使用压力传感器采集压力数据
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、VEX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。
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、VEX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。
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UO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。
