数据采集卡与传感器

一、传感器与计算机的关系

本篇文章我们要谈谈数据采集与传感器之间的关系。在计算机发明之前，人类的数据采集过程是这样的，用度量衡工具及自身感官感受被测物的信息，然后用纸和笔将数据记录下来。但随着科学研究的不断深入以及生产实践的要求，人们要处理的数据量变得越来越多，需要的测量信息也越来越精确。这个时候传统的数据采集和记录的方法已经远远不够了。为了解决这一问题，计算机和传感器走进了人们的视野中。

计算机是一种用于高速计算的电子计算机器。它能够自动、高速处理海量的数据。计算机的发明大大提升了人类的计算能力，但它只能处理0101这样的电信号，而现实生活中大都是非电量的信号。

如果还是用人工的办法将信息输入到计算机中，那么它的效率肯定是不高的。怎么办呢？这就要用到传感器了。

传感器是一种检测装置，能够感受被测物的信息并将感受到的信息按一定的规律变换成为电信号或其它所需形式的信号输出的装置。按功能可将传感器分为：温度传感器、湿度传感器、压力传感器、位移传感器、加速度传感器、扭矩传感器等。

二、传感器与计算机的中介——数据采集卡

传感器输出的是模拟信号而计算机可以接收的是数字信号，所以想要将传感器的信号传输到计算机中还需要一个器件——模数转换器。它可以将传感器产生的电信号也就是模拟信号转化为计算机可以接收的数字信号，

但完成这样的任务需要对模数转换器进行电路设计、制版、焊接、编程、调试等一系列的工作才可以。为了降低使用门槛，一种使用通用计算机接口的集成了模数转换器和基本信号调理功能的数据采集设备便应运而生，也就是通常所说的数据采集卡。

三、数据采集卡的分类

我们可以按照以下两种方式选择数据采集设备。按照与计算机接口的连接方式可将采集卡分为：USB接口、PCI/PCIE、PXI/PXIE接口、RS232/485接口，以太网接口等。

这些接口类型各有优势：USB接口的设备适合小规模的系统集成和实验室应用；PCI和PXI接口的设备适合大规模的集成应用；RS-485和以太网接口的设备在远距离、分布式场景中更具优势。

若按照应用分类则可以分为专用数据采集卡和通用数据采集卡。

专用数据采集卡具有针对某种特定类型传感器的信号调整电路，使得该数据采集卡与这些传感器的连接更加便捷。

比如热电偶专用数据采集卡会配置有高增益的放大器和冷端补偿电路，但在专用数据采集卡上想要连接其它类型的传感器就会非常困难，所以使用更多的是通用数据采集卡。它接收的大多是电压型信号，量程为10V或5V。一般会为通用数据采集卡配置程控放大器用来扩大采集卡的应用范围。

四、数据采集卡的简单使用

举个例子，如果我们想采集环境的湿度应该怎么做呢？首先要选择一种湿度传感器，

为了适配一般类型的数据采集卡我们需要让传感器输出标准的电压信号，也就是10V或5V的电压信号。这里选择的是需要5V供电，输出电压为0～3V，对应湿度为0～100%的湿度传感器。

然后，我们要把湿度传感器的电压输出线连接到采集卡的模拟输入端，这样才能采集到传感器的电压信号。最后通过USB线将电脑和采集卡连接，就可以在电脑上观察分析湿度传感器所输出的信号了。

这里选择的是Smacq的数据采集卡，它有配套软件可以在电脑上运行，所以我们要先调整一下软件的设置参数。勾选AI 0通道，把通道注释标注为湿度。传感器的输出是0-3V，那么量程就设置成5.12V。

因为传感器输出速率较低，所以设置采样率为5就可以了。

勾选单位变换功能，设置传感器的单位为“%”，将传感器输出电压上限改为3V。

其他设置不变。取消自动调整Y标尺并将坐标量程改变为0～100。启动采集，软件就可以显示采集卡采集到的传感器输出电压。当环境湿度增加后可以明显在软件中看到数据的变化情况。

以上这些，就是一次完整的采集湿度传感器数据的过程。在这个过程中，传感器输出的模拟电压可以很好的被采集卡所采集。那么，当我们找不到能够和数据采集卡适配的传感器时该怎么办？比如这个热电偶传感器，它产生的电压比较小，不适合直接连接到采集卡上。这时就要用到一种叫变送器的设备，将非标准信号转换为标准信号。

接下来我们看一看变送器对采集数据的影响。

第一次实验是将K型热电偶直接连接到采集卡的模拟输入通道上。

打开软件，设置相关参数，勾选AI 7通道，由于热电偶输出的信号比较小，量程选择0.64V。

采样率设置为5。因为通用采集卡没有冷端补偿，所以不能进行单位变换。开启软件的数据采集功能，画布会显示环境温度对应的电压值，提高环境温度，数据也会发生相应的变化。

温度上升

温度下降

第二次实验将K型热电偶与变送器连接，因为变送器需要电源供电，所以与采集卡的连接方式略有不同。

完成连接后我们对采集卡软件进行简单设置：变送器输出的是标准的电压信号，所以通道量程不需改变。

而且可以开启单位变换功能，传感器量程上限为350，下限为-130，单位是℃，传感器输出电压是0～10V。

启动采集，在软件画布上就会出现当前的环境温度。

温度升高

温度下降

将两组实验数据对比，在同样的温度变化下可以明显看出数据波形的优劣。

当然并非所有非标准电压输出的传感器都要连接变送器：输出电流信号的传感器可以使用取样电阻将电流信号转变为电压信号再输入到采集卡中；

输出频率、脉冲信号的传感器可以使用采集卡的计数器功能进行信号采集。

如果有机会的话，我们将会在文章中介绍它们的采集方法。

以上就是文章的全部内容，希望能给大家带来些许帮助。您有任何问题都可以评论留言告诉我们。

再见。

审核编辑 黄宇