数据采集 （通常缩写为 DAQ 或 DAS）是对测量现实世界物理现象的信号进行采样并将其转换为可由计算机和软件操作的数字形式的过程。
人们普遍认为数据采集 与磁带录音机或纸质图表的早期记录形式不同。与这些方法不同的是，信号从模拟域转换到数字域，然后记录到数字介质，例如 ROM、闪存介质或硬盘驱动器。
据采集系统框图和现代数字数据采集系统的要素
数据采集系统是包括测量设备、传感器、计算机和数据采集软件的系统。数据采集系统用于采集、存储、可视化和处理数据。这涉及收集理解电气或物理现象所需的信息。
有多种类型的数据采集系统。它可以是用于简单温度测量的手持设备，也可以是安装在多个机架中并远程操作的大型数千通道系统。跳转至数据采集系统类型部分，了解有关数据采集系统基本类型的更多信息。
现代 数字数据采集系统 由四个基本组件组成，构成物理现象的整个测量链：
• 传感器
• 信号调节
• 模数转换器
• 带有用于数据记录和分析的 DAQ 软件的计算机
典型的数据采集系统具有多个信号调理电路通道，提供外部传感器和 A/D 转换子系统之间的接口。
数据采集系统主要用于测量物理现象，例如：
• 温度
• 电压
• 当前的
• 应变和压力
• 冲击和振动
• 距离和位移
• RPM、角度和离散事件
• 重量
请注意，数据采集系统还可以测量其他几种测量值，包括光和图像、声音、质量、位置、速度等。
数据采集系统的主要目的是采集和存储数据。但它们还旨在提供实时和记录后的数据可视化和分析。此外，大多数数据采集系统都内置了一些分析和报告生成功能。
最近的一项创新是数据采集和控制的结合，其中高质量的数据采集系统与实时控制系统紧密连接并同步。
当然，不同应用中的工程师有不同的要求，但这些关键能力以不同的比例存在：
• 数据记录
• 数据存储
• 实时数据可视化
• 记录后数据审核
• 使用各种数学和统计计算进行数据分析
• 报告生成
数据采集仪器也大量用于监控应用。这样的例子有：
• 监控发电机、电动机、风扇等复杂机械的状况。
• 监测桥梁、体育场等建筑物的结构特性。
• 监控生产过程中的能源消耗和能源效率。
• 以及许多其他监控场景。
数据采集系统或 DAQ 设备对于产品测试至关重要，从汽车到医疗设备，基本上是人们使用的任何机电设备。
在数据采集之前，产品以非结构化、高度主观的方式进行测试。例如，在测试汽车的新悬架时，工程师经常依赖测试驾驶员对悬架“感觉”如何的意见。
随着可以从各种传感器收集数据的数据采集系统的发明和发展，这些主观意见被客观测量所取代。这些可以很容易地重复、比较、数学分析，并以多种方式可视化。
如今，没有人会考虑制造任何类型的车辆，无论大小、飞机、医疗设备、大型机械等，而不采用数据采集来客观地衡量其性能、安全性和可靠性。
当今的数据采集系统有多种形式和风格：
• 手持式数据采集系统
• 便携式数据采集系统（带有内置计算机、存储器和显示器）
• 模块化数据采集系统
• 机架式数据采集系统
• ETC。
有许多适合特定应用的数据采集系统可供选择。
数据采集是将现实世界信号转换为数字域以进行显示、存储和分析的过程。由于物理现象存在于模拟域，即我们生活的物理世界，因此必须首先在那里进行测量，然后转换到数字域。
这个过程是使用各种传感器和信号调节电路来完成的。如上所述，输出由模数转换器 (ADC) 进行采样，然后以基于时间的流写入数字存储介质。我们通常将此类系统称为测量系统。
模拟数据采集系统完整方案
让我们更详细地看看链中的每个元素。
物理现象的测量，例如温度、声源水平或持续运动产生的振动，都是从传感器开始的。传感器也称为换能器。传感器将物理现象转换为可测量的电信号。
传感器应用于我们的日常生活中。例如，常见的水银温度计是一种非常古老的用于测量温度的传感器。在封闭管中使用彩色汞依赖于这种化学物质对温度变化具有一致和线性反应的事实。通过在管子上标记温度值，我们可以查看温度计并以有限的精度了解温度是多少。
几个世纪以来，经典温度计一直用于测量温度
当然，除了视觉输出之外，没有任何模拟输出。这种原始温度计虽然在烤箱中或厨房窗外有用，但对于数据采集应用并不是特别有用。
因此，人们发明了其他类型的传感器来测量温度，例如 热电偶、热敏电阻、RTD（电阻温度检测器）， 甚至红外温度检测器。每天有数以百万计的传感器在各种应用中工作，从汽车仪表板上显示的发动机温度到制药生产中测量的温度。几乎每个行业都以某种方式利用温度测量。
温度传感器类型
当然，还有许多其他 类型的传感器 被发明来测量另一种物理现象：
• 称重传感器： 用于测量重量和负载
• LVDT 传感器： LVDT 用于测量距离位移
• 加速度计： 测量振动和冲击
• 麦克风： 用于测量声音，
• 应变计： 测量物体上的应变，例如测量力、压力、张力、重量等，
• 电流传感器： 用于测量交流或直流电流，
• 以及无数更多。
根据传感器的类型，其电输出可以是电压、电流、电阻或随时间变化的其他电属性。这些模拟传感器的输出通常连接到信号调节器的输入，我们将在下一节中讨论。
信号调节器的作用是获取模拟传感器的输出并准备对其进行数字采样。
如果我们继续热电偶的例子。信号调理电路需要对传感器的输出进行线性化，并提供隔离和放大功能，以使非常小的电压达到标称水平以进行数字化。
从模拟信号源到可供计算机和软件处理的数字化数据
每个信号调理电路均由制造商设计，用于执行传感器输出的基本标准化，以确保其线性度和对源现象的保真度，并为数字化做好准备。由于每种传感器类型都不同，因此信号调节器必须完全符合它们。
电气隔离有时也称为 电流隔离，是将电路与其他电位源隔离。这对于测量系统尤其重要，因为大多数信号都处于相对较低的水平，而外部电位会极大地影响信号质量，从而导致错误的读数。干扰电位本质上可以是交流电和直流电。
例如，当传感器直接放置在具有高于地电位（即不是0V）的被测物品（例如电源）上时，这可能会对信号施加数百伏的直流偏移。电气干扰或噪声也可能采用信号路径中或测试周围环境中的其他电气组件产生的交流信号的形式。例如，房间内的荧光灯可以辐射 400Hz，非常灵敏的传感器可以接收到该频率。
这就是为什么最好的数据采集系统具有隔离输入的原因 - 以保持信号链的完整性并确保传感器输出的内容确实是已读取的内容。目前采用了多种隔离技术。
事实上，我们想要测量的每个信号都可能受到电气干扰或噪声的影响。造成这种情况的原因有多种，包括可能被感应到高增益信号线中的环境电磁场，或者传感器或测量系统与被测物体之间存在的简单电势。因此，最好的信号调理系统提供工程师可以使用的可选滤波，以消除这些干扰并进行更好的测量。
在此方案中，噪声模拟信号通过低通滤波器以滤除不需要的频率
滤波器通常用其运行的频带来表示。信号滤波器有四种基本类型：
• 低通滤波器： 该滤波器从给定频率及其以上频率开始降低或“滚降”。
• 高通滤波器： 执行相反的操作，允许高于给定频率的频率通过。
• 带通和带阻滤波器： 通过或阻止（拒绝）两个给定值之间的频率。
基本过滤器类型
一些滤波，例如 抗混叠滤波，只能在模拟域中完成。这是因为，一旦由欠采样引起的错误信号被数字化，就无法再知道真实信号是什么样的。然而，在信号数字化之后，几乎所有其他滤波都可以在数字域中完成，即在软件中完成。
滤波器还由其具有的极数来定义。极数越多，它们能够对信号执行的滚降就越陡峭。这种滚降或斜率仅仅意味着每个倍频程可以滚降多少分贝的信号。相关滤波器的规格通常会给出以 dB/Q 为单位的最大滚降。
Dewesoft DAQ 硬件通常根据被测信号类型的要求提供低通滤波。一些调节器还提供高通滤波，例如充电信号放大器。如果要对测量信号进行积分或双重积分，则去除不需要的低频元素尤其重要，因为不需要的元素会严重扭曲导出的速度或位移值。
您还会听说过诸如 Bessel、 Butterworth、 Elliptic和 Chebyshev等滤波器类型 。由于所有滤波器都会因其本质而对信号本身造成失真，因此工程师多年来开发了自己的滤波类型，以便为他们的特定目的提供最佳的结果。
| 过滤器类型 | 滚降陡度 | 纹波或失真 | 其他因素 |
| Butterworth | 好的 | 无纹波，但方波会导致失真（磁滞） | 中等相位失真 |
| Chebyshev | 更陡 | 通带中的纹波 | 瞬态响应差 |
| Bessel | 好的 | 非正弦波形不会产生振铃或过冲 | 增加相位延迟 |
| Elliptic | 最陡 | 通带中的纹波 | 非线性相位响应 |
您可以看到这些过滤器类型之间存在权衡。因此，工程师需要根据其应用选择最佳的滤波器类型。
大多数物理测量信号条件的输出是模拟信号。需要将此信号转换为一系列高速数字值，以便数据采集系统显示和存储。因此，A/D 卡或 A/D 子系统用于转换该信号。
AD转换器方案——将模拟信号转换为数字域数据
ADC 有多种类型，包括每通道复用转换器和单个转换器。在多路复用 ADC 系统中，使用单个模数转换器将多个信号从模拟域转换为数字域。这是通过将模拟信号一次一个地复用到 ADC 中来完成的。
与每个通道配备一个 ADC 芯片相比，这是一种成本更低的方法。但另一方面，不可能在时间轴上精确对齐信号，因为一次只能转换一个信号。因此，通道之间始终存在时间偏差。
在数据采集的早期，8 位 ADC 很常见。截至撰写本文时，24 位 ADC 已成为大多数用于进行动态测量的数据采集系统的标准配置，而 16 位 ADC 通常被认为是一般信号的最低分辨率。
信号转换的速率称为 采样率。某些应用（例如大多数温度测量）不需要高速率，因为测量结果变化不是很快。然而，交流电压和电流、冲击和振动以及许多其他被测量需要每秒数万或数十万个样本或更多的采样率。采样率被视为测量的 T 轴或 X 轴。
ADC采样率
在 Y 轴或垂直轴上，ADC 可提供各种分辨率。目前最常见的是 16 位和 24 位。理论上，具有 16 位分辨率的 ADC 可以以65,535( )中一部分的分辨率对输入信号进行数字化2^16 = 65,536。
这个数字实际上因噪声和量化误差等因素而减少，但它提供了一个很好的比较起点。由于每一位分辨率都有效地使量化分辨率加倍，因此具有 24 位 ADC 的系统可提供2^24 = 16,777,216.因此，输入的一伏信号可以在 Y 轴上分为超过 1600 万步。
提供高采样率和高振幅轴分辨率的 ADC 是冲击和振动等动态信号分析的最佳选择。低采样率和高振幅轴分辨率对于热电偶和其他具有较宽振幅范围但不会快速改变状态的被测量来说是最佳选择。
提供 抗混叠滤波 (AAF)的 ADC 在所有涉及动态测量的应用中都是非常理想的，因为它们可以防止因以过低的速率采样信号而导致的测量误差。这种 混叠 是指由于对快速变化的信号采样频率太低而产生错误信号。
如果采样不够精细，检索到的信号可能与真实信号有很大差异
一旦转换为数字信号，我们的信号（又名被测量）就会由计算机子系统以多种方式进行处理。首先也是最重要的是，它们可以在系统屏幕上显示给测试操作员进行目视检查和审查。大多数 DAQ 系统以几种流行的格式显示数据，包括时间历史又名“条形图”(Y/T) 显示以及数字显示。但当今市场上的许多系统都提供其他显示类型，包括条形图、XY 图表等。
当今的数据采集系统通常利用固态硬盘驱动器（SSD 或 HDD）将数据从 ADC 子系统传输到永久存储。将数据写入磁盘还可以在测试完成后对其进行分析。
大多数 DAQ 系统允许将数据导出为不同的文件格式，以便使用第三方软件工具进行分析。常见的数据格式包括 CSV（逗号分隔值）、UNV（通用文件格式）等。
任何 DAQ 系统最关键的功能之一是能够在数据存储期间实时可视化数据。系统通常采用集成或独立的平板显示器，可以以多种视觉格式进行配置。
波形数据几乎总是可以根据图形或网格以数字形式显示为 Y/T 波形。但另外还可以采用其他图形约定，例如条形图仪表、FFT（快速傅里叶变换）频率/幅度图等。
当今最灵活的数据采集系统允许用户使用内置图形小部件以简单的方式自由配置一个或多个显示器：
• 记录仪： 水平、垂直和 XY 记录仪
• 示波器： 示波器、3D 示波器、矢量示波器
• FFT： FFT、3D FFT、谐波 FFT 和倍频程
• 仪表： 数字、模拟、水平/垂直条形仪表
• 图形： 2D、3D 图、倍频程、轨道、坎贝尔图
• 视频： 标准视频显示和带温度指示器的热视频显示
• GPS： 具有交互式开放街道地图分层支持的定位显示
• 控制： 按钮、开关、旋钮、滑块、用户输入
• 燃烧分析： PV图和燃烧范围
• 转子平衡器： 用于现场平衡
• 汽车： 用于显示移动物体的 3D 多边形
• 航空航天： 高度或人工地平线指示器
• DSA/NVH： 模态圆
• 其他： 2D/3D表格、图像、文字、线条、过载指示灯、指示灯、注释
所有视觉仪器都提供不同的定制选项和实时视觉反馈。
数据采集系统为实时测试状态提供重要的视觉参考。但是，将数据存储在 DAQ 系统中后，还可以使用 DAQ 系统内置的工具或第三方数据分析软件来分析数据。
如前所述，当今市场上几乎每个 DAQ 系统都具有多个内置数据导出过滤器，可将系统的专有数据格式转换为第三方数据格式以进行离线分析。
Dewesoft 数据采集系统在 Dewesoft X 数据采集软件中提供了广泛的数据分析功能
数据采集系统由多家公司销售，具有广泛的功能和规格，因此价格可能相差很大。使用每通道价格模型为这些不同级别的 DAQ 系统提供一般定价非常有用。预估价格以 USD（美元）为单位：
• 低端 DAQ 系统的 价格通常为每个通道 200 - 500 美元。
• 中档 DAQ 系统的 价格通常为每个通道 500-1000 美元。
• 高端 DAQ 系统的 价格通常为每个通道 1000-2000 美元。
DIY DAQ 系统无法估计，因为它们涵盖的范围很广，从几个通道到一个需要 10 人年开发和/或涉及数百甚至数千个通道的系统。
有关数据采集公司的最新列表，请参阅数据采集公司完整列表指南。
在快速技术进步的推动下，数据采集的未来充满希望并不断发展。名为 OpenDAQ 的开放数据采集标准就是这样的一个例子。OpenDAQ是两家大数据采集供应商 Dewesoft 和 HBK 的合资企业。
OpenDAQ 是一个 SDK，旨在最终标准化 DAQ 系统中使用的数据协议。该标准定义了数据采集供应商可以在其硬件和软件中实现的协议和接口，使用户更容易将不同的数据采集设备集成到他们的工作流程中。
OpenDAQ 目前处于公开测试阶段，将于 2024 年晚些时候全面发布。
总之，数据采集的未来是光明的，充满创新，将深刻影响社会和企业运营。其特点是更快、更高效、更道德的数据收集方法，由先进技术提供支持，并受到更深入、实时洞察的需求的驱动。
• V-LINK-200 8 通道无线应变/模拟传感器节点
• TC-LINK-200 12通道无线热电偶/电压传感器节点
• RTD-LINK-200 6通道无线 RTD/电阻传感器
• WSDA-2000 网络连接无线网关
• WSDA-200-USB 无线USB网关/无线数据接收器
