電子設(shè)備振動(dòng)環(huán)境試驗(yàn)(4) ——數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

前文介紹了電子設(shè)備振動(dòng)環(huán)境試驗(yàn)的一些基本概念和分類，以及振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)系統(tǒng)。

電子設(shè)備振動(dòng)環(huán)境試驗(yàn)(1) —— 概述

電子設(shè)備振動(dòng)環(huán)境試驗(yàn)(2) —— 振動(dòng)環(huán)境試驗(yàn)類型

電子設(shè)備振動(dòng)環(huán)境試驗(yàn)(3) ——振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)系統(tǒng)

本文將介紹振動(dòng)環(huán)境試驗(yàn)中另一重要組成部分——數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在試驗(yàn)過(guò)程中主要承擔(dān)設(shè)備關(guān)心位置的振動(dòng)響應(yīng)采集和存儲(chǔ)。

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)解調(diào)、數(shù)據(jù)分析和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等部分組成。目前技術(shù)發(fā)展飛速，集成度越來(lái)越高，在物理層面看，主要包括傳感器、數(shù)據(jù)采集設(shè)備、計(jì)算機(jī)及其他附屬件（線纜等）組成。

傳感器中實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和部分?jǐn)?shù)據(jù)解調(diào)功能；數(shù)據(jù)采集設(shè)備主要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)解調(diào)功能；計(jì)算機(jī)主要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)分析和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。其中，數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)解調(diào)是數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)最核心的功能。

根據(jù)傳感器類型不同，可實(shí)現(xiàn)不同物理量的數(shù)據(jù)采集；在振動(dòng)試驗(yàn)中，主要包括加速度、速度、位移、應(yīng)力應(yīng)變、力（矩）等。

數(shù)據(jù)解調(diào)主要包括信號(hào)變換器、放大器、濾波器、微分器、積分器和電源等。理論上以上每個(gè)功能都需要單獨(dú)的設(shè)備實(shí)現(xiàn)，而隨著技術(shù)的發(fā)展，這些功能已集成到傳感器和數(shù)據(jù)采集設(shè)備中；特別是現(xiàn)在MEMS技術(shù)的發(fā)展，大多數(shù)功能可以集成到一個(gè)傳感器中，甚至傳感器（組）就能實(shí)現(xiàn)整個(gè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的各個(gè)功能，物理層的界面已越來(lái)越模糊。

本文不設(shè)計(jì)詳細(xì)的具體實(shí)現(xiàn)原理，主要從應(yīng)用層面對(duì)數(shù)據(jù)采集設(shè)備和傳感器開(kāi)展簡(jiǎn)要介紹。

數(shù)據(jù)采集設(shè)備

選擇合適的數(shù)據(jù)采集設(shè)備主要需要考慮：

采樣率：對(duì)于動(dòng)態(tài)采集設(shè)備，采樣率是動(dòng)態(tài)采集最重要的指標(biāo)；

通道數(shù)：通道數(shù)決定了采樣的測(cè)點(diǎn)數(shù)量，需要注意的是，一個(gè)三向傳感器需要接三個(gè)通道；

接入通道類型：通常包括DC、AC、GND、IEPE及各種橋路等，每種傳感器會(huì)對(duì)應(yīng)相應(yīng)的通道類型；

其他指標(biāo)：量程、指示誤差、穩(wěn)定度、線性度、隔離度、噪聲、濾波器、A/D、同步時(shí)鐘、電源、數(shù)據(jù)傳輸?shù)龋?/p>

環(huán)境適應(yīng)性：有些采集設(shè)備需要在非實(shí)驗(yàn)室條件下使用，包括抗振動(dòng)、高低溫、抗風(fēng)沙、防水、尺寸、重量等；有些便攜式采集設(shè)備還自帶電池，同時(shí)配置閃存，可以在脫離計(jì)算機(jī)下進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和存儲(chǔ)。

傳感器

傳感器種類非常多，與力學(xué)試驗(yàn)相關(guān)的一般有加速度傳感器、速度傳感器、位移傳感器、沖擊傳感器、力傳感器、應(yīng)力應(yīng)變傳感器、聲傳感器、壓力傳感器等；此外，激光、紅外、雷達(dá)，甚至可見(jiàn)光等發(fā)射接收在廣義上也是傳感器的一種。

傳感器原理也多種多樣；僅振動(dòng)傳感器，按照機(jī)電變換分類，包括壓電式、電容式、電感式、壓阻式、電渦流式、電動(dòng)式、光纖等；目前半導(dǎo)體及微機(jī)電技術(shù)發(fā)展迅猛，隨著MEMS傳感器成本下降，也在越來(lái)越多場(chǎng)合中被應(yīng)用；其中一些傳感器只能測(cè)量相對(duì)量，一些傳感器可以測(cè)量絕對(duì)量。不同類型的傳感器采用不同的原理，這部分不是系列文章的重點(diǎn)，這里不做展開(kāi)。

本文僅從應(yīng)用層面，開(kāi)展對(duì)傳感器的介紹；有關(guān)試驗(yàn)的注意事項(xiàng)這里先不展開(kāi)，如傳感器連接，數(shù)據(jù)判讀，噪聲源等，系列文章后面會(huì)簡(jiǎn)單提到；選擇合適的傳感器主要需要考慮：

選擇接觸式還是非接觸式；

選擇相對(duì)測(cè)量還是絕對(duì)測(cè)量；

傳感器性能相關(guān)的，包括靈敏度、頻率響應(yīng)、幅值特性、相移特性、橫向靈敏度等；

傳感器使用環(huán)境相關(guān)的，包括溫度、濕度、溫度沖擊等；

傳感器物理特性相關(guān)的，包括尺寸、重量、安裝形式等。

靈敏度指的是電信號(hào)與輸出物理量之間的比值；即使同一批次傳感器，不同傳感器的靈敏度不同；靈敏度需要定期校準(zhǔn)；靈敏度可能是影響測(cè)量結(jié)果的一個(gè)重要因素。

頻率響應(yīng)指的是傳感器靈敏度與頻率之間的曲線；傳感器可用頻率指的是在一定頻率范圍內(nèi)，靈敏度相對(duì)于標(biāo)稱值不超規(guī)定誤差。下圖是某典型壓電加速度傳感器的頻響曲線。

幅值特性主要包括線性度、量程和分辨率等指標(biāo)。線性度指輸入和輸出之間的線性程度，表示了隨著輸入的變化，靈敏度與標(biāo)稱值之間額度偏差。量程指?jìng)鞲衅髟诳山邮軛l件下的測(cè)量極限。分辨率指輸入最小分辨量。

相移特性指輸入和輸出信號(hào)之間與頻率相關(guān)的相位差；相移可能導(dǎo)致信號(hào)失真；但是如果相移特性已知，可通過(guò)數(shù)據(jù)處理修正；通常理想的相移為0度、180度或者比例相移，可保證無(wú)輸出畸變。

橫向靈敏度指由于主軸輸入引起的主軸以外響應(yīng)信號(hào)；理論上橫向靈敏度越低越好。

傳感器使用環(huán)境可能會(huì)影響傳感器輸出的準(zhǔn)確性以及其使用壽命；幾乎所有傳感器都受溫度影響，下圖是某典型壓電加速度傳感器的溫度曲線；幾乎所有傳感器都采取密封防潮設(shè)計(jì)，但在一些場(chǎng)合可能會(huì)收到電纜連接器潮濕滲入影響；溫度沖擊可能產(chǎn)生熱應(yīng)力或者熱電效應(yīng)，引起低頻的輸出誤差。

傳感器物理特性與使用實(shí)際環(huán)境相關(guān)。通常小尺寸和小質(zhì)量的傳感器利于安裝，同時(shí)也有利于減小傳感器對(duì)結(jié)構(gòu)的干擾影響；但是，越小的傳感器靈敏度越低，并且價(jià)格昂貴。傳感器的安裝形式取決于測(cè)量的具體狀態(tài)；一般情況下采取膠粘和蜂蠟粘接；對(duì)于高量級(jí)與高頻的振動(dòng)沖擊環(huán)境，要求螺栓連接，同時(shí)需要加上合適的力矩。

其他

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是振動(dòng)環(huán)境試驗(yàn)的重要組成部分，主要承擔(dān)設(shè)備關(guān)心位置的振動(dòng)響應(yīng)采集和存儲(chǔ)。不過(guò)，也有一些設(shè)備的振動(dòng)環(huán)境試驗(yàn)不進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，只在振動(dòng)前后進(jìn)行外觀檢查和性能對(duì)比。

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)目前國(guó)內(nèi)也有許多不錯(cuò)的設(shè)備廠商，價(jià)格相比進(jìn)口產(chǎn)品低，性能和穩(wěn)定性也能滿足大多數(shù)使用工況。此外，除了一次購(gòu)置成本，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)需要定期檢測(cè)和校準(zhǔn)。

最后

本文簡(jiǎn)要介紹了數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，后續(xù)系列文章將針對(duì)具體的振動(dòng)環(huán)境試驗(yàn)開(kāi)展介紹。