DAS和傳感器的原理及作用特點分析

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（DAQ或DAS）是一種從傳感器獲取數(shù)據(jù)的電子儀器，通常可擴展為儀器儀表和控制系統(tǒng)。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(guān)于該儀器工作原理的基礎(chǔ)教程，著重介紹DAQ原理和傳感器。

我們以一個火箭測試系統(tǒng)為例，驗證在試驗臺上靜態(tài)發(fā)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(shù)據(jù)?；鸺郎y試控制系統(tǒng)必須知道火箭內(nèi)部究竟發(fā)生了什么，這需要一個儀器子系統(tǒng)來提供。傳感器將感興趣的數(shù)據(jù)（例如容器壓力或加速度）轉(zhuǎn)換為電信號。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)將這些電信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字形式，以便與控制計算機的輸入格式兼容。

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

被測量數(shù)據(jù)通常由DAS轉(zhuǎn)換為控制計算機可以接受的數(shù)字形式。一個典型的DAS如圖1所示。

圖1：典型的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

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(chǎn)生雜散波形?；殳B的一個常見例子是電影或電視中出現(xiàn)輪輻向后旋轉(zhuǎn)的畫面。電影或電視信號的連續(xù)圖像幀其實不是連續(xù)的，有時候會產(chǎn)生差異頻率（或拍頻）而導(dǎo)致這種雜亂圖像出現(xiàn)。如果傳感器波形沒有“減慢”到足以消除導(dǎo)致混疊的快速變化，DAS就會產(chǎn)生雜散波形。對連續(xù)數(shù)值進行采樣并輸出離散數(shù)值序列的任何過程都可能引起混疊。為避免混疊情況的發(fā)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(fù)用器，是一種類似電視頻道開關(guān)的電子開關(guān)。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(zhuǎn)換器（或ADC）將經(jīng)過濾波和放大的模擬波形轉(zhuǎn)換為數(shù)字形式，以便輸入μC。

ADC可以區(qū)分的模擬輸入電壓離散值的數(shù)目就是其分辨率，以位為單位。對于N位分辨率，其輸出結(jié)果的數(shù)目是2N。12位ADC可以區(qū)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(shù)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(yīng)信號，但要以數(shù)字形式處理。ADC計數(shù)是未經(jīng)處理的原始數(shù)據(jù)，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(shù)據(jù)進行校正。必要的話，得到的結(jié)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(tài)；

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(tài)加速和旋轉(zhuǎn)傳感器、傾斜開關(guān)；

接近傳感器：微動開關(guān)；

電傳感器：電壓和電流檢測；

低溫傳感器：低溫?zé)崦綦娮琛?/p>

大多數(shù)傳感器按測量值輸出一個電壓，還有一個轉(zhuǎn)換系數(shù)（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(fā)生在兩個電路節(jié)點上。如果一個節(jié)點是系統(tǒng)的0V參考節(jié)點或接地，則傳感器輸出是相對于地的電壓。在節(jié)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(xiàn)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?！皞鞲衅麟姌螂娐贰笔疽鈭D（圖2）顯示了其在壓力傳感器電橋中的應(yīng)用。電橋輸出電壓是AIN+和AIN-這兩個節(jié)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(yīng)力傳感器。這些傳感器的電阻隨測量數(shù)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(yīng)變計驅(qū)動。

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(qū)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(yīng)變片連接到橋臂的相對兩側(cè)，因此當它彎曲時，頂部應(yīng)變片的電阻增加（+ε），而底部應(yīng)變片減?。?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(wěn)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(fā)生變化，從而產(chǎn)生雙極（+/-）差分輸出。

2線、3線和4線電橋

對于電橋驅(qū)動線路中可忽略不計的電壓降，在儀表系統(tǒng)電路板（如Vbr/2）上可以復(fù)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(qū)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(fù)溫度系數(shù)（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(shù)，例如鉑RTD的PT100（DIN 43760）曲線。在0oC和100oC的電阻TC可表示為：

對于PT100曲線，α=3.850x10-3/oC，但α在整個溫度范圍內(nèi)不是恒定不變的。一般的RTD方程是：

其中R0是0oC時的電阻（100Ω或1kΩ），求解T：

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(tǒng)中與系統(tǒng)地連接的獨立接地端。

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(chǎn)生一個小電壓，這個電壓隨著結(jié)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(gòu)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(huán)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?shù)臒犭娕?a target="_blank">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：

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(yīng)ADC的典型4.1V fs范圍。

環(huán)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(huán)境溫度。它的模擬電壓輸出為：

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(guī)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(jīng)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(shù)據(jù)值是：

環(huán)境壓力

要測量環(huán)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(zhuǎn)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(tài)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(fā)故障數(shù)據(jù)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(shù)探空火箭和其它低g應(yīng)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(zhuǎn)（旋轉(zhuǎn)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?？梢酝ㄟ^分壓器檢測。差分電壓測量通道的優(yōu)勢在于它們能夠測量“浮地”電壓，例如與電池正極串聯(lián)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(shè)計為磁片流量傳感器。渦輪葉片中的磁體旋轉(zhuǎn)經(jīng)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(nèi)，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(zhuǎn)換為計算機數(shù)字脈沖，然后輸入到由計算機控制的計數(shù)器。計數(shù)在準確的時間間隔內(nèi)累積，通常由計算機的時基控制設(shè)定。也就是說，另一個計數(shù)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(shù)器的時基。頻率為：

其中N是時間間隔Δt上的計數(shù)次數(shù)。

低溫?zé)崦綦娮?/p>

低溫?zé)崦綦娮枋且环N高度非線性的溫度傳感器，可用于檢測低溫流體的存在?？梢詫⑵浞胖迷谌萜鞯目仗帲糜跈z測空處何時被填充。它們可以放置在分壓器的高壓側(cè)，直接驅(qū)動數(shù)字位輸入。

一個典型的低溫?zé)崦綦娮枋荰hermometrics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(tài)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(shè)置為由+5V電壓驅(qū)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(qū)動TTL電平數(shù)字計算機輸入。

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