信号采集设备的构成和性能讲解

信号采集设备的构成和性能传感器信号调理模块A/D转换模块

信号采集、分析是工程检测仪器的核心，数字成像更直观地展现检测部位的各种性能。信号采集、分析及数字成像就组成了现代工程检测仪器的主体。信号采集设备的构成和性能信号采集设备主要由传感器，信号调理模块，A/D转换模块构成。传感器传感器的静态特性主要参数有：线性度、迟滞误差、重复性误差、灵敏度、分辨率、稳定性、漂移等。信号调理模块信号调理就是传感器拾取的信号需要经过放大、滤波、衰减、调制解调、幅频变换及数字化等处理过后，得到适合传输的标准信号并输出。A/D转换模块A/D(Analog/Digital)就是把模拟信号转换成数字信号，转换过程通过取样、保持、量化和编码四个步骤完成。信号采集设备的构成和性能3.1传感器传感器信号调理模块物理量加速度、位移、温（湿）度、压力、流量、液位、转矩、力等传感器工作原理振动、湿（磁、气）敏、电（光）学式、电荷、半导体、谐振式等传感器3.1.1传感器的分类能感受规定的被测量元件并按照一定规律（数学函数法则）转换成可用信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成。信号采集设备的构成和性能3.1传感器传感器信号调理模块传感器的静态特性传感器的动态特性对静态的输入信号，传感器输出量与输入量之间的相互关系传感器在输入变化时，它的输出特性标准输入信号：阶跃信号

阶跃响应标准输入信号：正弦信号频率响应3.1.2传感器的性能线性度灵敏度分辨率重复性稳定性飘移迟滞信号采集设备的构成和性能3.1传感器传感器信号调理模块3.1.2传感器的性能传感器的静态特性对静态的输入信号，传感器输出量与输入量之间的相互关系线性度是指传感器输出量与输入量之间的实际关系曲线偏离拟合直线的程度通常情况下，传感器的实际静态特性输出是条曲线而非直线。但实际工作中，为使仪表具有均匀刻度的读数，常用一条拟合直线近似代表实际的特性曲线，线性度就是这个近似程度的一个性能指标。线性度灵敏度分辨率重复性稳定性飘移迟滞信号采集设备的构成和性能3.1传感器传感器3.1.2传感器的性能传感器的静态特性对静态的输入信号，传感器输出量与输入量之间的相互关系灵敏度是传感器静态特性的一个重要指标。其定义为：输出量的增量与引起该增量的相应输入量增量之比，用S表示。

提高灵敏度可得到较高的测量精度，但灵敏度越高，测量范围越窄，稳定性也越来越差。线性度灵敏度分辨率重复性稳定性飘移迟滞信号采集设备的构成和性能3.1传感器传感器信号调理模块3.1.2传感器的性能传感器的静态特性对静态的输入信号，传感器输出量与输入量之间的相互关系分辨率是指传感器可感受到的被测量的最小变化的能力。有时用该值相对满量程输入值的百分数表示。所以需要注意区分：比如3mv不是一个百分数值，我们可以称为分辨力，而1%这个百分数值我们可以称为分辨率。线性度灵敏度分辨率重复性稳定性飘移迟滞信号采集设备的构成和性能3.1传感器传感器信号调理模块3.1.2传感器的性能传感器的静态特性对静态的输入信号，传感器输出量与输入量之间的相互关系迟滞：传感器在输入量由小到大（正行程）及输入量上大到小（负行程）变化期间，其输入—输出特性曲线不重合的现象称为迟滞。这种现象的产生可由装置内的弹性、磁性元件以及机械部分的摩擦、灰尘积塞等原因引起。线性度灵敏度分辨率重复性稳定性飘移迟滞信号采集设备的构成和性能3.1传感器传感器3.1.2传感器的性能传感器的静态特性对静态的输入信号，传感器输出量与输入量之间的相互关系重复性：指传感器在输入量按同一方向作全量程连续多次变化时，所得的特性曲线不一致的程度。（即在多次重复测试过程中，测试条件为同是正行程或负行程，在输入量相同的情况下，对应的输出量不同。）线性度灵敏度分辨率重复性稳定性飘移迟滞信号采集设备的构成和性能3.1传感器传感器信号调理模块3.1.2传感器的性能传感器的静态特性对静态的输入信号，传感器输出量与输入量之间的相互关系漂移：在一定的时间间隔内，传感器输入量不变的情况下，输出量存在着与输入量无关的变化。传感器的漂移有几种，分别是零点漂移、灵敏度漂移、时漂（零点或灵敏度随时间变化）、温漂（温度引起的漂移）等。线性度灵敏度分辨率重复性稳定性飘移迟滞引起漂移的原因，一是传感器自身结构参数；二是周围环境。信号采集设备的构成和性能3.1传感器传感器信号调理模块3.1.2传感器的性能传感器的静态特性对静态的输入信号，传感器输出量与输入量之间的相互关系稳定性：又称长期稳定性，即传感器在一段时间内仍然能保持其性能的能力。一般以一定室温条件下经过一个规定的时间间隔后，传感器当时的输出量与标定时的输出量的差异来表示，有时也用标定的有效期来表示。线性度灵敏度分辨率重复性稳定性飘移迟滞信号采集设备的构成和性能3.1传感器传感器信号调理模块3.1.2传感器的性能传感器的动态特性传感器在输入变化时，它的输出特性标准输入信号：阶跃信号

阶跃响应标准输入信号：正弦信号频率响应信号采集设备的构成和性能3.1传感器传感器信号调理模块传感器的动态特性测试动态被测量时，要求传感器不仅能精确测量出信号的幅值，还包括其随时间变化过程的波形，如果传感器能迅速、准确且无失真地测出被测量随时间变化的波形，使输出与输入随时间变化一致，那么这种动态特性就是非常良好的。实际传感器除有较为理想的比例特性环节外，还有阻尼、惯性等环节，输出信号与输入信号没有完全相同的时间函数，这种输出与输入的差异就是动态误差，动态误差越大，传感器动态性能也就越差。信号采集设备的构成和性能3.2信号调理传感器信号调理模块信号调理就是传感器拾取的信号需要经过放大、滤波、衰减、调制解调、幅频变换及数字化处理后，得到适合传输的标准信号并输出。信号采集设备的构成和性能3.2信号调理传感器信号调理模块滤波是只允许一定频率范围内的信号通过，抑制或者削弱不需要频率成分的波。滤波是抑制、消除噪声的主要手段：尽可能使有用信号通过，衰减无用信号低通LPF高通HPF带通带阻基本形式主要分类高通滤波器（HPF）信号滤波示意图信号采集设备的构成和性能3.3A/D转换（模数转换）把模拟信号转换成数字信号

把连续信号转换成离散信号（采样）A/D转换A/D转换过程信号采集设备的构成和性能转换速率完成一次从模拟量转换到数字量所需时间的倒数。单位：Ksps

、Msps采样精度（分辨率）数字量变化一个最小量时模拟信号的变化。定义为满刻度与2n的比值。n为表示A/D转换器输出二进制数码的位数。速率必须小于或等于转换速率。位数越多，分辨力越高。但功耗也越大，成本越高A/D转换主要数字指