表1 三种温度传感器的比较

应变测量
    应变是施加于物体的作用力对物体造成形变的大小，它会随着作用力的增加而增长，对于一种材料，应力的增长是有限度的，超过这一限度，材料就要损坏，这个限度称为该种材料的极限应力。
应变测量有多种方法，最常用的是采用应变片。由于受到应力，应变片发生形变（长度发生改变），从而导致其阻值也随之产生正比变化。最常见的应变片是金属应变片。
     金属应变片由极细的金属丝或薄片组成，绕成栅状的形式使它们可以在平行的方向上最大程度地跟随应变发生变化（图5）。栅格粘在被称为载体的薄衬底上，并直接与被测试件连接。因此，被测件产生的应变直接反映到应变片上，使得应变片电阻值产生线性变化。应变片的阻值在30Ω到3000Ω，最常见的阻值标准是120Ω和350Ω。

    由于应变片的阻值变化是微弱的，测量应变几乎都采用带电压激励的电桥形式。惠斯通电桥由4条电阻桥臂及作用于整个电桥的激励电压VEX组成（图6），

电桥输出电压V0表示为：

    从此方程看出，当R1/R2=R4/R3时，电压输出V0为零。在这种条件下，称电桥处于平衡状态。此时任意桥臂上电阻值的变化都将使电桥电压输出不为零。
    因此，如果把图中的R4替换为应变片，应变片电阻值的变化将使电桥处于非平衡状态，从而电压输出非零。如果应变片的理想电阻值为RG，那么应变产生的电阻变化DR可以表示为DR= RG*GF*e。设R1=R2、R3=RG，以上的电桥方程可重写为VO/VEX对应变的函数。注意1/(1+GF*e/2)项，表示1/4桥与应变相关的输出非线性变化。
    理想状态下，我们希望应变片电阻仅在存在应变时才产生变化。然而，其材料及被测试件材料还同时对温度的变化敏感。通过在电桥的另一个桥臂上放入第2个应变片，这样可以使电桥的灵敏度提高一倍，并能够进一步抵消温度的影响，这是因为两块应变片受到温度的影响是相同的，这种桥路被称为半桥。
    还可以通过将电桥4个桥臂都安装工作应变片来实现全桥配置，从而更进一步提高电路的灵敏度，适用于高精度场合。
    NI公司的SCC和SCXI系列调理产品均有针对应变电路调理的模块。NI SCC-SG系列包括五种双通道应变片输入模块，每一种都用于特定的应变片配置， 120Ω，1/4桥；350Ω，1/4桥；半桥和全桥等。调理模块还包括一个2.5V激励源，SG24的激励源是10V的，它们是测压元件和压力传感器输入的理想选择。调理模块的每个通道均配有一个仪器放大器，一个1.6kHz低通滤波器和一个用于桥路零位调整的电位计。NI还提供SCC-SG11模块，该模块可执行可编程分路校准。NI SCXI-1520是8通道通用应变片输入模块，具有进行简单或高级应变测量所需要的所有功能。用户可借助这一模块，从应变传感器、力传感器、扭矩传感器和压力传感器上读取信号。1520包含在各类环境中均可自动校准的板载参考电压，它的每路通道均配有可编程放大器，4阶可编程Butterworth滤波器以及独立的0V到10V的可编程激励源。此外，SCXI-1520系统在模块内部提供了组成半桥电路的电阻网络，并在SCXI-1314接线盒上提供了一个350Ω的插座式电阻用于组成1/4桥，120Ω的1/4桥电阻也随附于接线盒。
    cDAQ模块中，NI 9237具有四路模拟输入通道，其为应变片、压力传感器、测压元件和其他基于电桥测量的传感器而设计。9237由总线供电，可以为传感器提供高达10 V的内置激励，所以电桥不需要外部激励。9237每通道可同步达到50K的采样率，且带有通道-接地隔离。
编码器测量
    编码器是一种机电装置，可以用来测量机械运动或者目标位置（图7）。大多数编码器都使用光学传感器来提供脉冲序列形式的电信号，这些信号可以依次转换成运动、方向或位置信息。

图7 旋转编码器

    按照工作原理编码器可分为增量式和绝对式两类。增量式编码器是将位移转换成周期性的电信号，再把这个电信号转变成计数脉冲，用脉冲的个数表示位移的大小。而绝对式编码器的每一个位置对应一个确定的数字码，因此它的值只与测量的起始和终止位置有关，而与测量的中间过程无关。
    在增量式中编码器获得物体的相对位置。旋转编码器可以测量物体运动的角位移，它由一个发光二极管（LED）、一个码盘，以及码盘背面的一个光传感器。这个码盘安置在旋转轴上，上面按一定编码形式排列着不透光和透光的扇形区域。当码盘转动时，不透光扇区能够遮挡光线，而透光扇区则允许光线透过。这样就产生了方波脉冲，可以编译成相应的位置或运动信息。编码器每转通常分为100到6000个扇区，100个扇区的编码器可以提供3.6度的精度，而6000个扇区的编码器则可以提供0.06度的精度。
    仅有一路脉冲输出的编码器不能确定旋转的角度，如果使用两路脉冲，其间的相位差为90度，那么通过该正交编码器的两路输出通道就可以确定位置和旋转的方向两个信息。例如，如果通道A相位超前，码盘就以顺时针旋转。如果通道B相位超前，那么码盘就是以逆时针旋转（图8）。因此，通过监控脉冲的数目和信号A、B之间的相对相位信息，就可以同时获得旋转的位置和方向信息。除此之外，有些正交编码器还包含被称为零信号或者参考信号的第三个输出通道Z相。这个通道每旋转一圈输出一个单脉冲，可以通过它来精确计算某个参考位置，这种编码器被称为三相编码器。

    线性编码器与旋转编码器的工作原理类似。它采用了一条固定的不透光带取代了旋转码盘，在不透光带表面上有一些透光缝隙，而LED探测器组件则被附在运动体上，这样可以测量物体的线位移。
    绝对式编码器能够获得目标的绝对位置。绝对式编码器的不同之处在于编码器的码盘上，采用了多组分区形成同心码道，如同靶环一样。同心码道从编码器码盘的中心出发，向外扩展直到码盘外部，每一层码道都比其内层多了一倍的分区。第一层，即最内层的码道，只有一个透光扇区和一个不透光扇区；位于中心的第二层就具有两个透光扇区和两个不透光扇区。如果编码器有10层码道，那么最外围的码道就有512个扇区。因为绝对式编码器的每层码道都比它里面一层的码道多了一倍数目的扇区，所以扇区的数目就形成了二进制计数系统。在这种编码器中，码盘上的每个码道都对应一个光源和一个接收器。绝对式编码器的优势在于可以降低编码器的转速，可以使编码器的码盘在整个机器运动周期中只转一圈。如果机器运动距离为10英寸，而编码器具有16位精度，那么机器位置的精度就是10/65,536，即0.00015英寸。如果机器的行程更长譬如6英尺，那么粗旋转编码器可以保证跟踪每一英尺距离；第二级称为细旋转编码器可以跟踪1英尺以内的距离。
    编码器是对信号边沿计数，由边沿数值转换为位置信息的过程取决于所采用的编码类型。通常分为三种基本的编码类型：X1、X2和X4。X1编码方式时，当通道A引导通道B时，增量发生在通道A的上升沿。当通道B引导通道A时，减量发生在通道A的下降沿（图9）：

图9 X1编码

    X2编码方式时，计数器A通道的每个边沿计数是增加还是减少，取决于由哪个通道引导哪个通道。计数器的数值每个周期都会增加2个或减少2个（图10）：

    X4编码方式时，计数器同样也在通道A和B的每个沿上发生增加或者减少。计数器的数目是增加还是减少，取决于哪个通道引导哪个通道。计数器的数目每个周期都会增加4个或减少4个（图11）：

对于角度编码器，有

    NI M系列数据采集卡所带有的Counter可以满足ABZ三相编码器的测量，这三路脉冲信号需要直接连接到Counter的Source，Gate和Aux上，经过设置编码器类型，编码方式等信息，可以直接换算成需要的旋转角度或位移值。
声音和振动测量
    振动是有质量的物体发生在平衡点附近的机械振荡运动，振动会产生压力波，压力波在空气中传播便产生了声音。声音与振动在本质上是通过不同的介质传播的。但在理论层面上，两者之间是相互联系的，所以测量声音与振动在从本质来看也是相似的。
    某些电介质在沿一定方向上受到外力的作用而变形时，其内部会产生极化现象，同时在它的两个相对表面上出现正负相反的电荷。当外力去掉后，它又会恢复到不带电的状态，这种现象称为正压电效应。当作用力的方向改变时，电荷的极性也随之改变。相反，当在电介质的极化方向上施加电场，这些电介质也会发生变形，电场去掉后，电介质的变形随之消失，这种现象称为逆压电效应，或称为电致伸缩现象。依据电介质压电效应研制的一类传感器称为为压电传感器。许多测量加速度和压力的传感器都是基于压电原理的（图12）。
    IEPE是压电式传感器的一个特殊类别，设计中它在压电晶体后安装了一个放大器（图13）。由于压电式传感器产生的电压很小，所产生的电子信号容易受到噪音影响，所以必须使用灵敏电子器件来放大和制约信号，降低输出阻抗。因此IEPE将灵敏电子器件安装得离传感器越近越好，以减少噪声干扰，确保了组装的便捷。常规IEPE传感器使用外部直流电源来提供激励，根据压电晶体接收到的不同电量来调整输出电压。IEPE在传感器激励（电流）和信号（电压）输出时只用一到两根线。
    声音与振动的测试容易受到噪音的影响，需要对信号进行适当的调理。传感器获取的信号包括直流和交流两个部分，直流部分可将交流部分偏移零点。交流耦合可以通过连接信号的电容器，消除系统中的直流偏移。交流耦合传感器系统可消除由老化和温度效应引起的传感器长期直流漂移，从而显著地提高了分辨率，扩大了系统的可用动态范围。在精密测量过程中，系统的采样率必须至少是被采集信号频率的两倍。为了确保频率范围采样正确，在ADC前安装低通滤波器，这样就能够确保您减小高频率噪音的影响，也可以保证高于采样率频率二分之一的混叠信号成分不会影响到测量结果。

图13 IEPE传感器

    由于声音和振动这类信号属于动态信号，其幅值频率甚至方向都随时间不断变化，仅使用普通数采卡很难对其较好地采集，需要再附加上调理模块。NI SCC-ACC01是一款单通道信号调理模块，专用于IEPE传感器或麦克风。该模块包括一个交流差动放大器，一个3阶Besse低通滤波器(19 kHz)以及用于传感器激励的4mA恒定电流源。NI SCXI-1530/1531同样也是用于IEPE传感器和麦克风的信号调理模块。其每一输入通道均包括可编程交流仪器放大器，4阶Bessel低通滤波器和激励电流源。NI SCXI-1530/1531具有同步采样能力，可以保持通道间的相位关系，该模块可以将信号在DAQ设备的一路通道中复用，也可另加模块以增加通道数，通过随机扫描，可以只选择想要采集数据的通道，且具有可提高扫描速率的并行操作模式以及可简化信号连接的BNC连接器。
NI同样也提供专门的动态信号采集卡(DSA设备)对声音和振动信号进行采集。在cDAQ模块中，NI 9233/9234用于动态信号的采集，其作为4通道C系列动态信号采集模块，能针对集成电路压电式(IEPE)与非集成电路压电式(IEPE)传感器，进行高精度音频测量。其中NI 9234具有102dB动态范围，能对加速度传感器和麦克风进行软件可选式交流/直流耦合与集成电路压电式(IEPE)信号调理。4条输入通道借助自动调节采样率的内置抗混叠滤波器，同时以每通道高达51.2kHz的速率对信号进行数字化（图14）

图14 9234对IEPE传感器的调理
此外，NI 445x和446x的DSA采集卡也是专门针对动态信号设计的。