作者 - gao ya

压力传感器定义及分类 压力传感器是工业实践中最常见的一种传感器。广泛用于各种工业自控环境，涉及航空航天、军工、石化、电力等众多行业。 压力传感器按不同的测试压力类型，可分为：表压传感器、差压传感器和绝压传感器。 表压传感器是能感受相对于环境压力的压力的传感器。 差压传感器是能感受两个压力间的差值的传感器。 绝压传感器是能感受相对于绝对压力的压力的传感器。这里的绝对压力是指物体承受的实际压力，是以真空状态为起点计算的压力。 压力定义 我们将均匀垂直作用在物体表面上的力称为压力。压力的单位是：帕斯卡，简写为Pa。压强的定义是：均匀垂直作用在物体表面单位面积的压力。在日常生活和工程中，常把压强称为压力并用“P”表示。 传统的压力传感器是机械结构的，这种传感器体积大，质量重还没有电学输出，精确度不高的同时也不利于信息传递。 压力传感器 随着科技的的发展，新型的压力传感器产生了，它的体积小，质量轻，在众多领域中被广泛使用。 新型压力传感器可以将，压力的变化转换为阻值的变化。但电阻是不容易直接作为信号被采集的，所以我们还需要将电阻的变化转换为电压或电流的变化，以便于采集卡采集数据。要完成电阻到电压的转化，我们需要用到一种特殊的电路，那就是惠斯通电桥。 惠斯通电桥 它是能精确测量电阻变化的测量电路，有趣的是惠斯通电桥不是由惠斯通发明的，而是由英国发明家克里斯蒂在1833年发明。因为惠斯通第一次用这种电路测量电阻，所以人们才把它称为惠斯通电桥。 惠斯通电桥是由四个电阻，R1、R2、R3、R4顺序连接形成的一个环形电路。环形电路的对角接入一个直流电源作为激励，另一个对角接入负载，它的四个电阻又叫做电桥的桥臂。 分析电路图可知，输出电压V₀是由R₂处的电压值减去R₃处的电压值得到。根据欧姆定律： 当R₁·R₃=R₂·R₄时，V₀=0，此时电桥平衡。当我们改变任意桥臂的电阻，就会破坏电桥的平衡，使V₀两端产生电位差，从而输出电压。这样我们就可以将电阻的变化转变为电压的变化。 在使用惠斯通电桥作为测量电路时，一般将R4变为应变电阻，其他三个电阻R1=R2=R3=R。如图 与上述电路分析一致，可以得到 在公式中V₀、V_EX和R都是已知量，则ΔR的值就可以计算出来。那么如何将电阻变化与压力产生的应变(ε)建立联系呢？有一个公式 其中GF是应变片的特性参数——灵敏度，GF的值由生产商提供。这样就可以通过输出电压求出应变值，最终得到压力的大小。 以上内容是惠斯通电桥中的四分之一桥，那么二分之一桥与四分之一桥有何异同呢？我们先来看二分之一桥的电路图。 可见，二分之一桥只是将R₃电阻也变为应变电阻。电路简化后则是： V₀的计算也和四分之一桥相同，可以得到： 因为二分之一桥有两个应变电阻，所以方程中出现了两个未知量。而一个方程不能求解两个未知量的值，怎么办呢？我们仔细分析应变电阻在材料上的位置就会发现：当我们给材料一个向下的压力时，应变电阻R₄拉伸的应变值为ε，随之而改变的应变电阻R₃会收缩，应变值为-vε。R₄与R₃受力产生的应变比是一个固定值v，称为泊松比。因为 我们就可以将ΔR₂用ΔR₁表示出来，这样就可以求解方程。也就能通过输出电压计算出应变值。 下面我们给出全桥的电路图 全桥的计算与半桥计算方法相差不多，要注意的地方就是四个应变电阻的位置情况，因为它出现了四个未知量。这三种桥路都有这其自身的限制与优势，我们要根据实际情况进行选择。在使用惠斯通电桥时，电桥一般都不会处于平衡状态即V₀=0，所以需要进行调零处理，一般有软件调零、调零电路、缓存调零这三种方法。其中调零电路是真实将电路中的不平衡消除，而另外两种方法只是在数值上将V₀抵消掉，具体的实现方法我们就不一一详解了。 现在我们已经得到了惠斯通电桥输出的电压值V₀，但这个电压值很小，一般都是毫伏级的电压。在传感器上标注的单位一般是mV/V，表示的是传感器的灵敏度。当传感器灵敏度为2mV/V，激励电源是10V时，传感器的满载输出为20mV。这么小的输出电压，就需要经过放大电路或是运算放大器，将其放大为标准电压。 如图，是一种常用的放大电路和运算放大电路 采集压力数据实验 下面我们将完成使用USB-3123数据采集卡采集压力传感器数据的实验。 实验中使用的是，SRD-1004程控放大器。 它可以用软件或拨码开关来控制放大倍数，同时也能为传感器提供5V的直流电源。将Switch EN开关上拨，是控制放大器使用拨码开关调整放大倍数，将PGA 0处的1、2开关上拨可以调整PGA 0的放大倍数为1000倍。我们使用上述配置完成本次实验。 压力传感器的相关参数是，灵敏度：２.０ｍV／V，量程：5kg。因为实验中给传感器提供了5V的电压，所以其满量程输出是10mV。我们将传感器输出电压放大１０００倍，那么输出电压最大则是10V，满足采集卡的量程。 接下来我们简单说明一下各器件之间应该怎样连接。 将传感器的电源线与放大器的电源连接，将传感器的正负信号线与放大器的正负信号输入端连接，将放大器的输出信号端与采集卡AI 0端相连，将放大器的GND端与采集卡的AI Sense端相连，将采集卡的AI Sense端与AGND端短接，最后通过USB线缆将放大器和采集卡接入电脑。 调整采集卡相关的参数，将采样率设置为5 Sa/s/ch。 将单位变换打开，设置传感器输出电压，上限10V，下限-10V，传感器量程上限5000，下限-5000，单位为g（克）。 这里设置正负是因为，传感器将拉力表示为正值，将压力表示为负值。完成设置后开始调整画布，关闭自动调整Y坐标并将坐标固定为-5000~5000。 点击启动。我们可以看到传感器不受力时，测量值在0刻度线上。 将500g的砝码放在传感器上，可以看到采集卡采集数据为-500。 给传感器一个拉力，可以看到数值为正值。 以上是我们对静态压力的测量，但数据采集卡更大的优势是，对于瞬时压力的采集。下面我们来试一试，这次将采集卡的采样率调整为10000，使采集卡能对瞬时的压力有较好的反应，其余设置不变。调整画布横坐标为0~30，这样会方便我们观察。更改完成后，用螺丝刀敲击传感器，在画布中可以发现瞬时的压力被捕捉到，以手型工具调整横坐标，我们就可以清晰地看到敲击传感器时，压力的变化情况。 以上就是我们关于压力传感器的全部内容。

IEPE定义介绍 IEPE是压电集成电路，Integrated Electronics Piezo-Electric的缩写。 它指的是一种自带电量放大器或电压放大器的加速度传感器，也有人将它叫做ICP。这种称呼产生于上世纪六七十年代，当时有很多厂家生产这种带内置电路的压电传感器，其中PCB公司将自己生产的传感器命名为ICP，其他公司也就开始使用这一称谓。 随着市场的扩大，PCB公司就将ICP注册为商品名，导致其他公司无法使用，所以业内提出以IEPE来命名这种传感器，并逐渐受到了行业内众多公司的认同，其中包括PCB公司。因为国内的PCB的产品较多，所以ICP的叫法也就沿用下来。 压电效应 回归正题，IEPE既然是一种压电式传感器，那么它利用的原理自然是压电效应。压电效应又分为正压电效应和负压电效应。正压电效应是指：某些电介质在一定方向上受到外力作用产生形变时，介质内部会发生极化现象，在它的两个相对表面上，会产生正负相反的电荷。 当外力消失时，电荷就会消失，当外力的方向发生变化，电荷的极性也会随之改变。 逆压电效应是指：向电介质的极化方向上施加一个电场，介质会随之发生形变，当电场消失，介质的形变也会消失。由此可见压电效应是一种瞬时的变化，所以压电传感器可以测量动态量。 加速度转变电信号 IEPE也是一种加速度传感器，它是怎样将加速度转变为电信号的呢？ 首先我们要明白加速度是什么。加速度是由牛顿第二定律定义的，常见表述是：物体加速度的大小跟作用力成正比，跟物体的质量成反比。加速度的方向，与作用力的方向保持一致。公式表示为：a=F/m，其中F为物体受到的合力，m为物体的质量，a为物体的加速度，单位是。质量m一般不会变化，可以提前测得。而力F的大小，则可以利用压电效应测量，这样就可以求物体加速度的大小。 还有一个问题，因为力与加速度都是矢量，即它们都是有方向的。在实际应用中，我们也需要知道物体的加速方向，以判断物体所处的状态，如：倾斜角度有多大、是否发生反转，是否在晃动等等情况。为解决这样的问题，可以将传感器分为三部分，即X轴、Y轴和Z轴。 用X、Y表示在平面中的运动方向，Z轴表示在空间中的上升和下降，这样就可以判断物体的运动了。三轴加速度传感器虽然精确，但是使用成本较高，所以根据实际使用情况的不同，还有单轴，双轴等类型的传感器。 IEPE如何工作 说了这么多IEPE到底是如何工作的呢？首先IEPE整体组装在一个金属壳内，下面连接一个刚度较大的基座，在壳体内部，两片压电片组成压电元件并且表面镀银。压电片之间是金属片，它可以将压电元件产生的电荷，通过引线输入到集成电路中，压电片上方连接着一个质量较小的质量块，质量块由刚度较大的弹簧或是螺栓，对其施加预载荷。 在使用IEPE测量振动时，应将传感器与被测物固定在一起，由于弹簧的刚性大而质量块的质量小，所以质量块受到的振动与基座的振动是相同的。因为质量块不断变化的惯性力的作用，使得压电片受到的压力不断变化，从而产生高阻抗的电荷信号，这些电荷信号通过与金属片相连的引线，输入到内置的集成电路中。集成电路又将输入的电荷信号转化成低阻抗的电压信号输出。 IEPE还需要使用一个恒流源供电，电流一般在2mA~20mA之间。在大多数情况下，4mA的恒定电流值是一个很好的折衷方案，供电电压在18V～30V之间。 IEPE传感器的内部集成电路中一个很重要的器件就是电荷放大器，它可以将电荷信号转变为电压信号。其原理图如下： 计算U_O与Q的关系，由电路图可知： 它便是IEPE输出的电压信号。但这个信号是交流信号叠加在直流电源上的电压信号，所以我们还要通过交流耦合，将信号中的直流成分去掉。使其变为以0V为基准的波形。 最后我们介绍一下IEPE的参数及其优缺点，IEPE的灵敏度单位是mV/g，其中g是重力加速度。灵敏度越高测量范围越小，灵敏度越低测量范围越大。传感器的最大量程是由最大输出电压与灵敏度的比值决定的。在选择传感器时，要特别注意这两个参数。 IEPE的优点是内部带有集成电路，导致它的抗干扰能力很好，可以用长轴电缆输出，而且方便安装，使用简单。缺点也因为内部的集成电路使的它的温度范围变窄，一般小于125℃，而且内部的集成电路与传感器承受同样的测试条件，很容易出现故障，对环境的要求也更高。 以上就是我们对IEPE相关内容的介绍。 采集IEPE的加速度信息 下面我们将通过实验，使用数据采集卡采集IEPE的加速度信息。 本次实验，我们通过风扇模拟物体发生损坏时震动信息的变化情况。 用到的实验器材有：USB-3213数据采集卡、SRD-1104-IEPE信号调理器、IEPE传感器和风扇。 SRD-1104-IEPE信号调理器，可以将IEPE的极性信号调整为双极性信号，而且能够为传感器提供4mA的恒流电源，同时调理器使用USB供电或者外接２４V电源。IEPE的有关参数是：量程10ｇ、激励电流2mA～20mA、灵敏度：501.5ｍV/g。各设备间的连接方式是：首先将IEPE传感器与信号调理器的IEPE 0接口相连；将IEPE信号调理器的IEPE OUT 0接口与采集卡的AI 0连接；将GND与采集卡的AI Sense连接；将采集卡上的AGND与Ai Sense短接。 然后将采集卡和信号调理器通过USB线缆连接到电脑上；最后将IEPE传感器固定在风扇边框上。 在采集实验数据前，我们还需要调整采集卡软件的有关设置：将纵坐标设置为-10～10，并且取消勾选自动调整坐标。 在软件设置中，勾选单端模式。 勾选AI 0通道。 采样率设置为10k。 勾选单位变化，使传感器输出电压为10～-10，传感器单位为“g”，传感器量程设置成10～-10。 选择数据存储路径。 其他内容不变，将横纵表设置为0～100。 点击启动，可以看到当风扇不转动时振动基本不发生，数据稳定在0坐标上。 当风扇正常转动时，数据在0.2～－0.2之间波动。 为了模拟风扇损坏的情况，我们在扇叶上粘贴一个纸团，破坏它的结构，当开启风扇时，可以看到它的震动信息有了明显的变化。 观察风扇前后的震动数据，可以很容易地判断出风扇是否发生了损坏，放大横坐标后可以清楚的观察到震动的波动情况。 打开数据存储路径，我们可以通过软件将数据转换为CSV格式。 以上就是使用数据采集卡采集IEPE传感器信号的全部内容。

什么是传感器 传感器是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。用数学表达式可以表述为： 传感器的分类 经常会有这样的问题，这个数据采集卡可以测压力传感器吗？要回答这个问题我们要先了解传感器的分类。传感器的分类有很多种方式，因为用户关注的是其所研究的方向，所以经常以被测物理量的类型来分类：压力传感器、温度传感器、湿度传感器、位移传感器、加速度传感器等。而这种分类方式并不便于选择数据采集设备。在选择数据采集设备的时候，需要关注的是传感器的输出类型。根据数据输出的类型，传感器可以做如下分类：电压型、电流型、电阻型、电容型、频率、脉冲、编码器等类型型等。 标准电压型传感器/变送器 传感器的输出类型很多，最通用并且便于与数据采集卡连接进行数据采集的，就是标准电压型传感器/变送器。这种传感器的输出电压一般是，1 - 5V，0 - 5V ，0 - 10V，或 ± 5V，± 10V 的范围。绝大多数的采集卡有10V或者5V的量程，这样就可以直接采集，并且可以有效的利用整个量程。 有些传感器的输出电压虽然不是5V或者10V，但是其输出电压与之相差不大，比如说某个湿度传感器的输出电压是0 - 3V，然而却没有3V量程的采集卡。这个时候我们同样可以使用5V量程进行采集，虽然有一些量程损失，但是这种程度的损失是可以接受的。那么如果有一个传感器的输出电压是1V，那么用5V量程去采集，这样的量程损失是否还可以接受呢？我们可以大概的计算一下。假如某个16 位的采集卡，量程是5V，采集1V输出范围的传感器。这个时候就损失了五分之四的量程，采集到的数量只有不到14位。解决这样的问题，最好的办法是用一个1V量程的采集卡，或者接近1V量程的采集卡。 由此可见，一个数据采集卡可以提供更多的量程，对于不同输出范围的传感器的数据采集是非常有帮助的。为此Smacq的USB-3000系列数据采集卡为用户提供了10V，5V，2.5V，1.25V，0.64V的多量程选择，并且在同一次数据采集中，每个模拟输入通道可以使用不同量程。为多种传感器集成于同一个数据采集卡中的应用提供了便利。 还有一些传感器的输出电压范围很小，只有几个mV或几十个mV。比如称重传感器的输出很多是2mV / V，当用10V的电源驱动时，其满量程输出也只有20mV。对于这种情况，一般有两种选择，一是使用专用的称重数据采集卡，一般这种数据采集卡的通用性不好，不方便与其它传感器集成使用；二是使用信号调理电路 / 模块，我们可以简单理解为将信号放大至5V或10V，再用通用的数据采集卡进行采集。这种信号调理电路一般称之为变送器。 电流信号输出的传感器 还有一大类的传感器/变送器的输出是电流型输出的，要对这些传感器/变送器进行数据采集，首先要把电流信号变成电压信号。关于电流信号的数据采集，请查阅Smacq的另一篇文档《使用数据采集卡采集电流数据》。 频率、脉冲和编码器信号的采集 最常见的频率信号输出的是扭矩和转速，扭矩传感器的输出是10kHz ± 5kHz的频率信号，10kHz表示0扭矩。转速的测量对转速传感器的输出脉冲进行测频获得。一些用于粒子探测的传感器输出是以脉冲的形式输出有，每一个脉冲表示有一个粒子被探测到。编码器主要应用于位置的测量，包括转动的角度和移动的位移。这三类信号都需要使用到数据采集卡的计数器功能，USB-3300系列提供有3个高性能的计数器通道，可以完成这些功能。 其它信号的采集

通过变送器的信号链路示意图

传感器与采集卡的连接 还有很多种类的信号不能直接连接到通用数据采集卡，比如说前面提前到的称重传感器，同样是小信号输出的还有用于温度测量的热电偶，以及输出为电阻型的传感器（PT100等）。这些传感器要想连接到通用型的数据采集卡上，就需要通过变送器把信号变换成标准的电压信号。然后再通过采集卡对变送器的信号进行采集。 这里主要说明标准电压输出型的传感器/变送器与采集卡的连接，其它类型的传感器请参考相关文档或与Smacq的技术支持取得联系。大多数传感器/变送器上有3根或4根连接线，分别是电源正、电源负（电源地），信号输出，信号负（信号地）我们需要根据传感器手册要求为传感器选择一个电源。然后按照下图的方式与采集卡进行连接。

传感器与采集卡连接意义图

关于这个连接图有两点需要特别说明，一是有些3根连接线的传感器的电源负与信号负是同一根线，那么就需要把这根线同时连接到电源的负（地）端和采集卡的AI Sense上；二是给传感器供电一般是使用开关电源，大多数开关电源的的输出负端与大地不连接，这样来讲传感器相关对于采集卡就是浮空源，所以需要把AI Sense和AGND用导线连接在一起。如果确定采集卡与传感器共地，那么就不需要把AI Sense和AGND用导线连接在一起。关于浮空源和接地源相关的连接问题，请参考USB-3000系列用户手册中的相关内容。 数据采集软件 为了方便用户可以快速的获取数据，Smacq为用户提供了Smacq DAQ Software软件，在该软件中用户只需要进行简单的配置就可以开始数据，软件提供有单位变换的功能，可以直接以被测物理量的单位进行显示。同时采集到的数据可以存储，回放，并且可以将数据转存为CSV格式。更多关于软件的说明请参考《Smacq DAQ Software 快速使用指南》。

数据采集软件截图