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. Jednakże niektóre wielkości fizyczne zmieniają nie tylko swą

amplitudę w czasie, ale mogą być również charakteryzowane przez częstotliwość zmian

amplitudy, np. hałas, czy drgania. Czujniki do pomiaru tego typu wielkości nie przetwarzają

na ogół sygnału w sposób proporcjonalny, lecz każdy 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 narażone 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 dużo bardziej podatny na

zakłócenia. Z tego względu stosuje się jak najkrótsze przewody pomiarowe od czujnika do

przedwzmacniacza. Po wzmocnieniu sygnału, można zastosować dłuższe 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 należy dopasować również 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 zależności od

konstrukcji jest to zasilanie bateryjne lub poprzez zasilacz sieciowy na 230V.

Bez układu wstępnego przetworzenia sygnału prawidłowy pomiar może okazać się

niemożliwy ze względu na specyfikę pracy czujnika lub na zbyt duże 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 można zbudować.

W ramach laboratorium sensoryki najczęściej wykorzystywanym miernikiem będzie

komputer wyposażony 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 można podzielić na dwa rodzaje:

dedykowane i uniwersalne. Dedykowane potrafią mierzyć tylko jedną wielkość fizyczną, np.

temperaturę, napięcie, prąd itd. Do urządzeń pomiarowych uniwersalnych możemy zaliczyć

wszelkiego rodzaju multimetry i oscyloskopy. Niektóre z nich mają złącza cyfrowe

umożliwiające przesłanie wyniku pomiaru do komputera w celu dalszej obróbki, czy

rejestracji. W warunkach laboratoryjnych ze względu na dużą 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, wyposażone 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 może być wykryta w

sygnale wyjściowym. Wyrażana 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 zależność sygnału wyjściowego od kierunku zmian wielkości mierzonej.

Czas odpowiedzi to czas, po którym sygnał osiągnie wartość zgodną z charakterystyką (z

założoną 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 poniżej założonego poziomu (zwykle 3dB).

Pasmo użyteczne to Zakres częstotliwości, w którym stosunek amplitudy sygnału

wyjściowego do mierzonego zawiera się w zadanych granicach.

Dokładność czujnika to maksymalna bezwzględna różnica między rzeczywistą wartością

mierzoną, a wyznaczoną na podstawie sygnału wyjściowego i charakterystyki. Wyrażana jest

w proporcji do zakresu lub w jednostkach bezwzględnych.

Charakterystyka czujnika to zależność 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, wyrażany

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 wyposażony w karty DAQ (DAQ – ang. Data Acquisition), inaczej

zwanymi kartami pomiarowymi lub zaawansowanymi przetwornikami analogowo-

cyfrowymi.

Wadą tego typu kart akwizycji jest to, że 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 należy o tym pamiętać.

Typowe parametry opisujące karty DAQ to liczba wejść/wyjść analogowych,

maksymalna częstotliwość próbkowania/generowania, zakres pomiarowy oraz rozdzielczość.

Przez częstotliwość próbkowania należy 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 można 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 wyrażana 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 już

2

12

=4096, zaś 16 bitowy, aż 2

16

=65536. Oznacza to, że przy zakresie 0_10V przetwornik 12-

bitowy ma rozdzielczość 10/4096=2.4mV, zaś 16-bitowy aż 0.15mV.

Rys. 4. Porównanie rozdzielczości 3 i 16-bitowego dla zakresu 0/10V

Poniżej przedstawiono karty akwizycji danych będące na wyposażeniu 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 użytkownika napisanych w LabVIEW

Omówione kroki można również 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. Używane podczas zajęć laboratoryjnych karty pomiarowe są najczęściej

obsługiwane przez drivery o nazwie DAQmx. Aby zaprogramować obsługę wejścia

analogowego w tryb pomiaru napięcia należy 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 niż jedna karta pomiarowa, wybór należy

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 możliwość zmiany wyboru kanału pomiarowego karty:

10. Lista używanych kanałów karty pomiarowej

Przyciskiem

możemy 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 możemy 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 użyć nastawy: N Samples, 1000 próbek z częstotliwością 1kHz.

12. Nastawianie zakresu i sposobu pomiaru

Zakres pomiarowy nastawić na +/- 10V. Ostatnia ważna nastawa to określenie czy podawany

sygnał jest symetryczny, niesymetryczny, uziemiony, nieuziemiony. Służy 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 różnicowy

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 poniżej 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 różnych 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.