Что такое преобразование сигналов или преобразователь сигналов?

Введение

Подсистема преобразования сигналов — это один из основных компонентов современного устройства сбора данных (или системы сбора данных). Основной целью системы сбора данных является выполнение физических измерений. Такие системы состоят из следующих базовых компонентов:

• датчиков (см. справочник «Что такое датчики?»);

• преобразователей сигналов (эта статья);

• аналого-цифровых преобразователей (АЦП) (см. справочник «Что такое АЦП»); 

• и какого-либо компьютера с ПО для сбора данных, позволяющего регистрировать и анализировать сигналы.

Подробнее о сборе данных:

Что такое системы сбора данных?Полное руководство по сбору данных (DAQ). Узнайте, как работают системы сбора данных и каковы основные элементы современных систем сбора цифровых данных.

История сбора данных: от бумажных самописцев до цифровых систем [ОБНОВЛЕНО 2023]Статья об истории сбора данных показывает, как отрасль развивалась от ранних ленточных диаграмм и магнитофонов до современной эры сбора цифровых данных.

Что делают преобразователи сигналов?

Для работы систем сбора данных к ним необходимо подключать разнообразные датчики. Преобразователи сигналов принимают, обрабатывают сигнал с датчика и отправляют его в подсистему АЦП. 

Как следует из названия, эти устройства служат для подготовки сигналов к последующему преобразованию подсистемой АЦП в цифровую область для отображения, хранения и анализа.

В конце концов, нельзя напрямую подсоединить 500 В к одному из входов платы АЦП — термопарам РДТ, LVDT и другим датчикам преобразователи сигналов необходимы для корректной работы и обеспечения нормализованного выходного напряжения, которое можно ввести в АЦП.

Основные требования к преобразователям сигналов

Современные преобразователи сигналов состоят из обязательных компонентов, которые позволяют им выполнять свою роль в системах сбора данных. Эти компоненты включают:

• электрическую изоляцию,

• правильные разъемы для подключения датчиков,

• выбор диапазона измерения,

• фильтрацию сигналов,

• соответствие требованиям датчика.

Теперь рассмотрим эти компоненты преобразователей сигналов по отдельности.

Ознакомьтесь с системами сбора данных компании Dewesoft с передовым преобразованием сигналов

Электрическая или гальваническая изоляция

Самые эффективные преобразователи сигналов оснащены электрической изоляцией между входами и выходами. Изоляция снижает шум, предотвращает паразитное заземление в цепи измерения и обеспечивает точность измерений. 

Иногда называемая гальванической развязкой, электрическая изоляция подразумевает отделение контура прибора от других источников электрического тока. Она представляет особое значение для измерительных систем, поскольку большинство сигналов довольно слабы, и внешние источники электрического тока могут сильно влиять на сигнал, что приведет к неверным показаниям. По своей природе токи помех могут быть как переменными, так и постоянными. 

Например, когда датчик размещается непосредственно на тестируемом объекте (источнике питания), напряжение которого превышает 0 вольт, это может вызывать смещение постоянной составляющей сигнала на сотни вольт. Электрические помехи или шумы могут также принимать форму сигналов переменного тока, создаваемых другими электрическими компонентами в сигнальном канале или в окружающей среде в месте проведения испытания. Например, флюоресцентные лампы в помещении могут излучать 400 Гц, и это значение может считываться высокочувствительными датчиками.

Вот почему лучшие системы сбора данных имеют изолированные входы — для сохранения целостности сигнальной цепи и эффективного считывания выходных сигналов датчиков. На сегодняшний день существует несколько методов изоляции. 

Важно, чтобы изоляция была не только между каналом и землей, но и между каналами. При необходимости стоит также изолировать линии возбуждения. Комплексная система изоляции предотвращает повреждения системы, вызванные слишком высоким напряжением, а также паразитное заземление и некорректные измерения.

Например, преобразователи сигналов системы сбора данных SIRIUS от Dewesoft обеспечены изоляцией 1000 В (для модуля HV (высокого напряжения) предусмотрено номинальное напряжение до категории CAT II 1000 В). 

Подробнее об изоляции при сборе данных:

Значимость изоляции в системах сбора данныхЭлектрическая изоляция — это отделение цепи от других источников электрического потенциала. Узнайте о важности гальванической развязки в системах сбора данных.

Правильное подключение датчиков

Лучшие преобразователи сигналов полностью адаптированы к датчикам, с которыми они используются. На самом базовом уровне это подразумевает использование правильных разъемов для датчиков.

Напряжение, как правило, передается через разъемы BNC (до 50 В), а также предохранительные гнезда типа «банан». В случае с датчиками выходного напряжения, для которых требуется питание от преобразователя сигнала, используется многоштыревой разъем, например компактный и высоконадежный разъем LEMO или менее дорогостоящий (но более крупный) разъем DB9 (DSUB-9). Именно поэтому большинство производителей, в том числе Dewesoft, поставляет преобразователи сигналов напряжения с различными типами разъемов.

Акселерометры, как правило, оснащены разъемом BNC или микроточечным разъемом 10-32.

Современные термопары практически всегда оснащены разъемами mini-blade с цветовой маркировкой по типу в соответствии с международными стандартами.

Тензодатчики обычно продаются с оголенными проводами, поскольку для используемых многоштыревых разъемов или для проводного монтажа, который могут выбрать инженеры (трехпроводной, четырехпроводной, с шиной считывания или без шины считания и пр.) нет единого отраслевого стандарта. Самые распространенные многоштыревые разъемы, используемые для тензодатчиков, — это компактные и высоконадежные разъемы LEMO или менее дорогостоящие (но более крупные) разъемы DB9 (DSUB-9).

Надежные и, в некоторых случаях, водонепроницаемые разъемы крайне важны для преобразователей сигналов.

Следует упомянуть, что для систем сбора данных, которые монтируются в промышленной среде измерения стационарно, эти требования отличаются. В отличие от обычных систем сбора данных, которые перемещают и используют для разнообразных задач, такие системы фиксированы и не меняются. Фиксированные или встроенные системы, как правило, оснащены блочными разъемами для винтовых клемм, которые очень эффективны и экономичны. Поскольку они скрыты, их не нужно дополнительно защищать от внешних воздействий или вмешательств.

Выбор диапазона измерения

Возможность выбрать подходящий диапазон измерения для конкретного датчика — это одна из основных функций преобразователя сигналов. Для получения оптимальных результатов измерений необходима возможность задавать уровень напряжения (или усиления в целом) преобразователя.

Например, если вы пытаетесь измерить напряжение от ±2,5 мВ (±0,0025 В), но диапазон преобразователя составляет ±50 В, сигнал будет слишком мал относительно принятого диапазона, и его невозможно будет использовать. Аналогично, если напряжение составляет ±100 В, а диапазон преобразователя — ±50 В, половина сигнала будет отсечена преобразователем и не пройдет измерение.

Возможность выбора подходящего диапазона для данного типа преобразователя и его применения, таким образом, является важным требованием к преобразователю сигналов.

Фильтрация сигналов

Помимо установки входного усиления, пожалуй, следующей важнейшей функцией преобразователя сигналов является фильтрация. По меньшей мере, для подавления и уменьшения электрического шума, который может попасть в сигнал из среды испытаний, необходим двух- или четырех-полюсной фильтр низких частот. 

Один из типов фильтрации необходимо реализовать аппаратно перед обработкой АЦП. Это фильтрация-сглаживание. Это особый тип фильтрации, предупреждающий некорректные показания, которые возникают, если установить слишком низкую частоту выборки по сравнению с частотной составляющей измеряемых сигналов. Фильтры сглаживания предотвращают прохождение ошибочных показаний благодаря автоматической настройке интерфейсного фильтра в соответствии с выбранной частотой выборки. Подробные сведения о фильтрации-сглаживании можно найти в статье «Что такое АЦП?»

Все остальные типы фильтрации могут быть реализованы аппаратно или программно. Ряд систем сбора Dewesoft обеспечивает аппаратную фильтрацию для тех случаев, когда этого требует область применения. Например, фильтры верхних частот, встроенные в усилители заряда (CHG) и усилители IEPE (ACC), удобны для выходов акселерометров, связанных по переменному току, перед интегрированием сигналов.

Оборудование систем сбора Dewesoft включает и другие аппаратные фильтры. При этом для каждого канала также предоставляется набор мощных программных фильтров. В системах сбора данных Dewesoft недеструктивные программные фильтры применяются до и/или после записи. Это позволяет инженерам фиксировать как необработанные сигналы, так и прошедшие фильтрацию, а также сравнивать их (как показано на схеме выше, необработанные и прошедшие фильтрацию сигналы могут быть наложены друг на друга на одном графике).

Соответствие требованиям датчика

Каждый преобразователь сигнала должен быть идеально приспособлен к датчику, с которым он будет использоваться. Датчики имеют широкий ряд различных требований на основании принципов их работы, к которым необходимо адаптировать преобразователь.

Например, преобразователь сигналов тензодатчика должен подавать на тензодатчик напряжение возбуждения. А поскольку инженеры используют от одного до четырех датчиков при измерении деформации, преобразователь должен быть адаптирован к работе в конфигурации «четверть моста», «полумост» и «полный мост».

Для тензодатчиков требуется, пожалуй, самая сложная настройка в плане преобразования сигналов, поэтому лучшие преобразователи оснащены широким рядом функций, в том числе достройкой моста, калибровкой шунта, схемой шины считывания для подавления самонагревания, изменением сопротивления линии датчика и пр.

Далее мы более подробно рассмотрим каждый из основных типов преобразователей сигналов и соответствующие требования.

Распространенные типы преобразователей сигналов

Современные преобразователи сигналов должны быть способны подключаться к следующим распространенным датчикам:

Жесткие требования, такие как изоляция, питание датчика, уровень входного сигнала, должны реализовываться аппаратно. Большая часть фильтрации (за исключением сглаживания) и линеаризации может осуществляться программно.

Преобразователи сигналов низкого напряжения

Когда речь идет об измерении напряжения, может показаться, что это простая задача, поскольку сигналы уже существуют в виде напряжения. Однако напряжение может варьироваться от малых потенциалов, равных одной миллиардной части вольта, до десятков тысяч вольт. Оно также может принимать вид переменного тока и постоянного тока.

Потенциалы напряжения (электрический потенциал) могут быть очень высокими или сосредотачиваться около 0 В. Таким образом все трудности и процессы измерения мало отличаются от трудностей и процессов измерения любых других физических явлений. Малое напряжение можно усилить до номинального для оцифровки уровня (обычно ±5 В). Гальваническая изоляция зачастую требуется для предотвращения перекрестных искажений и паразитного заземления, которые могут нарушить целостность измерений в связи с передачей неверных значений и смещением.

Иногда напряжение необходимо связать по переменному току, чтобы устранить постоянный ток или обеспечить фильтрацию нижних и верхних частот для выполнения определенных задач измерения.

Модуль системы сбора данных SIRIUS LV от Dewesoft поставляется с разными типами разъемов для разных задач: BNC, предохранительными разъемами типа «банан», DSUB9 и др. по запросу. Дополнительные сведения можно найти на странице технических характеристик SIRIUS.

Подробнее об измерении напряжения:

Преобразователь сигналов высокого напряжения

Высокие потенциалы необходимо понизить до номинального для оцифровки уровня. Для этого предназначены датчики, в том числе датчики потенциала, которые могут разделять тысячи вольт в линии электропередачи до безопасного уровня. Выходные значения с датчика потенциала передаются на преобразователь сигналов напряжения, который осуществляет дальнейшую подготовку для оцифровки.

Каждый преобразователь сигнала, используемый для измерения высокого напряжения, должен быть надежно изолирован для защиты операторов и во избежание поломки и вывода системы из строя. 

Он должен быть оснащен правильными разъемами. Для временной установки часто используются предохранительные/изолированные разъемы типа «банан». Для стационарной установки часто используются экранированные винтовые клеммы. Следует избегать открытых контактных разъемов.

Хорошим примером мощного преобразователя сигналов высокого напряжения служит модуль HV системы SIRIUS от Dewesoft.

Дополнительные сведения можно найти на странице технических характеристик SIRIUS.

Подробнее об измерении напряжения:

Преобразователь сигналов термопары

Для работы простой термопары требуется высококачественный преобразователь сигналов. Несмотря на то, что термопара пассивна и не требует возбуждения или питания, малые потенциалы, которые она создает на стороне разъема датчика, следует изолировать, усилить и линеаризовать. Кроме того, для считывания абсолютной температуры требуется эталон. В противном случае датчик будет осуществлять только считывание относительной температуры, что не слишком целесообразно.

Усиление, изоляцию и компенсацию необходимо осуществлять за счет аппаратного преобразователя сигналов, а линеаризацию можно реализовать как аппаратно, так и программно.

Эталон, упомянутый выше, иначе называется компенсацией холодного спая. Измерительный конец датчика называется горячим спаем (спай разнородных металлов, используемый при сборке термопары), а другой конец (на котором мы получаем сигнал) — это холодный спай датчика. Холодный спай — это место, где разнородные металлы, из которых сделана термопара, соединяются с медными проводами системы сбора данных.

Маленький чип компенсации холодного спая помещается либо внутрь преобразователя сигналов, либо в дополнительный корпус, подключенный к преобразователю. Чип компенсации холодного спая необходимо защищать от перепадов внешней температуры, вызванных сквозняками или солнечным светом. Чипы, как правило, устанавливаются с использованием специальной пасты, которая помогает поддерживать стабильную температуру.

Трудно переоценить сложность технологии создания точного преобразователя сигналов термопары. Без серьезного внимания к деталям невозможно выполнить точные и линейные измерения термопарой.

Другие важные функции хорошего преобразователя сигналов термопары включают:

АЦП с высоким разрешением

Для термопары рекомендуется 24-битное разрешение. Почему? Термопара типа K обладает диапазоном измерения от –270 до +1260°C. Это огромный диапазон.

Использование 24-битного АЦП обеспечивает ось с намного большей амплитудой, чем 16-битный АЦП (поскольку каждый бит удваивает количество значений предыдущего).

Подходящий тип разъема и цветовая маркировка

На сегодняшний день фактическим стандартом в индустрии стали термопары с разъемом mini blade, сопровождаемые цветовой маркировкой, которая обеспечивает простое, основанное на зрительном восприятии, определение типа термопары. Подключение термопары типа K к преобразователю сигналов, который был спроектирован, например, для типа S или T, приведет к неверным показаниям. 

Преобразователи сигналов термопары фиксированного типа

Преобразователь сигналов термопары фиксированного типа — это преобразователь, который совместим с определенным типом термопары, например J, K или T. Поскольку Dewesoft предлагает высокоэффективные универсальные преобразователи сигналов для всех собственных систем сбора данных, компания создала адаптеры DSI для различных датчиков, в том числе для самых популярных типов термопар.

Адаптеры серии DSI-TH-x обеспечивают высокую точность измерения эталонной температуры холодного спая. К мини-разъему термопары прилагается 1 м кабеля. Поддерживаемые типы термопар:

• DSI-TH-C — термопары типа C

• DSI-TH-J — термопары типа J

• DSI-TH-K — термопары типа K

• DSI-TH-T — термопары типа T

• Адаптеры DSI могут использоваться со всеми системами сбора данных Dewesoft с разъемами DSUB9, включая SIRIUS, DEWE-43A, KRYPTON и IOLITE. 

Универсальные преобразователи сигналов термопары

• Хорошим примером преобразователей сигналов термопары универсального типа служат изолированные модули термопар KRYPTON от Dewesoft с 8 или 16 каналами на модуль. Такие преобразователи сигналов делают выборку на каждом канале с частотой 100 Гц. Каждый канал оснащен 24-битным дельта-сигма АЦП. Точность входных данных, как правило, составляет ±0,02% от считывания ±100 мкВ. Они обеспечивают изоляцию 1000 В на канал, защищая милливольтные сигналы, создаваемые термопарами, от помех.

Благодаря тому, что с помощью ПО для сбора данных Dewesoft X можно легко производить точную и быструю линеаризацию, такие модули совместимы со всеми основными типами термопар, которые используются сегодня: K, J, T, R, S, N, E, C, U, B.

Разъемы термопар белого цвета используются для указания универсальности входов. Инженер просто выбирает тип используемой термопары на экране настройки канала в Dewesoft X, и программа применяет нужную настройку линеаризации.

Модули KRYPTON подключаются друг к другу по единому высокоскоростному интерфейсу EtherCat, который передает энергию, данные и обеспечивает синхронизацию. Они созданы для суровых условий с высокими ударными нагрузками и вибрацией, водой, пылью, дымом и экстремальными температурами.

Дополнительные сведения можно найти на странице технических характеристик KRYPTON.

Подробнее об измерении температур:

Преобразователь сигналов РДТ

Несмотря на то, что он тоже измеряет температуру, резистивный датчик температуры (РДТ) сильно отличается от термопары. Основное отличие заключается в том, что РДТ не является пассивным датчиком: с преобразователя сигналов на него должно поступать питание.

Хорошим примером служит модуль IOLITE 8xRTD от Dewesoft. Это 8-канальный модуль преобразования сигнала РДТ с интегрированным 24-битным АЦП на каждом канале. 

Он поддерживает как трехпроводные, так и четырехпроводные схемы подключения РДТ. Примите во внимание, что использование двухпроводных схем, как правило, не рекомендуется, поскольку сопротивление проводного вывода добавляется к измерениям, что приводит к завышенным температурным значениям, а точно определить погрешность невозможно.

Трехпроводная и четырехпроводная схемы РДТ

В трехпроводной схеме третий провод используется для обнаружения среднего сопротивления проводного вывода. Преобразователь сигнала или сопутствующее программное обеспечение может затем устранить это смещение в реальном времени, что повышает точность показаний. 

Если мы измерим сопротивление между R1 и R2 и вычтем разницу сопротивления между R2 и R3, мы получим сопротивление только измеряющего конца цепи в R(b). Конечно, на основе этого можно сделать предположение, что сопротивления одинаковы. Мы можем повысить точность, добавив четвертый провод, как показано ниже:

Вы можете заметить, что эта схема представляет собой полный мост. Линии 1 и 4 подают питание на цепь, а провода 2 и 3 используются для считывания сопротивления проводного вывода при передаче на преобразователь сигналов РДТ. Таким образом мы полностью нейтрализуем различные степени смещения в сопротивлении проводного вывода.

Чем трехпроводная схема лучше четырехпроводной?

Если четырехпроводные схемы эффективнее трехпроводных, почему инженеры иногда выбирают трехпроводные? Как правило, ответ на этот вопрос заключается в экономии. Если РДТ расположены на большом расстоянии от измерительной системы, использование трехпроводной схемы вместо четырехпроводной уменьшит затраты на кабели и проводку. Когда дело касается крупных испытательных систем, это может сэкономить много времени и денег.

Хорошим примером является преобразователь IOLITE от Dewesoft. Важнейшие характеристики можно найти на странице технических характеристик IOLITE.

Подробнее об измерении РДТ:

Преобразователь сигналов IEPE

Акселерометры, которые имеют маленький встроенный усилитель, также известны как датчики ICP® (торговое название компании PCB Piezotronics) или, в более общем смысле, IEPE. Выход таких акселерометров — это относительно высокое напряжение, которое может быть отправлено обратно на преобразователь сигналов по высококачественному кабелю, причем с меньшими расходами на проводку, чем в случае с акселерометрами зарядного типа. 

Однако в отличие от акселерометров зарядного типа, которые пассивны и не требуют внешнего источника питания, датчикам IEPE требуется подача питания с преобразователя сигналов. Обычно это постоянный ток 4–20 мА и с предельным напряжением 25 В (как правило).

Поскольку акселерометры IEPE производятся для измерения формы волн перем. тока, этот источник постоянного тока может быть помещен на линии сигналов без риска смещения или погрешности измерения.

Таким образом, основным требованием к любому преобразователю сигналов IEPE является обеспечение источника питания постоянного тока. SIRIUS ACC передает постоянный ток 2, 4, 8, 12, 16 или 20 мА (значение выбирается пользователем) при предельном напряжении 25 В.

Другой полезной функцией модулей Dewesoft SIRIUS ACC является визуальный индикатор, указывающий на подключение и работу датчика. В модулях SIRIUS для этого используется зеленый светодиод вокруг входного разъема, который загорается при подключении и работе датчика.

Датчики IEPE почти всегда оснащены разъемом BNC, поэтому важно, чтобы такой разъем был и на преобразователе. На рис. выше можно увидеть входные разъемы BNC на слайсе SIRIUS ACC.

Поддержка TEDS хорошо сочетается с датчиками IEPE. TEDS (Transducer Electronic Data Sheet) — это стандарт IEEE 1451 по хранению информации о датчике внутри самого датчика, включая сведения о единицах измерения, коэффициенте масштабирования, калибровке и пр.

Преобразователь сигналов SIRIUS ACC может считывать эту информацию при подключении датчика и втоматически настраивать датчик в ПО. Dewesoft X ведет базы данных подключаемых датчиков, которыми может управлять пользователь. TEDS сильно экономит время в ситуациях, когда необходимо быстро подключить большое количество датчиков, а также предотвращает ошибки настройки во время ручного ввода.

Развязка по входу — это еще один важный элемент преобразователя SIRIUS ACC. Можно выбрать параметры постоянного тока (выключено) и переменного тока (0,1 Гц и 1 Гц). Таким образом можно включить затухание низкочастотных компонентов ближе к порогу пер./пост. тока. 

И, конечно же, поскольку мы измеряем вибрацию, широкая полоса пропускания, динамический диапазон и разрешение вертикальной оси крайне важны для выполнения поставленных задач. Кратко рассмотрим каждый из этих компонентов.

Широкая полоса пропускания

Частотный отклик преобразователя сигнала. Датчик, который может измерять до 50 кГц, бесполезен, если преобразователь сигнала не соответствует этому диапазону. Таким образом, особую значимость представляет достаточно широкая полоса пропускания, включающая верхний предел интересующего нас частотного сигнала. 

Частота выборки преобразователей SIRIUS ACC достигает 200 кГц на канал, что обеспечивает полосу пропускания без искажений 70 кГц (макс.). Если требуется более высокая скорость, преобразователи сигналов серии SIRIUS HS обеспечивают частоту выборки до 1 МГц на канал благодаря 16-битным АЦП РПП и фильтрам сглаживания пятого порядка 100 кГц.

Динамический диапазон

Важным аспектом измерения практически любого датчика, особенно динамического, например акселерометра, является динамический диапазон. Он определяет максимальное расстояние между самыми маленькими и самыми большими измеряемыми сигналами.  Усилитель каждого канала оснащен двумя АЦП, которые всегда измеряют верхние и нижние пределы входного сигнала.

Это обеспечивает полное измерение диапазона датчика и предотвращение отсечения сигнала. Благодаря технологии DualCoreADC® системам сбора данных SIRIUS удается достичь соотношения «сигнал-шум» 130 дБ и более 160 дБ в динамическом диапазоне. См. видео ниже.

Разрешение по вертикальной оси

24-битные АЦП обеспечивают потрясающее разрешение по вертикальной оси. Кроме того, мощные фильтры сглаживания на каждом канале корректируют выбранную частоту выборки, предотвращая возникновение ложных сигналов, вызванных низкой частотой выборки и нарушающих процесс измерения.

Однако исходное количество битов — это еще не все, когда дело касается разрешения SIRIUS. Например, каждый вход модуля SIRIUS оснащен ДВУМЯ 24-битными АЦП. Один настроен на высокий диапазон, а второй — на низкий. 

Преобразователь сигналов автоматически использует лучший сигнал амплитуды из двойного потока и создает единый поток данных с наилучшим разрешением. Так, недостаточно просто сказать, что SIRIUS имеет 24-битное разрешение, поскольку результатом этой инновации DualCoreADC является разрешение амплитудной оси, которое в 20 раз выше, чем у систем с одним 24-битным АЦП, как и эффективность подавления шумов.

Дополнительные сведения можно найти на странице технических характеристик SIRIUS.

Подробнее об измерении вибраций:

Преобразователь сигналов датчика заряда

Акселерометрам заряда требуется преобразователь сигналов, который может считывать поток высокого сопротивления заряженных ионов (измеряемых в пКл, пикокулонах) и преобразовывать их в высокоуровневое напряжение. Они работают по тому же пьезоэлектрическому принципу, что и датчики IEPE (см. выше), но не оснащены встроенным предусилителем. Поэтому им не требуется питание.

Однако выход с высоким сопротивлением не передает сигналы с той же легкостью, что у датчиков IEPE с усилением. Необходимо использовать дорогие малошумные кабели и обеспечить их минимальную длину, чтобы предотвратить влияние шумов на сигнал. Тем не менее, акселерометры заряда по-прежнему используются, поскольку они обеспечивает самый высокий из возможных диапазон рабочих температур (до 538°C) и самую широкую полосу пропускания. Существуют специальные датчики, которые обладают еще большим диапазоном температур, как низких, так и высоких.

Выходной сигнал датчика заряда можно подвергнуть интегрированию для преобразования ускорения в скорость и двойному интегрированию для передачи перемещения. 

Преобразователи сигналов SIRIUS CHG — это прекрасный пример гибкого преобразователя сигналов в режиме заряда. Помимо датчиков заряда, они могут использоваться в качестве преобразователей низкого напряжения и преобразователей сигнала IEPE.

Совместимость разъемов

Существует три разъема, которые наиболее часто используются с датчиками заряда: BNC, TNC и 10-32. Модуль SIRIUS CHG поставляется с разъемами BNC или TNC (по сути, резьбовая версия BNC).

Развязка по входу

Это еще один важный элемент преобразователя SIRIUS CHG. Можно выбрать развязку 0,01 Гц, 0,03 Гц, 0,1 Гц, 0,5 Гц, 1 Гц, 10 Гц или 100 Гц. Таким образом можно включить затухание низкочастотных компонентов ближе к порогу пер./пост. тока. Это важно, если вы планируете провести интегрирование или двойное интегрирование сигнала, поскольку во время этого процесса шум и смещение могут увеличиться в несколько раз.

И, конечно же, поскольку мы измеряем вибрацию, широкая полоса пропускания, динамический диапазон и разрешение вертикальной оси крайне важны для выполнения поставленных задач. Кратко рассмотрим каждый из этих компонентов.

Широкая полоса пропускания

Частотный отклик преобразователя сигнала. Датчик, который может измерять до 50 кГц, бесполезен, если преобразователь сигнала не соответствует этому диапазону.  Таким образом, особую значимость представляет достаточно широкая полоса пропускания, включающая верхний предел интересующего нас частотного сигнала. Частота выборки преобразователей SIRIUS CHG достигает 200 кГц на канал, что обеспечивает полосу пропускания без искажений 80 кГц (макс.).

Динамический диапазон

Важным аспектом измерения практически любого датчика, особенно динамического, например акселерометра, является динамический диапазон. Он определяет максимальное расстояние между самыми маленькими и самыми большими измеряемыми сигналами.

Усилитель каждого канала оснащен двумя АЦП, которые всегда измеряют верхние и нижние пределы входящего сигнала. Это обеспечивает полное измерение диапазона датчика и предотвращение отсечения сигнала. Благодаря технологии DualCoreADC® системам сбора данных SIRIUS удается достичь соотношения «сигнал-шум» 130 дБ и более 160 дБ в динамическом диапазоне. 

Разрешение по вертикальной оси

24-битные АЦП обеспечивают потрясающее разрешение по вертикальной оси. Кроме того, мощные фильтры сглаживания на каждом канале корректируют выбранную частоту выборки, предотвращая возникновение ложных сигналов, вызванных низкой частотой выборки и нарушающих процесс измерения.

Однако исходное количество битов — это еще не все, когда дело касается разрешения систем сбора данных SIRIUS. Например, каждый вход модуля SIRIUS оснащен ДВУМЯ 24-битными АЦП: один настроен на высокий диапазон, а второй — на низкий. Преобразователь сигналов автоматически использует лучший сигнал амплитуды из двойного потока и создает единый поток данных с наилучшим разрешением.

Так, недостаточно просто сказать, что SIRIUS имеет 24-битное разрешение, поскольку результатом этой инновации DualCoreADC является разрешение амплитудной оси, которое в 20 раз выше, чем у систем сбора данных с одним 24-битным АЦП, как и эффективность подавления шумов.

Дополнительные сведения можно найти на странице технических характеристик SIRIUS.

Подробнее о фильтрах:

Преобразователь сигналов тензодатчика

Преобразователи сигналов тензодатчика, пожалуй, выполняют самые сложные задачи в сфере сбора данных. Прежде всего, они поддерживают схемы с множественными подключениями: от относительно простых конфигураций полного моста до конфигураций четверть моста и полумоста с разными вариантами проводки. При выборе другой схемы, отличающейся от полного моста, преобразователи также обеспечивают резисторы, которые необходимы для замыкания моста Уитстона. 

Конечно же, необходима возможность настройки уровня (или чувствительности) преобразователя сигналов. И возможность настройки величины напряжения, подаваемого на тензодатчик для его питания (напряжение возбуждения). Фильтрация практически всегда требуется в случае с термодатчиками, и она должна осуществляться аппаратно или программно с возможностью выбора порядка (силы фильтрации).

Казалось бы, куда больше, однако есть еще ряд требований, которые включают возможность подключения одной или нескольких шин считывания и их использования для нейтрализации сопротивления проводного вывода, возникающего в связи с длиной кабеля и/или перегревом. Кроме того, каждый тензодатчик обладает коэффициентом тензочувствительности — число около 2, которое необходимо указать и которое система использует для преобразования необработанных возвращаемых значений мВ/В с датчика в значение микродеформации. 

Пользователь также должен иметь возможность выбрать, требуется ли применять коэффициент тензочувствительности или приводить возвращаемые значения сигнала с датчика любым нужным образом. Например, преобразователи тензодатчиков также используются в роли датчиков нагрузки. В этом случае мы ожидаем значения веса в кг. Инженерам должна быть предоставлена максимальная свобода выбора.

Все указанные функции, элементы и не только — это базовые требования к любому качественному преобразователю сигналов тензодатчика.

Прекрасным примером мощного и гибкого преобразователя сигналов тензодатчика служит модуль SIRIUS STG от Dewesoft:

Дополнительные сведения можно найти на странице технических характеристик SIRIUS.

Узнайте больше о тензодатчиках:

Датчики LVDT (линейно-регулируемый дифференциальный трансформатор) используются для измерения линейного смещения/положения на относительно коротких расстояниях. Они состоят из трубки, в которую вставлен стержень. Основание трубки фиксируется, а конец стержня закрепляется на движущейся детали.

По мере выдвижения стержня из трубки или продвижения в нее, датчик подает выходные сигналы, которые представляют собой информацию о положении стержня от начальной точки до максимального отклонения. Стержень не касается внутренних стенок трубки, что практически исключает трение, а сам датчик LVDT не содержит электронных компонентов, поэтому его часто применяют в суровых условиях.

Преобразователь сигнала LVDT должен обеспечивать возбуждение переменным током, которое требуется датчику для работы. Переменный ток приводит в работу первичную обмотку, которая передает ток на каждую из вторичных обмоток, расположенных на обоих концах трубки. Преобразователь сигнала должен уметь принимать и масштабировать дифференцированный выходной сигнал соответствующим образом для его отображения и измерения.

Хорошим примером является модуль SIRIUS STG с адаптером DSI LVDT от Dewesoft. Благодаря своей конструкции модуль STG может служить идеальным преобразователем сигналов LVDT. Чтобы превратить его в преобразователь сигналов LVDT, нужно добавить всего лишь небольшой адаптер DSI-LVDT для входного разъема модуля STG.

Адаптер DSI-LVDT оснащен чипом TEDS. При подключении к SIRIUS-STG преобразователь сигналов считывает информацию с чипа и производит автоматическую настройку для преобразования сигналов LVDT. Инженер может далее осуществить балансировку по нулевому уровню и входу модуля выполнения, а также масштабирование по своему усмотрению. DSI-LVDT вырабатывает напряжение возбуждения 4–10 кГц, которое необходимо датчику, и позволяет производить фазовую настройку через небольшой потенциометр.

Крупномасштабная система обработки сигналов LVDT

Что касается крупномасштабных систем преобразования сигналов LVDT, модуль Dewesoft DS-16xLVDTr использует уникальную логометрическую архитектуру для устранения нескольких проблем, характерных для традиционных способов ввода сигналов LVDT. DS-16xLVDTr оснащен 16 каналами адаптеров DSI-LVDT в корпусе 1U 19”, пригодном для монтажа в стойке.

Основным преимуществом новой конструкции является асинхронный сигнал возбуждения, поступающий с внешнего генератора сигналов на передний разъем BNC (входной разъем). При использовании нескольких устройств DS-LVDTr сигнал возбуждения можно последовательно передать с выходного разъема BNC на входной разъем BNC другого устройства.

На передней панели есть 16 штекерных разъемов DSUB-9M для подключения к системе сбора данных Dewesoft. Каждый разъем оснащен подстроечным элементом для подстройки фазы. На задней панели есть 16 гнездовых разъемов DSUB-9F для подключения датчиков LVDT. DS-16xLVDTr поддерживает измерения с помощью датчиков LVDT типа «полный мост» и «полумост».

Подробнее о SIRIUS STG см. в разделе «Преобразователь сигналов тензодатчика» выше.

Преобразователь сигналов тросового датчика положения

Тросовый датчик положения — это датчик, который измеряет расстояние. Он состоит из корпуса, который заключает катушку троса, приводимого в действие пружиной. Навивка пружины происходит автоматически после выпуска троса. 

Корпус устанавливается в фиксированное положение, а конец троса прикрепляется к подвижному объекту, например двери, скобе или другому объекту, совершающему возвратно-поступательные движения по отношению к месту установки корпуса. Хорошим примером является измерение перемещения между колесами поезда и самим поездом на системе подвески.

Несмотря на выполнение схожих с LVDT задач, принцип работы тросового датчика положения отличается. В то время как LVDT использует дифференциальный потенциал переменного тока для измерения положения подвижного стержня, тросовый датчик положения использует переменное сопротивление для измерения количества размотанного троста. 

Если рассматривать их механическое устройство, стержень LVDT продвигается в плоскости параллельно трубке, а трос датчика положения свободно движется по широкой дуге от точки выхода из корпуса.

Для преобразования выходных значений тросового датчика положения нужен преобразователь сигналов, который может обеспечить необходимое возбуждение для изменения сопротивления с датчика, а затем считать выходные значения. Кроме того, необходима возможность перевода показаний в нужные единицы измерений, например мм, см, м и пр.

Хорошим примером служит модуль SIRIUS STG от Dewesoft. Как модуль тензодатчика, он отвечает за подачу возбуждения и считывание малых потенциалов напряжения. Он может производить измерение сопротивления в базовой конфигурации полумоста. Дополнительные адаптеры не требуются. Тросовый датчик положения можно напрямую подключить к преобразователю сигнала Dewesoft STG.

Подробнее о SIRIUS STG см. в разделе «Преобразователь сигналов тензодатчика» выше.

Преобразователи сигналов цифрового входа

Цифровые входы выполняют целый спектр задач: от записи простых неповторяющихся сигналов до управления высокоточным импульсным датчиком положения или датчиком положения зуба зубчатого колеса, который позволяет измерять количество оборотов в минуту, и др. Они называются цифровыми, поскольку их сигнал имеет форму высокого или низкого пика, в то время как аналоговые сигналы представлены в виде волны со множеством значений между верхними и нижними пределами, подлежащими измерению.

Дискретные цифровые входы

Самым простым цифровым входом является тип сигнала включения/выключения, который имеет прямоугольную форму. Такие цифровые входы иногда называют дискретными каналами или каналами событий. Поскольку у них есть только два состояния, они зачастую используются для отображения состояния двери (открытая или закрытая), цепи (вкл. или выкл.) и тысячи других вариаций формата «да/нет», которые может потребоваться измерить. 

Дискретные входы обычно являются выходами с катушки или датчика на уровне ТТЛ (транзисторно-транзисторная логика), который основывается на повышающем преобразовании 5 В. В теории идеальный сигнал включения/выключения ТТЛ будет равен 0 В, что представляет ВЫКЛ (цифровое значение 0), и 5 В, что представляет ВКЛ (цифровое значение 1). Однако на практике такой точности почти невозможно добиться, поэтому приемлемый диапазон составляет от 0 до 0,8 В для ВЫКЛ и от 2 В до 5 В для ВКЛ.

Эти сигналы легко обрабатываются цифровыми входами Dewesoft’s SuperCounter®, которыми оснащены почти все модели систем сбора данных Dewesoft. Такие входы счетчика имеют три линии (A, B, Z), которые могут работать с энкодерами и датчиками частоты вращения. Их также можно использовать как три отдельных дискретных цифровых входа (IN0, IN1, IN2). Важно отметить, что цифровые линии Dewesoft проводят выборку с частотой, намного превышающей частоту, выбранную пользователем для аналоговых входов. При этом они точно синхронизированы с аналоговыми входами по оси времени.

Помимо этого, для широкого ряда обычных цифровых входов Dewesoft IOLITE включает 32-канальный модуль цифрового входа. Эта модель 32xDI с простым подключением через винтовые клеммы и источником питания датчика идеально подходит для систем сбора данных с большим количеством каналов, а также для управления.

Дополнительные сведения см. в технических характеристиках системы IOLITE.

Тахометры, датчики частоты вращения и датчики угла

Входы Dewesoft SuperCounter могут измерять выходные значения частоты вращения и угла вращающихся устройств с широкого ряда датчиков частоты вращения, скорости и энкодеров. В отличие от стандартных счетчиков, которые выводят целое число только после одной выборки (например 1, 1, 2, 2, 3, 4), SuperCounters может выводить крайне точные значения, например 1,37, 1,87, 2,37, между аналоговыми выборками и полностью синхронизировать эти значения с аналоговыми каналами. 

Это достигается за счет измерения точного времени на переднем крае сигнала дополнительным счетчиком. Входы SuperCounter® от Dewesoft работают на временной базе 102,4 МГц, не зависящей от аналоговой частоты выборки.

Существует несколько распространенных датчиков, которые используются для подсчета событий, измерения скорости, частоты вращения, угла и т.д. Они включают:

• знкодеры с 1, 2 или 3 выходами (A, B и сигнал сброса Z);

• линейные импульсы и импульсный энкодер;

• оптический тахометр (1 импульс на оборот) с возможностью вычислить угол светоотражающей наклейки и частоту вращения;

• датчик положения зуба зубчатого колеса с пропуском (например 60-2) или двойным зубом, CDM, CDM с нулем, CDM с TRG.

Все эти датчики можно подключить к Dewesoft SuperCounter и с легкостью настроить через програмное обеспечение. Выходы идеально синхронизируются с измеряемыми аналоговыми данными, что позволяет использовать их для продвинутых задач, например для измерения вибрации кручения и вращения, анализа сгорания, порядкового анализа, балансировки, определения вибраций человеческого тела и пр. 

Dewesoft X включает встроенную библиотеку стандартных датчиков, а также гибкую базу данных, которую инженеры могут использовать для создания новых датчиков, присвоения им имен и вызова в любой момент в будущем.

Общие характеристики счетчика