DAQ的魔力：從確保生產(chǎn)質(zhì)量到預測運營(yíng)失敗

眾所周知，數據采集（DAQ）系統能夠采集有用的測量數據用于表征、監測或控制目的。這些系統可用于測量各種不同的物理參數，包括溫度、壓力、振動(dòng)、聲音、電壓、電流、加速度、應變、光強度、轉速（RPM）和流速等等。此外，DAQ也可以根據系統收到的數據信息決定采取某些行動(dòng)，例如可發(fā)出警報、停止生產(chǎn)線(xiàn)或只是簡(jiǎn)單地打開(kāi)燈。

DAQ硬件的一些最重要應用包括維護生產(chǎn)設施的輸出質(zhì)量，監控機器運行狀況以確定何時(shí)需要進(jìn)行設備維護（從而避免可能造成嚴重影響成本的潛在停機時(shí)間）。這些應用的具體參數將決定對DAQ系統的分辨率、精度、通道數、以及速度等要求。

隨著(zhù)制造和工業(yè)加工行業(yè)不斷提高效率水平，降低成本，并要求能夠持續地生產(chǎn)出更高質(zhì)量的產(chǎn)品，需要使用多種不同傳感器來(lái)監控各種參數，這種需求推動(dòng)了更先進(jìn)的DAQ硬件和相關(guān)軟件的開(kāi)發(fā)。同樣，管理燃油/供水的泵站或變電站公司不僅需要監控其設備的性能和狀態(tài)，還需要監控其站點(diǎn)設施內部的環(huán)境，以確保設備能夠保持在最佳運行條件。

根據所設想具體應用的特定要求，市場(chǎng)上現有各種各樣的解決方案可供考慮，從相對簡(jiǎn)單的即插即用型數據記錄器到高度集成的多功能DAQ系統。在本文中，我們將依次討論這些不同類(lèi)型的解決方案。

用于特定應用的緊湊型便攜式數據記錄儀

Advantech公司的USB-4700系列包括不打開(kāi)機箱即可安裝的DAQ模塊，用戶(hù)只需將其插入即可訪(fǎng)問(wèn)采集的數據。這些模塊牢固可靠，完全能夠滿(mǎn)足工業(yè)應用要求，同時(shí)對于家用系統而言也價(jià)格合理，能夠簡(jiǎn)化在具有USB功能的計算機上添加控制和測量功能的過(guò)程。該公司的USB-4716可提供16個(gè)單端/ 8個(gè)差分模擬輸入，具有16位分辨率，高達200kSPS吞吐量，16個(gè)數字I/O，一個(gè)用戶(hù)計數器和兩個(gè)16位模擬輸出。此外，由于它通過(guò)USB端口從計算機獲取電力，因此無(wú)需外部電源連接。

MonoDAQ的DAQ設備可與任何傳感器連接，能夠用于應變和結構載荷或加速度等機械測量，通過(guò)EtherCAT可將數據傳輸到PC上運行的功能強大且易于使用的DEWESoft DAQ軟件。MonoDAQ-E-STG隔離應變計放大器（isolated strain gauge amplifier）可以采用任何電橋配置、可編程激勵，并以極低噪聲從應變計和稱(chēng)重傳感器（load cells）獲取數據。它具有100mV～50V的工作范圍和20mA的電流輸入（內部分流器）。與此相輔相成的是MonoDAQ-E-gMeter，這是一款一體化傳感器和DAQ設備，包含有極低噪聲的3軸MEMS加速度計，可用于橋梁或天線(xiàn)結構監測和地震測量。電源和信號可經(jīng)由同一電纜傳輸，因而可應用在需要加速度監控的任何結構中。相比之下，MonoDAQ-E-ACC加速度傳感器放大器旨在實(shí)現更高精度振動(dòng)測量，并可為集成的電子壓電（IEPE）傳感器提供完美信號調節，典型應用包括機器振動(dòng)監測、軸承故障檢測和模態(tài)結構分析等等。

圖1：MonoDAQ的e-gMeter。

Extech Instruments操作簡(jiǎn)單的RHT35 USB濕度、溫度和氣壓數據記錄器能夠收集帶有日期/時(shí)間戳的信息，并可將最多48,000個(gè)讀數傳輸到PC（以PDF或電子表格格式）。它還包括一個(gè)8位置記錄器書(shū)簽、6種語(yǔ)言選項、可編程采樣間隔、可調節警報和密碼保護安全登錄等功能。同時(shí)，該公司的VB300是一個(gè)加速度力（G-force）記錄裝置，能夠測量和收集±18g測量范圍內的3軸沖擊和振動(dòng)（加速度）讀數。它還可以記錄3軸加速度力和相關(guān)峰值，為運輸過(guò)程中監控貨運集裝箱等應用提供沖擊和振動(dòng)的歷史記錄。該裝置具有USB接口，便于設置和數據下載，另外還配有磁化/螺栓固定安裝底座，一個(gè)3.6V鋰電池和兼容Windows的分析軟件。

Midé的Slam Stick產(chǎn)品是一款高速超便攜式可充電數據記錄儀，除壓力和溫度外，它還能夠測量所有三軸方向的加速度。這些設備采用USB或micro-USB端口進(jìn)行動(dòng)態(tài)配置、充電和下載數據。配置選項包括每次測量前的可調延遲時(shí)間、不同的測量持續時(shí)間和基于預先設定加速度值的觸發(fā)。該記錄儀具有非常輕的重量，足以使用雙面膠帶安裝固定，可用于能量收集系統的振動(dòng)表征、模態(tài)測量和設備監測等。

集成的多功能DAQ系統

ADLINK的USB DAQ模塊具有易于連接的即插即用硬件/軟件，并具有非常高的性?xún)r(jià)比和便利性，但不會(huì )影響系統精度。該模塊包括USB-2405動(dòng)態(tài)信號采集（DSA）USB模塊、USB-7230/7250隔離USB I/O模塊、USB-1210 DAQ模塊4-CH、USB-2401通用輸入USB DAQ模塊和USB-1901/1902/1903 8/16通道 16位250kSPS多功能USB DAQ模塊。ADLINK公司還提供廣泛的工業(yè)級計算機和PXI平臺，使客戶(hù)能夠針對音頻和振動(dòng)應用選擇最適合的產(chǎn)品。該DSA模塊支持各種總線(xiàn)標準，專(zhuān)為機器狀態(tài)監測中的音頻、噪聲和振動(dòng)測量應用而設計，具有高達432kSPS的采樣率，24位分辨率和IEPE信號調節功能，可為元件測試中的麥克風(fēng)或加速度計提供高精度數據采集和無(wú)故障連接。每個(gè)單元都配有四個(gè)模擬輸入通道，每通道具有高達128kSPS的同步采樣速率。還具有軟件可選的交流或直流耦合輸入配置和內置高精度2mA激勵，以及非常低的溫度漂移。

圖2：ADLINK 的USB-2401。

板載24位Σ-Δ型ADC可實(shí)現抗鋸齒（anti-aliasing）濾波，從而抑制調制器和帶外信號噪聲，并能夠提供奈奎斯特速率的可用信號帶寬，這些特性使得模塊適用于振動(dòng)和聲學(xué)應用中的高動(dòng)態(tài)范圍信號測量。它們支持數字和模擬觸發(fā)源以及靈活的觸發(fā)模式（包括后置、延遲、中間、門(mén)控和預觸發(fā)），無(wú)需后期處理即可實(shí)現高效的數據采集。

USB-2401是一款24位，4通道同步采樣通用輸入USB DAQ模塊，帶有集成的信號調節電路，可利用常見(jiàn)傳感器進(jìn)行直接測量，如電流輸出傳感器、熱電偶、RTD、稱(chēng)重傳感器（load cells）和應變計等。該模塊可以對各個(gè)通道進(jìn)行編程以測量不同的信號類(lèi)型，還配有可拆卸的旋入式端子，便于設備連接。其多功能支架可支持桌面、軌道或墻壁安裝。該DAQ適用于要求高分辨率和高精度的基本測量應用，既可用于實(shí)驗室研究和材料測試，也可用于工業(yè)環(huán)境的溫度測量。該DAQ模塊還包括一個(gè)免費的即用型軟件包U-test，無(wú)需任何編程即可測試所有關(guān)鍵功能。

Keysight的DAQ970A的目標定位是下一代DAQ系統，可提供更高的性能和更大的靈活性，同時(shí)保持與該公司廣受歡迎的34970A和34972A型號的兼容性。該系統能夠測量和轉換12種不同的輸入信號，例如用熱電偶、RTD和熱敏電阻測得的溫度，直流和交流電壓，2線(xiàn)和4線(xiàn)電阻，頻率和周期，電容和應變等等。其3插槽主架構具有內置6.5位數字DMM和信號調節功能，可加快測試開(kāi)發(fā)時(shí)間。與其前代產(chǎn)品相比，DAQ970A具有2倍的掃描速度，能夠實(shí)現高達450通道/秒，速度提高了十倍。它可以測量非常低的電流范圍（1μAAC～100μAAC）和極高電阻（高達1,000MΩ），電壓、電流和電阻測量精度高達90％以上。DAQ970A還具有自動(dòng)校準功能，可補償內部DMM。

圖3：Keysight 的DAQ970A。

DAQ的未來(lái)前景

隨著(zhù)工業(yè)自動(dòng)化要求不斷提高，以及對基礎設施和可再生能源發(fā)電廠(chǎng)越來(lái)越多的投資，這些都有助于推動(dòng)DAQ市場(chǎng)的快速增長(cháng)。Global Industry Analysts預測，由于對實(shí)施工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)（IIoT）和工業(yè)4.0的關(guān)注，以及制造業(yè)中對于更短產(chǎn)品上市時(shí)間（特別是汽車(chē)行業(yè)）的要求，到2022年，全球DAQ市場(chǎng)總量將達到17億美元。同樣，Market Insights預計，從現在到2026年期間DAQ的復合年增長(cháng)率為6.04％，屆時(shí)DAQ市場(chǎng)總價(jià)值將達到36.1億美元。顯然，由于需要從更廣泛的不同來(lái)源獲取更大量的數據，因此采用適當的技術(shù)進(jìn)行此類(lèi)工作將是至關(guān)重要的。這將會(huì )進(jìn)一步鼓勵在DAQ領(lǐng)域推出更多新產(chǎn)品，并促進(jìn)不斷的工程創(chuàng )新，以便將性能基準推向更高極限，并努力確保產(chǎn)品價(jià)格具有盡可能大的吸引力。