第四章測(cè)量數(shù)據(jù)處理

第四章測(cè)量數(shù)據(jù)處理第一頁(yè)，共六十八頁(yè)，2022年，8月28日4測(cè)量數(shù)據(jù)處理原始測(cè)量數(shù)據(jù)A/D轉(zhuǎn)換微機(jī)內(nèi)部先預(yù)處理顯示或輸出數(shù)據(jù)處理算法第二頁(yè)，共六十八頁(yè)，2022年，8月28日4.測(cè)量數(shù)據(jù)處理4.1零位和靈敏度的誤差校正4.2量程自動(dòng)切換4.3超限自動(dòng)報(bào)警4.4標(biāo)度變換4.5非線性校正算法4.6數(shù)字濾波第三頁(yè)，共六十八頁(yè)，2022年，8月28日4.1零位和靈敏度的誤差校正軟件校正方法理想的線性測(cè)試系統(tǒng)輸出讀數(shù)被測(cè)真值該通道的標(biāo)稱(chēng)靈敏度或增益第四頁(yè)，共六十八頁(yè)，2022年，8月28日軟件校正方法實(shí)際的線性測(cè)試系統(tǒng)――存在“零位誤差”和“靈敏度誤差”

“零位誤差”x0――輸入y為零時(shí)的輸出指實(shí)際靈敏度k與標(biāo)稱(chēng)靈敏度k0的偏差第五頁(yè)，共六十八頁(yè)，2022年，8月28日軟件校正方法測(cè)量誤差（系統(tǒng)誤差）誤差值真值系統(tǒng)誤差第六頁(yè)，共六十八頁(yè)，2022年，8月28日軟件校正方法誤差校正算法？？根據(jù)式4－1－2推導(dǎo)第七頁(yè)，共六十八頁(yè)，2022年，8月28日軟件校正方法誤差校正算法被測(cè)系統(tǒng)X1Y1被測(cè)系統(tǒng)X2Y2

第八頁(yè)，共六十八頁(yè)，2022年，8月28日軟件校正方法誤差校正算法被測(cè)系統(tǒng)X00簡(jiǎn)化第九頁(yè)，共六十八頁(yè)，2022年，8月28日軟件校正方法標(biāo)準(zhǔn)輸入輸入為零被測(cè)量第十頁(yè)，共六十八頁(yè)，2022年，8月28日硬件校正方法零位調(diào)整電路傳感器調(diào)零電路許多傳感器都設(shè)置了專(zhuān)門(mén)的調(diào)零電路，當(dāng)被測(cè)非電量為零而傳感器的輸出不為零，可調(diào)整調(diào)零電路中的調(diào)零電位器實(shí)現(xiàn)調(diào)零。第十一頁(yè)，共六十八頁(yè)，2022年，8月28日硬件校正方法電橋調(diào)零電路傳感器常采用電橋作為測(cè)量電路為保證被測(cè)參數(shù)為零時(shí)，電橋輸出也為零。設(shè)置了調(diào)零電位器。圖中為調(diào)零電位器，調(diào)整它可使溫度為0℃時(shí)，電橋輸出電壓為零第十二頁(yè)，共六十八頁(yè)，2022年，8月28日硬件校正方法放大器輸入偏移調(diào)零電路放大器輸入電壓為前級(jí)測(cè)量電路的零位輸出。調(diào)整目的：保證放大器輸出電壓U0在x=0時(shí)為零K第十三頁(yè)，共六十八頁(yè)，2022年，8月28日硬件校正方法A/D轉(zhuǎn)換器調(diào)零電路若A/D的輸入高端：被測(cè)電壓Ux低端：調(diào)零電路提供偏移電壓Ua＝Ub,則有S－傳感器和A/D轉(zhuǎn)換之前模擬電路的總靈敏度，q－A/D轉(zhuǎn)換器的量化單位，即N=1所對(duì)應(yīng)的模擬電壓。第十四頁(yè)，共六十八頁(yè)，2022年，8月28日AD590調(diào)零電路第十五頁(yè)，共六十八頁(yè)，2022年，8月28日靈敏度調(diào)整的硬件實(shí)現(xiàn)調(diào)整傳感器本身的靈敏度調(diào)整傳感器電橋電源電壓調(diào)整放大器放大倍數(shù)――最常用。調(diào)整A/D轉(zhuǎn)換器的基準(zhǔn)電壓注意：在零點(diǎn)和靈敏度都發(fā)生漂移的情況下，通常是先調(diào)零，后調(diào)靈敏度。第十六頁(yè)，共六十八頁(yè)，2022年，8月28日4.2量程自動(dòng)切換量程指檢測(cè)系統(tǒng)測(cè)量上限xmax和測(cè)量下限xmin之代數(shù)差，即：量程自動(dòng)切換使測(cè)量過(guò)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(guò)載，又能保證一定的測(cè)量精度。傳統(tǒng)：手動(dòng)切換第十七頁(yè)，共六十八頁(yè)，2022年，8月28日兩個(gè)問(wèn)題：

1、如何才能知道什么時(shí)候該量程切換？

2、怎么實(shí)現(xiàn)量程切換？4.2量程自動(dòng)切換第十八頁(yè)，共六十八頁(yè)，2022年，8月28日4.2量程自動(dòng)切換量程切換的依據(jù)第十九頁(yè)，共六十八頁(yè)，2022年，8月28日4.2量程自動(dòng)切換量程切換的依據(jù)不能使數(shù)據(jù)溢出，要求或第二十頁(yè)，共六十八頁(yè)，2022年，8月28日4.2量程自動(dòng)切換相對(duì)誤差要求：或第二十一頁(yè)，共六十八頁(yè)，2022年，8月28日4.2量程自動(dòng)切換量程判別條件第二十二頁(yè)，共六十八頁(yè)，2022年，8月28日4.2量程自動(dòng)切換模擬判別的方法――窗口比較器。圖4－2－1，

通常?。哼^(guò)量程欠量程第二十三頁(yè)，共六十八頁(yè)，2022年，8月28日4.2量程自動(dòng)切換數(shù)字判別的方法1、高位檢測(cè)法――讀取A/D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的高兩位或高三位：若都為“1”，則“過(guò)量程”，若都為“0”，則“欠量程”。2、A/D自檢測(cè)法――A/D自身提供“過(guò)量程”和“欠量程”指示信號(hào)。第二十四頁(yè)，共六十八頁(yè)，2022年，8月28日量程切換的方法程控放大器和程控衰減器量程（上限）值第二十五頁(yè)，共六十八頁(yè)，2022年，8月28日量程切換的方法改變量程值方法改變E改變S改變K――最常用改變K的常用電路數(shù)控放大器――由多路開(kāi)關(guān)MUX和放大器構(gòu)成（a）。程控衰減器――由多路開(kāi)關(guān)MUX和電阻分壓網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成。MUX――用作“量程切換開(kāi)關(guān)”。第二十六頁(yè)，共六十八頁(yè)，2022年，8月28日量程切換的程序編程原則若判別結(jié)果是“欠量程”，則切換到較小的量程即降一個(gè)量程；若判別結(jié)果是“超量程”，則切換到較大的量程即升一個(gè)量程；若判別結(jié)果是既不“欠量程”也不“超量程”，則不進(jìn)行量程切換；若已經(jīng)達(dá)到最小量程或最大量程，也不再進(jìn)行量程切換。通常一開(kāi)始應(yīng)先選用最大量程進(jìn)行測(cè)量，以避免儀器過(guò)載或損壞。圖4－2－3第二十七頁(yè)，共六十八頁(yè)，2022年，8月28日4.3超限自動(dòng)報(bào)警重要參數(shù)上下限檢查報(bào)警程序設(shè)計(jì)：比較方法采樣、數(shù)字濾波以及標(biāo)度變換、比較第二十八頁(yè)，共六十八頁(yè)，2022年，8月28日上限處理下限處理第二十九頁(yè)，共六十八頁(yè)，2022年，8月28日越限報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)例鍋爐報(bào)警系統(tǒng)P1口各位功能分配報(bào)警參數(shù)：水位(X1)、爐溫(X2)、蒸汽壓力下限(X3)；報(bào)警點(diǎn)：水位上、下限、溫度上、下限和蒸汽下限。報(bào)警方式：當(dāng)各參數(shù)均正常、無(wú)報(bào)警時(shí)綠燈亮，當(dāng)某參數(shù)過(guò)限發(fā)出報(bào)警信號(hào)，鳴笛并使相應(yīng)指示燈亮。第三十頁(yè)，共六十八頁(yè)，2022年，8月28日鍋爐報(bào)警電路原理圖第三十一頁(yè)，共六十八頁(yè)，2022年，8月28日軟件設(shè)計(jì)－控制報(bào)警報(bào)警參數(shù)和標(biāo)志存放地址的分配：①設(shè)一個(gè)報(bào)警標(biāo)志單元如20H單元，無(wú)報(bào)警時(shí)20H清0，有報(bào)警時(shí)20H置“1”；②水位、溫度、壓力三個(gè)參數(shù)采樣值分別存放在SAMP為首地址的內(nèi)存單元中；③5個(gè)報(bào)警點(diǎn)分別存放在30H~34H內(nèi)部RAM中。水位上、下限用MAX1、MIN1表示；溫度上、下限用MAX2、MIN2表示，蒸汽壓力用MIN3表示，依次存于30H~34H單元。第三十二頁(yè)，共六十八頁(yè)，2022年，8月28日第三十三頁(yè)，共六十八頁(yè)，2022年，8月28日4.4標(biāo)度變換標(biāo)度變換為能從顯示器上直接讀取帶有被測(cè)量量綱的數(shù)值所進(jìn)行必要的變換。普通萬(wàn)用表上電流、電壓刻度普通萬(wàn)用表上電阻刻度第三十四頁(yè)，共六十八頁(yè)，2022年，8月28日第三十五頁(yè)，共六十八頁(yè)，2022年，8月28日硬件實(shí)現(xiàn)-模擬顯示

線性、非線性線性模擬儀表非線性模擬儀表測(cè)量通道不包含任何非線性環(huán)節(jié)包含非線性環(huán)節(jié)表頭指針偏轉(zhuǎn)角θ與被測(cè)量x的關(guān)系線性關(guān)系非線性關(guān)系表盤(pán)刻度線性均勻刻度非線性非均勻刻度標(biāo)定方法兩點(diǎn)定標(biāo)多點(diǎn)定標(biāo)：加多個(gè)標(biāo)準(zhǔn)輸入量x1,x2,…,xn，在表頭指針偏轉(zhuǎn)θ1,θ2，…，θn所指度盤(pán)處各刻一刻線，并在刻線處依次標(biāo)出x1,x2,…,xn的值。典型實(shí)例普通萬(wàn)用表上電流、電壓刻度普通萬(wàn)用表上電阻刻度第三十六頁(yè)，共六十八頁(yè)，2022年，8月28日硬件實(shí)現(xiàn)--模擬顯示

非線性校正電路若串接非線性校正電路的傳輸函數(shù)是被校正非線性環(huán)節(jié)傳輸函數(shù)的反函數(shù)，則刻度盤(pán)就可采用線性刻度。開(kāi)方器實(shí)例――差壓式流量計(jì)的指針偏角與流量Q成非線性關(guān)系第三十七頁(yè)，共六十八頁(yè)，2022年，8月28日硬件實(shí)現(xiàn)--數(shù)字顯示

線性通道從A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果Di得到被測(cè)量的數(shù)值Ni第三十八頁(yè)，共六十八頁(yè)，2022年，8月28日硬件實(shí)現(xiàn)--數(shù)字顯示

線性通道S—傳感器靈敏度(即被測(cè)量轉(zhuǎn)換成電壓的轉(zhuǎn)換系數(shù))；E—A/D轉(zhuǎn)換器滿(mǎn)量程輸入電壓；DFS—A/D轉(zhuǎn)換器滿(mǎn)量程輸出數(shù)字。實(shí)現(xiàn)標(biāo)度變換的條件：

第三十九頁(yè)，共六十八頁(yè)，2022年，8月28日硬件實(shí)現(xiàn)--數(shù)字顯示

線性通道實(shí)現(xiàn)標(biāo)度變換的方法調(diào)整放大增益；調(diào)整傳感器靈敏度(例如調(diào)整應(yīng)變電橋的電源電壓)；調(diào)整A/D轉(zhuǎn)換器基準(zhǔn)電壓E。第四十頁(yè)，共六十八頁(yè)，2022年，8月28日為了采用硬件方法實(shí)現(xiàn)標(biāo)度變換應(yīng)將測(cè)量放大器增益調(diào)整為第四十一頁(yè)，共六十八頁(yè)，2022年，8月28日稱(chēng)重傳感器的靈敏度為

MC14433的滿(mǎn)量程輸出數(shù)字滿(mǎn)量程輸入電壓E2=２V，要求A/D轉(zhuǎn)換器直接輸出公斤數(shù)即

第四十二頁(yè)，共六十八頁(yè)，2022年，8月28日硬件實(shí)現(xiàn)--數(shù)字顯示

非線性通道在A/D轉(zhuǎn)換器之前串接“模擬線性校正電路”該校正電路的輸入－輸出特性曲線與非線性環(huán)節(jié)的輸入－輸出特性曲線成反函數(shù)關(guān)系，就可使A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果與被測(cè)量成線性關(guān)系。A/D轉(zhuǎn)換器之后增設(shè)EPROM線性化器首先通過(guò)校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)獲得每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)輸入產(chǎn)生的A/D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)，把標(biāo)準(zhǔn)輸入值Ni寫(xiě)入以Di為地址的EPROM存貯單元中，這樣每當(dāng)A/D轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生一個(gè)數(shù)據(jù)Di時(shí)，就能以Di作為訪問(wèn)地址從EPROM的該地址存貯單元中讀出與Di相對(duì)應(yīng)的Ni值。第四十三頁(yè)，共六十八頁(yè)，2022年，8月28日硬件實(shí)現(xiàn)—效果分析用硬件實(shí)現(xiàn)標(biāo)度變換的優(yōu)缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)――實(shí)時(shí)性強(qiáng)缺點(diǎn)――增加硬件開(kāi)銷(xiāo)結(jié)論：在一般的不要求進(jìn)行適時(shí)控制的檢測(cè)系統(tǒng)中，只要時(shí)間允許，應(yīng)盡可能采用軟件方法進(jìn)行標(biāo)度變換和非線性校正，這樣可大大節(jié)省硬件開(kāi)銷(xiāo)，而且手段靈活，不同參量的標(biāo)度變換只需調(diào)用不同的變換軟件或參數(shù)即可。第四十四頁(yè)，共六十八頁(yè)，2022年，8月28日軟件實(shí)現(xiàn)方法—線性通道線性通道的標(biāo)度變換式中，NH，NL—線性測(cè)量范圍的上、下限；DH，DL—NH，NL對(duì)應(yīng)的A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果；Di—被測(cè)量Ni對(duì)應(yīng)的A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果。第四十五頁(yè)，共六十八頁(yè)，2022年，8月28日例4—4－2某微機(jī)化溫度測(cè)量?jī)x表的量程為100～900℃，利用單片機(jī)803l和ADC0809進(jìn)行A／D轉(zhuǎn)換。在某一時(shí)刻計(jì)算機(jī)采樣并經(jīng)過(guò)數(shù)字濾波后的數(shù)字量為０CDH，求此時(shí)對(duì)應(yīng)的溫度值是多少?(設(shè)儀表的量程是線性的)第四十六頁(yè)，共六十八頁(yè)，2022年，8月28日軟件實(shí)現(xiàn)--非線性通道實(shí)例――差壓式流量測(cè)量通道A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果Di將與被測(cè)流量Qi的平方成正比如果不增設(shè)開(kāi)方器第四十七頁(yè)，共六十八頁(yè)，2022年，8月28日4.5非線性校正算法非線性校正算法――適用于A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果與被測(cè)量不存在明確或簡(jiǎn)單的函數(shù)關(guān)系本節(jié)約定：x表示由A/D送入微機(jī)的原始測(cè)量數(shù)據(jù)y表示被測(cè)量的“真值”z表示經(jīng)過(guò)“校正”處理后，微機(jī)輸出給顯示器或控制器的數(shù)據(jù)本節(jié)討論在y=f(x)公式復(fù)雜和y=f(x)只有離散數(shù)據(jù)兩種情況下，由A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果x求取顯示數(shù)據(jù)z(要求z=y或誤差在允許范圍之內(nèi)即z≈y)的方法第四十八頁(yè)，共六十八頁(yè)，2022年，8月28日離散數(shù)據(jù)的獲得標(biāo)定實(shí)驗(yàn)在規(guī)定的實(shí)驗(yàn)條件下，給測(cè)試系統(tǒng)的輸入端逐次加入一個(gè)個(gè)已知的標(biāo)準(zhǔn)的被測(cè)量y1,y2…yn，并記下對(duì)應(yīng)的輸出讀數(shù)(A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果)x1,x2…xn。這樣就獲得n對(duì)輸入/輸出數(shù)據(jù)(xi,yi)，(i=1,2…n)這些“標(biāo)定”數(shù)據(jù)就是y=f(x)的離散方式描述。第四十九頁(yè)，共六十八頁(yè)，2022年，8月28日查表法通過(guò)熱電阻、熱電偶分度表，或通過(guò)標(biāo)定實(shí)驗(yàn)，獲得n對(duì)“標(biāo)定”數(shù)據(jù)(xi,yi)，i=1,2…n)。優(yōu)點(diǎn)不需要進(jìn)行計(jì)算；為標(biāo)定數(shù)據(jù)，不存在誤差。缺點(diǎn)需要在整個(gè)測(cè)量范圍內(nèi)標(biāo)定實(shí)驗(yàn)測(cè)得很多的測(cè)試數(shù)據(jù)；占用較多內(nèi)存。如8位A／D轉(zhuǎn)換，有256個(gè)數(shù)據(jù)需占用一頁(yè)內(nèi)存，12位A／D轉(zhuǎn)換則需4K內(nèi)存。第五十頁(yè)，共六十八頁(yè)，2022年，8月28日插值法插值法從標(biāo)定或校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)的n對(duì)測(cè)定數(shù)據(jù)(xi,yi)(i=1,2,…,n)中，求得一個(gè)函數(shù)作為實(shí)際的輸出讀數(shù)x與被測(cè)量真值y的函數(shù)關(guān)系的近似表達(dá)式。第五十一頁(yè)，共六十八頁(yè)，2022年，8月28日直線插值第五十二頁(yè)，共六十八頁(yè)，2022年，8月28日拋物線插值第五十三頁(yè)，共六十八頁(yè)，2022年，8月28日擬合法要求z=φ(x)逼近y=f(x)，即二者誤差最小或在允許范圍之內(nèi)。因此，曲線z=φ(x)被稱(chēng)為擬合曲線。最小二乘法第五十四頁(yè)，共六十八頁(yè)，2022年，8月28日4.6數(shù)字濾波數(shù)字濾波通過(guò)一定的計(jì)算程序，對(duì)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(cè)量的可靠性和精度。采用數(shù)字濾波克服干擾，具有如下優(yōu)點(diǎn)：1、節(jié)省硬件成本。2、可靠穩(wěn)定。3、功能強(qiáng)。4、方便靈活。5、不會(huì)丟失原始數(shù)據(jù)。第五十五頁(yè)，共六十八頁(yè)，2022年，8月28日一、限幅濾波基本方法：比較本次采樣值和上一次采樣值，如果它們的差值未超過(guò)允許的最大偏差值，則認(rèn)為本次采樣值有效而保留。如果它們的差值超過(guò)允許的最大偏差值，則認(rèn)為本次采樣值無(wú)效而用上一次采樣值替代。克服隨機(jī)干擾第五十六頁(yè)，共六十八頁(yè)，2022年，8月28日一、限幅濾波最大允許偏差值的選擇

采樣周期參數(shù)可能的最大變化速度過(guò)程的動(dòng)態(tài)特性決定其輸出參數(shù)的變化速度第五十七頁(yè)，共六十八頁(yè)，2022年，8月28日中位值濾波基本方法：對(duì)某一被測(cè)參數(shù)連續(xù)采樣n次(一般n取奇數(shù))，然后把n次采樣值按大小排列，取中間值為本次采樣值。中位值濾波的基本功能能有效地克服偶然因素引起的波動(dòng)或采樣器不穩(wěn)定引起的誤碼等脈沖干擾。對(duì)溫度、液位等緩慢變化的被測(cè)參數(shù)采用此法能收到良好的濾波效果，但對(duì)于流量、壓力等快速變化的參數(shù)一般不宜采用中位值濾波。第五十八頁(yè)，共六十八頁(yè)，2022年，8月28日平均濾波一、算術(shù)平均濾波適用于對(duì)一般具有隨機(jī)干擾的信號(hào)進(jìn)行濾波。第五十九頁(yè)，共六十八頁(yè)，2022年，8月28日平均濾波二、去極值平均濾波連續(xù)采樣N次，去掉一個(gè)最大值，去掉一個(gè)最小值，再求余下N-2個(gè)采樣值的平均值。這種方法既能抑制隨機(jī)干擾，又能抑制明顯的脈沖干擾。第六十頁(yè)，共六十八頁(yè)，2022年，8月28日平均濾波三、移動(dòng)平均濾波(遞推平均濾波)移動(dòng)平均濾波的方法――每進(jìn)行一次采樣，就計(jì)算一次最近N個(gè)數(shù)據(jù)的平均值大大加快了數(shù)據(jù)處理的能力取一丟一對(duì)周期性干擾有良好的抑制作用，對(duì)脈沖干擾抑制作用差第六十一頁(yè)，共六十八頁(yè)，2022年，8月28日平均濾波四、加權(quán)平均濾波在算術(shù)平均濾波法和遞推平均濾波法中，N次采樣值在輸出結(jié)果中的權(quán)重是均等的，即1/N，用這樣的濾波算法，對(duì)于時(shí)變信號(hào)會(huì)引入滯后，N越大，滯后越嚴(yán)重。為了增加新采樣的數(shù)據(jù)在遞推平均中的權(quán)重，以提高系統(tǒng)對(duì)當(dāng)前采樣值中所受干擾的靈敏度，可采用加權(quán)遞推平均濾波算法。不同時(shí)刻的數(shù)據(jù)加以不同的權(quán)，通常越接近現(xiàn)時(shí)刻的數(shù)據(jù)，權(quán)取得越大。第六十二頁(yè)，共六十八頁(yè)，2022年，8月28日提高系統(tǒng)對(duì)當(dāng)前采樣值的靈敏度N項(xiàng)加權(quán)遞推平均濾波算法為Ci為常數(shù)，且