一、傳感器與計(jì)算機(jī)的關(guān)系

本篇文章我們要談?wù)剶?shù)據(jù)采集與傳感器之間的關(guān)系。在計(jì)算機(jī)發(fā)明之前，人類的數(shù)據(jù)采集過(guò)程是這樣的，用度量衡工具及自身感官感受被測(cè)物的信息，然后用紙和筆將數(shù)據(jù)記錄下來(lái)。但隨著科學(xué)研究的不斷深入以及生產(chǎn)實(shí)踐的要求，人們要處理的數(shù)據(jù)量變得越來(lái)越多，需要的測(cè)量信息也越來(lái)越精確。這個(gè)時(shí)候傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集和記錄的方法已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠了。為了解決這一問(wèn)題，計(jì)算機(jī)和傳感器走進(jìn)了人們的視野中。

計(jì)算機(jī)是一種用于高速計(jì)算的電子計(jì)算機(jī)器。它能夠自動(dòng)、高速處理海量的數(shù)據(jù)。計(jì)算機(jī)的發(fā)明大大提升了人類的計(jì)算能力，但它只能處理0101這樣的電信號(hào)，而現(xiàn)實(shí)生活中大都是非電量的信號(hào)。

如果還是用人工的辦法將信息輸入到計(jì)算機(jī)中，那么它的效率肯定是不高的。怎么辦呢？這就要用到傳感器了。

傳感器是一種檢測(cè)裝置，能夠感受被測(cè)物的信息并將感受到的信息按一定的規(guī)律變換成為電信號(hào)或其它所需形式的信號(hào)輸出的裝置。按功能可將傳感器分為：溫度傳感器、濕度傳感器、壓力傳感器、位移傳感器、加速度傳感器、扭矩傳感器等。

二、傳感器與計(jì)算機(jī)的中介——數(shù)據(jù)采集卡

傳感器輸出的是模擬信號(hào)而計(jì)算機(jī)可以接收的是數(shù)字信號(hào)，所以想要將傳感器的信號(hào)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)中還需要一個(gè)器件——模數(shù)轉(zhuǎn)換器。它可以將傳感器產(chǎn)生的電信號(hào)也就是模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為計(jì)算機(jī)可以接收的數(shù)字信號(hào)，

但完成這樣的任務(wù)需要對(duì)模數(shù)轉(zhuǎn)換器進(jìn)行電路設(shè)計(jì)、制版、焊接、編程、調(diào)試等一系列的工作才可以。為了降低使用門檻，一種使用通用計(jì)算機(jī)接口的集成了模數(shù)轉(zhuǎn)換器和基本信號(hào)調(diào)理功能的數(shù)據(jù)采集設(shè)備便應(yīng)運(yùn)而生，也就是通常所說(shuō)的數(shù)據(jù)采集卡。

三、數(shù)據(jù)采集卡的分類

我們可以按照以下兩種方式選擇數(shù)據(jù)采集設(shè)備。按照與計(jì)算機(jī)接口的連接方式可將采集卡分為：USB接口、PCI/PCIE、PXI/PXIE接口、RS232/485接口，以太網(wǎng)接口等。

這些接口類型各有優(yōu)勢(shì)：USB接口的設(shè)備適合小規(guī)模的系統(tǒng)集成和實(shí)驗(yàn)室應(yīng)用；PCI和PXI接口的設(shè)備適合大規(guī)模的集成應(yīng)用；RS-485和以太網(wǎng)接口的設(shè)備在遠(yuǎn)距離、分布式場(chǎng)景中更具優(yōu)勢(shì)。

若按照應(yīng)用分類則可以分為專用數(shù)據(jù)采集卡和通用數(shù)據(jù)采集卡。

專用數(shù)據(jù)采集卡具有針對(duì)某種特定類型傳感器的信號(hào)調(diào)整電路，使得該數(shù)據(jù)采集卡與這些傳感器的連接更加便捷。

比如熱電偶專用數(shù)據(jù)采集卡會(huì)配置有高增益的放大器和冷端補(bǔ)償電路，但在專用數(shù)據(jù)采集卡上想要連接其它類型的傳感器就會(huì)非常困難，所以使用更多的是通用數(shù)據(jù)采集卡。它接收的大多是電壓型信號(hào)，量程為10V或5V。一般會(huì)為通用數(shù)據(jù)采集卡配置程控放大器用來(lái)擴(kuò)大采集卡的應(yīng)用范圍。

四、數(shù)據(jù)采集卡的簡(jiǎn)單使用

舉個(gè)例子，如果我們想采集環(huán)境的濕度應(yīng)該怎么做呢？首先要選擇一種濕度傳感器，

為了適配一般類型的數(shù)據(jù)采集卡我們需要讓傳感器輸出標(biāo)準(zhǔn)的電壓信號(hào)，也就是10V或5V的電壓信號(hào)。這里選擇的是需要5V供電，輸出電壓為0～3V，對(duì)應(yīng)濕度為0～100%的濕度傳感器。

然后，我們要把濕度傳感器的電壓輸出線連接到采集卡的模擬輸入端，這樣才能采集到傳感器的電壓信號(hào)。最后通過(guò)USB線將電腦和采集卡連接，就可以在電腦上觀察分析濕度傳感器所輸出的信號(hào)了。

這里選擇的是Smacq的數(shù)據(jù)采集卡，它有配套軟件可以在電腦上運(yùn)行，所以我們要先調(diào)整一下軟件的設(shè)置參數(shù)。勾選AI 0通道，把通道注釋標(biāo)注為濕度。傳感器的輸出是0-3V，那么量程就設(shè)置成5.12V。

因?yàn)閭鞲衅鬏敵鏊俾瘦^低，所以設(shè)置采樣率為5就可以了。

勾選單位變換功能，設(shè)置傳感器的單位為“%”，將傳感器輸出電壓上限改為3V。

其他設(shè)置不變。取消自動(dòng)調(diào)整Y標(biāo)尺并將坐標(biāo)量程改變?yōu)?～100。啟動(dòng)采集，軟件就可以顯示采集卡采集到的傳感器輸出電壓。當(dāng)環(huán)境濕度增加后可以明顯在軟件中看到數(shù)據(jù)的變化情況。

以上這些，就是一次完整的采集濕度傳感器數(shù)據(jù)的過(guò)程。在這個(gè)過(guò)程中，傳感器輸出的模擬電壓可以很好的被采集卡所采集。那么，當(dāng)我們找不到能夠和數(shù)據(jù)采集卡適配的傳感器時(shí)該怎么辦？比如這個(gè)熱電偶傳感器，它產(chǎn)生的電壓比較小，不適合直接連接到采集卡上。這時(shí)就要用到一種叫變送器的設(shè)備，將非標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)。

接下來(lái)我們看一看變送器對(duì)采集數(shù)據(jù)的影響。

第一次實(shí)驗(yàn)是將K型熱電偶直接連接到采集卡的模擬輸入通道上。

打開軟件，設(shè)置相關(guān)參數(shù)，勾選AI 7通道，由于熱電偶輸出的信號(hào)比較小，量程選擇0.64V。

采樣率設(shè)置為5。因?yàn)橥ㄓ貌杉]有冷端補(bǔ)償，所以不能進(jìn)行單位變換。開啟軟件的數(shù)據(jù)采集功能，畫布會(huì)顯示環(huán)境溫度對(duì)應(yīng)的電壓值，提高環(huán)境溫度，數(shù)據(jù)也會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化。

溫度上升

溫度下降

第二次實(shí)驗(yàn)將K型熱電偶與變送器連接，因?yàn)樽兯推餍枰?a target="_blank">電源供電，所以與采集卡的連接方式略有不同。

完成連接后我們對(duì)采集卡軟件進(jìn)行簡(jiǎn)單設(shè)置：變送器輸出的是標(biāo)準(zhǔn)的電壓信號(hào)，所以通道量程不需改變。

而且可以開啟單位變換功能，傳感器量程上限為350，下限為-130，單位是℃，傳感器輸出電壓是0～10V。

啟動(dòng)采集，在軟件畫布上就會(huì)出現(xiàn)當(dāng)前的環(huán)境溫度。

溫度升高

溫度下降

將兩組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比，在同樣的溫度變化下可以明顯看出數(shù)據(jù)波形的優(yōu)劣。

當(dāng)然并非所有非標(biāo)準(zhǔn)電壓輸出的傳感器都要連接變送器：輸出電流信號(hào)的傳感器可以使用取樣電阻將電流信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘?hào)再輸入到采集卡中；

輸出頻率、脈沖信號(hào)的傳感器可以使用采集卡的計(jì)數(shù)器功能進(jìn)行信號(hào)采集。

如果有機(jī)會(huì)的話，我們將會(huì)在文章中介紹它們的采集方法。

以上就是文章的全部?jī)?nèi)容，希望能給大家?guī)?lái)些許幫助。您有任何問(wèn)題都可以評(píng)論留言告訴我們。

再見。

審核編輯 黃宇