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数据采集与仪器:DAS和传感器

时间:2019-01-24 作者:Dennis Feucht 阅读:
数据采集系统(DAQ或DAS)是一种从传感器获取数据的电子仪器,通常可扩展为仪器仪表和控制系统。这种仪器通常具有多通道、中到高分辨率(12~20位),而且采样率相对较低(比示波器慢)。本文是关于该仪器工作原理的基础教程,着重介绍DAQ原理和传感器。

数据采集系统(DAQ或DAS)是一种从传感器获取数据的电子仪器,通常可扩展为仪器仪表和控制系统。这种仪器通常具有多通道、中到高分辨率(12~20位),而且采样率相对较低(比示波器慢)。本文是关于该仪器工作原理的基础教程,着重介绍DAQ原理和传感器。

我们以一个火箭测试系统为例,验证在试验台上静态发射的小型火箭的性能。测试点火必须由控制器排序,还需要DAS来获取传感器数据。火箭测试控制系统必须知道火箭内部究竟发生了什么,这需要一个仪器子系统来提供。传感器将感兴趣的数据(例如容器压力或加速度)转换为电信号。数据采集系统将这些电信号转换成数字形式,以便与控制计算机的输入格式兼容。

数据采集系统

被测量数据通常由DAS转换为控制计算机可以接受的数字形式。一个典型的DAS如图1所示。

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图1:典型的数据采集系统。

传感器波形进入抗混叠滤波器,滤除高频分量。有时防止混叠是必要的,因为混叠会产生杂散波形。混叠的一个常见例子是电影或电视中出现轮辐向后旋转的画面。电影或电视信号的连续图像帧其实不是连续的,有时候会产生差异频率(或拍频)而导致这种杂乱图像出现。如果传感器波形没有“减慢”到足以消除导致混叠的快速变化,DAS就会产生杂散波形。对连续数值进行采样并输出离散数值序列的任何过程都可能引起混叠。为避免混叠情况的发生,达到或超过采样率一半的所有频率都将被滤波器滤除。

MUX是模拟多路复用器,是一种类似电视频道开关的电子开关。微型计算机(μC)可以控制MUX切换到特定的传感器输入通道,依次选择每个通道进行测量。PGA是一种可编程增益放大器。不同的传感器需要不同的波形放大量,PGA增益是由μC控制的。A/D转换器(或ADC)将经过滤波和放大的模拟波形转换为数字形式,以便输入μC。

ADC可以区分的模拟输入电压离散值的数目就是其分辨率,以位为单位。对于N位分辨率,其输出结果的数目是2N。12位ADC可以区分212(即4096)个不同的模拟输入值。如果其满量程范围为4.096V,则这4096个输入电平的间隔正好是1mV。因此,ADC的12位数字输出具有1mV/次的分辨率,或每个最低有效位(LSB)为1mV,可以表示为1mV/LSB。

计算机进一步处理来自ADC的采样感应信号,但要以数字形式处理。ADC计数是未经处理的原始数据,ADC之前的传感器和模拟DAS电路因为不准确性会引起偏移和增益(斜率)误差,因此必须对这些数据进行校正。必要的话,得到的结果还要针对传感器非线性进行校正。

用于火箭飞行或测试的传感器通常包括:

  • 温度传感器:热电偶、RTD、热敏电阻和固态;
  • 压力传感器:硅或蓝宝石;
  • 流量传感器:涡轮、超声波多普勒;
  • 惯性传感器:速率和垂直陀螺仪、固态加速和旋转传感器、倾斜开关;
  • 接近传感器:微动开关;
  • 电传感器:电压和电流检测;
  • 低温传感器:低温热敏电阻。

大多数传感器按测量值输出一个电压,还有一个转换系数(增益),例如,压力传感器的V/kN,以及温度传感器的V/oC。电压发生在两个电路节点上。如果一个节点是系统的0V参考节点或接地,则传感器输出是相对于地的电压。在节点上相对于地测量的电压是单端电压。

有些传感器有两个端子,它们的输出电压出现在两个端子上,都没有接地。这是差分电压,因为它们是每个端子相对于地测量的电压差,有时也被称为“浮地”。

当传感器作为一种称为电桥的常见仪器电路的一部分时,其输出一般是差分输出。“传感器电桥电路”示意图(图2)显示了其在压力传感器电桥中的应用。电桥输出电压是AIN+和AIN-这两个节点相对于地测量的电压差。换句话说,将电压表负输入端连接到接地端子可测量AIN-的电压。

基于电桥的传感器类型包括RTD(温度)、压力和应力传感器。这些传感器的电阻随测量数而变化。在图3中,压力传感器配置为由两个具有相反极性的应变计驱动。

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图2:“传感器电桥电路”示意图。

电桥电路包含两个由电桥电源驱动的分压器,每个双电阻分压器都是半桥,电桥输出灵敏度与电桥激励电压成正比。对于半桥传感器,另一个半桥就是一个二等分分压器,由精确匹配的等值电阻组成。

两个应变片连接到桥臂的相对两侧,因此当它弯曲时,顶部应变片的电阻增加(+ε),而底部应变片减小(-ε)。没有弯曲时,两个传感器理论上具有相同的电阻,并且AIN+处的电压是电桥电压Vbr的一半。对于零电平处零差分输入电压,另一个由稳定的等值电阻(R)组成的分压器在AIN-端将Vbr分为一半。AIN+的输出电压在电桥电压一半左右发生变化,从而产生双极(+/-)差分输出。

2线、3线和4线电桥

对于电桥驱动线路中可忽略不计的电压降,在仪表系统电路板(如Vbr/2)上可以复制出精确的半桥电压,并通过电路板上的配置跳线为AIN-输入。该半桥电压可通过专用通道测量,并作为桥式传感器的偏移。利用板载半桥,只需要一条传感器输出线(AIN+)和两条电桥电源线接到每个传感器电桥。

对于全桥传感器,AIN+和AIN-端都从传感器接出,并在采集板上测量电桥电压。对于电桥接线中可忽略不计的电压降,这些布线方案是令人满意的。

对于电桥电源线中不可忽略的电压降,需要进行4线检测。四线(或Kelvin检测)是最准确的,它使用单独的电桥驱动和检测线对。

RTD温度传感器

RTD(电阻温度器件)利用铂这类金属的可重复温度系数(TC)原理。RTD在一定程度上呈非线性,需要校正。标准RTD曲线将电阻表示为温度的函数,例如铂RTD的PT100(DIN 43760)曲线。在0oC和100oC的电阻TC可表示为:

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对于PT100曲线,α=3.850x10-3/oC,但α在整个温度范围内不是恒定不变的。一般的RTD方程是:

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其中R0是0oC时的电阻(100Ω或1kΩ),求解T:

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从-100oC至+800oC(这是封装好的RTD的工作范围),100Ω的RTD电阻变化约6.48倍,从60.25Ω到390.26Ω,TC为正。

典型的1kΩ薄膜RTD有Sensing Devices公司(SDI)GR2141和Minco S251PF12(或热敏带S17624PF440B)。SDI Pt100/15P的R0为100Ω,S251PF12为1kΩ。

与压力传感器不同,RTD电桥仅使用一个传感器,如图3所示,适用于单端电桥电路。AGND是模拟地,是测量系统中与系统地连接的独立接地端。

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图3:RTD电桥仅使用一个传感器,适用于单端电桥电路。

热电偶

当两种不同的金属连接时就形成热电偶,比如点焊。两种金属之间会产生一个小电压,这个电压随着结温的变化而变化。K型(铬镍铝合金)或J型(铁-康铜)热电偶是最常见的,可用于测量RTD和热敏电阻无法测量的高温度。

K型热电偶不像J型那样灵敏,但具有更高的温度范围。与热电偶线的每一个连接都构成另一个热电偶传感器。若使用铜线,铜-铬和铜-铝连接就形成两个额外的热电偶。这些不期望的热电偶称为参比端或冷端热电偶,必须通过某种补偿措施来消除它们的影响。

通过将热电偶线接到仪表板连接器,参比端将靠近热电偶处理电路,而且温度大致相同。冷端补偿电路可以测量这一温度并补偿热电偶的电路输出。

可以使用单独的温度传感器来测量冷端附近的环境温度,并在计算机中完成补偿。

可对热电偶电压进行放大和冷端补偿的热电偶集成电路有ADI公司的K型(铬镍铝合金)热电偶AD595,以及J型(铁-康铜)热电偶AD594。它们的输出分别为:

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为了将高温测量范围扩展到1250oC(K型)和750oC(J型),需要将输出电压切分(比如除以3),以适应ADC的典型4.1V fs范围。

环境温度

ADI公司的AD22100 IC是一款低成本、三引脚硅基温度传感器,可以方便地检测环境温度。它的模拟电压输出为:

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其中VCC是AD22100的电源电压,它的工作温度范围为-50oC至+150oC,满量程误差为±2%。这种传感器的输出随VCC成比例变化。它由电桥电压(Vbr)供电,可以使用电桥补偿来跟踪电桥电压的漂移。

AD22100可以进行两点校准,因为它是一种线性变换器(误差接近其±1%非线性规范)。

对于精度稍低的校准,将(电绝缘)传感器浸入冰水中,一点校准至0oC,或用另一个温度计或(已校准的)温度通道来测量传感器的温度。如果测量通道已经过电压校准并使用上述公式,则无需进行温度测量,尽管其精度约为±2%。

AD22100在4V至6V VCC电压下工作,可由4.1V电桥电源供电。来自ADC的原始数据值是:

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环境压力

要测量环境压力,一款值得推荐的传感器是Motorola MPX2202AP。这是一款低成本、绝对检测、200kPa(29psi)全量程的硅基压力传感器。它可以用作气压计,因为它检测绝对压力,大气压力可以转换为海拔高度。它还具有足够大的范围来检测一般飞行器的动态压力。

MPX2202AP是一个完整的补偿电桥电路,其输出与电源电压成比例。它可以一点或两点校准。对于4.1V电桥电源,在满量程时,其输出约为16.4mV,标称比例因子为82μV/kPa。零标度(zs)处于零压力,偏移电压误差指定为±1mV。

要计算所需的增益,可将ADC满量程输入电压(Vbr=4.1V)除以传感器满量程输出并向下舍入,得到增益为x100。这为捕获突发故障数据提供了足够的处理能力。

同类传感器还有Sensym SCX30ANC和TRW Novasensor NPC-410-30-A。一些电桥传感器,例如Motorola MPX4250(250kPa fs),具有不同于Vbr的电桥电压。必须跟踪它们的电桥电压(通过另一个通道测量)来补偿电桥灵敏度,以达到最大精度。

加速度传感器

适用于大多数探空火箭和其它低g应用的加速度传感器有ADI ADXL105。它价格低廉,是一种硅基器件,测量范围为±5g。它可以利用重力进行两点校准。在最大加速方向上,输入约为1g。反转(旋转180o),其输入为-1g。地球表面的标称值g0为9.806m/s2

电源电压和电流

地面电源或板载电池通常可以通过分压器检测。差分电压测量通道的优势在于它们能够测量“浮地”电压,例如与电池正极串联的电流检测电阻两端的电压。

流量输入

典型的涡轮流量传感器一般设计为磁片流量传感器。涡轮叶片中的磁体旋转经过传感器主体中的线圈,并在其中引起电压脉冲。在感兴趣的流量范围内,典型的脉冲幅度至少为50mV。最大流量脉冲率通常为100Hz至几kHz。

这些脉冲通常由模拟电路处理,并转换为计算机数字脉冲,然后输入到由计算机控制的计数器。计数在准确的时间间隔内累积,通常由计算机的时基控制设定。也就是说,另一个计数器/计时器定期中断计算机。在这些中断之间建立准确的时间间隔,用作频率计数器的时基。频率为:

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其中N是时间间隔Δt上的计数次数。

低温热敏电阻

低温热敏电阻是一种高度非线性的温度传感器,可用于检测低温流体的存在。可以将其放置在容器的空处,用于检测空处何时被填充。它们可以放置在分压器的高压侧,直接驱动数字位输入。

一个典型的低温热敏电阻是Thermometrics公司的A105CTP100DE104R热探针。它在液氮沸点(-195.82oC)下具有100kΩ的电阻。LOX(液态氧)沸点为-183oC,它在-185oC时的电阻为54322Ω,在-180oC时为37081Ω。但在-100oC时,只有146Ω。可以将热探针设置为由+5V电压驱动的分压器的上部电阻,在1kΩ左右的较低电阻下,分压器输出可直接驱动TTL电平数字计算机输入。

结语

在本文第二部分,我们将讨论DAS系统的采集和处理策略及校准。

(原文刊登于ASPENCORE旗下EDN英文网站,参考链接:Data Acquisition and Instrumentation: The DAS and Sensors。)

本文为《电子技术设计》20191月刊杂志文章。

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