù)置定時計數(shù)，定數(shù)計時）。52

（2）形式：多路定標器，可逆定標器，自動定標器，盲預(yù)置定標器，帶有緩沖掃描器的系統(tǒng)

2.定標器插件電路實例（圖6.1.4）

（1）輸入電路

（2）計數(shù)顯示電路

（3）定時電路

（4）控制電路

（手動，半自動，自動）→（開始，停止，復(fù)位）

533.測量核脈沖計數(shù)的誤差

（1）統(tǒng)計漲落誤差

σN=N1/2 定標器的最小統(tǒng)計誤差

νN=σN/N=1/（N1/2）滿足統(tǒng)計誤差所需測量時間

（2）漏記誤差

分辨時間τ最高計數(shù)率fmax

①計數(shù)率n

τ內(nèi)出現(xiàn)m個脈沖幾率（泊松分布）

丟計數(shù)

漏記誤差

②最高計數(shù)率nmax〈0.01fmax

多位計數(shù)單元討論543.數(shù)字式計數(shù)率計（略）

(1)連續(xù)數(shù)字式計數(shù)率計

（圖5.1.12）

dv/dt=n-N/PTo

55§1習(xí)題與思考題(P326):1.2.(2)歸一化脈沖計數(shù)率表（圖6.1.13）

n=N/T

T=r=(r+1)t-

56

§2.核譜數(shù)據(jù)獲得和處理

一.概述二.計算機技術(shù)應(yīng)用基礎(chǔ)

三.多道分析器的基本原理和功能

1.多道分析器的基本組成（圖6.2.5）2.多道分析器的數(shù)據(jù)獲?。ㄈN類型方式）

（1）脈沖幅度分析（PHA）（圖6.2.6）

（2）多定標器方式（脈沖計數(shù)率——時間關(guān)系）

（3）列表方式（幅度——時間）波形記錄

3.

多道分析器的數(shù)據(jù)處理

（1）核能譜數(shù)據(jù)分析

（2）系統(tǒng)刻度

（3）應(yīng)用軟件

四.典型結(jié)構(gòu)

1.基于微處理器的多道分析器

2.基于PC的多道分析器

3.使用多道緩存器的微機多道分析器內(nèi)容提要(P267—305)57§2.核譜數(shù)據(jù)獲得和處理

一.概述

核能譜、時間譜的獲得和處理

以μP或微機為核心的多道分析器

二.計算機技術(shù)應(yīng)用基礎(chǔ)

1.

組成和特點（圖6.2.2）：三總線

2.

功能部件：

（1）微處理器μP

（2）存儲器

（3）I/0接口

3.

軟件

(P267—305)5859三.多道分析器的基本原理和功能

1.多道分析器的基本組成（圖6.2.5）602.多道分析器的數(shù)據(jù)獲取（三種類型方式）

（1）脈沖幅度分析（PHA）（幅度——計數(shù)關(guān)系）

框圖（圖6.2.6）