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如何正确的选用数据采集系统
点击次数:1639 更新时间:2014-03-18
工程师经常需要在长的时间周期内监视一些信号,然后绘制图表和分析所得到的数据。许多应用都需要监视、记录和分析数据,如产品开发的设计验证阶段,环境试验箱监视,元件检验,工作台测试和工艺流程的错误查找。这篇应用指南介绍用于采集、记录、分析数据的各种方法和装置,从简单的笔和纸到使用今天复杂的数据采集系统。文中讨论了每种方法的优点和缺点,并提供一张问题表,以指导您选择您需要的方法。 数据采集的可选方法数据采集技术在过去的30 年到40 年中取得了长足的进步。例如在40 年前的普通大学实验室中,跟踪温度的装置放在钠钨青铜的坩锅中,装置包括热偶、电桥、检查表、纸和笔。今天的大学生则是采用自动化的测量仪器,在PC 上分析数据。今天有许多种采集数据的可选方法。*选择决定于一些因素,包括任务的复杂程度,要求的速度和精度,以及所需要的文档。数据采集系统从简单到复杂有很宽的性能和功能范围。 纸和笔古老的纸和笔方法在某些条件下仍可使用,它便宜,随处可得,也很容易掌握。所要做的全部工作是连上一台数字多用表(DMM),并用手记录数据。但这种方法容易出错,速度慢,并需要繁杂的人工分析。此外,这种方法只适用于单通道的数据;当然您可以使用多台DMM,但系统很快变得庞杂和笨拙。精度取决于记录者的严谨性,而且您还需要人工标度输出的数据。例如若DMM不能得到温度传感器的直接读数时,就需要进行人工标度。纸带记录器您能用现代纸带记录器捕获来自几个输入的数据。它们提供数据的*性纸记录,并且由于这些数据采用图形格式,因此能容易地了解趋势。大多数记录器在设置后都有足够的内部智能,可以作无人值守的运行 ── 不需要操作者或计算机的帮助。缺点包括缺乏灵活性和相对低的精度,一般只有百分之几。通常您只能感觉到笔绘图的小变化。虽然记录器能很好监视长时间周期上的几个通道,但其值可能会受到限制。例如不能接通或断开另一装置。其它的问题包括笔和纸的维护,馈纸和数据保存,这意味着需要大量用纸,甚至会造成浪费。 扫描数字多用表某些台式DMM提供可选的扫描能力。这种仪器的后面板有一个插槽,可插入一块扫描卡,一般可多路转换8 至10 个通道的输入信号。这种方法可保持仪器前面板的固有DMM精度和功能。但其灵活性受到限制,因为不可能超过扩展槽所允许的通道数。通常用一台外部PC 管理数据采集和分析。 PC 插卡 PC插卡是利用PC中ISA或PCI 总线扩展槽的单板测量系统。一般有高达100,000 读数/ 秒的读数率。常见的插卡为8 至16 个通道,所采集的数据直接进入计算机保存,然后就地进行分析。由于插卡实质是计算机的一部份,因此很容易设置测试。PC 插卡一般比较便宜,因为它靠主机提供电源,机箱和用户界面。在缺点方面,PC 插卡一般只有12bit 分辨率,因此不能感知输入信号小的变化。此外,PC 内存在高噪声的电环境,到处是高速时钟和总线的噪声幅射。这类电气干扰会把PC插卡的精度限制到手持式DMM的水平。这些插卡也只能测量有限范围的直流电压。为测量其它输入信号,如交流电压,温度或电阻,就需要各种外部的信号调理。其它需关注的问题包括有疑问的校准和总系统成本,特别是需要购买附加的信号调理附件或适应插卡的PC 时。 数据记录仪数据记录仪通常是一个独立仪器,在经过设置后,它能测量、记录和显示数据,而无需操作员或计算机的干预。它们能处理各种输入信号,有些仪器有多达120个输入通道,并可达到台式DMM的精度,即22bit,0.004%的年精度量级。有些数据记录仪还能标度测量,按用户定义的极限检查结果,同时还有输出用于控制的信号。使用数据记录仪的一个好处是它们有内置的信号调理。大多数数据记录仪能直接测量各类输入,而不需要附加的信号调理附件。可用一个通道监视热偶,另一通道监视铂电阻(RTD),而其它通道则仍可观察电压。用于温度测量的热偶温度参考结通常也都内置于多路转换器查卡中。数据记录仪的内置智能可帮助您设置测试过程和规定各通道的参数。在完成设置后, 数据记录仪即作为独立仪器运行,就像一台记录仪。它在内部存储器中保存数据,存储器能容纳50,000 甚至更多的读数。PC 的连通能力使其能容易地把数据传送到您的计算机,以进行深入的分析。大多数数据记录仪有很高的灵活性,配置和操作简单,并且有可选的后备电池或其它方法,使您能在远地现场使用该仪器。由于采用A/D转换器技术,一些数据记录仪的读数相对慢,特别是与许多PC 插卡相比。但250 读数/ 秒的速度并不罕见。实际上, 被监视的许多现象实质上是物理现象 ── 例如温度、压力和流量,其变化一般是较慢的。此外,数据记录仪有高测量精度,多路读出,因此不需要PC 插卡解决方案中常用的平均。 数据采集前端数据采集前端通常是模块式的,一般连接到PC 或控制器。在自动测试应用中收集数据,以及控制测试装置其它部分的信号和提供信号路由。前端可能有非常高的性能,其速度和精度可与的独立仪器相匹敌。数据采集前端有多种实现方法,包括VXI,如Agilent E1419A多功能测量和控制VXI模块,以及的插卡箱。虽然前端的价格已经下降,但这些系统仍可能非常昂贵,除非您确实需要它们所提供的高性能,否则其价格是不能接受的。此外,前端还具有优异的灵活性和测量能力。数据记录仪应用对于许多应用工程师的日常任务来说,一台具有中等通道数(20-60 通道)和较慢扫描率的好的低价数据记录仪能充分满足需要。一些主要应用包括: ·产品验证 ·电子产品的热分布 ·环境测试;环境监视 ·元器件验证 ·电池测试 ·家电测试 ·建筑物和计算机房监视 ·生产流程监视,评估和故障查找数据记录仪应用:评估原型IC 的自动测试站 ·快速安装测试电路板上的插座 ·用安装在加热器/ 冷却器上的电路板测试温度变化条件下的IC ·使用Visual Basic 的全自动GPIB仪器结果: ·把评估时间减少一半 ·、一致性的结果 ·易于建立文档数据记录仪应用:验证新电源设计 ·检查输出电压和噪声级 ·地模拟负载(使用大功率电阻)和检查温升 ·测量关键元器件的温度结果: ·缩短开发时间 ·通过限制内部温度提高可靠性 ·验证电源的输入特性哪类数据采集系统正适合您的需要?没有一种数据采集系统能适应所有应用。回答下面这些问题可帮助您确定哪一种系统您的需要。 1. 系统符合我的应用要求吗?对测量分辨率、精度和噪声性能有何要求?扫描有多快?支持哪些传感器和测量功能?可通过升级或扩展满足未来需要吗?便于携带吗?可作为独立仪器工作吗?2. 售价高吗?软件是包括在其中,还是要另外购买?需要外加的信号调理吗?保修期多长?校准方便和便宜吗?3. 易于使用吗?指标易于理解吗?有什么样的用户界面?重配置新的应用困难吗?数据能容易地传送到新的应用程序吗?支持哪些应用软件包?结论 数据采集的范围从笔和纸,测量装置,直为复杂,包括硬件仪器和软件分析工具的系统。在用户考虑购买数据采集装置和系统时,*步是确定手头的任务和需要的输出,然后选择符合要求的仪器类型和范围。所有复杂设备和分析工具都要帮助用户了解所监视的现象。这些工具均只是达到这一目的的手段。 术语数据采集 — 收集来自传感器、电信号和仪器的数据。数据采集通常是自动化的,可在工厂、实验室和现场进行。数据记录仪 — 于采集和归档物理测量数据的数据采集系统。它通常是具有中等通道数(20-60 通道),用于采集不同时间数据的独立系统。数字多用表 — 一种测量交流和直流电压、直流电流和电阻的数字仪器。 DMM — 数字多用表多路转换器 — 一种把多通道切换至单一通道的方案 PC 插卡 — PC 插卡是插入PC 中ISA 或PCI 总线扩展槽的测量系统信号调理 — 使信号适合于模数(A-D)转换器的输入。信号可经过滤去除噪声,或经衰减或放大适应模数转换器的输入范围。