數據采集系統（daq或das）是一種從傳感器獲取數據的電子儀器，通常可擴展為儀器儀表和控制系統。這種儀器通常具有多通道、中到高分辨率（12~20位），而且采樣率相對較低（比示波器慢）。本文是關于該儀器工作原理的基礎教程，著重介紹daq原理和傳感器。

數據采集系統（daq或das）是一種從傳感器獲取數據的電子儀器，通常可擴展為儀器儀表和控制系統。這種儀器通常具有多通道、中到高分辨率（12~20位），而且采樣率相對較低（比示波器慢）。本文是關于該儀器工作原理的基礎教程，著重介紹daq原理和傳感器。

我們以一個火箭測試系統為例，驗證在試驗臺上靜態發射的小型火箭的性能。測試點火必須由控制器排序，還需要das來獲取傳感器數據。火箭測試控制系統必須知道火箭內部究竟發生了什么，這需要一個儀器子系統來提供。傳感器將感興趣的數據（例如容器壓力或加速度）轉換為電信號。數據采集系統將這些電信號轉換成數字形式，以便與控制計算機的輸入格式兼容。

數據采集系統

被測量數據通常由das轉換為控制計算機可以接受的數字形式。一個典型的das如圖1所示。

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圖1：典型的數據采集系統。

傳感器波形進入抗混疊濾波器，濾除高頻分量。有時防止混疊是必要的，因為混疊會產生雜散波形。混疊的一個常見例子是電影或電視中出現輪輻向后旋轉的畫面。電影或電視信號的連續圖像幀其實不是連續的，有時候會產生差異頻率（或拍頻）而導致這種雜亂圖像出現。如果傳感器波形沒有“減慢”到足以消除導致混疊的快速變化，das就會產生雜散波形。對連續數值進行采樣并輸出離散數值序列的任何過程都可能引起混疊。為避免混疊情況的發生，達到或超過采樣率一半的所有頻率都將被濾波器濾除。

mux是模擬多路復用器，是一種類似電視頻道開關的電子開關。微型計算機（μc）可以控制mux切換到特定的傳感器輸入通道，依次選擇每個通道進行測量。pga是一種可編程增益放大器。不同的傳感器需要不同的波形放大量，pga增益是由μc控制的。a/d轉換器（或adc）將經過濾波和放大的模擬波形轉換為數字形式，以便輸入μc。

adc可以區分的模擬輸入電壓離散值的數目就是其分辨率，以位為單位。對于n位分辨率，其輸出結果的數目是2n。12位adc可以區分212（即4096）個不同的模擬輸入值。如果其滿量程范圍為4.096v，則這4096個輸入電平的間隔正好是1mv。因此，adc的12位數字輸出具有1mv/次的分辨率，或每個最低有效位（lsb）為1mv，可以表示為1mv/lsb。

計算機進一步處理來自adc的采樣感應信號，但要以數字形式處理。adc計數是未經處理的原始數據，adc之前的傳感器和模擬das電路因為不準確性會引起偏移和增益（斜率）誤差，因此必須對這些數據進行校正。必要的話，得到的結果還要針對傳感器非線性進行校正。

用于火箭飛行或測試的傳感器通常包括：

溫度傳感器：熱電偶、rtd、熱敏電阻和固態；

壓力傳感器：硅或藍寶石；

流量傳感器：渦輪、超聲波多普勒；

慣性傳感器：速率和垂直陀螺儀、固態加速和旋轉傳感器、傾斜開關；

接近傳感器：微動開關；

電傳感器：電壓和電流檢測；

低溫傳感器：低溫熱敏電阻。

大多數傳感器按測量值輸出一個電壓，還有一個轉換系數（增益），例如，壓力傳感器的v/kn，以及溫度傳感器的v/oc。電壓發生在兩個電路節點上。如果一個節點是系統的0v參考節點或接地，則傳感器輸出是相對于地的電壓。在節點上相對于地測量的電壓是單端電壓。

有些傳感器有兩個端子，它們的輸出電壓出現在兩個端子上，都沒有接地。這是差分電壓，因為它們是每個端子相對于地測量的電壓差，有時也被稱為“浮地”。

當傳感器作為一種稱為電橋的常見儀器電路的一部分時，其輸出一般是差分輸出。“傳感器電橋電路”示意圖（圖2）顯示了其在壓力傳感器電橋中的應用。電橋輸出電壓是ain+和ain-這兩個節點相對于地測量的電壓差。換句話說，將電壓表負輸入端連接到接地端子可測量ain-的電壓。

基于電橋的傳感器類型包括rtd（溫度）、壓力和應力傳感器。這些傳感器的電阻隨測量數而變化。在圖3中，壓力傳感器配置為由兩個具有相反極性的應變計驅動。

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圖2：“傳感器電橋電路”示意圖。

電橋電路包含兩個由電橋電源驅動的分壓器，每個雙電阻分壓器都是半橋，電橋輸出靈敏度與電橋激勵電壓成正比。對于半橋傳感器，另一個半橋就是一個二等分分壓器，由精確匹配的等值電阻組成。

兩個應變片連接到橋臂的相對兩側，因此當它彎曲時，頂部應變片的電阻增加（+ε），而底部應變片減小（-ε）。沒有彎曲時，兩個傳感器理論上具有相同的電阻，并且ain+處的電壓是電橋電壓vbr的一半。對于零電平處零差分輸入電壓，另一個由穩定的等值電阻（r）組成的分壓器在ain-端將vbr分為一半。ain+的輸出電壓在電橋電壓一半左右發生變化，從而產生雙極（+/-）差分輸出。

2線、3線和4線電橋

對于電橋驅動線路中可忽略不計的電壓降，在儀表系統電路板（如vbr/2）上可以復制出精確的半橋電壓，并通過電路板上的配置跳線為ain-輸入。該半橋電壓可通過專用通道測量，并作為橋式傳感器的偏移。利用板載半橋，只需要一條傳感器輸出線（ain+）和兩條電橋電源線接到每個傳感器電橋。

對于全橋傳感器，ain+和ain-端都從傳感器接出，并在采集板上測量電橋電壓。對于電橋接線中可忽略不計的電壓降，這些布線方案是令人滿意的。

對于電橋電源線中不可忽略的電壓降，需要進行4線檢測。四線（或kelvin檢測）是最準確的，它使用單獨的電橋驅動和檢測線對。

rtd溫度傳感器

rtd（電阻溫度器件）利用鉑這類金屬的可重復溫度系數（tc）原理。rtd在一定程度上呈非線性，需要校正。標準rtd曲線將電阻表示為溫度的函數，例如鉑rtd的pt100（din 43760）曲線。在0oc和100oc的電阻tc可表示為：

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對于pt100曲線，α=3.850x10-3/oc，但α在整個溫度范圍內不是恒定不變的。一般的rtd方程是：

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其中r0是0oc時的電阻（100ω或1kω），求解t：

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從-100oc至+800oc（這是封裝好的rtd的工作范圍），100ω的rtd電阻變化約6.48倍，從60.25ω到390.26ω，tc為正。

典型的1kω薄膜rtd有sensing devices公司（sdi）gr2141和minco s251pf12（或熱敏帶s17624pf440b）。sdi pt100/15p的r0為100ω，s251pf12為1kω。

與壓力傳感器不同，rtd電橋僅使用一個傳感器，如圖3所示，適用于單端電橋電路。agnd是模擬地，是測量系統中與系統地連接的獨立接地端。

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圖3：rtd電橋僅使用一個傳感器，適用于單端電橋電路。

熱電偶

當兩種不同的金屬連接時就形成熱電偶，比如點焊。兩種金屬之間會產生一個小電壓，這個電壓隨著結溫的變化而變化。k型（鉻鎳鋁合金）或j型（鐵-康銅）熱電偶是最常見的，可用于測量rtd和熱敏電阻無法測量的高溫度。

k型熱電偶不像j型那樣靈敏，但具有更高的溫度范圍。與熱電偶線的每一個連接都構成另一個熱電偶傳感器。若使用銅線，銅-鉻和銅-鋁連接就形成兩個額外的熱電偶。這些不期望的熱電偶稱為參比端或冷端熱電偶，必須通過某種補償措施來消除它們的影響。

通過將熱電偶線接到儀表板連接器，參比端將靠近熱電偶處理電路，而且溫度大致相同。冷端補償電路可以測量這一溫度并補償熱電偶的電路輸出。

可以使用單獨的溫度傳感器來測量冷端附近的環境溫度，并在計算機中完成補償。

可對熱電偶電壓進行放大和冷端補償的熱電偶集成電路有adi公司的k型（鉻鎳鋁合金）熱電偶ad595，以及j型（鐵-康銅）熱電偶ad594。它們的輸出分別為：

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為了將高溫測量范圍擴展到1250oc（k型）和750oc（j型），需要將輸出電壓切分（比如除以3），以適應adc的典型4.1v fs范圍。

環境溫度

adi公司的ad22100 ic是一款低成本、三引腳硅基溫度傳感器，可以方便地檢測環境溫度。它的模擬電壓輸出為：

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其中vcc是ad22100的電源電壓，它的工作溫度范圍為-50oc至+150oc，滿量程誤差為±2％。這種傳感器的輸出隨vcc成比例變化。它由電橋電壓(vbr)供電，可以使用電橋補償來跟蹤電橋電壓的漂移。

ad22100可以進行兩點校準，因為它是一種線性變換器（誤差接近其±1％非線性規范）。

對于精度稍低的校準，將（電絕緣）傳感器浸入冰水中，一點校準至0oc，或用另一個溫度計或（已校準的）溫度通道來測量傳感器的溫度。如果測量通道已經過電壓校準并使用上述公式，則無需進行溫度測量，盡管其精度約為±2％。

ad22100在4v至6v vcc電壓下工作，可由4.1v電橋電源供電。來自adc的原始數據值是：

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環境壓力

要測量環境壓力，一款值得推薦的傳感器是motorola mpx2202ap。這是一款低成本、絕對檢測、200kpa（29psi）全量程的硅基壓力傳感器。它可以用作氣壓計，因為它檢測絕對壓力，大氣壓力可以轉換為海拔高度。它還具有足夠大的范圍來檢測一般飛行器的動態壓力。

mpx2202ap是一個完整的補償電橋電路，其輸出與電源電壓成比例。它可以一點或兩點校準。對于4.1v電橋電源，在滿量程時，其輸出約為16.4mv，標稱比例因子為82μv/kpa。零標度（zs）處于零壓力，偏移電壓誤差指定為±1mv。

要計算所需的增益，可將adc滿量程輸入電壓（vbr=4.1v）除以傳感器滿量程輸出并向下舍入，得到增益為x100。這為捕獲突發故障數據提供了足夠的處理能力。

同類傳感器還有sensym scx30anc和trw novasensor npc-410-30-a。一些電橋傳感器，例如motorola mpx4250（250kpa fs），具有不同于vbr的電橋電壓。必須跟蹤它們的電橋電壓（通過另一個通道測量）來補償電橋靈敏度，以達到最大精度。

加速度傳感器

適用于大多數探空火箭和其它低g應用的加速度傳感器有adi adxl105。它價格低廉，是一種硅基器件，測量范圍為±5g。它可以利用重力進行兩點校準。在最大加速方向上，輸入約為1g。反轉（旋轉180o），其輸入為-1g。地球表面的標稱值g0為9.806m/s2。

電源電壓和電流

地面電源或板載電池通常可以通過分壓器檢測。差分電壓測量通道的優勢在于它們能夠測量“浮地”電壓，例如與電池正極串聯的電流檢測電阻兩端的電壓。

流量輸入

典型的渦輪流量傳感器一般設計為磁片流量傳感器。渦輪葉片中的磁體旋轉經過傳感器主體中的線圈，并在其中引起電壓脈沖。在感興趣的流量范圍內，典型的脈沖幅度至少為50mv。最大流量脈沖率通常為100hz至幾khz。

這些脈沖通常由模擬電路處理，并轉換為計算機數字脈沖，然后輸入到由計算機控制的計數器。計數在準確的時間間隔內累積，通常由計算機的時基控制設定。也就是說，另一個計數器/計時器定期中斷計算機。在這些中斷之間建立準確的時間間隔，用作頻率計數器的時基。頻率為：

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其中n是時間間隔δt上的計數次數。

低溫熱敏電阻

低溫熱敏電阻是一種高度非線性的溫度傳感器，可用于檢測低溫流體的存在。可以將其放置在容器的空處，用于檢測空處何時被填充。它們可以放置在分壓器的高壓側，直接驅動數字位輸入。

一個典型的低溫熱敏電阻是thermometrics公司的a105ctp100de104r熱探針。它在液氮沸點(-195.82oc)下具有100kω的電阻。lox（液態氧）沸點為-183oc，它在-185oc時的電阻為54322ω，在-180oc時為37081ω。但在-100oc時，只有146ω。可以將熱探針設置為由+5v電壓驅動的分壓器的上部電阻，在1kω左右的較低電阻下，分壓器輸出可直接驅動ttl電平數字計算機輸入。

結語

在本文第二部分，我們將討論das系統的采集和處理策略及校準。

（原文刊登于aspencore旗下edn英文網站，參考鏈接：。）

本文為《電子技術設計》2019年1月刊雜志文章。

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