基于虛擬儀器技術(shù)的電液伺服測試系統硬件設計

摘要：針對傳統模擬測試方法在電液伺服系統性能測試方面的局限性，為全面、準確測試某型裝備電液伺服系統的技術(shù)性能，科學(xué)評估裝備維修后到的技術(shù)指標，需采用高新技術(shù)以達到高效、便捷的測試目的。通過(guò)應用當前測試領(lǐng)域先進(jìn)的虛擬儀器技術(shù)，以計算機數據采集和處理系統為開(kāi)發(fā)平臺，在 LabVIEW虛擬儀器開(kāi)發(fā)環(huán)境下，構建裝備電液伺服設備性能虛擬測試系統，從8個(gè)方面測試設備的各項性能指標。經(jīng)過(guò)實(shí)踐驗證，該測試系統具有測試精度高、速度快、性?xún)r(jià)比高、測試的重復性和可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，能有效的彌補傳統分離儀表模擬測試方法的不足。

關(guān)鍵詞：電液伺服;性能測試;虛擬儀器;LabVIEW平臺;硬件設計

隨著(zhù)現代軍事裝備技術(shù)的不斷進(jìn)步，武器系統的結構越來(lái)越復雜，性能越來(lái)越先進(jìn)。電液伺服系統除了具有液壓傳動(dòng)的各種優(yōu)點(diǎn)外，還具有體積小、反應快、系統剛度大和控制精度高等優(yōu)點(diǎn)，在武器系統中得到廣泛應用。傳統的電液伺服測試系統采用的分立模擬儀表技術(shù)，因其要求儀器儀表數量多、測試精度差、人為操作誤差大、成本高等缺點(diǎn)，已經(jīng)無(wú)法滿(mǎn)足現代電液伺服系統高精度、自動(dòng)化的檢測需求。隨著(zhù)計算機技術(shù)和液壓測試技術(shù)的飛速發(fā)展，計算機輔助測試(CAT)技術(shù)和虛擬儀器在液壓系統測試中得到了廣泛的應用。它具有測試精度高、速度快、性?xún)r(jià)比高、測試的重復性和可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，有著(zhù)很好的應用前景。開(kāi)發(fā)一套基于虛擬儀器平臺的測試系統，可以很好地解決裝備電液伺服系統的性能測試和維護難題。

文中以虛擬儀器和計算機自動(dòng)測試為開(kāi)發(fā)平臺，設計某型裝備電液伺服性能測試系統的硬件實(shí)現過(guò)程。以計算機數據采集、信號處理、GPIB和LabVIEW圖形化語(yǔ)言為核心，進(jìn)行電液伺服系統的性能檢測與故障診斷，實(shí)現測試自動(dòng)化、數據采集精準化。測試系統對提高裝備電液伺服系統的工作穩定性、維護及故障排除起到重要作用。

1 虛擬儀器技術(shù)員的特點(diǎn)

虛擬儀器是一種概念性?xún)x器，是由計算機、儀表硬件、固件和應用軟件組成的測試系統。使用計算機的軟、硬件資源，使本來(lái)需要硬件實(shí)現的技術(shù)軟件化(虛擬化)，突破了傳統物理儀器在數據處理、精度等方面的局限，提高儀器的功能和使用效率。計算機與模塊化功能硬件稱(chēng)為虛擬儀器的計算機硬件平臺。其優(yōu)勢是開(kāi)放性好，實(shí)現了部分物理儀器硬件的軟件化。設計者根據需求，只要加入不同的軟件模塊，就可以開(kāi)發(fā)不同功能的測試系統，降低了硬件設計的難度，縮短系統開(kāi)發(fā)時(shí)間，靈活性較強。而其圖形化界面與圖形化編程語(yǔ)言，人機交互較好。虛擬儀器系統包括儀器硬件和開(kāi)發(fā)軟件兩個(gè)基本要素，在虛擬環(huán)境下，硬件系統包括工控計算機和測控功能硬件，開(kāi)發(fā)軟件包括硬件驅動(dòng)程序、應用程序和界面程序。就功能而言，虛擬儀器與傳統物理儀器一樣也是由3大功能塊組成，即信號采集、信號的分析處理、結果表達。虛擬儀器系統的功能劃分如圖1所示。

2 電液伺服系統測試系統的原理構成

本文設計的某型裝備電液伺服綜合性能檢測系統有兩大組成部分：硬件平臺和軟件系統。硬件平臺包括各類(lèi)傳感器、信號采集與調理模塊、工業(yè)控制計算機、控制信號輸入面板、數據采集卡和顯示器。軟件部分則利用LabVIEW平臺開(kāi)發(fā)的應用軟件系統來(lái)實(shí)現信號的采集、分析、處理和顯示。

某型裝備電液伺服綜合性能檢測系統的原理是通過(guò)3類(lèi)傳感器，即壓力傳感器、流量傳感器、溫度傳感器，從被測電液伺服系統相關(guān)部位采集各類(lèi)模擬信號，將這些信號經(jīng)過(guò)檢波、放大、調理后，由數據采集卡進(jìn)行采集，然后將信號送往工控機，在LabVIEW軟件平臺下完成被測電液伺服系統的各種參數設置及性能測試，檢測結果在屏幕上進(jìn)行顯示或者通過(guò)打印機打印輸出。該測試系統的基本原理如圖2所示。

3 電液伺服性能測試系統總體結構設計

3.1 電液伺服虛擬測試系統完成的主要功能

根據該型裝備電液伺服系統的技術(shù)指標，測試系統分八個(gè)模塊設計測試功能：

1)初始狀態(tài)測試：測試電液伺服系統啟動(dòng)前的各項機械、電氣所處的狀態(tài)。

2)準備狀態(tài)測試：給測試系統電控制信號后，測試系統啟動(dòng)并進(jìn)入加電工作狀態(tài)，顯示目前的各項工作參數。

3)壓力測試：此項是給電液伺服系統中旁通組合加電，測試旁通回路的壓力。

4)主泵壓力流量測試：測試電液伺服系統中液壓源的性能指標，包括工作壓力和輸出流量，依此判斷液壓泵的功率情況。

5)電液伺服閥內泄漏特性測試：空載狀態(tài)下電液伺服閥零偏時(shí)，伺服閥閥芯不在零位測試伺服閥內泄漏值。

6)電液伺服閥空載流量測試：給定伺服閥壓降和零負載壓力下，使輸入電流在正負額定電流之間，以使閥的動(dòng)態(tài)特性不產(chǎn)生影響，測試負載輸出的流量。

7)電液伺服閥頻率響應測試：輸入電流在某一頻率范圍內做等幅變頻正弦變化時(shí)，測試空載流量與輸入電流的百分比，測試伺服閥的頻寬值。

8)安全閥性能測試：此項是用來(lái)測試電液伺服系統在超壓時(shí)，設定的安全閥能否正常工作;對系統進(jìn)行超壓保護時(shí)，調定值是否為設計時(shí)的調定值，確保安全閥性能正常。

3.2 電液伺服性能測試系統的硬件結構

本裝備電液伺服綜合性能檢測系統的硬件組成包括傳感器系統(壓力采集、流量采集、溫度采集)、信號調理模塊、數據采集卡(DAQ)、工程控制計算機等，硬件組成如圖3所示。

3.3 測試系統硬件

3.3.1 傳感器

傳感器是一種檢測裝置，能將檢測到的信息按一定規律變換成為電信號輸出，滿(mǎn)足信息的傳輸、處理和控制等要求。通常電液伺服測試系統所要測量的物理量一般是溫度、壓力、流量等非電量和伺服閥控制電流電壓等電量。本測試系統根據該型裝備測試對象的性能指標，主要選取的傳感器為是流量傳感器、壓力傳感器、溫度傳感器和電流傳感器。

1)流量傳感器

在本套測試系統數據采集中，對流量的數據采集主要是測試系統中兩種工作回路中的流量參數進(jìn)行測量(兩個(gè)回路分別為高壓回路的小流量參數及低壓回路的大流量參數)，小流量參數為2.0 L/min，目的是測試電液伺服系統伺服閥的內泄漏、空載流量等參數。大流量參數為65 L/min，目的是測試電液伺服系統的回油能力和能量源性能。

流量傳感器主要有渦輪流量傳感器和齒輪流量傳感器等，渦輪流量傳感器具有體積小、重量輕、耐高溫、防爆、不耗電等優(yōu)點(diǎn)，在測試粘度低、油液呈大流量時(shí)同時(shí)還具有精度好、防腐、抗高壓，抗電磁干擾優(yōu)勢。本套測試系統采用的CLL-8、CLG-4型渦輪流量傳感器，技術(shù)指標見(jiàn)表1。

2)壓力傳感器

壓力傳感器主要有電容式壓力傳感器、變磁阻式壓力傳感器、光纖式壓力傳感器、諧振式壓力傳感器等。對壓力的數據采集主要是對測試系統中的多個(gè)工作回路中的壓力參數進(jìn)行測量(分別為油源回路、工作回路和背壓回路)，關(guān)鍵是壓力傳感器把測試數據輸送到信號調理模塊中實(shí)現初采集。根據被測對象壓力參數指標，本系統采用CY-YZ-174微機械加工硅壓力傳感器，技術(shù)指標見(jiàn)表2。

3)溫度傳感器

溫度傳感器分為熱電阻式傳感器、熱電偶式傳感器、接觸式溫度傳感器、非接觸式溫度傳感器等。在電液伺服系統工作時(shí)，為防止因為摩擦、節流、溢流等原因造成溫度過(guò)高，從而引起系統損，對系統溫度信號實(shí)時(shí)進(jìn)行采集，并分析油溫變化情況。當油溫超出警戒線(xiàn)時(shí)，給出信號進(jìn)行報警。

測試系統主回油最高報警溫度為80℃，熱敏電阻式溫度傳感器已能滿(mǎn)足系統需要。熱敏電阻式傳感器具有測量精度高、穩定性能好、抗腐蝕性好、抗惡劣環(huán)境性能好的特點(diǎn)。本系統采用WZP-533溫度傳感器，技術(shù)指標見(jiàn)表3。

3.3.2 信號調理模塊

信號調理模塊也稱(chēng)隔離變送器模塊，是測試系統信號到被測對象的信號通道，將接收設備產(chǎn)生的各種信號，經(jīng)過(guò)此信號調理模塊變送成用戶(hù)所需要的其他信號，實(shí)現信號的分配、放大/衰減、信號濾波、隔離傳送、轉接盒調理傳輸到接收設備，可以有效抑制設備之間的信號干擾，具有更好的溫漂特性和線(xiàn)性度。前級信號調理采用5B系列高性能隔離調理模塊，對直接接入的各種傳感器信號進(jìn)行全面調理。適合環(huán)境惡劣、存在易爆氣體的場(chǎng)合，且使用方便的高性能模塊化隔離調理模塊，具體技術(shù)指標見(jiàn)表4。

3.3.3 數據采集卡

數據采集(Data Acquisition)卡是實(shí)現數據采集功能的計算機擴展卡，通過(guò)USB、PXI、PCI、ISA等總線(xiàn)接入計算機。數據采集卡由四部分組成，即多路開(kāi)關(guān)、放大器、采樣/保持器和A/D轉換器。4部分均處于工控計算機的前向通道，是集成數據采集卡的一個(gè)重要環(huán)節，而D/A轉換器則處于工控計算機的后續通道。綜合各種參數指標，我們在本套測試系統中采用NI公司的PCI-6025E系列數據采集卡，具體指標如下：1)16路12位單端模擬輸入;2)200 kS/s采樣速率;3)2路12位模擬輸出;4)32條數字I/O線(xiàn);5)2個(gè)24位20 MHz計數器/定時(shí)器。

3.3.4 工控計算機

測試現場(chǎng)設備振動(dòng)強度大，環(huán)境惡劣，電磁干擾嚴重，因此所選用的工業(yè)控制計算機必須滿(mǎn)足抗干擾性能好，穩定性能優(yōu)等要求。本系統選用某公司生產(chǎn)的IPC系列機箱，內置NORC0-660VE全長(cháng)CPU卡，該卡集成了VGA顯卡及10 M/100 M自適應網(wǎng)卡，具有超溫報警自動(dòng)降頻、ESD保護、BIOS防病毒等先進(jìn)功能，機箱具備特殊的模塊化設計，可使用戶(hù)以最短停機時(shí)間維護系統，并具有較高的防塵、防磁、防沖擊的能力，適合現場(chǎng)使用。

4 電液伺服測試系統的技術(shù)指標

1)測試精度：壓力、流量、溫度、電流：1%。

2)輸入強電信號：380 V±15%220 V±10%50 Hz±10%。

3)傳感器輸出：0～10 mA。

4)系統中油液的報警控制范圍：0～90℃。

5 結論

利用虛擬儀器技術(shù)開(kāi)發(fā)先進(jìn)的測試系統是目前測試領(lǐng)域內研究的重要方向，本文詳細介紹了某型電液伺服測試系統的組成結構和模型，構建了測試系統的硬件框架，并根據被測試對象的技術(shù)參數，建立硬件系統，可以自動(dòng)實(shí)現測試功能。實(shí)際應用證明，該系統運行良好、自動(dòng)化程度高、測試數據精度高，能高效便捷的實(shí)現測試功能。