lundi 5 février 2024 · 0 min read
Qu'est-ce que l'acquisition de données - DAQ ou DAS?
Dans cet article, nous allons apprendre ce qu'est l'acquisition de données, en la décrivant avec suffisamment de détails :
voir ce qu'est l'acquisition de données (DAQ)
Connaître les principales caractéristiques et capacités de l'acquisition de données
Comprendre comment l'acquisition de données est utilisée aujourd'hui, et pourquoi.
Êtes-vous prêt à vous lancer ? C'est parti!
Qu'est-ce que l'acquisition de données ?
Lorsque nous parlons d'acquisition de données, communément abrégée en DAQ ou DAS, nous faisons référence au processus consistant à prendre des mesures de phénomènes physiques et à les enregistrer d'une certaine manière afin de les analyser.
Il est généralement admis que l'acquisition de données se distingue des formes antérieures d'enregistrement sur bande ou sur papier.
Contrairement à ces méthodes, les signaux sont convertis du domaine analogique au domaine numérique, puis enregistrés sur un support numérique tel que la mémoire ROM, les supports flash ou les disques durs.
Les systèmes modernes d'acquisition de données numériques se composent de quatre éléments essentiels qui forment l'ensemble de la chaîne de mesure des phénomènes physiques :
Capteurs:
Conditionnement du signal:
Convertisseur analogique-numérique:
Ordinateur avec logiciel DAQ pour l'enregistrement et l'analyse des signaux.
Le système d'acquisition de données (DAQ) typique comporte plusieurs voies de conditionnement du signal qui assurent l'interface entre les capteurs externes et le sous-système de conversion A/N.
Dewesoft fournit des systèmes d'acquisition de données numériques modernes et faciles à utiliser pour les applications de test et de mesure les plus simples et les plus exigeantes.
En savoir plus sur les éléments d'un système d'acquisition de données numériques:
Que mesure un système d'acquisition de données ?
Les systèmes d'acquisition de données servent principalement à mesurer des phénomènes physiques tels que :
Température (voir Mesure de la température avec des capteurs thermocouples)
La tension
Le courant
Déformation et pression (voir Comment mesurer la déformation et la pression)
Chocs et vibrations
Distance et déplacement
RPM, angle et phénomènes discrets
Poids (voir Comment mesurer le poids)
Notez qu'il existe plusieurs autres mesurandes, notamment la lumière et les images, le son, la masse, la position, la vitesse, etc.
Découvrez les systèmes d'acquisition de données numériques modernes de Dewesoft
Dewesoft fournit des systèmes d'acquisition de données numériques modernes et modulaires faciles à utiliser. Les systèmes sont conçus pour être faciles à utiliser, mais vous pouvez les utiliser pour les applications de test et de mesure les plus exigeantes. Les DAQ de Dewesoft offrent une garantie de 7 ans, la meilleure du secteur.
Les objectifs de l'acquisition de données
L'objectif premier d'un système d'acquisition de données est d'acquérir et de stocker les données. Mais ils sont également destinés à fournir une visualisation et une analyse des données en temps réel et après l'enregistrement. En outre, la plupart des systèmes d'acquisition de données intègrent des fonctions d'analyse et de génération de rapports.
Une innovation récente est la combinaison de l'acquisition de données et du contrôle, où un système d'acquisition de données est étroitement connecté et synchronisé avec un système de contrôle en temps réel. Vous pouvez en savoir plus sur ce sujet dans l'article correspondant : "Fusionner l'acquisition de données avec un système de contrôle en temps réel".
Les ingénieurs des différentes applications ont bien sûr des exigences différentes, mais ces capacités clés sont présentes dans des proportions variables :
L'enregistrement des données
Stockage des données
Visualisation des données en temps réel
Examen des données après enregistrement
Analyse des données à l'aide de divers calculs mathématiques et statistiques
Production de rapports
Importance des systèmes d'acquisition de données
Les systèmes d'acquisition de données ou dispositifs DAQ sont essentiels pour tester les produits, qu'il s'agisse d'automobiles ou de dispositifs médicaux - en fait, tout dispositif électromécanique utilisé par les gens.
Avant l'acquisition de données, les produits étaient testés de manière non structurée et très subjective. Par exemple, lorsqu'ils testaient une nouvelle suspension dans une automobile, les ingénieurs se fiaient souvent à l'opinion des conducteurs pour savoir comment ils se sentaient avec la suspension.
Avec l'invention et le développement des systèmes d'acquisition de données, qui peuvent collecter des données à partir d'une grande variété de capteurs, ce type d'opinions subjectives a été remplacé par des mesures objectives. Celles-ci pouvaient facilement être répétées, comparées, analysées mathématiquement et visualisées de nombreuses façons.
Exemple de scénario d'essai où le système d'acquisition de données de Dewesoft est utilisé pour enregistrer, stocker et analyser les données lors d'un essai de charge de poids extrême sur un camion.
Aujourd'hui, personne n'envisagerait de fabriquer un véhicule, petit ou grand, un avion, des appareils médicaux, des machines à grande échelle, etc. sans utiliser l'acquisition de données pour mesurer objectivement leurs performances, leur sécurité et leur fiabilité.
Le processus de mesure
L'acquisition de données est le processus qui consiste à convertir les signaux du monde réel dans le domaine numérique pour les afficher, les stocker et les analyser. Comme les phénomènes physiques existent dans le domaine analogique, c'est-à-dire le monde physique dans lequel nous vivons, ils doivent d'abord être mesurés dans ce domaine, puis convertis dans le domaine numérique.
Ce processus s'effectue à l'aide d'une variété de capteurs et de conditionneurs de signaux. Les sorties sont échantillonnées par des convertisseurs analogiques-numériques (CAN), puis écrites dans un flux temporel sur un support de mémoire numérique, comme mentionné ci-dessus. Nous appelons généralement ces systèmes les systèmes de mesure.
Examinons plus en détail chacun de ces éléments de la chaîne :
Capteurs ou transducteurs
Conditionneurs de signaux
Isolation
Filtrage
Convertisseurs analogique-numérique (ADC)
Stockage des données
Visualisation des données
Analyse des données
Capteurs ou transducteurs
La mesure d'un phénomène physique, tel que la température, le niveau d'une source sonore ou la vibration résultant d'un mouvement constant, commence par un capteur. Un capteur est également appelé transducteur. Un capteur convertit un phénomène physique en un signal électrique mesurable.
Les capteurs sont utilisés dans notre vie quotidienne. Par exemple, le thermomètre à mercure commun est un très ancien type de capteur utilisé pour mesurer la température. Utilisant du mercure coloré dans un tube fermé, il repose sur le fait que ce produit chimique réagit de manière constante et linéaire aux changements de température. En marquant le tube avec des valeurs de température, nous pouvons regarder le thermomètre et voir quelle est la température avec une précision limitée.
Bien sûr, il n'y a pas de sortie analogique autre que la sortie visuelle. Ce type de thermomètre primitif, bien qu'utile dans le four ou à la fenêtre de la cuisine, n'est pas particulièrement utile pour les applications d'acquisition de données.
D'autres types de capteurs ont donc été inventés pour mesurer les températures, comme les thermocouples, les thermistances, les RTD (Resistance Temperature Detectors), et même les détecteurs de température à infrarouge. Des millions de ces capteurs sont utilisés chaque jour dans toutes sortes d'applications, de la température du moteur affichée sur le tableau de bord de nos voitures aux températures mesurées dans la fabrication de produits pharmaceutiques. Pratiquement toutes les industries utilisent la mesure de la température d'une manière ou d'une autre.
Bien sûr, il existe de nombreux autres types de capteurs qui ont été inventés pour mesurer un autre phénomène physique :
Capteurs de charge : pour mesurer le poids et la charge
Les capteurs LVDT : Les LVDT sont utilisés pour mesurer le déplacement
Accéléromètres : pour mesurer les vibrations et les chocs
Les microphones : pour mesurer le son,
Jauges de contrainte : pour mesurer la contrainte sur un objet, par exemple mesurer la force, la pression, la tension, le poids, etc,
Capteurs de courant : pour mesurer le courant alternatif ou continu,
et bien d'autres encore.
Selon le type de capteur, sa sortie électrique peut être une tension, un courant, une résistance ou un autre attribut électrique qui varie dans le temps. La sortie de ces capteurs analogiques est généralement connectée à l'entrée d'un conditionneur de signaux, dont nous parlerons dans la section suivante.
En savoir plus sur les capteurs et les transducteurs:
Conditionneurs de signaux
Les conditionneurs de signaux ont pour fonction de prendre la sortie des capteurs analogiques et de la préparer à être échantillonnée numériquement.
Si nous reprenons l'exemple du thermocouple. Le circuit de conditionnement du signal doit linéariser la sortie du capteur et fournir une isolation et une amplification pour amener la très petite tension à un niveau nominal pour la numérisation.
Chaque conditionneur de signal est conçu par le fabricant pour effectuer la normalisation élémentaire de la sortie du capteur afin d'assurer sa linéarité et sa fidélité aux phénomènes de la source, et de la préparer à la numérisation. Et comme chaque type de capteur est différent, les conditionneurs de signaux doivent s'y conformer parfaitement.
En savoir plus sur le conditionnement du signal:
Isolation électrique (isolation galvanique)
Parfois également appelée isolation galvanique, l'isolation électrique consiste à séparer un circuit d'autres sources de potentiels électriques. C'est particulièrement important pour les systèmes de mesure, car la plupart des signaux existent à des niveaux relativement bas, et les potentiels électriques externes peuvent influencer considérablement la qualité du signal, entraînant des lectures erronées. Les potentiels d'interférence peuvent être de nature alternative ou continue.
Par exemple, lorsqu'un capteur est placé directement sur un article à tester (par exemple, une alimentation électrique) dont le potentiel est supérieur à la terre (c'est-à-dire qu'il n'est pas à 0 V), cela peut imposer un décalage continu sur le signal de plusieurs centaines de volts. L'interférence ou le bruit électrique peut également prendre la forme de signaux alternatifs créés par d'autres composants électriques dans le trajet du signal ou dans l'environnement autour du test. Par exemple, les lampes fluorescentes dans la pièce peuvent émettre des signaux de 400 Hz qui peuvent être captés par des capteurs très sensibles.
C'est pourquoi les meilleurs systèmes d'acquisition de données ont des entrées isolées - pour préserver l'intégrité de la chaîne du signal et garantir que ce que le capteur émet est réellement ce qui a été lu. Il existe plusieurs types de techniques d'isolation utilisées aujourd'hui.
Vidéo expliquant l'isolation galvanique élevée des systèmes d'acquisition de données Dewesoft
En savoir plus sur l'isolation des systèmes d'acquisition de données:
Filtrage
Pratiquement tous les signaux que nous voulons mesurer peuvent être affectés par des interférences électriques ou du bruit. Les causes en sont diverses, notamment les champs électromagnétiques ambiants qui peuvent être induits dans les lignes de signaux à haut gain, ou de simples potentiels de tension qui existent entre le capteur ou le système de mesure et l'objet testé. Par conséquent, les meilleurs systèmes de conditionnement de signaux fournissent un filtrage sélectionnable que l'ingénieur peut utiliser pour éliminer ces interférences et effectuer de meilleures mesures.
Les filtres sont normalement exprimés en fonction de la bande sur laquelle ils fonctionnent. Il existe quatre types fondamentaux de filtres de signaux :
Filtre passe-bas : ce filtre réduit ou " amortit " les fréquences à partir d'une fréquence donnée et celles qui lui sont supérieures.
Filtre passe-haut : il fait l'inverse et laisse passer les fréquences supérieures à une fréquence donnée.
Filtres passe-bande et coupe-bande : ils laissent passer ou arrêtent (rejettent) les fréquences comprises entre deux valeurs données.
Certains filtrages, comme le filtrage anti-repliement, ne peuvent être effectués que dans le domaine analogique. En effet, une fois qu'un faux signal causé par un sous-échantillonnage a été numérisé, il n'y a plus aucun moyen de savoir à quoi ressemblait le vrai signal. Cependant, presque tous les autres filtrages peuvent être effectués dans le domaine numérique, c'est-à-dire dans un logiciel, après que le signal a été numérisé.
Les filtres sont également définis par le nombre de pôles qu'ils possèdent. Plus le nombre de pôles est élevé, plus la réduction du signal qu'ils sont capables d'effectuer est importante. Cette atténuation ou pente signifie simplement le nombre de décibels du signal qui peuvent être atténués par octave. La spécification du filtre en question donne généralement l'attenuation maximum en dB/Q.
Le matériel DAQ de Dewesoft fournit généralement un filtrage passe-bas, comme l'exigent les types de signaux mesurés. Certains conditionneurs fournissent en plus un filtrage passe-haut, par exemple les amplificateurs de signaux CHARGE. L'élimination des éléments basse fréquence indésirables est particulièrement critique si le signal mesuré est intégré ou doublement intégré, car les éléments indésirables fausseraient fortement les valeurs de vitesse ou de déplacement dérivées.
Vous entendrez également parler de types de filtres tels que Bessel, Butterworth, Elliptic, et Chebyshev, pour n'en citer que quelques-uns. Étant donné que tous les filtres imposent des distorsions au signal lui-même en raison de leur nature même, les ingénieurs ont développé au fil des ans leurs propres types de filtres afin de fournir les meilleurs résultats possibles pour leurs objectifs spécifiques.
| Type de filtre | Pente du filtre | Ondulation ou distorsion | Autres facteurs |
|---|---|---|---|
| Butterworth | Bon | Pas d'ondulation, mais les ondes carrées provoquent une distorsion (hystérésis) | Distorsion de phase modérée |
| Chebyshev | Plus raide | Ondulations dans la bande passante | Mauvaise réponse transitoire |
| Bessel | Good | Pas d'oscillation ou de dépassement des formes d'onde non sinusoïdales | Retard de phase accru |
| Elliptique | Plus grande pente | Ondulations dans la bande passante | Réponse en phase non linéaire |
Le logiciel Dewesoft X offre une large palette d'options de filtrage sélectionnables par l'utilisateur, y compris toutes celles mentionnées ci-dessus et plus encore. Il est intéressant de noter que les filtres du logiciel peuvent être appliqués après la mesure - et même supprimés ou modifiés après la mesure. L'ingénieur dispose ainsi de nombreux outils lui permettant d'analyser ses données de manière non destructive.
Grâce au logiciel Dewesoft X, les ingénieurs peuvent enregistrer leurs données sans filtrage, puis appliquer divers filtres après l'enregistrement et faire des expérimentations, et même effectuer des comparaisons côte à côte avec le signal original. Cette flexibilité est un outil d'analyse puissant et extrêmement facile à mettre en œuvre. Elle préserve les données brutes, non filtrées, et permet simultanément à l'ingénieur d'appliquer des filtres selon ses besoins, créant ainsi un ensemble de données différent à des fins d'analyse ou de présentation.
Convertisseurs analogiques-numériques (CAN ou convertisseurs analogiques)
La sortie de la plupart des conditions de mesure physique est un signal analogique. Il est nécessaire de convertir ce signal en une série de valeurs numériques à haute vitesse afin qu'il puisse être affiché et stocké par le système d'acquisition de données. À ce titre, une carte A/N ou un sous-système A/N est utilisé pour convertir ce signal.
Il existe différents types de CAN, dont les convertisseurs multiplexés et les convertisseurs uniques par voie. Dans un système CAN multiplexé, un seul convertisseur analogique-numérique est utilisé pour convertir plusieurs signaux du domaine analogique au domaine numérique. Cela se fait en multiplexant les signaux analogiques un par un dans le CAN.
Il s'agit d'une approche moins coûteuse que l'utilisation d'un CAN par voie. Mais d'un autre côté, il n'est pas possible d'aligner précisément les signaux sur l'axe du temps, car un seul signal peut être converti à la fois. Il y a donc toujours un décalage temporel entre les voies.
Au début de l'acquisition de données, les CAN de 8 bits étaient courants. À l'heure actuelle, les CAN de 24 bits sont standard dans la plupart des systèmes d'acquisition de données conçus pour effectuer des mesures dynamiques, et les CAN de 16 bits sont généralement considérés comme la résolution minimale pour les signaux en général.
La vitesse à laquelle les signaux sont convertis s'appelle la fréquence d'échantillonnage. Certaines applications, comme la plupart des mesures de température, ne nécessitent pas une fréquence élevée car les mesurandes ne changent pas très rapidement. Cependant, les tensions et les courants alternatifs, les chocs et les vibrations, ainsi que de nombreux autres mesurandes nécessitent des taux d'échantillonnage de l'ordre de dizaines ou de centaines de milliers d'échantillons par seconde, voire plus. Le taux d'échantillonnage est considéré comme l'axe T ou X de la mesure.
Sur l'axe Y ou vertical, les ADC sont disponibles avec différentes résolutions. Les plus courantes aujourd'hui sont 16 bits et 24 bits. Un CAN avec une résolution de 16 bits peut théoriquement numériser un signal entrant avec une résolution d'une partie sur 65 535 (2^16 = 65 536).
Ce nombre est en réalité réduit par le bruit et l'erreur de quantification, entre autres facteurs, mais il constitue un bon point de départ pour la comparaison. Comme chaque bit de résolution double effectivement la résolution de quantification, les systèmes dotés de CAN 24 bits fournissent 2^24 = 16 777 216. Ainsi, un signal entrant d'un volt peut être divisé en plus de 16 millions de pas sur l'axe des ordonnées.
Les CAN offrant des taux d'échantillonnage élevés et une résolution d'axe d'amplitude élevée sont optimaux pour l'analyse des signaux dynamiques tels que les chocs et les vibrations. Des taux d'échantillonnage faibles et une résolution de l'axe d'amplitude élevée sont optimaux pour les thermocouples et autres mesurandes qui ont une large gamme d'amplitude mais qui ne changent pas d'état rapidement.
Les CAN qui fournissent un filtrage anti-repliement (AAF) sont hautement souhaitables dans toutes les applications impliquant des mesures dynamiques car ils empêchent les erreurs de mesure causées par l'échantillonnage d'un signal à une fréquence trop faible. On parle de repliement lorsqu'un faux signal est créé par un échantillonnage trop peu fréquent pour un signal qui change rapidement.
Une fois convertis en numérique, nos signaux (alias mesurandes) sont traités par le sous-système informatique de plusieurs manières. Tout d'abord, ils peuvent être affichés à l'opérateur de test sur l'écran du système pour une inspection visuelle et un examen. La plupart des systèmes DAQ affichent les données dans plusieurs formats populaires, y compris un affichage de l'histoire du temps ou "graphique à bandes" (Y/T), ainsi qu'un affichage numérique. Mais d'autres types d'affichage sont disponibles sur de nombreux systèmes du marché actuel, notamment des graphiques à barres, des graphiques X-Y, etc.
En savoir plus sur les convertisseurs A/D :
Stockage des données
Les systèmes d'acquisition de données actuels utilisent généralement un disque dur à l'état solide (SSD ou HDD) pour transmettre les données du sous-système ADC à un stockage permanent. L'écriture des données sur le disque permet également de les analyser une fois le test terminé.
La plupart des systèmes DAQ permettent d'exporter les données vers différents formats de fichiers pour les analyser à l'aide d'outils logiciels tiers. Les formats de données les plus courants sont CSV (Comma Separated Values), UNV (Universal File Format), etc.
Le logiciel d'acquisition de données Dewesoft X est capable d'exporter des données vers ces deux formats et bien d'autres. Consultez la liste complète des formats de fichiers de données exportés. which is included for free with our modular data acquisition systems are able to export data to both formats plus many others. See the complete list of supported file export formats.
Visualisation et affichage des données
L'une des fonctions les plus critiques de tout système DAQ est la possibilité de visualiser les données en temps réel pendant leur stockage. Les systèmes utilisent généralement un écran intégré ou séparé, qui peut être configuré dans une variété de formats visuels.
Les données de forme d'onde peuvent presque toujours être affichées sous forme de formes Y/T sur un graphique ou une grille, et sous forme numérique. Mais d'autres conventions graphiques peuvent être utilisées en plus, comme les bargraphes, les graphiques de fréquence/magnitude FFT (Fast Fourier Transform), etc.
Les systèmes DAQ les plus flexibles d'aujourd'hui permettent à l'utilisateur de configurer librement un ou plusieurs affichages à l'aide de widgets graphiques intégrés, et ce de manière simple. Le logiciel d'acquisition de données Dewesoft X offre plusieurs instruments visuels intégrés :
Enregistreurs : enregistreur horizontal, vertical et XY
Oscilloscope : scope, scope 3D, vectorscope
FFT : FFT, FFT 3D, FFT harmonique, et Octave
Compteurs : numériques, analogiques, barre-graphes horizontaux/verticaux.
Graphiques : Graphique 2D, 3D, Octave, Orbite, Campbell plot
Vidéo : affichage vidéo standard et affichage vidéo thermique avec indicateurs de température
GPS : affichage de positionnement avec support interactif de superposition de cartes Open Street Map
Contrôle : bouton, interrupteur, molette, curseur, entrée utilisateur
Analyse de la combustion : Diagramme P-V et champ de combustion
Equilibreur moteur : pour l'équilibrage
Automobile : polygone 3D pour l'affichage d'objets en mouvement
Aérospatiale : indicateur d'altitude ou d'horizon artificiel
DSA/NVH : cercle modal
Autres : tableau 2D/3D, image, texte, ligne, indicateur de surcharge, lampe témoin, note
Tout instrument visuel offre différentes options de personnalisation avec un retour visuel en temps réel.
Affichage typique d'un logiciel DewesoftX DAQ fonctionnant sur n'importe quel systme d'acquisition de donnes Dewesoft, montrant les donnes mesures dans une varit de graphiques et de "widgets" visuels s'lectionnables par l'utilisateur
Analyse des données
Les systèmes d'acquisition de données fournissent une référence visuelle importante quant à l'état de l'essai en temps réel. Mais après avoir été stockées dans le système DAQ, les données peuvent également être analysées à l'aide d'outils intégrés au système DAQ ou de logiciels d'analyse de données tiers.
Comme nous l'avons mentionné précédemment, presque tous les systèmes d'acquisition de données sur le marché aujourd'hui possèdent plusieurs filtres d'exportation de données intégrés qui convertissent le format de données propriétaire du système en formats de données tiers pour une analyse hors ligne.
Types de systèmes DAQ de base
Il existe deux types fondamentaux de systèmes d'acquisition de données :
Les systèmes d'acquisition de données clés en main
les plates-formes de développement DAQ à faire soi-même
Prix des systèmes d'acquisition de données
Les systèmes d'acquisition de données sont vendus par une variété de sociétés et sont disponibles avec un large éventail de capacités et de spécifications, les prix peuvent donc varier de manière significative. Consultez le guide The Complete List of Data Acquisition Companies pour obtenir la liste à jour des sociétés d'acquisition de données.
Il est utile de fournir des prix généraux pour ces différents niveaux de systèmes d'acquisition de données, en utilisant le modèle de prix par voie. Les prix estimés sont indiqués en USD (dollars américains) :
Les systèmes d'acquisition de données d'entrée de gamme varient généralement entre 200 et 500 $ par voie.
Les systèmes DAQ de milieu de gamme se situent généralement entre 500 et 1000 $ par voie.
Les systèmes d'acquisition de données haut de gamme coûtent généralement de 1000 à 2000 $ par voie.
Il est impossible d'estimer le coût des systèmes d'acquisition de données à faire soi-même, car ils couvrent un large éventail allant de quelques voies à un système dont le développement a demandé 10 années de travail et/ou qui comporte des centaines, voire des milliers de voies.