连接加速计至DAQ设备

本节内容包含

事前准备

本文档主要介绍连接和配置NI DAQ设备进行加速度测量的详细步骤。使用NI DAQ硬件设备前,请确保已安装应用程序开发环境和NI-DAQmx驱动程序。详细信息,请参阅安装LabVIEW和NI-DAQmx

加速度测量基础

加速计是通过电压表示加速度的传感器,与NI 动态信号采集(DSA)配合使用可测量加速度。加速计不同,量程、频率响应和灵敏度也不同,加速计一般有两种轴型。最普通的加速计是单轴,仅测量沿单轴的加速度。此类加速计常用于测量机械振动的水平。另一类加速计为三轴加速计。此类加速计可通过正交组件创建加速度的三维向量,常用于测量组件振动(横向、纵向或旋转)或加速度的方向。这两种加速计既可是无源传感器,也可是有源传感器。

上述两种加速计可以是两端导线与外壳绝缘/隔离,也可以单端导线接地。部分加速计通过压电效应生成电压,如使用这类传感器测量加速度,传感器必须连接电荷灵敏放大器。

其他类型的传感器具有内置的电荷灵敏放大器。这种放大器接收稳定的电流源,阻抗随压电晶体电荷的变化而变化。阻抗的变化可通过输入端的电压变化观察到。因此,这种加速计的每个轴仅使用两根线连接传感器的激励(电流)和信号输出(电压),整体结构包含稳定的电流源和差分放大器。电流源为传感器的内置放大器提供激励,放大器则测量传感器两端的电压。

模拟输入通道接线图

NI DSA设备支持下列一种或两种模拟输入的端子连接模式:差分或伪差分。伪差分是指外部连接器外壳和系统地之间的50 Ω和1 kΩ电阻。

如信号源或待测器件(DUT)输入为浮地,请使用伪差分模式。浮地信号必须连接一个接地参考。如没有接地参考点(例如以差分模式连接带差分输入端子的浮地振动台输入放大器),则输出或输入可能会偏移出设备共模范围外。

图1. 连接浮地信号源

如信号源接地,则差分或伪差分模式均可使用。选用差分或伪差分连接时,请确保每通道有唯一的接地参考点。如接地参考点有两个(例如以伪差分模式连接一个接地的加速计或放大器),接地电势差会导致接地系统中产生电流,产生测量误差。尽管信号地上的50 Ω和1 kΩ电阻一般足以使该电流减少到可忽视的水平,但具体效果还取决于系统连接的方式。

图2. 连接接地信号源

请根据信号源参考和DUT配置选择通道连接方式,具体见表1。

信号源参考

通道配置

浮地

伪差分

接地

差分/伪差分

表1. 模拟输入通道接线图

部分设备上电或断电时会自动选择差分模式,该配置可保护负引脚上的50 Ω电阻。

输入耦合

NI DSA设备的模拟输入(AI)通道可以配置为AC或DC耦合。如选择DC耦合,源信号中的任意DC偏移量都将传递至模数转换器。如信号源仅包含少量偏移量电压或采集信号的DC部分十分重要,建议使用DC耦合配置。如信号源包含大量无用DC偏移,则选择AC耦合更有利于利用输入动态范围。

选择AC耦合可在正负信号路径中启用单极高通阻容(RC)滤波器。需注意的是,NI-DAQmx无法补偿从DC耦合转换至AC耦合时由RC滤波器引起的稳定延迟。要补偿滤波器稳定时间延迟,可弃用稳定时间段内的采样或强制延迟一段时间后再重新测量。

使用AC耦合将导致AI电路的低频响应降低。关于具体设备的截止频率的详细信息,请参阅产品规范。

IEPE

如将IEPE加速计连接至AI通道,且该通道需要来自DSA设备的激励,则必须启用该通道的IEPE激励电路以生成所需的激励电流。所有DSA设备均支持为每个通道单独配置IEPE信号调理。

启用IEPE信号调理时,生成的DC电压偏移量等于激励电流和传感器阻抗的乘积。如要移除无用偏移量,请启用AC耦合。仅当偏移量未超出通道电压范围时,才能在启用IEPE激励时使用DC耦合。

常用IEPE激励电流值为2.1 mA、4 mA和10 mA。关于具体设备支持的IEPE电流值,请参阅设备的产品规范。

传感器电子数据表格(TEDS)

支持TEDS的传感器带内置自识别EPROM ,可存储参数和传感器信息表。TEDS表格记录了传感器校准、精度及生厂商信息等内容。TEDS传感器有两种操作模式:一是模拟模式,使传感器可测量各种物理现象;一是数字模式,使用户可以从TEDS表中读写信息。许多DSA设备无需额外硬件即可支持TEDS一类传感器。部分设备(如BNC-2096)需要额外附件才允许用户在TEDS一类传感器上与EEPROM进行数字通信。

现场连线及抑噪注意事项

DSA设备的动态范围一般大于110 dB。若干因素(如周围电子设备耦合入的噪声)会影响输入通道的抑噪性能。DSA设备应尽可能远离其他插入式设备、电源、磁盘驱动和计算机显示器,才能发挥最佳性能。此外,线缆也很重要。请使用屏蔽良好的同轴或浮水线缆进行所有连线。线缆应远离计算机显示器、开关电源、荧光灯等干扰源。物理运动或扭曲也会使灵敏的模拟线缆引入噪声。使用低输出阻抗的传感器有助于最大限度地减少外部噪声和串扰对系统的干扰。

选择合适的采样率,使抗混叠滤波器的效果最大化,可减少噪声对测量的影响。例如,计算机显示器噪声频率通常为15 kHz至65 kHz。假设采样信号的频率限制在10 kHz以下,抗混叠滤波器滤除了该频率外的噪声,如采样率大于21.6 kS/s,可保证10 kHz带宽内的任何信号都能被采集而不会混叠或被数字滤波器减弱。

如可能,请尽量使用差分模式连线,以最大程度地降低机箱接地电流和共模噪声的干扰。如交流电压噪声特别嘈杂,可考虑使用外部滤波,如安装线性调节器或不间断电源。

详细信息,请参考技术白皮书:Field Wiring and Noise Considerations for Analog Signals

找出DAQ设备的引脚分布

连接信号前,请先了解设备的引脚分布。

  1. 打开Measurement & Automation Explorer (MAX),展开“设备和接口”。
  2. 右键单击设备名称,选择“设备引脚”。

图3. 设备引脚帮助

配置加速度测量

通过MAX,您可快速验证测量系统的精度。使用NI-DAQmx的全局虚拟通道可在不编程的情况下配置加速度测量任务。虚拟通道是NI-DAQmx驱动构架的一个概念,它表示包括名称、物理通道、输入端连接、信号测量或生成的类型以及换算信息在内的一组属性设置。

请按照下列步骤进行操作:

  1. 在MAX中,右键单击“数据邻居”并选择“新建”。
  2. 选择“NI-DAQmx全局虚拟通道”,并单击“下一步”。
  3. 选择“采集信号»模拟输入»加速度”。

图4. 创建NI-DAQmx虚拟通道

  1. 选择通道ai0或其他连接加速计的物理通道。物理通道指测量和产生模拟信号或数字信号的接线端或引脚。

图5. 设备物理通道

  1. 单击“下一步”,输入全局虚拟通道的名称或使用默认名称。
  2. 单击“完成”,即可在MAX中看到以下屏幕:

图6. 在MAX中设置加速度通道

  1. 在设置选项卡中输入测量的最大加速度值和最小加速度值(默认值为-5g至5g)。
  2. 输入传感器的灵敏度。该值的单位在灵敏度单位中指定。请参阅传感器的说明文档来确定该值。
  3. 选择激励电流源(Iex源):
    1. 外部—除设备内置激励源之外的任何激励源。
    2. 内部—使用设备内置的激励源。
    3. 无—不向虚拟通道提供任何激励源。
  4. 指定激励电流值(Iex值(A))。
  5. 选择接线端配置。接线端配置指定了虚拟通道的接地模式。根据设备情况,可选择差分或伪差分模式(见上文相关说明)。
  6. 输入dB参考值。dB参考值是当结果以分贝为单位计算时使用的参考值。dB参考值以所选工程单位表示。
  7. 单击“设备”选项卡,选择耦合模式(AC或DC)。

连接加速计至设备

接下来,请将加速计实际连接至DSA设备。NI DSA设备使用的是BNC或SMB连接器。连接器中间的引脚AI+提供DC激励(如启用)和正输入信号连接。连接器的外壳AI–提供激励返回通路和信号参考地。应避免BNC连接器的金属外壳之间相互接触,以及与DSA设备和机箱/计算机接触,如此可进一步降低接地噪声。

连线图请参考上文的图1和图2。

测试信号

NI-DAQmx全局虚拟通道可预览测量结果。

  1. 在MAX中单击“NI-DAQmx全局通道”选项卡,然后单击“运行”按钮。测得加速度值将在窗口顶部显示。

图7. 在MAX中预览加速度测量

在“显示类型”下拉菜单中,您可选择通过表格或图表预览。此外,您也可保存NI-DAQmx全局虚拟通道的配置以供未来参考。

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