Vad är signalbehandling eller en signalkonditionerare?
March 31, 2026
I den här artikeln kommer vi att diskutera signalkonditionerare och vad de gör i datainsamlingssystem (DAQ), med tillräckligt med detaljer så att du kommer att:
Se hur signalkonditionerare fungerar
Lära dig hur de används inom DAQ-system
Förstå deras betydelse i signalkedjan
Är du redo att komma igång? Låt oss börja!
Introduktion
Analoga signaler måste “förberedas” korrekt innan de kan omvandlas till digital form för vidare bearbetning. Signalbehandling är en elektronisk krets som manipulerar en signal på ett sätt som förbereder den för nästa steg i bearbetningen. Många datainsamlingstillämpningar omfattar miljö- eller mekaniska mätningar från sensorer, såsom temperatur och vibration. Dessa sensorer kräver signalbehandling innan en datainsamlingsenhet effektivt och noggrant kan mäta signalen.
Till exempel har termoelementsignaler mycket små spänningsnivåer som måste förstärkas innan de kan digitaliseras. Andra sensorer, såsom resistanstemperaturdetektorer (RTD), accelerometrar och töjningsgivare kräver excitation för att fungera. Alla dessa förberedande tekniker är former av signalbehandling.
Signalbehandling är en av de grundläggande byggstenarna i modern datainsamling (även kallad DAS eller DAQ-system). Det grundläggande syftet med ett datainsamlingssystem är att göra fysiska mätningar. De består av följande grundläggande komponenter:
Sensorer
Signalbehandling (denna artikel)
Analog-till-digital-omvandlare (ADC)
Och någon form av dator med DAQ-programvara för signalloggning och analys.
Läs mer om datainsamling:
Vad gör signalkonditionerare?
Datainsamlingssystem behöver ansluta till en mängd olika sensorer och signaler för att kunna utföra sitt arbete. Signalkonditionerare tar den analoga signalen från sensorn, manipulerar den och skickar den till ADC-subsystemet (analog-till-digital-omvandlare) för att digitaliseras för vidare bearbetning, vanligtvis av datorprogramvara.
Som namnet antyder arbetar de med att konditionera signaler så att de kan omvandlas till den digitala domänen av A/D-subsystemet och därefter visas, lagras och analyseras.
Man kan trots allt inte direkt ansluta 500 V till en av ingångarna på ett A/D-kort, och termoelement, RTD:er, LVDT:er och andra sensorer kräver konditionering för att fungera och för att ge en normaliserad spänningsutgång som kan matas in i A/D-kortet.
Typer av signalkonditionerare
Inom elektriska sensorer behöver vi olika typer av signalbehandlingskretsar för att korrekt konditionera signaler som kommer från dessa sensorer.
Typer av signalkonditionerare enligt fysisk mätstorhet
Spännings- och högspänningssignalkonditionerare
Strömsignalkonditionerare
IEPE-signalkonditionerare (eller ICP/piezoelektriska signalkonditionerare)
Laddningssignalkonditionerare
Töjningsgivar-signalkonditionerare
Lastcellsignalkonditionerare
Trycksensorsignalkonditionerare
Termoelementsignalkonditionerare
RTD-signalkonditionerare
Termistorsignalkonditionerare
Vridmomentsignalkonditionerare
LVDT-signalkonditionerare
AC-signalbehandling
DC-signalbehandling
Digitala signalkonditionerare
Frekvenssignalkonditionerare
Typer av signalkonditionerare enligt funktioner
Vi kan också gruppera signalkonditionerare enligt deras funktioner. Några av dessa kan klassificeras som:
Universella signalkonditionerare En universell signalkonditionerare är en mångsidig enhet som stöder en mängd olika sensortyper, inklusive ström, spänning, termoelement, RTD:er, potentiometrar och linjära resistanssensorer, vilket eliminerar behovet av separata konditionerare för varje sensortyp. Dessa konditionerare har en programmerbar modul som kan anpassas för att uppfylla specifika in- och utgångskrav.
Flerkanaliga signalkonditionerare I likhet med universella signalkonditionerare erbjuder flerkanaliga signalkonditionerare utökade möjligheter. Till skillnad från universella konditionerare, som endast stöder en in- och utgång, ger flerkanaliga konditionerare ytterligare in- och utgångsalternativ, vilket möjliggör mer komplexa konfigurationer.
Isolerade signalkonditionerare Isolerade signalkonditionerare är avgörande i miljöer där signalöverföring kräver elektrisk isolering för att undvika fysiska kopplingar. Dessa konditionerare förhindrar jordströmmar i slingor och skyddar styrsystem från elektriskt brus och transienter som kan uppstå under oförutsägbara fältförhållanden.
Signalkonditioneringssplitters Signalkonditioneringssplitters tar en enda insignalsignal och distribuerar den som två identiska utsignaler över separata, isolerade kanaler. Denna isolering är avgörande för att förhindra jordslingor och transientstörningar. Sådana enheter är särskilt användbara i applikationer där mätningar behövs på två olika platser från en och samma källa.
För mer information om varje typ, se även tabellen under avsnittet vanliga typer av signalkonditionerare.
Viktigaste kraven på signalkonditionerare
Idag innehåller signalkonditionerare några av de nödvändiga elementen som gör dem användbara för moderna datainsamlingssystem. Dessa element är:
Elektrisk isolering
Rätt kontakter för sensoranslutningar
Val av mätområde
Signalfiltrering (till exempel anti-aliasing-filtrering)
Överensstämmelse med sensorkrav
Vi kommer nu att titta närmare på vart och ett av dessa element i signalkonditionerare.
Ta en titt på Dewesofts datainsamlingssystem som erbjuder avancerad signalbehandling för alla typer av sensorer.
Elektrisk eller galvanisk isolering
De bästa signalkonditionerarna erbjuder elektrisk isolering mellan ingångar och utgångar. Isolering minskar brus, förhindrar jordslingor i mätkedjan och säkerställer noggranna mätningar.
Ibland kallad galvanisk isolering, innebär elektrisk isolering att en krets separeras från andra källor till elektrisk potential. Detta är särskilt viktigt i mätsystem eftersom de flesta signaler finns på relativt låga nivåer, och externa elektriska potentialer kan påverka signalen kraftigt och leda till felaktiga avläsningar. Störande potentialer kan vara både av AC- och DC-typ.
Till exempel, när en sensor placeras direkt på ett testobjekt, till exempel en strömförsörjning, som har en potential över jord, det vill säga inte vid 0 V, kan detta orsaka en DC-offset i signalen på hundratals volt. Elektriska störningar eller brus kan också förekomma som AC-signaler skapade av andra elektriska komponenter i signalvägen eller i miljön runt testet. Till exempel kan lysrör i rummet avge 400 Hz som kan fångas upp av mycket känsliga sensorer.
Detta är anledningen till att de bästa datainsamlingssystemen har isolerade ingångar, för att bevara signalens integritet i hela kedjan och säkerställa att det sensorn skickar ut verkligen är det som mäts. Det finns flera typer av isoleringstekniker som används idag.
Det är viktigt att isolering inte bara finns mellan kanal och jord, utan också mellan kanaler. Excitationsledningar bör också isoleras där det är nödvändigt. Ett omfattande isoleringssystem förhindrar skador på systemen från för höga spänningar och undviker jordslingor och felaktiga mätningar.
Som ett exempel erbjuder signalkonditionerare i Dewesofts SIRIUS DAQ-system en isolering på 1000 V, och HV-högspänningsmodulen är dessutom klassad enligt CAT II 1000 V.
Lär dig mer om DAQ-isolering:
Rätt sensoranslutningar
De bästa signalkonditionerarna är fullt anpassade till de sensorer som de är avsedda att användas med. På den mest grundläggande nivån innebär detta att använda lämpliga kontakter för dessa sensorer.
Spänningar hanteras vanligtvis med BNC-kontakter (upp till 50 V) och säkerhetsbanankontakter över detta. För spänningsutgångssensorer som kräver matning från signalkonditioneraren används en flerpolig kontakt, såsom kompakta och högpålitliga LEMO-kontakter eller billigare, men större, DB9 (DSUB-9)-kontakter. Därför erbjuder de flesta tillverkare, inklusive Dewesoft, sina spänningssignalkonditionerare med en mängd olika kontakttyper.
Accelerometersensorer använder vanligtvis antingen en BNC- eller en 10-32 microdot-kontakt.
Termoelement använder nästan alltid miniblads-kontakter numera, och de är färgkodade efter typ enligt internationella standarder.
Töjningsgivare säljs vanligtvis med lösa ledningar eftersom det inte finns någon branschstandard för vilka flerpoliga kontakter som ska användas eller för vilken kopplingsmetod ingenjören väljer (3-ledare, 4-ledare, sense-ledningar eller utan sense-ledningar, etc.). De vanligaste flerpoliga kontakterna som används i töjningsgivarapplikationer är kompakta och högpålitliga LEMO-kontakter eller billigare, men större, DB9 (DSUB-9)-kontakter.
Kontakter som är mycket tillförlitliga och i vissa fall vattentäta är avgörande för signalkonditionerare.
Det bör nämnas att kraven är annorlunda för datainsamlingssystem som är permanent installerade i en industriell mätmiljö. Till skillnad från ett typiskt datainsamlingssystem som flyttas runt och används i olika tillämpningar är dessa system fasta och förändras inte. Fasta eller inbyggda system är vanligtvis utrustade med skruvplintskontakter, som är mycket effektiva och kostnadseffektiva. De behöver inte vara robusta eller manipulationssäkra eftersom de är inlåsta.
Val av mätområde
Möjligheten att välja rätt mätområde för en given sensor är den mest grundläggande funktionen hos en signalkonditionerare. För att få bästa möjliga resultat från sina mätningar måste ingenjörer kunna ställa in spänningsnivån, eller förstärkningen i allmänhet, på konditioneraren.
Till exempel, om du försöker mäta en spänning som sträcker sig från ±2,5 mV (±0,0025 V), men din konditionerare endast har ett område på ±50 V, kommer din signal att vara extremt liten inom det resulterande förstärkningsintervallet till den grad att den blir oanvändbar. På samma sätt, om din spänning sträcker sig till ±100 V men ditt enda område är ±50 V, kommer hälften av signalen att klippas bort av konditioneraren och aldrig mätas.
Att tillhandahålla ett lämpligt urval av mätområden, beroende på konditionerarens typ och dess tillämpning, är därför alltid ett kritiskt krav för en signalkonditionerare.
Signalfiltrering
Förutom att ställa in ingångsförstärkningen är kanske nästa viktigaste funktion hos en signalkonditionerare att tillhandahålla någon form av filtrering. Åtminstone behövs ofta ett två- eller fyrpoligt lågpassfilter för att undertrycka eller minska elektriskt brus som kan ta sig in i signalen från testmiljön.
En typ av filtrering måste utföras i hårdvara, före ADC-processen, anti-aliasing-filtrering. Detta är en särskild typ av filtrering som förhindrar felaktiga avläsningar som kan uppstå när samplingsfrekvensen är för låg i förhållande till frekvensinnehållet i de signaler som mäts. Anti-aliasingfilter (AAF) förhindrar felaktiga avläsningar genom att automatiskt justera front-end-filtret enligt den valda samplingsfrekvensen. Det finns mer information om AAF i artikeln “Vad är en A/D-omvandlare?”
Praktiskt taget all annan filtrering kan utföras antingen i hårdvara eller i programvara. Till exempel erbjuder Dewesofts DAQ-system hårdvarufiltrering där det kan krävas av tillämpningen, till exempel högpassfilter i hårdvara i deras CHG (laddningsförstärkare) och ACC (IEPE-förstärkare), som är användbara för AC-kopplade accelerometerutgångar före signalintegration.
Andra hårdvarufilter finns i Dewesofts DAQ-hårdvara. Dessutom tillhandahålls en kraftfull uppsättning programvarufilter för varje kanal. Programvarufilter kan tillämpas icke-destruktivt i Dewesofts DAQ-system, före eller efter inspelning, eller både och. Detta gör det möjligt för ingenjörer att registrera både råsignalen och en eller flera filtrerade versioner av signalen och jämföra dem, till exempel genom att visa dem överlagrade i samma diagram.
Anpassning till sensorkrav
Varje signalkonditionerare måste vara perfekt anpassad till den sensor som den ska användas med. Sensorer har mycket olika krav beroende på deras funktionsprinciper, vilket konditioneraren måste anpassas till.
Till exempel måste en töjningsgivarkonditionerare tillhandahålla excitationsspänning till töjningsgivaren. Eftersom ingenjörer använder allt från en till fyra givare vid töjningsmätningar måste konditioneraren kunna anpassas för att hantera kvarts-, halv- eller helbryggkoppling.
Töjningsgivare kräver kanske den mest komplexa uppsättningen inom signalbehandling. Därför erbjuder de bästa konditionerarena ett brett utbud av funktioner, inklusive bryggkomplettering, shuntkalibrering, anslutning av sense-ledningar för att minska självuppvärmning och förändringar i ledningsresistans, och mer.
Härnäst kommer vi att titta närmare på varje huvudtyp av signalkonditionerare och diskutera deras krav mer i detalj.
Vanliga typer av signalkonditionerare enligt signaltyp
Dagens signalkonditionerare måste kunna ansluta till dessa vanliga sensorer:
| Signal Type | Sensor | Signal Conditioner | Basic Requirements |
|---|---|---|---|
| Low voltages | (Direct) | Low voltage signal conditioner | Multiple ranges, Isolation, conformance with safety standards (above 50V), selectable filtering |
| Kilo volts | Potentiometric Transducers | High voltage signal conditioner | Multiple ranges, Isolation, conformance with high voltage safety standards, selectable filtering |
| Temperature | Thermocouple | Thermocouple signal conditioner | Isolation, Linearization from various types of sensors, cold junction compensation |
| Temperature | RTD | RTD signal conditioner | Isolation, sensor supply, sense line adjustment, scaling from various RTD types |
| Shock and Vibration | IEPE accelerometer | IEPE / ICP / piezoelectric signal conditioner | Multiple ranges, Isolation, constant current sensor supply at a nominal compliance voltage, selectable filtering |
| Shock and Vibration | Charge accelerometer | Charge signal conditioner | Multiple ranges, Isolation, conversion of pC ion stream to voltage, selectable filtering, including high-pass |
| Strain, Pressure, Force | Strain Gage (bridge-type sensors) | Strain gage signal conditioner | Multiple ranges, Isolation, sensor supply, bridge balance, shunt calibration, sense line adjustment, selectable filtering |
| Distance, Displacement | LVDT | LVDT signal conditioner | Multiple ranges, Sensor supply, zero adjustments, isolation |
| Distance, Displacement | String Potentiometer | Resistance signal conditioner (normally Strain gage type) | Multiple ranges, sensor supply, zero adjustments, selectable filtering |
| Digital Inputs | TTL events, Gear Tooth, encoders | Digital signal conditioner | Isolation, adaptable to a variety of discrete inputs, conversion of raw counts to RPM, and other functions |
Hårda krav såsom isolering, sensormatning, ingångsförstärkning och anti-aliasing måste utföras i hårdvara. Det mesta av filtreringen, förutom anti-aliasing-filtrering, och linjärisering kan utföras i programvara.
Signalkonditionerare för lågspänning
Om vi ser på spänningsmätning kan det verka som den enklaste uppgiften eftersom signalerna redan finns som spänning. Spänningen kan dock sträcka sig från mycket små potentialer i miljarddelar av en volt upp till tiotusentals volt. Den kan också förekomma som växelström (AC) eller likström (DC).
Spänningspotentialer kan finnas långt över jord eller vara centrerade kring 0 V. Utmaningarna och därmed processerna är i princip desamma som för andra fysikaliska fenomen som vi vill mäta. Små spänningar måste förstärkas till en nominell digitaliseringsnivå, vanligtvis ±5 V. Galvanisk isolering behövs ofta för att förhindra överhörning och jordslingor som kan förstöra mätningens integritet genom att introducera felaktiga värden och offset.
I vissa fall krävs det att en spänning AC-kopplas för att ta bort DC-komponenten eller att låg- eller högpassfiltrering används för att uppnå specifika mätmål.
SIRIUS LV DAQ-modulen från Dewesoft finns tillgänglig med en rad olika kontakttyper för att passa applikationen: BNC, säkerhetsbanankontakter, DSUB9 och andra på begäran.
Lär dig mer om spänningsmätning:
Signalkonditionerare för högspänning
Höga spänningar måste sänkas till den nominella digitaliseringsnivån. Det finns sensorer för detta, inklusive potentialtransformatorer (PT), som kan dela ned tusentals volt på en kraftledning till en säker nivå. Utgången från en PT matas sedan in i spänningssignalkonditioneraren, som ytterligare förbereder den för digitalisering.
Varje signalkonditionerare som används för högspänningsmätning måste vara starkt isolerad för att skydda operatörer och för att undvika skador eller förstörelse av systemet.
Den måste vara utformad med rätt kontakter. För tillfälliga anslutningar är säkerhets- eller isolerade banankontakter vanliga. För permanenta anslutningar är skärmade skruvplintar vanliga. Kontakter med exponerade ledare bör undvikas.
Ett bra exempel på en kraftfull signalkonditionerare för högspänning är SIRIUS HV-modulen från Dewesoft.
Lär dig mer om spänningsmätning:
Signalkonditionerare för termoelement
En enkel termoelementsensor kräver en högkvalitativ signalkonditionerare för att fungera. Även om ett termoelement är passivt och inte kräver excitation eller sensormatning, måste den mycket lilla spänningspotential som genereras vid sensorns anslutning isoleras, förstärkas och linjäriseras. Dessutom behövs en referens för att kunna ge en absolut temperaturavläsning, annars kan den endast ge en relativ temperatur, vilket är mindre användbart.
Förstärkning, isolering och kompensation måste tillhandahållas av signalkonditioneraren i hårdvara, medan linjäriseringen kan göras antingen i hårdvara eller via programvara.
Den “referens” som nämns ovan kallas kallpunktskompensation. Sensorns mätände kallas den “varma junctionen”, det vill säga sammanfogningen av de olika metallerna som används i termoelementet, medan den andra änden, där signalen tas emot, är sensorns kalla junction. Denna kalla junction är där de olika metallerna i termoelementet möter kopparledningarna i DAQ-systemet.
Ett litet chip för kallpunktskompensation (CJC) finns här, antingen inuti signalkonditioneraren eller i en extern enhet som ansluts till den. Detta CJC måste skyddas mot temperaturvariationer i omgivningen, till exempel från luftdrag eller solljus. De installeras vanligtvis i en särskild pasta för att hålla temperaturen stabil.
Noggrannheten i att konstruera en termoelementsignalkonditionerare kan inte överskattas. Utan stor noggrannhet i detaljerna kan exakta och linjära mätningar inte uppnås.
Andra viktiga egenskaper hos en bra signalkonditionerare för termoelement inkluderar:
Högupplösta ADC:er
24-bitars upplösning rekommenderas för termoelement. Varför? En termoelementsensor av typ K har ett mätområde från -270° till +1260 °C (-454° till 2300 °F). Det är ett mycket stort område.
Att använda en 24-bitars ADC ger en betydligt större amplitudaxel än en 16-bitars ADC, eftersom varje bit fördubblar antalet möjliga värden jämfört med föregående.
Rätt kontakttyp och färgidentifiering
Idag har miniblads-kontakten blivit standard för termoelement, tillsammans med färgkodning som gör det enkelt att visuellt identifiera typen av termoelement. Att ansluta ett termoelement av typ K till en signalkonditionerare som är avsedd för typ S eller T leder till felaktiga avläsningar.
Signalkonditionerare för fasta termoelementtyper
En signalkonditionerare av “fast typ” är konstruerad för att vara kompatibel med en specifik termoelementtyp, till exempel typ J, K eller T. Eftersom Dewesoft erbjuder högpresterande universella signalkonditionerare för alla sina DAQ-system har de utvecklat DSI-adaptrar för olika sensorer, inklusive de mest använda termoelementtyperna.
DSI-TH-x-seriens adaptrar har högnoggrann mätning av referens för kallpunkt. En 1 m termoelementkabel med minikontakt ingår. Stödda termoelementtyper:
DSI-TH-C, termoelement typ C
DSI-TH-J, termoelement typ J
DSI-TH-K, termoelement typ K
DSI-TH-T, termoelement typ T
DSI-adaptrar kan användas med alla Dewesofts DAQ-system och värdförstärkare med DSUB9-kontakter, inklusive SIRIUS, DEWE-43A, KRYPTON och IOLITE.
Universella signalkonditionerare för termoelement
Ett bra exempel på en universell signalkonditionerare för termoelement är KRYPTON isolerade termoelementsmoduler från Dewesoft, tillgängliga med 8 eller 16 kanaler per modul. Dessa signalkonditionerare samplar varje kanal med 100 S/s och har en 24-bitars sigma-delta ADC per kanal. Deras ingångsnoggrannhet är vanligtvis ±0,02 % av avläsningen ±100 μV. De erbjuder 1000 V isolering per kanal, vilket skyddar millivoltsignalerna som genereras av termoelement från störningar.
Universal thermocouple signal conditioners
A good example of a universal type thermocouple signal conditioner is the KRYPTON isolated thermocouple modules from Dewesoft, available with 8 or 16 channels per module. These signal conditioners sample each channel at 100 S/s with a 24-bit resolution sigma-delta ADC per channel. Their input accuracy is typically ±0.02% of reading ±100 μV. They provide 1000V of isolation per channel, protecting the millivolt signals generated by thermocouples from interference.
Eftersom linjäriseringen kan utföras mycket exakt och snabbt av den medföljande DewesoftX datainsamlingsprogramvaran, är dessa moduler kompatibla med alla vanliga termoelementtyper som används idag: K, J, T, R, S, N, E, C, U och B.
Vita termoelementkontakter används för att indikera att ingångarna är universella. Ingenjören väljer helt enkelt den T/C-TYP som används på kanalinställningsskärmen i Dewesoft X-programvaran, som sedan tillämpar korrekt linjärisering.
KRYPTON-moduler ansluts tillsammans via ett enda höghastighets EtherCAT-gränssnitt, som överför ström, data och synkronisering. De är konstruerade för krävande miljöer med höga stötar och vibrationer, vatten, damm och rök, samt för både mycket låga och höga temperaturer.
Läs mer om temperaturmätning:
RTD-signalkonditionerare
Även om den också mäter temperatur är en RTD (resistans temperaturdetektor) en mycket annorlunda typ av temperatursensor jämfört med termoelementet. Den viktigaste skillnaden är att RTD:er inte är passiva sensorer, de måste strömförsörjas av signalkonditioneraren.
Ett bra exempel är IOLITE 8xRTD-modulen från Dewesoft. Detta är en 8-kanals RTD-signalkonditioneringsmodul med en integrerad 24-bitars ADC per kanal.
Den stöder både 3-tråds- och 4-trådsanslutningar för RTD. Observera att 2-trådsanslutningar vanligtvis inte rekommenderas eftersom ledningsresistansen läggs till i mätningen, vilket resulterar i artificiellt förhöjda temperaturavläsningar, och det finns inget sätt att exakt veta hur mycket mätningen är fel.
3-tråds vs. 4-tråds RTD-anslutningar
I en 3-trådsanslutning används en tredje ledning för att detektera den genomsnittliga ledningsresistansen. Signalkonditioneraren eller den medföljande programvaran kan sedan ta bort denna offset i realtid, vilket resulterar i en mycket mer exakt avläsning.
Om vi mäter resistansen mellan R1 och R2 och subtraherar resistansen mellan R2 och R3, får vi resistansen enbart för mätänden av kretsen vid R(b). Detta förutsätter naturligtvis att resistanserna alla är lika stora. Vi kan förbättra noggrannheten ytterligare genom att lägga till en fjärde ledning, som visas nedan:
Du kanske märker att denna anslutning är en fullbrygga. Ledningarna 1 och 4 förser kretsen med ström, och ledningarna 2 och 3 används för att återföra ledningsresistansen till RTD-signalkonditioneraren. På så sätt kan vi helt kompensera för variationer i ledningsresistans.
Varför välja 3-tråd istället för 4-tråd?
Så om 4-trådsanslutningar alltid är bättre än 3-tråds, varför väljer ingenjörer ibland 3-tråd? Vanligtvis ligger svaret i ekonomin. Om RTD:erna är placerade långt från mätsystemet sparar man mycket pengar på kabel- och installationskostnader genom att använda tre ledningar i stället för fyra. Detta kan innebära stora tids- och kostnadsbesparingar i storskaliga testsystem.
Läs mer om RTD-mätning:
IEPE-signalkonditionerare
Accelerometersensorer som har en liten inbyggd förstärkare kallas också ICP® (ett varumärke från PCB Piezotronics) eller mer generellt IEPE, vilket står för Integrated Electronics Piezo-Electric. Utgången från dessa accelerometrar är en relativt hög nivå av spänning som kan skickas tillbaka till signalkonditioneraren via kablar av god kvalitet, till en lägre kostnad än de kablar som krävs för laddningstyp-accelerometrar.
Men till skillnad från laddningstyp-accelerometrar, som är passiva och inte kräver någon ström, behöver IEPE-sensorer en spänningsförsörjning från signalkonditioneraren. Denna levereras normalt i form av en konstant ström på 4 till 20 mA och med en compliance-spänning på 25 volt (typiskt).
Eftersom IEPE-accelerometrar är konstruerade för att mäta AC-vågformer kan denna likspänningsmatning läggas på signalledningarna utan att skapa någon offset eller mätfel.
Det grundläggande kravet för en IEPE-signalkonditionerare är därför att den kan leverera denna konstanta ström. SIRIUS ACC erbjuder en användarvalbar konstant ström på 2, 4, 8, 12, 16 eller 20 mA vid en compliance-spänning på 25 V.
En annan användbar funktion i Dewesoft SIRIUS ACC-moduler är en visuell indikator som visar att sensorn är ansluten och fungerar. Detta görs med hjälp av en grön LED runt ingångskontaktens ram som lyser när sensorn är ansluten och i drift.
IEPE-sensorer använder nästan alltid en BNC-kontakt, därför är det viktigt att även signalkonditioneraren gör detsamma. I bilden ovan kan du se BNC-ingångskontakterna på SIRIUS ACC-modulen.
TEDS-sensorstöd är mycket användbart tillsammans med IEPE-sensorer. TEDS (Transducer Electronic Data Sheet) är en IEEE 1451-standard som bygger på att lagra information om sensorn i själva sensorn, inklusive dess måttenhet, skalningsfaktor, kalibreringsinformation med mera.
Laddningssignalkonditionerare
Laddningsaccelerometrar kräver en signalkonditionerare som kan läsa deras högimpedanta ström av laddade joner (mätt i pC, eller pikokoulomb) och omvandla den till en hög nivå av spänning. De bygger på samma piezoelektriska princip som IEPE-sensorer, men de har ingen inbyggd förstärkare. Därför kräver de ingen strömförsörjning.
Deras högimpedanta utgång överförs dock inte lika lätt som den förstärkta utgången från IEPE-sensorer. Dyra lågbruskablar måste användas och hållas så korta som möjligt för att förhindra att brus påverkar signalen. Trots detta används laddningsaccelerometrar fortfarande eftersom de erbjuder det högsta möjliga temperaturintervallet, upp till 538 °C (1000 °F), samt det bredaste möjliga frekvensområdet. Specialsensorer finns tillgängliga med ännu större temperaturområden, både låga och höga.
Utgången från laddningssensorer kan integreras för att omvandla acceleration till hastighet, och dubbelintegreras för att ge förskjutning.
SIRIUS CHG-typens signalkonditionerare är ett utmärkt exempel på en mångsidig signalkonditionerare i laddningsläge. Förutom att hantera laddningssensorer kan den också fungera som en lågspänningskonditionerare och en IEPE-signalkonditionerare.
Signalkonditionerare för töjningsgivare och lastceller
Signalkonditionerare för töjningsgivare har kanske den mest komplexa uppgiften inom datainsamling. För det första måste de stödja flera olika kopplingsscheman, från den relativt enkla helbryggskonfigurationen till kvarts- och halvbryggskonfigurationer, var och en med flera kabelalternativ. Och när något annat än en helbryggskoppling väljs förväntas de också tillhandahålla de motstånd som behövs för att slutföra Wheatstone-bryggkretsen.
Naturligtvis måste det vara möjligt att justera förstärkningen (även kallad känslighet) i signalkonditioneraren. Och att justera hur mycket spänning som skickas till töjningsgivarsensorn för att driva den (excitationsspänningen).
Filtrering krävs nästan alltid med töjningsgivare, och detta måste tillhandahållas antingen i hårdvara eller mjukvara, med valbara ordningar (filterstyrka).
Det kan verka som tillräckligt, men det finns fler krav, inklusive möjligheten att ansluta till en eller flera sense-ledningar och använda dem för att kompensera för förändringar i ledningsresistans som orsakas av kabellängd och/eller självuppvärmning. Dessutom har varje töjningsgivare en gage factor, ett värde runt 2, som måste anges och användas av systemet för att omvandla den råa mV/V-signalen från sensorn till en mikrostrain-avläsning.
Som en allmän princip bör det vara ett alternativ för ingenjören att välja om gage factor ska användas eller inte, eller att skala sensorns signal på valfritt sätt. Till exempel används töjningsgivarkonditionerare även för lastceller, där vi kanske vill se mätvärdet i vikt, kg eller lbs. Alla alternativ bör vara tillgängliga för ingenjören.
Alla ovanstående funktioner och egenskaper, och fler därtill, är grundläggande krav för varje seriös signalkonditionerare för töjningsgivare.
Ett perfekt exempel på en kraftfull och flexibel signalkonditionerare för töjningsgivare är SIRIUS STG-modulen från Dewesoft:
Läs mer om töjningsgivare:
LVDT-signalkonditionerare
LVDT (linjär variabel differentialtransformator) givare används för att mäta linjär förskjutning eller position över relativt korta avstånd. De består av ett rör som innehåller en stav. Basen av röret är monterad i en fast position, och änden av staven är fäst vid något som rör sig.
När staven dras ut ur röret eller glider tillbaka in, ger sensorn en signal som representerar stavens position från dess startpunkt till dess maximala utslag. Staven rör inte insidan av röret, vilket gör den i praktiken friktionsfri, och själva LVDT:n innehåller ingen elektronik, vilket gör den populär i krävande miljöer.
En LVDT-signalkonditionerare måste tillhandahålla den AC-excitation som givaren kräver för att fungera. Denna växelspänning driver primärspolen, vilket inducerar en utgång från var och en av de sekundära lindningarna som är placerade mot vardera änden av röret. Signalkonditioneraren måste kunna ta emot och skala den differentiella utsignalen på ett korrekt sätt för visning och mätning.
Ett bra exempel är SIRIUS STG med DSI LVDT-adaptern från Dewesoft. Eftersom STG-modulen har nästan allt som behövs för att fungera som en ideal LVDT-signalkonditionerare. Det enda som läggs till är en liten adapter kallad DSI-LVDT på ingångskontakten på STG-modulen för att slutföra signalkonditioneraren för användning med LVDT:er.
DSI-LVDT har ett TEDS-chip inuti. När den ansluts till SIRIUS-STG läser signalkonditioneraren informationen från chipet och konfigurerar sig automatiskt som en LVDT-signalkonditionerare. Ingenjören kan dessutom utföra nollbalansering samt EU-inmatning och skalning vid behov. DSI-LVDT genererar den excitation på 4 till 10 kHz som sensorn kräver och möjliggör fasjustering via en liten potentiometer.
Signalkonditionerare för strängpotentiometer
En strängpotentiometer, eller string potentiometer, är en sensor som mäter avstånd. Den består av ett hölje som innehåller en rulle med en robust lina som är fjäderbelastad, så att den automatiskt rullas tillbaka in i höljet när linan släpps.
Höljet monteras i en fast position, medan änden av linan fästs vid något som rör sig, till exempel en dörr, ett fäste eller ett annat objekt som rör sig fram och tillbaka i förhållande till där höljet är monterat. Ett bra exempel är rörelsen mellan hjulboggin på ett tåg och tågets kaross, som vilar ovanpå den via ett fjädringssystem.
Även om en strängpotentiometer fungerar på ett liknande sätt som en LVDT, skiljer den sig i hur den fungerar. Medan en LVDT använder en differentiell AC-spänning för att mäta positionen hos en glidande stav, använder en strängpotentiometer variabel resistans för att beräkna hur mycket lina som har dragits ut.
Ur ett mekaniskt perspektiv måste LVDT:ns stav röra sig längs en plan som är parallell med dess rörformade hölje, medan strängpotentiometerns lina kan röra sig fritt i en bred båge från sin utgångspunkt i höljet.
För att konditionera utsignalen från en strängpotentiometer behövs en signalkonditionerare som kan tillhandahålla den excitation som krävs för att framkalla en resistansförändring i sensorn och sedan läsa in utsignalen. Det är också nödvändigt att kunna skala mätvärdet till en användbar enhet, till exempel mm, cm, m, tum eller fot.
Ett bra exempel är SIRIUS STG-modulen från Dewesoft. Som en töjningsgivarmodul är den redan konstruerad för att tillhandahålla excitation och läsa in mycket små spänningsnivåer. Den kan utföra resistansmätningar i en grundläggande halvbryggskonfiguration. Ingen extra adapter behövs för att direkt ansluta en strängpotentiometer till Dewesoft STG-signalkonditioneraren.
För mer information om SIRIUS STG, se signalkonditioneraren av typen strain ovan.
Signalkonditionerare för digitala ingångar
Digitala ingångar sträcker sig från att registrera enkla på/av-signaler till att hantera mycket precisa kvadraturgivare eller kugghjulssensorer som gör det möjligt att mäta varvtal (RPM) och andra varianter. De kallas digitala eftersom deras signal är i form av antingen hög eller låg, till skillnad från analoga signaler som har en vågform med många värden mellan det högsta och lägsta som måste mätas.
Diskreta digitala ingångar
Den enklaste typen av digital ingång är en på/av-signal som ser ut som en fyrkantsvåg om man betraktar den. Dessa kallas ibland diskreta kanaler eller händelsekanaler. Eftersom de endast har två tillstånd används de ofta för att visa om en dörr är öppen eller stängd, om en krets är på eller av, samt i många andra ja/nej-situationer som vi kan behöva mäta.
Diskreta ingångar levereras normalt från ett relä eller en givare på TTL-nivåer (transistor-till-transistor-logik), som baseras på en 5 V pull-up. I teorin skulle en perfekt TTL på/av-signal vara 0 V som representerar AV (vilket innebär ett digitalt värde på 0) och 5 V som representerar PÅ (vilket innebär ett digitalt värde på 1). I praktiken är det dock nästan omöjligt att uppnå sådan precision, så de accepterade områdena har blivit 0 till 0,8 V för AV och 2 V till 5 V för PÅ.
Dessa digitala ingångar hanteras enkelt av Dewesofts SuperCounter® digitala ingångar, som finns tillgängliga på praktiskt taget alla Dewesoft DAQ-systemmodeller. Dessa räknaringångar har tre linjer (A, B, Z) som kan hantera kodare och varvtalssensorer, eller så kan de användas som tre separata diskreta digitala ingångar (IN0, IN1, IN2). Det är viktigt att notera att Dewesofts digitala linjer samplas med en frekvens som är långt högre än den samplingsfrekvens som användaren väljer för sina analoga ingångar, men de är exakt synkroniserade i tidsaxeln med de analoga ingångarna.
Dessutom erbjuder Dewesoft IOLITE en 32-kanals digital ingångsmodul för ett stort antal enkla digitala ingångar. Denna modell, 32xDI, med enkel skruvplintsanslutning och sensormatning är idealisk för datainsamling och styrtillämpningar med många kanaler.
Tacho-, RPM- och vinkelsensorer
Dewesofts SuperCounter-ingångar kan mäta RPM- och vinkelvärden från roterande maskiner med hjälp av ett brett utbud av RPM-sensorer, hastighetssensorer och kodare. Jämfört med standardräknare, som endast ger heltalsvärden ett sampel senare, till exempel 1, 1, 2, 2, 3, 4, kan SuperCounters extrahera mycket precisa värden som 1,37, 1,87, 2,37 mellan de analoga samplingarna och fullt synkronisera dem med de analoga kanalerna.
Detta görs genom att mäta den exakta tiden för signalens stigande flank med en extra räknare. Dewesofts SuperCounters arbetar med en tidsbas på 102,4 MHz, oberoende av den analoga samplingsfrekvensen.
Det finns flera vanliga sensorer som används för att räkna händelser, mäta hastighet, RPM, vinkel med mera. Dessa inkluderar:
Kodare med 1, 2 eller 3 utgångar (A, B och Z nollställningssignal)
Linjära pulser och pulskodare
En optisk takoprob (1 puls per varv), en reflekterande markering gör att vinkel och RPM kan beräknas
Kuggtandssensor med saknade tänder (t.ex. 60-2) eller dubbla tänder, CDM, CDM med noll, CDM med TRG
Alla dessa kan anslutas till Dewesoft SuperCounter och konfigureras enkelt i programvaran. Utgångarna är perfekt synkroniserade med den analoga data som också mäts, vilket möjliggör avancerade tillämpningar som rotations- och torsionsvibration, förbränningsanalys, orderanalys, balansering, helkroppsvibration med mera.
Dewesoft X-programvaran har ett inbyggt bibliotek med typiska sensorer, men den har också en flexibel databas som ingenjören kan använda för att skapa nya sensorer, namnge dem och använda dem när som helst i framtiden.
