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1、u一一个个完完整整的的检检测测过过程程一一般般包包括括信信息息的的提提取取、信信号号的的转转换换存存储储与与传传输输、信信号号的的显显示示记记录录和和信信号号的的分分析析处处理理。检检测测技技术术是是涉涉及及检检测测方方法法、检检测测系系统统结结构构以以及及检检测测信信号号处处理的一门综理的一门综合性技术。合性技术。2021/6/1612.1. 测量定义测量定义 测量是指人们用实验的方法，借助于一定测量是指人们用实验的方法，借助于一定的仪器或设备，将被测量与同性质的单位标准的仪器或设备，将被测量与同性质的单位标准量进行比较，并确定被测量对标准量的倍数，量进行比较，并确定被测量对标准量的倍数，从
2、而获得关于被测量的定量信息。从而获得关于被测量的定量信息。2 检测系统误差分析检测系统误差分析2021/6/1622.2 2.2 误差的概念误差的概念在在检检测测过过程程中中，由由于于检检测测系系统统的的精精确确度度有有限限、测测量量方方法法不不完完善善、环环境境中中存存在在各各种种干干扰扰因因素素，以以及及检检测测技技术术水水平平的的限限制制等等原原因因，必必然然使使测测量量值值和和真真实实值值之之间间存在着一定的差值，这个差值称为测量误差。存在着一定的差值，这个差值称为测量误差。u测测量量误误差差的的主主要要来来源源可可以以概概括括为为工工具具误误差差、环环境境误误差、方法误差和人员误差等
3、；差、方法误差和人员误差等；u测量误差的表示方法有多种，含义各异。测量误差的表示方法有多种，含义各异。 2021/6/1632.3 2.3 测量误差的表示方法测量误差的表示方法 测量误差有绝对误差和相对误差两种表示方法。测量误差有绝对误差和相对误差两种表示方法。v1.1.绝对误差绝对误差v（1 1）定定义义：由由测测量量所所得得到到的的被被测测量量值值与与其其真真值值之之差差，称为绝对误差称为绝对误差 u实际应用中常用实际值实际应用中常用实际值实际应用中常用实际值实际应用中常用实际值A A A A（高一级以上的测量仪器高一级以上的测量仪器高一级以上的测量仪器高一级以上的测量仪器或计量器具测量所
4、得之值）来代替真值。或计量器具测量所得之值）来代替真值。或计量器具测量所得之值）来代替真值。或计量器具测量所得之值）来代替真值。u绝对误差：绝对误差：绝对误差：绝对误差： 有大小，又有符号和量纲有大小，又有符号和量纲有大小，又有符号和量纲有大小，又有符号和量纲2021/6/164v2.2.相对误差相对误差一个量的准确程度，不仅与它的绝对误差的大小，一个量的准确程度，不仅与它的绝对误差的大小，而且与这个量本身的大小有关。而且与这个量本身的大小有关。v例例：测测量量足足球球场场的的长长度度和和广广州州到到珠珠海海的的距距离离，若若绝绝对误差都为对误差都为1 1米，测量的准确程度是否相同？米，测量的
5、准确程度是否相同？v相对误差：绝对误差与被测量的真值之比相对误差：绝对误差与被测量的真值之比相相对对误误差差是是两两个个有有相相同同量量纲纲的的量量的的比比值值，只只有有大大小小和符号，没有单位。和符号，没有单位。2021/6/165v3. 3. 满度相对误差（引用相对误差）满度相对误差（引用相对误差）用用测测量量仪仪器器在在一一个个量量程程范范围围内内出出现现的的最最大大绝绝对对误误差差与与该该量量程程值值（上上限限值值下下限限值值）之之比比来来表表示示的的相对误差，称为满度相对误差（或引用相对误差）相对误差，称为满度相对误差（或引用相对误差）u仪表各量程内绝对误差的仪表各量程内绝对误差的仪
6、表各量程内绝对误差的仪表各量程内绝对误差的 最大值最大值最大值最大值 2021/6/166v电工仪表就是按引用误差电工仪表就是按引用误差 之值进行分级的。是仪之值进行分级的。是仪表在工作条件下不应超过的最大引用相对误差表在工作条件下不应超过的最大引用相对误差v我国电工仪表共分七级：我国电工仪表共分七级：0.10.1，0.20.2，0.50.5，1.01.0，1.51.5，2.52.5及及5.05.0。如果仪表为。如果仪表为S S级，则说明该仪表的级，则说明该仪表的最大引用误差不超过最大引用误差不超过S% S% v测量点的最大相对误差测量点的最大相对误差v在在使使用用这这类类仪仪表表测测量量时时
7、，应应选选择择适适当当的的量量程程，使使示示值值尽尽可可能能接接近近于于满满度度值值，指指针针最最好好能能偏偏转转在在不不小小于于满度值满度值2/32/3以上的区域。以上的区域。 2021/6/1672.4 2.4 误差的分类和结果的表征误差的分类和结果的表征2.4.1 2.4.1 误差的分类误差的分类根根据据测测量量误误差差的的性性质质，测测量量误误差差可可分分为为随随机机误误差差、系系统统误差、粗大误差三类。误差、粗大误差三类。v1.1.随机误差随机误差定定义义: : 在在同同一一测测量量条条件件下下（指指在在测测量量环环境境、测测量量人人员员、测测量量技技术术和和测测量量仪仪器器都都相相
8、同同的的条条件件下下），多多次次重重复复测测量量同同一一量量值值时时（等等精精度度测测量量），每每次次测测量量误误差差的的绝绝对对值值和和符符号号都都以以不不可可预预知知的的方方式式变变化化的的误误差差，称称为为随随机机误误差差或或偶然误差。偶然误差。2021/6/168v2.2.系统误差系统误差定义：在同一测量条件下，多次测量重复同一量时，定义：在同一测量条件下，多次测量重复同一量时，测测量误差的绝对值和符号都保持不变量误差的绝对值和符号都保持不变，或，或在测量条件改变在测量条件改变时按一定规律变化时按一定规律变化的误差，称为系统误差。例如仪器的的误差，称为系统误差。例如仪器的刻度误差和零位
9、误差，或值随温度变化的误差。刻度误差和零位误差，或值随温度变化的误差。产生的主要原因是仪器的制造、安装或使用方法不正确，产生的主要原因是仪器的制造、安装或使用方法不正确，环境因素（温度、湿度、电源等）影响，测量原理中使环境因素（温度、湿度、电源等）影响，测量原理中使用近似计算公式，用近似计算公式，测量人员不良的读数习惯测量人员不良的读数习惯等。等。2021/6/169系系统统误误差差表表明明了了一一个个测测量量结结果果偏偏离离真真值值或或实实际际值值的的程程度度。系差越小，测量就越准确。系差越小，测量就越准确。系系统统误误差差的的定定量量定定义义是是：在在重重复复性性条条件件下下，对对同同一一
10、被被测测量量进进行行无无限限多多次次测测量量所所得得结结果果的的平平均均值值与与被被测测量量的的真真值值之差。即之差。即2021/6/1610v3.3.粗粗大大误误差差： 粗粗大大误误差差是是一一种种显显然然与与实实际际值值不不符符的的误误差差。产产生粗差的原因有：生粗差的原因有：测测量量操操作作疏疏忽忽和和失失误误 如如测测错错、读读错错、记记错错以以及及实实验验条条件未达到预定的要求而匆忙实验等。件未达到预定的要求而匆忙实验等。测测量量方方法法不不当当或或错错误误 如如用用普普通通万万用用表表电电压压档档直直接接测测高高内阻电源的开路电压内阻电源的开路电压测测量量环环境境条条件件的的突突然
11、然变变化化 如如电电源源电电压压突突然然增增高高或或降降低低，雷电干扰、机械冲击等引起测量仪器示值的剧烈变化等。雷电干扰、机械冲击等引起测量仪器示值的剧烈变化等。v含有粗差的测量值称为坏值或异常值，含有粗差的测量值称为坏值或异常值， 在数据处理时，应剔除掉。在数据处理时，应剔除掉。 2021/6/16112.4.2 2.4.2 结果的表征结果的表征v准准确确度度表表示示系系统统误误差差的的大大小小。系系统统误误差差越越小小，则则准准确确度度越越高，即测量值与实际值符合的程度越高。高，即测量值与实际值符合的程度越高。v精精密密度度表表示示随随机机误误差差的的影影响响。精精密密度度越越高高，表表示
12、示随随机机误误差差越越小小。随随机机因因素素使使测测量量值值呈呈现现分分散散而而不不确确定定，但但总总是是分分布布在平均值附近。在平均值附近。v精精确确度度用用来来反反映映系系统统误误差差和和随随机机误误差差的的综综合合影影响响。精精确确度度越越高高，表表示示正正确确度度和和精精密密度度都都高高，意意味味着着系系统统误误差差和和随随机机误差都小。误差都小。射击误差射击误差示意图示意图 2021/6/1612v测量值 是粗大误差是粗大误差2021/6/1613v2.5 2.5 随机误差的统计特性及减少方法随机误差的统计特性及减少方法在测量中，在测量中，随机误差是不可避免的随机误差是不可避免的。随
13、随机机误误差差是是由由大大量量微微小小的的没没有有确确定定规规律律的的因因素素引引起起的的，比比如如外外界界条条件件（温温度度、湿湿度度、气气压压、电电源源电电压压等等）的的微微小小波波动动，电电磁磁场场的的干干扰扰，大大地轻微振动等。地轻微振动等。多多次次测测量量，测测量量值值和和随随机机误误差差服服从从概概率率统统计计规规律律。可可用用数数理理统统计计的的方方法法，处处理理测测量量数数据据，从从而而减减少随机误差少随机误差对测量结果的影响对测量结果的影响。2021/6/1614正态分布时概率密度曲线正态分布时概率密度曲线 随机误差和测量数据的分布形状相同，因为它们的标准偏随机误差和测量数据
14、的分布形状相同，因为它们的标准偏差相同，只是横坐标相差差相同，只是横坐标相差随机误差具有：随机误差具有：对称性对称性 单峰性单峰性 有界性有界性 抵偿性抵偿性 2021/6/1615算术平均值算术平均值：（3）有限次测量数据的标准偏差的估计值）有限次测量数据的标准偏差的估计值残差：残差：实验标准偏差实验标准偏差（标准偏差的估计值），贝塞尔公式：标准偏差的估计值），贝塞尔公式：算术平均值标准偏差的估计值算术平均值标准偏差的估计值 ：2021/6/16163. 测量结果的置信问题测量结果的置信问题（1 1）置信概率与置信区间：）置信概率与置信区间： 置信区间置信区间 内包含真值的概率称为置信概率。
15、内包含真值的概率称为置信概率。 置信限：置信限： k k置信系数（或置信因子）置信系数（或置信因子） 置信概率是图中置信概率是图中阴影部分面积阴影部分面积2021/6/1617（2 2）正态分布的置信概率）正态分布的置信概率v当分布和当分布和k k值确定之后，则置信概率可定值确定之后，则置信概率可定 v正态分布正态分布,当当k=3时时置信因子k置信概率Pc10.68320.95530.997区间越宽，区间越宽，置信概率越大置信概率越大2021/6/16184.1. 4.1. 系统误差的特征：系统误差的特征： 在同一条件下，多次测量同一量值时，误差的绝对值和符在同一条件下，多次测量同一量值时，误
16、差的绝对值和符号保持不变，或者在条件改变时，误差按一定的规律变化。号保持不变，或者在条件改变时，误差按一定的规律变化。 多次测量求平均不能减少系差。多次测量求平均不能减少系差。 2021/6/16194.3. 系统误差的削弱或消除方法系统误差的削弱或消除方法 （1 1）从产生系统误差根源上采取措施减小系统误差）从产生系统误差根源上采取措施减小系统误差要从测量原理和测量方法尽力做到正确、严格。要从测量原理和测量方法尽力做到正确、严格。测量仪器定期检定和校准，正确使用仪器。测量仪器定期检定和校准，正确使用仪器。 注注意意周周围围环环境境对对测测量量的的影影响响，特特别别是是温温度度对对电电子子测测
17、量量的的影响较大。影响较大。 尽尽量量减减少少或或消消除除测测量量人人员员主主观观原原因因造造成成的的系系统统误误差差。应提高测量人员业务技术水平和工作责任心，改进设备。应提高测量人员业务技术水平和工作责任心，改进设备。（2 2）用修正方法减少系统误差）用修正方法减少系统误差修正值误差修正值误差= =（测量值真值）（测量值真值） 实际值测量值修正值实际值测量值修正值2021/6/1620（3 3）采用一些专门的测量方法）采用一些专门的测量方法v 替代法替代法v 交换法交换法 v 对称测量法对称测量法 v 减小周期性系统误差的半周期法减小周期性系统误差的半周期法 系统误差可忽略不计的准则系统误差
18、可忽略不计的准则是：是：系系统统误误差差或或残残余余系系统统误误差差代代数数和和的的绝绝对对值值不不超超过过测测量量结结果果扩扩展展不不确确定定度度的的最最后后一一位位有有效效数数字字的一半。的一半。2021/6/16215. 5. 粗大误差及其判断准则粗大误差及其判断准则 v大误差出现的概率很小，列出可疑数据，分析是否是粗大大误差出现的概率很小，列出可疑数据，分析是否是粗大误差，若是，则应将对应的测量值误差，若是，则应将对应的测量值剔除剔除。v1. 粗大误差产生原因以及防止与消除的方法粗大误差产生原因以及防止与消除的方法 粗大误差的产生原因粗大误差的产生原因 v 测量人员的主观原因测量人员的
19、主观原因：操作失误或错误记录；：操作失误或错误记录；v 客客观观外外界界条条件件的的原原因因：测测量量条条件件意意外外改改变变、受受较大的电磁干扰，或测量仪器偶然失效等。较大的电磁干扰，或测量仪器偶然失效等。防止和消除粗大误差的方法防止和消除粗大误差的方法v重要的是采取各种措施，重要的是采取各种措施，防止产生粗大误差防止产生粗大误差。2021/6/16222. 粗大误差的判别准则粗大误差的判别准则统计学的方法的基本思想是：给定一置信概率，确定相应统计学的方法的基本思想是：给定一置信概率，确定相应的置信区间，凡超过置信区间的误差就认为是粗大误差，的置信区间，凡超过置信区间的误差就认为是粗大误差，
20、并予以剔除。并予以剔除。莱特检验法莱特检验法 格拉布斯检验法格拉布斯检验法 式中，式中，G G值按重复测量次数值按重复测量次数n n及置信概率及置信概率PcPc确定确定 2021/6/16233. 3. 结果的处理步骤结果的处理步骤 v对测量值进行系统误差修正，将数据依次列成表格；对测量值进行系统误差修正，将数据依次列成表格；v求出算术平均值求出算术平均值v列出残差列出残差 ，并验证，并验证v按贝塞尔公式计算标准偏差的估计值按贝塞尔公式计算标准偏差的估计值v按莱特准则按莱特准则 ，或格拉布斯准则，或格拉布斯准则 检查和剔除粗大误差；检查和剔除粗大误差；v判判断断有有无无系系统统误误差差。如如有
21、有系系统统误误差差，应应查查明明原原因因，修修正正或或消除系统误差后重新测量；消除系统误差后重新测量；v计算算术平均值的标准偏差计算算术平均值的标准偏差 ；v写出最后结果的表达式，即写出最后结果的表达式，即 （单位）（单位）。2021/6/16246. 6. 误差的合成分析误差的合成分析v问问题题：用用间间接接法法测测量量电电阻阻消消耗耗的的功功率率时时，需需测测量量电电阻阻R R、端端电电压压V V和和电电流流I I三三个个量量中中的的两两个个量量，如如何何根根据据电电阻阻、电电压压或电流的误差来推算功率的误差呢？或电流的误差来推算功率的误差呢？2021/6/1625v在实际应用中，由于分项
22、误差符号不定而可同时取在实际应用中，由于分项误差符号不定而可同时取正负，有时就采用保守的办法来估算误差，即将式正负，有时就采用保守的办法来估算误差，即将式中各分项中各分项取绝对值后再相加取绝对值后再相加v该公式常用于在设计阶段中对传感器、仪器及系统该公式常用于在设计阶段中对传感器、仪器及系统等的误差进行分析和估算，以采取减少误差的相应等的误差进行分析和估算，以采取减少误差的相应措施。措施。2021/6/16261.3 1.3 传感器基础知识传感器基础知识 1.定义定义 传感器就是能感知外界信息并能按一定规律传感器就是能感知外界信息并能按一定规律将这些信息转换成可用信号的机械电子装置。如将这些信
23、息转换成可用信号的机械电子装置。如下图所示下图所示:物理量物理量电量电量2021/6/1627数据采集数据采集1. 数据采集的定义数据采集的定义( DAQ ) 指采集温度、压力、流指采集温度、压力、流量等模拟量，转换成数量等模拟量，转换成数字量，由计算机进行存字量，由计算机进行存储、处理、打印的过程。储、处理、打印的过程。 相应系统称为数据采集系统。相应系统称为数据采集系统。 数据采集数据采集 2021/6/16282. 数据采集的意义数据采集的意义 在生产过程中，对工艺参数进在生产过程中，对工艺参数进 行采集、监测，为提高质量，行采集、监测，为提高质量， 降低成本，提供信息。降低成本，提供信
24、息。在科学研究中，用来获取微观、在科学研究中，用来获取微观、 动静态信息。动静态信息。解决靠人不能解决的问题。解决靠人不能解决的问题。作用作用意义：意义：2021/6/16293. 数据采集系统的任务数据采集系统的任务有有采集传感器输出的模拟信号，并转采集传感器输出的模拟信号，并转 换成数字信号，然后送入计算机。换成数字信号，然后送入计算机。计算机对数字信号进行处理。计算机对数字信号进行处理。 例如，物体的运动数据记录、处理。例如，物体的运动数据记录、处理。提高工作效率，取得较好的经济提高工作效率，取得较好的经济效益。效益。结果：结果：2021/6/16305. 构成数据采集系统的构成数据采集
25、系统的依据依据 保证系统具备保证系统具备采样精度采样精度的条件下，有的条件下，有尽可能高的尽可能高的采样速度采样速度，以满足实时处理、，以满足实时处理、控制的要求。控制的要求。4. 评价数据采集系统性能优劣的标准评价数据采集系统性能优劣的标准 标准有标准有系统的系统的采样精度采样精度。系统的系统的采样速度采样速度。2021/6/1631模拟，抽样，数字化模拟，抽样，数字化 数字信号：时间和幅值均为离散数字信号：时间和幅值均为离散 的信号的信号。 模拟信号：时间和幅值均为连续模拟信号：时间和幅值均为连续 的信号的信号。 抽样信号：时间离散的，幅值抽样信号：时间离散的，幅值 连续的信号连续的信号。
26、量化抽样2021/6/1632模拟信号的数字化处理模拟信号的数字化处理v数据采集的核心过程就数据采集的核心过程就是将连续的模拟信号转是将连续的模拟信号转换成离散的数字信号换成离散的数字信号v采样点太多，会占用大采样点太多，会占用大量内存单元；采样点太量内存单元；采样点太少，会使模拟信号的某少，会使模拟信号的某些信息被丢失，出现失些信息被丢失，出现失真现象真现象2021/6/1633足够的采样率下的采样结果足够的采样率下的采样结果 过低采样率下的采样结果过低采样率下的采样结果 2021/6/1634混叠干扰混叠干扰采采样样频频率率为为5 50 00 0H Hz z，5 5个个正正 弦弦 波波 的
27、的 频频 率率 分分 别别 为为1 10 00 0H Hz z，2 20 00 0H Hz z，3 30 00 0H Hz z，3 37 75 5H Hz z和和4 40 00 0 H Hz z。 因因 为为1 10 00 0H Hz z，2 20 00 0H Hz z的的信信号号频频率率小小于于f fs s/ /2 2，可可以以由由离离散散信信号号还还原原出出原原始始的的正正弦弦波波连连续续信信号号。而而3 30 00 0H Hz z，3 37 75 5H Hz z和和4 40 00 0H Hz z的的信信号号频频率率都都大大于于f fs s/ /2 2，故故离离散散信信号号重重构构原原信信
28、号号时时形形成成了了频频率率不不同同于于原原信信号号频频率率的的 信信 号号 ，即即 混混 叠叠 干干 扰扰 。2021/6/1635采样定理采样定理 在进行信号采样时，需要遵循在进行信号采样时，需要遵循采样定理采样定理：设连：设连续模拟信号续模拟信号X(t)的频谱为的频谱为X(f)，以采样间隔，以采样间隔Ts采样采样得到的离散模拟信号为得到的离散模拟信号为X(nTs)，如果，如果X(f)和和Ts满足满足以下条件，离散信号以下条件，离散信号X(nTs)可以完全确定频谱可以完全确定频谱X(f) vX(f)有截止频率有截止频率(即最高频率即最高频率)fh，即当，即当|f| fh时，时，X(f)0v
29、Ts 1/2fh 或或 fs 2fh 2021/6/1636混叠的消除混叠的消除v由采样定理可知，如果要求不产生混叠干扰，首先应使被由采样定理可知，如果要求不产生混叠干扰，首先应使被采样信号采样信号X(t)成为有限带宽的信号。为此，对不满足此要成为有限带宽的信号。为此，对不满足此要求的信号，在采样之前，求的信号，在采样之前，使其先通过模拟低通滤波器滤除使其先通过模拟低通滤波器滤除高频成分，使其成为带限信号。这种处理称为抗混叠滤波高频成分，使其成为带限信号。这种处理称为抗混叠滤波预处理。预处理。其次，应使采样频率其次，应使采样频率fs大于带限信号最高频率大于带限信号最高频率fh的的2倍，即倍，即
30、fs2fh。v在实际工作中，考虑到实际的模拟低通滤波器不可能有理在实际工作中，考虑到实际的模拟低通滤波器不可能有理想的截止特性，在其截止频率想的截止特性，在其截止频率fh之后总有一定的过渡带，之后总有一定的过渡带，故故采样频率常常选为（采样频率常常选为（34）fh，甚至更高甚至更高。 2021/6/1637量化量化为了能用计算机处理信号，须将采样信号转换成数字为了能用计算机处理信号，须将采样信号转换成数字信号，也就是将采样信号的幅值用二进制码来表示，信号，也就是将采样信号的幅值用二进制码来表示，由于二进制码的位数是有限的，只能代表有限个信号由于二进制码的位数是有限的，只能代表有限个信号的电平，
31、故在编码之前，首先要对采样信号进行的电平，故在编码之前，首先要对采样信号进行“量量化化”。量化就是把采样信号的幅值与某个最小数量单位的一量化就是把采样信号的幅值与某个最小数量单位的一系列整倍数比较，以最接近于采样信号幅值的最小数系列整倍数比较，以最接近于采样信号幅值的最小数量单位倍数来代替该幅值。这一过程称为量单位倍数来代替该幅值。这一过程称为“量化过程量化过程”，简称，简称“量化量化”。2021/6/1638最小数量单位称为量化单位。量化单位定义为量化最小数量单位称为量化单位。量化单位定义为量化器满量程电压器满量程电压FSR（Full Scale Range）与）与2n的比的比值，用值，用q
32、表示，有：表示，有：式中，式中，n为量化器的位数，也就是采集卡的采样位数。为量化器的位数，也就是采集卡的采样位数。2021/6/1639量化误差量化误差v由量化引起的误差叫做量化误差（也常叫做量化噪声，因为由量化引起的误差叫做量化误差（也常叫做量化噪声，因为它常与噪声有相同影响）。它常与噪声有相同影响）。v量化误差的最大值为量化误差的最大值为q，它是一种原理性误差，只能减小而，它是一种原理性误差，只能减小而不能完全消除。不能完全消除。v由前面由前面q的定义式可以看出，减小量化误差可以通过两个途的定义式可以看出，减小量化误差可以通过两个途径：径：u减小减小FSR，即根据输入信号的大小，设置合理的
33、采集，即根据输入信号的大小，设置合理的采集卡通道的输入信号范围；卡通道的输入信号范围；u增大增大n的值，即选择采样分辨率高的采集卡。的值，即选择采样分辨率高的采集卡。2021/6/1640信号分类信号分类v在数据采集应用领域，常将被测信号分为数字信号和模拟信在数据采集应用领域，常将被测信号分为数字信号和模拟信号（也称连续时间信号）。号（也称连续时间信号）。2021/6/1641v数数字字信信号号onofft1-0-t开关信号开关信号输入：输入：检测一个开关的打开检测一个开关的打开/闭合闭合输出：输出：打开打开/关闭一个阀门关闭一个阀门驱动能力驱动能力通道数通道数脉冲队列脉冲队列输入：输入：读光
34、编码器的输出信号读光编码器的输出信号输出：输出：产生一个方波产生一个方波时钟频率时钟频率分辨率分辨率对采集卡的要求对采集卡的要求2021/6/1642v模模拟拟信信号号电压信号电压信号温度温度压力压力流量流量应力应力DC精度精度频域信号频域信号振动振动语音语音声呐声呐分辨率分辨率采样频率采样频率精度精度触发触发对采集卡的要求对采集卡的要求时域信号时域信号雷达回波雷达回波血压变化血压变化汽车点火波形汽车点火波形分辨率分辨率采样频率采样频率精度精度触发触发0.985ttf2021/6/1643vTrigger（触发）：（触发）：启动、停止或同步采集事件的方法启动、停止或同步采集事件的方法MNN延时
35、触发延时触发预触发预触发中触发中触发后触发后触发模拟触发模拟触发数字触发数字触发上升沿触发上升沿触发MNN下降沿触发下降沿触发正沿触发正沿触发负沿触发负沿触发触发触发事件事件2021/6/1644v下列情况适用软件触发模式（下列情况适用软件触发模式（Software Trigger）用户需要对所有采集事件进行明确控制用户需要对所有采集事件进行明确控制时间要求不甚严格时间要求不甚严格v下列情况适用硬件触发模式下列情况适用硬件触发模式采集事件需要与外部装置严格同步采集事件需要与外部装置严格同步高速、瞬态采集事件高速、瞬态采集事件2021/6/1645模拟信号的连接方式模拟信号的连接方式 v信号根据
36、参考点的不同可以分为接地信号和浮动信号两种类型。信号根据参考点的不同可以分为接地信号和浮动信号两种类型。接地信号接地信号：就是以系统地（如建筑物的地）为参考点的信号，也称：就是以系统地（如建筑物的地）为参考点的信号，也称参考信号。因为接地信号用的是系统地，所以与数据采集设备是共参考信号。因为接地信号用的是系统地，所以与数据采集设备是共地的。地的。如信号发生器和电源如信号发生器和电源。一个不与任何地（如大地或建一个不与任何地（如大地或建筑物的地）连接的电压信号称筑物的地）连接的电压信号称为为浮动信号浮动信号，浮动信号的每个，浮动信号的每个端口都与系统地独立。一些常端口都与系统地独立。一些常见的浮
37、动信号源有见的浮动信号源有电池、热电电池、热电偶、变压器和隔离放大器等。偶、变压器和隔离放大器等。 2021/6/1646测量系统分类测量系统分类 -参考地单端测量参考地单端测量（RSE）所有信号均使用同所有信号均使用同一个参考电压或接一个参考电压或接地电压，也称为接地电压，也称为接地测量系统。在接地测量系统。在接地测量系统中，被地测量系统中，被测信号一端接模拟测信号一端接模拟输入通道，另一端输入通道，另一端直接与系统地直接与系统地AIGND相连。相连。 2021/6/1647-差分测量（差分测量（DI）信号的正负极分别与一个模信号的正负极分别与一个模拟输入通道相连接。具有仪拟输入通道相连接。
38、具有仪器放大器（器放大器（Instrumentation Amplifier）的数据采集设备）的数据采集设备可配置成差分测量系统。可配置成差分测量系统。 一个理想的差分测量系统能一个理想的差分测量系统能够精确测量（够精确测量（+）和（）和（-）输）输入端口之间的电位差，并将入端口之间的电位差，并将共模电压完全抑制掉。共模电压完全抑制掉。2021/6/1648-无参考地单端测量（无参考地单端测量（NRSE）所有测量都有一个共同所有测量都有一个共同的参考源，但此类参考的参考源，但此类参考电压可根据测量系统的电压可根据测量系统的地面实际情况而有所不地面实际情况而有所不同。在无参考地单端测同。在无参考
39、地单端测量系统中，信号的一端量系统中，信号的一端接模拟输入通道，另一接模拟输入通道，另一端接一个公共参考端端接一个公共参考端（AISENSE），但这个），但这个参考端电压相对于测量参考端电压相对于测量系统的地来说是不断变系统的地来说是不断变化的。化的。2021/6/1649v接地信号的测量接地信号的测量最好采用差分或最好采用差分或NRSE方式方式若采用若采用RSE方式，会引入较大误差方式，会引入较大误差接地回路通常会在测量数据中引入频率为电源频率的交流接地回路通常会在测量数据中引入频率为电源频率的交流和偏置直流干扰和偏置直流干扰如果信号电压很高并且信号源和数据采集卡之间的连接阻如果信号电压很高
40、并且信号源和数据采集卡之间的连接阻抗很小，也可以采用抗很小，也可以采用RSE输入方式输入方式2021/6/1650v浮空信号的测量浮空信号的测量可以用可以用DI、RSE、NRSE方式测量浮空信号方式测量浮空信号在差分输入时，必须保证相对于测量地的信号共模电压在差分输入时，必须保证相对于测量地的信号共模电压在允许范围之内在允许范围之内需在测量端与测量地之间连接偏置电阻需在测量端与测量地之间连接偏置电阻10K ohmR1=R21V连线比较短，一般连线比较短，一般5m环境干扰很小或信号屏蔽比较好环境干扰很小或信号屏蔽比较好所有输入信号都与信号源共地所有输入信号都与信号源共地v否则建议选用差分输入方式
41、否则建议选用差分输入方式总体而言，差分输入方式是比较好的选择总体而言，差分输入方式是比较好的选择2021/6/1652测量系统的选择测量系统的选择连接方式连接方式接地信号接地信号浮动信号浮动信号差分差分参考地单端参考地单端X无参考地单端无参考地单端 单单端端输输入入以以一一个个共共同同点点为为参参考考点点，这这种种方方式式适适用用于于输输入入信信号号为为高高电电平平（大大于于1V）且且信信号号源源与与采采集集端端之之间间的的距距离离较较短短（通通常常小小于于5m）的的应应用用场场合合。如如果果不不能能满满足足上上述述条条件件，则则需需要要使使用用差差分分输输入入。在在差差分分输输入入方方式式下
42、下，每每个个输输入入可可以以有有不不同同的的参参考考点点，并并且且有有效效地地消消除除了了共共模模噪声的影响，所以差分输入方式的采集精度较高。噪声的影响，所以差分输入方式的采集精度较高。2021/6/1653数据采集系统的组成数据采集系统的组成2021/6/1654数据采集卡的功能数据采集卡的功能功功 能能描描 述述模拟输入模拟输入数数据据采采集集卡卡最最基基本本、最最常常用用的的功功能能，将将模模拟拟电电压压信信号号通通 过过A/D转转 换换 成成 数数 字字 信信 号号 。 常常 用用 于于 检检 测测 温温 度度 、压力压力 、流量等传感器的输出电压信号。、流量等传感器的输出电压信号。模
43、拟输出模拟输出通过通过D/A转换将自定义的数字信号转化成模拟信号输出。转换将自定义的数字信号转化成模拟信号输出。常用作信号发生器为其他系统提供激励。常用作信号发生器为其他系统提供激励。数字数字I/O处理二值信号，多数采用处理二值信号，多数采用TTL电平标准。通常用于获电平标准。通常用于获取取/设置数据采集系统外围设备的状态，可以利用其与设置数据采集系统外围设备的状态，可以利用其与外围设备进行通信，还能驱动步进电机等。外围设备进行通信，还能驱动步进电机等。计数器计数器实现定时功能，或生成数字脉冲信号，以驱动步进电实现定时功能，或生成数字脉冲信号，以驱动步进电机一类的执行元器件。也能对脉冲信号计数
44、，如测量机一类的执行元器件。也能对脉冲信号计数，如测量数字脉冲信号的频率等。数字脉冲信号的频率等。2021/6/1655采集卡基本参数采集卡基本参数v以以NI公司的公司的PCI-6071E多功能采集卡为例，介绍采集卡的一多功能采集卡为例，介绍采集卡的一般参数：般参数：u模拟输入：模拟输入：64路单端路单端/32路双端，输入范围：路双端，输入范围：10Vu分辨率：分辨率：12位位 u采样频率：最高采样频率：最高1.25MS/s u模拟输出：模拟输出：2路，路，12位，位，1MS/s，输出范围：，输出范围：10V u数字数字I/O：8路路 u计数器：计数器：2路，路，24位，基准时钟位，基准时钟2
45、0MHz或或100KHz2021/6/1656检测系统的组成和性能检测系统的组成和性能系统组成系统组成硬件硬件软件软件结构形式结构形式微型计算机数据采集系统微型计算机数据采集系统集散型数据采集系统集散型数据采集系统2021/6/1657传感器传感器图图1.1 微型计算机数据采集系统微型计算机数据采集系统放大放大器器采采样样/保保持持器器传感器传感器传感器传感器传感器传感器A/D转转换换器器计计算算机机显示器显示器打印机打印机绘图机绘图机定时与逻辑控制定时与逻辑控制传感器传感器传感器传感器接接口口被被测测物物理理量量数字信号数字信号开关信号开关信号多路开关多路开关1. 微型计算机数据采集系统微型
46、计算机数据采集系统2021/6/1658系统系统组成组成传感器传感器 将非电量转换为电信号。将非电量转换为电信号。 多路开关多路开关 分时切换各路模拟量与分时切换各路模拟量与 采样保持器的通路。采样保持器的通路。 程控放大器程控放大器 对模拟信号进行放大。对模拟信号进行放大。 采样采样/ /保持器保持器 保持模拟信号电压。保持模拟信号电压。A/DA/D转换器转换器 将模拟信号转换为数字将模拟信号转换为数字 信号。信号。 接口电路接口电路 将数字信号进行整形电将数字信号进行整形电 平调整。平调整。2021/6/1659时序图如图时序图如图1.2所示。所示。(1)(2)(3)(4)(5)一个工作周
47、期一个工作周期多路开关多路开关放大器放大器采样保持采样保持AD转换转换数据总线数据总线图图1.2 数据采集系统工作时序数据采集系统工作时序1.2 s6 stAD启动脉冲启动脉冲2021/6/1660系统特点系统特点结构简单，易实现结构简单，易实现对环境要求不高对环境要求不高系统成本低系统成本低集散型的基本单元集散型的基本单元模板齐全，易组成系统模板齐全，易组成系统 2. 集散型数据采集系统集散型数据采集系统 系统结构如图系统结构如图1.3所示所示 2021/6/1661图图1.3 集散型数据采集系统集散型数据采集系统模拟量模拟量输入输入模拟量模拟量输入输入模拟量模拟量输入输入数字量数字量输入输
48、入数字量数字量输入输入数字量数字量输入输入RS-485RS-485生生产产现现场场生生产产现现场场生生产产现现场场数据数据采集采集 站站数据数据采集采集 站站数据数据采集采集 站站通信接口通信接口上位机上位机2021/6/1662数据采集站一般是由单片机数据采集装数据采集站一般是由单片机数据采集装置组成，位于生产设备附近，可独立完置组成，位于生产设备附近，可独立完成数据采集和预处理任务，还可将数据成数据采集和预处理任务，还可将数据以数字信号的形式传送给上位机。以数字信号的形式传送给上位机。 数据采集站与上位机之间通常采用异步数据采集站与上位机之间通常采用异步串行传送数据。数据通信通常采用主从串
49、行传送数据。数据通信通常采用主从方式，由上位机确定与哪一个数据采集方式，由上位机确定与哪一个数据采集站进行数据传送。站进行数据传送。 它由若干个它由若干个“数据采集站数据采集站”和一台上位机和一台上位机及通信线路组成。及通信线路组成。 2021/6/1663系统特点系统特点适应能力强适应能力强可靠性高可靠性高实时性好实时性好对硬件要求不高对硬件要求不高2021/6/1664检测系统的功能检测系统的功能 检测系统一般具有以下功能：检测系统一般具有以下功能： 1. 采集数据采集数据按照采样周期，对模拟、数字、开关信号采样。按照采样周期，对模拟、数字、开关信号采样。 2. 模拟信号处理模拟信号处理模
50、拟信号模拟信号 指信号幅值随时间连续变化指信号幅值随时间连续变化的信号。的信号。 2021/6/1665特点：特点： 在规定的一段连续时间内，其幅值在规定的一段连续时间内，其幅值为连续值。为连续值。优点：优点： 便于传送。便于传送。缺点：缺点： 易受干扰。易受干扰。信号信号类型类型由传感器输出的电压信号由传感器输出的电压信号由仪表输出的电流信号由仪表输出的电流信号420mA05V2021/6/1666信号信号处理处理将采样信号将采样信号将转换的数字信号作标度变换将转换的数字信号作标度变换3. 数字信号处理数字信号处理 数字信号数字信号 指在有限离散瞬时上取值间指在有限离散瞬时上取值间断的信号。
51、断的信号。 特点：特点：时间和幅值都不连续的信号。时间和幅值都不连续的信号。 数字信号数字信号2021/6/1667优点：优点： 抗干扰能力强抗干扰能力强缺点：缺点： 需要一套转换电路，增加成本。需要一套转换电路，增加成本。传送方式传送方式并行传送并行传送串行传送串行传送信号处理：信号处理： 将数字信号采入计算机后，进将数字信号采入计算机后，进行码制转换。如行码制转换。如 BCDASCII，便于在屏幕上显示。便于在屏幕上显示。2021/6/16684. 开关信号的处理开关信号的处理 开关信号开关信号 由按钮、行程开关等器件触由按钮、行程开关等器件触点产生的信号。点产生的信号。 信号处理：信号处
52、理： 根据开关的状态执行相应的操作。根据开关的状态执行相应的操作。 5. 二次数据计算二次数据计算 概念概念一次数据一次数据 二次数据二次数据 从传感器采集的数据。从传感器采集的数据。对一次数据作计算得到对一次数据作计算得到的数据。的数据。2021/6/1669二次数据二次数据平均、累计平均、累计傅里叶变换、积分变换傅里叶变换、积分变换变化率、差值变化率、差值最大值、最小值最大值、最小值6. 屏幕显示屏幕显示 将数字、图形、图表等显示在屏幕上。将数字、图形、图表等显示在屏幕上。 7. 数据存储数据存储 按时间间隔，将数据存储在外部存储器。按时间间隔，将数据存储在外部存储器。2021/6/167
53、08. 打印输出打印输出按时间间隔，打印输出数字、图形。按时间间隔，打印输出数字、图形。 9. 人机交互人机交互 操作人员用键盘或鼠标与系统对话，操作人员用键盘或鼠标与系统对话，完成运行方式的设置。完成运行方式的设置。 2021/6/1671小结：小结： 本章主要学习检测技术的相关概念，误本章主要学习检测技术的相关概念，误差理论及误差处理方法；传感器的概念、类差理论及误差处理方法；传感器的概念、类型及主要参数，数据采集系统相关概念，在型及主要参数，数据采集系统相关概念，在学习过程中除了要做好预复习之外，还应注学习过程中除了要做好预复习之外，还应注意收集有关资料，尤其是要意收集有关资料，尤其是要
54、充分利用好网络，充分利用好网络，便于更好地理解各种专业名词术语和有关概便于更好地理解各种专业名词术语和有关概念。念。 2021/6/1672思考题思考题l.检测系统由哪几部分组成检测系统由哪几部分组成? 说明各部分的作用。说明各部分的作用。2.某线性位移测量仪，当被测位移由某线性位移测量仪，当被测位移由4.5mm变到变到 5.0mm时，位移测量仪的输出电压由时，位移测量仪的输出电压由3.5V减至减至 2.5V，求该仪器的灵敏度。，求该仪器的灵敏度。2021/6/16733.某测温系统由以下四个环节组成，各自的灵敏度如某测温系统由以下四个环节组成，各自的灵敏度如下：下： 铂电阻温度传感器：铂电阻
55、温度传感器： 0.45/ 电桥：电桥： 0.02V/ 放大器：放大器： 100(放大倍数放大倍数) 笔式记录仪：笔式记录仪： 0.2cm/V求：求：(1)测温系统的总灵敏度；测温系统的总灵敏度； (2)记录仪笔尖位移记录仪笔尖位移4cm时，所对应的温度变化值。时，所对应的温度变化值。 4.有三台测温仪表，量程均为有三台测温仪表，量程均为0800，精度等级分别，精度等级分别为为2.5级、级、2.0级和级和1.5级，现要测量级，现要测量500的温度，要的温度，要求相对误差不超过求相对误差不超过2.5，选那台仪表合理，选那台仪表合理?2021/6/16745.什么是系统误差和随机误差什么是系统误差和
56、随机误差?正确度和精密度的含义是正确度和精密度的含义是什么什么? 它们各反映何种误差它们各反映何种误差?6. 等精度测量某电阻等精度测量某电阻10次，得到的测量列如下：次，得到的测量列如下： R1167.95 R2167.45 R3167.60 R4167.60 R5167.87 R6167.88 R7168.00 R8167.850 R9167.82 R10167.608(1)求求10次测量的算术平均值，测量的标准误差次测量的算术平均值，测量的标准误差。和算。和算术平均值的标准误差术平均值的标准误差s。(2)若置信概率取若置信概率取99.7，写出被测电阻的真值和极限值。，写出被测电阻的真值和极限值。2021/6/1675 结束语结束语若有不当之处，请指正，谢谢！若有不当之处，请指正，谢谢！
