P
P
O
O
L
L
I
I
T
T
E
E
C
C
H
H
N
N
I
I
K
K
A
A
W
W
A
A
R
R
S
S
Z
Z
A
A
W
W
S
S
K
K
A
A
W
W
Y
Y
D
D
Z
Z
I
I
A
A
Ł
Ł
I
I
N
N
ś
ś
Y
Y
N
N
I
I
E
E
R
R
I
I
I
I
P
P
R
R
O
O
D
D
U
U
K
K
C
C
J
J
I
I
I
I
N
N
S
S
T
T
Y
Y
T
T
U
U
T
T
T
T
E
E
C
C
H
H
N
N
I
I
K
K
W
W
Y
Y
T
T
W
W
A
A
R
R
Z
Z
A
A
N
N
I
I
A
A
S
S
E
E
N
N
S
S
O
O
R
R
Y
Y
K
K
A
A
http://www.cim.pw.edu.pl/sensoryka
Ćwiczenie 1
Akwizycja danych, budowa toru pomiarowego
Z
Z
A
A
K
K
Ł
Ł
A
A
D
D
A
A
U
U
T
T
O
O
M
M
A
A
T
T
Y
Y
Z
Z
A
A
C
C
J
J
I
I
,
,
O
O
B
B
R
R
A
A
B
B
I
I
A
A
R
R
E
E
K
K
I
I
O
O
B
B
R
R
Ó
Ó
B
B
K
K
I
I
S
S
K
K
R
R
A
A
W
W
A
A
N
N
I
I
E
E
M
M
Sensoryka – ćw.1: Akwizycja danych, budowa toru pomiarowego
Zakład Automatyzacji, Obrabiarek i Obróbki Skrawaniem ITW PW
2
1.
CEL ĆWICZENIA
Celem ćwiczenia jest zapoznanie się z zasadami budowy toru pomiarowego, zamianą
zjawisk fizycznych nieelektrycznych na elektryczne, przetwarzaniem analogowo-cyfrowym
sygnałów oraz akwizycją danych.
2.
AKWIZYCJA DANYCH
Ogólnie rozumiana akwizycja danych pomiarowych polega na wykonaniu czynności
związanych z pomiarem sygnałów, przetworzeniem ich na postać cyfrową oraz rejestracją.
Większość torów pomiarowych składa się z czujnika (przetwornika), układu zasilania wraz z
układem wstępnego przetwarzania sygnału oraz miernika w postaci np. woltomierza,
oscyloskopu innego dedykowanego urządzenia.
Rys. 1. Elementy toru pomiarowego.
2.1.
Czujnik.
Jego zadaniem jest zamiana wielkości fizycznej na sygnał elektryczny. Część
przetworników zamienia mierzoną wielkość fizyczną na sygnał elektryczny (np. napięcie)
proporcjonalnie, tj. stały przyrost wielkości fizycznej powoduje stały przyrost amplitudy
sygnału na wyjściu czujnika. JednakŜe niektóre wielkości fizyczne zmieniają nie tylko swą
amplitudę w czasie, ale mogą być równieŜ charakteryzowane przez częstotliwość zmian
amplitudy, np. hałas, czy drgania. Czujniki do pomiaru tego typu wielkości nie przetwarzają
na ogół sygnału w sposób proporcjonalny, lecz kaŜdy z nich posiada własną charakterystykę
przetwarzania sygnału. Charakterystyka czujnika opisuje stosunek sygnału wyjściowego do
wejściowego.
Sensoryka – ćw.1: Akwizycja danych, budowa toru pomiarowego
Zakład Automatyzacji, Obrabiarek i Obróbki Skrawaniem ITW PW
3
Przewody pomiarowe pomiędzy czujnikiem a rejestratorem są naraŜone na
oddziaływanie zakłóceń elektrycznych i elektromagnetycznych. Aby zminimalizować wpływ
zakłóceń sygnałów, stosuje się układy wstępnego przygotowania sygnału. Układ taki zawiera
m.in. przedwzmacniacz. Sygnał przed wzmocnieniem jest duŜo bardziej podatny na
zakłócenia. Z tego względu stosuje się jak najkrótsze przewody pomiarowe od czujnika do
przedwzmacniacza. Po wzmocnieniu sygnału, moŜna zastosować dłuŜsze przewody
pomiarowe, niemal bez utraty jakości badanego sygnału.
2.2.
Układ wstępnego przetworzenia (przygotowania) sygnału.
Układ wstępnego przygotowania sygnału standaryzuje sygnał analogowy najczęściej
do napięcia z zakresu ± 10V. Zadaniem takiego układu jest dopasowanie sygnału, a
dokładniej jego amplitudy do zakresów pomiarowych miernika bądź rejestratora. W
miernikach i rejestratorach, które posiadają przetworniki analogowo/cyfrowe, aby uniknąć
błędów pomiaru naleŜy dopasować równieŜ pasmo częstotliwości sygnału mierzonego. W
praktyce układ taki najczęściej zawiera przedwzmacniacz oraz zestaw filtrów. Aby układ oraz
czujniki działały prawidłowo wymagane jest odpowiednie zasilanie. W zaleŜności od
konstrukcji jest to zasilanie bateryjne lub poprzez zasilacz sieciowy na 230V.
Bez układu wstępnego przetworzenia sygnału prawidłowy pomiar moŜe okazać się
niemoŜliwy ze względu na specyfikę pracy czujnika lub na zbyt duŜe zakłócenia indukujące
się w przewodach pomiarowych. Producenci czujników oferują układy wstępnego
przetwarzania sygnałów dedykowane do ich czujników, bądź podają szczegółowe normy,
według których taki układ moŜna zbudować.
W ramach laboratorium sensoryki najczęściej wykorzystywanym miernikiem będzie
komputer wyposaŜony w kartę przetwornika analogowo cyfrowego wraz z odpowiednim
oprogramowaniem. Aby prawidłowo zarejestrować sygnały analogowe do pamięci komputera
niezbędne jest rozumienie podstawowych pojęć z zakresu przetwarzania analogowo-
cyfrowego jak rozdzielczość, wzmocnienie, zakres pomiarowy, częstotliwość próbkowania,
częstotliwość sygnału i inne.
Sensoryka – ćw.1: Akwizycja danych, budowa toru pomiarowego
Zakład Automatyzacji, Obrabiarek i Obróbki Skrawaniem ITW PW
4
2.3.
Mierniki i rejestratory.
Mierniki i rejestratory ze względów funkcjonalnych moŜna podzielić na dwa rodzaje:
dedykowane i uniwersalne. Dedykowane potrafią mierzyć tylko jedną wielkość fizyczną, np.
temperaturę, napięcie, prąd itd. Do urządzeń pomiarowych uniwersalnych moŜemy zaliczyć
wszelkiego rodzaju multimetry i oscyloskopy. Niektóre z nich mają złącza cyfrowe
umoŜliwiające przesłanie wyniku pomiaru do komputera w celu dalszej obróbki, czy
rejestracji. W warunkach laboratoryjnych ze względu na duŜą uniwersalność i elastyczność
wybrano nowoczesne rozwiązanie - mierniki i rejestratory zbudowane w oparciu o karty
przetworników analogowo/cyfrowych (karty akwizycji danych lub karty pomiarowe)
instalowanych w komputerach PC, wyposaŜone w odpowiednie oprogramowanie zwane
wirtualnymi przyrządami pomiarowymi.
Rys. 2. Zastosowanie komputera jako przyrządu pomiarowego.
3.
WIELKOŚCI ZWIĄZANE Z ANALIZĄ I PRZETWARZANIEM
SYGNAŁÓW
Rozdzielczość to najmniejsza zmiana wielkości mierzonej, która moŜe być wykryta w
sygnale wyjściowym. WyraŜana jest w proporcji do zakresu lub w jednostkach
bezwzględnych.
Precyzja to powtarzalność wartości sygnału wyjściowego przy kolejnych powtórzeniach
wartości mierzonej. Mierzona parametrami rozkładu sygnału wyjściowego.
Histereza to zaleŜność sygnału wyjściowego od kierunku zmian wielkości mierzonej.
Czas odpowiedzi to czas, po którym sygnał osiągnie wartość zgodną z charakterystyką (z
załoŜoną tolerancją), po skokowej zmianie wartości mierzonej.
Sensoryka – ćw.1: Akwizycja danych, budowa toru pomiarowego
Zakład Automatyzacji, Obrabiarek i Obróbki Skrawaniem ITW PW
5
Pasmo przenoszenia to zakres częstotliwości, w którym stosunek amplitudy sygnału
wyjściowego do mierzonego nie spada poniŜej załoŜonego poziomu (zwykle 3dB).
Pasmo uŜyteczne to Zakres częstotliwości, w którym stosunek amplitudy sygnału
wyjściowego do mierzonego zawiera się w zadanych granicach.
Dokładność czujnika to maksymalna bezwzględna róŜnica między rzeczywistą wartością
mierzoną, a wyznaczoną na podstawie sygnału wyjściowego i charakterystyki. WyraŜana jest
w proporcji do zakresu lub w jednostkach bezwzględnych.
Charakterystyka czujnika to zaleŜność sygnału wyjściowego (np. napięcia) od
wielkości mierzonej.
Czułością czujnika nazywamy nachylenie jego charakterystyki: s = Dy/ Dx
Zakres pomiarowy to minimalna i maksymalna wartość mierzona: xmin ÷ xmax
Błędem czułości jest odchylenie nachylenia charakterystyki od wartości teoretycznej
Błąd liniowości to odchylenie rzeczywistej charakterystyki od linii prostej, wyraŜany
najczęściej w % w stosunku do rozpiętości zakresu pomiarowego.
Offset to wartość sygnału gdy wartość mierzona jest równa 0, lub przesunięcie całej
charakterystyki w górę lub w dół w stosunku do wartości teoretycznej
4.
KARTY AKWIZYCJI DANYCH
Jak wspomniano wcześniej najbardziej uniwersalnym rozwiązaniem do akwizycji
danych jest komputer wyposaŜony w karty DAQ (DAQ – ang. Data Acquisition), inaczej
zwanymi kartami pomiarowymi lub zaawansowanymi przetwornikami analogowo-
cyfrowymi.
Wadą tego typu kart akwizycji jest to, Ŝe wszystkie wejścia pracują z taką samą
częstością próbkowania. Pojedyncza próbka zarejestrowana przez kartę akwizycji
reprezentowana jest przez liczbę dwubajtową. Przy wysokich częstotliwościach próbkowania,
rzędu 2MS/s (ang. mega samples per second) liczba danych rejestrowanych w pamięci
komputera jest proporcjonalnie wysoka i pomimo szybkiego wzrostu wydajności komputerów
ciągle naleŜy o tym pamiętać.
Typowe parametry opisujące karty DAQ to liczba wejść/wyjść analogowych,
maksymalna częstotliwość próbkowania/generowania, zakres pomiarowy oraz rozdzielczość.
Przez częstotliwość próbkowania naleŜy rozumieć jak często (ile razy na sekundę)
sprawdzana jest wartość napięcia (prądu) na wejściu analogowym przetwornika AC. Zakres
Sensoryka – ćw.1: Akwizycja danych, budowa toru pomiarowego
Zakład Automatyzacji, Obrabiarek i Obróbki Skrawaniem ITW PW
6
pomiarowy karty DAQ, to przedział wartości napięć (prądu), którą moŜna zmierzyć na danym
wejściu karty.
Rys. 3. Porównanie rozdzielczości 3-bitowego przetwornika AC dla zakresów 0/10V i -10/10V
Rozdzielczość karty DAQ podawana przez producenta wyraŜana jest przez liczbę w
bitach. Wartość tej liczby opisuje ilość poziomów przetwarzania danego zakresu
pomiarowego przetwornika AC. Im większa rozdzielczość przetwornika, tym więcej jest tych
poziomów, np. przetwornik 3-bitowy ma zaledwie 2
3
=8 poziomów, 12-bitowy ma ich juŜ
2
12
=4096, zaś 16 bitowy, aŜ 2
16
=65536. Oznacza to, Ŝe przy zakresie 0_10V przetwornik 12-
bitowy ma rozdzielczość 10/4096=2.4mV, zaś 16-bitowy aŜ 0.15mV.
Rys. 4. Porównanie rozdzielczości 3 i 16-bitowego dla zakresu 0/10V
PoniŜej przedstawiono karty akwizycji danych będące na wyposaŜeniu laboratorium
sensoryki. Dwie z nich muszą być instalowane wewnątrz komputera na złączu PCI, kolejna to
karta przystosowana do pomiarów laptopem na złączu PCMCIA oraz karta obsługiwana
bezprzewodowo przez sieć WiFi lub przewodowo przez złącze RJ-45.
Sensoryka – ćw.1: Akwizycja danych, budowa toru pomiarowego
Zakład Automatyzacji, Obrabiarek i Obróbki Skrawaniem ITW PW
7
NI PCI-6111
Analog Inputs: 2 DI · 5 MS/s/ch · 12 bits
Analog Outputs: 2 · 4 MS/s · 16 bits
Digital I/O: 8 DIO
Counter/Timers: 2 · 24 bits · 20 MHz
Measurement Type: Digital, Frequency,
Quadrature encoder, Voltage
NI PCI-6221
Analog Inputs: 16 SE/8 DI · 250 kS/s · 16 bits
Analog Outputs: 2 · 833 kS/s · 16 bits
Digital I/O: 10 DIO · 1 MHz
Counter/Timers: 2 · 32 bits · 80 MHz
Measurement Type: Digital, Frequency, Quadrature
encoder, Voltage
NI DAQCard-6024E (PCMCIA)
Analog Inputs: 16 SE/8 DI · 200 kS/s · 12
bits
Analog Outputs: 2 · 1 kS/s · 12 bits
Digital I/O: 8 DIO
Counter/Timers: 2 · 24 bits · 20 MHz
NI WLS-9215
IEEE 802.11b/g (Wi-Fi) wireless and
Ethernet communications interfaces
Analog Inputs: 4 DI · 100 kS/s/ch · 16 bits
Measurement Type: Voltage
Sensoryka – ćw.1: Akwizycja danych, budowa toru pomiarowego
Zakład Automatyzacji, Obrabiarek i Obróbki Skrawaniem ITW PW
8
5.
AKWIZYCJA DANYCH ZA POMOCĄ PROGRAMU LABVIEW
SIGNALEXPRESS 2.5 – INSTRUKCJA WYKONANIA ĆWICZENIA
Program LabVIEW SignalExpress
START>>Programy>>National instruments>> LabVIEW SignalExpress>> LabVIEW SignalExpress
5. Panel programu LabVIEW SignalExpress
5.1.
Konfiguracja wejścia sygnału analogowego
Ta część ćwiczenia ma na celu zapoznanie się z obsługą karty pomiarowej i
zagadnieniami związanymi z przetwarzaniem analogowo-cyfrowym. Okno programu
SignalExpress składa się z trzech głównych części – u góry znajduje się menu obsługi
programu, po lewej okno „Idle” w nim tworzona jest lista funkcji akwizycji i analizy danych
pomiarowych oraz po prawej domyślnie okno wykresów przebiegów sygnałów. Zakładki nad
oknem wykresu przełączają tę część okna w inne tryby pracy, których przykłady zostaną
omówione później.
Sensoryka – ćw.1: Akwizycja danych, budowa toru pomiarowego
Zakład Automatyzacji, Obrabiarek i Obróbki Skrawaniem ITW PW
9
5.2.
Tworzenie kroków akwizycji danych
Pobieranie sygnałów analogowych z karty pomiarowej, generowanie przebiegów sygnałów,
czy sterowanie wyjściami analogowymi tworzy się przez dodawanie kroków – przycisk „Add
Step” w menu górnym. Przyciśnięcie przycisku powoduje pojawienie się menu dostępnych
kroków:
6. Okno „Add Step”
Acquire Signals – obsługa wejść analogowych
Generate Signals – obsługa wyjść analogowych
Create Signals – generowanie przebiegów czasowych w pamięci komputera
Load/Save Signals – zapis/odczyt do/z pliku
Procesing – przetwarzanie sygnałów, np. filtrowanie częstotliwości
Analisys – podstawowe analizy sygnałów, wyznaczanie widma, obliczenia statystyczne
Execution Control – sterowanie krokami akwizycji
Run LabVIEW VI – załadowanie programów uŜytkownika napisanych w LabVIEW
Omówione kroki moŜna równieŜ wywołać prawym klawiszem myszy, klikając w puste
pole „Idle”
5.3.
Acquire Signals – obsługa wejść analogowych
W tej części ćwiczenia przedstawiony zostanie sposób konfigurowania wejścia analogowego
karty pomiarowej. UŜywane podczas zajęć laboratoryjnych karty pomiarowe są najczęściej
obsługiwane przez drivery o nazwie DAQmx. Aby zaprogramować obsługę wejścia
analogowego w tryb pomiaru napięcia naleŜy wybrać krok Acquire Signals>>DAQmx
Acquire>>Analog Input>>Voltage
Sensoryka – ćw.1: Akwizycja danych, budowa toru pomiarowego
Zakład Automatyzacji, Obrabiarek i Obróbki Skrawaniem ITW PW
10
7. Zdefiniowanie kroku akwizycji sygnału analogowego z pomiarem napięcia
Zostanie uruchomione okno wyboru wejść analogowych kart pomiarowych obecnych w
komputerze.
8. Okno wyboru wejść analogowych kart pomiarowych obecnych w komputerze
Jeśli w komputerze znajduje się więcej niŜ jedna karta pomiarowa, wybór naleŜy
skonsultować z prowadzącym zajęcia.
Sensoryka – ćw.1: Akwizycja danych, budowa toru pomiarowego
Zakład Automatyzacji, Obrabiarek i Obróbki Skrawaniem ITW PW
11
Dla wybranej karty pomiarowej wskazujemy symbol kanału na którym będziemy
wykonywać pomiar, np. ai0 – analog input 0.
9. Okno konfiguracji karty pomiarowej
Na dzisiejszych zajęciach edytować będziemy wyłącznie zakładkę „Configuration”. Na tej
zakładce mamy moŜliwość zmiany wyboru kanału pomiarowego karty:
10. Lista uŜywanych kanałów karty pomiarowej
Przyciskiem
moŜemy dodawać kolejne kanały pomiarowe, przyciskiem
usuwać
wybrane kanały pomiarowe.
Sensoryka – ćw.1: Akwizycja danych, budowa toru pomiarowego
Zakład Automatyzacji, Obrabiarek i Obróbki Skrawaniem ITW PW
12
Podświetlenie (wskazanie) nazwy kanału pozwala na zmianę jego nastaw akwizycji (rys. 10).
11. Nastawianie trybu akwizycji
Dla wybranego kanału moŜemy zdefiniować nastawy czasu i częstotliwości próbkowania
(rys. 11):
Acquisition Mode – tryb akwizycji
1 Sample (On Demand) – pojedynczy pomiar
N Samples – akwizycja N pomiarów (próbek)
Continuous Samples – uruchomienie pomiarów w trybie ciągłym
Samples to Read – liczba pomiarów (próbek) do odczytu w jednej iteracji programu
Rate (Hz) – częstotliwość próbkowania w Hz, czasem prędkość (częstość) próbkowania w
jednostkach S/s (Samples per second) – liczba próbek na sekundę
Jako pierwsze proszę uŜyć nastawy: N Samples, 1000 próbek z częstotliwością 1kHz.
12. Nastawianie zakresu i sposobu pomiaru
Zakres pomiarowy nastawić na +/- 10V. Ostatnia waŜna nastawa to określenie czy podawany
sygnał jest symetryczny, niesymetryczny, uziemiony, nieuziemiony. SłuŜy do tego menu
Terminal Configuration. Jego dostępne (nie zawsze wszystkie dla danej karty pomiarowej) to:
Sensoryka – ćw.1: Akwizycja danych, budowa toru pomiarowego
Zakład Automatyzacji, Obrabiarek i Obróbki Skrawaniem ITW PW
13
RSE – referenced single ended – uziemiony sygnał niesymetryczny
NRSE – referenced single ended – nieuziemiony sygnał niesymetryczny
Differential – sygnał róŜnicowy
Let NI-DAQ Choose – wybór automatyczny sterownika
W dalszej części ćwiczenia podłączony zostanie generator sygnału sinusoidalnego. Wybierz
tryb RSE, a jeśli niedostępny to Let NI-DAQ Choose.
5.4.
Podłączenie oscyloskopu
Nastaw na generatorze częstotliwość 1 Hz i podłącz przewód BNC do wyjścia SINE 1Vpp
oraz do skrzynki połączeń karty pomiarowej, do wybranego kanału. Następnie włączyć
generator przyciskiem POWER.
13. Panel oscyloskopu
Następnie w programie SingalExpress wcisnąć przycisk
Sensoryka – ćw.1: Akwizycja danych, budowa toru pomiarowego
Zakład Automatyzacji, Obrabiarek i Obróbki Skrawaniem ITW PW
14
Do pamięci komputera zostanie pobranych 1000 próbek z częstotliwością 1kHz oraz
powinien wyświetlić się fragment przebiegu sygnału
14. Podgląd stanu na wybranym wejściu karty pomiarowej
5.5.
Analiza przebiegu sygnału
Aby przeanalizować szczegółowo przebieg sygnału poniŜej przedstawiono kroki
przygotowywania wykresu.
15. Konfiguracja wykresu
Przełączyć (w górnej części programu) zakładkę z „Step Setup” na „Data View”.
W kroku DAQmx Acquire rozwinąć drzewko „Voltage” i nazwę uzywanego kanału karty
pomiarowej przeciągnąć wskaźnikiem myszy na wykres. Na wykres zostanie przepisany
bufor pamięci z zarejestrowaną sinusoidą.
Sensoryka – ćw.1: Akwizycja danych, budowa toru pomiarowego
Zakład Automatyzacji, Obrabiarek i Obróbki Skrawaniem ITW PW
15
16. Właściwości wykresu
Ponad wykresem wcisnąć przycisk „Properties”. Pojawi się okno dialogowe jak na rys. 16 i
wybrać zakładkę Plots. Uaktywnić wyświetlanie punktów pomiarowych oraz przełączyć
sposób łączenia punktów w opcję 4 od góry jak na rys. 17.
17. sposób wyświetlania wykresu
Powiększają za pomocą lupy (rys. ) fragment wykresu powinien być widoczny wynik
dyskretyzacji sygnału analogowego.
18. Efekt dyskretyzacji sygnału
Sensoryka – ćw.1: Akwizycja danych, budowa toru pomiarowego
Zakład Automatyzacji, Obrabiarek i Obróbki Skrawaniem ITW PW
16
ZADANIE 1
Dla nastaw akwizycji 1000 próbek i częstotliwości próbkowania 1kHz zarejestrować sygnały
z generatora o róŜnych częstotliwościach z zakresu 1Hz do 5kHz dla przebiegi sinusoidalnego
o zakresie 1Vpp (zapytać prowadzącego o szczegóły). Zinterpretować otrzymane wyniki
pomiarów.
ZADANIE 2
Opisać tor pomiarowy wydany przez prowadzącego. Z pomocą prowadzącego zidentyfikować
typ i producenta sprzętu pomiarowego. W Internecie wyszukać i zanotować parametry
katalogowe poszczególnych jego elementów, narysować schemat toru pomiarowego.
Uwaga!
Wyniki zadania 1 i 2 przedstawić w formie sprawozdania w terminie wyznaczonym przez
prowadzącego zajęcia.