应变/温度数据采集系统设计方案

本文主要介绍了如何根据既定传感器类型和现场的实际工况，如何设计多通道同步高速采集系统。

一、测试系统功能及用途

xx通道应变数据采集系统主要完成整个试验现场xx系统应变、电压或振动等参数的采集和记录。数据采集系统主要由采集设备、计算机以及标定源部分等组成。

二、数据采集系统主要技术要求

※通道数：应变96路；

※总线类型：PXI总线

※参数类型：应变/电压、IEPE、热电偶、铂电阻等；

※采样速率：应变信号采集不低于200kS/s;

※信号隔离：通道之间相互隔离；

※输入过压保护，传感器开路检测功能；

※压力流量通道可测量全桥、半桥、1/4桥和电压；

※激励电压：0 ~13V（可选模块供范围：0-24V可调），分档可调，稳定度优于0.05%；

※热电偶传感器：支持K, J, T, E, R, S, B, N, C, U等，

※RTD输入: Pt100, Pt200, Pt500, Pt1000 or Pt2000 传感器，

※提供相应的设备驱动软件和接口函数，便于软件开发。提供测试软件及原始数据文件解析软件，便于验收调试；

采集设备需配备相关配件、50米线缆、接插件。

三、DEWETRON数据采集系统产品优势

本方案的设计实施中对试验传感器的激励、信号调理、记录、分析、处理方案的设计上力求具有通用性、前瞻性，并优先保证实际试验亟待解决的核心和通用需求，即“用通用性的方法，解决用户的问题”。以实用为目的；以方便用户试验分析、提高系统效率、缩短试验分析周期为方向；以解决关键核心需求为依据；同时兼顾系统的先进性、前瞻性。

本方案采用奥地利Dewetron（德维创）公司的采集分析系统作为测试平台。

Dewetron公司（德维创）是设计和生产数据采集、调理、分析系统的厂家，其多通道组合式数据采集分析系统及高度便携式仪器享誉世界。DEWETRON公司一贯以产品，质量稳定可靠和优异的著称，目前已成为信号调理和基于开放IPC平台的测试仪器主要生产厂商。DEWETRON在30多个地方拥有分支单位，主要提供航天航空、兵器、车辆方面的测试系统、数据记录仪、数据采集系统、动态信号分析仪、瞬态记录仪、燃烧分析仪、电力质量分析仪等各类便携式数据采集系统，以及配套的相关软件。在国内，航天航空，兵器，电力行业的研究所和生产厂家基本都在使用DEWETRON公司的采集系统。为客户的科研和生产解决了很多问题，得到了用户较高的评价。随着数据采集测试系统的快速发展，德维创公司提供越来越多的功能强大、性价比高的数据采集系统，它取代了传统测试仪器，数以万计的精准测试系统目前在各个领域为测试单位服务，并且用户名单在不断快速增长，凭借严谨的制作标准、良好的性能价格比以及优质高效的售后服务，德维创公司正在为越来越多的测试单位提供着周到、快捷的测试体验。

3．1、德维创数据采集系统较强优势

能直接为传感器提供激励电压0-24V（或电流）；

采集系统集信号调理、存储、分析于一体，保证了系统的稳定性和高精度。

既可以大系统工作，也可以每台子系统分布式独立工作，可根据测试需要灵活选择多种工作方式和数据存储方式；

全新产品采用PXI总线架构，更可靠，更实时的完成每项采集任务。

高集成度、高精度的信号调理模块（0.05%调理精度），保证了整个测试链的高精度；

好的滤波技术，抗混滤波效果远大于10阶普通滤波器；

先进的分析功能，支持数据记录过程中同时对已经存储的数据实时分析和处理；

可靠的通道间和通道与机箱间隔离保证了系统的高抗干扰性；

功能强大的系统采集分析软件，可同步处理、重放模拟信号和高速视频信号，让试验过程一目了然；

虚拟通道可实时进行各种物理量变换及运算，可以非常方便的在线观测数据处理结果，大大节省了数据后处理的时间（业内不处）；

业内较早实现构建网络化测试系统，支持上位机远程控制采集终端的功能。

合金金属外壳，EMI(电磁干扰)和RFI(射频干扰)很难穿过，从而极大减少了测试系统误差；

系统的抗振动和冲击特性符合美军标MIL-STD-810F标准；抗电磁干扰符合CE标准，适合于复杂环境的工程测试要求；

四、系统组成及架构

数据采集系统的设计遵从实用性、可靠性、先进性的原则，采用国内外好的PXI总线测试技术，在系统的软硬件设计上，均按照通用化、模块化、系列化的设计思想，实现试验中数据采集系统的高可靠性和高集成度。

为了使测试系统结构紧凑、稳定可靠，同时还要使用方便，测试系统在结构上采用分步式网络结构，将数据采集设备放置在试验现场，操作控制和数据存储服务计算机和数据采集与数据分析计算机放置在测试间，它们之间通过网线连接（建议网线长度在150米内），这样就可以大大缩短了传感器到测试机柜的测试电缆的长度。同时也能保证整个系统运行方便可靠。

测试系统硬件主要由各类传感器、测试电缆、信号调理装置（如需）、数据采集系统构成。

数据采集系统硬件主要由以下部分组成：

a)各类传感器；

b)测试电缆；

c)信号调理装置（如需）；

d)数据采集系统（包含计算机部分）；

试验中，由信号调理装置向各类传感器供电，并将输出信号传入数据采集系统及总控系统中，由主控计算机控制试验启停及数据采集传输。

4.1、系统原理

紧凑型多功能测试系统硬件采用坚固且紧凑的设计结构，以各测试模块为基本硬件框架；在测试系统的设计中要考虑到测试系统高可靠性、易用性、可维护性以及与现有系统的兼容性的要求，同时，由于试验现场的复杂性，要求系统具有高密度、模块化、网络化的特点，提高系统的集成度、可靠性。

本方案在设计上力求具有通用性、前瞻性，并优先保证实际试验亟待解决的核心和通用需求，即“用通用性的方法，解决问题”。以实用为目的；以方便试验分析、提高系统效率、缩短试验数据分析周期为方向；以解决关键核心需求为依据；同时兼顾系统的先进性、前瞻性。

硬件设计上将采用成熟的测试技术以提高测试速度和可靠性；减小测试系统体积；均衡系统负载；扩展系统的使用范围和灵活性。

在软件设计上采用框架式的测试软件结构；模块化的独立功能封装；通过执行测试软件进行工程参量、测试流程、虚拟仪器、测量结果数据的管理；从而大大提高了系统的通用性和可维护性；方便了测试结果数据的处理，少了测试人员的工作强度，提高了测试的可靠性，少了测试反复的程度。从而降低了测试成本，缩短测试系统的开发时间，并把风险减少到较低限度。

紧凑多功能测试系统由计算机、数据采集系统、测试电缆、传感器等几大部分构成。测试参数有应变，温度等。

试验中，由信号调理模块通过测试电缆向各类传感器供电,并将输出信号传入数据采集系统中，可以由主控计算机（上位机）控制试验启停及数据采集传输。

采集系统采用内置式精密信号调理模块可以直接与各种传感器直接连接，其交流隔离、对称浮地式差分输入方式可确保在各种环境下进行高精度、无干扰的精密测量。所有程控模块的检测均由测试软件自动完成，用户只需要输入传感器的灵敏度和测试量程就可以进行测试。软件采用测试软件，具有良好的人机界面，多种触发方式，确保在设定的试验条件下获得测试结果，单模块采样率设置功能，可大量节约磁盘空间；FFT，各种数学运算功能可以直接获得计算结果。

4.2、系统组成

96通道多功能测试系统包括主机DEWE2-M18测试系统主机 1台，

TRION-2402-dSTG-8多功能模块（信号调理、A/D转换一体集成模块）12块。

系统1硬件配置如下表所示：

序号 硬件 功能 数量

4.3、系统组成结构
为了使测试系统结构轻巧，系统结构采用如下的设计方案。原理如下图：

4.3.2、产品如下图所示：
DEWE2-M18主机

DEWE2-A4主机

DEWE2-A7或DEWE2-A13主机

特点：轻巧紧凑，适合于实验室及外场测试。

紧凑型PXI总线数据采集系统

•一体化设计，坚固的PXI总线数据采集系统

•18个TRION模块插槽

•1个PCIe 1X接口，2个TRION-SYNC-BUS接口。

•配置主流显示器

•英特尔®酷睿™i7处理器，16GB内存256GB的SSD工业固态硬盘。

•较大数据存储速率为90 MB / s，4个USB接口，2个LAN以太网，1个RS-232， 1个EPAD接口（Lemo EGG.1B.304） ，2个HDMI接口。

•电源115/230VAC

Microsoft®Windows®7 64bit操作系统。

固态硬盘可插拔

可以支持电池供电

4.3.3、TRION模块（信号调理、A/D转换一体集成板卡）

型号：TRION-2402-dSTG-8-L0B-多功能调理模块

8通道隔离电压通道，24-bit分辨率, 同步采集, 每通道带抗混叠滤波器

204.8 kS/s 每通道, 带宽： DC to 77 kHz

直接测量桥路, ±10 V电压, IEPE, RTD 和电阻，电流信号。

4 种高通滤波可选： 0.16, 0.5, 3.4 and 10 Hz

可编程激励电压：0 ～ 13 VDC (程控, 16 Bit DAC) （可以通过接线方式定义为﹢5V供电）, 每个模块100 mA 较大电流, 8 W较大功率

可编程激励电流： 200 µA - 25 mA

桥路输入: 全桥传感器：80 Ohm-10 kOhm ( excitation ≤5 V)

内部配桥： 半桥传感器： 80 Ohm-10 kOhm

内部配桥： 1/4 桥传感器： 120 和 350 Ohm

应变输入范围： ±1 to ±1000 mV/V （相当于±2000至±2000000微应变）or mV/mA

IEPE输入：100mv-10v

电压输入范围: ±10 mV to ±10V

RTD输入: Pt100, Pt200, Pt500, Pt1000 or Pt2000 传感器

接口: 8*Lemo

表1　电阻应变计接口定义

4.4、测试软件

数据采集系统采用OXYGEN，支持用户自行开发。

•数据采集软件的功能

•集多种功能于一体：系统参数设置、数据记录仪、示波器、X/Y记录仪、频谱分析仪、可编程运算的虚拟通道、视频记录仪、综合信号显示仪，测量界面由用户根据自己的喜好灵活设置。

•支持数据采集记录的同时，可以回放及分析已经存储的数据，便于及时纠正试验过程，及时发现问题。

•在采集软件中，各不同采样率的通道要求时间轴同步；

•软件应具有传感器标定功能：可以方便的计算或标定出传感器实际的物理量与采集电压间的线性关系，确定出传感器的一次系数和常数；

•采集通道的选择、配置灵活、方便； 且可以实现可视化通道选择操作。

•采集系统软件有强大的分析功能，支持增加X轴和Y轴方向的光标，便于方便获取一组光标间的大/小值、平均值、有效值、频率、斜率、积分等相应的数据；

•显示分析多通道波形，可以通过鼠标单手操作即可完成波形横向放大、压缩，纵向放大、压缩；

•计算波形的特征参数：较大值、较小值、峰峰值、峰值、谷值、幅值、平均值，实现图形曲线数据的剪裁功能；

•可对海量测量数据进行批处理，减少数据处理工作量，可以实现多文件存储；

•软件要支持中文界面；

•具有记录仪，XY记录仪，实时FFT分析可选轴，线数，窗函数，平均值等；

•实时可编程数学运算及滤波，滤波型式可为贝塞耳（Bessel）,巴特沃斯（Butterworth）。

•多通道测试时，多个数据可全屏显示，分页显示，全屏显示时无需鼠标操作即可实现热键操作窗口切换，非常适合于远程多通道数据采集和监控，可以在数据记录的同时，回看已经存储的数据，记录仪支持全屏和非全屏观看的一键切换。

•数据输出功能，数据可导出多种数据形式，如* .csv文件，* .txt文件，* .mdf4文件或*.MAT文件等，以便于各种不同分析软件的应用；

•软件产生的数据格式为D7D文件；

•交钥匙软件：测试人员可很快熟悉掌握并实际操作。

•数据记录功能

•监示、记录各测量点传感器输出信号；

•对各测量点传感器信号进行零位补偿、工程单位换算；

•对测量信号进行处理，得到测量信号的时间历程曲线。

•数据处理与分析功能

•对测量信号进行处理，得到幅频、相频曲线；

•根据测量数据生成符合试验报告的数据结果，支持输入试验报告头文件，自定义报告格式。

•数据记录仪：可实时显示测量值/均方值/平均值；可同时开多个显示窗口，每个窗口可显示多个通道。例如：下图右侧为不同测试界面，用户可以任意增加和删除，让测试就像做PPT演示一样简单。

•支持数据采集的同时，可以实时回放并分析过去的数据，分析功能有计算大/小值、平均值、有效值、频率、斜率、积分等。

•示波器：可同时开多个显示窗口，每个窗口可显示1～8个通道；具有触发模式功能；具有移动光标显示数据功能。

•X/Y记录仪：显示一个或多个通道测量值与某个道之间的关系。

•频谱分析仪：具有较高262K的谱线分辨率，多种窗函数（汉宁窗（-31dB）、汉明窗（-42dB）、矩形窗（-13dB）、平顶窗（-68dB）、blackman-Harris（-92dB）blackman（-58dB）bartlett（-26dB）等）

•可编程运算的虚拟通道：强大的在线数学运算和滤波功能。包括三角、微分、积分等。

•视频记录仪：同步视频记录功能。

•综合信号显示仪：可根据需要选择同时显示数据记录仪、示波器、X/Y记录仪、频谱分析仪、视频记录仪、GPS地图显示、其它多种方式的显示仪表…

•分析功能：所有测试数据实时存储，可以重放，选择，分析，打印。

•灵活的触发功能：可选电平、时间、频率为触发信号，触发条件可选沿触发、滤波沿触发、脉冲宽度触发、斜率触发等多种触发方式。支持设定保存触发前N秒的数据。可以设定停止存储的条件，也可以设定存储的时间。

•可为每个模块单独设置采样频率，采样频率可根据触发自动转换高低速采样速度。

•支持GPS连接，可与IRIG完全同步，支持PTP协议即1588协议。

•提供用户开发包，实现二次开发。

•多通道测试时，多个数据可全屏显示，分页显示，全屏显示时无需鼠标操作即可实现热键操作窗口切换，非常适合于远程多通道数据采集和监控，可以在数据记录的同时，回看已经存储的数据，记录仪支持全屏和非全屏观看的方便切换。

•文件可多种格式输出：Text, Excel、Flexpro、Matlab、等多种格式。

主界面

通道显示界面示意图

单通道设置界面

FFT及峰值标注界面示意图

报告制作

五、试验数据交联

依据部分用户的要求，数据采集系统具备采集到的数据实时发送到指定的其他数据采集系统中或计算机/上位机中。目前，数据采集系统支持较多350通道，每通道100ks/s采样率或者24通道，每通道采样率2Ms/s。相当于每秒通过TCP/IP对外发送48Ms/s的采样点数据。

采集系统通过SCPI控制接口协议实现数据配置
硬件通信端口：TCP/IP
数据格式：ASCII,源数据类型：uint32（支持用户自行开发使用）,数据格式定义如下图所示：

这是一套以应变、温度、加速度作为采集信号为例子，按照德维创的产品特点出去的一套96通道的数据采集系统。

我们专注于数据采集系统及传感器达14年之久，产品应用于国内的很多军工研究所计高校，如果你有这方面的需求或者案例要求，可联系我们。

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