第一章緒論

1.數據采集的定義：數據采集——將溫度、壓力、流量、位移

等模擬量采集、轉換成數字量后，再由計算機進行存儲、處理、顯示

或打印的過程。

2.數據采集系統的組成？：硬件，軟件。

3.數據采集系統性能的好壞是如何評價的？：采樣精度：精度越

高，系統性能越好-分辨率；采樣速度：速度越快，系統性能越好-

采樣率；通道數；通道數是指數據采集板卡能夠同時輸入的信號路數。

4.數據采集的任務是什么？1.采集傳感器輸出的模擬信號，并轉

換成數字信號，然后送入計算機。2.系統計算機對數字信號進行處理，

得到所需的數據。

5.畫出數據采集系統的硬件組成框圖，并說明各組成部分的作用。

傳感器：將非電量轉換為電信號。

―

計

-I打印元I

算

一（繪圖范|

機

定時與邏輯控制4—

多路開關：分時切換各路模擬量與采樣/保持器的通路。

程控放大器：對模擬信號進行放大。

采樣/保持器：保持模擬信號電壓。

A/D轉換器：將模擬信號轉換為數字信號。

接口電路：將數字信號進行整形或電平調整。

微機及外部設備：管理和控制數據采集系統。

定時與邏輯控制電路：產生邏輯控制信號，控制時序。

第2章.采集系統常用的傳感器

1、傳感器定義？傳感器的定義：

能感受規定的被測量并按照一定的規律轉換成可用輸出信號的器件

或裝置。

2、傳感器標定的基本方法是什么？：靜態標定，1.將傳感器全量程（測

量范圍）分成若干等間距點。2,根據傳感器量程分點情況，由小到大、

逐點遞增輸入標準量值，并記錄下與各點輸入值相對應的輸出值c3.將

輸入量值由大到小逐點遞減，同時記錄下與各點輸入值相對應的輸出值。

4.按2）、3）所述過程，對傳感器進行正、反行程往復循環多次（一般為3?

10次）測試，將得到的輸出■輸入測試數據用表格列出或畫成曲線。5.對

測試數據進行必要的處理，根據處理結果就可以得到傳感器校正曲線，進

而可以確定出傳感器的靈敏度、線性度、遲滯和重復性；動態標定，傳

感器動態標定實質上就是通過實驗得到傳感器動態性能指標的具體數值

（實驗確定法）。實驗確定法常因傳感器形式不同而不完全一樣，一般可

分為階躍信號響應法、正弦信號響應法、隨機信號響應法和脈沖信號響

應法。

3、在選擇傳感器時傳感器和A/D轉換器的精度哪一個應該更高些？為

什么？轉換器的精度要高一些。

4、簡述選用傳感器的原則？1、系統分辨率2、系統精度3、采集速率4、

動態范圍5、非線性失真

5、測量位移可用哪幾類傳感器？舉出三種，試說明原理。：電阻式應變

位移傳感器，應用時將應變片粘結在被測試件表面上，當試件受力變形

時，應變片的敏感柵也隨之變形，引起應變片電阻變化，通過測量電路

將其轉換為電壓或電流信號輸出；電容式位移傳感器，保持其中兩個參

數不變，而使另外一個參數改變，則電容量就將發生變化；電感式位移

傳感器，電感式傳感器是利用被測量的變化引起線圈自感或互感系數的

變化，從而導致線圈電感量改變這一物理現象來實現測量的。

6、影響電容式極距變化型傳感器靈敏度的因素有哪些？提高其靈敏度

可以采取哪些措施，帶來什么后果？極板間的距離d和活動板移動量X；

為了提高靈敏度，減小非線性，可采用差動式結構。

7、簡述傳感器的分類方法及特點。

按被測物理量來分：對應的傳感器分別為溫度傳感器、濕度傳感

器，壓力傳感器、位移傳感器、流量傳感器等。按制造傳感器的材

料分類：如半導體傳感器、陶瓷傳感器、光導纖維傳感器、高分子材

料傳感器等。按能量關系分類：可將傳感器分為有源傳感器和無源

傳感器兩大類。

8、電阻式應變片工作原理？

答：應用時將應變片粘結在被測試件表面上，當試件受力變形時，應變

片的敏感柵也隨之變形，引起應變片電阻變化，通過測量電路將其轉換

為電壓或電流信號輸出。

9、霍爾效應的本質是什么？用霍爾元件可以測量哪些物理量？舉三個

例子說明。

答：金屬或半導體薄片置于磁場中，當有電流流過時，在垂直于電流和

磁場的方向上將產生電動勢；檢測磁場磁感應強度，物體運動速度,

調節工作磁場，檢測鐵磁物體，檢測工件缺口。

10、熱電偶是如何實現溫度測量的？影響熱電勢與溫度之間關系的因素

是什么？

答：熱電偶的熱端插入需要測溫地方，冷端置于外面，如果兩端所處的

溫度不同，則在熱電偶的回路中便會產生熱電勢。該熱電勢與熱電偶

兩端的溫度均有關，如果保持冷端溫度不變，則電動勢就只和熱端溫

度有關，這樣只要測出電動勢，被測溫度大小就知道了；導體材料和

熱端、冷端溫度。

11、以電阻R,靈敏度S=2的電阻應變片與阻值R的固定電阻組成的電

橋，供橋電壓為并假定負載無窮大，當應變片的應變值為天”和

〃寸，繪出直流電橋電路圖，分別求出單臂、雙臂電橋的輸出電壓,

求出靈敏度的表達式。U.%酸2U，

答：單臂：，■魯等■93雙臂：么宣了一父戶嚴佝一

12、有一鋼板,原長H米，鋼板的彈性模量E=2xl0"',使用BP-3箔

式應變片R=120歐姆，靈敏度系數S=2,測出的拉伸應變值為300吟

求：彈簧伸長量△/,應變ZSR/R及如果測出12應變值的對

應的4R/R是多少？

答：△/=4?/（J=Eq=SQ

13、一電容測微儀，其傳感礁的圓柱極板的半徑r=4mm,工作初始間隙

4=0.3次小，空氣介質，試求：

（1）通過測量得到的電容變化量為△。=±3'10-2八則傳感器與工件之

間由初始間隙變化的距離4d=？=<

（2）如果測量電路的放大倍數&=100V/不，讀數儀表的靈敏度

$2=5格/mv,則此時儀表指示值變化多少格？格數二AC,』八

15、關于電橋的電壓關系:=氏1%一犬2犬4

一出十區2瓶+&）1

17、18見復習大綱

19、熱電偶測溫的充要條件：

答:①只有當熱電偶的兩個電極材料不同，且兩個接點的溫度也不同時，

才會產生電動勢，熱電偶才能進行溫度測量；

②當熱電偶的兩個不同極的材料確定后，熱電偶便和兩個接點溫度T1,

T2有關，即回路的電動勢是兩個接點溫度函數之差。

20、極距變化型電容傳感器適宜于測量微小位移

量是因（B）A.電容量微小影響靈敏度B.靈敏

度與極距的平方成反比，間距變化大則產生非線

形誤差C.非接觸測量

2k可用于實現非接觸式測量的傳感器有渦流式傳感器和電容

式傳感器等。

22、常用的壓電材料有石英晶體和壓電陶瓷_。

23、當測量較小應變值時應選用壓阻效應工作的應變片，

24、當測量大應變值時應選用應變效應工件的應變片.

25、光電組件中常用的有光敏電阻、光敏晶體管和光電池一。

26、不同的光電組件對于不同波長的光源，其靈敏度是不相同的。

27、電阻應變片的電阻相對變化率是與應變成正比的。

28、電容式傳感器有變極距、變面積和變介質三種類型。

29、在三種類型的電容式傳感器中變極距一型的靈敏度最高。

30、霍爾組件是利用半導體組件的霍爾效應一特性工作的。

31、按光纖的作用不同，光纖傳感器可分為同感型和傳光型

—兩種類型。

第3章

1、根據CD4051的結構原理圖分析說明8路模擬開關的工作原理

8路模擬開關由電平轉換、譯碼驅動及開關電路三部分組成。當禁止

端為“1”時，前后級通道斷開；當為“()”時，則通道可以被接通，

通過改變控制輸入端C、B、A的數值，就可選通8個通道S0?S7中的

一路。

2、采樣定理？什么叫周期采樣？采樣時間？采樣周期？一般情況

下如何選擇采樣周期？

采樣定理：在進行模擬/數字信號的轉換過程中，當采樣頻率

fs.max大于信號中最高頻率fmax的2倍時(fs.max>=2fmax),采樣之

后的數字信號完整地保留了原始信號中的信息，一般實際應用中

保證采樣頻率為信號最高頻率的5?10倍；采樣定理又稱奈奎斯特

定理。

周期采樣就是以相同的時間間隔進行采樣，即把一個連續變化的模

擬信號丁⑺，按一定的時間間隔了轉變為在瞬時0，T,2T,…的一連

串脈沖序列信號)，*(1)

采樣時間■采樣開關每次閉合的時間；采樣周期?采樣開關每次通斷

的時間間隔

為了使采樣信號)，*⑺既不失真，又不會因頻率太高而浪費時間，我

們可依據香農采樣定理。香農定理指出：為了使采樣信號y*⑺能完全

復現原信號)，⑺，采樣頻率/,至少要為原信號最高有效頻率/nax的2倍，

即2/maxo采樣定理給出了y*⑺唯一地復現所必需的最低采樣頻

率。實際應用中，常取/>(5-10)加ax。

3、什么叫量化？量化誤差？簡述量化過程？

答：量化指將信號的連續取值(或者大量可能的離散取值)近似為

有限多個(或較少的)離散值的過程；量化誤差是指量化結果和被

量化模擬量的差值；

量化過程：把采樣信號的幅值與某個最小數量單位的一系列整數倍

比較，以最接近于采樣信號幅值的最小數量單位來代替該幅值。

4、設被測溫度的變化范圍為300℃-1000℃,如要求測量誤差不超過

±rc,應選用分辨率為多少位的A/D轉換器？

答：取最大的溫度變化范圍1000C，最小的溫度分辨為1C，這樣只

要不少于1000等份就可以。因此可選10位A/D轉換器，若它的滿量程

是1000。最小的溫度分辨為：1000/(2的10次方?1)=0.98度

5、某數據采集系統具有8個模擬他

通道。各通道輸入信號的頻率可達

5kHZ,而且至少要用每個采樣周期

10個采樣點的速度進采樣。

問：

(1)多路開關的切換速率應是多少？

(2)選用的多路開關應有多少位的地址線？

(1)???yc=5kHz,

4

采樣頻率￡=2九=2x5xl()3=IXIO(HZ)

采樣周期n={=支；04=lxl0.4(s)=0.0001(s)

每個采樣點的采國期

區=0W01=000001(s)

1d1()11()

???切換速率V===(Hz)=100(kHz)

LJU.LRAAJI

⑵選擇多路開關

??,由表3.5可知，CD4051&<J/on>fnroff^5^0.8us

則?口4051開關的切換時間為1.64

開關的切換速率=-1-.-6-x--1-0--6=625000=625kHz

J多路開關選擇CD4051o

6、A/D轉換器的分辨率？相對分辨率？精度？轉換時間和轉換速率?

在A/D轉換器中，最重要的技術指標是一轉換精度和轉換速度

分辨率是指轉換器所能分辨的模擬信號的最小變化值

相對分辨率二分辨率/FSR

精度是指轉換后所得結果相對于實際值的準確度；

轉換時間按照規定的精度將模擬信號轉換為數字信號并輸出所

需要的時間

轉換速率每秒鐘轉換的次數

7、設某12位A/D轉換器的輸入電壓為0—+5V,求出當輸入模擬量

為下列值時輸出的

數字量：

(1)1.25V；(3)2.5V；(6)5V

102420484096

8、什么是采樣保持器？簡述其工作原理？

答：1.采用一種器件，在A/D轉換時保持住輸入信號的電平，在A/D

轉換結束時跟蹤輸入信號的變化，這種功能的器件就是采樣保持器。

2.采樣保持器由輸入輸出緩沖放大器Al、A2和采樣開關S、保持電容

CH等組成。采樣期間，開關S閉合，輸入電壓VIN通過A1對CH快

速充電，輸出電壓VOUT跟隨VIN變化；保持期間，開關S斷開，由

于A2的輸入阻抗很高，理想情況下電容CH將保持電壓VC不變，因

而輸出電壓VOUT二VC也保持恒定。

9.采樣/保持器在模擬輸入信號頻率很低時，是否有必要使用？在

模擬信號頻率很高時呢，為什么？

答：輸入信號頻率很低時，由于在A/D轉換過程中模擬信號的電壓幾

乎不變，因而不必使用采樣保持器。當模擬信號頻率很高時，由于信

號電平變化很快，必須使用采樣保持器以穩定轉換電平。

10.采樣頻率fs高時，保持電容應取大些還是小些？

答：采樣保持器的捕捉時間ACt受保持電容HC的影響，HC越大，ACt

越長，當采樣頻率Sf很高時，必須使用較小的HC,以減少AC3提

高SfO

11、采樣/保持器是否具有放大功能？其放大值由什么決定？

答：采樣保持器具有放大功能，通常其放大倍數由相關外接電阻決定。

15、設在某數據采集系統中，采樣/保持器的孔徑時間tAP=10ns,

A/D轉換器的位數為12,求：采樣精度能達到0.5LSB的最高信號

頻率fmax是多少？

解:

1

2"式

1

2*3.14x10x10.=3.887kHz

16.一個數據采集系統的孔徑時間tAP=2ns,試問一個10kHz信號在

其變化率最大點被采樣時所能達到的分辨率是多少?

501

17.放大舞軸硼制腦郎娘村

答：共模抑制比CMRR（CommonModeRejectionRatio）是指放大

器對差模信號的電壓放大倍數與對共模信號的電壓放大倍數Auc之

比。

18、測量放大器的主要技術指標是什么

答：（1）非線性度：是指放大器實際輸出輸入關系曲線與理想直線的

偏差。它與增益有關，對數據采集的精度的影響很大。在選擇測量放

大器時，一定選擇非線性度偏差小于0.024%的測量放大器。

（2）溫漂：指測量放大器輸出電壓隨溫度變化而變化的程度。它也

與測量放大器的增益有關。

（3）建立時間：指從階躍信號驅動瞬間全測量放大器輸出電壓達到

并保持在給定誤差范圍內所需的時間。它隨增益的增加而上升。

（4）恢復時間：是指放大器撤除驅動信號瞬間至放大器由飽和狀態

恢復到最終值隨需的時間。它直接影響數據采集系統的采樣速率。

（5）電源引起的失調：是指電源電壓每變化現，引起放大器的漂移

電壓值，測量放大器一般用作數據采集系統的前置放大器，對于共電

源系統，該指標則是設計系統穩壓電源的主要依據之一。

（6）共模抑制比當放大器兩個輸入端具有等量電壓變化值〃時，

在放大器輸出端測量出電壓變化值則共模抑制比CMRR可為

cw/e/e=20iog^-

19、試推綠測量放大器的增益表達式

G=%UT=&<+"）

八十一X"凡兒第4章.數據處理技術

1、在計算機控制系統中，一般要對測量數據進行哪些預處理技術？

答：對測量數據的予處理是計算機控制系統數據處理的基礎，這包括

數字調零技術、系統校準技術以及輸入、輸出數據的極性與字長的予

處理技術。

2、何為數字調零？何為系統校準？

答；零點偏移是造成系統誤差的主要原因之一，因此零點的自動調整

在實際應用中最多，常把這種用軟件程序進行零點調整的方法稱為數

字調零。

系統校準的原理與數字調零差不多，只是把測量電路擴展到包括

現場的傳感器，而且不是在每次采集數據時都進行校準，而是在需要

時人工接入標準參數進行校準測量，把測得的數據存儲起來，供以后

實際測量使用。一般自動校準系統只測一個標準輸入信號VR,零點

漂移的補償仍由數字調零來完成。

3、什么是零點的自動校準？自動校準如何實現？

答：在控制系統的測量輸入通道中，一般均存在放大器等器件的零點

偏移和漂移，會造成放大電路的增益誤差及器件參數的不穩定等現象,

它們都會影響測量數據的準確性，這些誤差都屬于系統誤差。它的特

點是在一定的測量條件下，其變化規律是可以掌握的，產生誤差的原

因一般也是知道的。因此，系統誤差是可以通過適當的技術方法來確

定并加以校正的，一般采用軟件程序進行處理，即可對這些系統誤差

進行自動校準。

4、什么叫數字濾波？

答；數字濾波，就是計算機系統對輸入信號采樣多次，然后用某種計

算方法進行數字處理，以削弱或濾除干擾噪聲造成的隨機誤差，從而

獲得一個真實信號的過程。

5、簡述各種數字濾波方法的原理或算法及適用場合。

1.平均值濾波

算術平均濾波是在采樣周期7內，對測量信號y進行歷次采樣，

把〃z個采樣值相加后的算術平均值作為本次的有效采樣值.

去極值平均濾波去極值平均濾波是對連續采樣的m個數據進

行比較，去掉其中的最大值與最小值，然后計算余下的〃『2個數據的

算術平均值

2.加權平均濾波是對每，次采樣值不以相同的權系數而以增加新鮮采

樣值的權重相加'"'""6這種算法能協調系統的平滑度和靈敏度

的矛盾，提高靈敏度，更適用于純滯后較大的對象。

3.滑動平均濾波滑動平均濾波是在每個采樣周期只采樣一次，將這一

次采樣值和過去的若干次采樣值一起求平均，所得結果即為有效采樣

值。而滑動平均濾波算法的最大優勢就是實時性好，提高了系統的響

應速度。

4.中值濾波是將信號），的連續機次采樣值按大小進行排序，取其中間

值作為本次的有效采樣值。本算法為取中值，故采樣次數相應為奇數，

一般3?5次即可。

5.限幅濾波限幅濾波就是把兩次相鄰的采樣值相減，求其增量的絕對

值，再與兩次采樣所允許的最大差值進行比較.限幅濾波就是把

兩次相鄰的采樣值相減，求其增量的絕對值，再與兩次采樣所允許的

最大差值AY進行比較.=