采集速率對數(shù)據(jù)采集器微小電壓信號測量結果影響的研究

聶曉曄 王舒卉 符堃

摘 ?要：采集速率對數(shù)據(jù)采集器采集微小直流電壓信號的測量結果有一定的影響。文章通過數(shù)據(jù)采集器對不同微小直流電壓信號在不同采樣間隔下測量結果進行方差分析，來判斷不同的采集速率對微小直流電壓信號測量結果的影響。

關鍵詞：數(shù)據(jù)采集器;采集速率;方差分析

中圖分類號：TM933.21 文獻標志碼：A ? ? ? ? 文章編號：2095-2945（2019）18-0073-02

Abstract： The acquisition rate has a certain influence on the measurement results of the micro DC voltage signal collected by the data collector. In this paper， analysis of variance is given to the measurement results ofdifferent micro DC voltage signals at different sampling intervals with the data collector， so as to judge the influence of different acquisition rates on the measurement results of micro DC voltage signals.

Keywords： data collector; acquisition rate; analysis of variance

引言

生產運行中，數(shù)據(jù)采集器的使用非常廣泛，其面臨的使用場合是多種多樣的，不只是對其測量準確度及抗干擾特性等的要求不斷提高，對其采集速率也提出了各種工況要求，需要數(shù)據(jù)采集器具有更高的采集速率及更準確的測量結果。在數(shù)據(jù)采集器的現(xiàn)場使用中，常見的便有對熱電偶、各類傳感器的數(shù)據(jù)采集，一般它們輸出-100mV～100mV的微小直流電壓信號，這類信號又容易受到外界干擾。采集速率與抗干擾特性是一對矛盾，采集速率的升高，通常導致抗干擾能力的下降，隨機噪聲等誤差變大。了解采集速率對微小電壓信號測量的影響，能夠在工作中選擇合理的采集速率，使得測量數(shù)據(jù)更加穩(wěn)定可靠，結果更加準確，提高工作質量，減小誤差造成的損失。

1 研究方法

本次研究在不同的標準小電壓下使用數(shù)據(jù)采集器以不同的采集速率進行數(shù)據(jù)采集記錄，將得到的各組測量結果進行分析。

首先使用多功能校準源輸出10mV的標準直流電壓，選取現(xiàn)場檢測中常用的便攜式數(shù)據(jù)采集器以200ms的采樣間隔對電壓信號測量結果進行采集記錄。完成上述步驟后，依次改變采樣間隔為250ms、500ms、1s、2s和5s對同一個10mV直流電壓信號進行采集記錄。然后將標準直流電壓改變?yōu)?0mV，重復從采樣間隔為200ms到采樣間隔為5s的采集記錄步驟。再次改變直流電壓為50mV并進行和前面兩個電壓同樣采樣間隔的采集記錄步驟。每組測量結果保存30個數(shù)據(jù)等待分析。

所使用的多功能校準源輸出直流電壓的精度在（0.1～330）mV量程時最大允差為±（0.0020%+1μV）。研究用數(shù)據(jù)采集器100mV量程最大允差為±0.1%FS，標準器精度滿足研究要求，且均在校準有效期內。

選擇的分析方法為單因素方差分析，它檢驗由單一因素影響的一個（或幾個相互獨立的）因變量由因素各水平分組的均值之間的差異是否具有統(tǒng)計意義。還可以對該因素的若干水平分組中哪一組與其他各組均值間具有顯著性差異進行分析，即進行均值的多重比較。方差的計算結果將數(shù)據(jù)的波動性數(shù)值放大，比極差和標準差更為細致、準確、明顯。當數(shù)據(jù)分布比較分散（即數(shù)據(jù)在平均數(shù)附近波動較大）時，各個數(shù)據(jù)與平均數(shù)的差的平方和較大，方差就較大;當數(shù)據(jù)分布比較集中時，各個數(shù)據(jù)與平均數(shù)的差的平方和較小。因此方差越大，數(shù)據(jù)的波動越大;方差越小，數(shù)據(jù)的波動就越小。

2 數(shù)據(jù)分析

對標準值為10mV，20mV，50mV時的電壓測量數(shù)據(jù)進行導出，取每種采樣間隔下測量結果的30組周期性記錄得到數(shù)據(jù)如圖1、圖2、圖3所示。

圖1顯示出當標準電壓為10mV時，采集器的電壓測量結果在9.92mV到10.11mV間波動，而且可以看出隨著采樣間隔的增大（采集速率的減慢）電壓測量結果有明顯趨于穩(wěn)定的跡象。

同樣的，圖2所顯示的20mV電壓測量結果，和10mV時電壓的測量結果伴隨采集速率減慢而穩(wěn)定的趨勢基本相同，在19.93mV到20.12mV間波動。

圖3中的50mV電壓測量結果與采集速率的關系，也與圖1和圖2大相徑庭，電壓測量結果的最大值和最小值分別為49.93mV和50.11mV。

將所有各組電壓測量數(shù)據(jù)分別代入公式（1）中進行計算，得到標準電壓在10mV，20mV和50mV時的電壓測量結果方差。整理后如圖4所示。

圖4中最大方差出現(xiàn)在采樣間隔為200ms采集10mV標準直流電壓信號的3.66（uV）2，最小方差同時出現(xiàn)在采樣間隔為2s和5s時采集50mV標準直流電壓信號的0.02（uV）2。

得到方差結果后，使用單因素方差分析法由SPSS軟件計算驗證10mV、20mV、50mV電壓分別在各個采樣間隔下的電壓測量結果的組間離差平方和都大于組內離差平方和，且P值均<0.05，再次證明本研究中小電壓信號的測量結果的波動主要是由采樣間隔引起的。

3 研究結論

通過圖4不難看出微小直流電壓信號采集速率的升高會造成各微小電壓值測量結果方差的逐步增大，當采樣間隔慢或等于1S時各個微小電壓測量值的方差基本一致在一個非常小的數(shù)值并趨于穩(wěn)定，由此可知對微小電壓信號采集速率的升高會造成采集結果的穩(wěn)定性逐步降低，而對該種采集器而言采樣間隔1s為既穩(wěn)定又有效率的采集速率，在在線檢測中可以合理選擇，在保證測量精度的前提下提高工作效率。

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