Иэпэ датчики

Многие акселерометры и микрофоны основаны на принципе пьезоэлектрического эффекта – явления генерирования электрического напряжения керамическими или кварцевыми кристаллами при возникновении механических напряжений сжатии кристалла сжимающих. Механические напряжения являются результатом воздействия сил, создающих ускорение, деформацию или давление. В случае микрофона волны звукового давления действуют на диафрагму или тонкую мембрану, при вибрации которой напряжение передается в пьезоэлектрические кристаллы. С другой стороны, в акселерометрах есть некоторая сейсмическая масса, при движении которой в ответ на удар и вибрации возникает сила, непосредственно воздействующая на кристаллы. Генерируемое напряжение пропорционально внутренним напряжениям кристаллов.

Отдельный класс пьезоэлектрических датчиков известен под названием IEPE – пьезоэлектрические датчики со встроенной электроникой. В такие датчики рядом с пьезоэлектрическими кристаллами устанавливается усилитель. Поскольку заряд, генерируемый пьезоэлектрическим преобразователем, очень мал, выходной электрический сигнал с датчика не защищен от помех, поэтому необходимо использовать чувствительные электронные схемы для усиления и согласования сигнала, а также для уменьшения выходного сопротивления. Таким образом, в датчиках IEPE сделан еще один шаг по интеграции высокочувствительной электроники как можно ближе к измерительному преобразователю, чтобы обеспечить лучшую помехозащищенность и более удобный корпус. Типовой IEPE датчик получает питание от внешнего источника постоянного тока и модулирует выходное напряжение в соответствии с изменением заряда на пьезоэлектрическом кристалле. У IEPE датчика только два вывода, используемые как для подключения источника питания (ток), так и для выходного сигнала (напряжения).

Согласование сигналов при измерении параметров звука и вибрации

Схема согласования сигналов при измерении параметров звука и вибрации довольно простая. Типовая система измерения ускорения или звукового давления состоит из следующих компонентов:

• Датчик

• Источник тока для питания датчика

• Правильное заземление, исключающее наводимые помехи

• Связь по переменному току, позволяющая устранить смещение по постоянному току

• Инструментальный усилитель, который усиливает сигнал с датчика

• ФНЧ, который уменьшает уровень помехи и предотвращает искажение спектра

• Схема одновременной выборки и хранения, обеспечивающая получение корректных временных соотношений нескольких сигналов

Измерения параметров звука и вибрации очень чувствительны к помехам. Однако их влияние можно уменьшить, выбрав правильный способ заземления системы. Можно избежать проблем, связанных с паразитными контурами заземления или плавающих узлов, убедившись в том, что заземлен либо вход устройства согласования, либо датчик, но никак не оба вместе. Если датчик заземлен, то его необходимо подключать по дифференциальной схеме. Если датчик «плавающий», то вход отрицательного потенциала системы согласования необходимо соединить с землей.

Сигнал, получаемый от датчика, содержит как постоянную, так и переменную составляющую, причем постоянная составляющая смещает сигнал относительно нуля. С помощью разделительного конденсатора связь устанавливается только по переменному току, а постоянное смещение устраняется. Если датчики соединены с системой только по переменному току, долговременный дрейф нуля, который появляется у датчиков из-за старения или влияния температуры, устраняется, а кроме того, значительно улучшается разрешающая способность и расширяется полезный динамический диапазон для всей системы.

Для точных измерений частота дискретизации в системе должна быть как минимум вдвое больше частоты измеряемых сигналов. Чтобы гарантировать правильность дискретизации в соответствующем диапазоне частот, перед устройством выборки и хранения и АЦП следует включить ФНЧ, который гарантирует ослабление высокочастотной помехи и отсутствие искажений из-за ложных спектральных составляющих.

Примеры обработки звука и вибрации

Программный пакет для анализа параметров звука и вибрации Sound and Vibration Measurement Suite содержит функции и графические средства обработки и визуализации:

• Sound Quality, Spectral Analysis, Zoom Power Spectrum, Frequency Response;

• Полный и дробный октавный анализ в соответствии со стандартами ANSI и IEC;

• Порядковый анализ для отслеживания и извлечения результатов порядкового анализа, в том числе для обработки сигналов тахометра

• Графические индикаторы типа Waterfall, Cascade, Shaft Centerline, Orbit, Bode и Polar;

• Поддержка универсального файлового формата UFF58.

Выводы

• Согласование сигналов можно реализовать с помощью устройств типа cDAQ, PXI SC DAQ, SCXI или SCC.

• Для измерения напряжения согласование сигналов может осуществляться в форме усиления, ослабления, фильтрации и развязки.

• Согласование сигналов от термопар обеспечивает компенсацию холодного спая, фильтрацию, развязку, линеаризацию и усиление.

• Согласование сигналов от терморезисторов и термисторов обеспечивает питание, усиление и фильтрацию.

• Согласование сигналов от тензодатчиков обеспечивает дополнение мостовой схемы, питание, коррекцию смещения нуля, калибровку с помощью шунта, фильтрацию и дистанционные измерения напряжения питания моста.

• Согласование сигналов от акселерометров и микрофонов обеспечивает питание, связь по переменному току, перестраиваемые коэффициенты усиления и фильтрацию.

Самопроверка: короткий тест

1. Назовите 5 разновидностей согласования сигналов.

6. Не имеет значения, как подключать тензодатчики.

   1. Верно

   2. Неверно

7. Коррекция нуля никогда не нужна, поскольку при выполнении большинства измерений мост Уитстона при отсутствии деформации выдает напряжение, точно равное 0 В.

   1. Верно

   2. Неверно

8. Какие из перечисленных видов согласования сигналов можно применять при измерении с помощью термопар?

   1. Компенсация холодного спая

   2. Усиление

   3. Питание

   4. Фильтрация

   5. Развязка

Самопроверка: ответы

1. Назовите 5 разновидностей согласования сигналов.

1. Компенсация холодного спая

2. Дополнение мостовой схемы

3. Коррекция смещения нуля

4. Усиление

5. Фильтрация

6. Гальваническая развязка и т.д.

9. Не имеет значения, как подключать тензодатчики.

   1. Верно

   2. Неверно

10. Коррекция нуля никогда не нужна, поскольку при выполнении большинства измерений мост Уитстона при отсутствии деформации выдает напряжение, точно равное 0 В.

    1. Верно

    2. Неверно

11. Какие из перечисленных видов согласования сигналов можно применять при измерении с помощью термопар?

    1. Компенсация холодного спая

    2. Усиление

    3. Питание

    4. Фильтрация

    5. Развязка

Заметки

8

8. Синхронизация

Эта лекция посвящена синхронизации задач, выполняемых на одном устройстве, на нескольких устройствах, а также синхронизации с помощью счетчиков.

Темы

1. Синхронизация измерений

2. Синхронизация внутри устройства

3. Синхронизация нескольких устройств

4. Счетчики и синхронизация

A. Синхронизация измерений

Многие приложения требуют одновременного выполнения более чем одного вида измерений. Одновременные измерения включают различные операции, выполняемые одновременно, такие, как получение данных из входных каналов во время генерации данных на выходных каналах. Однако, такие операции необязательно коррелированы друг с другом. Например, операции ввода могут стартовать в то же время, что и операции вывода, но при этом каждая операция может выполняться независимо, со своей собственной скоростью. Если измерения все же должны выполняться одновременно, их необходимо синхронизировать.

При выполнении синхронизированных измерений (например, по 10 каналам температуры и скорости) вам необходимо запустить все измерения в один и тот же момент времени, а также использовать общий тактирующий сигнал для фиксации данных по всем каналам.

Например, в приложениях с контурами регулирования необходимо выполнять некоторые измерения на входе системы управления, выполнить расчеты на основе полученных результатов измерений и, наконец, вывести результаты вычислений. В таких приложениях нужно запустить все измерения в один и тот же момент времени, синхронизируя их общим тактовым сигналом. Аналогично, если вы хотите увязать результаты измерений, например, если вы хотите нарисовать графики скорости и температуры тормозной колодки в зависимости от времени, вам нужно синхронизировать процессы измерений скорости и температуры.

Одновременные измерения

Иногда при попытке организовать синхронизированные измерения разработчики неумышленно делают их одновременными, но на самом деле не синхронизированными.

Рисунок 8-1. Simultaneous AI and AO VI – VI одновременного аналогового ввода и аналогового вывода

На рис. 8-1 обе задачи в приложении запускаются параллельно, однако их нельзя на самом деле считать синхронизированными. Поскольку вызов разных DAQmx Start Task VI происходят в разные моменты времени выполнения программы, одна операция может начаться позже другой на от 50 200 мс.

Временная диаграмма работы VI Simultaneous AI and AO может иметь вид, приведенный на рис. 8-2.

Рисунок 8-2. Временная диаграмма параллельных измерений

Analog Input Start Trigger – сигнал запуска аналогового ввода, Analog Output Start – Trigger сигнал запуска аналогового вывода, Analog Input Clock – тактовый сигнал аналогового ввода, Analog Output Clock – тактовый сигнал аналогового вывода

Поскольку сигнал Start Trigger формируется на выходе DAQmx Start Task VI, одна из задач запускается раньше другой, вследствие чего измерения получаются не синхронизированными. В рассматриваемом примере операция аналогового вывода опережает операцию аналогового ввода. Кроме того, задачи созданы на основе разных опорных тактовых сигналов, поэтому измерения также выполняются не в фазе.

В то время как точность одновременных измерений может быть вполне удовлетворительной для некоторых систем, во многих приложениях требуется реальная синхронизация между задачами и платами сбора данных.

Правила синхронизации

Синхронизация операций ввода-вывода реализуется путем маршрутизации тактовых и управляющих сигналов. Синхронизировать операции можно как внутри отдельного устройства, так и на нескольких устройствах.

Есть два правила синхронизации при работе с многофункциональными DAQ-устройствами:

• Сигналы Master Timebase (или Reference Clock) и Start Trigger должны быть общими для синхронизируемых блоков или устройств.

Все синхронизируемые устройства программируются на использование одного и того же опорного сигнала Master Timebase (как правило, это сигнал 20MHzTimebase одного из устройств). Вообще, одно из устройств может быть взято в качестве источника такого сигнала для остальных синхронизируемых устройств, и для этой цели может быть настроен соответствующий терминал. Все синхронизируемые устройства программируются на использование одного и того же терминала <task>/Start Trigger, который будет для них источником сигнала Start Trigger. доступен Вы всегда можете использовать общий для всех устройств сигнал Start Trigger, даже если вы его явно не сконфигурировали. У такого метода синхронизации два преимущества. Во-первых, устройствам не нужно работать на одной и той же частоте дискретизации, а также нет необходимости считывать одинаковые объемы данных. Кроме того, данный метод годится для синхронизации сигналов аналогового вывода и некоторых приложений, где используется счетчик. Недостатками этого метода: необходимо маршрутизировать два сигнала с помощью двух линий шин запуска RTSI и PXI Trigger. Чтобы назначить сигнал 20MHzTimebase от одного устройства в качестве сигнала Master Timebase для другого устройства, необходимо установить соответствующий атрибут/свойство.

На рис. 8-3 оба сигнала синхронизации операций ввода Analog Input Sample Clock и вывода Analog Output Sample Clock привязаны к одному и тому же ведущему опорному сигналу Timebase. Для обеих задач (ввода и вывода) формируется общий сигнал Start Trigger, по которому запускается генерация сигналов синхронизации отсчетов для этих задач. Сигналы синхронизации отсчетов могут генерироваться на разных частотах, поскольку они формируются независимо друг от друга.

Рисунок 8-3. Синхронизируемые измерения

• Сигнал синхронизации отсчетов Sample Clock должен быть общим.

Все синхронизируемые устройства программируются на использование терминала <task>/SampleClock одного из устройств в качестве источника сигнала Sample Clock. Преимущество этого метода – только один сигнал маршрутизируется с помощью только одной линии шин запуска RTSI и PXI Trigger. Недостатками является то, что все устройства должны работать на одной и той же частоте дискретизации, причем количество отсчетов, собираемых всеми устройствами, не может быть больше, чем собирает устройство - источник сигнала Sample Clock.