Thu thập dữ liệu (Data Acquisition) là gì?
Thu thập dữ liệu (thường được viết tắt là DAQ hoặc DAS ) là quá trình lấy mẫu tín hiệu đo lường các hiện tượng vật lý trong thế giới thực và chuyển chúng thành dạng kỹ thuật số có thể được thao tác bằng máy tính và phần mềm.
Thu thập dữ liệu khác biệt với các hình thức ghi dữ liệu vào dụng cụ ghi hoặc biểu đồ giấy (data logger). Các tín hiệu được chuyển đổi từ miền tương tự sang miền kỹ thuật số và sau đó được ghi vào phương tiện kỹ thuật số như ROM, phương tiện flash hoặc ổ đĩa cứng.
Thành phần của một hệ thống thu thập dữ liệu (DAQ)
Hệ thống thu thập dữ liệu đo lường những gì?
Các hệ thống thu thập dữ liệu chủ yếu phục vụ công việc đo lường các hiện tượng vật lý như:
Lưu ý rằng có một số đại lượng đo khác, bao gồm ánh sáng và hình ảnh, âm thanh, khối lượng, vị trí, tốc độ, v.v. có thể được đo bằng hệ thống thu thập dữ liệu.
Hệ thống DAQ dễ sử dụng của DEWESoft
Mục đích của việc thu thập dữ liệu
Mục đích chính của hệ thống thu thập dữ liệu là thu thập và lưu trữ dữ liệu. Nhưng chúng cũng nhằm cung cấp khả năng hiển thị và phân tích dữ liệu theo thời gian thực và lưu trữ. Hơn nữa, hầu hết các hệ thống thu thập dữ liệu đều có một số khả năng tạo báo cáo và phân tích được tích hợp sẵn.
Một cải tiến gần đây là sự kết hợp giữa thu thập và kiểm soát dữ liệu, trong đó hệ thống DAQ chất lượng cao được kết nối chặt chẽ và đồng bộ với hệ thống điều khiển theo thời gian thực.
Một số mục đích điển hình:
Thiết bị thu thập dữ liệu cũng được sử dụng nhiều trong các ứng dụng giám sát. Ví dụ là:
Tầm quan trọng của hệ thống thu thập dữ liệu
Hệ thống thu thập dữ liệu hoặc thiết bị DAQ rất cần thiết trong quá trình thử nghiệm các sản phẩm, từ ô tô đến thiết bị y tế – đến bất kỳ thiết bị cơ điện nào mà mọi người sử dụng.
Trước khi thu thập dữ liệu, các sản phẩm đã được kiểm tra theo cách không có cấu trúc, mang tính chủ quan cao. Ví dụ, khi thử nghiệm hệ thống treo mới trên ô tô, các kỹ sư thường dựa vào ý kiến của những người lái thử về cảm giác của hệ thống treo đối với họ.
Với sự phát minh và phát triển của hệ thống thu thập dữ liệu, có thể thu thập dữ liệu từ nhiều loại cảm biến, những loại ý kiến chủ quan này đã được thay thế bằng các phép đo khách quan. Những điều này có thể dễ dàng được lặp lại, so sánh, phân tích toán học và hình dung theo nhiều cách.
Ví dụ về tình huống thử nghiệm tải trọng cực lớn trên xe tải với DEWESoft
Ngày nay, không ai muốn chế tạo bất kỳ loại phương tiện nào, dù lớn hay nhỏ, máy bay, thiết bị y tế, máy móc quy mô lớn, v.v. mà không sử dụng thu thập dữ liệu để đo lường một cách khách quan về các yếu tố hiệu suất, độ an toàn và độ tin cậy của chúng.
Quy trình đo lường
Thu thập dữ liệu là quá trình chuyển đổi các tín hiệu trong thế giới thực sang miền kỹ thuật số để hiển thị, lưu trữ và phân tích. Bởi vì các hiện tượng vật lý tồn tại trong miền tương tự, tức là thế giới vật chất mà chúng ta đang sống, chúng phải được đo trước tiên ở đó và sau đó chuyển đổi sang miền kỹ thuật số.
Quá trình này được thực hiện bằng cách sử dụng nhiều loại cảm biến và mạch điều hòa tín hiệu. Các kết quả đầu ra được lấy mẫu bằng bộ chuyển đổi tương tự-kỹ thuật số (ADC) và sau đó được ghi theo luồng dựa trên thời gian vào phương tiện bộ nhớ kỹ thuật số, như đã đề cập ở trên. Chúng tôi thường gọi các hệ thống như vậy là hệ thống đo lường.
Thành phần Cảm biến, đầu dò trong một hệ thống đo lường
Phép đo hiện tượng vật lý, chẳng hạn như nhiệt độ, mức độ của nguồn âm thanh hoặc rung động xảy ra do chuyển động liên tục, bắt đầu bằng cảm biến. Cảm biến còn được gọi là bộ chuyển đổi. Một cảm biến chuyển đổi một hiện tượng vật lý thành một tín hiệu điện có thể đo được.
Một số loại cảm biến được phát minh để đo hiện tượng vật lý điển hình:
Tùy thuộc vào loại cảm biến, đầu ra điện của nó có thể là điện áp, dòng điện, điện trở hoặc một thuộc tính điện khác thay đổi theo thời gian. Đầu ra của các cảm biến tương tự này thường được kết nối với đầu vào của bộ điều hòa tín hiệu.
Điều hòa tín hiệu
Các bộ điều hòa tín hiệu đang hoạt động trong việc lấy đầu ra từ các cảm biến tương tự và chuẩn hóa chúng để đưa vào bộ số hóa (A/D converter).
Ví dụ với môt hệ thống đo nhiệt độ. Mạch điều hòa tín hiệu cần tuyến tính hóa đầu ra từ cảm biến cũng như cách ly và khuếch đại để đưa điện áp rất nhỏ lên mức danh định để số hóa.
Mỗi mạch điều hòa tín hiệu được nhà sản xuất thiết kế để thực hiện chuẩn hóa phần tử của đầu ra cảm biến để đảm bảo độ tuyến tính và độ trung thực của nó với các hiện tượng, và chuẩn bị cho số hóa. Và vì mỗi loại cảm biến khác nhau, nên các bộ điều hòa tín hiệu yêu cầu phải phù hợp với các cảm biến đó.
Cách ly điện (Galvanic Isolation)
Cách ly điện là sự tách mạch khỏi các nguồn điện thế khác. Điều này đặc biệt quan trọng với các hệ thống đo lường vì hầu hết các tín hiệu tồn tại ở mức tương đối thấp, và các điện thế bên ngoài có thể ảnh hưởng lớn đến chất lượng tín hiệu, dẫn đến việc đọc sai. Điện thế gây nhiễu có thể là cả AC và DC.
Ví dụ, khi một cảm biến được đặt trực tiếp trên vật phẩm đang được thử nghiệm, (ví dụ: nguồn điện) có điện thế trên mặt đất (tức là không ở 0V), điều này có thể tác động tới độ lệch DC trên tín hiệu hàng trăm vôn. Nhiễu hoặc nhiễu điện cũng có thể ở dạng tín hiệu xoay chiều được tạo ra bởi các thành phần điện khác trong đường dẫn tín hiệu hoặc trong môi trường thử nghiệm xung quanh. Ví dụ, đèn huỳnh quang trong phòng gây ra bức xạ 400Hz có thể được thu nhận bởi các cảm biến rất nhạy.
Đây là lý do tại sao các hệ thống thu thập dữ liệu tốt nhất có các đầu vào được cách ly (isolated)- để duy trì tính toàn vẹn của chuỗi tín hiệu và đảm bảo rằng tín hiệu đầu ra của cảm biến là chính xác. Ngày nay có một số loại kỹ thuật cách ly được sử dụng.
Lọc
Hầu như mọi tín hiệu mà chúng ta muốn đo đều có thể bị ảnh hưởng bởi nhiễu điện hoặc nhiễu khác. Điều này có nhiều nguyên nhân, bao gồm các trường điện từ xung quanh có thể được tạo thành các đường tín hiệu có độ lợi cao hoặc các điện thế đơn giản tồn tại giữa cảm biến hoặc hệ thống đo lường và đối tượng được thử nghiệm. Do đó, hệ thống điều hòa tín hiệu tốt nhất cung cấp bộ lọc có thể lựa chọn mà kỹ sư có thể sử dụng để loại bỏ những nhiễu này và thực hiện các phép đo tốt hơn.
Một số loại lọc tín hiệu cơ bản
Bộ chuyển đổi Analog-Digital (ADC)
Đầu ra của hầu hết các bộ điều hòa tín hiệu đo vật lý là tín hiệu tương tự. Cần phải chuyển đổi tín hiệu này thành một loạt các giá trị kỹ thuật số tốc độ cao để nó có thể được hiển thị và lưu trữ bởi hệ thống thu thập dữ liệu. Do đó, ADC được sử dụng để chuyển đổi tín hiệu này.
Có nhiều loại ADC, bao gồm cả bộ chuyển đổi ghép kênh và bộ chuyển đổi đơn lẻ trên mỗi kênh. Trong hệ thống ADC ghép kênh, một bộ chuyển đổi tín hiệu tương tự sang kỹ thuật số duy nhất được sử dụng để chuyển đổi nhiều tín hiệu từ miền tương tự sang kỹ thuật số. Điều này được thực hiện bằng cách ghép từng tín hiệu tương tự vào ADC.
Đây là cách tiếp cận chi phí thấp hơn so với việc có chip ADC trên mỗi kênh. Nhưng mặt khác, không thể căn chỉnh chính xác các tín hiệu trên trục thời gian, vì chỉ có thể chuyển đổi một tín hiệu tại một thời điểm. Do đó, luôn có độ lệch thời gian giữa các kênh.
Trong những thời đầu thì hệ thống thập dữ liệu với bộ ADC 8-bit rất phổ biến. Nhưng ngày nay ADC 24 bit là tiêu chuẩn trong số hầu hết các hệ thống thu thập dữ liệu được thiết kế để thực hiện các phép đo động và ADC 16 bit thường được coi là độ phân giải tối thiểu cho tín hiệu nói chung.
Tốc độ chuyển đổi tín hiệu được gọi là tốc độ lấy mẫu . Một số ứng dụng nhất định, chẳng hạn như hầu hết các phép đo nhiệt độ, không yêu cầu tốc độ cao vì các đại lượng đo không thay đổi quá nhanh. Tuy nhiên, điện áp và dòng điện xoay chiều, sốc và rung, và nhiều đại lượng đo khác yêu cầu tốc độ lấy mẫu trong hàng chục hoặc hàng trăm nghìn mẫu mỗi giây hoặc hơn.
Một bộ ADC có độ phân giải 16 bit về lý thuyết có thể số hóa tín hiệu với độ phân giải 65,535 (2 ^ 16 = 65,536) và với ADC 24 bit số hóa tín hiệu với độ phân giải 2 ^ 24 = 16,777,216 như vậy nghĩa là cứ 1 V tín hiệu đến thì trên trục Y sẽ được chia làm 16 triệu bước
Kết luận rằng ADC cung cấp tốc độ lấy mẫu cao và độ phân giải trục biên độ cao là tối ưu cho phân tích tín hiệu động như sốc và rung. Tốc độ lấy mẫu thấp và độ phân giải trục biên độ cao thì tối ưu cho cặp nhiệt điện và các đại lượng đo khác có phạm vi rộng nhưng trạng thái thay đổi chậm.
Các bộ ADC cung cấp bộ lọc khử răng cưa (AAF) rất được mong muốn trong tất cả các ứng dụng liên quan đến phép đo động vì chúng ngăn ngừa lỗi đo do lấy mẫu tín hiệu ở tốc độ quá thấp
Trực quan hóa và Hiển thị Dữ liệu
Một trong những chức năng quan trọng nhất của bất kỳ hệ thống DAQ nào là khả năng trực quan hóa dữ liệu theo thời gian thực trong quá trình lưu trữ dữ liệu.
Dữ liệu dạng sóng hầu như luôn có thể được hiển thị dưới dạng sóng Y / T dựa trên biểu đồ hoặc lưới và ở dạng số. Tuy nhiên, các quy ước đồ họa khác có thể được thêm vào, chẳng hạn như dạng biểu đồ thanh, đồ thị tần số / cường độ FFT (Fast Fourier Transform), v.v.
Các hệ thống DAQ linh hoạt nhất hiện nay cho phép người dùng cấu hình một hoặc nhiều màn hình một cách tự do bằng cách sử dụng các widget đồ họa tích hợp một cách dễ dàng. Phần mềm DewesoftX cung cấp một số công cụ hình ảnh tích hợp sẵn chất lượng cao :
Phân tích dữ liệu
Hệ thống thu thập dữ liệu cung cấp một tham chiếu trực quan, quan trọng về trạng thái của bài kiểm tra trong thời gian thực. Nhưng sau khi được lưu trữ trong hệ thống DAQ, dữ liệu cũng có thể được phân tích bằng các công cụ được tích hợp sẵn trong hệ thống DAQ hoặc phần mềm phân tích dữ liệu của bên thứ ba.
Như đã đề cập trước đó, gần như mọi hệ thống DAQ trên thị trường hiện nay đều có một số bộ lọc xuất dữ liệu tích hợp để chuyển đổi định dạng dữ liệu độc quyền của hệ thống sang định dạng dữ liệu của bên thứ ba để phân tích ngoại tuyến.
Tham khảo thêm các loại DAQ tại đây.
