《基于LabVIEW的數(shù)據(jù)采集與處理技術(shù)》課件第4章

第4章信號調(diào)理4.1信號調(diào)理的類型4.2常用的信號調(diào)理設(shè)備形式4.3信號調(diào)理器與數(shù)據(jù)采集卡的通信4.4信號調(diào)理設(shè)備安裝與設(shè)置4.5課程練習(xí)本章小結(jié)練習(xí)與思考4.1信號調(diào)理的類型

正如我們所了解的，傳感器的作用是把溫度、壓力、位移、聲、光等非電量物理信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?。因此，?shí)際使用中，根據(jù)非電量物理信號的不同，我們必須選用不同的傳感器來完成這一轉(zhuǎn)換，而這種選擇也就決定了在實(shí)際使用中所采用的信號調(diào)理裝置的形式也會有所不同。

下面將對表4-1列出的一些常用傳感器的信號調(diào)理類型分別作一介紹。4.1.1放大

放大是信號調(diào)理過程中的一個基本組成，同時也是一種最常用的信號調(diào)理方法。信號放大過程的基本示意圖如圖4-1所示。由于實(shí)際使用中許多傳感器的輸出都在μV量級，因此，DAQ板在進(jìn)行模/數(shù)轉(zhuǎn)換之前需要對信號進(jìn)行適當(dāng)?shù)姆糯?，以便提高測試的精度和系統(tǒng)的分辨率。但不論使用板放大方式還是外部放大方式，其結(jié)果都會直接影響到整個系統(tǒng)的信噪比。在DAQ板上對模擬小信號進(jìn)行放大時，必然也會對來自現(xiàn)場的引線噪聲和計(jì)算機(jī)內(nèi)部的噪聲一起進(jìn)行放大。圖4-1信號放大過程基本示意圖這種情形產(chǎn)生的一個極端情況就是信號有可能完全被噪聲所淹沒，從而使測試數(shù)據(jù)失去了實(shí)際的意義。在這種情況下，采用合適的外部放大調(diào)理并盡可能讓放大環(huán)節(jié)靠近傳感器就成為提高系統(tǒng)信噪比的一種簡單而實(shí)用的系統(tǒng)配置方法。

對電信號進(jìn)行放大有兩個很直接的好處：一是它可以改進(jìn)信號數(shù)/模轉(zhuǎn)換的精度；二是它可以減少噪聲的影響。以J型熱電偶為例，該熱電偶在大多數(shù)溫度范圍內(nèi)的靈敏度大約為50μV/℃量級，假如熱電偶引線必須在嘈雜的現(xiàn)場電磁環(huán)境下傳輸大約10m才能接入DAQ板，那么該引線和計(jì)算機(jī)總線上的干擾完全有可能引入200μV的噪聲，則會得到大約4℃的噪聲讀數(shù)，這樣的噪聲讀數(shù)對測試結(jié)果的影響是顯而易見的。但是，如果在靠近熱電偶使用處，首先將其信號放大500倍(相當(dāng)于其靈敏度變?yōu)?5mV/℃)，那么，在同樣的環(huán)境下再傳輸同樣的距離，DAQ輸入端的200μV的噪聲對相當(dāng)于25mV/℃的熱電偶輸出信號的影響，則可以完全忽略不計(jì)。因此，為了得到盡可能高的精度，應(yīng)該將信號進(jìn)行適當(dāng)?shù)姆糯?，?shí)際使用中一般可以將信號放大到它的幅值等于數(shù)/模轉(zhuǎn)換器的最大輸入范圍為最好。實(shí)際使用中，雖然對低電平信號進(jìn)行放大既可以在數(shù)據(jù)采集設(shè)備中進(jìn)行，也可以在信號源的附近的信號調(diào)理模塊中進(jìn)行，但是如果在數(shù)據(jù)采集設(shè)備中對信號進(jìn)行放大，信號就帶著進(jìn)入導(dǎo)線的噪聲一起被放大，然后進(jìn)行數(shù)/模轉(zhuǎn)換和測量，這樣顯然會產(chǎn)生較大誤差。而如果在信號源的附近就用信號調(diào)理模塊對信號進(jìn)行放大，噪聲的破壞作用將降低，數(shù)字化后就能更好地反映出低電平的原始信號。

使用屏蔽電纜或者雙絞線電纜并盡量縮短電纜長度能夠減少噪聲。此外，讓信號遠(yuǎn)離交流電源線和顯示器將有助于減少50Hz的噪聲。4.1.2隔離

當(dāng)被檢測的信號含有高電壓峰值、高壓浪涌或者是導(dǎo)線受到閃電影響時，就有可能損壞計(jì)算機(jī)、傳感器和測試設(shè)備甚至傷害操作者。另外，在傳感器系統(tǒng)的使用過程中，經(jīng)常會產(chǎn)生一些引起測量不準(zhǔn)確、甚至損壞DAQ板的故障，這些問題的一個最常見的原因就是接地不當(dāng)。因此，在這些情況下，出于安全考慮，將計(jì)算機(jī)與傳感器、傳感器與測量設(shè)備或者是計(jì)算機(jī)與測量設(shè)備進(jìn)行電氣或物理隔離就是防止這類問題的最有效的方法。在實(shí)際使用中還需要隔離的另一個原因是確保數(shù)據(jù)采集設(shè)備的測量不受地勢差的影響。這是因?yàn)?，?dāng)傳感器的地接到測量系統(tǒng)時，在兩個地之間就會出現(xiàn)所謂的共模電壓(common-modevoltage)。一般情況下，當(dāng)數(shù)據(jù)采集設(shè)備與信號不是參考同一地勢點(diǎn)的話，可能會發(fā)生對地環(huán)流，影響測量的精確性。如果信號地?cái)?shù)據(jù)采集設(shè)備的地勢差相當(dāng)大，甚至可能會損壞

測試系統(tǒng)。圖4-2所示的是一個單端接地的DAQ測量系統(tǒng)，其測量電壓包括信號US和地線環(huán)流引起的共模電壓UG。隔離通過破壞地線環(huán)流來消除共模電壓，使用信號調(diào)理器的隔離模塊可以減小對地環(huán)流，確保信號測試精確，并實(shí)現(xiàn)對DAQ板的保護(hù)。圖4-2單端接地的DAQ系統(tǒng)實(shí)際中常用的隔離方法有光(optical)隔離、磁(magnetic)隔離和電容(capacitive)隔離等。這些方法中，磁隔離和電容隔離在本質(zhì)上是同一種調(diào)制過程，它是先把信號電壓轉(zhuǎn)換為頻率，然后在送入DAQ板采集前再將其還原成電壓信號。

雖然在信號輸入時采用差分輸入，也可以在一定程度上消除共模電壓，但這只對于大約12V以內(nèi)的共模電壓有效。對于更大的共模電壓或者是地電流，就必須采用隔離的方法來破壞地線電流。另外，從系統(tǒng)接地的方法講，改單端接地為單點(diǎn)接地不失為一種簡單的隔離方法。4.1.3濾波

信號調(diào)理系統(tǒng)可以從被測試信號中濾掉不需要的噪聲成分，而濾波則是消除噪聲的一種有效的方法。信號通過濾波器后，就可以使信號變得相對平滑，而這種平滑本質(zhì)上就是一種數(shù)字的濾波技術(shù)。濾波器在配置上一般應(yīng)靠近ADC，平滑在非實(shí)時應(yīng)用情況下，一般用軟件的方法實(shí)現(xiàn)。一般情況下，我們可以把信號分為動態(tài)信號和穩(wěn)態(tài)信號。對于穩(wěn)態(tài)信號可采用動態(tài)平滑(DynamicalAveraging)技術(shù)，以便在消除噪聲的前提下得到相對平穩(wěn)的讀數(shù)。對于動態(tài)信號可同時采用模擬濾波器和數(shù)字濾波器，它們既可以消除噪聲，又可以實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)抗混疊濾波。具體使用時，應(yīng)注意模擬濾波器的截止頻率應(yīng)設(shè)計(jì)在DAQ板最高采樣率的1/2處，而數(shù)字濾波器的截止頻率應(yīng)自動調(diào)整在用戶通過軟件設(shè)定的采樣率的1/2處，這樣才能夠保證抗混疊濾波作用的實(shí)現(xiàn)。濾波器在設(shè)計(jì)的時候還應(yīng)注意信號的變化，例如對類似于溫度這樣緩慢變化的信號，常常只需要使用低通濾波器即可減少信號的高頻成分，從而提高數(shù)/模轉(zhuǎn)換的精度。由于使用低通濾波器可以濾除截止頻率以上的所有信號頻率成分，因此，許多信號調(diào)理裝置都有4Hz的低通濾波器，它很適于從低頻采樣的信號中濾除50Hz交流噪聲。

還有些信號調(diào)理裝置可以在軟件中選擇截止頻率，例如NI公司的SCXI—1144低通濾波器模塊可以選擇10～25Hz的截止頻率。實(shí)際使用中的濾波器除低通濾波器外，還包括高通、帶通和帶阻濾波器等，使用時必須根據(jù)測試的對象不同而進(jìn)行選擇。4.1.4傳感器激勵

傳感器激勵主要是給傳感器提供其工作所需要的信號，由于實(shí)際使用的傳感器很多都是無源器件，例如應(yīng)變片、熱電阻等，因此，它們必須要外部電壓或電流激勵才能夠進(jìn)行物理現(xiàn)象的測試。

常用的傳感器激勵的形式無非電壓激勵或電流激勵兩種。從目前的技術(shù)發(fā)展來看，為了提高實(shí)用性，許多信號調(diào)理設(shè)備都可以對傳感器提供必要的激勵，這無疑大大地簡化了進(jìn)行數(shù)據(jù)采集的工作量。4.1.5線性化

傳感器或者換能元件的主要作用是轉(zhuǎn)換，也就是將各種不便計(jì)算機(jī)直接處理的非電量信息或者不適合計(jì)算機(jī)處理的電量信息轉(zhuǎn)換成可以被計(jì)算機(jī)處理的數(shù)字化信息。但是，目前所使用的傳感器，很大一部分的輸入與輸出之間的響應(yīng)關(guān)系是非線性的，這種非線性化的輸出對于后續(xù)的檢測、控制顯然是不利的，因此，有必要對傳感器的輸出信號進(jìn)行一定程度的線性化處理。這種對信號的線性化處理在虛擬儀器的設(shè)計(jì)過程中主要是靠軟件來實(shí)現(xiàn)的。例如，利用LabVIEW的軟件模塊就可以對傳感器的電壓信號進(jìn)行線性化處理，從而使電壓信號被正確地標(biāo)定為被測量的物理現(xiàn)象。同時，LabVIEW還提供了一些簡單的標(biāo)定函數(shù)，可以用來將應(yīng)變片、熱電阻、熱電偶及熱敏電阻等傳感器輸出的非線性電信號進(jìn)行轉(zhuǎn)換和處理。4.1.6數(shù)字信號調(diào)理

在實(shí)際應(yīng)用中，為了滿足系統(tǒng)精度和控制的要求，即使有些傳感器能夠直接輸出數(shù)字信號，有時也需要進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)理，即數(shù)字信號的調(diào)理過程。數(shù)字信號調(diào)理作用是將傳感器輸出的數(shù)字信號進(jìn)行必要的整形或電平調(diào)整。

大多數(shù)數(shù)字信號調(diào)理模塊還提供其他一些電路模塊，使得用戶可以通過數(shù)據(jù)采集卡的數(shù)字I/O直接控制電磁閥、電燈、電動機(jī)等外部設(shè)備。

4.2常用的信號調(diào)理設(shè)備形式

4.2.1信號調(diào)理器

信號調(diào)理器的結(jié)構(gòu)一般包括信號連接端口、信號調(diào)理模塊和信號調(diào)理機(jī)箱幾部分。在該結(jié)構(gòu)中，信號調(diào)理模塊是實(shí)現(xiàn)信號調(diào)理功能的主要部件，根據(jù)需要調(diào)理對象的要求不同，目前市面上有多個生產(chǎn)廠家的具有不同功能的多種調(diào)理模塊可以選擇。圖4-3所示的是一種高度可擴(kuò)展的信號調(diào)理系統(tǒng)，也是信號調(diào)理設(shè)備的最常見形式。它一般是用作插入式數(shù)據(jù)采集卡的前端信號調(diào)理裝置。本章主要以這種形式為例來介紹信號調(diào)理的相關(guān)操作。圖4-3信號調(diào)理器的結(jié)構(gòu)4.2.2信號調(diào)理附件

信號調(diào)理附件是一種低價位、單功能的信號調(diào)理裝置，其外型類似于常見的數(shù)據(jù)采集卡。在圖4-4中，用其作插入式數(shù)據(jù)采集卡的前端，即可構(gòu)成簡單的信號調(diào)理裝備。

目前，常用的信號調(diào)理附件主要有應(yīng)變調(diào)理卡、熱電阻調(diào)理卡、多通道同步放大卡和多路復(fù)用板等幾種。圖4-4簡單的信號調(diào)理裝備4.2.3便攜式信號調(diào)理模塊

SCC相對于信號調(diào)理附件要復(fù)雜一些，它是一種緊湊、便攜、低價位的調(diào)理系統(tǒng)，一般由一系列單通道或多通道模塊組成。

在實(shí)際使用過程中，這種便攜式信號調(diào)理模塊可通過屏蔽盒與數(shù)據(jù)采集卡相連，并可以連接熱電偶、高電壓、電流信號等不同形式的信號。主要有E系列數(shù)據(jù)采集卡，如圖4-5所示。圖4-5便攜式信號調(diào)理模塊4.2.4信號調(diào)理模塊(5B系列)

圖4-6所示為5B系列信號調(diào)理模塊。?5B系列信號調(diào)理模塊與信號調(diào)理卡的功能和特點(diǎn)很相似，是由一個個信號調(diào)理

模塊組成的，這些信號調(diào)理模塊都插入到一個背板中，而背板上則有電纜插口，通過電纜插口可以方便地與數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行連接。圖4-65B系列信號調(diào)理模塊4.2.5分布式信號采集設(shè)備

在一些大型生產(chǎn)現(xiàn)場，由于信號相互之間的影響很嚴(yán)重，因此，依靠簡單的信號調(diào)理設(shè)備，其工作可能很不穩(wěn)定，而且系統(tǒng)構(gòu)建起來也很復(fù)雜。在這種情況下，就可以采用分布式信號采集系統(tǒng)進(jìn)行信號的調(diào)理和數(shù)據(jù)的采集。這種分布式信號采集系統(tǒng)一般都采用模塊化的方式和設(shè)計(jì)思路構(gòu)成，它不僅可以完成信號調(diào)理，而且具有數(shù)據(jù)采集和網(wǎng)絡(luò)通信的功能。分布式信號采集系統(tǒng)為工業(yè)現(xiàn)場測試提供了方便，它可以使信號調(diào)理在靠近傳感器的位置進(jìn)行。分布式信號采集系統(tǒng)主要有以下三種形式。

1)?Field-point系列

Field-point在一個背板上需要分別安裝輸入/輸出模塊和通信模塊，其示意圖如圖4-7所示。輸入/輸出模塊可以連接應(yīng)變片、熱電偶、熱電阻等各種傳感器或電壓信號，進(jìn)行信號調(diào)理和A/D轉(zhuǎn)換；也可以輸出模擬信號。通信模塊與計(jì)算機(jī)的通信有串口、以太網(wǎng)、無線等幾種形式。圖4-7Field-point背板示意圖

2)?CompactField-point系列

這是一種緊湊的Field-point，比普通的Field-point尺寸更小，抗沖擊和抗振性能更好，更適于工業(yè)現(xiàn)場應(yīng)用。

3)?6B系列

6B系列信號調(diào)理模塊外形與5B類似，如圖4-8所示。它的背板上有RS-232和RS-485端口，可以直接連接到計(jì)算機(jī)串口，其最大通信距離可達(dá)1.2km。圖4-86B系列信號調(diào)理模塊4.3信號調(diào)理器與數(shù)據(jù)采集卡的通信

信號調(diào)理器作前端信號調(diào)理系統(tǒng)時，采用兩種基本的操作模式向數(shù)據(jù)采集設(shè)備傳遞數(shù)據(jù)：多路復(fù)用模式和并行模式。但是有些信號調(diào)理設(shè)備只支持多路復(fù)用模式，如SCXI-1100、SCXI-1122等信號調(diào)理模塊。

采用多路復(fù)用模式時，信號調(diào)理設(shè)備的所有輸入通道都會被復(fù)合到一個通道輸出。在缺省情況下，以差分方式輸出到數(shù)據(jù)采集設(shè)備的0通道。如果機(jī)箱中裝有多個模塊，則只需要將一個模塊直接連到數(shù)據(jù)采集設(shè)備。由于所有的模塊都插入信號調(diào)理器總線背板，因此數(shù)據(jù)采集設(shè)備可以通過信號調(diào)理器總線訪問機(jī)箱中的其他模塊，而數(shù)據(jù)采集卡上某些模擬和數(shù)字線則可以留到信號調(diào)理器通信時用。

在多路復(fù)用模式中，有些數(shù)據(jù)采集設(shè)備支持多通道、多掃描采集，而有些設(shè)備只支持單通道或單掃描采集。

當(dāng)模擬輸入模塊運(yùn)行在并行模式下時，這個模塊直接把每個通道的信號傳送到與它相關(guān)的數(shù)據(jù)采集設(shè)備的一個單獨(dú)的模擬輸入通道。此時，如果信號調(diào)理器中裝有其他模塊，將不能通過這個模塊與數(shù)據(jù)采集設(shè)備進(jìn)行通信。在這種情況下，可以在計(jì)算機(jī)中安裝多個數(shù)據(jù)采集設(shè)備，分別與信號調(diào)理機(jī)箱中各個單獨(dú)的模塊連接。

在缺省情況下，運(yùn)行在并行模式下的模塊將0通道信號以差分方式送到數(shù)據(jù)采集設(shè)備的模擬輸入0通道，1通道信號送到數(shù)據(jù)采集設(shè)備模擬輸入1通道，依次類推。數(shù)據(jù)采集設(shè)備上有效的通道數(shù)限制了模擬輸入的總通道數(shù)。

NI公司建議用戶在大多數(shù)情況下使用多路復(fù)用模式。4.4信號調(diào)理設(shè)備安裝與設(shè)置

許多信號調(diào)理設(shè)備需要在安裝前進(jìn)行一些跳線設(shè)置，以確定諸如與數(shù)據(jù)采集設(shè)備傳遞數(shù)據(jù)的方式、信號調(diào)理設(shè)備的增益、參考地的選擇，相連的機(jī)箱或模塊的數(shù)量等工作條件。具體的跳線位置需要參考所使用的信號調(diào)理設(shè)備的用戶手冊。信號調(diào)理設(shè)備安裝后，還需要在MAE中進(jìn)行不同的設(shè)置，在使用LabVIEW進(jìn)行用戶程序的開發(fā)過程中需要關(guān)于設(shè)置的信息，這樣才能使信號調(diào)理正確工作。例如信號調(diào)理卡要設(shè)置為一個附件，而信號調(diào)理器要設(shè)置為一個設(shè)備。4.4.1在DAQmx中進(jìn)行信號調(diào)理器設(shè)置

信號調(diào)理器是非即插即用設(shè)備，而且需要在傳統(tǒng)DAQ和DAQmx中分別進(jìn)行設(shè)置。

下面以SCXI-1100信號調(diào)理機(jī)箱、SCXI-1122多功能信號調(diào)理模塊和SCXI-1322接線端子這套典型的信號調(diào)理設(shè)備為例，首先來介紹在DAQmx中進(jìn)行信號調(diào)理器設(shè)置的方法。SCXI-1000機(jī)箱有4個插槽，可以安裝4個模塊，本例中只使用了一個SCXI-1122模塊。

SCXI-1122是16通道多功能信號調(diào)理模塊，提供電壓激勵和電流激勵、濾波與放大、應(yīng)變片組橋等功能，可以連接熱電阻、應(yīng)變片和電壓信號等。SCXI-11模塊輸出端是50針插口，與16通道數(shù)據(jù)采集卡連接時要通過68M-50F轉(zhuǎn)接頭連接到68芯電纜上。

具體操作步驟如下：

(1)在MAE的MySystem→DevicesandInterfaces項(xiàng)上彈出CreateNew…新建向?qū)?，如圖4-9所示。圖4-9添加信號調(diào)理器

(2)在這個窗口中選擇NI-DAQmxDevices→NI-DAQmxSCXIChassis→SCXI-1000，然后單擊“Finish”按鈕，彈出如圖4-10所示的“新建信號調(diào)理機(jī)箱”對話框。在ChassisCommunicator下拉列表中出現(xiàn)計(jì)算機(jī)上已經(jīng)安裝的數(shù)據(jù)采集卡。

(3)根據(jù)SCXI-1122在機(jī)箱里的位置，選擇通信模塊插槽號。機(jī)箱地址使用默認(rèn)值。選中自動檢測機(jī)箱中的模塊。單擊“Save”按鈕以后彈出機(jī)箱設(shè)置對話框，如圖4-11所示。圖4-10DAQmx新建信號調(diào)理器機(jī)箱圖4-11DAQmx信號調(diào)理模塊設(shè)置

(4)在這個對話框上端的告警提示為1號插槽的SCXI-1122沒有設(shè)置附件。我們在Accessory下拉列表中選擇SCXI-1322，告警便會消失。如果單擊SCXI-1122右端的“Details...”按鈕，會彈出一個關(guān)于附件與通信設(shè)置的對話框。

(5)在如圖4-12所示的機(jī)箱設(shè)置對話框中選擇機(jī)箱Chassis，可以選擇通信設(shè)置和查看機(jī)箱標(biāo)識。單擊“OK”按扭，即可完成信號調(diào)理器設(shè)置。圖4-12DAQmx信號調(diào)理機(jī)箱設(shè)置4.4.2在傳統(tǒng)DAQ中進(jìn)行信號調(diào)理器設(shè)置

1．安裝信號調(diào)理器

在傳統(tǒng)DAQ中安裝信號調(diào)理器的操作步驟如下：

(1)打開圖4-3所示的添加設(shè)置對話框，選中TraditionalNI-DAQDevice→SCXI-1000項(xiàng)。

(2)單擊“Finish”按鈕，彈出如圖4-13所示的對話框。

(3)使用默認(rèn)的機(jī)箱標(biāo)識和默認(rèn)機(jī)箱地址，直接單擊“下一步”按鈕，彈出如圖4-14所示的自動檢測模塊對話框。圖4-13傳統(tǒng)DAQ信號調(diào)理機(jī)箱設(shè)置圖4-14自動檢測模塊設(shè)置

(4)如果信號調(diào)理設(shè)置已經(jīng)連接好，并已經(jīng)打開機(jī)箱電源。選中自動檢測機(jī)箱中的模塊Auto-DetectModules選框下的“Yes”，單擊“下一步”按鈕，則會彈出如圖4-15所示的通信選擇對話框。圖4-15通信選擇對話框

(5)在通信路徑中自動出現(xiàn)已安裝的數(shù)據(jù)采集設(shè)備PCL-6024E。單擊“下一步”按鈕，彈出如圖4-16所示的自動檢測結(jié)果對話框。

(6)在這里列出了系統(tǒng)自動檢測到的機(jī)箱中所有的模塊，要在其中選擇一個與數(shù)據(jù)采集卡連接的模塊。在本例中選擇SCXI-1122即可，單擊“完成”按鈕。

如果在進(jìn)行以上的設(shè)置時沒有連接信號調(diào)理器或信號調(diào)理器沒有打開電源，將檢測不到信號調(diào)理模塊，那就需要手動添加。在安裝完的機(jī)箱中選中一個模塊進(jìn)行Insert操作即可。圖4-16自動檢測結(jié)果

2．模塊設(shè)置

在傳統(tǒng)DAQ中安裝完信號調(diào)理器以后，還要進(jìn)行模塊

設(shè)置。

(1)在MAX的MySystem→Devices中單擊Device標(biāo)簽打開設(shè)備設(shè)置頁，將低通濾波截止頻率選擇為4Hz，然后單擊校準(zhǔn)“Calibration”按鈕，打開如圖4-17所示的校準(zhǔn)向?qū)А?/p>

(2)在校準(zhǔn)面板中選擇“偏置調(diào)零(EnableOffisetNulling)”。如果不接分流電阻，就不必選中EnableShuntCalibration。圖4-17應(yīng)變測量校準(zhǔn)向?qū)?/p>

(3)單擊“Next”按鈕，打開如圖4-18所示的校準(zhǔn)窗口。校準(zhǔn)窗口打開后自動進(jìn)行第一次測量，測量結(jié)果顯示在表中。

通道信息——局部虛擬通道名和物理通道；

偏置調(diào)節(jié)——顯示偏置誤差，已決定是否需要偏置校準(zhǔn)；

增益調(diào)節(jié)——顯示增益誤差和分流校準(zhǔn)過程。

(4)單擊“Calibration”按鈕，然后單擊“Finish”按鈕，完成校準(zhǔn)。這時在數(shù)據(jù)采集助手中，初始電壓框會出現(xiàn)被測件變形時應(yīng)變測量電路的電壓值。

(5)單擊數(shù)據(jù)采集助手工具條中的“Test”按鈕進(jìn)行測試，之后單擊“SaveTask”按鈕，保存任務(wù)。圖4-18應(yīng)變測量校準(zhǔn)窗口

3．生成應(yīng)變測量程序代碼

進(jìn)入LabVIEW，通過DAQmx任務(wù)常數(shù)生成應(yīng)變測量程序代碼。

在圖4-19所示的DAQmx應(yīng)變測量程序框圖中，在LabVIEW自動生成的ConfigurationandExample代碼中增加了幾個函數(shù)，把第一個通道的應(yīng)變值提取出來。圖4-19應(yīng)變測量程序圖形代碼這個程序看上去非常簡單，但關(guān)于應(yīng)變設(shè)置的部分都在任務(wù)設(shè)置VI中，圖4-20所示是應(yīng)變測量任務(wù)設(shè)置子VI程序框圖。本書中對原始代碼作了一些整理。

在這個子VI中，用DAQmxCreateTask、DAQmxCreateVirtualChannel、DAQmxTiming三個函數(shù)和一個屬性節(jié)點(diǎn)，將數(shù)據(jù)采集助手中的設(shè)置全部轉(zhuǎn)換為程序中的設(shè)置，通過修改程序代碼，可以改變應(yīng)變測量設(shè)置和增加程序功能。圖4-20應(yīng)變測量任務(wù)設(shè)置子VI程序框圖4.5課程練習(xí)

溫度測量常用的兩種傳感器是熱電偶和熱電阻。本節(jié)介紹用信號調(diào)理器SCX1-1122和熱電阻進(jìn)行溫度測量，以及用信號調(diào)理模塊FP-TC-120和熱電偶進(jìn)行溫度測量。

1．在傳統(tǒng)系統(tǒng)中使用信號調(diào)理器和熱電阻

1)用熱電阻測量溫度的原理

工業(yè)上廣泛應(yīng)用熱電阻(RTD)測量的溫度范圍為－200～+500℃。其原理是利用材料的電阻值隨溫度變化來測量溫度，熱電阻的顯著特點(diǎn)是能在很大范圍內(nèi)保持測量準(zhǔn)確度高、輸出信號大、易于實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離傳輸和多點(diǎn)自動測量。常用的熱電阻材料有鉑、銅、鎳和半導(dǎo)體材料，其中最常用的是鉑。鉑電阻溫度計(jì)在國際實(shí)用溫標(biāo)(IPTS-68)中被規(guī)定為-259.34～+630.74℃的標(biāo)準(zhǔn)儀器。鉑電阻一般用鉑絲繞在云母、石英或陶瓷支架上，外面用不銹鋼、陶瓷或石英封裝起來，也有薄膜形式的鉑電阻，可以粘貼在被測量對象表面。

連接熱電阻到測量系統(tǒng)的導(dǎo)線中的電阻會增加測量誤差。如果使用的導(dǎo)線長度超過3m，就需要進(jìn)行導(dǎo)線電阻補(bǔ)償。熱電阻有2線、3線和4線等幾種形式，它們的連接如圖4-21所示。圖中，IEX為激勵電流，Vmes為信號電壓，RT為熱電阻，RL為導(dǎo)線電阻。

3線形式適于電橋測量電路，可以減小熱電阻預(yù)測系統(tǒng)之間的導(dǎo)線因環(huán)境溫度變化所引起的測量誤差。4線形式不僅可以消除連接導(dǎo)線電阻的影響，還可以消除測量電路中寄生電勢引起的測量誤差。圖4-21熱電阻的形式(a)?2線；(b)?3線；(c)4線信號調(diào)理是熱電阻和數(shù)據(jù)采集卡之間一個必要的接口。熱電阻需要的信號調(diào)理包括對熱電阻的電流激勵和對測量信號的放大、濾波、隔離。

使用熱電阻是不需要像熱電偶那樣考慮冷端補(bǔ)償?shù)摹Ｔ贚abVIEW中開發(fā)溫度測量的應(yīng)用程序，可以使用易用模擬輸入函數(shù)。如果測量多個溫度傳感器的信號，為了提高程序執(zhí)行的效率，可以使用中級模擬輸入函數(shù)。

2)使用虛擬通道進(jìn)行溫度測量

在MAX中進(jìn)行模擬通道設(shè)置可以簡化編程。創(chuàng)建虛擬通道的方法如下所述：

(1)在MAX的DataNeighborhood項(xiàng)上單擊鼠標(biāo)右鍵，在彈出的快捷菜單中選擇CreateNew項(xiàng)；

(2)在打開新建對話框以后，選擇TraditionalNI-DAQVirtualChannel項(xiàng)，彈出創(chuàng)建虛擬通道向?qū)В?/p>

(3)在向?qū)б龑?dǎo)下選擇通道類型、通道名、傳感器類型、信號單位、標(biāo)度和使用的數(shù)據(jù)采集設(shè)備等。使用熱電阻進(jìn)行溫度測量時，各步驟的要點(diǎn)如下：

(1)通道類型選擇AnalogInput；

(2)輸入通道名；

(3)傳感器類型選擇AmericanRTD；

(4)單位選DegC.Range，根據(jù)被測對象溫度范圍設(shè)置；

(5)?RTD名義電阻值，根據(jù)實(shí)際采用的RTD設(shè)置，對于常用的Pt100熱電阻設(shè)為100；

(6)?DAQ硬件設(shè)置如圖4-22所示的創(chuàng)建虛擬通道向?qū)О濉?/p>

LabVIEW用適當(dāng)?shù)臉O限和增益設(shè)置硬件對熱電阻進(jìn)行測量，然后對測量進(jìn)行量化。編程時只需要在Channels參數(shù)中輸入設(shè)置過的模擬通道名。采集到的數(shù)據(jù)的物理單位與在MAX進(jìn)行的設(shè)置一致。

熱電阻的具體接線方法請參考SCX1-1122用戶手冊。

圖4-23所示的程序使用了在MAX中進(jìn)行設(shè)置的通道名，因此AIREAD函數(shù)返回的數(shù)據(jù)就是實(shí)際測量的溫度值。這個程序采用了硬件定時的連續(xù)數(shù)據(jù)采集，設(shè)置了每通道采樣數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)10倍的緩沖區(qū)。在每次采集中依次對各通道溫度值進(jìn)行平均，for循環(huán)輸出一個數(shù)組，其中每個成員是一個通道最新的溫度值，這個數(shù)組轉(zhuǎn)換成簇，顯示在一個Chart中，每條線顯示一個通道的溫度值。采集完成后用AICLEAR函數(shù)清除采集的設(shè)置。圖4-22創(chuàng)建虛擬通道向?qū)D4-23使用虛擬通道進(jìn)行測量的程序框圖

3)使用物理通道進(jìn)行溫度測量

圖4-24所示的程序使用物理通道進(jìn)行溫度測量，AICONFIG函數(shù)的Channels參數(shù)使用表4-2所示的語法寫通道名。AIREAD函數(shù)返回的數(shù)據(jù)是測量到的電壓值，需要使用DataAcquisition-SignalConditioning函數(shù)子模塊中的熱電阻轉(zhuǎn)換函數(shù)ConvertRTD把從熱電阻讀到的電壓值轉(zhuǎn)換為溫度值，同時要為這個函數(shù)輸入激勵電流值Iex和熱電阻在0的電阻值R0，ConvertRTDReading函數(shù)只適用于鉑電阻。圖4-24使用傳統(tǒng)DAQ物理通道進(jìn)行測量的程序框圖

2．在DAQmx中使用信號調(diào)理器和熱電阻

在系統(tǒng)中進(jìn)行溫度測量時，我們也使用在DAQmx中創(chuàng)建測試任務(wù)，然后在DAQmx中生成程序代碼的方法。

1)創(chuàng)建溫度測試任務(wù)

在MAX中創(chuàng)建溫度測試任務(wù)的要點(diǎn)如下：

(1)測試類型選擇AnalogInput→Temperature-RTD；

(2)建立局部虛擬通道時，物理通道選擇SC1Mod1(SCX1-1122)-ai3。這里假定熱電阻連接到SCX1-1122的3個通道，具體接線方法參考SCX1-1122用戶手冊。

(3)輸入任務(wù)名稱。數(shù)據(jù)采集助手打開以后，與溫度測量有關(guān)的部分如圖4-25所示，在Setting頁設(shè)置以下內(nèi)容。

輸入范圍——按被測對象溫度范圍設(shè)置；

熱電阻類型——根據(jù)實(shí)際應(yīng)用的熱電阻類型選擇；

熱電阻名義電阻值——根據(jù)實(shí)際應(yīng)用的熱電阻設(shè)置；

連線設(shè)置——根據(jù)實(shí)際應(yīng)用的熱電阻是幾線來選擇；

激勵電源——熱電阻沒有外接電源時選Internal；

激勵電流值——SCX1-1122提供的激勵電流值是1mA。

在Device頁設(shè)置低通濾波截止頻率為4Hz，單擊工具條的“Test”按鈕進(jìn)行測試，然后單擊“SaveTask”按鈕保存任務(wù)。圖4-25溫度測試數(shù)據(jù)采集助手設(shè)置

2)生成溫度測量程序代碼

進(jìn)入LabVIEW，通過DAQmx任務(wù)常數(shù)生成溫度測量程序代碼。圖4-26所示是DAQmx溫度測量程序框圖。圖4-26DAQmx溫度測量的程序框圖

3．使用熱電偶和熱電阻

1)熱電偶簡介

熱電偶是由兩種不同的導(dǎo)體A和B兩端相連組成的閉合回路，如圖4-27所示，如果兩端溫度T和T0不相等，將產(chǎn)生溫差電動勢。推動回路內(nèi)有電流經(jīng)過。組成該回路的A、B兩導(dǎo)體為熱電極，由A、B導(dǎo)體組成的回路稱為熱電偶。

熱電偶的T0端為冷端或參考端。T端為熱端或測量端，如過冷端電流從導(dǎo)體A流向?qū)wB，則A稱為熱電偶的正極，B稱為負(fù)極。圖4-27熱電偶常用熱電偶的類型有：

(1)鉑銠-鉑熱電偶(S型)：可用于長時間測高溫，可達(dá)1600℃；

(2)鉑銠-鉑熱電偶(R型)：比S型的性能更加穩(wěn)定，溫差電勢較大；

(3)鉑銠-鉑銠熱電偶(B型)：具有熱電性能穩(wěn)定、抗氧化性強(qiáng)，適宜在氧化性、惰性氣體中連續(xù)使用。

(4)鎳鉻-鎳硅(鎳鋁)熱電偶(K型)：應(yīng)用廣泛，最高溫度可達(dá)1200℃，高溫下抗氧化及抗腐蝕能力強(qiáng)，線性好；

(5)銅-康銅熱電偶(T型)：熱電偶均勻性好，熱電勢大，靈敏度高，線性好，在－200～+350℃范圍內(nèi)是廉價熱電偶中準(zhǔn)確度最高的；

(6)鎳鉻-康銅熱電偶(E型)：常用熱電偶中溫差電勢最大，靈敏度最高，適宜在－250～+870℃的氧化或惰性氣氛中用；

(7)鐵-康銅熱電偶(J型)：氧化氛圍中上限溫度為750℃，還原氛圍中為950℃。

使用熱電偶的一個重要問題是冷端處理，過去常用冰點(diǎn)法、修正法等。NI的熱電偶調(diào)理設(shè)備具有冷端補(bǔ)償功能。

2)使用FieldPoint測溫度法

在使用FieldPoint時，首先要設(shè)置FieldPoint，然后建立FieldPointItem。進(jìn)入LabVIEW后，在與FieldPointItem之間建立聯(lián)系時就可以使用快速VI，也可以通過前面板I/O控件模板的FieldPointIOPoint控件或NI-Measurements-FieldPoint函數(shù)子模板的FieldPointIOConstant常數(shù)。在FieldPointIOPoint控件或常數(shù)的下拉列表中，會出現(xiàn)在MAX中創(chuàng)建的FieldPointItem?？?/p>