數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)旨在收集有用的測(cè)量數(shù)據(jù)來(lái)進(jìn)行表征、監(jiān)測(cè)或控制。

對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行表征時(shí)，您可能需要：

• 測(cè)量多個(gè)輸入，如十個(gè)溫度點(diǎn) 

• 測(cè)量多種輸入（如電壓、電流、溫度） 

• 優(yōu)化測(cè)試精度和測(cè)量速度 

在監(jiān)控產(chǎn)品或流程時(shí)，您可能需要： 

• 定期記錄讀數(shù)，如每分鐘一次，記錄 36 小時(shí) 

• 在將數(shù)據(jù)記錄到文件進(jìn)行后處理分析的同時(shí)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理或計(jì)算

• 觸發(fā)外部警報(bào)燈、警報(bào)器或控制系統(tǒng)以采取糾正措施 

如需對(duì)測(cè)試過程加以控制時(shí)，您需要：

• 提供控制執(zhí)行器、電機(jī)的模擬輸出信號(hào) 

• 提供控制器件的數(shù)字輸出信號(hào) 

• 使用切換卡路由信號(hào)，以便為測(cè)試信號(hào)供電或?qū)⑵溥B接到器件 在從物理到電氣部分會(huì)更對(duì)變送器進(jìn)行更深入的探討。

測(cè)量硬件是 DAQ 系統(tǒng)的輸入部分。它由模擬輸入、數(shù)字輸入和計(jì)數(shù)器輸入組成。

模擬輸入

模擬輸入通常是從變送器獲取的直流電壓。測(cè)得的電壓可能與特定的溫度、壓力、流量或速度對(duì)應(yīng)。模擬直流電壓由 DAQ 系統(tǒng)的模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）轉(zhuǎn)換為數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)。ADC 轉(zhuǎn)換技術(shù)有很多種，通常分為兩類：積分和非積分。積分技術(shù)測(cè)量指定時(shí)間間隔內(nèi)的平均輸入值，從而抑制許多噪聲源。非積分技術(shù)在非常短的時(shí)間間隔內(nèi)對(duì)輸入（加上噪聲）的瞬時(shí)值進(jìn)行采樣。

數(shù)字輸入 

某些數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包含數(shù)字輸入卡，該卡通過檢測(cè)數(shù)字位模式判定外部器件是否開啟。數(shù)字輸入卡通常包含 8 個(gè)、16 個(gè)或 32 個(gè)通道，可用于監(jiān)控多個(gè)外部器件。例如，數(shù)字輸入卡可以連接操作面板，以確定面板上各種開關(guān)的位置。

計(jì)數(shù)器輸入

某些數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包含一個(gè)計(jì)數(shù)器卡，可用于對(duì)來(lái)自外部器件的事件進(jìn)行計(jì)數(shù)。例如，計(jì)數(shù)器卡可用于數(shù)字脈沖的計(jì)數(shù)（總計(jì)），或是計(jì)算數(shù)字脈沖的持續(xù)時(shí)間（脈沖寬度）或數(shù)字脈沖的速率（頻率）。

控制硬件是 DAQ 系統(tǒng)的輸出部分。它主要由模擬輸出、數(shù)字輸出和控制開關(guān)輸出組成。

模擬輸出 

某些數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包含數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC），它的功能與模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）相反。DAC 解析來(lái)自控制硬件的命令并輸出相應(yīng)的數(shù)字電壓或電流。輸出保持在此水平，直到控制硬件指示 DAC 輸出新值。來(lái)自 DAC 的電壓或電流可用于控制風(fēng)扇的速度、閥門位置或泵流速。DAC 通常用于需要精確控制外部器件的應(yīng)用。

數(shù)字輸出

某些數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包含數(shù)字輸出卡，該卡解析來(lái)自控制硬件的命令并輸出相應(yīng)的數(shù)字位模式。數(shù)字輸出卡通常用于控制燈光，或?qū)?shù)字控制信號(hào)發(fā)送到外部器件。

控制切換輸出 

對(duì)于控制應(yīng)用，可以使用切換卡形成完整電路，從而為外部風(fēng)扇、泵或閥門供電。切換卡（通常稱為執(zhí)行器）的操作非常類似于向外部器件供電的燈開關(guān)。在需要切換高壓和高功率的應(yīng)用中，通常用切換卡來(lái)代替數(shù)字輸出卡。

切換硬件 

簧片和電樞繼電器這樣的機(jī)電開關(guān)在低速應(yīng)用中很常見。一個(gè)關(guān)鍵的優(yōu)點(diǎn)是它們能夠切換高電壓和電流電平，但它們的切換速率僅限于每秒幾百個(gè)通道。而且，由于它們是機(jī)械裝置，因此最終會(huì)磨損。場(chǎng)效應(yīng)晶體管（FET）和固態(tài)繼電器這樣的電子開關(guān)通常用于高速應(yīng)用。除了具有快速切換功能之外，它們不包含任何活動(dòng)部件，因此不會(huì)磨損。電子開關(guān)的缺點(diǎn)是它們通常不能處理高電壓或高電流，并且必須具有高阻抗才能保護(hù)自身免受輸入尖峰和瞬變的影響。

信號(hào)調(diào)理硬件

在將信號(hào)發(fā)送到測(cè)量硬件之前，信號(hào)調(diào)理可對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大、衰減、線性化處理或隔離來(lái)自變送器的信號(hào)。信號(hào)調(diào)理將信號(hào)轉(zhuǎn)換為系統(tǒng)更好測(cè)量的形式，在某些情況下，能使信號(hào)可以被測(cè)量。 信號(hào)調(diào)理的示例（圖 3）包括：

• 放大小信號(hào) 

• 衰減大信號(hào) 

• 用于溫度測(cè)量的熱電偶補(bǔ)償 

• 濾波以消除系統(tǒng)噪聲

可能的應(yīng)用

DAQ 用在哪些地方？ 

• 化學(xué)反應(yīng)器的溫度曲線 

• 下雨時(shí)衛(wèi)星通信信號(hào)的衰減 

• 食品儲(chǔ)存的濕度測(cè)量 

• 智能建筑中的 HVAC 應(yīng)用 

• 電動(dòng)汽車性能監(jiān)測(cè) 

• 冰箱的冷卻效率 

• 熱電實(shí)驗(yàn)室熱傳導(dǎo) 

• 潮汐現(xiàn)象 

• 太陽(yáng)能研究 

• 風(fēng)向和風(fēng)速 

• 電池和燃料電池測(cè)試

這些應(yīng)用有什么共同之處？

不同時(shí)間的數(shù)據(jù)記錄 ，溫度曲線 ，耐久性和可靠性測(cè)試 

DAQ 分為幾種不同類型。它們各自的基礎(chǔ)架構(gòu)大體相同，如最后幾頁(yè)所述，但外形有不同之處。

1. 基于 PXIe 的 DAQ 具有：

• 高速測(cè)量、多個(gè)并行同步測(cè)量功能，可選擇多路復(fù)用多達(dá)四倍的通道 

• 高分辨率 

• 大輸入范圍 

• 常用于：航空航天與國(guó)防、汽車行業(yè)

2. 高性能多功能切換/測(cè)量單元具有：

• 高掃描速率，最高 1000 通道/秒 

• 在一個(gè)主機(jī)中提供多達(dá) 560 個(gè)雙線通道或 4096 個(gè)矩陣交點(diǎn) 

• 常用于：不同行業(yè)的大規(guī)模測(cè)試系統(tǒng)

3. 通用 DAQ 和開關(guān)單元具有：

• 高達(dá) 450 通道/秒的掃描速率，滿足許多一般應(yīng)用的要求 

• 最多 120 個(gè) 2 線通道

• 常用于：不同行業(yè)的中小型測(cè)試系統(tǒng)

4. USB DAQ 具有：

• 性能較低的低成本解決方案

• 常用于：教育，小規(guī)模項(xiàng)目測(cè)試系統(tǒng)

將物理參數(shù)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)

變送器（或傳感器）是將物理參數(shù)（如溫度、流量、壓力、應(yīng)力等）轉(zhuǎn)換為電參數(shù)（如電壓、電流、電阻等）的器件，參見圖 5。電氣參數(shù)由測(cè)量硬件測(cè)得，結(jié)果轉(zhuǎn)換為工程單位。例如，在測(cè)量熱電偶時(shí)，測(cè)量硬件實(shí)際讀取直流電壓，然后使用數(shù)學(xué)算法將其轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)的溫度。圖 6 所示為幾種類型的變送器及其對(duì)應(yīng)的輸出。

傳感器是將物理參數(shù)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的一種變送器。在前文中我們討論了許多類型的傳感器，如熱電偶、熱敏電阻、旋轉(zhuǎn)編碼器等。

傳感器可進(jìn)一步分類為無(wú)源傳感器或有源傳感器。

當(dāng)相應(yīng)的物理參數(shù)發(fā)生變化時(shí)，無(wú)源傳感器的電阻、電容或電感特性也會(huì)發(fā)生變化。它們需要外部電源來(lái)產(chǎn)生電輸出。舉例來(lái)說(shuō)，熱敏電阻不產(chǎn)生電信號(hào)，而是會(huì)對(duì)應(yīng)溫度變化改變電阻值。如果在其電阻上引入電流，就可以測(cè)量輸出電壓來(lái)檢測(cè)溫度變化。

當(dāng)外部物理環(huán)境發(fā)生變化時(shí)，有源傳感器會(huì)產(chǎn)生電流。這種傳感器包括熱電偶、壓電傳感器和光電二極管。

執(zhí)行器與傳感器正好相反。它將電信號(hào)轉(zhuǎn)換成物理參數(shù)，即物理運(yùn)動(dòng)或聲音。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可配備模擬或數(shù)字輸出信號(hào)，以控制執(zhí)行器來(lái)控制溫度、控制流體流量、施加壓力或是用電機(jī)驅(qū)動(dòng)運(yùn)動(dòng)。

傳感器和執(zhí)行器通常一起工作。汽車就是一個(gè)很好的例子。

在汽車上，傳感器測(cè)量油的流量、水溫等。這些數(shù)據(jù)傳送到汽車的計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析并激活某些執(zhí)行器。對(duì)于配備了防撞系統(tǒng)的汽車，速度傳感器和雷達(dá)將數(shù)據(jù)反饋至汽車的計(jì)算機(jī)。如果計(jì)算機(jī)檢測(cè)到即將發(fā)生碰撞，它會(huì)激活執(zhí)行器（在這種情況下是制動(dòng)器）來(lái)使汽車減速。

溫度傳感器有幾種類型可供選擇。

熱電偶、電阻溫度檢測(cè)器（RTD）和熱敏電阻是目前使用的三種最常見的傳感器。

常用的溫度傳感器是熱電偶，因?yàn)樗哂卸喙δ苄浴犭娕加蓛筛煌慕饘俳z制成，它們焊接在一起形成小珠。熱電偶成本低廉、堅(jiān)固耐用，可長(zhǎng)距離運(yùn)行，能自行供電，有多種類型覆蓋各種溫度范圍。

RTD 在技術(shù)層面包括熱敏電阻器件，然而，“RTD"這一術(shù)語(yǔ)已經(jīng)用于表示專門的純金屬探測(cè)器而不是更為普通的半導(dǎo)體電阻元件。RTD 可在很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)保持精度和穩(wěn)定性。

熱敏電阻是一種能隨溫度改變其電阻值的器件。它們與溫度成反比，即隨著溫度升高，元素的電阻降低。

總而言之，我們以熱電偶的溫度精度為例來(lái)說(shuō)明為什么沿測(cè)量路徑進(jìn)行觀察非常重要。

雖然熱電偶看起來(lái)像一個(gè)一端連接兩根導(dǎo)線用于測(cè)量的簡(jiǎn)單傳感器。但是，為了準(zhǔn)確測(cè)量熱電偶接點(diǎn)的電壓，有幾個(gè)方面需要考慮。

1. 我們需要確保熱電偶的結(jié)構(gòu)合理，并且具有正確的工作精度。

2. 我們需要一個(gè)冷接點(diǎn)參考來(lái)消除 DAQ 端子連接點(diǎn)的熱電偶效應(yīng)。

3. 我們需要將熱電偶的非線性電壓測(cè)量值轉(zhuǎn)換為溫度讀數(shù)。數(shù)學(xué)函數(shù)必須內(nèi)置到DAQ 中，以便將非線性電壓讀數(shù)轉(zhuǎn)換為溫度。

為了提高精度，我們需要考慮 DAQ 系統(tǒng)的每個(gè)元器件，包括傳感器、電纜、信號(hào) 調(diào)理和 ADC。這些階段的任何誤差或錯(cuò)誤都會(huì)導(dǎo)致結(jié)果不準(zhǔn)確。

• 內(nèi)置 6.5 位數(shù)字萬(wàn)用表讓您能測(cè)量非常低的電流范圍（1 µA 直流和 100 µA 直流）和較高的電阻范圍（1000 MΩ）。 

• 快速了解多種信號(hào)類型和傳感器的信息。數(shù)據(jù)采集易于配置和運(yùn)行，無(wú)需編程。 

• 一種新型固態(tài)多路復(fù)用器，具有更快的切換速度（在 7 個(gè)現(xiàn)有模塊之上）。

• BenchVue DAQ 應(yīng)用軟件。無(wú)需編程即可輕松配置測(cè)量和測(cè)試自動(dòng)化。 

• 內(nèi)置內(nèi)部模塊校準(zhǔn)可降低熱電壓偏置誤差。 

• 更高的性能和靈活性，同時(shí)保持與 34970A/72A 的兼容性。