DAQ的魔力：从确保生产质量到预测运营失败

众所周知，数据采集（DAQ）系统能够采集有用的测量数据用于表征、监测或控制目的。这些系统可用于测量各种不同的物理参数，包括温度、压力、振动、声音、电压、电流、加速度、应变、光强度、转速（RPM）和流速等等。此外，DAQ也可以根据系统收到的数据信息决定采取某些行动，例如可发出警报、停止生产线或只是简单地打开灯。

DAQ硬件的一些最重要应用包括维护生产设施的输出质量，监控机器运行状况以确定何时需要进行设备维护（从而避免可能造成严重影响成本的潜在停机时间）。这些应用的具体参数将决定对DAQ系统的分辨率、精度、通道数、以及速度等要求。

随着制造和工业加工行业不断提高效率水平，降低成本，并要求能够持续地生产出更高质量的产品，需要使用多种不同传感器来监控各种参数，这种需求推动了更先进的DAQ硬件和相关软件的开发。同样，管理燃油/供水的泵站或变电站公司不仅需要监控其设备的性能和状态，还需要监控其站点设施内部的环境，以确保设备能够保持在最佳运行条件。

根据所设想具体应用的特定要求，市场上现有各种各样的解决方案可供考虑，从相对简单的即插即用型数据记录器到高度集成的多功能DAQ系统。在本文中，我们将依次讨论这些不同类型的解决方案。

用于特定应用的紧凑型便携式数据记录仪

Advantech公司的USB-4700系列包括不打开机箱即可安装的DAQ模块，用户只需将其插入即可访问采集的数据。这些模块牢固可靠，完全能够满足工业应用要求，同时对于家用系统而言也价格合理，能够简化在具有USB功能的计算机上添加控制和测量功能的过程。该公司的USB-4716可提供16个单端/ 8个差分模拟输入，具有16位分辨率，高达200kSPS吞吐量，16个数字I/O，一个用户计数器和两个16位模拟输出。此外，由于它通过USB端口从计算机获取电力，因此无需外部电源连接。

MonoDAQ的DAQ设备可与任何传感器连接，能够用于应变和结构载荷或加速度等机械测量，通过EtherCAT可将数据传输到PC上运行的功能强大且易于使用的DEWESoft DAQ软件。MonoDAQ-E-STG隔离应变计放大器（isolated strain gauge amplifier）可以采用任何电桥配置、可编程激励，并以极低噪声从应变计和称重传感器（load cells）获取数据。它具有100mV～50V的工作范围和20mA的电流输入（内部分流器）。与此相辅相成的是MonoDAQ-E-gMeter，这是一款一体化传感器和DAQ设备，包含有极低噪声的3轴MEMS加速度计，可用于桥梁或天线结构监测和地震测量。电源和信号可经由同一电缆传输，因而可应用在需要加速度监控的任何结构中。相比之下，MonoDAQ-E-ACC加速度传感器放大器旨在实现更高精度振动测量，并可为集成的电子压电（IEPE）传感器提供完美信号调节，典型应用包括机器振动监测、轴承故障检测和模态结构分析等等。

图1：MonoDAQ的e-gMeter。

Extech Instruments操作简单的RHT35 USB湿度、温度和气压数据记录器能够收集带有日期/时间戳的信息，并可将最多48,000个读数传输到PC（以PDF或电子表格格式）。它还包括一个8位置记录器书签、6种语言选项、可编程采样间隔、可调节警报和密码保护安全登录等功能。同时，该公司的VB300是一个加速度力（G-force）记录装置，能够测量和收集±18g测量范围内的3轴冲击和振动（加速度）读数。它还可以记录3轴加速度力和相关峰值，为运输过程中监控货运集装箱等应用提供冲击和振动的历史记录。该装置具有USB接口，便于设置和数据下载，另外还配有磁化/螺栓固定安装底座，一个3.6V锂电池和兼容Windows的分析软件。

Midé的Slam Stick产品是一款高速超便携式可充电数据记录仪，除压力和温度外，它还能够测量所有三轴方向的加速度。这些设备采用USB或micro-USB端口进行动态配置、充电和下载数据。配置选项包括每次测量前的可调延迟时间、不同的测量持续时间和基于预先设定加速度值的触发。该记录仪具有非常轻的重量，足以使用双面胶带安装固定，可用于能量收集系统的振动表征、模态测量和设备监测等。

集成的多功能DAQ系统

ADLINK的USB DAQ模块具有易于连接的即插即用硬件/软件，并具有非常高的性价比和便利性，但不会影响系统精度。该模块包括USB-2405动态信号采集（DSA）USB模块、USB-7230/7250隔离USB I/O模块、USB-1210 DAQ模块4-CH、USB-2401通用输入USB DAQ模块和USB-1901/1902/1903 8/16通道 16位250kSPS多功能USB DAQ模块。ADLINK公司还提供广泛的工业级计算机和PXI平台，使客户能够针对音频和振动应用选择最适合的产品。该DSA模块支持各种总线标准，专为机器状态监测中的音频、噪声和振动测量应用而设计，具有高达432kSPS的采样率，24位分辨率和IEPE信号调节功能，可为元件测试中的麦克风或加速度计提供高精度数据采集和无故障连接。每个单元都配有四个模拟输入通道，每通道具有高达128kSPS的同步采样速率。还具有软件可选的交流或直流耦合输入配置和内置高精度2mA激励，以及非常低的温度漂移。

图2：ADLINK 的USB-2401。

板载24位Σ-Δ型ADC可实现抗锯齿（anti-aliasing）滤波，从而抑制调制器和带外信号噪声，并能够提供奈奎斯特速率的可用信号带宽，这些特性使得模块适用于振动和声学应用中的高动态范围信号测量。它们支持数字和模拟触发源以及灵活的触发模式（包括后置、延迟、中间、门控和预触发），无需后期处理即可实现高效的数据采集。

USB-2401是一款24位，4通道同步采样通用输入USB DAQ模块，带有集成的信号调节电路，可利用常见传感器进行直接测量，如电流输出传感器、热电偶、RTD、称重传感器（load cells）和应变计等。该模块可以对各个通道进行编程以测量不同的信号类型，还配有可拆卸的旋入式端子，便于设备连接。其多功能支架可支持桌面、轨道或墙壁安装。该DAQ适用于要求高分辨率和高精度的基本测量应用，既可用于实验室研究和材料测试，也可用于工业环境的温度测量。该DAQ模块还包括一个免费的即用型软件包U-test，无需任何编程即可测试所有关键功能。

Keysight的DAQ970A的目标定位是下一代DAQ系统，可提供更高的性能和更大的灵活性，同时保持与该公司广受欢迎的34970A和34972A型号的兼容性。该系统能够测量和转换12种不同的输入信号，例如用热电偶、RTD和热敏电阻测得的温度，直流和交流电压，2线和4线电阻，频率和周期，电容和应变等等。其3插槽主架构具有内置6.5位数字DMM和信号调节功能，可加快测试开发时间。与其前代产品相比，DAQ970A具有2倍的扫描速度，能够实现高达450通道/秒，速度提高了十倍。它可以测量非常低的电流范围（1μAAC～100μAAC）和极高电阻（高达1,000MΩ），电压、电流和电阻测量精度高达90％以上。DAQ970A还具有自动校准功能，可补偿内部DMM。

图3：Keysight 的DAQ970A。

DAQ的未来前景

随着工业自动化要求不断提高，以及对基础设施和可再生能源发电厂越来越多的投资，这些都有助于推动DAQ市场的快速增长。Global Industry Analysts预测，由于对实施工业物联网（IIoT）和工业4.0的关注，以及制造业中对于更短产品上市时间（特别是汽车行业）的要求，到2022年，全球DAQ市场总量将达到17亿美元。同样，Market Insights预计，从现在到2026年期间DAQ的复合年增长率为6.04％，届时DAQ市场总价值将达到36.1亿美元。显然，由于需要从更广泛的不同来源获取更大量的数据，因此采用适当的技术进行此类工作将是至关重要的。这将会进一步鼓励在DAQ领域推出更多新产品，并促进不断的工程创新，以便将性能基准推向更高极限，并努力确保产品价格具有尽可能大的吸引力。