DAQ的魔力：從確保生產(chǎn)質(zhì)量到預(yù)測運營失敗

眾所周知，數(shù)據(jù)采集（DAQ）系統(tǒng)能夠采集有用的測量數(shù)據(jù)用于表征、監(jiān)測或控制目的。這些系統(tǒng)可用于測量各種不同的物理參數(shù)，包括溫度、壓力、振動、聲音、電壓、電流、加速度、應(yīng)變、光強度、轉(zhuǎn)速（RPM）和流速等等。此外，DAQ也可以根據(jù)系統(tǒng)收到的數(shù)據(jù)信息決定采取某些行動，例如可發(fā)出警報、停止生產(chǎn)線或只是簡單地打開燈。

DAQ硬件的一些最重要應(yīng)用包括維護(hù)生產(chǎn)設(shè)施的輸出質(zhì)量，監(jiān)控機器運行狀況以確定何時需要進(jìn)行設(shè)備維護(hù)（從而避免可能造成嚴(yán)重影響成本的潛在停機時間）。這些應(yīng)用的具體參數(shù)將決定對DAQ系統(tǒng)的分辨率、精度、通道數(shù)、以及速度等要求。

隨著制造和工業(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(xù)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監(jiān)控各種參數(shù)，這種需求推動了更先進(jìn)的DAQ硬件和相關(guān)軟件的開發(fā)。同樣，管理燃油/供水的泵站或變電站公司不僅需要監(jiān)控其設(shè)備的性能和狀態(tài)，還需要監(jiān)控其站點設(shè)施內(nèi)部的環(huán)境，以確保設(shè)備能夠保持在最佳運行條件。

根據(jù)所設(shè)想具體應(yīng)用的特定要求，市場上現(xiàn)有各種各樣的解決方案可供考慮，從相對簡單的即插即用型數(shù)據(jù)記錄器到高度集成的多功能DAQ系統(tǒng)。在本文中，我們將依次討論這些不同類型的解決方案。

用于特定應(yīng)用的緊湊型便攜式數(shù)據(jù)記錄儀

Advantech公司的USB-4700系列包括不打開機箱即可安裝的DAQ模塊，用戶只需將其插入即可訪問采集的數(shù)據(jù)。這些模塊牢固可靠，完全能夠滿足工業(yè)應(yīng)用要求，同時對于家用系統(tǒng)而言也價格合理，能夠簡化在具有USB功能的計算機上添加控制和測量功能的過程。該公司的USB-4716可提供16個單端/ 8個差分模擬輸入，具有16位分辨率，高達(dá)200kSPS吞吐量，16個數(shù)字I/O，一個用戶計數(shù)器和兩個16位模擬輸出。此外，由于它通過USB端口從計算機獲取電力，因此無需外部電源連接。

MonoDAQ的DAQ設(shè)備可與任何傳感器連接，能夠用于應(yīng)變和結(jié)構(gòu)載荷或加速度等機械測量，通過EtherCAT可將數(shù)據(jù)傳輸?shù)絇C上運行的功能強大且易于使用的DEWESoft DAQ軟件。MonoDAQ-E-STG隔離應(yīng)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(yīng)變計和稱重傳感器（load cells）獲取數(shù)據(jù)。它具有100mV～50V的工作范圍和20mA的電流輸入（內(nèi)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(shè)備，包含有極低噪聲的3軸MEMS加速度計，可用于橋梁或天線結(jié)構(gòu)監(jiān)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(yīng)用在需要加速度監(jiān)控的任何結(jié)構(gòu)中。相比之下，MonoDAQ-E-ACC加速度傳感器放大器旨在實現(xiàn)更高精度振動測量，并可為集成的電子壓電（IEPE）傳感器提供完美信號調(diào)節(jié)，典型應(yīng)用包括機器振動監(jiān)測、軸承故障檢測和模態(tài)結(jié)構(gòu)分析等等。

圖1：MonoDAQ的e-gMeter。

Extech Instruments操作簡單的RHT35 USB濕度、溫度和氣壓數(shù)據(jù)記錄器能夠收集帶有日期/時間戳的信息，并可將最多48,000個讀數(shù)傳輸?shù)絇C（以PDF或電子表格格式）。它還包括一個8位置記錄器書簽、6種語言選項、可編程采樣間隔、可調(diào)節(jié)警報和密碼保護(hù)安全登錄等功能。同時，該公司的VB300是一個加速度力（G-force）記錄裝置，能夠測量和收集±18g測量范圍內(nèi)的3軸沖擊和振動（加速度）讀數(shù)。它還可以記錄3軸加速度力和相關(guān)峰值，為運輸過程中監(jiān)控貨運集裝箱等應(yīng)用提供沖擊和振動的歷史記錄。該裝置具有USB接口，便于設(shè)置和數(shù)據(jù)下載，另外還配有磁化/螺栓固定安裝底座，一個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(shù)據(jù)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(shè)備采用USB或micro-USB端口進(jìn)行動態(tài)配置、充電和下載數(shù)據(jù)。配置選項包括每次測量前的可調(diào)延遲時間、不同的測量持續(xù)時間和基于預(yù)先設(shè)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(tǒng)的振動表征、模態(tài)測量和設(shè)備監(jiān)測等。

集成的多功能DAQ系統(tǒng)

ADLINK的USB DAQ模塊具有易于連接的即插即用硬件/軟件，并具有非常高的性價比和便利性，但不會影響系統(tǒng)精度。該模塊包括USB-2405動態(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，使客戶能夠針對音頻和振動應(yīng)用選擇最適合的產(chǎn)品。該DSA模塊支持各種總線標(biāo)準(zhǔn)，專為機器狀態(tài)監(jiān)測中的音頻、噪聲和振動測量應(yīng)用而設(shè)計，具有高達(dá)432kSPS的采樣率，24位分辨率和IEPE信號調(diào)節(jié)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(shù)據(jù)采集和無故障連接。每個單元都配有四個模擬輸入通道，每通道具有高達(dá)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(nèi)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可實現(xiàn)抗鋸齒（anti-aliasing）濾波，從而抑制調(diào)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和聲學(xué)應(yīng)用中的高動態(tài)范圍信號測量。它們支持?jǐn)?shù)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、門控和預(yù)觸發(fā)），無需后期處理即可實現(xiàn)高效的數(shù)據(jù)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(diào)節(jié)電路，可利用常見傳感器進(jìn)行直接測量，如電流輸出傳感器、熱電偶、RTD、稱重傳感器（load cells）和應(yīng)變計等。該模塊可以對各個通道進(jìn)行編程以測量不同的信號類型，還配有可拆卸的旋入式端子，便于設(shè)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(yīng)用，既可用于實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模塊還包括一個免費的即用型軟件包U-test，無需任何編程即可測試所有關(guān)鍵功能。

Keysight的DAQ970A的目標(biāo)定位是下一代DAQ系統(tǒng)，可提供更高的性能和更大的靈活性，同時保持與該公司廣受歡迎的34970A和34972A型號的兼容性。該系統(tǒng)能夠測量和轉(zhuǎn)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線和4線電阻，頻率和周期，電容和應(yīng)變等等。其3插槽主架構(gòu)具有內(nèi)置6.5位數(shù)字DMM和信號調(diào)節(jié)功能，可加快測試開發(fā)時間。與其前代產(chǎn)品相比，DAQ970A具有2倍的掃描速度，能夠?qū)崿F(xiàn)高達(dá)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(dá)1,000MΩ），電壓、電流和電阻測量精度高達(dá)90％以上。DAQ970A還具有自動校準(zhǔn)功能，可補償內(nèi)部DMM。

圖3：Keysight 的DAQ970A。

DAQ的未來前景

隨著工業(yè)自動化要求不斷提高，以及對基礎(chǔ)設(shè)施和可再生能源發(fā)電廠越來越多的投資，這些都有助于推動DAQ市場的快速增長。Global Industry Analysts預(yù)測，由于對實施工業(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)品上市時間（特別是汽車行業(yè)）的要求，到2022年，全球DAQ市場總量將達(dá)到17億美元。同樣，Market Insights預(yù)計，從現(xiàn)在到2026年期間DAQ的復(fù)合年增長率為6.04％，屆時DAQ市場總價值將達(dá)到36.1億美元。顯然，由于需要從更廣泛的不同來源獲取更大量的數(shù)據(jù)，因此采用適當(dāng)?shù)募夹g(shù)進(jìn)行此類工作將是至關(guān)重要的。這將會進(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(zhǔn)推向更高極限，并努力確保產(chǎn)品價格具有盡可能大的吸引力。