數據采集 （通?？s寫為 DAQ 或 DAS）是對測量現實世界物理現象的信號進行采樣并將其轉換為可由計算機和軟件操作的數字形式的過程。
人們普遍認為數據采集 與磁帶錄音機或紙質圖表的早期記錄形式不同。與這些方法不同的是，信號從模擬域轉換到數字域，然后記錄到數字介質，例如 ROM、閃存介質或硬盤驅動器。
據采集系統框圖和現代數字數據采集系統的要素
數據采集系統是包括測量設備、傳感器、計算機和數據采集軟件的系統。數據采集系統用于采集、存儲、可視化和處理數據。這涉及收集理解電氣或物理現象所需的信息。
有多種類型的數據采集系統。它可以是用于簡單溫度測量的手持設備，也可以是安裝在多個機架中并遠程操作的大型數千通道系統。跳轉至數據采集系統類型部分，了解有關數據采集系統基本類型的更多信息。
現代 數字數據采集系統 由四個基本組件組成，構成物理現象的整個測量鏈：
? 傳感器
? 信號調節(jié)
? 模數轉換器
? 帶有用于數據記錄和分析的 DAQ 軟件的計算機
典型的數據采集系統具有多個信號調理電路通道，提供外部傳感器和 A/D 轉換子系統之間的接口。
數據采集系統主要用于測量物理現象，例如：
? 溫度
? 電壓
? 當前的
? 應變和壓力
? 沖擊和振動
? 距離和位移
? RPM、角度和離散事件
? 重量
請注意，數據采集系統還可以測量其他幾種測量值，包括光和圖像、聲音、質量、位置、速度等。
數據采集系統的主要目的是采集和存儲數據。但它們還旨在提供實時和記錄后的數據可視化和分析。此外，大多數數據采集系統都內置了一些分析和報告生成功能。
最近的一項創(chuàng)新是數據采集和控制的結合，其中高質量的數據采集系統與實時控制系統緊密連接并同步。
當然，不同應用中的工程師有不同的要求，但這些關鍵能力以不同的比例存在：
? 數據記錄
? 數據存儲
? 實時數據可視化
? 記錄后數據審核
? 使用各種數學和統計計算進行數據分析
? 報告生成
數據采集儀器也大量用于監(jiān)控應用。這樣的例子有：
? 監(jiān)控發(fā)電機、電動機、風扇等復雜機械的狀況。
? 監(jiān)測橋梁、體育場等建筑物的結構特性。
? 監(jiān)控生產過程中的能源消耗和能源效率。
? 以及許多其他監(jiān)控場景。
數據采集系統或 DAQ 設備對于產品測試至關重要，從汽車到醫(yī)療設備，基本上是人們使用的任何機電設備。
在數據采集之前，產品以非結構化、高度主觀的方式進行測試。例如，在測試汽車的新懸架時，工程師經常依賴測試駕駛員對懸架“感覺”如何的意見。
隨著可以從各種傳感器收集數據的數據采集系統的發(fā)明和發(fā)展，這些主觀意見被客觀測量所取代。這些可以很容易地重復、比較、數學分析，并以多種方式可視化。
如今，沒有人會考慮制造任何類型的車輛，無論大小、飛機、醫(yī)療設備、大型機械等，而不采用數據采集來客觀地衡量其性能、安全性和可靠性。
當今的數據采集系統有多種形式和風格：
? 手持式數據采集系統
? 便攜式數據采集系統（帶有內置計算機、存儲器和顯示器）
? 模塊化數據采集系統
? 機架式數據采集系統
? ETC。
有許多適合特定應用的數據采集系統可供選擇。
數據采集是將現實世界信號轉換為數字域以進行顯示、存儲和分析的過程。由于物理現象存在于模擬域，即我們生活的物理世界，因此必須首先在那里進行測量，然后轉換到數字域。
這個過程是使用各種傳感器和信號調節(jié)電路來完成的。如上所述，輸出由模數轉換器 (ADC) 進行采樣，然后以基于時間的流寫入數字存儲介質。我們通常將此類系統稱為測量系統。
模擬數據采集系統完整方案
讓我們更詳細地看看鏈中的每個元素。
物理現象的測量，例如溫度、聲源水平或持續(xù)運動產生的振動，都是從傳感器開始的。傳感器也稱為換能器。傳感器將物理現象轉換為可測量的電信號。
傳感器應用于我們的日常生活中。例如，常見的水銀溫度計是一種非常古老的用于測量溫度的傳感器。在封閉管中使用彩色汞依賴于這種化學物質對溫度變化具有一致和線性反應的事實。通過在管子上標記溫度值，我們可以查看溫度計并以有限的精度了解溫度是多少。
幾個世紀以來，經典溫度計一直用于測量溫度
當然，除了視覺輸出之外，沒有任何模擬輸出。這種原始溫度計雖然在烤箱中或廚房窗外有用，但對于數據采集應用并不是特別有用。
因此，人們發(fā)明了其他類型的傳感器來測量溫度，例如 熱電偶、熱敏電阻、RTD（電阻溫度檢測器）， 甚至紅外溫度檢測器。每天有數以百萬計的傳感器在各種應用中工作，從汽車儀表板上顯示的發(fā)動機溫度到制藥生產中測量的溫度。幾乎每個行業(yè)都以某種方式利用溫度測量。
溫度傳感器類型
當然，還有許多其他 類型的傳感器 被發(fā)明來測量另一種物理現象：
? 稱重傳感器： 用于測量重量和負載
? LVDT 傳感器： LVDT 用于測量距離位移
? 加速度計： 測量振動和沖擊
? 麥克風： 用于測量聲音，
? 應變計： 測量物體上的應變，例如測量力、壓力、張力、重量等，
? 電流傳感器： 用于測量交流或直流電流，
? 以及無數更多。
根據傳感器的類型，其電輸出可以是電壓、電流、電阻或隨時間變化的其他電屬性。這些模擬傳感器的輸出通常連接到信號調節(jié)器的輸入，我們將在下一節(jié)中討論。
信號調節(jié)器的作用是獲取模擬傳感器的輸出并準備對其進行數字采樣。
如果我們繼續(xù)熱電偶的例子。信號調理電路需要對傳感器的輸出進行線性化，并提供隔離和放大功能，以使非常小的電壓達到標稱水平以進行數字化。
從模擬信號源到可供計算機和軟件處理的數字化數據
每個信號調理電路均由制造商設計，用于執(zhí)行傳感器輸出的基本標準化，以確保其線性度和對源現象的保真度，并為數字化做好準備。由于每種傳感器類型都不同，因此信號調節(jié)器必須完全符合它們。
電氣隔離有時也稱為 電流隔離，是將電路與其他電位源隔離。這對于測量系統尤其重要，因為大多數信號都處于相對較低的水平，而外部電位會極大地影響信號質量，從而導致錯誤的讀數。干擾電位本質上可以是交流電和直流電。
例如，當傳感器直接放置在具有高于地電位（即不是0V）的被測物品（例如電源）上時，這可能會對信號施加數百伏的直流偏移。電氣干擾或噪聲也可能采用信號路徑中或測試周圍環(huán)境中的其他電氣組件產生的交流信號的形式。例如，房間內的熒光燈可以輻射 400Hz，非常靈敏的傳感器可以接收到該頻率。
這就是為什么最好的數據采集系統具有隔離輸入的原因 - 以保持信號鏈的完整性并確保傳感器輸出的內容確實是已讀取的內容。目前采用了多種隔離技術。
事實上，我們想要測量的每個信號都可能受到電氣干擾或噪聲的影響。造成這種情況的原因有多種，包括可能被感應到高增益信號線中的環(huán)境電磁場，或者傳感器或測量系統與被測物體之間存在的簡單電勢。因此，最好的信號調理系統提供工程師可以使用的可選濾波，以消除這些干擾并進行更好的測量。
在此方案中，噪聲模擬信號通過低通濾波器以濾除不需要的頻率
濾波器通常用其運行的頻帶來表示。信號濾波器有四種基本類型：
? 低通濾波器： 該濾波器從給定頻率及其以上頻率開始降低或“滾降”。
? 高通濾波器： 執(zhí)行相反的操作，允許高于給定頻率的頻率通過。
? 帶通和帶阻濾波器： 通過或阻止（拒絕）兩個給定值之間的頻率。
基本過濾器類型
一些濾波，例如 抗混疊濾波，只能在模擬域中完成。這是因為，一旦由欠采樣引起的錯誤信號被數字化，就無法再知道真實信號是什么樣的。然而，在信號數字化之后，幾乎所有其他濾波都可以在數字域中完成，即在軟件中完成。
濾波器還由其具有的極數來定義。極數越多，它們能夠對信號執(zhí)行的滾降就越陡峭。這種滾降或斜率僅僅意味著每個倍頻程可以滾降多少分貝的信號。相關濾波器的規(guī)格通常會給出以 dB/Q 為單位的最大滾降。
Dewesoft DAQ 硬件通常根據被測信號類型的要求提供低通濾波。一些調節(jié)器還提供高通濾波，例如充電信號放大器。如果要對測量信號進行積分或雙重積分，則去除不需要的低頻元素尤其重要，因為不需要的元素會嚴重扭曲導出的速度或位移值。
您還會聽說過諸如 Bessel、 Butterworth、 Elliptic和 Chebyshev等濾波器類型 。由于所有濾波器都會因其本質而對信號本身造成失真，因此工程師多年來開發(fā)了自己的濾波類型，以便為他們的特定目的提供最佳的結果。
| 過濾器類型 | 滾降陡度 | 紋波或失真 | 其他因素 |
| Butterworth | 好的 | 無紋波，但方波會導致失真（磁滯） | 中等相位失真 |
| Chebyshev | 更陡 | 通帶中的紋波 | 瞬態(tài)響應差 |
| Bessel | 好的 | 非正弦波形不會產生振鈴或過沖 | 增加相位延遲 |
| Elliptic | 最陡 | 通帶中的紋波 | 非線性相位響應 |
您可以看到這些過濾器類型之間存在權衡。因此，工程師需要根據其應用選擇最佳的濾波器類型。
大多數物理測量信號條件的輸出是模擬信號。需要將此信號轉換為一系列高速數字值，以便數據采集系統顯示和存儲。因此，A/D 卡或 A/D 子系統用于轉換該信號。
AD轉換器方案——將模擬信號轉換為數字域數據
ADC 有多種類型，包括每通道復用轉換器和單個轉換器。在多路復用 ADC 系統中，使用單個模數轉換器將多個信號從模擬域轉換為數字域。這是通過將模擬信號一次一個地復用到 ADC 中來完成的。
與每個通道配備一個 ADC 芯片相比，這是一種成本更低的方法。但另一方面，不可能在時間軸上精確對齊信號，因為一次只能轉換一個信號。因此，通道之間始終存在時間偏差。
在數據采集的早期，8 位 ADC 很常見。截至撰寫本文時，24 位 ADC 已成為大多數用于進行動態(tài)測量的數據采集系統的標準配置，而 16 位 ADC 通常被認為是一般信號的最低分辨率。
信號轉換的速率稱為 采樣率。某些應用（例如大多數溫度測量）不需要高速率，因為測量結果變化不是很快。然而，交流電壓和電流、沖擊和振動以及許多其他被測量需要每秒數萬或數十萬個樣本或更多的采樣率。采樣率被視為測量的 T 軸或 X 軸。
ADC采樣率
在 Y 軸或垂直軸上，ADC 可提供各種分辨率。目前最常見的是 16 位和 24 位。理論上，具有 16 位分辨率的 ADC 可以以65,535( )中一部分的分辨率對輸入信號進行數字化2^16 = 65,536。
這個數字實際上因噪聲和量化誤差等因素而減少，但它提供了一個很好的比較起點。由于每一位分辨率都有效地使量化分辨率加倍，因此具有 24 位 ADC 的系統可提供2^24 = 16,777,216.因此，輸入的一伏信號可以在 Y 軸上分為超過 1600 萬步。
提供高采樣率和高振幅軸分辨率的 ADC 是沖擊和振動等動態(tài)信號分析的最佳選擇。低采樣率和高振幅軸分辨率對于熱電偶和其他具有較寬振幅范圍但不會快速改變狀態(tài)的被測量來說是最佳選擇。
提供 抗混疊濾波 (AAF)的 ADC 在所有涉及動態(tài)測量的應用中都是非常理想的，因為它們可以防止因以過低的速率采樣信號而導致的測量誤差。這種 混疊 是指由于對快速變化的信號采樣頻率太低而產生錯誤信號。
如果采樣不夠精細，檢索到的信號可能與真實信號有很大差異
一旦轉換為數字信號，我們的信號（又名被測量）就會由計算機子系統以多種方式進行處理。首先也是最重要的是，它們可以在系統屏幕上顯示給測試操作員進行目視檢查和審查。大多數 DAQ 系統以幾種流行的格式顯示數據，包括時間歷史又名“條形圖”(Y/T) 顯示以及數字顯示。但當今市場上的許多系統都提供其他顯示類型，包括條形圖、XY 圖表等。
當今的數據采集系統通常利用固態(tài)硬盤驅動器（SSD 或 HDD）將數據從 ADC 子系統傳輸到永久存儲。將數據寫入磁盤還可以在測試完成后對其進行分析。
大多數 DAQ 系統允許將數據導出為不同的文件格式，以便使用第三方軟件工具進行分析。常見的數據格式包括 CSV（逗號分隔值）、UNV（通用文件格式）等。
任何 DAQ 系統最關鍵的功能之一是能夠在數據存儲期間實時可視化數據。系統通常采用集成或獨立的平板顯示器，可以以多種視覺格式進行配置。
波形數據幾乎總是可以根據圖形或網格以數字形式顯示為 Y/T 波形。但另外還可以采用其他圖形約定，例如條形圖儀表、FFT（快速傅里葉變換）頻率/幅度圖等。
當今最靈活的數據采集系統允許用戶使用內置圖形小部件以簡單的方式自由配置一個或多個顯示器：
? 記錄儀： 水平、垂直和 XY 記錄儀
? 示波器： 示波器、3D 示波器、矢量示波器
? FFT： FFT、3D FFT、諧波 FFT 和倍頻程
? 儀表： 數字、模擬、水平/垂直條形儀表
? 圖形： 2D、3D 圖、倍頻程、軌道、坎貝爾圖
? 視頻： 標準視頻顯示和帶溫度指示器的熱視頻顯示
? GPS： 具有交互式開放街道地圖分層支持的定位顯示
? 控制： 按鈕、開關、旋鈕、滑塊、用戶輸入
? 燃燒分析： PV圖和燃燒范圍
? 轉子平衡器： 用于現場平衡
? 汽車： 用于顯示移動物體的 3D 多邊形
? 航空航天： 高度或人工地平線指示器
? DSA/NVH： 模態(tài)圓
? 其他： 2D/3D表格、圖像、文字、線條、過載指示燈、指示燈、注釋
所有視覺儀器都提供不同的定制選項和實時視覺反饋。
數據采集系統為實時測試狀態(tài)提供重要的視覺參考。但是，將數據存儲在 DAQ 系統中后，還可以使用 DAQ 系統內置的工具或第三方數據分析軟件來分析數據。
如前所述，當今市場上幾乎每個 DAQ 系統都具有多個內置數據導出過濾器，可將系統的專有數據格式轉換為第三方數據格式以進行離線分析。
Dewesoft 數據采集系統在 Dewesoft X 數據采集軟件中提供了廣泛的數據分析功能
數據采集系統由多家公司銷售，具有廣泛的功能和規(guī)格，因此價格可能相差很大。使用每通道價格模型為這些不同級別的 DAQ 系統提供一般定價非常有用。預估價格以 USD（美元）為單位：
? 低端 DAQ 系統的 價格通常為每個通道 200 - 500 美元。
? 中檔 DAQ 系統的 價格通常為每個通道 500-1000 美元。
? 高端 DAQ 系統的 價格通常為每個通道 1000-2000 美元。
DIY DAQ 系統無法估計，因為它們涵蓋的范圍很廣，從幾個通道到一個需要 10 人年開發(fā)和/或涉及數百甚至數千個通道的系統。
有關數據采集公司的最新列表，請參閱數據采集公司完整列表指南。
在快速技術進步的推動下，數據采集的未來充滿希望并不斷發(fā)展。名為 OpenDAQ 的開放數據采集標準就是這樣的一個例子。OpenDAQ是兩家大數據采集供應商 Dewesoft 和 HBK 的合資企業(yè)。
OpenDAQ 是一個 SDK，旨在最終標準化 DAQ 系統中使用的數據協議。該標準定義了數據采集供應商可以在其硬件和軟件中實現的協議和接口，使用戶更容易將不同的數據采集設備集成到他們的工作流程中。
OpenDAQ 目前處于公開測試階段，將于 2024 年晚些時候全面發(fā)布。
總之，數據采集的未來是光明的，充滿創(chuàng)新，將深刻影響社會和企業(yè)運營。其特點是更快、更高效、更道德的數據收集方法，由先進技術提供支持，并受到更深入、實時洞察的需求的驅動。
? V-LINK-200 8 通道無線應變/模擬傳感器節(jié)點
? TC-LINK-200 12通道無線熱電偶/電壓傳感器節(jié)點
? RTD-LINK-200 6通道無線 RTD/電阻傳感器
? WSDA-2000 網絡連接無線網關
? WSDA-200-USB 無線USB網關/無線數據接收器
