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    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(duì)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(zhǎng)而且因?yàn)樗枰粋(gè)電流源,因此它有自熱產(chǎn)生。熱敏電阻輸出很快而且相對(duì)便宜,但是它易碎而且溫度范圍有限。它同樣需要一個(gè)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(cè)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(cè)量中高溫的溫度傳感器,一般測(cè)量溫度在400到1600℃,在選擇時(shí)如果測(cè)量溫度在600℃就應(yīng)該選擇K型熱電偶,如果測(cè)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(cè)量
    應(yīng)變是施加于物體的作用力對(duì)物體造成形變的大小,它會(huì)隨著作用力的增加而增長(zhǎng),對(duì)于一種材料,應(yīng)力的增長(zhǎng)是有限度的,超過(guò)這一限度,材料就要損壞,這個(gè)限度稱(chēng)為該種材料的極限應(yīng)力。
應(yīng)變測(cè)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(zhǎng)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(jiàn)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(chēng)為載體的薄襯底上,并直接與被測(cè)試件連接。因此,被測(cè)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(jiàn)的阻值標(biāo)準(zhǔn)是120Ω和350Ω。

    由于應(yīng)變片的阻值變化是微弱的,測(cè)量應(yīng)變幾乎都采用帶電壓激勵(lì)的電橋形式。惠斯通電橋由4條電阻橋臂及作用于整個(gè)電橋的激勵(lì)電壓VEX組成(圖6),

電橋輸出電壓V0表示為:

    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(chēng)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(xiě)為VO/VEX對(duì)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(cè)試件材料還同時(shí)對(duì)溫度的變化敏感。通過(guò)在電橋的另一個(gè)橋臂上放入第2個(gè)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(chēng)為半橋。
    還可以通過(guò)將電橋4個(gè)橋臂都安裝工作應(yīng)變片來(lái)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(chǎng)合。
    NI公司的SCC和SCXI系列調(diào)理產(chǎn)品均有針對(duì)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(gè)2.5V激勵(lì)源,SG24的激勵(lì)源是10V的,它們是測(cè)壓元件和壓力傳感器輸入的理想選擇。調(diào)理模塊的每個(gè)通道均配有一個(gè)儀器放大器,一個(gè)1.6kHz低通濾波器和一個(gè)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(jiǎn)單或高級(jí)應(yīng)變測(cè)量所需要的所有功能。用戶(hù)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(hào)。1520包含在各類(lèi)環(huán)境中均可自動(dòng)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(lì)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(gè)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(cè)壓元件和其他基于電橋測(cè)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(lì),所以電橋不需要外部激勵(lì)。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(cè)量
    編碼器是一種機(jī)電裝置,可以用來(lái)測(cè)量機(jī)械運(yùn)動(dòng)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(lái)提供脈沖序列形式的電信號(hào),這些信號(hào)可以依次轉(zhuǎn)換成運(yùn)動(dòng)、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(duì)式兩類(lèi)。增量式編碼器是將位移轉(zhuǎn)換成周期性的電信號(hào),再把這個(gè)電信號(hào)轉(zhuǎn)變成計(jì)數(shù)脈沖,用脈沖的個(gè)數(shù)表示位移的大小。而絕對(duì)式編碼器的每一個(gè)位置對(duì)應(yīng)一個(gè)確定的數(shù)字碼,因此它的值只與測(cè)量的起始和終止位置有關(guān),而與測(cè)量的中間過(guò)程無(wú)關(guān)。
    在增量式中編碼器獲得物體的相對(duì)位置。旋轉(zhuǎn)編碼器可以測(cè)量物體運(yùn)動(dòng)的角位移,它由一個(gè)發(fā)光二極管(LED)、一個(gè)碼盤(pán),以及碼盤(pán)背面的一個(gè)光傳感器。這個(gè)碼盤(pán)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(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)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(guò)。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(dòng)信息。編碼器每轉(zhuǎn)通常分為100到6000個(gè)扇區(qū),100個(gè)扇區(qū)的編碼器可以提供3.6度的精度,而6000個(gè)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(guò)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(gè)信息。例如,如果通道A相位超前,碼盤(pán)就以順時(shí)針旋轉(zhuǎn)。如果通道B相位超前,那么碼盤(pán)就是以逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)(圖8)。因此,通過(guò)監(jiān)控脈沖的數(shù)目和信號(hào)A、B之間的相對(duì)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(chēng)為零信號(hào)或者參考信號(hào)的第三個(gè)輸出通道Z相。這個(gè)通道每旋轉(zhuǎn)一圈輸出一個(gè)單脈沖,可以通過(guò)它來(lái)精確計(jì)算某個(gè)參考位置,這種編碼器被稱(chēng)為三相編碼器。

    線性編碼器與旋轉(zhuǎn)編碼器的工作原理類(lèi)似。它采用了一條固定的不透光帶取代了旋轉(zhuǎn)碼盤(pán),在不透光帶表面上有一些透光縫隙,而LED探測(cè)器組件則被附在運(yùn)動(dòng)體上,這樣可以測(cè)量物體的線位移。
    絕對(duì)式編碼器能夠獲得目標(biāo)的絕對(duì)位置。絕對(duì)式編碼器的不同之處在于編碼器的碼盤(pán)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(pán)的中心出發(fā),向外擴(kuò)展直到碼盤(pán)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(gè)透光扇區(qū)和一個(gè)不透光扇區(qū);位于中心的第二層就具有兩個(gè)透光扇區(qū)和兩個(gè)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(gè)扇區(qū)。因?yàn)榻^對(duì)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(pán)上的每個(gè)碼道都對(duì)應(yīng)一個(gè)光源和一個(gè)接收器。絕對(duì)式編碼器的優(yōu)勢(shì)在于可以降低編碼器的轉(zhuǎn)速,可以使編碼器的碼盤(pán)在整個(gè)機(jī)器運(yùn)動(dòng)周期中只轉(zhuǎn)一圈。如果機(jī)器運(yùn)動(dòng)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(zhǎng)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(jí)稱(chēng)為細(xì)旋轉(zhuǎn)編碼器可以跟蹤1英尺以?xún)?nèi)的距離。
    編碼器是對(duì)信號(hào)邊沿計(jì)數(shù),由邊沿?cái)?shù)值轉(zhuǎn)換為位置信息的過(guò)程取決于所采用的編碼類(lèi)型。通常分為三種基本的編碼類(lèi)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(gè)邊沿計(jì)數(shù)是增加還是減少,取決于由哪個(gè)通道引導(dǎo)哪個(gè)通道。計(jì)數(shù)器的數(shù)值每個(gè)周期都會(huì)增加2個(gè)或減少2個(gè)(圖10):

    X4編碼方式時(shí),計(jì)數(shù)器同樣也在通道A和B的每個(gè)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(gè)通道引導(dǎo)哪個(gè)通道。計(jì)數(shù)器的數(shù)目每個(gè)周期都會(huì)增加4個(gè)或減少4個(gè)(圖11):

對(duì)于角度編碼器,有

對(duì)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(cè)量,這三路脈沖信號(hào)需要直接連接到Counter的Source,Gate和Aux上,經(jīng)過(guò)設(shè)置編碼器類(lèi)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(dòng)測(cè)量
    振動(dòng)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(dòng),振動(dòng)會(huì)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(dòng)在本質(zhì)上是通過(guò)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(cè)量聲音與振動(dòng)在從本質(zhì)來(lái)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(huì)產(chǎn)生極化現(xiàn)象,同時(shí)在它的兩個(gè)相對(duì)表面上出現(xiàn)正負(fù)相反的電荷。當(dāng)外力去掉后,它又會(huì)恢復(fù)到不帶電的狀態(tài),這種現(xiàn)象稱(chēng)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(chǎng),這些電介質(zhì)也會(huì)發(fā)生變形,電場(chǎng)去掉后,電介質(zhì)的變形隨之消失,這種現(xiàn)象稱(chēng)為逆壓電效應(yīng),或稱(chēng)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(lèi)傳感器稱(chēng)為為壓電傳感器。許多測(cè)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(gè)特殊類(lèi)別,設(shè)計(jì)中它在壓電晶體后安裝了一個(gè)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(hào)容易受到噪音影響,所以必須使用靈敏電子器件來(lái)放大和制約信號(hào),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(lái)提供激勵(lì),根據(jù)壓電晶體接收到的不同電量來(lái)調(diào)整輸出電壓。IEPE在傳感器激勵(lì)(電流)和信號(hào)(電壓)輸出時(shí)只用一到兩根線。
    聲音與振動(dòng)的測(cè)試容易受到噪音的影響,需要對(duì)信號(hào)進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)理。傳感器獲取的信號(hào)包括直流和交流兩個(gè)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(guò)連接信號(hào)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(zhǎng)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(dòng)態(tài)范圍。在精密測(cè)量過(guò)程中,系統(tǒng)的采樣率必須至少是被采集信號(hào)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(hào)成分不會(huì)影響到測(cè)量結(jié)果。

圖13 IEPE傳感器

    由于聲音和振動(dòng)這類(lèi)信號(hào)屬于動(dòng)態(tài)信號(hào),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(duì)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(hào)調(diào)理模塊,專(zhuān)用于IEPE傳感器或麥克風(fēng)。該模塊包括一個(gè)交流差動(dòng)放大器,一個(gè)3階Besse低通濾波器(19 kHz)以及用于傳感器激勵(lì)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(hào)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(lì)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(hào)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(guò)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(jiǎn)化信號(hào)連接的BNC連接器。
NI同樣也提供專(zhuān)門(mén)的動(dòng)態(tài)信號(hào)采集卡(DSA設(shè)備)對(duì)聲音和振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行采集。在cDAQ模塊中,NI 9233/9234用于動(dòng)態(tài)信號(hào)的采集,其作為4通道C系列動(dòng)態(tài)信號(hào)采集模塊,能針對(duì)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(cè)量。其中NI 9234具有102dB動(dòng)態(tài)范圍,能對(duì)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(hào)調(diào)理。4條輸入通道借助自動(dòng)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(duì)信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化(圖14)

圖14 9234對(duì)IEPE傳感器的調(diào)理
此外,NI 445x和446x的DSA采集卡也是專(zhuān)門(mén)針對(duì)動(dòng)態(tài)信號(hào)設(shè)計(jì)的。


 

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