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(hào)處理第3章

模擬多路開(kāi)關(guān)第4章

測(cè)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(hào)的采集第10章

數(shù)據(jù)的預(yù)處理

思考題與習(xí)題點(diǎn)評(píng)

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(lèi)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(biāo)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(biāo)準(zhǔn)

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(jī)械式蒸汽機(jī)轉(zhuǎn)速的閉環(huán)自動(dòng)調(diào)速系統(tǒng)

1788年，英國(guó)機(jī)械師

J.瓦特(Watt)在改進(jìn)蒸汽機(jī)的同時(shí)，發(fā)明了離心式調(diào)速器，如左圖。這是機(jī)械式蒸汽機(jī)轉(zhuǎn)速的閉環(huán)自動(dòng)調(diào)速系統(tǒng)。當(dāng)蒸汽機(jī)輸出軸轉(zhuǎn)速發(fā)生變化時(shí)，離心調(diào)速器自動(dòng)調(diào)節(jié)進(jìn)汽閥門(mén)的開(kāi)度，從而控制蒸汽機(jī)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(jī)調(diào)速系統(tǒng)，見(jiàn)下圖。

瓦特的這項(xiàng)發(fā)明對(duì)第一次工業(yè)革命的發(fā)展有重要影響。數(shù)據(jù)采集進(jìn)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(jī)負(fù)載離心式調(diào)速器反饋

瓦特蒸汽機(jī)轉(zhuǎn)速不穩(wěn)問(wèn)題也引發(fā)了自動(dòng)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(dòng)控制

圖中，水溫操作員要用手（通過(guò)感覺(jué)）來(lái)測(cè)試水的溫度，并將此溫度與他要求的值（給定值）相比較（通過(guò)大腦）。同時(shí)，他要決定（通過(guò)大腦）：其手應(yīng)該朝哪個(gè)方向旋轉(zhuǎn)閥門(mén)（打開(kāi)或關(guān)閉）；旋轉(zhuǎn)多大的角度）。2.數(shù)據(jù)采集在自動(dòng)控制中的位置

9水溫的自動(dòng)控制1.1

數(shù)據(jù)采集的意義與任務(wù)

采用自動(dòng)控制時(shí)，水溫的手動(dòng)控制的功能，由各種傳感器、儀表、執(zhí)行器來(lái)代替。傳感器—測(cè)溫計(jì)：感測(cè)水的溫度；執(zhí)行器—調(diào)節(jié)閥：打開(kāi)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(dòng)調(diào)節(jié)閥。103.數(shù)據(jù)采集的工程應(yīng)用實(shí)例

1.1

數(shù)據(jù)采集的意義與任務(wù)

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

數(shù)據(jù)采集的意義與任務(wù)

12核電廠(chǎng)131.1

數(shù)據(jù)采集的意義與任務(wù)

數(shù)控車(chē)床控制面板

防護(hù)罩排屑機(jī)冷卻液箱141.1

數(shù)據(jù)采集的意義與任務(wù)

自動(dòng)駕駛汽車(chē)151.1

數(shù)據(jù)采集的意義與任務(wù)

仿人機(jī)器人多指靈巧機(jī)器手161.1

數(shù)據(jù)采集的意義與任務(wù)

自動(dòng)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(jì)算機(jī)進(jìn)行存儲(chǔ)、處理、打印的過(guò)程。

數(shù)據(jù)采集——相應(yīng)系統(tǒng)稱(chēng)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(guò)程中，對(duì)工藝參數(shù)進(jìn)行采集、監(jiān)測(cè)，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(lái)獲取微觀、動(dòng)靜態(tài)信息。例如，物體的運(yùn)動(dòng)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(chē)碰撞數(shù)據(jù)采集20解決人不能解決的問(wèn)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(hào)，并轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，然后送入計(jì)算機(jī)。②計(jì)算機(jī)對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行處理。提高工作效率，取得較好的經(jīng)濟(jì)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(jì)算機(jī)進(jìn)行存儲(chǔ)、 處理、打印的過(guò)程。

相應(yīng)系統(tǒng)稱(chēng)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(mǎn)足實(shí)時(shí)處理、控制的要求。7.

評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)性能優(yōu)劣的標(biāo)準(zhǔn)

標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)理解模擬信號(hào)與處理

理解數(shù)字信號(hào)與處理理解二次數(shù)據(jù)計(jì)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(duì)模擬、數(shù)字、開(kāi)關(guān)信號(hào)采樣。2.

模擬信號(hào)處理模擬信號(hào)—指信號(hào)幅值隨時(shí)間連續(xù)變化的信號(hào)。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(diǎn)：在規(guī)定的一段連續(xù)時(shí)間內(nèi)，其幅值為連續(xù)值。優(yōu)點(diǎn)：便于傳送。缺點(diǎn)：易受干擾。信號(hào)類(lèi)型①由傳感器輸出的電壓信號(hào)②由儀表輸出的電流信號(hào)0～20mA4～20mA271.2

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的基本功能

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

數(shù)字信號(hào)處理

數(shù)字信號(hào)—指在有限離散瞬時(shí)上取值間斷的信號(hào)。特點(diǎn)：時(shí)間和幅值都不連續(xù)的信號(hào)。→數(shù)字信號(hào)281.2

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的基本功能

優(yōu)點(diǎn)：抗干擾能力強(qiáng)缺點(diǎn)：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(hào)處理：將數(shù)字信號(hào)采入計(jì)算機(jī)后，進(jìn)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(kāi)關(guān)信號(hào)的處理

開(kāi)關(guān)信號(hào)—由按鈕、行程開(kāi)關(guān)等器件觸點(diǎn)產(chǎn)生的信號(hào)。信號(hào)處理：根據(jù)開(kāi)關(guān)的狀態(tài)執(zhí)行相應(yīng)的操作。5.

二次數(shù)據(jù)計(jì)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(duì)一次數(shù)據(jù)作計(jì)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(jì)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(chǔ)

按時(shí)間間隔，將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在外部存儲(chǔ)器。311.2

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的基本功能

8.

打印輸出按時(shí)間間隔，打印輸出數(shù)字、圖形。9.

人機(jī)聯(lián)系操作人員用鍵盤(pán)或鼠標(biāo)與系統(tǒng)對(duì)話(huà)，完成運(yùn)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(biāo)理解微型計(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)顯示器打印機(jī)繪圖機(jī)定時(shí)與邏輯控制接口被測(cè)物理量數(shù)字信號(hào)開(kāi)關(guān)信號(hào)…多路開(kāi)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(gè)工作周期多路開(kāi)關(guān)放大器采樣／保持A／D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)總線(xiàn)圖1-2數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)工作時(shí)序1.2s6stAD啟動(dòng)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(diǎn)①結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易實(shí)現(xiàn)②對(duì)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(chǎng)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)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(jī)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(diǎn)①適應(yīng)能力強(qiáng)②可靠性高③實(shí)時(shí)性好④對(duì)硬件要求不高421.5數(shù)據(jù)處理的類(lèi)型和任務(wù)第1章緒論43本節(jié)教學(xué)目標(biāo)理解數(shù)據(jù)處理的類(lèi)型

理解采集信號(hào)的標(biāo)度變換1.5

數(shù)據(jù)處理的類(lèi)型和任務(wù)

441.5

數(shù)據(jù)處理的類(lèi)型和任務(wù)

處理類(lèi)型①按處理方式實(shí)時(shí)（在線(xiàn)）處理事后（脫機(jī)）處理②按處理性質(zhì)預(yù)處理剔除誤差標(biāo)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(lèi)型和任務(wù)

處理任務(wù)①對(duì)采集信號(hào)作標(biāo)度變換②消除數(shù)據(jù)中的干擾③分析計(jì)算數(shù)據(jù)中的內(nèi)在特征對(duì)采集到的電信號(hào)作標(biāo)度變換將沒(méi)有物理意義的電壓信號(hào)，轉(zhuǎn)換為原來(lái)對(duì)應(yīng)的物理量。461.5

數(shù)據(jù)處理的類(lèi)型和任務(wù)

消除數(shù)據(jù)中的干擾信號(hào)消除在數(shù)據(jù)的采集、傳送和轉(zhuǎn)換過(guò)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(hào)，以保證采樣精度。分析計(jì)算數(shù)據(jù)的內(nèi)在特征對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行變換計(jì)算，得到表達(dá)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(lèi)型和任務(wù)

例如，在研究振動(dòng)時(shí)，由于頻譜更能說(shuō)明振動(dòng)波形對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生影響，因此，常對(duì)采集到的振動(dòng)信號(hào)作傅里葉（FFT）變換，得出振動(dòng)波形的頻譜。圖1-4電機(jī)軸承故障數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)481.5

數(shù)據(jù)處理的類(lèi)型和任務(wù)

圖1-5更換軸承后電機(jī)運(yùn)行的振動(dòng)波形與頻譜

用振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)(如ISO2372標(biāo)準(zhǔn))判斷振動(dòng)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(cè)完此圖后兩小時(shí)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(jì)數(shù)☆§2.核譜數(shù)據(jù)獲得和處理§3.通用核實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)獲取和處理系統(tǒng)§4.在自動(dòng)測(cè)量與控制中通用接口和系統(tǒng)

50§1.核脈沖計(jì)數(shù)

核輻射強(qiáng)度

三種核脈沖計(jì)數(shù)系統(tǒng)方框圖：

（a）簡(jiǎn)單的計(jì)數(shù)系統(tǒng)

（b）單道計(jì)數(shù)系統(tǒng)

（c）符合計(jì)數(shù)系統(tǒng)

定標(biāo)器和計(jì)數(shù)率計(jì)51一.定標(biāo)器

1.工作原理（圖6.1.2）（1）通用結(jié)構(gòu)

①輸入級(jí)（倒相，緩沖器，脈沖幅度甄別器）；

②計(jì)數(shù)電路；③定時(shí)電路；

④控制電路（手動(dòng)，半自動(dòng)，自動(dòng)計(jì)數(shù)，預(yù)置定時(shí)計(jì)數(shù)，定數(shù)計(jì)時(shí)）。52

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

2.定標(biāo)器插件電路實(shí)例（圖6.1.4）

（1）輸入電路

（2）計(jì)數(shù)顯示電路

（3）定時(shí)電路

（4）控制電路

（手動(dòng)，半自動(dòng)，自動(dòng)）→（開(kāi)始，停止，復(fù)位）

533.測(cè)量核脈沖計(jì)數(shù)的誤差

（1）統(tǒng)計(jì)漲落誤差

σN=N1/2 定標(biāo)器的最小統(tǒng)計(jì)誤差

νN=σN/N=1/（N1/2）滿(mǎn)足統(tǒng)計(jì)誤差所需測(cè)量時(shí)間

（2）漏記誤差

分辨時(shí)間τ最高計(jì)數(shù)率fmax

①計(jì)數(shù)率n

τ內(nèi)出現(xiàn)m個(gè)脈沖幾率（泊松分布）

丟計(jì)數(shù)

漏記誤差

②最高計(jì)數(shù)率nmax〈0.01fmax

多位計(jì)數(shù)單元討論543.數(shù)字式計(jì)數(shù)率計(jì)（略）

(1)連續(xù)數(shù)字式計(jì)數(shù)率計(jì)

（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(jì)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(jì)算機(jī)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(lèi)型方式）

（1）脈沖幅度分析（PHA）（圖6.2.6）

（2）多定標(biāo)器方式（脈沖計(jì)數(shù)率——時(shí)間關(guān)系）

（3）列表方式（幅度——時(shí)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(jī)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(shí)間譜的獲得和處理

以μP或微機(jī)為核心的多道分析器

二.計(jì)算機(jī)技術(shù)應(yīng)用基礎(chǔ)

1.

組成和特點(diǎn)（圖6.2.2）：三總線(xiàn)

2.

功能部件：

（1）微處理器μP

（2）存儲(chǔ)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?。ㄈN類(lèi)型方式）

（1）脈沖幅度分析（PHA）（幅度——計(jì)數(shù)關(guān)系）

框圖（圖6.2.6）