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選擇正確的數據采集系統
2015-03-03
引言
工程師經常需要在長的時間周期內監視一些信號然后繪制圖表和分析所得到的數據。許多應用都需要監視、記錄和分析數據如產品開發的設計驗證階段環境試驗箱監視元件檢驗工作臺測試和工藝流程的錯誤查找。
這篇應用指南介紹用于采集、記錄、分析數據的各種方法和裝置從簡單的筆和紙到使用今天復雜的數據采集系統。文中討論了每種方法的優點和缺點并提供一張問題表，超聲波測厚儀維修以指導您選擇最適合您需要的方法。
數據采集的可選方法
數據采集技術在過去的30 年到40 年中取得了長足的進步。例如在40 年前的普通大學實驗室中跟蹤溫度的裝置放在鈉鎢青銅的坩鍋中裝置包括熱偶、電橋、檢查表、紙和筆。今天的大學生則是采用自動化的測量儀器在PC 上分析數據。
今天有許多種采集數據的可選方法。最佳選擇決定于一些因素包括任務的復雜程度要求的速度和精度以及所需要的文檔。數據采集系統從簡單到復雜有很寬的性能和功能范圍。
紙和筆
古老的紙和筆方法在某些條件下仍可使用它便宜，隨處可得也很容易掌握。所要做的全部工作是連上一臺數字多用表（DMM）并用手記錄數據。但這種方法容易出錯速度慢并需要繁雜的人工分析。此外這種方法只適用于單通道的數據；當然您可以使用多臺DMM但系統很快變得龐雜和笨拙。精度取決于記錄者的嚴謹性而且您還需要人工標度輸出的數據。例如若DMM不能得到溫度傳感器的直接讀數時就需要進行人工標度。
紙帶記錄器
您能用現代紙帶記錄器捕獲來自幾個輸入的數據。它們提供數據的永久性紙記錄并且由于這些數據采用圖形格式因此能容易地了解趨勢。大多數記錄器在設置后都有足夠的內部智能可以作無人值守的運行 ── 不需要操作者或計算機的幫助。
缺點包括缺乏靈活性和相對低的精度一般只有百分之幾。通常您只能感覺到筆繪圖的小變化。雖然記錄器能很好監視長時間周期上的幾個通道但其值可能會受到限制。例如不能接通或斷開另一裝置。其它的問題包括筆和紙的維護饋紙和數據保存這意味著需要大量用紙甚至會造成浪費。
掃描數字多用表
某些臺式DMM提供可選的掃描能力。這種儀器的后面板有一個插槽可插入一塊掃描卡一般可多路轉換8 至10 個通道的輸入信號。這種方法可保持儀器前面板的固有DMM精度和功能。但其靈活性受到限制因為不可能超過擴展槽所允許的通道數。通常用一臺外部PC 管理數據采集和分析。
PC 插卡
PC插卡是利用PC中ISA或PCI 總線擴展槽的單板測量系統。一般有高達100,000 讀數/ 秒的讀數率。常見的插卡為8 至16 個通道所采集的數據直接進入計算機保存然后就地進行分析。由于插卡實質是計算機的一部份因此很容易設置測試。PC 插卡一般比較便宜因為它靠主機提供電源機箱和用戶界面。
在缺點方面PC 插卡一般只有12bit 分辨率因此不能感知輸入信號小的變化。此外PC 內存在高噪聲的電環境到處是高速時鐘和總線的噪聲幅射。這類電氣干擾會把PC插卡的精度限制到手持式DMM的水平。
這些插卡也只能測量有限范圍的直流電壓。為測量其它輸入信號如交流電壓溫度或電阻就需要各種外部的信號調理。其它需關注的問題包括有疑問的校準和總系統成本特別是需要購買附加的信號調理附件或適應插卡的PC 時。
數據記錄儀
數據記錄儀通常是一臺獨立儀器在經過設置后它能測量、記錄和顯示數據而無需操作員或計算機的干預。它們能處理各種輸入信號有些儀器有多達120個輸入通道并可達到臺式DMM的精度即22bit0.004%的年精度量級。有些數據記錄儀還能標度測量按用戶定義的極限檢查結果同時還有輸出用于控制的信號。
使用數據記錄儀的一個好處是它們有內置的信號調理。大多數數據記錄儀能直接測量各類輸入，而不需要附加的信號調理附件。可用一個通道監視熱偶另一通道監視鉑電阻（RTD）而其它通道則仍可觀察電壓。用于精確溫度測量的熱偶溫度參考結通常也都內置于多路轉換器查卡中。
數據記錄儀的內置智能可幫助您設置測試過程和規定各通道的參數。在完成設置后 數據記錄儀即作為獨立儀器運行就像一臺記錄儀。它在內部存儲器中保存數據存儲器能容納50,000 甚至更多的讀數。PC 的連通能力使其能容易地把數據傳送到您的計算機以進行深入的分析。大多數數據記錄儀有很高的靈活性配置和操作簡單并且有可選的后備電池或其它方法使您能在遠地現場使用該儀器。
由于采用A/D轉換器技術一些數據記錄儀的讀數相對慢特別是與許多PC 插卡相比。但250 讀數/ 秒的速度并不罕見。實際上, 被監視的許多現象實質上是物理現象 ── 例如溫度、壓力和流量其變化一般是較慢的。此外數據記錄儀有高測量精度多路讀出因此不需要PC 插卡解決方案中常用的平均。
數據采集前端
數據采集前端通常是模塊式的一般連接到PC 或控制器。在自動測試應用中收集數據以及控制測試裝置其它部分的信號和提供信號路由。前端可能有非常高的性能其速度和精度可與最好的獨立儀器相匹敵。
數據采集前端有多種實現方法包括VXI如Agilent E1419A多功能測量和控制VXI模塊以及專用的插卡箱。雖然前端的價格已經下降但這些系統仍可能非常昂貴除非您確實需要它們所提供的高性能否則其價格是不能接受的。此外前端還具有優異的靈活性和測量能力。
數據記錄儀應用
對于許多應用工程師的日常任務來說一臺具有中等通道數（20-60 通道）和較慢掃描率的好的低價數據記錄儀能充分滿足需要。一些主要應用包括：
·產品驗證
·電子產品的熱分布
·環境測試；環境監視
·元器件驗證
·電池測試
·家電測試
·建筑物和計算機房監視
·生產流程監視評估和故障查找
數據記錄儀應用：
評估原型IC 的自動測試站
·快速安裝測試電路板上的插座
·用安裝在加熱器/ 冷卻器上的電路板測試溫度變化條件下的IC
·使用Visual Basic 的全自動GPIB 儀器
結果：
·把評估時間減少一半
·精確、一致性的結果
·易于建立文檔
數據記錄儀應用：
驗證新電源設計
·檢查輸出電壓和噪聲級
·高效地模擬負載（使用大功率電阻）和檢查溫升
·測量關鍵元器件的溫度
結果：
·縮短開發時間
·通過限制內部溫度提高可靠性
·驗證電源的輸入特性
哪類數據采集系統正適合您的需要？
沒有一種數據采集系統能適應所有應用。回答下面這些問題可幫助您確定哪一種系統最適合您的需要。
1. 系統符合我的應用要求嗎？
對測量分辨率、精度和噪聲性能有何要求？
掃描有多快？
支持哪些傳感器和測量功能？
可通過升級或擴展滿足未來需要嗎？
便于攜帶嗎？
可作為獨立儀器工作嗎？
2. 售價高嗎？
軟件是包括在其中還是要另外購買？
需要外加的信號調理嗎？
保修期多長？
校準方便和便宜嗎？
3. 易于使用嗎？
指標易于理解嗎？
有什么樣的用戶界面？
重配置新的應用困難嗎？
數據能容易地傳送到新的應用程序嗎？
支持哪些應用軟件包？
結論
數據采集的范圍從筆和紙測量裝置直至極為復雜包括硬件儀器和軟件分析工具的系統。在用戶考慮購買數據采集裝置和系統時第一步是確定手頭的任務和需要的輸出然后選擇符合要求的儀器類型和范圍。所有復雜設備和分析工具都要幫助用戶了解所監視的現象。這些工具均只是達到這一目的的手段。
術語
數據采集 — 收集來自傳感器、電信號和儀器的數據。
數據采集通常是自動化的可在工廠、實驗室和現場進行。
數據記錄儀 — 專用于采集和歸檔物理測量數據的數據采集系統。它通常是具有中等通道數（20-60 通道）用于采集不同時間數據的獨立系統。
數字多用表 — 一種測量交流和直流電壓、直流電流和電阻的數字儀器。
DMM — 數字多用表
多路轉換器 — 一種把多通道切換至單一通道的方案
PC 插卡 — PC 插卡是插入PC 中ISA 或PCI 總線擴展槽的測量系統
信號調理 — 使信號適合于模數（A-D）轉換器的輸入。信號可經過濾去除噪聲或經衰減或放大適應模數轉換器的輸入范圍。
工程師經常需要在長的時間周期內監視一些信號然后繪制圖表和分析所得到的數據。許多應用都需要監視、記錄和分析數據如產品開發的設計驗證階段環境試驗箱監視元件檢驗工作臺測試和工藝流程的錯誤查找。
這篇應用指南介紹用于采集、記錄、分析數據的各種方法和裝置從簡單的筆和紙到使用今天復雜的數據采集系統。文中討論了每種方法的優點和缺點并提供一張問題表，超聲波測厚儀維修以指導您選擇最適合您需要的方法。
數據采集的可選方法
數據采集技術在過去的30 年到40 年中取得了長足的進步。例如在40 年前的普通大學實驗室中跟蹤溫度的裝置放在鈉鎢青銅的坩鍋中裝置包括熱偶、電橋、檢查表、紙和筆。今天的大學生則是采用自動化的測量儀器在PC 上分析數據。
今天有許多種采集數據的可選方法。最佳選擇決定于一些因素包括任務的復雜程度要求的速度和精度以及所需要的文檔。數據采集系統從簡單到復雜有很寬的性能和功能范圍。
紙和筆
古老的紙和筆方法在某些條件下仍可使用它便宜，隨處可得也很容易掌握。所要做的全部工作是連上一臺數字多用表（DMM）并用手記錄數據。但這種方法容易出錯速度慢并需要繁雜的人工分析。此外這種方法只適用于單通道的數據；當然您可以使用多臺DMM但系統很快變得龐雜和笨拙。精度取決于記錄者的嚴謹性而且您還需要人工標度輸出的數據。例如若DMM不能得到溫度傳感器的直接讀數時就需要進行人工標度。
紙帶記錄器
您能用現代紙帶記錄器捕獲來自幾個輸入的數據。它們提供數據的永久性紙記錄并且由于這些數據采用圖形格式因此能容易地了解趨勢。大多數記錄器在設置后都有足夠的內部智能可以作無人值守的運行 ── 不需要操作者或計算機的幫助。
缺點包括缺乏靈活性和相對低的精度一般只有百分之幾。通常您只能感覺到筆繪圖的小變化。雖然記錄器能很好監視長時間周期上的幾個通道但其值可能會受到限制。例如不能接通或斷開另一裝置。其它的問題包括筆和紙的維護饋紙和數據保存這意味著需要大量用紙甚至會造成浪費。
掃描數字多用表
某些臺式DMM提供可選的掃描能力。這種儀器的后面板有一個插槽可插入一塊掃描卡一般可多路轉換8 至10 個通道的輸入信號。這種方法可保持儀器前面板的固有DMM精度和功能。但其靈活性受到限制因為不可能超過擴展槽所允許的通道數。通常用一臺外部PC 管理數據采集和分析。
PC 插卡
PC插卡是利用PC中ISA或PCI 總線擴展槽的單板測量系統。一般有高達100,000 讀數/ 秒的讀數率。常見的插卡為8 至16 個通道所采集的數據直接進入計算機保存然后就地進行分析。由于插卡實質是計算機的一部份因此很容易設置測試。PC 插卡一般比較便宜因為它靠主機提供電源機箱和用戶界面。
在缺點方面PC 插卡一般只有12bit 分辨率因此不能感知輸入信號小的變化。此外PC 內存在高噪聲的電環境到處是高速時鐘和總線的噪聲幅射。這類電氣干擾會把PC插卡的精度限制到手持式DMM的水平。
這些插卡也只能測量有限范圍的直流電壓。為測量其它輸入信號如交流電壓溫度或電阻就需要各種外部的信號調理。其它需關注的問題包括有疑問的校準和總系統成本特別是需要購買附加的信號調理附件或適應插卡的PC 時。
數據記錄儀
數據記錄儀通常是一臺獨立儀器在經過設置后它能測量、記錄和顯示數據而無需操作員或計算機的干預。它們能處理各種輸入信號有些儀器有多達120個輸入通道并可達到臺式DMM的精度即22bit0.004%的年精度量級。有些數據記錄儀還能標度測量按用戶定義的極限檢查結果同時還有輸出用于控制的信號。
使用數據記錄儀的一個好處是它們有內置的信號調理。大多數數據記錄儀能直接測量各類輸入，而不需要附加的信號調理附件。可用一個通道監視熱偶另一通道監視鉑電阻（RTD）而其它通道則仍可觀察電壓。用于精確溫度測量的熱偶溫度參考結通常也都內置于多路轉換器查卡中。
數據記錄儀的內置智能可幫助您設置測試過程和規定各通道的參數。在完成設置后 數據記錄儀即作為獨立儀器運行就像一臺記錄儀。它在內部存儲器中保存數據存儲器能容納50,000 甚至更多的讀數。PC 的連通能力使其能容易地把數據傳送到您的計算機以進行深入的分析。大多數數據記錄儀有很高的靈活性配置和操作簡單并且有可選的后備電池或其它方法使您能在遠地現場使用該儀器。
由于采用A/D轉換器技術一些數據記錄儀的讀數相對慢特別是與許多PC 插卡相比。但250 讀數/ 秒的速度并不罕見。實際上, 被監視的許多現象實質上是物理現象 ── 例如溫度、壓力和流量其變化一般是較慢的。此外數據記錄儀有高測量精度多路讀出因此不需要PC 插卡解決方案中常用的平均。
數據采集前端
數據采集前端通常是模塊式的一般連接到PC 或控制器。在自動測試應用中收集數據以及控制測試裝置其它部分的信號和提供信號路由。前端可能有非常高的性能其速度和精度可與最好的獨立儀器相匹敵。
數據采集前端有多種實現方法包括VXI如Agilent E1419A多功能測量和控制VXI模塊以及專用的插卡箱。雖然前端的價格已經下降但這些系統仍可能非常昂貴除非您確實需要它們所提供的高性能否則其價格是不能接受的。此外前端還具有優異的靈活性和測量能力。
數據記錄儀應用
對于許多應用工程師的日常任務來說一臺具有中等通道數（20-60 通道）和較慢掃描率的好的低價數據記錄儀能充分滿足需要。一些主要應用包括：
·產品驗證
·電子產品的熱分布
·環境測試；環境監視
·元器件驗證
·電池測試
·家電測試
·建筑物和計算機房監視
·生產流程監視評估和故障查找
數據記錄儀應用：
評估原型IC 的自動測試站
·快速安裝測試電路板上的插座
·用安裝在加熱器/ 冷卻器上的電路板測試溫度變化條件下的IC
·使用Visual Basic 的全自動GPIB 儀器
結果：
·把評估時間減少一半
·精確、一致性的結果
·易于建立文檔
數據記錄儀應用：
驗證新電源設計
·檢查輸出電壓和噪聲級
·高效地模擬負載（使用大功率電阻）和檢查溫升
·測量關鍵元器件的溫度
結果：
·縮短開發時間
·通過限制內部溫度提高可靠性
·驗證電源的輸入特性
哪類數據采集系統正適合您的需要？
沒有一種數據采集系統能適應所有應用。回答下面這些問題可幫助您確定哪一種系統最適合您的需要。
1. 系統符合我的應用要求嗎？
對測量分辨率、精度和噪聲性能有何要求？
掃描有多快？
支持哪些傳感器和測量功能？
可通過升級或擴展滿足未來需要嗎？
便于攜帶嗎？
可作為獨立儀器工作嗎？
2. 售價高嗎？
軟件是包括在其中還是要另外購買？
需要外加的信號調理嗎？
保修期多長？
校準方便和便宜嗎？
3. 易于使用嗎？
指標易于理解嗎？
有什么樣的用戶界面？
重配置新的應用困難嗎？
數據能容易地傳送到新的應用程序嗎？
支持哪些應用軟件包？
結論
數據采集的范圍從筆和紙測量裝置直至極為復雜包括硬件儀器和軟件分析工具的系統。在用戶考慮購買數據采集裝置和系統時第一步是確定手頭的任務和需要的輸出然后選擇符合要求的儀器類型和范圍。所有復雜設備和分析工具都要幫助用戶了解所監視的現象。這些工具均只是達到這一目的的手段。
術語
數據采集 — 收集來自傳感器、電信號和儀器的數據。
數據采集通常是自動化的可在工廠、實驗室和現場進行。
數據記錄儀 — 專用于采集和歸檔物理測量數據的數據采集系統。它通常是具有中等通道數（20-60 通道）用于采集不同時間數據的獨立系統。
數字多用表 — 一種測量交流和直流電壓、直流電流和電阻的數字儀器。
DMM — 數字多用表
多路轉換器 — 一種把多通道切換至單一通道的方案
PC 插卡 — PC 插卡是插入PC 中ISA 或PCI 總線擴展槽的測量系統
信號調理 — 使信號適合于模數（A-D）轉換器的輸入。信號可經過濾去除噪聲或經衰減或放大適應模數轉換器的輸入范圍。
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