数据采集系统

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数据采集系统(Date Acquisition System,DAS)

目录

什么是数据采集系统[1]

  数据采集系统是结合基于计算机的测量软硬件产品来实现灵活的、用户自定义的测量系统。

数据采集系统的组成[2]

  通常数据采集系统由三个部分组成:传感器部分、数据采集仪部分和计算机(控制与分析器)部分。

  传感器部分包括前面所提到的各种电测传感器,它们的作用是感受各种物理变量,如力、线位移、角位移、应变和温度等,并把这些物理量转变为电信号

  数据采集仪的作用是对所有的传感器通道进行扫描,把扫描得到的电信号转换成数字量,再根据传感器特性对数据进行传感器系数换算(如把电压值换算成应变或温度等),然后将这些数据传送给计算机,也可将这些数据打印输出、存入磁盘。

  计算机部分包括主机、显示器、存储器、打印机、绘图仪和键盘等。计算机的主要作用是作为整个数据采集系统的控制鼎,控制整个数据的采集过程。在采集过程中,通过数据采集程序的运行,计算机对数据采集仪进行控制。计算机还可以对数据进行计算处理,实时打印输出、图像显示及存入磁盘。计算机的另外一个作用是在试验结束后,对数据进行处理。

  数据采集系统可以对大量数据进行快速采集、处理、分析、判断、报警、直读、绘图、储存、试验控制和人机对话等,还可以进行自动化数据采集和试验控制,它的采样速度可高达每秒几万个数据或更多。

数据采集系统的配置[3]

  典型的数据采集系统由传感器(T)、放大器(IA)、模拟多路开关(MUX)、采样保持器(SHA)、A/D转换器、计算机(MPS)或数字逻辑电路组成。根据它们在电路中的位置可分为同时采集、高速采集、分时采集和差动结构四种配置,如图1所示。
Image:数据采集系统配置.jpg

  (1)同时采集系统。图1(a)所示为同时采集系统配置方案,可对各通道传感器输出量进行同时采集和保持,然后分时转换和存储,可保证获得各采样点同一时刻的模拟量

  (2)高速采集系统。图1(b)所示为高速采集配置方案,在实时控制中对多个模拟信号的同时实时测量是很有必要的。

  (3)分时采集系统。图1(c)所示为分时采集方案,这种系统价格便宜,具有通用性,传感器与仪表放大器匹配灵活,有的已实现集成化,在高精度、高分辨率的系统中,可降低IA和ADC的成本,但对MUX的精度要求很高,因为输入的模拟量往往是微伏级的。这种系统每采样一次便进行一次A/D转换并送入内存后方才对下一采样点采样。这样,每个采样点值间存在一个时差(几十到几百微秒),使各通道采样值在时轴上产生扭斜现象。输入通道数越多,扭斜现象越严重,不适合采集高速变化的模拟量。

  (4)差动结构分时采集系统。在各输入信号以一个公共点为参考点时,公共点可能与队和ADC的参考点处于不同电位而引入干扰电压UN,从而造成测量误差。采用如图1(d)所示的差动配置方式可抑制共模干扰,其中MUX可采用双输出器件,也可用两个MUX并联。

数据采集系统的分类[2]

  目前,国内外数据采集系统的种类很多,按其系统组成的模式大致可分为以下几种。

  (1)大型专用系统

  将采集、分析和处理功能融为一体,具有专门化、多功能和高档次的特点。

  (2)分散式系统

  由智能化前端机、主控计算机或微机系统、数据通信及接口等组成,其特点是前端可靠近测点,消除了长导线引起的误差,并且稳定性好、传输距离长、通道多。

  (3)小型专用系统

  这种系统以单片机为核心,小型便携,用途单一,操作方便,价格低,适用于现场试验的测量。

  (4)组成式系统

  这是一种以数据采集仪和微型计算机为中心,按试验要求进行配置组合成的系统,它适用性广,价格便宜,是一种比较容易普及的形式。

数据采集系统的特点[1]

  数据采集系统具有如下主要特点:

  1)数据采集系统一般都由计算机控制,使得数据采集的质量效率等大为提高,也节省了硬件投资。

  2)软件在数据采集系统的作用越来越大,

  3)数据采集与数据处理结合得日益紧密,集、处理到控制的全部工作。这增加了系统设计的灵活性。形成数据采集与处理系统,可实现从数据采

  4)数据采集过程一般都具有实时的特性,实时的标准是能满足实际需要;对于通用数据采集系统一般希望有尽可能高的速度,以满足更多的应用环境。

  5)随着微电子技术的发展,电路集成度的提高,数据采集系统的体积越来越小,可靠性越来越高。

  6)总线在数据采集系统中有着广泛的应用,总线技术对数据采集系统结构的发展起到了重要作用。

数据采集系统的主要性能指标[1]

  数据采集系统的性能指标和具体应用目的与应用环境密切相关,以下给出的是比较主要和常用的几个指标的含义。

  (1)系统分辨率

  系统分辨率是指数据采集系统可以分辨的输入信号最小变化量。通常用最低有效位(LSB)占系统满度信号的百分比表示,或用系统可分辨的实际电压数值来表示,有时也用满度信号可以分的级数来表示。表1所示为满度值为10V时数据采集系统的分辨率

  (2)系统精度

  系统精度是指当系统工作在额定采集速率下,每个离散子样的转换精度。A/D转换器的精度是系统精度的极限值。实际的情况是,系统精度往往达不到A/D转换器的精度,这是因为系统精度取决于系统的各个环节(部件)的精度。如前置放大器、滤波器、多路模拟开关等,只有这些部件的精度都明显优于A/D转换器的精度时,系统精度才能达到A/D的精度。这里还应注意系统精度与系统分辨率的区别。系统精度是系统的实际输出值与理论输出值之差,它是系统各种误差的总和,通常表示为满度值的百分数。

表1 数据采集系统的分辨率(满度值为IOV)

位数级数1LSB(用满度值的百分数表示)1LSB(10V满度)
82560.391%39.1mV
1240960.0244%2.44mV
16655360.OO15%O.15mV
2010485760.000095%9.55μV
24167772160.00000600.609μV

  (3)采集速率

  采集速率又称为系统通过速率、吞吐率等,是指在满足系统精度指标的前提下,系统对输入模拟信号在单位时间内所完成的采集次数,或者说是系统每个通道、每秒钟可采集的子样数目,这里所说的“采集”包括对被测物理量进行采样、量化、编码、传输、存储等的全部过程。在时间域上,与采集速率对应的指标是采样周期,它是采样速率的倒数,它表示了系统每采集一个有效数据所需的时间。

  (4)动态范围

  动态范围是指某个物理量的变化范围。信号的动态范围是指信号的最大幅值和最小幅值之比的分贝数,数据采集系统的动态范围通常定义为所允许输入的最大幅值Vimax与最小幅值Vimin之比的分贝数,即 Ii=20lg Vimax/Vimin

  式中,最大允许幅值Vimax——使数据采集系统的放大器发生饱和或者是使模数转换器发生溢出的最小输入幅值;

  最小允许输入值Vimin——一般用等效输入噪声电平VIN来代替。

  对大动态范围信号的高精度采集时,还要用到“瞬时动态范围”这样一个概念。所谓瞬时动态范围是指某一时刻系统所能采集到的信号的不同频率分量幅值之比的最大值,即幅度最大频率分量的幅值Afmax与幅度最小频率分量的幅值Afmin之比的分贝数。若用I表示瞬时动态范围,则有I=20lg Afmax/Afmin

  (5)非线性失真

  非线性失真也称为谐波失真。当给系统输入一个频率为f的正弦波时,其输出中出现很多频率kf(k为正整数)的新的频率分量的现象,称为非线性失真。谐波失真系数用来衡量系统产生非线性失真的程度。它通常用下式表示

H=\frac{\sqrt{A_2^2+A_3^2+\ldots +A_k^2}}{\sqrt{A_1^2+A_2^2+A_3^2+\ldots +A_k^2}}\times 100%

式中,A1——基波振幅;AK——第k次谐波(频率为kf)的振幅

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参考文献

  1. 1.0 1.1 1.2 秦树人 尹爱军 刘小峰著.现代虚拟仪器.机械工业出版社,2011.06.
  2. 2.0 2.1 吴晓枫主编.建筑结构试验与检测.化学工业出版社,2011.05.
  3. 于彤编.传感器应用.人民邮电出版社,2010.03.
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