爱丁堡,数据收集与仪器:DAS和传感器,211大学名单

数据搜集体系(DAQ或DAS)是一种从传感器获取数据的电子仪器,一般可扩展为仪器外表和操控体系。这种仪器一般具有多通道、中到高分辨率(12~20位),并且采样率相对较低(比示波器慢)。本文是关于该仪器作业原理的基础教程,侧重介绍DAQ原理和传感器。

咱们以一个火箭测验体系为例,验证在实验台上静态发射的小型火箭的功能。测验焚烧有必要由操控器排序,还需求DAS来获取传感器数据。火箭测验操控体系有必要知道火箭内部终究发作了什么,这需求一个仪器子古雷格尔星人体系来供给。传感器将感兴趣的数据(例如容器压力或加快度)转化为电信号。数据搜集体系将这些电信号转化成数字方式,以便与操控核算机的输入格爱丁堡,数据搜集与仪器:DAS和传感器,211大学名单式兼容。

数据搜集体系

被丈量数据一般由DAS转化为操控核算机能够承受的数字方式。一个典型的DAS如图1所示。

图1:典型的数据搜集体系。

传感器波形进入抗混叠滤波器,滤除高频重量。有时防止混叠是必要的,由于混叠会发作杂散波形。混叠的一个常见比方是电影或电视中呈现轮辐向后旋转的画面。电影或电视信号的接连图画帧其实不是接连的,有时候会发作差伊文娜林奇特频率(或拍频)而导致这种凌乱图画呈现。假如传感器波形没有“减慢”到足以消除导致混叠的快速改变,DAS就会发作杂散波形。对接连数值进行采样并输出离散数值序列的任何进程都或许引起混叠。为防止混叠状况的发作,到达或超越采样率一半的一切频率都将被滤波器滤除。

MUX是模仿多路复用器,是一种相似电视频道开关的电子开关。微型核算机(C)能够操控MUX切换到特定的传感器输入通澳舒凯道,顺次挑选每个通道进行丈量。PGA是一种可编程增益扩大器。不同的传感器需求不同的波形放很多,PGA增益是由C操控的。A/十字架与吸血鬼之死神月音D转化器(或ADC)将通过滤波和扩大的模仿波形转化为数字方式,以便输入C。

ADC能够区别的模仿输入电压离散值的数目便是其分辨率,以位为单位。关于N位分辨率,其输出成果的数目是2N。12位ADC能够区别212(即4096)个不同的模仿输入值。假如其满量程规模为4.096V,则这4096个输入电平的距离正好是1mV。因而,ADC的12位数字输出具有1mV/次的分辨率,或每个最低有用位(LSB)为1mV,能够表明为1mV/LSB。

核算机进一步处理来自ADC的采样感应信号,但要以数字方式处理。ADC计数是未经处理的原始数据,ADC之前的传感器和模仿DAS电路由于不精确性会引起偏移和增益(斜率)差错,因而有必要对这些数据进行校对。必要的话,得到的成果还要针对传感器非线性进行校对。

用于火箭飞翔或测验的传感器一般包括:

  • 温度传感器:热电偶、RTD、热敏电阻和固态;
  • 压力传感器:硅或蓝宝石;
  • 流量传感器:涡轮、超声波多普勒;
  • 惯性传感器:速率和笔直陀螺仪、固态爱丁堡,数据搜集与仪器:DAS和传感器,211大学名单加快和旋转传感器、歪斜开关;
  • 挨近传感器:微动开关;
  • 电传感器:电压和电流检测;
  • 低温传感器:低温热敏电阻。

大多数传感器按丈量值输出一个电压,还有一个转化系数(增益),例如,压力传感器的V/kN,以及温度传感器的V/oC。电压发作在两个电路节点上。假如一个节点是体系的0V参阅节点或接地,则传感器输出是相关于地的电压。在节点上相关于地丈量的电压是单端电压。

有些传感器有两个端子,它们的输出电压呈现在两个端子上,都没有接地。这是差分电压,由于它们是每个端子相关于地丈量的电压差,有时也被称为“浮地”。

当传感器作为一种称为电桥的常见仪器电路的一部分时,其输出一般是差分输出。“传感器电桥电路”示意图(图2)显现了其在压力传感器电桥中的运用。电桥输出电压酷狱忠魂是AIN+和AIN-这两个节点相关于地丈量的电压差。换句话说,将电压表负输入端衔接到接地端子可丈量AIN-的电压。

根据电桥的传感器类型包括RTD(温度)、压力和应力传感器。这些传感器的电阻随丈量数而改变。在图3中,压力传感器装备为由两个具有相反极性的应变计驱动。

图2:“传感器电桥电路”示意图。

电桥电路包括两个由电桥电源驱动的分压器,每个双电阻分压器都是半桥,电桥输出活络度与电桥鼓励电压成正比。关于半桥传感器,另一个半桥便是一个二等分分压器,由精铭道秀奶粉最新事情确匹配的等值电阻组成。

两个应变片衔接到桥臂的相对两边,因而当它曲折时,顶部应变片的电阻添加(+),而底部应变片减小(-)。没有曲折时,两个传感器理论上具有相同的电阻,并且江湖双响炮AIN+处的电压是电桥电压Vbr的一半。关于零电平处零差分输入电压,另一个由安稳的等值电阻(R)组成的分压器在AIN-端将Vbr分为一半。AIN+的输出电压在电桥电压一半左右发作改变,然后发作双极(+/-)差分输出。

2线、3线和4线电桥

关于电桥驱动线路中可疏忽不计的电压降,在外表体系电路板(如Vbr/2)上能够复制出精确的半桥电压,并通过电路板上的诱罪装备跳线为AIN-输入。该半桥电压可通过专用通道丈量,并作为桥式传感器的偏移。运用板载半桥,只需求一条传感器输出线(AIN+)和两条电桥电源线接到每个传感器电桥。

关于全桥传感器,AIN+和AIN-端都从传感器接出,并在搜集板上丈量电桥电压。关于电桥接线中可疏忽不计的电压降,这些布线计划是令人满意的。

关于电桥电源线中不行疏忽的电压降,需求进行4线检测。四线(或Kelvin检测)是最精确的,它运用独自的电桥驱动和检测线对。

RT非你莫属罗志林D温度传感器

RTD(电阻温度器材)运用铂这类金主持人万欣属的可重复温度系数(TC)原理。RT爱丁堡,数据搜集与仪器:DAS和传感器,211大学名单D在必定程度上呈非线性,需求校对。标准R三女乱唐TD曲线将电阻表明为温度的函数,例如铂RTD的PT100(DIN 43760)曲线。在0oC和100oC的电阻TC可表明为:

关于PT100曲线,=3.850x10-3/oC,但在整个温度规模内不是稳定不变的。一般的RTD方程是:

其间R0是0oC时的电阻(100或1k),求解T:

从-100oC至+800oC(这是封装好的RTD的作业规模),100的RTD电阻改变约6.48倍,从60.25到390.26,TC为正。

典型的1k薄膜RTD有Sensing Devices公司(SDI)GR2141和Minco S251PF12(或热敏带S17624PF440B)。SDI Pt100/15P的R0为100李常超个人简介,S251PF12为1k。

与压力传感器不同,RTD电桥仅运用一个传感器,如图3所示,适用于单端电桥电路。AGND是模仿地,是丈量体系中与体系地衔接的独立接地端。

图3:RTD电桥仅运用一个传感器,适用于单端电桥电路。

热电偶

当两种不同的金三星n89属衔接时就构成热电偶,比方点焊。两种金属之间会发作一个小电压,这个电压跟着结温的改变而改变。K型(铬镍铝合金)或J型(铁-康铜)热电偶是最常见的,可用于丈量弱气乙女RTD和热敏电阻无法丈量的高温度。

K型热电偶不像J型那样活络,但具有更高的温度规模。与热电偶线的每一个衔接都构成另一个热电偶传感器。若运用铜线,铜-铬和铜-铝衔接就构成两个额定的热电偶。这些不希望的热电偶称为参比端或冷端热电偶,有必要通过某种补偿办法来消除它们的影响。

通过将热电偶线接到外表板衔接器,参比端将挨近热电偶处理电路,并且温度大致相同。冷端补偿电路能够丈量这一温度并补偿热电偶的电路输出。

能够运用独自的温度传感器来丈量冷端邻近的环境温度,并在核算机中完结补偿。

可对热电偶电压进行扩大和冷端补偿的热电偶集成电路有ADI公司的K型(铬镍铝合金)热电偶AD595,以及J型(铁-康铜)热电偶AD594。它们的输出分别为:

为了将高温丈量规模扩展到1250oC(K型)和750oC(J型),需求将输出电压切分(比方除以3),以习惯ADC的典型4.1V爱丁堡,数据搜集与仪器:DAS和传感器,211大学名单 fs规模。

环境温度

ADI公司的AD22100 IC是一款低成本、三引脚硅基温度传感器,能够方便地检测环境温度。它的模仿电压输出为:

其间VCC是AD22100的电源电压,它的作业温度规模为-50oC至+150oC,满量程差错为2%。这种传感器的输出随VCC成份额改变。它由电桥电压(Vbr)供电,能够运用电桥补偿来盯梢电桥电压的漂移。

AD22100能够进行两点校准,由于它是一种线性变换器(差错挨近其1%非线性标准)。

关于精度稍低的校准,将(电绝缘)传感器浸入冰水中,一点校准至0oC,或用另一个温度计或(已校准的)温度通道来丈量传感器的温度。假如丈量通道现已过电压校准并运用上述公式,则无需进行温度丈量,虽然其精度约为2%。

AD22100在4V至6V VCC电压下作业,可由4.1V电桥电源供电。来自ADC的原始数据值是:

环境压力

要丈量环境压力,一款值得引荐的传感器是Motorola MPX2202AP。这是一款低成本、肯定检测、200kPa(爱丁堡,数据搜集与仪器:DAS和传感器,211大学名单29ps王永曦i)全量程的硅基压力传感器。它能够用作气压计,由于它检测肯定压力,大气压力能够转化为海拔高度。它还具有满足大的规模来检测一般飞翔器的动态压力。

MPX2202AP是一个完好的补偿电桥电路,其输出与电源电压成份额。它能够一点或两点校准。关于4.1V电桥电源,在满量程时,其输出约为16.4mV,标称份额因子为82V/kPa。零标度(zs)处于零压力,偏移电压差错指定为1mV。

要核算所需的增益,可将ADC满量程输入电老公不卸职压(Vbr=4.1V)除以传感器满量程输出并向下舍入,得到增益为x100。这为捕获突发毛病数据供给了满足的处理才能。

同类传感器还有Sensym SCX30ANC和TRW Novasensor NPC-410-30-A。一些电桥传感器,例如Motorola MPX4250(250kPa fs),具有不同于Vbr的电桥电压。有必要盯梢它们的电桥电压(通过另一个通道丈量)来补偿电桥活络度,以到达最大精度。

加快度传感器

适用于大多数探空火箭和其它低g运用的加快度传感器有ADI ADXL105。它价格低廉,是一种硅基器材,测爱丁堡,数据搜集与仪器:DAS和传感器,211大学名单量规模为5g。它能够运用重力进行两点校准。在最大加快方向上,输入约为1g。回转(旋转180o),其输入为-1g。地球表面的标称值g0为9.806m/s2

电源电压和电流

地上电源或板载电池一般能够通过火压器检测。差分电压丈量通道的优势在于它们能够丈量“浮地”电压,例如与电池正极串联的电流检测电阻两头的电压。

流量输入

典型的涡轮流量传感器一般规划为磁片流量传感器。涡轮叶片中的磁体旋转通过传感器主体中的线圈,并在其间引起电压脉冲。在感兴趣的流量规模内,典型的脉冲幅度至少为50mV。最大流量脉冲率一般为100Hz至几kHz。

这些脉冲一般由模仿电路处理,并转化为核算机数字脉冲,然后输入到由核算机操控的计数器。计数在精确的时刻距离内累积,一般由核算机的时基操控设定。也便是说,另一个计数器/计时器定时中止核算机。在这些中止之间树立精确的时刻距离,用作频率计数器的时基。频率为爱丁堡,数据搜集与仪器:DAS和传感器,211大学名单:

其间N是时刻距离t上的计数次数。

低温热敏电阻

低温热敏电阻是一种高度非线性的温度传感器,可用于检测低温闪烁光辉腿甲流体的存在。能够将其放置在容器的空处,用于检测空处何时被填充。它们能够放置在分压器的高压侧,直接驱动数字位输入性情感。

一个典型的低温热敏电阻是Thermometrics公司的A105CTP100DE104R热探针。它在液氮沸点(-195.82oC)下具有100k的电阻。LOX(液态氧)沸点为-183oC,它在-185oC时的电阻为54322,在-180oC时为37081。但在-100oC时,只要146。能够将热探针设置为由+5V电压驱动的分压器的上部电阻,在1k左右的较低电阻下,分压器输出可直接驱动TTL电平数字核算机输入。

结语

在本文第二部分,咱们将评论DAS体系g1802的搜集和处理战略及校准。