数据采集系统之编码器篇

数据采集系统

编码器篇

科学的发展和技术进步，是建立在人类认识客观世界能力提高的基础上，测量与测试就是人们描述对客观事物认识过程的两个基本术语。

测量在人类对客观世界进行认识的试验、研究活动中，更强调对测量结果进行“定量”的描述。这种测量活动往往是将被测量与同类已知量进行比较的一个过程，或者说它是有一定的行为规范来约束的。比如：我们通过体温计测量体温来断定某人是否发烧，这就是一个定量的测量过程，因为体温计给出了测量结果的量值，通过测量结果的量值来确定发烧的程度。或者说：测量是规范化了的测试过程。

相对于测量，测试通常指：试验研究性的一组测量过程。测试往往是更强调“定性”的作用，或者即包含“定性”又包含“定量”的过程。测试的概念含义很广泛，一般指生产和科学试验中经常进行的满足一定准确度要求的试验性测量过程。比如：家里突然停电了，我们使用“试电笔”就可以断定是否是保险丝熔断了。当然此时我们并不关心万用表显示的是否是220V，关注的仅是有没有电。测试是测量和试验的简称。

测量技术从最初的利用物质本身基本特性直接测量(如：指南针、弹簧秤、温度计等)，到利用物理现象简介测量(日冕计时器、沙漏计时器等)、电测量技术(热电特性---热电偶、电磁特性---指示仪表、数字式仪表、智能化仪表)，最后发展到当今的基于计算机的测量技术。

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数据采集(DAQ)是使用计算机测量电压、电流、温度、压力或声音等电子、物理现象的过程。DAQ系统由传感器、DAQ测量硬件和带有可编程软件的计算机组成。与传统的测量系统相比，基于PC的DAQ系统利用行业标准计算机的处理、生产、显示和连通能力，提供更强大、灵活且具有成本效益的测量解决方案。

DAQ系统各个部分

什么是传感器？

例如室内温度、光源强度、或施于物体的压力等物理现象都通过传感器进行测量。传感器，也被称为转换器，能够将一种物理现象转换为可测量的电子信号。根据传感器类型的不同，其输出的可以是电压、电流、电阻，或是随着时间变化的其他电子属性。

什么是DAQ设备？

DAQ硬件是计算机和外部信号之间的接口。它的主要功能是将输入的模拟信号数字化，使计算机可以进行解析。DAQ设备用于测量信号的三个主要组成部分为信号调理电路、模数转换器(ADC)与计算机总线。很多DAQ设备还拥有实现测量系统和过程自动化的其他功能。例如，数模转换器(DAC)输出模拟信号，数字I/O线输入和输出数字信号，计数器/定时器计量并生成数字脉冲。

计算机在DAQ系统的起到什么作用？

安装了可编程软件的计算机控制着DAQ设备的运作，并处理、可视化和存储测量数据。不同类型的应用使用不同类型的计算机。在实验室中，可以利用台式机的处理能力；在实地现场，可以利用笔记本电脑的便携性；或在制造厂中，可以利用工业计算机的耐用性。

虽然每个数据采集系统都会根据其应用需求进行定义，但是每个系统具有共同的数据采集、分析与显示的步骤。数据采集系统包括了信号、传感器或执行机构；信号调理；数据采集设备和软件等部分。所谓“虚拟仪器”就是在通用计算机上利用通用接口总线连接硬件数据采集或控制模块，通过软件编程控制硬

件模块进行控制或测量，并利用软件实现仪器的测量和分析功能。简单的说：虚拟仪器=商业化PC+虚拟仪器应用软件+数据采集硬件设备。

今天我们来聊聊用于位置测量的传感器————编码器。

编码器根据其原理有不同的分类，这里就不多做描述请大家自行百度查询。这里介绍的编码器是较常用的增量式编码器。增量式编码器是直接利用光电转换原理输出三组方波脉冲A、B和Z相；A、B两组脉冲相位差90º，从而可方便地判断出旋转方向，而Z相为每转一个脉冲，用于基准点定位。它的优点是原理构造简单，机械平均寿命可在几万小时以上，抗干扰能力强，可靠性高，适合于长距离传输。其缺点是无法输出轴转动的绝对位置信息。

位置测量又分为线性位置测量和角度测量，它们分别配合线性编码器和旋转编码器使用。这两类编码器的工作原理类似，都使用光学传感器来提供两路脉冲序列形式的电信号，分别为序列A和序列B。由于两路脉冲信号之间有90度的相位延迟，即有正交的关系，所以这些编码器又被叫做正交编码器。

正交编码器结构图

当编码器转动时，产生两路数字脉冲信号A和B。如果A相位超前90度，说明编码器以顺时针方向旋转；如果B相位超前90度，说明编码器以逆时针方向旋转。同时我们知道编码器每旋转一周会产生多少个脉冲。所以，通过计数器监控脉冲数目和信号A、B之间的相对相位信息，就可以获得旋转角度和旋转方向的信息。

对于角度测量，转换关系为：计数值除以编码类型再除以旋转一周产生的脉冲数目，然后乘以360度。常用的编码类型有×1，×2和×4三种，由所选编码器决定。对于线性位置测量，转换关系为：计数值除以编码类型、除以旋转一周产生的脉冲数目，然后再除以每英寸对应脉冲数目PPI，PPI的具体值也由所选编码器决定。计算公式下图所示：

【编码器在数据采集系统中的应用案例】

低温回缩（TR）试验机

项目简介：

在航空、液压、石油和滑油系统中，广泛使用具有优良弹性的橡胶作为密封件，特别是用作低温下密封，由于过去对此应用的橡胶材料从制造到低温性能测试没有引起足够重视，经常发生低温漏油现象。这是由它的耐寒性决定的，随着温度的降低橡胶会逐渐丧失原有特性，如硬度增加、应力松弛、弹性消失，从而降低其工作效能。温度回缩试验（TR）能快速评价橡胶在低温下的粘弹性质和结晶效应。国内外的相关部门、航空公司以及密封材料制品公司都已将此法列为标谁试验方法，由此对弹性体的低温试验的重要性逐渐增大。

中泰联创&试验机：

低温回缩（TR）试验机（也叫低温拉伸回弹试验机），由制冷系统、升温系统、数据采集系统和数据传输系统组成。根据GB/T7758-2002硫化橡胶低温性能的测定温度回缩法(TR试验)等国家标准设计。中泰联创的EM9636B产品是低温回缩（TR）试验机数据采集系统的核心。由于每次试验应至少使用三个试样，且试样长度要精确到1mm，决定了采集到的数据必须是高精度。因此，EM9636B的高精度16位模拟量输入和6通道32-bit编码器(定制)输入完全满足这样的要求。除此之外，EM9636B还具有4路模拟量输出，8路数字量I/O的功能。

试验机原理：

将试样在室温下拉伸，然后冷却到在除去拉伸力时，不出现回缩的足够低的温度。除去拉伸力，并以均匀的速率升高温度。测出规定回缩率时的温度。

试验步骤：

冷却槽中应装入足够冷却介质，以使试验期间至少有25mm深的液体覆盖着试样。按GB/T9868的要求，边搅拌边使冷却介质冷却至-70℃。在液体冷却的同时，将试样架中，在标准试验室温度下，将初始长度拉伸到的选定的伸长值并将其锁定在此位置上。