典型应用

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

什么是热电偶

热电偶（thermocouple）是温度测量仪表中常用的测温元件，它直接测量温度，并把温度信号转换成热电动势信号，通过电气仪表（二次仪表）转换成被测介质的温度。各种热电偶的外形常因需要而极不相同，但是它们的基本结构却大致相同。

热电偶测温的基本原理是两种不同成份的材质导体组成闭合回路，当两端存在温度梯度时，回路中就会有电流通过，此时两端之间就存在电动势——热电动势，这就是所谓的塞贝克效应(Seebeck effect）。两种不同成份的均质导体为热电极，测温一端为工作端，而自由端通常处于某个恒定的温度下，连接温控仪或测温表。根据热电动势与温度的函数关系，制成热电偶分度表；分度表是自由端温度在0℃时的条件下得到的，不同种类的热电偶具有不同的分度表。当使用热电偶测温时，其冷端温度受环境影响较大，冷端温度无法保证是0℃，这样就产生了误差，所以需要对热电偶进行冷端补偿。

热电偶的技术优势：热电偶测温范围宽，性能比拟稳定；丈量精度高，热电偶与被测对象直接接触，不受中间介质的影响；热响应时间快，热电偶对温度变化反响灵活；丈量范围大，热电偶性能牢靠，机械强度好。运用寿命长，装置便当。图1.1常用热电偶。

图1.1常用热电偶

热电偶类型

现在经常使用的热电偶都是标准热电偶，所谓标准热电偶是指国家标准规定了其热电势与温度的关系、允许误差、并有统一的标准分度表的热电偶，它有与其配套的显示仪表可供选用。并指定S、B、E、K、R、J、T七种标准化热电偶为中国统一设计型热电偶，其中最为常用的是K型热电偶。

当工作中用到热电偶测温时，需要根据使用环境的温度范围，所需精度，使用气氛，测定对象的性能，相应时间和经济效益等综合考虑。具体型号需要和热电偶厂家沟通。

Smacq对于热电偶温度采集提供了两种方案，一种是使用通用数据采集卡+热电偶变送器，另一种是使用专用的热电偶数据采集模块。

电偶变送器

热电偶输出电压幅度都较小，如K型热电偶的灵敏度大约是0.04mv/℃，通用数据采集卡一般不会内置特别高增益的放大器，同时通用数据采集卡也不具备有冷端被偿的功能，因此需要外接信号调理电路来解决这两个问题，这个信号调理电路就是热电偶变送器。本文中使用的是USB-3000系列数据采集卡，使用的温度变送器输出的信号是标准电压信号，如图1.2温度变送器。

图1.2温度变送器

数据采集卡与温度变送器接线

这里主要说明能够输出标准电压的温度变送器与数据采集卡的连线问题。在这里采用的温度变送器有5个端子，分别是给温度变送器供电的电源正，电源负（电源地），热电偶正极，热电偶负极，还有输出端子（标准电压输出的接口）。需要为温度传感器选择一个合适的电源（具体需要根据温度变送器的手册来选择），然后按照图1.3进行连线。下图使用的是温度变送器输出电压形式给出的接线图，可以适配通用数据采集卡。如果使用的温度变送器输出是4—20ma电流，接线就需要参考Smacq知识库里采集卡采集电流数据专题。

图1.3 数据采集卡与温度变送器接线

这里对于数据采集卡与温度变送器连线有以下说明，通常给温度变送器供电，会忽略温度变送器供电电源是否与数据采集卡共地。如果不共地，那么温度变送器相对采集卡就是浮空源，所以需要按照图1.3来进行连线，将AI Sense与AGND进行短接。如果能够确定采集卡与温度变送器共地，就可以不必对AI Sense与AGND进行短接，电源负直接就可以与AI Sense连接就可以。一般来讲以开关电源供电的变送器，大多数是浮空源。关于浮空源与接地源具体接线的方法需要参考USB-3000系列手册。

数据采集卡软件操作

首先在使用温度变送器之前，需要了解所使用温度变送器的一些重要参数，要了解选用的温度变送器是否符合热电偶型号，温度变送器的电源供电电压，温度取值范围，输出电压是多少。在这里，思迈科华公司实际做测验的时候，选用的是供电电压为24V，温度取值范围是-50℃—400℃，输出电压0V—10V的温度变送器。

在外部设备接线正确的情况下，进入思迈科华公司的Smacq DAQ Software设置界面，设置软件采用的单端模式，选取的是AI 0通道进行数据采集。量程选用的是±10.24V，采样率选用的是10Sa/s/ch（在实际采集中可以依据实际情况和采集卡已有的采样率来设定），然后设定温度变送器的量程与输出电压，所以说温度变送器的一些重要参数需要根据产品手册来了解，图1.4温度变送器参数。

图1.4温度变送器参数

如果想要实现采集卡采集的电压信号转换成温度，这里勾选单位变换。如图1.5采集卡采集的电压曲线，如图1.6采集卡经过单位变换采集的温度曲线

图1.5电压曲线

图1.6温度曲线

这样就可以得到采集卡所采集到的电压数据和经过变换的温度数据，然后也可以利用思迈科华提供的软件功能对采集到的数据进行导出，得到采集的电压或温度生成的Excel表格形式的数据。关于数据采集卡软件操作请参考 《Smacq DAQ Software 快速使用指南》。

远程IO模块对热电偶进行数据采集

另一种热电偶温度采集的方案，它使用Smacq的M2100系列中专用于热电偶数据采集的M2101远程IO模块。M2100系列温度采集远程IO模块是一组基于Modbus RTU标准协议的计算机接口模块。因为它是标准MODBUS RTU设备，所以PLC，工控屏等设备可以非常方便的连接使用。它有8种热电偶类型支持，8个热电偶采集通道，数据接口是RS-485(2线)，具体信息参考Smacq官网的产品手册。由于现在的PC机已经很少有485接口，Smacq提供了SDS1011串口转换器，它使用USB标准协议，可以支持USB转RS-485的接口，同时SDS1011还具有一个24V 100mA的电源输出，用来解决M2101的供电的问题。

远程IO模块M2101与热电偶的连线图

正常的接线是需要一个直流电源来给M2101远程IO模块供电，SDS1011在SDS1001串口转换器的基础上升级了供电方面的功能，可以直接给M2101供电，简化了电路连接。如图1.7 M2101远程IO模块与热电偶连接示意图。

图1.7 IO模块与热电偶连接示意图

远程IO模块M2101的软件操作

远程IO模块M2101所对应的操作软件是M Console，以下示意图是思迈科华公司在测试产品时，K型热电偶温度采集的样例。如图1.8温度显示界面。

图1.8 温度显示界面

也可以点击主页面的数据记录表Data logger，选择要记录温度的通道进行数据采集，然后设置文件生成的地址，就可以实时显示采集到的温度的数据，而且采集的温度数据可以生成.CSV格式的文件，并且能实时显示当前的数据，以及采集到的数据最大值，最小值，平均值，方便用户进行数据分析。如图1.9数据波形。

图1.9 数据波形

以上就是Smacq针对热电偶传感器对温度采集给出的两种方案，用户可以根据自身实际情况以及实际所需功能来自行选择。