测量系统构建完整指南

从数据中提取有用的决策依据并付诸行动已经是必然趋势。但是要构建一个可助您走向未来的测量系统，远不止选择DAQ设备那么简单，您还需通盘考虑系统的每个部分，无论是物理组件(如传感器、DAQ设备和计算机等)，还是软件组件(包括驱动程序、软件和报表工具)，都需要纳入考虑范围。 本指南主要介绍如何最大化DAQ投资回报的七大考量因素，以确保您的系统足以应对当前和未来的测量需求： 02如何选择合适的传感器11如何选择合适的DAQ设备：技术规格15如何选择合适的DAQ设备：总线和组成结构21如何选择合适的计算机24如何选择合适的驱动程序软件27如何选择合适的DAQ软件32如何选择合适的数据管理软件 如何选择合适的传感器 概述 在设计测量系统之前，您需要确定合适的传感器。当今市场针对不同的物理现象提供了大量不同的传感器，甚至测量同一物理现象的传感器也有多种，比如测量温度的传感器就有热电偶、电阻式温度检测器(RTD)等等。 本章对测量以下七种物理现象的最常见传感器类型进行了分类和比较，帮助您选择最适合您应用的传感器： 温度 应变 声音 振动 位置和位移 温度 最常见的温度测量传感器是热电偶、热敏电阻和RTD。 热电偶 应变 热电偶是最常见的温度传感器，可测量的温度范围非常宽。此类传感器价格便宜(1到50美元)，响应时间小于一秒。但是，由于材料的属性，其温度精度通常大于1°C。 应变通常使用电阻式应变计进行测量。这些扁平的电阻器通常会贴在物体表面，例如飞机机翼，用于测量表面非常小的形变，比如拉伸、压缩、弯曲或扭曲。将多个电阻式应变计连接在一起可以形成一个电桥。 RTD 使用的应变计越多，测量的灵敏度就越高。例如，您可以使用最多四个有源应变计搭建一个全桥配置的惠斯通电桥电路。您也可以半桥(两个有源应变计)和1/4桥(一个有源应变计)配置。所使用的有源应变计越多，读数的准确度就越高。表2突出显示了不同电桥的优点和缺点。 RTD的应用范围之广几乎和热电偶相当，而且可以在数年内维持温度读数的稳定性。但与热电偶相比，RTD的温度范围较小(-200至500 °C)、需要电流激励且响应速度较慢(2.5至10秒)。RTD主要用于对时间要求不高的精确温度测量(±1.9%)。RTD的价格在25美元到1000美元之间。 应变计需要电流或电压激励，并且容易受温度漂移、弯曲应变和轴向应变的影响，如果不使用额外的电阻式应变计，就可能会产生错误的读数。常见的应变计安装方法见表2。 热敏电阻 与前面的传感器相比，热敏电阻的温度范围最小(-90到130 °C)，精度最高(±.05 °C)，但不如热电偶或RTD坚固耐用。热敏电阻与RTD一样需要进行激励；但是，热敏电阻需要的是电压激励而不是电流激励。热敏电阻的价格通常在2美元到10美元之间。 J轴向应变桥可测量材料的两侧拉伸。J弯曲应变桥在材料的一端测量拉伸，在另一端测量收缩。J扭转和剪切应变桥测量的是材料的扭曲。 声音 麦克风可测量声音。在选择传感器时，有多种类型的麦克风可供考虑。 电容式麦克风 动态/磁性麦克风 电容式麦克风是最常见的麦克风，它可以是预极化的(也就是说麦克风内自带电源)，也可以是外部极化的。外部极化电容式麦克风需要额外的电源，因此成本更高。在潮湿的环境中，由于外部电源组件可能会受损，因此最好使用预极化麦克风；而在高温环境中，最好使用外部极化电容式麦克风。 除了压电式麦克风，动态或磁性麦克风也可在恶劣环境中使用。它们依靠运动来对电荷进行磁感应，具备较强的防水性能，但显然，此类麦克风在高磁性环境中并不是很实用。 驻极体麦克风 驻极体麦克风外形小巧，可有效探测高频声音。它们广泛应用于全球的数百万台计算机和电子设备中。这类麦克风造价相对便宜，唯一的缺点是无法测量低频声音。此外，在不太注重音质的应用中，也可以使用碳纤维麦克风(这类麦克风较不常见)。 压电式麦克风 压电式麦克风坚固耐用，适用于冲击和爆炸压力测量应用。此类麦克风可以测量高振幅(分贝)的声压范围。缺点是噪音较高。 振动 压电式陶瓷传感器或加速度计 在测量振动或加速度时，最常使用的是压电式陶瓷传感器或加速度计。 区分振动传感器的三个主要因素：固有频率、阻尼系数和比例因子。比例因子代表输出与加速度输入之间的关系，与灵敏度有关。固有频率和阻尼系数则共同决定了振动传感器的准确度。在由弹簧及其所连接的质量块组成的系统中，如果将质量块拉离平衡点，然后释放，质量块将在平衡点的两侧来回振动，直至停止。使质量块最终停止运动的摩擦力取决于阻尼系数，质量块前后振动的频率称为固有频率。 接近式探头和LVDT 接近式探头与LVDT类似：二者均只用于稳态加速度或低频振动测量；但是，LVDT振动传感器的固有频率略高，这意味着它可以处理/检测更剧烈的振动。接近式探头只是一个由弹簧和质量块组成的简单系统，固定在电位器动臂上。 可变磁阻振动传感器 压电式陶瓷振动传感器的用途非常广泛，因此是最常用的传感器。此类振动传感器适用于冲击测量(爆炸和故障测试)、高频测量和慢速低频振动测量。它们具有较高的固有频率。但是，这种传感器的输出电压通常在毫伏范围内，而且需要使用输入阻抗较高的低噪探测器来解释压电晶体的电压。 可变磁阻振动传感器通过永磁体运动穿过线圈来测量运动和振动。这种特殊的振动传感器只有在被测质量块运动时才会产生输出，这使得它可以捕获地下岩层反射过来的振动，通常应用于地震冲击研究和石油勘探。 位置和位移 选择位置传感器时，需要考虑的因素包括激励、滤波、环境，以及测量时传感器是否需要直接接触测量对象。正如压力和力的测量一样，虽然我们应尽量选用契合需求的传感器，但实际上并没有哪种位置传感器是万能的。由于位置传感器的发展已经较为成熟，因此偏好和应用这两个因素也会影响最终的选择。 霍尔效应传感器 电位器 使用霍尔效应传感器时，当对象压到按钮时，就可以确定该对象的存在。这时传感器不是处于“开”的状态(对象正在触碰按钮)，就是处于“关”的状态(对象可能位于任何地方)。霍尔效应传感器的一个典型应用是键盘，甚至在机器人拳击比赛中也会使用霍尔效应传感器来确定机器人何时被击中。当按钮处于“关”的状态时，此类传感器不会提供测量对象与传感器之间的距离信息，因此对于不需要非常详细的位置信息的应用，此类传感器就非常有用。 电位器将使用滑动触点来形成一个用于测量位置的可调分压器。虽然电位器会对所连接的系统产生轻微的拉力，但它比其他位置传感器要便宜，而且可以提供很高的准确度。 而增加了成本。此外，此类传感器必须在笨重且昂贵的封装内严格对齐，并需要使用制造成本高昂的绕组线圈。虽然制造成本高，但这类传感器也确实以高精度著称。 光电编码器 另一种常见的位置传感器是光电编码器，可分为线性和旋转编码器两种类型。此类元件可以快速、准确地确定速度、方向和位置。光电编码器，顾名思义就是使用光来确定位置。一系列条纹状长条会将距离分割成若干个部分，并通过计数来进行测量。计数越多，准确度越高。一些计数多达3万的旋转光电编码器可提供超高的准确度。此外，此类编码器响应迅速，因此是许多运动控制应用的理想选择。 涡电流传感器 涡电流传感器价格适中，通过磁场来确定位置。对于需要非常详细的位置信息或传感器与测量对象之间存在较大间隙的应用，这种传感器用的比较少。此类传感器更适合在装配线上使用，可以安装在固定好的机械结构上，测量附近机械或产品的移动距离。如要获得更精确的定位信息，建议使用光接近传感器。 如果传感器(如电位器)有物理元件连接到系统上，则或多或少会给系统部件的移动增加一些阻力。而编码器就不存在这个问题，而且这种传感器非常轻便。但是，有几个重要因素增加了其成本：在恶劣或多尘的环境中，它们需要配备密封件才能正常使用；在高准确度应用中，为了避免在集成到产品中时出现错位，它们需要自配轴承。 反射光接近传感器 反射光接近传感器通过光束往返于传感器和目标之间所需的时间来确定目标的距离。此类传感器响应迅速，非常适用于传感器和目标之间存在较大间隙的应用。此类传感器要求传感器和目标之间无遮挡物，且其准确度和质量将直接影响价格。 LVDT LVDT及RVDT通过磁感应来确定位置。它们坚固耐用，因此均可用于工业和航空航天应用。但两者都需要信号调理，因 压力 压力的大小是相对而言的，这一点和温度类似。房间里可能很热，但是房间里的温度和太阳表面的温度相比根本不算什么。对于压力而言，比较是测量的基础。 常见的压力测量类型有五种：绝对压力、表压、真空压力、差压和密封压力。以下面的测量轮胎内压力为例，请注意每种主要类型对应的不同参考压力。 J密封压力测量是使用已知比较压力进行的差压测量。通常这种比较压力为海平面压力，但是根据具体的应用，也可能是任何其他压力。 这些测量类型中的每一种都可能会使压力值发生变化，因此您需要了解传感器读取的是哪种类型的压力值。 J绝对压力测量值等于标准大气压力(101.325 kPa)加上轮胎内部的压力。典型的轮胎压力为34 PSI，相当于约234 kPa。因此，轮胎的绝对压力就是234 kPa加上101.325 kPa，即331.325 kPa。 桥式(应变计)或压阻式传感器是最常用的压力传感器，因为这两种传感器结构简单且坚固耐用。这些特性降低了成本，使其成为更高通道数系统的理想选择。 J表压测量是相对于当地大气压力，等于234 kPa或34 PSI。 此类常见压力传感可以具有调理功能，也可以不具有调理功能。调理传感器通常更昂贵，因为它们包含用于滤波和信号放大的组件，以及激励导线和常规测量电路。如果使用的是未经调理的桥式压力传感器，则您的硬件需要具有信号调理功能。 J真空压力是相对于绝对真空或当地大气压力而言。瘪胎的压力可能与当地大气压力相同或为0 kPa(相对于大气压力)。在这种情况下，真空压力测量值可能等于234 kPa(相对于绝对真空)。 J差压就是任意两个压力水平之间的差值。在轮胎示例中，差压表示两个轮胎之间的压力差。此外，它也可以表示大气压力与单个轮胎内部压力之间的差值。 请查看传感器文档，确定您是否需要额外的放大或滤波组件。 力 与S型和梁式测压元件相比，筒式测压元件可以称量更大的载荷。它还可以轻松应对载荷移动的场景，且高度灵敏；但是，这种传感器需要横向过载保护。 过去主要使用机械杠杆秤来测量力。如今，基于应变计的测压元件成为了最常见的称重工具，因为它们不像杠杆秤那样需要诸多校准和维护。 测压元件可以具有调理功能，也可以不具有调理功能。调理传感器通常更昂贵，因为它们包含用于滤波和信号放大的组件，以及激励导线和常规测量电路。如果使用的是未经调理的桥式传感器，则您的硬件需要具有信号调理功能。请查看传感器文档，确定您是否需要额外的放大或滤波组件。 扁平测压元件的设计方式存在一定的局限性，只有在载荷完全不移动的情况下才能获取准确的读数。如果您的应用对时间有要求或需要快速测量，建议使用筒式测压元件。 按钮和垫片式测压元件通常用于测量较小物体的重量(最高200 lb)。与扁平测压元件一样，为了获得准确的测量值，被称量的物体不能移动。此外，载荷也必须集中在通常较小的范围内。这些测压元件的优点是价格便宜。 梁式测压元件适用于测量线性力，它们通常可用于称量各种大小的物品(10 lb到5k lb)。它们的灵敏度一般，但准确度很高。这些测压元件结构简单，成本低廉。 阅读有关常见传感器类型和术语的更多内容 下载《工程师精确传感器测量指南》 S型梁式测压元件与梁式测压元件类似，只是采用了不同的设计。由于这种设计差异(这种测压元件采用了有特性的S型设计)，这种传感器可有效应对高侧抛载现象，并测量未居中载荷的重量。这种经济型测压元件的设计也很简单。 如何选择合适的DAQ设备：技术规格 概述 可供选择的DAQ设备数不胜数，因此为您的应用选择合适的设备非常棘手。通过了解您试图捕获的信号，您可以构建一个