我們以一個火箭測試系統為例,驗證在試驗台(test stand)上靜態發射的小型火箭的性能;測試點火必須由控制器排序,還需要DAS來擷取感測器資料。火箭測試控制系統必須知道火箭內部究竟發生了什麼,這需要一個儀器子系統來提供。感測器將感興趣的資料──例如容器壓力(tank pressures)或加速度──轉換為電氣形式,資料擷取系統再將這些電氣計量轉換為數位形式,以便與控制電腦的輸入格式相容。

資料擷取系統

被量測資料通常由DAS轉換為控制電腦可以接受的數位形式。一個典型的DAS如圖1所示。

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圖1:典型的資料擷取系統。

感測器波形進入抗混疊濾波器(antialiasing filters),濾除高頻分量。有時防止混疊是必要的,因為混疊會產生雜散波形。混疊的一個常見例子是電影或電視中出現輪輻向後旋轉的畫面,電影或電視訊號的連續影像訊框其實不是連續的,有時候會產生差異頻率(拍頻)而導致這種雜亂影像的出現。當感測器波形沒有「減緩」到足以消除導致混疊的快速變化時,DAS就會產生雜散波形。對連續數值進行採樣並輸出離散數值序列的任何過程都可能引起混疊,為避免混疊情況的發生,達到或超過取樣速率一半的所有頻率都將被濾波器濾除。

MUX是類比多工器(analog multiplexer),是一種類似電視頻道切換器的電子開關。微電腦(μC)可以控制MUX切換到特定的感測器輸入通道,依次選擇每個通道進行量測。PGA是一種可程式化增益放大器(programmable-gain amplifier),不同的感測器需要不同的波形放大量,PGA增益是由μC控制的。A/D轉換器(或ADC)將經過濾波和放大的類比感測器波形轉換為數位形式,以便輸入至μC。

ADC可以區分的類比輸入電壓離散數值就是其解析度(resolution),以位元為單位。對於N位元解析度,其輸出結果的數目是2N。12位元ADC可以區分212 (即4,096)個不同的類比輸入值。如果其滿刻度(full-scale)範圍是為4.096V,則這4,096個輸入位準的間隔正好是1mV。因此,ADC的12位元數位輸出具有1mV/次的解析度,或每個最低有效位元(LSB)為1mV,可以表示為1mV/LSB。

電腦進一步處理來自ADC的採樣感測訊號,但要以數位形式處理。ADC計數是未經處理的原始資料,ADC之前的感測器和類比DAS電路因為不準確性會引起偏移和增益(斜率)誤差,因此必須對這些資料進行校正;如果誤差明顯,得到的結果還必須針對感測器非線性進行校正,以提升其精確度。

用於火箭飛行或測試的感測器通常包括:

  • 溫度感測器:有熱電偶、電阻溫度感測器(RTD)、熱敏電阻和固態溫度感測器等;
  • 壓力感測器:矽或藍寶石;
  • 流量感測器:渦輪、超音波都卜勒(ultrasonic doppler);
  • 慣性感測器:速率和垂直陀螺儀、固態加速和旋轉感測器、傾斜開關(tilt switches);
  • 近接感測器:微動開關(microswitches);
  • 電感測器:電壓和電流檢測;
  • 低溫感測器:低溫熱敏電阻。

大多數感測器按量測值輸出一個電壓,還有一個轉換係數(增益),例如,壓力感測器的V/kN,溫度感測器的V/℃。電壓發生在兩個電路節點上,如果一個節點是系統的0V參考節點或接地,則感測器輸出是相對於接地的電壓;在節點上相對於接地量測的電壓是單端電壓(single-ended)。

有些感測器有兩個端子,它們的輸出電壓出現在兩個端子上,都沒有接地;這是差分電壓(differential voltages),因為它們是每個端子相對於地量測的電壓差,有時也被稱為「浮接」(floating)電壓。

當感測器作為一種稱為電橋(bridge)的常見儀器電路的一部分時,其輸出一般是差分輸出。圖2的「感測器電橋電路」顯示了其在壓力感測器電橋中的應用。電橋輸出電壓是AIN+和AIN-這兩個節點相對於接地量測的電壓差;換句話說,將電壓計(voltmeter)負輸入端連接到接地端子可量測AIN-的電壓。

基於電橋的感測器類型包括RTD (溫度量測)、壓力和應力、力道感測器(即荷重元-load cell);這些感測器的電阻隨量測數而變化。在圖2中,壓力感測器配置為由兩個具有相反極性的應變計驅動。

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圖2:感測器電橋電路。

電橋電路包含兩個由電橋電源驅動的分壓器,每個雙電阻分壓器都是半橋,電橋輸出靈敏度與電橋激勵電壓成正比。對於半橋感測器,另一半橋就是一個均等分壓器,由精確匹配的等值電阻組成。

兩個應變規(strain gage)連接到電橋臂的相對兩側,因此當它彎曲時,頂部應變規的電阻增加(+ε),而底部應變規減小(-ε)。沒有彎曲時,兩個感測器理論上具有相同的電阻,並且AIN+處的電壓是電橋電壓Vbr的一半。對於零位準處的零差分輸入電壓,另一個由穩定的等值電阻(R)組成的分壓器在AIN-端將Vbr分為一半。AIN+的輸出電壓在電橋電壓一半左右發生變化,從而產生雙極(+/-)差分輸出。

2線、3線和4線電橋

對於電橋驅動線路中可忽略不計的電壓降,在儀器系統電路板(如Vbr/2)上可以複製出精確的半橋電壓,並透過電路板上的配置跳線為AIN-輸入。該半橋電壓可透過專用通道量測,並作為橋式感測器的偏移;利用板載半橋,只需要一條感測器輸出線(AIN+)和兩條電橋電源線接到每個感測器電橋。

對於全橋感測器,AIN+和AIN-端都從感測器接出,並在採集板上量測電橋電壓;對於電橋接線中可忽略不計的電壓降,這些佈線方案是令人滿意的。 對於電橋電源線中不可忽略的電壓降,需要進行4線(4-wire)感測;四線(或稱Kelvin感測)是最準確的,它使用單獨的電橋驅動和感測線對。

RTD溫度感測器

RTD利用鉑金這類金屬的可重複溫度係數(TC)原理;。RTD在一定程度上呈非線性,需要校正。標準RTD曲線將電阻表示為溫度的函數,例如鉑金RTD的PT100 (DIN 43760)曲線。在0℃和1000℃的電阻TC可表示為α: EDNT190110_DAS_TA31F1

對於PT100曲線,α=3.850x10-3/℃,但α在整個溫度範圍內不是恆定不變的。一般的RTD方程式為: EDNT190110_DAS_TA31F2

其中R0是0℃時的電阻(100Ω或1kΩ),求解T: EDNT190110_DAS_TA31F3

從-100℃至+800℃ (這是經過恰當封裝之RTD的運作範圍),100Ω的RTD電阻變化約6.48倍,從60.25Ω到390.26Ω,TC為正。

典型的1kΩ薄膜RTD有美商Sensing Devices (SDI)的GR2141和Minco的S251PF12 (或熱敏帶S17624PF440B);SDI Pt100/15P的R0為100Ω,S251PF12為1kΩ。

與荷重元不同,RTD電橋僅使用一個感測器,如圖3所示,適用於單端電橋電路;AGND是類比接地,是量測系統中與系統接地連接的獨立接地端。

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圖3:RTD電橋僅使用一個感測器,適用單端電橋電路。

熱電偶

當兩種不同的金屬連接時就形成熱電偶,比如點焊(spot-weld);兩種金屬之間會產生一個小電壓,這個電壓隨著接面溫度的變化而變化。K型(chromel-alumel,鎳鉻鎳鋁合金)或J型(iron-constanta,鐵-康銅)熱電偶是最常見的,可用於量測RTD和熱敏電阻無法量測的高溫度。

K型熱電偶不像J型那樣靈敏,但具有更高的溫度範圍。與熱電偶線的每一個連結都構成另一個熱電偶感測器;若使用銅線,銅-鉻和銅-鋁連結,就形成兩個額外的熱電偶。這些不被期望的熱電偶稱為參考接點(reference-junction)或冷接點(cold-junction)熱電偶,必須透過某種補償措施來消除它們的影響。

透過將熱電偶線接到儀器電路板連接器,參考接點將靠近熱電偶處理電路,而且溫度大致相同。冷接點補償電路可以量測這一溫度並補償熱電偶的電路輸出。還可以使用單獨的溫度感測器來量測冷接點附近的環境溫度,並在電腦中完成補償。

可對熱電偶電壓進行放大和冷接點補償的熱電偶IC有ADI的K型熱電偶AD595,以及J型熱電偶AD594。它們的輸出分別為: EDNT190110_DAS_TA31F4

為了將高溫量測範圍擴展到1250℃ (K型)和750℃ (J型),需要將輸出電壓切分(比如除以3),以適應ADC的典型4.1V fs範圍。

環境溫度感測

ADI的AD22100 IC是一款低成本、三接腳矽基溫度感測器,可以方便地感測環境溫度。它的類比電壓輸出為: EDNT190110_DAS_TA31F5

其中VCC是AD22100的電源電壓,它的運作溫度範圍為-50℃至+150℃,滿刻度誤差為±2%。這種感測器的輸出隨VCC成比例變化,它由電橋電壓(Vbr)供電,可以使用電橋補償來追蹤電橋電壓的漂移。

AD22100可以進行兩點校準,因為它是一種線性的換能器(transducer,其誤差接近其±1%非線性規範)。

對於精度稍低的校準,將(電氣絕緣)感測器浸入冰水中,一點校準至0℃,或用另一個溫度計或(已校準的)溫度通道來量測感測器的溫度。如果量測通道已通過電壓校準並使用上述公式,則無需進行溫度量測,其精度約為±2%。

AD22100在4V至6V VCC電壓下運作,可由4.1V電橋電源供電。來自ADC的原始資料值是: EDNT190110_DAS_TA31F6

環境壓力感測

要量測環境壓力,一款值得推薦的感測器是Motorola MPX2202AP (編按:該產品現在已隸屬於NXP),這是一款低成本、絕對檢測、200kPa (29psi)滿刻度的矽基壓力感測器。它可以當作氣壓計(barometer,或譯「晴雨表」),因為能感測絕對壓力,大氣壓力可以轉換為海拔高度;它還具有足夠大的範圍來檢測一般飛行器的動態壓力,支援溫度補償並有低於+/-%的非線性度。

MPX2202AP是一個完整的補償電橋電路,其輸出與電源電壓成比例,它可以一點或兩點校準。對於4.1V電橋電源,在滿刻度時,其輸出約為16.4mV,標稱比例因數為82μV/kPa。零標度(zs)處於零壓力,偏移電壓誤差指定為±1mV。

要計算所需的增益,可將ADC滿刻度輸入電壓(Vbr=4.1V)除以感測器滿刻度輸出並無條件捨去(round down),這會得到增益為x100,為擷取突發故障資料提供了足夠的處理能力。

同類感測器還有Sensym (編按:現已隸屬於Honeywell)的SCX30ANC和Amphenol Advanced Sensors 旗下的Novasensor NPC-410-30-A。一些電橋感測器,例如Motorola (編按:現已隸屬於NXP) MPX4250 (250kPa fs),具有不同於Vbr的電橋電壓。必須追蹤它們的電橋電壓(通過另一個通道量測)來補償電橋靈敏度,以達到最大精度。

加速度計

適用於大多數探空火箭(sounding r℃ket)和其它低重力(low-g)應用的加速度感測器有ADI ADXL105。它價格低廉,是一種矽基元件,量測範圍為±5g,可以利用重力進行兩點校準。在最大加速方向上,輸入約為1g。反轉(旋轉180°),其輸入為-1g。地球表面的標稱值g0為9.806m/s2

電源電壓和電流

地面電源或板載電池通常可以透過分壓器檢測;差分電壓量測通道的優勢在於它們能夠量測「浮接」電壓,例如與電池正極串聯的電流感測電阻兩端的電壓。

流量輸入

典型的渦輪流量感測器一般設計為磁葉(magnetic-vane)流量感測器。渦輪葉片中的磁體旋轉經過感測器主體中的線圈,並在其中引起電壓脈衝。在感興趣的流量範圍內,典型的脈衝幅度至少為50mV,最大流量脈衝率通常為100Hz至幾kHz。

這些脈衝通常由類比電路處理,並轉換為電腦相容的數位脈衝,然後輸入到由電腦控制的計數器。計數在準確的時間間隔內累積,通常由電腦的時基控制(time-base)設定。也就是說,另一個計數器/計時器定期中斷電腦,在這些中斷之間建立準確的時間間隔,用作頻率計數器的時基。頻率為: EDNT190110_DAS_TA31F7

其中N是時間間隔Δt上的計數次數。

低溫熱敏電阻

低溫熱敏電阻是一種高度非線性的溫度感測器,可用於偵測低溫流體(cryogenic)的存在,可以將其放置在容器的空處,用於檢測空處何時被填充。它們可以放置在分壓器的高壓側,直接驅動數位位元輸入。

一個典型的低溫熱敏電阻是美國業者Thermometrics的A105CTP100DE104R溫度探針,它在液態氮沸點(-195.82℃)下具有100kΩ的電阻;液態氧(LOX)沸點為-183℃,它在-185℃時的電阻為5萬4,322Ω,在-180℃時為3萬7,081Ω,但在-100℃時只有146Ω。可以將溫度探針設置為由+5V電壓驅動的分壓器上部電阻,在1kΩ左右的較低電阻下,分壓器輸出可直接驅動TTL位準(TTL-level)數位電腦輸入。

本文同步刊登於2019年1月號電子技術設計平面雜誌

(本文原刊於EDN姊妹刊,ASPENCORE旗下Planet Analog網站,參考原文: Data Acquisition and Instrumentation: The DAS and Sensors ,by Dennis Feucht;作者為資深電子工程師)