表1 三種溫度傳感器的比較

應(yīng)變測量
    應(yīng)變是施加于物體的作用力對物體造成形變的大小，它會隨著作用力的增加而增長，對于一種材料，應(yīng)力的增長是有限度的，超過這一限度，材料就要損壞，這個限度稱為該種材料的極限應(yīng)力。
應(yīng)變測量有多種方法，最常用的是采用應(yīng)變片。由于受到應(yīng)力，應(yīng)變片發(fā)生形變（長度發(fā)生改變），從而導(dǎo)致其阻值也隨之產(chǎn)生正比變化。最常見的應(yīng)變片是金屬應(yīng)變片。
     金屬應(yīng)變片由極細(xì)的金屬絲或薄片組成，繞成柵狀的形式使它們可以在平行的方向上最大程度地跟隨應(yīng)變發(fā)生變化（圖5）。柵格粘在被稱為載體的薄襯底上，并直接與被測試件連接。因此，被測件產(chǎn)生的應(yīng)變直接反映到應(yīng)變片上，使得應(yīng)變片電阻值產(chǎn)生線性變化。應(yīng)變片的阻值在30Ω到3000Ω，最常見的阻值標(biāo)準(zhǔn)是120Ω和350Ω。

    由于應(yīng)變片的阻值變化是微弱的，測量應(yīng)變幾乎都采用帶電壓激勵的電橋形式。惠斯通電橋由4條電阻橋臂及作用于整個電橋的激勵電壓VEX組成（圖6），

電橋輸出電壓V0表示為：

    從此方程看出，當(dāng)R1/R2=R4/R3時，電壓輸出V0為零。在這種條件下，稱電橋處于平衡狀態(tài)。此時任意橋臂上電阻值的變化都將使電橋電壓輸出不為零。
    因此，如果把圖中的R4替換為應(yīng)變片，應(yīng)變片電阻值的變化將使電橋處于非平衡狀態(tài)，從而電壓輸出非零。如果應(yīng)變片的理想電阻值為RG，那么應(yīng)變產(chǎn)生的電阻變化DR可以表示為DR= RG*GF*e。設(shè)R1=R2、R3=RG，以上的電橋方程可重寫為VO/VEX對應(yīng)變的函數(shù)。注意1/(1+GF*e/2)項，表示1/4橋與應(yīng)變相關(guān)的輸出非線性變化。
    理想狀態(tài)下，我們希望應(yīng)變片電阻僅在存在應(yīng)變時才產(chǎn)生變化。然而，其材料及被測試件材料還同時對溫度的變化敏感。通過在電橋的另一個橋臂上放入第2個應(yīng)變片，這樣可以使電橋的靈敏度提高一倍，并能夠進一步抵消溫度的影響，這是因為兩塊應(yīng)變片受到溫度的影響是相同的，這種橋路被稱為半橋。
    還可以通過將電橋4個橋臂都安裝工作應(yīng)變片來實現(xiàn)全橋配置，從而更進一步提高電路的靈敏度，適用于高精度場合。
    NI公司的SCC和SCXI系列調(diào)理產(chǎn)品均有針對應(yīng)變電路調(diào)理的模塊。NI SCC-SG系列包括五種雙通道應(yīng)變片輸入模塊，每一種都用于特定的應(yīng)變片配置， 120Ω，1/4橋；350Ω，1/4橋；半橋和全橋等。調(diào)理模塊還包括一個2.5V激勵源，SG24的激勵源是10V的，它們是測壓元件和壓力傳感器輸入的理想選擇。調(diào)理模塊的每個通道均配有一個儀器放大器，一個1.6kHz低通濾波器和一個用于橋路零位調(diào)整的電位計。NI還提供SCC-SG11模塊，該模塊可執(zhí)行可編程分路校準(zhǔn)。NI SCXI-1520是8通道通用應(yīng)變片輸入模塊，具有進行簡單或高級應(yīng)變測量所需要的所有功能。用戶可借助這一模塊，從應(yīng)變傳感器、力傳感器、扭矩傳感器和壓力傳感器上讀取信號。1520包含在各類環(huán)境中均可自動校準(zhǔn)的板載參考電壓，它的每路通道均配有可編程放大器，4階可編程Butterworth濾波器以及獨立的0V到10V的可編程激勵源。此外，SCXI-1520系統(tǒng)在模塊內(nèi)部提供了組成半橋電路的電阻網(wǎng)絡(luò)，并在SCXI-1314接線盒上提供了一個350Ω的插座式電阻用于組成1/4橋，120Ω的1/4橋電阻也隨附于接線盒。
    cDAQ模塊中，NI 9237具有四路模擬輸入通道，其為應(yīng)變片、壓力傳感器、測壓元件和其他基于電橋測量的傳感器而設(shè)計。9237由總線供電，可以為傳感器提供高達(dá)10 V的內(nèi)置激勵，所以電橋不需要外部激勵。9237每通道可同步達(dá)到50K的采樣率，且?guī)в型ǖ?接地隔離。
編碼器測量
    編碼器是一種機電裝置，可以用來測量機械運動或者目標(biāo)位置（圖7）。大多數(shù)編碼器都使用光學(xué)傳感器來提供脈沖序列形式的電信號，這些信號可以依次轉(zhuǎn)換成運動、方向或位置信息。

圖7 旋轉(zhuǎn)編碼器

    按照工作原理編碼器可分為增量式和絕對式兩類。增量式編碼器是將位移轉(zhuǎn)換成周期性的電信號，再把這個電信號轉(zhuǎn)變成計數(shù)脈沖，用脈沖的個數(shù)表示位移的大小。而絕對式編碼器的每一個位置對應(yīng)一個確定的數(shù)字碼，因此它的值只與測量的起始和終止位置有關(guān)，而與測量的中間過程無關(guān)。
    在增量式中編碼器獲得物體的相對位置。旋轉(zhuǎn)編碼器可以測量物體運動的角位移，它由一個發(fā)光二極管（LED）、一個碼盤，以及碼盤背面的一個光傳感器。這個碼盤安置在旋轉(zhuǎn)軸上，上面按一定編碼形式排列著不透光和透光的扇形區(qū)域。當(dāng)碼盤轉(zhuǎn)動時，不透光扇區(qū)能夠遮擋光線，而透光扇區(qū)則允許光線透過。這樣就產(chǎn)生了方波脈沖，可以編譯成相應(yīng)的位置或運動信息。編碼器每轉(zhuǎn)通常分為100到6000個扇區(qū)，100個扇區(qū)的編碼器可以提供3.6度的精度，而6000個扇區(qū)的編碼器則可以提供0.06度的精度。
    僅有一路脈沖輸出的編碼器不能確定旋轉(zhuǎn)的角度，如果使用兩路脈沖，其間的相位差為90度，那么通過該正交編碼器的兩路輸出通道就可以確定位置和旋轉(zhuǎn)的方向兩個信息。例如，如果通道A相位超前，碼盤就以順時針旋轉(zhuǎn)。如果通道B相位超前，那么碼盤就是以逆時針旋轉(zhuǎn)（圖8）。因此，通過監(jiān)控脈沖的數(shù)目和信號A、B之間的相對相位信息，就可以同時獲得旋轉(zhuǎn)的位置和方向信息。除此之外，有些正交編碼器還包含被稱為零信號或者參考信號的第三個輸出通道Z相。這個通道每旋轉(zhuǎn)一圈輸出一個單脈沖，可以通過它來精確計算某個參考位置，這種編碼器被稱為三相編碼器。

    線性編碼器與旋轉(zhuǎn)編碼器的工作原理類似。它采用了一條固定的不透光帶取代了旋轉(zhuǎn)碼盤，在不透光帶表面上有一些透光縫隙，而LED探測器組件則被附在運動體上，這樣可以測量物體的線位移。
    絕對式編碼器能夠獲得目標(biāo)的絕對位置。絕對式編碼器的不同之處在于編碼器的碼盤上，采用了多組分區(qū)形成同心碼道，如同靶環(huán)一樣。同心碼道從編碼器碼盤的中心出發(fā)，向外擴展直到碼盤外部，每一層碼道都比其內(nèi)層多了一倍的分區(qū)。第一層，即最內(nèi)層的碼道，只有一個透光扇區(qū)和一個不透光扇區(qū)；位于中心的第二層就具有兩個透光扇區(qū)和兩個不透光扇區(qū)。如果編碼器有10層碼道，那么最外圍的碼道就有512個扇區(qū)。因為絕對式編碼器的每層碼道都比它里面一層的碼道多了一倍數(shù)目的扇區(qū)，所以扇區(qū)的數(shù)目就形成了二進制計數(shù)系統(tǒng)。在這種編碼器中，碼盤上的每個碼道都對應(yīng)一個光源和一個接收器。絕對式編碼器的優(yōu)勢在于可以降低編碼器的轉(zhuǎn)速，可以使編碼器的碼盤在整個機器運動周期中只轉(zhuǎn)一圈。如果機器運動距離為10英寸，而編碼器具有16位精度，那么機器位置的精度就是10/65,536，即0.00015英寸。如果機器的行程更長譬如6英尺，那么粗旋轉(zhuǎn)編碼器可以保證跟蹤每一英尺距離；第二級稱為細(xì)旋轉(zhuǎn)編碼器可以跟蹤1英尺以內(nèi)的距離。
    編碼器是對信號邊沿計數(shù)，由邊沿數(shù)值轉(zhuǎn)換為位置信息的過程取決于所采用的編碼類型。通常分為三種基本的編碼類型：X1、X2和X4。X1編碼方式時，當(dāng)通道A引導(dǎo)通道B時，增量發(fā)生在通道A的上升沿。當(dāng)通道B引導(dǎo)通道A時，減量發(fā)生在通道A的下降沿（圖9）：

圖9 X1編碼

    X2編碼方式時，計數(shù)器A通道的每個邊沿計數(shù)是增加還是減少，取決于由哪個通道引導(dǎo)哪個通道。計數(shù)器的數(shù)值每個周期都會增加2個或減少2個（圖10）：

    X4編碼方式時，計數(shù)器同樣也在通道A和B的每個沿上發(fā)生增加或者減少。計數(shù)器的數(shù)目是增加還是減少，取決于哪個通道引導(dǎo)哪個通道。計數(shù)器的數(shù)目每個周期都會增加4個或減少4個（圖11）：

對于角度編碼器，有

    NI M系列數(shù)據(jù)采集卡所帶有的Counter可以滿足ABZ三相編碼器的測量，這三路脈沖信號需要直接連接到Counter的Source，Gate和Aux上，經(jīng)過設(shè)置編碼器類型，編碼方式等信息，可以直接換算成需要的旋轉(zhuǎn)角度或位移值。
聲音和振動測量
    振動是有質(zhì)量的物體發(fā)生在平衡點附近的機械振蕩運動，振動會產(chǎn)生壓力波，壓力波在空氣中傳播便產(chǎn)生了聲音。聲音與振動在本質(zhì)上是通過不同的介質(zhì)傳播的。但在理論層面上，兩者之間是相互聯(lián)系的，所以測量聲音與振動在從本質(zhì)來看也是相似的。
    某些電介質(zhì)在沿一定方向上受到外力的作用而變形時，其內(nèi)部會產(chǎn)生極化現(xiàn)象，同時在它的兩個相對表面上出現(xiàn)正負(fù)相反的電荷。當(dāng)外力去掉后，它又會恢復(fù)到不帶電的狀態(tài)，這種現(xiàn)象稱為正壓電效應(yīng)。當(dāng)作用力的方向改變時，電荷的極性也隨之改變。相反，當(dāng)在電介質(zhì)的極化方向上施加電場，這些電介質(zhì)也會發(fā)生變形，電場去掉后，電介質(zhì)的變形隨之消失，這種現(xiàn)象稱為逆壓電效應(yīng)，或稱為電致伸縮現(xiàn)象。依據(jù)電介質(zhì)壓電效應(yīng)研制的一類傳感器稱為為壓電傳感器。許多測量加速度和壓力的傳感器都是基于壓電原理的（圖12）。
    IEPE是壓電式傳感器的一個特殊類別，設(shè)計中它在壓電晶體后安裝了一個放大器（圖13）。由于壓電式傳感器產(chǎn)生的電壓很小，所產(chǎn)生的電子信號容易受到噪音影響，所以必須使用靈敏電子器件來放大和制約信號，降低輸出阻抗。因此IEPE將靈敏電子器件安裝得離傳感器越近越好，以減少噪聲干擾，確保了組裝的便捷。常規(guī)IEPE傳感器使用外部直流電源來提供激勵，根據(jù)壓電晶體接收到的不同電量來調(diào)整輸出電壓。IEPE在傳感器激勵（電流）和信號（電壓）輸出時只用一到兩根線。
    聲音與振動的測試容易受到噪音的影響，需要對信號進行適當(dāng)?shù)恼{(diào)理。傳感器獲取的信號包括直流和交流兩個部分，直流部分可將交流部分偏移零點。交流耦合可以通過連接信號的電容器，消除系統(tǒng)中的直流偏移。交流耦合傳感器系統(tǒng)可消除由老化和溫度效應(yīng)引起的傳感器長期直流漂移，從而顯著地提高了分辨率，擴大了系統(tǒng)的可用動態(tài)范圍。在精密測量過程中，系統(tǒng)的采樣率必須至少是被采集信號頻率的兩倍。為了確保頻率范圍采樣正確，在ADC前安裝低通濾波器，這樣就能夠確保您減小高頻率噪音的影響，也可以保證高于采樣率頻率二分之一的混疊信號成分不會影響到測量結(jié)果。

圖13 IEPE傳感器

    由于聲音和振動這類信號屬于動態(tài)信號，其幅值頻率甚至方向都隨時間不斷變化，僅使用普通數(shù)采卡很難對其較好地采集，需要再附加上調(diào)理模塊。NI SCC-ACC01是一款單通道信號調(diào)理模塊，專用于IEPE傳感器或麥克風(fēng)。該模塊包括一個交流差動放大器，一個3階Besse低通濾波器(19 kHz)以及用于傳感器激勵的4mA恒定電流源。NI SCXI-1530/1531同樣也是用于IEPE傳感器和麥克風(fēng)的信號調(diào)理模塊。其每一輸入通道均包括可編程交流儀器放大器，4階Bessel低通濾波器和激勵電流源。NI SCXI-1530/1531具有同步采樣能力，可以保持通道間的相位關(guān)系，該模塊可以將信號在DAQ設(shè)備的一路通道中復(fù)用，也可另加模塊以增加通道數(shù)，通過隨機掃描，可以只選擇想要采集數(shù)據(jù)的通道，且具有可提高掃描速率的并行操作模式以及可簡化信號連接的BNC連接器。
NI同樣也提供專門的動態(tài)信號采集卡(DSA設(shè)備)對聲音和振動信號進行采集。在cDAQ模塊中，NI 9233/9234用于動態(tài)信號的采集，其作為4通道C系列動態(tài)信號采集模塊，能針對集成電路壓電式(IEPE)與非集成電路壓電式(IEPE)傳感器，進行高精度音頻測量。其中NI 9234具有102dB動態(tài)范圍，能對加速度傳感器和麥克風(fēng)進行軟件可選式交流/直流耦合與集成電路壓電式(IEPE)信號調(diào)理。4條輸入通道借助自動調(diào)節(jié)采樣率的內(nèi)置抗混疊濾波器，同時以每通道高達(dá)51.2kHz的速率對信號進行數(shù)字化（圖14）

圖14 9234對IEPE傳感器的調(diào)理
此外，NI 445x和446x的DSA采集卡也是專門針對動態(tài)信號設(shè)計的。