Abstract: In some cases, it can be very difficult to collect such data. Is there a better way to

collect data and ensure that the data is valid? This article introduces several data collection

applications and shows how different tools can help you gather and analyze data. In this article,

we will explore the specifics of these applications and introduce you to the data collection and

analysis of your data by choosing the appropriate data acquisition device.

Keywords: Sensor   Acoustic emission   Signal

【中图分类号】TP212.9 【文献标识码】A 文章编号1606-5123（2017）11-0000-00

1 引言

工程师经常需要进行数据采集来验证产品的性能和指标，或者对一些特定的应用进行监测和控制，以便确定其物理参数，例如温度、应力、压力和流量。在设计产品时，工程师需要进行各种测量以确保其产品能够达到预期的技术指标。例如在电源表征应用中，工程师可能会测量不同负载条件下的电源输出。在所有负载条件下，电压输出都必须保持稳定，同时产品内部的温度变化也应保持最小。或者，在一家饮料制造厂中，化学工程师可能需要监测最终产品的液体流量。在液体流量达到最小或最大极限值时，则需对其进行调整。

2 采集数据需选择的测量设备

　　在数据采集过程中，许多测量都需要使用传感器将物理现象转换为电压、电阻或频率，再使用适当的测量设备(例如数字万用表)对这些电信号进行测量。 

　　温度测量是数据采集中最常进行的物理测量之一，它可以通过使用热电偶、RTD(电阻式温度探测器)或热敏电阻传感器来实现。热电偶是一个由两种不同金属构成的接点，而该接点在受热时会产生电压。将该电压与一个参考接点进行比较，用两者的差值来确定相关的温度。RTD和热敏电阻是以电阻为基础制成的传感器。随温度的变化，传感器的输出电阻将出现相应的改变。您应当根据测量的类型以及应用所需的精度和线性度选择合适的传感器。

　　几乎所有的万用表都可以测量传感器产生的电压或电阻，但并非所有的万用表都可以将电压或电阻转换为物理测量值显示。例如，如果您使用热电偶进行温度测量，就需要一个具有自动转换程序的万用表。使用这些内置的转换程序，可以将原始的热电偶测量结果从电压值转换为温度值。

　　因此在进行物理测量时，例如上述的电源表征应用，必须选择一个具有自动转换程序的仪器。与此同时，如果您希望进一步地简化数据采集和分析过程，请选择具有下列特性的数据采集设备： 
• 支持数学方程，如Mx + B，可以方便地转换其他的传感器输出
• 在信号的测量结果超过预定限制阈值时能够触发硬件报警
• 包含前端多路复用器，可以将多个测量点或传感器连接到一个测量仪器
• 包含能够帮助进行数据采集和分析的软件

3 使用软件工具采集并分析数据

　　软件工具也可以让数据采集和分析变得更简单。一般来说，软件工具可以简化仪器的连接，同时无需任何编程即可进行数据采集和分析。Microsoft ®- Excel是一种最常见的数据分析工具。大多数的PC中都装有Microsoft excel，它的使用非常广泛。作为一款功能强大的电子表格应用软件，它支持插入公式，并包含许多内置的制图功能。部分厂商还提供了 Microsoft Excel插件，以帮助设置和采集数据。这些产品充分利用微软的专业技术，可以将采集到的数据直接捕获到Microsoft Excel中。随后，用户使用微软内置的公式和绘图工具，对这些数据进行处理并绘制成图形。但该工具需要用户熟练掌握Microsoft Excel的公式和图形功能。

　　部分仪器厂商还提供了其他的应用软件，以扩展仪器的功能，使之更好地适用于特定任务。对于数据采集，这些软件产品可以简化仪器的连接，根据需要轻松定义不同的测量、限制阈值和动作。也可以预定或根据特定事件触发数据采集。诸如标度和数学公式等特性也可以让您更方便地对数据进行处理和分析。 

4 案例：全波形采集声发射信号

　　声发射是对材料或结构状态进行动态监测的重要方法。声发射逐渐从早期的参数采集发展到目前的全波形采集，声发射信号采集系统包括声发射传感器、前置放大器、高速数据采集系统组成。由于声发射信号的频谱较宽，从数千Hz到数兆Hz，在进行数据采集的同时，还要进行滤波、参数特征提取等处理，因此对数据采集设备有较高的要求。

　　目前，具有全波形采集功能的专用声发射仪价格高昂，不利于声发射研究中起步阶段工作的开展。而以凌华科技PCI-9846高速数字化仪的高速、高精度采样能力为硬件基础，使用LabVIEW开发的声发射测试系统，同样可实时完成声发射信号采集、存储、振铃特征参数提取等功能，为实验室中开展声发射研究提供了一种切实可行的解决方法。

数据采集系统是声发射测试硬件的核心。由于声发射信号的频率能够达到数兆Hz，为了对声发射的波形进行准确的采集，往往要求采集器的采样率能够达到20MS/s甚至更高。同时，由于声发射信号较为微弱，原始的声发射信号一般处于μV范围，即使经过前置放大后也只有若干mV，并且信号波形幅度变化范围较大，因此对采集设备的采样精度和动态范围也有较高的要求。

4.1 高速数字化仪PCI-9846

　　使用凌华科技的高速数字化仪PCI-9846来进行声发射信号的采集，其主要参数与目前使用较为广泛的美国物理声学公司(PAC)的PCI-2采集卡的主要性能对比见表1，除部分专有功能缺乏外，完全能够达到声发射全波形采集的要求。

凌华科技为 PCI-9846提供了LabVIEW驱动。安装DAQPilot驱动程序后，在LabVIEW的函数库中可以找到DAQPilot工具包，其中提供了数据采集的控制函数，其功能与调用方法与NI的DAQmax对应，使用非常方便。例如，由图1中的四个函数：PLT Create Virtual Channel、PLT Timing、PLT Read以及PLT Clear Task就构成了完整的连续数据采集功能。另外，DAQPilot中还提供了模拟和数字信号的输入、输出等各种功能的LabVIEW范例程序，方便开发者快速上手。


    本文开发的声发射测试系统中信号采集模块基于图1中的采集程序。用户设置输入通道、前置放大器增益、滤波等参数后，启动连续数据采集。原始信号经过放大倍数还原后，再进行数字滤波处理，以去除噪声及不需要的频带，滤波后的连续信号可以二进制或文本形式存盘。图2是在运行中的轴承上采集到的声发射信号，采样参数为2MS/s，滤波器为四阶Butterworth低通滤波，截止频率50KHz。

4.2 声发射信号的参数分析

　　经过滤波后的连续采集信号送入一个幅值检测器，根据设定的幅度阈值和时间长度，从连续信号中截取出突发性声发射的波形数据(图3为滚动体表面缺陷的轴承在运行中产生的突发性声发射波形)，再对每个波形数据进行振铃计数、幅度、频率、能量、上升时间、持续时间等特征参数计算，并存入一个声发射特征参数表格中，供直接查看以及进一步的统计分析。检测出的声发射波形数据可以文本文件的形式存盘。波形数据的存储和连续数据存储的功能是独立的，即两者可以同时存储，也可以只保存一种。

　　实际上PCI-9846高速数字化仪提供了丰富的触发采集模式，包括边沿、窗口、参考等模拟触发方式，非常适合进行声发射波形的硬件触发采集，从而省掉软件提取算法，减少计算量。在实验测试过程中，发现信号容易受到环境中电磁等因素的干扰，需要在检测波形前进行滤波处理，而PCI-9846不具有可编程滤波功能。在后续的系统改进中可以在采集卡的前端添加一个滤波模块，从而充分利用其硬件触发能力，提供系统性能。

4.3 声发射有效性的验证

为了检验该声发射测试系统功能的有效性，在QPZZ-Ⅱ旋转机械振动及故障模拟实验台上，对滚动体故障的轴承进行了声发射与振动信号的对比测试。故障轴承型号为NU205，节圆直径39mm，滚动体直径7.5mm，滚动体数目12，接触角0?。通过线切割在滚动体表面加工出一微小缝隙来模拟表面材料疲劳剥落造成的缺陷。转速为570 r/min，即转频为9.5 Hz。计算可得滚动体通过频率为18.3 Hz。

在轴承座上与轴心对应的垂直位置安装传感器。振动测试系统由加速度传感器、NI USB9234动态信号采集器组成，振动数据导入MATLAB进行分析。在保证转速不变的情况下，在加速度传感器的安装位置安装声发射传感器，使用本文的声发射测试系统进行数据采集，将存储的数据导入到MATLAB中进行分析。图4中给出了声发射与振动加速度信号的对比，从图中可以看出，滚子表面缺陷产生的声发射信号信噪比远高于振动加速度信号。

图5给出了两种信号经窄带滤波后的包络频谱图，可以看到，声发射信号的包络谱谱线结构较为简单，更容易找出故障的特征频率。

这一声发射测试系统综合了PCI-9846性价比突出与LabVIEW简单易用的优势，具有成本低、开发方便、扩展性强的优点。利用该系统测试了含有滚动体表面缺陷的轴承在运行过程中产生的声发射信号，并与传统的振动测试进行了对比，声发射信号具有更高的信噪比。不难看出，声发射方法对于滚动轴承故障的早期预报和诊断具有很大的潜力。

5 结束语

声音传感器使用的是与人类耳朵相似具有频率反应的电麦克风。它用来接收声波，显示声音的振动图象。但不能对噪声的强度进行测量。通常声音传感器内置一个对声音敏感的电容式驻极体话筒。声波使话筒内的驻极体薄膜振动，导致电容的变化，而产生与之对应变化的微小电压。这一电压随后被转化成0-5V的电压，经过A/D转换被数据采集器接受，并传送给计算机。声波层析成像是一种广泛用于医学、工业检测、地质勘探等多个领域的无损检测方法，其成像精确直观，尺度大小可调，对成像物体无损伤，有很高的研究价值。阻尼最小二乘法是目前最常用的线性反演方法之—，较高的稳定性和准确性，以及高效的计算效率是其主要优点,反演结果受射线分布影响严重，对初值依赖性高是其主要缺点。

参考文献

[1]王喜太,赵彦斌,刘栋才等.基于虚拟仪器的多传感器数据采集系统[J].工业控制计算机,2008-11.

[2]徐帅男,郭文川,史颖刚.基于CAN总线的远程数据采集系统的设计[J].仪表技术与传感器,2008-05.

[3]陈真,王延江.基于DAQ的数据采集系统开发[A].系统仿真技术及其应用(第7卷)2005

作者简介

李定川 男 工学学士 工程师 工业自动化仪表工程领域