第二章 智能仪器的数据采集技术

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1、第二章第二章 智能仪器智能仪器的数据采集技术的数据采集技术 智能仪器的数据采集系统简称智能仪器的数据采集系统简称DAS（Data Acquisition System），是指将温），是指将温度、压力、流量、位移等模拟量进行采度、压力、流量、位移等模拟量进行采集、量化转换成数字量后，以便由计算集、量化转换成数字量后，以便由计算机进行存储、处理、显示或打印的装置。机进行存储、处理、显示或打印的装置。第一节第一节 数据采集系统的组成结构数据采集系统的组成结构 传感器传感器模拟信号调理模拟信号调理数据采集电路数据采集电路微机系统微机系统图图3.1 数据采集系统的基本组成数据采集系统的基本组成 实际的数

2、据采集系统往往需要同时实际的数据采集系统往往需要同时测量多种物理量或同一种物理量的多个测量多种物理量或同一种物理量的多个测量点。因此，多路模拟输人通道更具测量点。因此，多路模拟输人通道更具有普遍性。按照系统中数据采集电路是有普遍性。按照系统中数据采集电路是各路共用一个还是每路各用一个，多路各路共用一个还是每路各用一个，多路模拟输人通道可分为集中采集式和分散模拟输人通道可分为集中采集式和分散采集式两大类型。采集式两大类型。 一、集中采集式一、集中采集式 图图3.2 集中式数据采集系统的典型结构集中式数据采集系统的典型结构 二、分散采集式二、分散采集式(分布式分布式)(a) 分布式单机数据采集结构

3、分布式单机数据采集结构 通信接口通信接口上位机上位机数据数据采集站采集站1数据数据采集站采集站2数据数据采集站采集站3数据数据采集站采集站N模拟信号和数字信号模拟信号和数字信号(b) 网络式数据采集结构网络式数据采集结构图图3.3 分布式数据采集系统的典型结构分布式数据采集系统的典型结构第二节第二节 模拟信号调理模拟信号调理 在一般测量系统中信号调理的任务在一般测量系统中信号调理的任务较复杂，除了实现物理信号向电信号的较复杂，除了实现物理信号向电信号的转换、小信号放大、滤波外，还有诸如转换、小信号放大、滤波外，还有诸如零点校正、线性化处理、温度补偿、误零点校正、线性化处理、温度补偿、误差修正和

4、量程切换等，这些操作统称为差修正和量程切换等，这些操作统称为信号调理（信号调理（Signal Conditioning），相应），相应的执行电路统称为信号调理电路。的执行电路统称为信号调理电路。 传感传感器器前置放前置放大大低通低通陷波陷波高通高通至采集至采集电路电路图图3.4 典型调理电路的组成框图典型调理电路的组成框图 一、传感器的选用一、传感器的选用 传感器是信号输人通道的第一道环节，也是传感器是信号输人通道的第一道环节，也是决定整个测试系统性能的关键环节之一。要正决定整个测试系统性能的关键环节之一。要正确选用传感器，首先要明确所设计的测试系统确选用传感器，首先要明确所设计的测试系统需要

5、什么样的传感器需要什么样的传感器系统对传感器的技术系统对传感器的技术要求；其次是要了解现有传感器厂家有哪些可要求；其次是要了解现有传感器厂家有哪些可供选择的传感器，把同类产品的指标和价格进供选择的传感器，把同类产品的指标和价格进行对比，从中挑选合乎要求的性能价格比最高行对比，从中挑选合乎要求的性能价格比最高的传感器。的传感器。(一一) 对传感器的主要技术要求对传感器的主要技术要求1. 具有将被测量转换为后续电路可用电量的功具有将被测量转换为后续电路可用电量的功能，转换范围与被测量实际变化范围相一致。能，转换范围与被测量实际变化范围相一致。2. 转换精度符合整个测试系统根据总精度要求转换精度符合

6、整个测试系统根据总精度要求而分配给传感器的精度指标，转换速度应符合整而分配给传感器的精度指标，转换速度应符合整机要求。机要求。3. 能满足被测介质和使用环境的特殊要求，如能满足被测介质和使用环境的特殊要求，如耐高温、耐高压、防腐、抗振、防爆、抗电磁干耐高温、耐高压、防腐、抗振、防爆、抗电磁干扰、体积小、质量轻和不耗电或耗电少等。扰、体积小、质量轻和不耗电或耗电少等。4. 能满足用户对可靠性和可维护性的要求。能满足用户对可靠性和可维护性的要求。(二二) 可供选用的传感器类型可供选用的传感器类型 对于一种被测量，常常有多种传感器可以测对于一种被测量，常常有多种传感器可以测量，例如测量温度的传感器就

7、有：热电偶、热量，例如测量温度的传感器就有：热电偶、热电阻、热敏电阻、半导体电阻、热敏电阻、半导体PN结、结、IC温度传感温度传感器、光纤温度传感器等好多种。在都能满足测器、光纤温度传感器等好多种。在都能满足测量范围、精度、速度、使用条件等情况下，应量范围、精度、速度、使用条件等情况下，应侧重考虑成本低、相配电路是否简单等因素进侧重考虑成本低、相配电路是否简单等因素进行取舍，尽可能选择性能价格比高的传感器。行取舍，尽可能选择性能价格比高的传感器。 1. 大信号输出传感器大信号输出传感器 :为了与为了与A/D输入要求相输入要求相适应，传感器厂家开始设计、制造一些专门适应，传感器厂家开始设计、制造

8、一些专门与与A/D相配套的大信号输出传感器。相配套的大信号输出传感器。 传感器传感器传感器小信号放大信号修正与变换滤波A/D微机微机I/V转换V/F光电耦合小电流小电压大电压大电流图图3.5 大信号输出传感器的使用大信号输出传感器的使用 2. 数字式传感器：数字式传感器一般是数字式传感器：数字式传感器一般是采用频率敏感效应器件构成，也可以是采用频率敏感效应器件构成，也可以是由敏感参数由敏感参数R、L、C构成的振荡器，或构成的振荡器，或模拟电压输入经模拟电压输入经 V/F转换等，因此，数字转换等，因此，数字量传感器一般都是输出频率参量，具有量传感器一般都是输出频率参量，具有测量精度高、抗干扰能力

9、强、便于远距测量精度高、抗干扰能力强、便于远距离传送等优点。离传送等优点。 传感器放大整形光电隔离计算机传感器整形光电隔离计算机频率量输出开关量输出图图3.6 频率量及开关量输出传感器的使用频率量及开关量输出传感器的使用 3. 集成传感器：集成传感器是将传感器集成传感器：集成传感器是将传感器与信号调理电路做成一体。例如，将应与信号调理电路做成一体。例如，将应变片、应变电桥、线性化处理、电桥放变片、应变电桥、线性化处理、电桥放大等做成一体，构成集成压力传感器。大等做成一体，构成集成压力传感器。采用集成传感器可以减轻输人通道的信采用集成传感器可以减轻输人通道的信号调理任务，简化通道结构。号调理任务

10、，简化通道结构。 4. 光纤传感器：这种传感器其信号拾取、光纤传感器：这种传感器其信号拾取、变换、传输都是通过光导纤维实现的，变换、传输都是通过光导纤维实现的，避免了电路系统的电磁干扰。在信号输避免了电路系统的电磁干扰。在信号输入通道中采用光纤传感器可以从根本上入通道中采用光纤传感器可以从根本上解决由现场通过传感器引入的干扰。解决由现场通过传感器引入的干扰。 二、信号调理通道中的常用放大器二、信号调理通道中的常用放大器 在智能仪器的信号调理通道中，针在智能仪器的信号调理通道中，针对被放大信号的特点，并结合数据采集对被放大信号的特点，并结合数据采集电路的现场要求，目前使用较多的放大电路的现场要求

11、，目前使用较多的放大器有器有仪用放大器仪用放大器、程控增益放大器程控增益放大器以及以及隔离放大器隔离放大器等。等。 (一一) 仪用放大器仪用放大器 图图3.9 仪用放大器的基本结构仪用放大器的基本结构 仪用放大器上下对称，即图中仪用放大器上下对称，即图中R1=R2，R4R6，R5R7。则放大器闭环增益为：。则放大器闭环增益为：假设假设R4=R5，即第二级运算放大器增益为，即第二级运算放大器增益为1，则可以推出仪用放大器闭环增益为：，则可以推出仪用放大器闭环增益为：由上式可知，通过调节电阻由上式可知，通过调节电阻RG，可以很方，可以很方便地改变仪用放大器的闭环增益。当采用便地改变仪用放大器的闭环