第16章 信号调理.docx

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第16章信号调理

第16章　信号调理

16.1信号调理的基本概念

16.2常用的信号调理设备形式

16.3信号调理设备与数据采集设备的通信

16.4信号调理设备安装与设置

16.5信号调理器信道定址

16.6信号调理器的增益

16.7信号调理器的设置时间

16.8常用信号调理程序

16.8.1用热电阻测量温度

16.8.2应变测量

第16章　信号调理

16.1信号调理的基本概念

传感器可以把温度、压力、位移、声、光等物理现象转变为电信号。

表16-1列出了一些常用的传感器。

表16-1常用的传感器

现象

传感器

温度

热电偶

热电阻

热敏电阻

集成电路传感器

光

真空管光学传感器

光电管

声

麦克风

力和压力

应变片

压电传感器

测力环

位置

（位移）

电位计

线性电压差动变压器

光学编码器

流量

压力表

旋转式流量计

超声波流量计

PH值

PH电极

来自传感器的电信号一般还不能用数据采集设备来测量，最主要的问题是它们大多数输出电压非常小，且极易受噪声影响，而有些信号又有可能存在很高的尖峰值。

因此在将它们转换为数字量之前需要先进行放大、滤波或隔离等预处理，这项工作叫做信号调理。

图16-1显示了一些常见类型的传感器或电信号和它们各自需要的信号调理。

图16-1常用的信号调理

1．放大

放大是一种最常用见的信号调理。

对电信号进行放大的两个好处是它可以改进信号数模转换的精度并可以减少噪声。

为了得到尽可能高的精度，应该将信号放大到它的幅值等于模数转换器的最大输入范围。

虽然对低电平信号进行放大可以在数据采集设备中进行，也可以在信号源附近的信号调理模块中进行；但是在数据采集设备中对信号进行放大，信号就带着进入导线的噪声一起被放大，然后进行模数转换和测量；而在信号源附近用信号调理模块放大信号，噪声的破坏作用将降低，数字化后能更好的反应低电平的原始信号。

使用护套电缆或双绞线电缆并尽量缩短电缆长度能够减少噪声，此外，让信号线远离交流电源线和显示器将有助于减少50Hz的噪声。

图16-2信号的放大

2．隔离

当被检测的信号含有高电压峰值时，它可能损坏计算机或伤害操作者。

在这种情况下出于安全考虑就需要将计算机与传感器隔离。

进行隔离的另一个原因是确保数据采集设备的测量不受地势差的影响。

当数据采集设备与信号不是参考同一点地势点的话，就可能发生对地环流，影响测量的精确性；如果信号地和数据采集设备地的势差很大的话，甚至可能损坏测试系统。

使用信号调理器的隔离模块可以减小对地环流，确保信号测试精确。

3．滤波

信号调理系统可以从被测试信号中滤除掉不需要的成分或噪声。

对类似于温度这样缓慢变化的信号常常需要使用低通滤波器，减少信号的高频成分，提高数模转换的精度。

使用低通滤波器可以滤除截止频率以上的所有信号频率成分。

许多信号调理装置都有4Hz的低通滤波器，它很适于从低频采样的信号中滤除50Hz交流噪声。

还有些信号调理装置可以在软件中选择截止频率，例如NI公司的SCXI—1144低通滤波模块可以选择10Hz到25Hz截止频率。

4．传感器激励

应变片、热电阻等许多传感器都需要外部电压或电流的激励来进行物理现象测试。

一些插入式的数据采集设备和SCXI—1121、SCXI—1122等信号调理模块都可以对传感器提供必要的激励。

5．线性化

热电偶等许多传感器对被测的物理现象的响应是非线性的。

LabVIEW可以对传感器的电压信号进行线性化，从而使电压信号被正确标定为被测的物理现象。

LabVIEW提供简单的标定VI，用来将应变片、热电阻、热电偶及热敏电阻的电压信号进行转换。

16.2常用的信号调理设备形式

1．信号调理器（SCXI—SignalConditioningeXtensionsforinstrumentation）

信号调理器由信号调理机箱、信号调理模块（实现信号调理功能的主要部件，具有多种功能模块可以选择）和信号连接端口组成。

这是一种高度可扩展的信号调理系统，也是信号调理设备的常见形式。

在图16-3（a）中用它做插入式数据采集卡的前端信号调理装置，本章主要以这种形式为例介绍信号调理的相关操作。

在图16-3（b）中，信号调理机箱里增加了数据采集模块，构成便携式电脑的数据采集与控制系统。

这种系统可以用SCXI—1200模块，连接到计算机并口；也可以用SCXI—2000远程控制机箱或使用SCXI—2400远程控制模块插入SCXI—100x机箱，连接到串口。

SCXI—1200模块是一个多功能的模拟、数字和计数器模块，它可以控制安装在同一机箱的几个信号调理模块，其功能类似于插入式的1200系列设备。

图16-3常用信号调理设备的形式

2.信号调理板

信号调理板是低价位、单功能的信号调理装置，外形类似于数据采集卡。

在图16-3（c）中用它做插入式数据采集卡的前端信号调理装置。

信号调理板主要有应变调理板、热电偶和热电阻调理板、多通道同步放大调理板等几种。

3.信号调理模块（5B系列）

图16-3（d）的5B系列信号调理模块与信号调理板的功能和特点相似。

但它是由一个个信号调理模块插入一个背板组成。

背板上有电缆插口便于与数据采集卡连接。

4.分布式信号调理模块（FiledPoint）

图16-3（e）的分布式信号调理模块工业为现场测试提供了方便，它可以使信号调理放在靠近传感器的位置。

分布式信号调理模块的一个背板上需要分别安装信号调理模块、控制模块和通讯模块。

通讯模块与计算机的通讯有串口、以太网、无线等几种形式。

16.3信号调理设备与数据采集设备的通信

信号调理器作前端信号调理系统时，它向数据采集设备传递数据有两种基本的操作模式：

多路复用模式和并行模式。

但是有些信号调理设备只支持多路复用模式，例如SCXI—1100、SCXI—1122等信号调理模块。

采用多路复用模式时信号调理设备的所有输入信道都被复合到一个信道输出。

在缺省情况下，以差分方式输出到数据采集设备的0信道。

如果机箱中装有多个模块，则只需要将一个模块直接连接到数据采集设备，由于所有模块都插入信号调理器总线背板，所以数据采集设备可以通过信号调理器总线访问机箱中的其它模块。

数据采集卡上某些模拟和数字线保留做信号调理器通信用。

在多路复用模式中有些数据采集设备支持多信道、多扫描的采集，而有些设备只支持单信道或单扫描采集。

当模拟输入模块运行在并行模式下时，这个模块直接把它每个信道的信号传送到与它相连的数据采集设备的一个单独的模拟输入信道。

此时如果信号调理器中装有其它模块，也不能通过这个模块来与数据采集设备通信。

在这种情况下，可以在计算机中安装多个数据采集设备，分别与信号调理器机箱中各个单独的模块上连接。

例如安装两个AT-MIO-16E-2设备，将它们分别连接到一个单独的SCXI-1120模块上。

在缺省情况下，运行在并行模式下的模块将0信道信号以差分方式送到数据采集设备的模拟输入0信道，1信道信号送到数据采集设备模拟输入1信道，依此类推。

数据采集设备上有效的信道数限定了模拟输入的总信道数。

NI公司建议大多数情况下使用多路复用模式。

16.4信号调理设备安装与设置

许多信号调理器模块需要在安装前进行一些跳线设置，以确定诸如与数据采集设备传递数据的方式、信号调理设备的增益、参考地点的选择、相连的机箱或模块的数量等工作条件。

具体的跳线位置需要参考所使用的信号调理模块的用户手册。

信号调理器系统安装后还需要在Measurement&AutomationExplorer中进行不同的设置，LabVIEW需要关于设置的信息才能使信号调理系统正确工作。

例如信号调理板要设置为一个附件，而信号调理器要设置为一个设备。

下面以SCXI-1000信号调理机箱、SCXI-1122多功能信号调理模块和SCXI-1322接线端子这套典型的信号调理设备为例介绍信号调理设备的设置方法。

图16-4信号调理设备的设置

1.打开Measurement&AutomationExplorer，在DevicesandInterfaces条目上上击鼠标右键弹出CreateNew选项，确认后出现图16-4（a）的对话框。

选中SCXI-1000后点击Finish出现图16-4（b）的对话框。

2.使用默认的机箱标识1和默认机箱地址0，直接点击下一步按钮，出现图16-4（c）的对话框。

3.如果信号调理设备已经连接好，并已经打开机箱电源，选中Auto-DetectModules（自动检测机箱中的模块）选框下的Yes，点击下一步按钮，出现图16-4（d）的对话框。

4.在通信路径中自动出现已安装的数据采集设备PCI-6035E。

点击下一步按钮，出现图16-4（e）的对话框。

5.系统自动检测到SCXI-1122模块。

点击完成按钮。

在图16-5中可以看到已经安装了SCXI-1000信号调理机箱和SCXI-1122信号调理模块。

如果在进行以上的设置时没有连接信号调理器或信号调理器没有打开电源，将检测不到信号调理模块，那就需要进行手工添加。

在安装完的机箱中选中一个模块进行Insert操作即可。

6.在模块选项SCXI-1122上击鼠标右键弹出菜单，选Properties对模块进行设置。

General标签下选择ConnectedDevice（连接设备）PCI-6035E。

选中Thisdevicewillcontrolthechannel。

Channel标签下选择Gain（增益）：

2000，Filter（滤波器）：

4Hz,InputMode（输入模式）：

differential。

（SCXI-1122模块有两种输入模式，即差分和4线扫描（4-wiremode）。

差分模式下16个信道全部用做信号输入；4线扫描时前8个信道用做信号输入，后8个信道用做电流激励。

）

Accessory标签下选择SCXI-1322。

16.5信号调理器信道定址

由信号调理设备的信道上采集信号时，和从插入式板卡的信道上采集信号使用相同的VI与相同的方法。

使用信号调理设备时信道的定址要区分两种情况。

从设置为附件的信号调理卡的信道上采样时，只需要考虑信号调理卡的信道与数据采集卡信道的对应关系，完全按照数据采集卡信道定址的方法操作就可以了；从设置为设备的信号调理器采集信号时，信道的定址有两种方法。

1.在Measurement&AutomationExplorer中进行信道的设置

按照本书13.3.1介绍的信道定址方法创建虚拟信道时，将连接的硬件选为所使用的信号调理模块，硬件上的信道也选为信号调理模块上的信道。

如图16-6所示。

设置信道后，在数据采集VI中按信道名访问这个信道的数据，就象访问数据采集卡上的信道一样。

图16-6使用信号调理器的信道设置

2.直接访问信号调理器的信道

如果没有在Measurement&AutomationExplorer中进行信道的设置，而且在多路复用模式下工作，就需要按一定的语法，填写数据采集VI的信道表参数。

表16-2信号调理器信道定址语法

信道表成员

信道参数

obz!

scx!

mdy!

a

信号调理机箱标识为x，机箱内y插槽上的模块，模块中a信道，多路复用到数据采集卡上的z信道。

obz!

scx!

mdy!

a:

b

信号调理机箱标识为x，机箱内y插槽上的模块，模块中a～b连续的若干信道，多路复用到数据采集卡上的z信道。

obz!

scx!

mdy!

（a,b,c）

信号调理机箱标识为x，机箱内y插槽上的模块，模块中不连续的a，b，c信道，多路复用到数据采集卡上的z信道。

采用并行输入模式时，为信号调理模块上的信道定址，即可以指定相应的数据采集卡上的信道，也可以使用表16-2的信号调理器信道定址语法。

数据采集VI可以一次扫描信号调理器多个信道，但是这些信道应该是连续的，而且按升序排列。

16.6信号调理器的增益

信号调理设备可以提供比数据采集设备更高的增益。

有些信号调理模块是通过跳线来分别为各个信道设置增益，例如SCXI-1120、SCXI-1121等；有些信号调理模块则是在软件中为各个信道选择增益值，例如SCXI-1141；还有些信号调理模块只能在软件中为整个模块设置统一的增益值，例如SCXI-1100、SCXI-1122等。

对于用跳线设置增益的信号调理模块，在Measurement&AutomationExplorer中进行信号调理模块设置时，要输入所设置的增益值。

LabVIEW根据这个增益值，将放大以后的信号进行比例化，返回实际的信号电平。

如果在程序中为模拟输入VI输入了极限设置参数，那么LabVIEW通过适当选取卡上的增益，使它与信号调理器的增益值配合，以尽可能接近模拟输入VI上设置的输入极限。

而对于软件设置增益的模块，当程序中为模拟输入VI输入了极限设置参数时，LabVIEW在设定的极限范围内为信号调理模块选择最高的增益值，然后再用卡上的增益作为补充。

如果程序中没有设置极限，则LabVIEW使用Measurement&AutomationExplorer中设置的增益值。

16.7信号调理器的设置时间

信号调理器的滤波器和增益的设置对放大器和多路复用器的设置时间有很大影响。

例如，滤波器设置为4Hz比设置为4000Hz时的采样率会有显著降低。

此外对于用跳线设置滤波器和增益的模块，必须在Measurement&AutomationExplorer中输入设置的滤波和增益跳线设置值，以便于LabVIEW确定一个安全的信道扫描延时，使放大器和多路复用器有足够的设置时间。

如果程序中设置的扫描率太快，LabVIEW会降低信道延时，并由AIStartVI返回一个警告。

16.8常用信号调理程序

本节将介绍如何使用SCXI-1122信号调理模块，用热电阻测量温度和用应变片测量应变。

通过这些例子可以进一步理解如何应用信号调理模块进行测量。

如果在Measurement&AutomationExplorer中设置了模拟输入信道，可以简化编程。

关于使用信道名的详细介绍请参看13.3.1节。

16.8.1用热电阻测量温度

1.用热电阻测量温度的原理

测量温度常用的两种传感器是热电偶和热电阻。

工业上广泛应用热电阻（RTD）测量-200～+500℃之间的温度。

热电阻的原理是利用材料的电阻值随温度变化来测量温度。

热电阻的显著特点是能在很大温度范围内保持测量准确度高，输出信号大，易于实现远距离传输和多点自动测量。

常用的热电阻材料有铂、铜、镍和某些半导体材料，其中最常用的是铂。

铂电阻温度计在国际实用温标（IPTS-68）中被规定为-259.34～+630.74℃温度范围内的标准仪器。

铂电阻一般用铂丝绕在云母、石英或陶瓷支架上，外面用不锈钢、陶瓷或石英封装起来。

连接热电阻到测量系统的导线中的电阻会增加测量误差。

如果使用的导线长度超过3米，就需要进行导线电阻补偿。

热电阻有2线、3线和4线几种形式，它们的接线如图16-7所示。

图中IEX为激励电流，Vmes为信号电压，RT是热电阻，RL是导线电阻。

3线形式适于电桥测量电路，可以减小热电阻与测量系统之间的导线因环境温度变化所引起的测量误差。

4线形式不仅可以消除连接导线电阻的影响，还可以消除测量电路中寄生电势引起的测量误差。

信号调理是热电阻和数据采集卡之间一个必要的接口。

热电阻需要的信号调理包括对热电阻的电流激励和对测量信号的放大、滤波、隔离。

（a）（b）（c）

图16-7热电阻的形式

（a）2线；（b）3线；（c）4线

使用热电阻时不需要象热电偶那样考虑冷端补偿。

在LabVIEW中开发温度测量的应用程序，可以使用易用模拟输入VI。

如果测量多个温度传感器的信号，为了提高程序执行的效率，可以使用中级模拟输入VI。

在Measurement&AutomationExplorer中进行信道设置可以简化编程，图16-8所示为一个温度测量信道的属性面板。

LabVIEW用适当的极限和增益设置硬件，对热电阻进行测量，然后对测量进行量化。

编程时只需要在channels参数中输入设置过的信道名。

采集到的数据的物理单位与在Measurement&AutomationExplorer中进行的设置一致。

图16-8热电阻信道设置的属性面板

2.使用信道设置进行温度测量

图16-9的程序使用了在Measurement&AutomationExplorer中进行设置的信道名，因此AIReadVI返回的数据就是实际测量的温度值。

这个程序采用了硬件定时的连续数据采集，设置了每信道采样数据点数10倍的缓存区。

在每次采集中依次对各信道温度值进行平均，For循环输出一个数组，其中每个成员是一个信道最新的温度值。

这个数组转换成簇，显示在一个Chart中，每条线显示一个信道的温度值。

采集完成后用AIClearVI清除采集的设置。

图16-9使用信道设置进行温度测量

3.不使用信道设置进行温度测量

图16-10的程序没有使用在Measurement&AutomationExplorer中设置的信道名，而是使用信道号确定采样信道，所以必须在AIConfigVI中指定设备号参数Device；并且AIReadVI返回的数据是测量到的电压值，需要使用DataAcquisition>>SignalConditioning函数子模板中的热电阻转换VIConvertRTDReading把从热电阻读到的电压值转换为温度值。

同时要为这个VI输入激励电流值Iex和热电阻在0℃的电阻值R0。

ConvertRTDReadingVI只适用于铂电阻。

图16-10不使用信道设置进行温度测量

16.8.2应变测量

应变测试是研究构件应力状态的重要手段，通过应变测试可以了解构件的变形；应变测试的方法也可以推广到与应变有密切关系的其它机械量测试，例如测量构件的受力，材料的弹性模量等。

应变片是粘在受力物体上很薄的导体，它将被测对象的变形转换为电阻值变化。

用应变片测量金属材料的应变时，它的电阻变化率一般只有千分之几，电压往往是微伏级的，因此应变测试通常采用惠斯登电桥电路。

桥路根据应变片的数量分为半桥单臂（NI公司技术资料中称为1/4桥）、半桥双臂和全桥3种。

如图16-11所示。

全桥电路的4个电阻都是应变片本身；半桥双臂的两个电阻来自应变片；而在半桥单臂桥路中只有一个电阻来自应变片这就决定了应变测试需要的信号调理主要是电压激励、组桥和滤波。

根据测试的具体要求可以选择不同种类的电阻应变片和不同的布置与组桥方式。

（a）

图16-11应变测量电路

（a）半桥单臂测量电路；（b）半桥双臂测量电路；（c）全桥测量电路

图16-11中EX是信号调理设备提供的激励电压；Rc是信号调理设备提供的组桥电阻；Vsg为信号电压。

图16-12是LabVIEW的DataAcquisition>>SignalConditioning函数子模板中的ConvertStrainGaugeReadingVI的图标以及它的参数，这个VI用于将应变测量的桥压转换为应变值。

图16-12应变转换VI

图中Rg—应变片变形前的电阻，默认值120Ω。

目前常用的应变片电阻都为此值。

GF—应变片灵敏系数，默认值2。

使用时应根据应变片参数输入准确值。

v—波松比。

仅在某些组桥方式时需要输入。

Vsg—应变测量信号电压。

默认数据类型是波形，可以选择为标量数据。

如果输入波形数据，则输出的应变数据类型也是波形。

Vex—激励电压，默认值3.333V。

根据所用的信号调理设备选择。

Vinit—初始电压，即开始应变测量前的信号电压。

这个VI进行应变转换时总是将当前信号电压值与初始电压值做比较，进行相对计算。

由于构件变形前各种原因造成的电桥不平衡，使得Vini≠0，所以一般情况下不应该忽略这个参数。

Rl—导线电阻。

导线不超过2米时可以忽略导线电阻。

Strain—应变值。

一般来说这个值的单位—应变太大了，以至于数据太小，所以应该乘以106，将它转换为微应变。

BridgeConfiguration—电桥设置。

所以将这个参数放在最后说明是因为这个问题比较复杂。

在图16-11所示的3种组桥电路的基础上，由于应变片粘贴方式的差异，还可以演化出许许多多不同测量电路。

ConvertStrainGaugeReadingVI可以对其中的7种进行转换。

分别说明如下：

（1）QtrBridgeⅠ，即半桥单臂Ⅰ。

在图16-11（a）的桥路中，如果Rc’是一个平衡电阻，则选择该选项。

（2）QtrBridgeⅡ，即半桥单臂Ⅱ。

在图16-11（a）的桥路中，如果Rc’是一个平衡应变片，粘贴在一个无变形的补偿块上，则选择该选项。

（3）HalfBridgeⅠ，即半桥双臂Ⅰ。

在图16-11（b）的桥路中，如果R2与R1是在一个平面内相互垂直粘贴的，一个产生横向变形，一个纵向变形，则选择该选项。

（4）HalfBridgeⅡ，即半桥双臂Ⅱ。

，在图16-11（b）的桥路中，如果R2与R1平行粘贴，产生大小相等、方向相反的变形，例如，粘贴在一个平面弯曲的梁相对的两面上，则选择该选项。

（5）FullBridgeⅠ，即全桥Ⅰ。

在图16-11（c）的桥路中，如果R2与R4粘贴在同一平面，产生大小相等、方向相同的变形，R1与R3粘贴在同一平面，产生大小相等、方向相同的变形，而R2、R4与R1、R3的变形又相反，则选择该选项。

（6）FullBridgeⅡ，即全桥Ⅱ。

与全桥Ⅰ的不同点仅在于R2、R3产生横向变形。

（7）FullBridgeⅢ，即全桥Ⅲ。

与全桥Ⅰ的不同点仅在于R2、R4产生横向变形。

关于以上7种组桥方式的详尽说明可以参看NI公司的技术手册GettingStartedwithSCXI。

常用的应变调理模块有SCXI-1122，因为它包括电压激励以及内部的组桥电路。

还有一种应变调理板SC-2043-SG，将在本书应用实例中介绍。

在LabVIEW中开发应变测量程序，可以使用易用模拟输入VI。

如果在不同信道中测量多个传感器的信号，并需要尽快扫描这些信道，则应该使用中级模拟输入VI和应变转换VI。

因为易用VI在每次被调用时都要对信号调理器进行设置，降低了程序执行的效率。

图16-13的图形代码在信道表参数中输入了在Measurement&AutomationExplorer中设置过的信道名，因此不再需要连接设备和输入极限这两个输入参数。

LabVIEW根据Measurement&AutomationExplorer中的信道输入极限设置选用适当的增益对硬件进行设置。

这个程序采用了硬件定时的连续数据采集，设置了每信道采样数据点数10倍的缓存区。

AIReadVI返回测量的桥压。

在每次采集中依次对各信道桥压值进行平均，然后将它转换为应变值。

如果按下置零键，则当前信号电压将被作为测量的初始值。

For循环输出一个数组，其中每个成员是一个信道最新的应变值。

采集完成后用AIClearVI清除对模拟输入设备的设置，释放分配的系统资源。

图16-13应变测量程序的图形代码