Ćwiczenie 1 Akwizycja danych, budowa toru pomiarowego

POLITECHNIKA WARSZAWSKA WYDZIAŁ INśYNIERII PRODUKCJI INSTYTUT TECHNIK WYTWARZANIA SENSORYKA http://www.cim.pw.edu.pl/sensoryka Ćwiczenie 1 Akwizycja danych, budowa toru pomiarowego ZAKŁAD AUTOMATYZACJI, OBRABIAREK I OBRÓBKI SKRAWANIEM

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. 2

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 analogowocyfrowego jak rozdzielczość, wzmocnienie, zakres pomiarowy, częstotliwość próbkowania, częstotliwość sygnału i inne. 3

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. 4

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 analogowocyfrowymi. 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 5

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. 6

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 7

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. 8

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 9

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. 10

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. 11

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: 12

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 13

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. 14

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 15

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. 16