采集速率对数据采集器信号测量的影响范文

摘要：采集速率对数据采集器采集微小直流电压信号的测量结果有一定的影响。文章通过数据采集器对不同微小直流电压信号在不同采样间隔下测量结果进行方差分析，来判断不同的采集速率对微小直流电压信号测量结果的影响。

关键词：数据采集器；采集速率；方差分析

引言

生产运行中，数据采集器的使用非常广泛，其面临的使用场合是多种多样的，不只是对其测量准确度及抗干扰特性等的要求不断提高，对其采集速率也提出了各种工况要求，需要数据采集器具有更高的采集速率及更准确的测量结果。在数据采集器的现场使用中，常见的便有对热电偶、各类传感器的数据采集，一般它们输出-100mV~100mV的微小直流电压信号，这类信号又容易受到外界干扰。采集速率与抗干扰特性是一对矛盾，采集速率的升高，通常导致抗干扰能力的下降，随机噪声等误差变大。了解采集速率对微小电压信号测量的影响，能够在工作中选择合理的采集速率，使得测量数据更加稳定可靠，结果更加准确，提高工作质量，减小误差造成的损失。

1研究方法

本次研究在不同的标准小电压下使用数据采集器以不同的采集速率进行数据采集记录，将得到的各组测量结果进行分析。首先使用多功能校准源输出10mV的标准直流电压，选取现场检测中常用的便携式数据采集器以200ms的采样间隔对电压信号测量结果进行采集记录。完成上述步骤后，依次改变采样间隔为250ms、500ms、1s、2s和5s对同一个10mV直流电压信号进行采集记录。然后将标准直流电压改变为20mV，重复从采样间隔为200ms到采样间隔为5s的采集记录步骤。再次改变直流电压为50mV并进行和前面两个电压同样采样间隔的采集记录步骤。每组测量结果保存30个数据等待分析。所使用的多功能校准源输出直流电压的精度在（0.1~330）mV量程时最大允差为±（0.0020%+1μV）。研究用数据采集器100mV量程最大允差为±0.1%FS，标准器精度满足研究要求，且均在校准有效期内。选择的分析方法为单因素方差分析，它检验由单一因素影响的一个（或几个相互独立的）因变量由因素各水平分组的均值之间的差异是否具有统计意义。还可以对该因素的若干水平分组中哪一组与其他各组均值间具有显著性差异进行分析，即进行均值的多重比较。方差的计算结果将数据的波动性数值放大，比极差和标准差更为细致、准确、明显。当数据分布比较分散（即数据在平均数附近波动较大）时，各个数据与平均数的差的平方和较大，方差就较大；当数据分布比较集中时，各个数据与平均数的差的平方和较小。因此方差越大，数据的波动越大；方差越小，数据的波动就越小。通过改变数据采集器采样间隔的设置，观测在不同采集速率下，微小电压信号测量结果指示值的变化并保存数据。将保存的各组数据带入公式（1）进行计算，得到各个采样间隔下电压记录数据的方差，从而进行分析。式中：S2-方差；Xi-同一采样间隔下记录的电压数据；Xm-同一采样间隔下电压数据的平均值；n-同一采样间隔下进行的记录次数。再通过SPSS软件计算得到组间离差平方和（SS组间）以及组内离差平方和（SS组内）来进行单因素方差分析。若SS组间>SS组内，且P值<0.05则说明观测变量（小电压信号的测量结果）的变动主要是由控制变量（采集速率）引起的。

2数据分析

对标准值为10mV，20mV，50mV时的电压测量数据进行导出，取每种采样间隔下测量结果的30组周期性记录得到数据如图1、图2、图3所示。图1显示出当标准电压为10mV时，采集器的电压测量结果在9.92mV到10.11mV间波动，而且可以看出随着采样间隔的增大（采集速率的减慢）电压测量结果有明显趋于稳定的迹象。同样的，图2所显示的20mV电压测量结果，和10mV时电压的测量结果伴随采集速率减慢而稳定的趋势基本相同，在19.93mV到20.12mV间波动。图3中的50mV电压测量结果与采集速率的关系，也与图1和图2大相径庭，电压测量结果的最大值和最小值分别为49.93mV和50.11mV。将所有各组电压测量数据分别代入公式（1）中进行计算，得到标准电压在10mV，20mV和50mV时的电压测量结果方差。整理后如图4所示。图4中最大方差出现在采样间隔为200ms采集10mV标准直流电压信号的3.66（uV）2，最小方差同时出现在采样间隔为2s和5s时采集50mV标准直流电压信号的0.02（uV）2。得到方差结果后，使用单因素方差分析法由SPSS软件计算验证10mV、20mV、50mV电压分别在各个采样间隔下的电压测量结果的组间离差平方和都大于组内离差平方和，且P值均<0.05，再次证明本研究中小电压信号的测量结果的波动主要是由采样间隔引起的。

3研究结论

通过图4不难看出微小直流电压信号采集速率的升高会造成各微小电压值测量结果方差的逐步增大，当采样间隔慢或等于1S时各个微小电压测量值的方差基本一致在一个非常小的数值并趋于稳定，由此可知对微小电压信号采集速率的升高会造成采集结果的稳定性逐步降低，而对该种采集器而言采样间隔1s为既稳定又有效率的采集速率，在在线检测中可以合理选择，在保证测量精度的前提下提高工作效率。

参考文献：

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作者：聂晓晔 王舒卉 符堃 单位：上海市计量测试技术研究院