傳感器是一種物理裝置或生物器官，能夠探測、感受外界的信號、物理?xiàng)l件(如光、熱、濕度)或化學(xué)組成(如煙霧)，并將探知的信息傳遞給其他裝置或器官。人的五官就是天然的傳感器，具有視、聽、嗅、味、觸覺，大腦就是通過五官來感知外界的信息(圖1)。

　　圖1 人與機(jī)器的對應(yīng)關(guān)系

　　工程科學(xué)與技術(shù)領(lǐng)域的傳感器既是對人體五官的工程模擬物，是能將特定的被測量信息(包括物理量、生物量、生物量)按一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成某種可用信號輸出的器件或裝置。可用信號既是便于處理和傳輸?shù)男盘?，目前由于電信號最符合這一要求，傳感器也可狹義定義為把外界非電信息轉(zhuǎn)換成電信號輸出的器件(圖2)。

　　圖2 各類傳感器

　　傳感器的構(gòu)成

　　傳感器的具體構(gòu)成根據(jù)被測對象、轉(zhuǎn)換原理，使用環(huán)境和性能要求的情況有很大差異。

　　自源型是僅含有轉(zhuǎn)換元件的傳感器構(gòu)成形式，它不需要外能源，可直接從外部被測對象吸收能量轉(zhuǎn)換為電效應(yīng)，但輸出的能量較弱。常見的有熱電偶、壓電器件等。

　　帶激勵源型是在轉(zhuǎn)換器件外加了輔助能源的構(gòu)成形式，輔助能源起到激勵的作用，可以是電源或磁源，這樣不需要變換電路也有較大電量輸出。常見的有霍爾傳感器等。

　　外源型是由利用被測量實(shí)現(xiàn)阻抗變換的轉(zhuǎn)換元件構(gòu)成，必須通過帶外電源的變換電路才能獲得電量輸出。常見的有電橋等。

　　相同傳感器補(bǔ)償型(圖3-a)是使用兩個完全相同的轉(zhuǎn)換元件置于同樣環(huán)境下的構(gòu)成形式。實(shí)際使用其中一個元件進(jìn)行工作，另一個用于抵消其受到的環(huán)境干擾影響。常見的有應(yīng)變式，固態(tài)壓阻式傳感器等。

　　差動結(jié)構(gòu)補(bǔ)償型(圖3-b)和相同傳感器補(bǔ)償型類似，但其兩個轉(zhuǎn)換元件都進(jìn)行工作，除了可以抵消環(huán)境干擾，還使有用的輸出值增加。

　　不同傳感器補(bǔ)償型(圖3-c)是兩個原理和性質(zhì)不同的轉(zhuǎn)換元件置于同樣環(huán)境下的構(gòu)成形式，也是通過一個轉(zhuǎn)換元件給工作的轉(zhuǎn)換元件提供補(bǔ)償。常見的有熱敏電阻的溫度補(bǔ)償，加速度的干擾補(bǔ)償?shù)取?/font>

　　圖3 補(bǔ)償結(jié)構(gòu)型

　　目前隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，傳感器和微處理器結(jié)合在一起，形成了智能化傳感器的概念，這種構(gòu)成具有了信息處理的功能，前景十分廣闊。

　　傳感器的分類

　　傳感器的種類繁多，分類方式多種多樣。對于被測量，可以用不同的傳感器來測量;而對于同一原理的傳感器，通常又可以測量多種非電量。

　　具體分類可按轉(zhuǎn)換的基本效應(yīng)、構(gòu)成原理等分多種，其中又以按照工作原理分類最為詳細(xì)(表1)。

　　表1 傳感器類型分類

傳感器的基本要求

　　無論何種傳感器，作為直接面對測試對象的先鋒，必須能夠快速、準(zhǔn)確、可靠而又經(jīng)濟(jì)地實(shí)現(xiàn)信息轉(zhuǎn)換的基本要求。

　　傳感器的工作范圍和量程需要足夠大，可以滿足相應(yīng)測試的極端要求，需要具備一定的過載能力;必須有能滿足要求的靈敏度和精度，要求轉(zhuǎn)換后輸出的信號和被測量的輸入信號成確定的關(guān)系，且比值要大。傳感器還需要具備快速的響應(yīng)能力，穩(wěn)定可靠的工作能力，較長的壽命和較低的成本，同時(shí)維修，校準(zhǔn)方便。根據(jù)特定的現(xiàn)場應(yīng)用，有時(shí)對傳感器的體積和重量都有嚴(yán)格要求，且希望其內(nèi)部噪聲小不易受到外部干擾。最后是傳感器輸出的信號最好采取通用的標(biāo)準(zhǔn)形式，以便于和外部系統(tǒng)對接。

　　可見選擇一款合適的傳感器并不輕松，需要根據(jù)需求全面綜合地考慮，不可馬虎。

　　傳感器重要指標(biāo)介紹

　　傳感器在檢測靜態(tài)量時(shí)的靜態(tài)特性和檢測動態(tài)量時(shí)的動態(tài)特性通?？梢苑珠_考慮。對于輸入信號的，傳感器的數(shù)學(xué)模型也通常有靜態(tài)和動態(tài)之分。

　　靜態(tài)特性

　　靜態(tài)特性表示傳感器在被測輸入量各個值處于穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，輸入和輸出的關(guān)系，主要要考慮線性度和隨機(jī)變化等因素。

　　線性度

　　線性度又稱非線性，是表征傳感器輸出-輸入校準(zhǔn)曲線與選定的擬合直線之間的吻合程度的指標(biāo)。通常用相對誤差來表示線性度或非線性誤差，有：

　　(公式1)

　　表示輸出平均值與擬合直線間的最大偏差;

　　表示理論滿量程輸出值。

　　所以，選定的擬合直線不同時(shí)，計(jì)算所得的線性度數(shù)值也就不同。選擇擬合直線要保證獲得盡量小的非線性誤差，還要考慮計(jì)算是否方便。常見的方法有理論直線法、端點(diǎn)線法、最小二乘法等。

　　遲滯

　　遲滯是反應(yīng)傳感器在輸入量增大和減小的行程過程中輸出和輸入曲線的不重合程度的指標(biāo)(圖2)。通常用正反行程輸出的最大差值 計(jì)算，有：

　　(公式2)

　　圖1 遲滯

　　靈敏度

　　靈敏度(圖3)是傳感器輸出量增量與被測輸入量增量之比，線性傳感器的靈敏度就是擬合直線的斜率，即：

　　(公式3)

　　非線性傳感器的靈敏度不是常數(shù)，用dy/dx表示。

　　對于需要外部激勵的傳感器來說，其靈敏度的表達(dá)還要考慮電源電壓的因素。

　　圖2 靈敏度

　　分辨力

　　分辨力是傳感器在規(guī)定測量范圍內(nèi)所能測試出的被測輸入量的最小變化量，有時(shí)用該值相對滿量程輸入值的百分?jǐn)?shù)表示，稱為分辨率。

重復(fù)性

　　重復(fù)性是指輸入量按同一方向做全量程連續(xù)多次變動時(shí)，所得特性曲線間一致程度的指標(biāo)，各條曲線越接近，重復(fù)性越好。重復(fù)性誤差反映的是校準(zhǔn)數(shù)據(jù)的離散程度，是隨機(jī)誤差計(jì)算：

　　(公式4)

　　漂移

　　漂移指在一定時(shí)間間隔內(nèi)，傳感器輸出量存在著與被測輸入量無關(guān)的變化，主要包括零點(diǎn)漂移和靈敏度漂移。零點(diǎn)漂移或靈敏度漂移又可分為時(shí)間漂移和溫度漂移。

　　時(shí)間漂移指在規(guī)定的條件下，零點(diǎn)或靈敏度隨時(shí)間的緩慢變化;溫度漂移則是周圍溫度變化所引起的。

　　(公式5)

　　表示輸出最大偏差值;

　　表示溫度變化的范圍。

　　穩(wěn)定性

　　穩(wěn)定性指傳感器在長時(shí)間使用時(shí)仍保持其性能的能力，一般以在室溫條件下經(jīng)過一段規(guī)定的時(shí)間后，輸出與起始標(biāo)定時(shí)的輸出之間的差異表示。

　　靜態(tài)誤差(精度)

　　精度是評價(jià)傳感器靜態(tài)性能的綜合性指標(biāo)，指傳感器在滿量程內(nèi)任一點(diǎn)輸出值相對其理想值的可能偏離(接近)程度，它表示該傳感器在靜態(tài)測量時(shí)所得數(shù)據(jù)的不精確度。

　　精度的測量方法很多，目前國內(nèi)外尚不統(tǒng)一。

　　動態(tài)特性

　　動態(tài)特性是反映傳感器對于隨時(shí)間變化的輸入量的響應(yīng)特性。在實(shí)際工作中，傳感器的動態(tài)特性常用它對某些標(biāo)準(zhǔn)輸入信號的響應(yīng)來表示。這是因?yàn)閭鞲衅鲗?biāo)準(zhǔn)輸入信號的響應(yīng)容易用實(shí)驗(yàn)方法求得，并且它對標(biāo)準(zhǔn)輸入信號的響應(yīng)與它對任意輸入信號的響應(yīng)之間存在一定的關(guān)系，往往知道了前者就能推定后者。最常用的標(biāo)準(zhǔn)輸入信號有階躍信號和正弦信號兩種，所以傳感器的動態(tài)特性也常用頻率響應(yīng)和階躍響應(yīng)來表示。

　　傳感器的頻率響應(yīng)特性

　　將各種頻率不同而幅值相等的正弦信號輸入傳感器，其輸出正弦信號的幅值、相位與頻率之間的關(guān)系稱為頻率響應(yīng)特性。由于相頻特性和幅頻特性之間有一定的內(nèi)在關(guān)系，因此表示傳感器的頻響特性及頻域性能指標(biāo)時(shí)主要用幅頻特性(圖3)。

　　圖3 典型的對數(shù)幅頻特性

　　傳感器的階躍響應(yīng)特性

　　當(dāng)給靜止的傳感器輸入一個單位階躍信號

　　時(shí)，其輸出信號稱為階躍響應(yīng)(圖4，a為一階系統(tǒng);b為二階系統(tǒng))。

　　圖4 階躍響應(yīng)曲線

　　溫度測量

　　溫度是一個基本的物理量，自然界中的一切過程無不與溫度密切相關(guān)。測量溫度的熱電式傳感器是最早開發(fā)，應(yīng)用最廣的一類傳感器，這類傳感器是利用轉(zhuǎn)換元件電磁參量隨溫度變化的特性，對溫度進(jìn)行檢測的。

　　熱電偶

　　熱電偶傳感器(圖1)是目前接觸式測溫中應(yīng)用最廣的熱電式傳感器，具有結(jié)構(gòu)簡單，制作方便，測溫范圍寬等特點(diǎn)。

　　圖1 熱電偶

　　熱電偶測溫的基本原理是兩種不同材質(zhì)導(dǎo)體組成閉合回路,當(dāng)兩端存在不同溫度時(shí),回路中就會有電流通過，此時(shí)兩端之間就存在熱電勢，這就是所謂的塞貝克效應(yīng)。熱電偶直接用作測量介質(zhì)溫度的一端叫做工作端(也稱為測量端)，另一端叫做冷端(也稱為補(bǔ)償端);冷端與儀表連接，顯示熱電偶所產(chǎn)生的熱電勢(圖2)。

　　圖2 熱電偶原理

根據(jù)材質(zhì)不同，熱電偶分不同的型號，目前按IEC國際標(biāo)準(zhǔn)，主要有S、B、E、K、R、J、T七種標(biāo)準(zhǔn)。由于熱電偶產(chǎn)生的電勢較小，且非線性，通常使用熱電偶測溫度時(shí)需要進(jìn)行放大和線性化。熱電偶輸出的電熱是兩結(jié)點(diǎn)溫度差的函數(shù)，通常將熱電偶一端作為被測溫度端，T0作為固定冷端(參考溫度端)，通常要求T0保持0度。但實(shí)際使用很難滿足，所以產(chǎn)生了熱電偶冷端補(bǔ)償?shù)膯栴}，冷端補(bǔ)償可采用補(bǔ)償導(dǎo)線或補(bǔ)償電橋等多種方法。

　　NI公司的SCC和SCXI系列調(diào)理產(chǎn)品均有針對熱電偶調(diào)理的模塊。NI SCC-TC系列是可調(diào)理各類熱電偶的單通道模塊，該產(chǎn)品支持±100mV范圍內(nèi)的毫伏輸入，帶有一個2Hz的低通靜噪濾波器，增益100的儀用放大器，用于冷端溫度補(bǔ)償?shù)陌遢d熱敏電阻以及實(shí)現(xiàn)M系列DAQ設(shè)備最高掃描速率的緩沖輸出。SCC-TC系列模塊的輸入電路還包含高阻抗偏壓電阻器，可用于熱電偶開路的檢測以及浮動熱電偶和接地參考熱電偶的處理。同樣作為熱電偶調(diào)理的NI SCXI-1102和SCXI-1112每路輸入通道也包括了一個儀器放大器和一個2Hz的低通濾波器。采集卡可以用高達(dá)333 kS/s(每通道3us)的速度掃描它們的模擬輸入通道，支持采集的信號范圍包括電壓以及0到20mA或4到20mA的電流。SCXI每個模塊的所有通道都可以被NI數(shù)據(jù)采集卡的某一路通道采集，并支持另加模塊以增加通道數(shù)。

　　NI也提供帶有專門針對某類應(yīng)用調(diào)理的數(shù)據(jù)采集卡，即C系列產(chǎn)品。NI 9211A專門針對各類型的熱電偶測量設(shè)計(jì)，24位分辨率保證了高精度，內(nèi)置傳感器則實(shí)現(xiàn)了冷端溫度補(bǔ)償。該模塊還具有250 Vrms通道-地面接地隔離，實(shí)現(xiàn)了安全、抗干擾和高共模電壓范圍。NI 9211A可加上一個USB 9162構(gòu)成USB-9211A單獨(dú)使用，也可以插在cDAQ-9172的8槽USB底板上作為cDAQ系統(tǒng)中的一個模塊使用。

　　cDAQ模塊雖然集采集調(diào)理為一體，但是通道數(shù)較少，NI 9211A可以同時(shí)采集4路熱電偶，單通道采樣率為12S/s。如果需要采集多通道或高速的熱電偶信號，可選擇M系列數(shù)據(jù)采集卡加上SCC或SCXI調(diào)理模塊。

　　熱電阻(RTD)

　　熱電阻是中低溫采集時(shí)常用的一種溫度傳感器，它的主要特點(diǎn)是測量精度高，性能穩(wěn)定，靈敏度高。熱電阻是基于金屬導(dǎo)體或半導(dǎo)體的電阻值隨溫度的增加而增加這一特性來進(jìn)行溫度測量的，其大都由純金屬材料制成，目前使用最多的是鉑。熱電阻需要電源激勵，且不能夠瞬時(shí)測量溫度的變化。工業(yè)用熱電阻一般采用Pt100，Pt1000，Cu50，Cu100等多種型號。

　　熱電阻的引線對測量結(jié)果會有較大的影響，目前熱電阻的引線主要有三種方式：二線制，三線制，四線制。二線制是在熱電阻的兩端各連一根導(dǎo)線來引出電阻信號，這種引線方法很簡單，但是測量精度不高。在熱電阻一端連接一根引線，另一端連接兩根引線的方式稱為三線制，這種方式通常與電橋配套使用。因?yàn)闊犭娮枳鳛殡姌蛏弦粋€橋臂的電阻，其連接導(dǎo)線也是橋臂的一部分，而這部分電阻是未知且隨環(huán)境溫度變化的，會造成測量誤差。采用三線制，將導(dǎo)線一根接到電橋的電源端，其余兩根分別接到熱電阻所在的橋臂及相鄰橋臂上，這樣較好地消除了導(dǎo)線電阻帶來的測量誤差。熱電阻兩端各連接兩根導(dǎo)線的方式稱為四線制，其中兩根為熱電阻提供激勵電流，把電阻轉(zhuǎn)換成電壓信號，再通過另兩根輸出電壓供采集，這種引線方式可完全消除引線電阻的影響，主要用于高精度的溫度檢測，但成本也最高。

　　NI SCC-RTD01是針對熱電偶調(diào)理的雙通道模塊，可連接2、3或4線鉑電阻RTD(圖3)。NI SCC-RTD01的每一通道都帶有一個增益為25的放大器和一個30Hz低通濾波器，每一模塊上還提供用于1或2個RTD的1mA激勵源。NI SCXI-1102模塊與NI SCXI-1581電流激勵模塊一起使用，可以提供32通道的高精度RTD或熱敏電阻調(diào)理。1102帶有一個2 Hz低通濾波器，1581則提供穩(wěn)定的100μA電流源，從而確保測量精度。由于SCXI采用模塊化設(shè)計(jì)，在應(yīng)用需求改變時(shí)可以方便地?cái)U(kuò)展數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

　　圖3 SCC-RTD01對4線制RTD的調(diào)理

　　NI 9217是具有4通道、24位分辨率的模擬輸入模塊，專門用作100 Ω 的RTD測量。NI 9217可配置兩種不同的采樣率模式，高采樣率模式下采樣率可達(dá)400 S/s(每通道100 S/s);高分辨率模式下，采樣率為5 S/s(每通道1.25 S/s)，并配有50/60Hz內(nèi)置噪聲抑制功能。NI 9217與3線和4線制RTD測量兼容，能自動探測與通道連接的RTD類型，并將每條通道配置成恰當(dāng)?shù)哪Ｊ剑撃K提供每通道1mA的電流激勵，在整個操作溫度范圍內(nèi)的精度誤差小于1 °C。9217還包含NI ST校準(zhǔn)并具有通道-地面接地雙重隔離屏障，實(shí)現(xiàn)了安全性、抗擾性和高共模電壓范圍。

　　熱敏電阻

　　熱敏電阻是對溫度敏感的半導(dǎo)體(圖4)，與RTD相似，其阻抗隨溫度變化而變化。熱敏電阻由玻璃或環(huán)氧珠封裝的金屬氧化物半導(dǎo)體材料制造而成。而且，熱敏電阻的典型標(biāo)稱阻抗值要比RTD高得多，阻抗值從2000Ω到10,000Ω，故可用于較低電流的測量。熱敏電阻具有較高的靈敏度(約200 Ω/°C)，這使得它對于溫度的變化非常靈敏，具有極高的響應(yīng)速率，但它的使用范圍最高為300至500 °C。同樣，熱敏電阻也需要激勵，接線方式也有二三四線制之分，但是由于熱敏電阻的標(biāo)稱阻抗非常高，所以連線阻抗不會影響其測量值的精度，因此，二線制測量精度對于熱敏電阻已經(jīng)足夠，所以這種接線方式在熱敏電阻中最為常用。

　　圖4 熱敏電阻

　　NI SCXI-1102模塊與NI SCXI-1581電流激勵模塊一起使用，也可以提供32通道的熱敏電阻調(diào)理。

　　對于cDAQ模塊可選用AI采集的NI 9215配合提供電流激勵的NI 9265一起使用。NI 9215具有4路16位精度的同步電壓采集通道，能實(shí)現(xiàn)靈活而低成本的信號連接。該模塊還具有250Vrms通道-地面接地隔離，實(shí)現(xiàn)了安全、抗干擾和高共模電壓范圍。NI 9265是在高速情況下，連接并控制受電流驅(qū)動的工業(yè)激勵器的理想之選。該模塊具有內(nèi)置式開環(huán)檢測。當(dāng)檢測到開環(huán)時(shí)，該模塊會在軟件中產(chǎn)生中斷并產(chǎn)生0mA的上電輸出，以確保安全，避免在系統(tǒng)上電時(shí)驅(qū)動激勵器。NI 9265需要9 V到36 V的外部電源。該模塊包括通道-地面接地雙重隔離屏障，具有良好的安全性和抗干擾性。

　　綜上所述，熱電偶價(jià)格便宜，而且有很快的響應(yīng)時(shí)間，但是它精度不高而且最不穩(wěn)定，最不靈敏。熱電偶僅僅是讀取頭和線之間的溫度差異，而RTD和熱敏電阻是讀取絕對溫度值。RTD是可靠性的最佳選擇，而且最為穩(wěn)定，精度最高。但是它的響應(yīng)時(shí)間太長而且因?yàn)樗枰粋€電流源，因此它有自熱產(chǎn)生。熱敏電阻輸出很快而且相對便宜，但是它易碎而且溫度范圍有限。它同樣需要一個電流源而且比RTD的自熱現(xiàn)象更為嚴(yán)重，同時(shí)它是非線性的(表1)。

　　溫度范圍的選擇上三者也有區(qū)別，熱敏電阻和熱電阻是測量低溫的溫度傳感器，熱敏電阻最低，在500度以下，熱電阻在-200到600℃，而熱電偶是測量中高溫的溫度傳感器，一般測量溫度在400到1600℃，在選擇時(shí)如果測量溫度在600℃就應(yīng)該選擇K型熱電偶，如果測量溫度在1200到1600℃就應(yīng)該選擇S型或者B型熱電偶。

　　表1 三種溫度傳感器的比較

　　應(yīng)變測量

　　應(yīng)變是施加于物體的作用力對物體造成形變的大小，它會隨著作用力的增加而增長，對于一種材料，應(yīng)力的增長是有限度的，超過這一限度，材料就要損壞，這個限度稱為該種材料的極限應(yīng)力。

　　應(yīng)變測量有多種方法，最常用的是采用應(yīng)變片。由于受到應(yīng)力，應(yīng)變片發(fā)生形變(長度發(fā)生改變)，從而導(dǎo)致其阻值也隨之產(chǎn)生正比變化。最常見的應(yīng)變片是金屬應(yīng)變片。

　　金屬應(yīng)變片由極細(xì)的金屬絲或薄片組成，繞成柵狀的形式使它們可以在平行的方向上最大程度地跟隨應(yīng)變發(fā)生變化(圖5)。柵格粘在被稱為載體的薄襯底上，并直接與被測試件連接。因此，被測件產(chǎn)生的應(yīng)變直接反映到應(yīng)變片上，使得應(yīng)變片電阻值產(chǎn)生線性變化。應(yīng)變片的阻值在30Ω到3000Ω，最常見的阻值標(biāo)準(zhǔn)是120Ω和350Ω。

　　圖5 應(yīng)變片

　　由于應(yīng)變片的阻值變化是微弱的，測量應(yīng)變幾乎都采用帶電壓激勵的電橋形式?；菟雇姌蛴?條電阻橋臂及作用于整個電橋的激勵電壓VEX組成(圖6)，

　　圖6 電橋

　　電橋輸出電壓V0表示為：

　　(式1)

　　從此方程看出，當(dāng)R1/R2=R4/R3時(shí)，電壓輸出V0為零。在這種條件下，稱電橋處于平衡狀態(tài)。此時(shí)任意橋臂上電阻值的變化都將使電橋電壓輸出不為零。

　　因此，如果把圖中的R4替換為應(yīng)變片，應(yīng)變片電阻值的變化將使電橋處于非平衡狀態(tài)，從而電壓輸出非零。如果應(yīng)變片的理想電阻值為RG，那么應(yīng)變產(chǎn)生的電阻變化DR可以表示為DR= RG*GF*e。設(shè)R1=R2、R3=RG，以上的電橋方程可重寫為VO/VEX對應(yīng)變的函數(shù)。注意1/(1+GF*e/2)項(xiàng)，表示1/4橋與應(yīng)變相關(guān)的輸出非線性變化。

　　理想狀態(tài)下，我們希望應(yīng)變片電阻僅在存在應(yīng)變時(shí)才產(chǎn)生變化。然而，其材料及被測試件材料還同時(shí)對溫度的變化敏感。通過在電橋的另一個橋臂上放入第2個應(yīng)變片，這樣可以使電橋的靈敏度提高一倍，并能夠進(jìn)一步抵消溫度的影響，這是因?yàn)閮蓧K應(yīng)變片受到溫度的影響是相同的，這種橋路被稱為半橋。

還可以通過將電橋4個橋臂都安裝工作應(yīng)變片來實(shí)現(xiàn)全橋配置，從而更進(jìn)一步提高電路的靈敏度，適用于高精度場合。

　　NI公司的SCC和SCXI系列調(diào)理產(chǎn)品均有針對應(yīng)變電路調(diào)理的模塊。NI SCC-SG系列包括五種雙通道應(yīng)變片輸入模塊，每一種都用于特定的應(yīng)變片配置， 120Ω，1/4橋;350Ω，1/4橋;半橋和全橋等。調(diào)理模塊還包括一個2.5V激勵源，SG24的激勵源是10V的，它們是測壓元件和壓力傳感器輸入的理想選擇。調(diào)理模塊的每個通道均配有一個儀器放大器，一個1.6kHz低通濾波器和一個用于橋路零位調(diào)整的電位計(jì)。NI還提供SCC-SG11模塊，該模塊可執(zhí)行可編程分路校準(zhǔn)。NI SCXI-1520是8通道通用應(yīng)變片輸入模塊，具有進(jìn)行簡單或高級應(yīng)變測量所需要的所有功能。用戶可借助這一模塊，從應(yīng)變傳感器、力傳感器、扭矩傳感器和壓力傳感器上讀取信號。1520包含在各類環(huán)境中均可自動校準(zhǔn)的板載參考電壓，它的每路通道均配有可編程放大器，4階可編程Butterworth濾波器以及獨(dú)立的0V到10V的可編程激勵源。此外，SCXI-1520系統(tǒng)在模塊內(nèi)部提供了組成半橋電路的電阻網(wǎng)絡(luò)，并在SCXI-1314接線盒上提供了一個350Ω的插座式電阻用于組成1/4橋，120Ω的1/4橋電阻也隨附于接線盒。

　　cDAQ模塊中，NI 9237具有四路模擬輸入通道，其為應(yīng)變片、壓力傳感器、測壓元件和其他基于電橋測量的傳感器而設(shè)計(jì)。9237由總線供電，可以為傳感器提供高達(dá)10 V的內(nèi)置激勵，所以電橋不需要外部激勵。9237每通道可同步達(dá)到50K的采樣率，且?guī)в型ǖ?接地隔離。

　　編碼器測量

　　編碼器是一種機(jī)電裝置，可以用來測量機(jī)械運(yùn)動或者目標(biāo)位置(圖7)。大多數(shù)編碼器都使用光學(xué)傳感器來提供脈沖序列形式的電信號，這些信號可以依次轉(zhuǎn)換成運(yùn)動、方向或位置信息。

　　圖7 旋轉(zhuǎn)編碼器

　　按照工作原理編碼器可分為增量式和絕對式兩類。增量式編碼器是將位移轉(zhuǎn)換成周期性的電信號，再把這個電信號轉(zhuǎn)變成計(jì)數(shù)脈沖，用脈沖的個數(shù)表示位移的大小。而絕對式編碼器的每一個位置對應(yīng)一個確定的數(shù)字碼，因此它的值只與測量的起始和終止位置有關(guān)，而與測量的中間過程無關(guān)。

　　在增量式中編碼器獲得物體的相對位置。旋轉(zhuǎn)編碼器可以測量物體運(yùn)動的角位移，它由一個發(fā)光二極管(LED)、一個碼盤，以及碼盤背面的一個光傳感器。這個碼盤安置在旋轉(zhuǎn)軸上，上面按一定編碼形式排列著不透光和透光的扇形區(qū)域。當(dāng)碼盤轉(zhuǎn)動時(shí)，不透光扇區(qū)能夠遮擋光線，而透光扇區(qū)則允許光線透過。這樣就產(chǎn)生了方波脈沖，可以編譯成相應(yīng)的位置或運(yùn)動信息。編碼器每轉(zhuǎn)通常分為100到6000個扇區(qū)，100個扇區(qū)的編碼器可以提供3.6度的精度，而6000個扇區(qū)的編碼器則可以提供0.06度的精度。

　　僅有一路脈沖輸出的編碼器不能確定旋轉(zhuǎn)的角度，如果使用兩路脈沖，其間的相位差為90度，那么通過該正交編碼器的兩路輸出通道就可以確定位置和旋轉(zhuǎn)的方向兩個信息。例如，如果通道A相位超前，碼盤就以順時(shí)針旋轉(zhuǎn)。如果通道B相位超前，那么碼盤就是以逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)(圖8)。因此，通過監(jiān)控脈沖的數(shù)目和信號A、B之間的相對相位信息，就可以同時(shí)獲得旋轉(zhuǎn)的位置和方向信息。除此之外，有些正交編碼器還包含被稱為零信號或者參考信號的第三個輸出通道Z相。這個通道每旋轉(zhuǎn)一圈輸出一個單脈沖，可以通過它來精確計(jì)算某個參考位置，這種編碼器被稱為三相編碼器。

　　圖8 編碼器原理

　　線性編碼器與旋轉(zhuǎn)編碼器的工作原理類似。它采用了一條固定的不透光帶取代了旋轉(zhuǎn)碼盤，在不透光帶表面上有一些透光縫隙，而LED探測器組件則被附在運(yùn)動體上，這樣可以測量物體的線位移。

　　絕對式編碼器能夠獲得目標(biāo)的絕對位置。絕對式編碼器的不同之處在于編碼器的碼盤上，采用了多組分區(qū)形成同心碼道，如同靶環(huán)一樣。同心碼道從編碼器碼盤的中心出發(fā)，向外擴(kuò)展直到碼盤外部，每一層碼道都比其內(nèi)層多了一倍的分區(qū)。第一層，即最內(nèi)層的碼道，只有一個透光扇區(qū)和一個不透光扇區(qū);位于中心的第二層就具有兩個透光扇區(qū)和兩個不透光扇區(qū)。如果編碼器有10層碼道，那么最外圍的碼道就有512個扇區(qū)。因?yàn)榻^對式編碼器的每層碼道都比它里面一層的碼道多了一倍數(shù)目的扇區(qū)，所以扇區(qū)的數(shù)目就形成了二進(jìn)制計(jì)數(shù)系統(tǒng)。在這種編碼器中，碼盤上的每個碼道都對應(yīng)一個光源和一個接收器。絕對式編碼器的優(yōu)勢在于可以降低編碼器的轉(zhuǎn)速，可以使編碼器的碼盤在整個機(jī)器運(yùn)動周期中只轉(zhuǎn)一圈。如果機(jī)器運(yùn)動距離為10英寸，而編碼器具有16位精度，那么機(jī)器位置的精度就是10/65,536，即0.00015英寸。如果機(jī)器的行程更長譬如6英尺，那么粗旋轉(zhuǎn)編碼器可以保證跟蹤每一英尺距離;第二級稱為細(xì)旋轉(zhuǎn)編碼器可以跟蹤1英尺以內(nèi)的距離。

　　編碼器是對信號邊沿計(jì)數(shù)，由邊沿?cái)?shù)值轉(zhuǎn)換為位置信息的過程取決于所采用的編碼類型。通常分為三種基本的編碼類型：X1、X2和X4。X1編碼方式時(shí)，當(dāng)通道A引導(dǎo)通道B時(shí)，增量發(fā)生在通道A的上升沿。當(dāng)通道B引導(dǎo)通道A時(shí)，減量發(fā)生在通道A的下降沿(圖9)：

　　圖9 X1編碼

　　X2編碼方式時(shí)，計(jì)數(shù)器A通道的每個邊沿計(jì)數(shù)是增加還是減少，取決于由哪個通道引導(dǎo)哪個通道。計(jì)數(shù)器的數(shù)值每個周期都會增加2個或減少2個(圖10)：

　　圖10 X2編碼

　　X4編碼方式時(shí)，計(jì)數(shù)器同樣也在通道A和B的每個沿上發(fā)生增加或者減少。計(jì)數(shù)器的數(shù)目是增加還是減少，取決于哪個通道引導(dǎo)哪個通道。計(jì)數(shù)器的數(shù)目每個周期都會增加4個或減少4個(圖11)：

　　圖11 X4編碼

　　對于角度編碼器，有

　　對于位移編碼器，有

　　NI M系列數(shù)據(jù)采集卡所帶有的Counter可以滿足ABZ三相編碼器的測量，這三路脈沖信號需要直接連接到Counter的Source，Gate和Aux上，經(jīng)過設(shè)置編碼器類型，編碼方式等信息，可以直接換算成需要的旋轉(zhuǎn)角度或位移值。

　　聲音和振動測量

　　振動是有質(zhì)量的物體發(fā)生在平衡點(diǎn)附近的機(jī)械振蕩運(yùn)動，振動會產(chǎn)生壓力波，壓力波在空氣中傳播便產(chǎn)生了聲音。聲音與振動在本質(zhì)上是通過不同的介質(zhì)傳播的。但在理論層面上，兩者之間是相互聯(lián)系的，所以測量聲音與振動在從本質(zhì)來看也是相似的。

　　某些電介質(zhì)在沿一定方向上受到外力的作用而變形時(shí)，其內(nèi)部會產(chǎn)生極化現(xiàn)象，同時(shí)在它的兩個相對表面上出現(xiàn)正負(fù)相反的電荷。當(dāng)外力去掉后，它又會恢復(fù)到不帶電的狀態(tài)，這種現(xiàn)象稱為正壓電效應(yīng)。當(dāng)作用力的方向改變時(shí)，電荷的極性也隨之改變。相反，當(dāng)在電介質(zhì)的極化方向上施加電場，這些電介質(zhì)也會發(fā)生變形，電場去掉后，電介質(zhì)的變形隨之消失，這種現(xiàn)象稱為逆壓電效應(yīng)，或稱為電致伸縮現(xiàn)象。依據(jù)電介質(zhì)壓電效應(yīng)研制的一類傳感器稱為為壓電傳感器。許多測量加速度和壓力的傳感器都是基于壓電原理的(圖12)。

　　IEPE是壓電式傳感器的一個特殊類別，設(shè)計(jì)中它在壓電晶體后安裝了一個放大器(圖13)。由于壓電式傳感器產(chǎn)生的電壓很小，所產(chǎn)生的電子信號容易受到噪音影響，所以必須使用靈敏電子器件來放大和制約信號，降低輸出阻抗。因此IEPE將靈敏電子器件安裝得離傳感器越近越好，以減少噪聲干擾，確保了組裝的便捷。常規(guī)IEPE傳感器使用外部直流電源來提供激勵，根據(jù)壓電晶體接收到的不同電量來調(diào)整輸出電壓。IEPE在傳感器激勵(電流)和信號(電壓)輸出時(shí)只用一到兩根線。

　　聲音與振動的測試容易受到噪音的影響，需要對信號進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)理。傳感器獲取的信號包括直流和交流兩個部分，直流部分可將交流部分偏移零點(diǎn)。交流耦合可以通過連接信號的電容器，消除系統(tǒng)中的直流偏移。交流耦合傳感器系統(tǒng)可消除由老化和溫度效應(yīng)引起的傳感器長期直流漂移，從而顯著地提高了分辨率，擴(kuò)大了系統(tǒng)的可用動態(tài)范圍。在精密測量過程中，系統(tǒng)的采樣率必須至少是被采集信號頻率的兩倍。為了確保頻率范圍采樣正確，在ADC前安裝低通濾波器，這樣就能夠確保您減小高頻率噪音的影響，也可以保證高于采樣率頻率二分之一的混疊信號成分不會影響到測量結(jié)果

　　圖13 IEPE傳感器

　　由于聲音和振動這類信號屬于動態(tài)信號，其幅值頻率甚至方向都隨時(shí)間不斷變化，僅使用普通數(shù)采卡很難對其較好地采集，需要再附加上調(diào)理模塊。NI SCC-ACC01是一款單通道信號調(diào)理模塊，專用于IEPE傳感器或麥克風(fēng)。該模塊包括一個交流差動放大器，一個3階Besse低通濾波器(19 kHz)以及用于傳感器激勵的4mA恒定電流源。NI SCXI-1530/1531同樣也是用于IEPE傳感器和麥克風(fēng)的信號調(diào)理模塊。其每一輸入通道均包括可編程交流儀器放大器，4階Bessel低通濾波器和激勵電流源。NI SCXI-1530/1531具有同步采樣能力，可以保持通道間的相位關(guān)系，該模塊可以將信號在DAQ設(shè)備的一路通道中復(fù)用，也可另加模塊以增加通道數(shù)，通過隨機(jī)掃描，可以只選擇想要采集數(shù)據(jù)的通道，且具有可提高掃描速率的并行操作模式以及可簡化信號連接的BNC連接器。

　　NI同樣也提供專門的動態(tài)信號采集卡(DSA設(shè)備)對聲音和振動信號進(jìn)行采集。在cDAQ模塊中，NI 9233/9234用于動態(tài)信號的采集，其作為4通道C系列動態(tài)信號采集模塊，能針對集成電路壓電式(IEPE)與非集成電路壓電式(IEPE)傳感器，進(jìn)行高精度音頻測量。其中NI 9234具有102dB動態(tài)范圍，能對加速度傳感器和麥克風(fēng)進(jìn)行軟件可選式交流/直流耦合與集成電路壓電式(IEPE)信號調(diào)理。4條輸入通道借助自動調(diào)節(jié)采樣率的內(nèi)置抗混疊濾波器，同時(shí)以每通道高達(dá)51.2kHz的速率對信號進(jìn)行數(shù)字化(圖14)

　　圖14 9234對IEPE傳感器的調(diào)理

　　此外，NI 445x和446x的DSA采集卡也是專門針對動態(tài)信號設(shè)計(jì)的。