電子設(shè)備振動環(huán)境試驗(4) ——數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

前文介紹了電子設(shè)備振動環(huán)境試驗的一些基本概念和分類，以及振動臺試驗系統(tǒng)。

電子設(shè)備振動環(huán)境試驗(1) —— 概述

電子設(shè)備振動環(huán)境試驗(2) —— 振動環(huán)境試驗類型

電子設(shè)備振動環(huán)境試驗(3) ——振動臺試驗系統(tǒng)

本文將介紹振動環(huán)境試驗中另一重要組成部分——數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在試驗過程中主要承擔(dān)設(shè)備關(guān)心位置的振動響應(yīng)采集和存儲。

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)解調(diào)、數(shù)據(jù)分析和數(shù)據(jù)存儲等部分組成。目前技術(shù)發(fā)展飛速，集成度越來越高，在物理層面看，主要包括傳感器、數(shù)據(jù)采集設(shè)備、計算機及其他附屬件（線纜等）組成。

傳感器中實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和部分?jǐn)?shù)據(jù)解調(diào)功能；數(shù)據(jù)采集設(shè)備主要實現(xiàn)數(shù)據(jù)解調(diào)功能；計算機主要實現(xiàn)數(shù)據(jù)分析和數(shù)據(jù)存儲。其中，數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)解調(diào)是數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)最核心的功能。

根據(jù)傳感器類型不同，可實現(xiàn)不同物理量的數(shù)據(jù)采集；在振動試驗中，主要包括加速度、速度、位移、應(yīng)力應(yīng)變、力（矩）等。

數(shù)據(jù)解調(diào)主要包括信號變換器、放大器、濾波器、微分器、積分器和電源等。理論上以上每個功能都需要單獨的設(shè)備實現(xiàn)，而隨著技術(shù)的發(fā)展，這些功能已集成到傳感器和數(shù)據(jù)采集設(shè)備中；特別是現(xiàn)在MEMS技術(shù)的發(fā)展，大多數(shù)功能可以集成到一個傳感器中，甚至傳感器（組）就能實現(xiàn)整個數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的各個功能，物理層的界面已越來越模糊。

本文不設(shè)計詳細的具體實現(xiàn)原理，主要從應(yīng)用層面對數(shù)據(jù)采集設(shè)備和傳感器開展簡要介紹。

數(shù)據(jù)采集設(shè)備

選擇合適的數(shù)據(jù)采集設(shè)備主要需要考慮：

采樣率：對于動態(tài)采集設(shè)備，采樣率是動態(tài)采集最重要的指標(biāo)；

通道數(shù)：通道數(shù)決定了采樣的測點數(shù)量，需要注意的是，一個三向傳感器需要接三個通道；

接入通道類型：通常包括DC、AC、GND、IEPE及各種橋路等，每種傳感器會對應(yīng)相應(yīng)的通道類型；

其他指標(biāo)：量程、指示誤差、穩(wěn)定度、線性度、隔離度、噪聲、濾波器、A/D、同步時鐘、電源、數(shù)據(jù)傳輸?shù)龋?/p>

環(huán)境適應(yīng)性：有些采集設(shè)備需要在非實驗室條件下使用，包括抗振動、高低溫、抗風(fēng)沙、防水、尺寸、重量等；有些便攜式采集設(shè)備還自帶電池，同時配置閃存，可以在脫離計算機下進行數(shù)據(jù)采集和存儲。

傳感器

傳感器種類非常多，與力學(xué)試驗相關(guān)的一般有加速度傳感器、速度傳感器、位移傳感器、沖擊傳感器、力傳感器、應(yīng)力應(yīng)變傳感器、聲傳感器、壓力傳感器等；此外，激光、紅外、雷達，甚至可見光等發(fā)射接收在廣義上也是傳感器的一種。

傳感器原理也多種多樣；僅振動傳感器，按照機電變換分類，包括壓電式、電容式、電感式、壓阻式、電渦流式、電動式、光纖等；目前半導(dǎo)體及微機電技術(shù)發(fā)展迅猛，隨著MEMS傳感器成本下降，也在越來越多場合中被應(yīng)用；其中一些傳感器只能測量相對量，一些傳感器可以測量絕對量。不同類型的傳感器采用不同的原理，這部分不是系列文章的重點，這里不做展開。

本文僅從應(yīng)用層面，開展對傳感器的介紹；有關(guān)試驗的注意事項這里先不展開，如傳感器連接，數(shù)據(jù)判讀，噪聲源等，系列文章后面會簡單提到；選擇合適的傳感器主要需要考慮：

選擇接觸式還是非接觸式；

選擇相對測量還是絕對測量；

傳感器性能相關(guān)的，包括靈敏度、頻率響應(yīng)、幅值特性、相移特性、橫向靈敏度等；

傳感器使用環(huán)境相關(guān)的，包括溫度、濕度、溫度沖擊等；

傳感器物理特性相關(guān)的，包括尺寸、重量、安裝形式等。

靈敏度指的是電信號與輸出物理量之間的比值；即使同一批次傳感器，不同傳感器的靈敏度不同；靈敏度需要定期校準(zhǔn)；靈敏度可能是影響測量結(jié)果的一個重要因素。

頻率響應(yīng)指的是傳感器靈敏度與頻率之間的曲線；傳感器可用頻率指的是在一定頻率范圍內(nèi)，靈敏度相對于標(biāo)稱值不超規(guī)定誤差。下圖是某典型壓電加速度傳感器的頻響曲線。

幅值特性主要包括線性度、量程和分辨率等指標(biāo)。線性度指輸入和輸出之間的線性程度，表示了隨著輸入的變化，靈敏度與標(biāo)稱值之間額度偏差。量程指傳感器在可接受條件下的測量極限。分辨率指輸入最小分辨量。

相移特性指輸入和輸出信號之間與頻率相關(guān)的相位差；相移可能導(dǎo)致信號失真；但是如果相移特性已知，可通過數(shù)據(jù)處理修正；通常理想的相移為0度、180度或者比例相移，可保證無輸出畸變。

橫向靈敏度指由于主軸輸入引起的主軸以外響應(yīng)信號；理論上橫向靈敏度越低越好。

傳感器使用環(huán)境可能會影響傳感器輸出的準(zhǔn)確性以及其使用壽命；幾乎所有傳感器都受溫度影響，下圖是某典型壓電加速度傳感器的溫度曲線；幾乎所有傳感器都采取密封防潮設(shè)計，但在一些場合可能會收到電纜連接器潮濕滲入影響；溫度沖擊可能產(chǎn)生熱應(yīng)力或者熱電效應(yīng)，引起低頻的輸出誤差。

傳感器物理特性與使用實際環(huán)境相關(guān)。通常小尺寸和小質(zhì)量的傳感器利于安裝，同時也有利于減小傳感器對結(jié)構(gòu)的干擾影響；但是，越小的傳感器靈敏度越低，并且價格昂貴。傳感器的安裝形式取決于測量的具體狀態(tài)；一般情況下采取膠粘和蜂蠟粘接；對于高量級與高頻的振動沖擊環(huán)境，要求螺栓連接，同時需要加上合適的力矩。

其他

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是振動環(huán)境試驗的重要組成部分，主要承擔(dān)設(shè)備關(guān)心位置的振動響應(yīng)采集和存儲。不過，也有一些設(shè)備的振動環(huán)境試驗不進行數(shù)據(jù)采集，只在振動前后進行外觀檢查和性能對比。

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)目前國內(nèi)也有許多不錯的設(shè)備廠商，價格相比進口產(chǎn)品低，性能和穩(wěn)定性也能滿足大多數(shù)使用工況。此外，除了一次購置成本，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)需要定期檢測和校準(zhǔn)。

最后

本文簡要介紹了數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，后續(xù)系列文章將針對具體的振動環(huán)境試驗開展介紹。