基于虛擬儀器技術的電液伺服測試系統(tǒng)硬件設計

摘要：針對傳統(tǒng)模擬測試方法在電液伺服系統(tǒng)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(tǒng)的技術性能，科學評估裝備維修后到的技術指標，需采用高新技術以達到高效、便捷的測試目的。通過應用當前測試領域先進的虛擬儀器技術，以計算機數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)為開發(fā)平臺，在 LabVIEW虛擬儀器開發(fā)環(huán)境下，構建裝備電液伺服設備性能虛擬測試系統(tǒng)，從8個方面測試設備的各項性能指標。經(jīng)過實踐驗證，該測試系統(tǒng)具有測試精度高、速度快、性價比高、測試的重復性和可靠性高等優(yōu)點，能有效的彌補傳統(tǒng)分離儀表模擬測試方法的不足。

關鍵詞：電液伺服;性能測試;虛擬儀器;LabVIEW平臺;硬件設計

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

文中以虛擬儀器和計算機自動測試為開發(fā)平臺，設計某型裝備電液伺服性能測試系統(tǒng)的硬件實現(xiàn)過程。以計算機數(shù)據(jù)采集、信號處理、GPIB和LabVIEW圖形化語言為核心，進行電液伺服系統(tǒng)的性能檢測與故障診斷，實現(xiàn)測試自動化、數(shù)據(jù)采集精準化。測試系統(tǒng)對提高裝備電液伺服系統(tǒng)的工作穩(wěn)定性、維護及故障排除起到重要作用。

1 虛擬儀器技術員的特點

虛擬儀器是一種概念性儀器，是由計算機、儀表硬件、固件和應用軟件組成的測試系統(tǒng)。使用計算機的軟、硬件資源，使本來需要硬件實現(xiàn)的技術軟件化(虛擬化)，突破了傳統(tǒng)物理儀器在數(shù)據(jù)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為虛擬儀器的計算機硬件平臺。其優(yōu)勢是開放性好，實現(xiàn)了部分物理儀器硬件的軟件化。設計者根據(jù)需求，只要加入不同的軟件模塊，就可以開發(fā)不同功能的測試系統(tǒng)，降低了硬件設計的難度，縮短系統(tǒng)開發(fā)時間，靈活性較強。而其圖形化界面與圖形化編程語言，人機交互較好。虛擬儀器系統(tǒng)包括儀器硬件和開發(fā)軟件兩個基本要素，在虛擬環(huán)境下，硬件系統(tǒng)包括工控計算機和測控功能硬件，開發(fā)軟件包括硬件驅(qū)動程序、應用程序和界面程序。就功能而言，虛擬儀器與傳統(tǒng)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(tǒng)的功能劃分如圖1所示。

2 電液伺服系統(tǒng)測試系統(tǒng)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(tǒng)有兩大組成部分：硬件平臺和軟件系統(tǒng)。硬件平臺包括各類傳感器、信號采集與調(diào)理模塊、工業(yè)控制計算機、控制信號輸入面板、數(shù)據(jù)采集卡和顯示器。軟件部分則利用LabVIEW平臺開發(fā)的應用軟件系統(tǒng)來實現(xiàn)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(tǒng)的原理是通過3類傳感器，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(tǒng)相關部位采集各類模擬信號，將這些信號經(jīng)過檢波、放大、調(diào)理后，由數(shù)據(jù)采集卡進行采集，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(tǒng)的各種參數(shù)設置及性能測試，檢測結果在屏幕上進行顯示或者通過打印機打印輸出。該測試系統(tǒng)的基本原理如圖2所示。

3 電液伺服性能測試系統(tǒng)總體結構設計

3.1 電液伺服虛擬測試系統(tǒng)完成的主要功能

根據(jù)該型裝備電液伺服系統(tǒng)的技術指標，測試系統(tǒng)分八個模塊設計測試功能：

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

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

3)壓力測試：此項是給電液伺服系統(tǒng)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(tǒng)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(nèi)泄漏特性測試：空載狀態(tài)下電液伺服閥零偏時，伺服閥閥芯不在零位測試伺服閥內(nèi)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(nèi)做等幅變頻正弦變化時，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：此項是用來測試電液伺服系統(tǒng)在超壓時，設定的安全閥能否正常工作;對系統(tǒng)進行超壓保護時，調(diào)定值是否為設計時的調(diào)定值，確保安全閥性能正常。

3.2 電液伺服性能測試系統(tǒng)的硬件結構

本裝備電液伺服綜合性能檢測系統(tǒng)的硬件組成包括傳感器系統(tǒng)(壓力采集、流量采集、溫度采集)、信號調(diào)理模塊、數(shù)據(jù)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(tǒng)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(guī)律變換成為電信號輸出，滿足信息的傳輸、處理和控制等要求。通常電液伺服測試系統(tǒng)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(tǒng)根據(jù)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(tǒng)數(shù)據(jù)采集中，對流量的數(shù)據(jù)采集主要是測試系統(tǒng)中兩種工作回路中的流量參數(shù)進行測量(兩個回路分別為高壓回路的小流量參數(shù)及低壓回路的大流量參數(shù))，小流量參數(shù)為2.0 L/min，目的是測試電液伺服系統(tǒng)伺服閥的內(nèi)泄漏、空載流量等參數(shù)。大流量參數(shù)為65 L/min，目的是測試電液伺服系統(tǒng)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，在測試粘度低、油液呈大流量時同時還具有精度好、防腐、抗高壓，抗電磁干擾優(yōu)勢。本套測試系統(tǒng)采用的CLL-8、CLG-4型渦輪流量傳感器，技術指標見表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(shù)據(jù)采集主要是對測試系統(tǒng)中的多個工作回路中的壓力參數(shù)進行測量(分別為油源回路、工作回路和背壓回路)，關鍵是壓力傳感器把測試數(shù)據(jù)輸送到信號調(diào)理模塊中實現(xiàn)初采集。根據(jù)被測對象壓力參數(shù)指標，本系統(tǒng)采用CY-YZ-174微機械加工硅壓力傳感器，技術指標見表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(tǒng)工作時，為防止因為摩擦、節(jié)流、溢流等原因造成溫度過高，從而引起系統(tǒng)損，對系統(tǒng)溫度信號實時進行采集，并分析油溫變化情況。當油溫超出警戒線時，給出信號進行報警。

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

3.3.2 信號調(diào)理模塊

信號調(diào)理模塊也稱隔離變送器模塊，是測試系統(tǒng)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)過此信號調(diào)理模塊變送成用戶所需要的其他信號，實現(xiàn)信號的分配、放大/衰減、信號濾波、隔離傳送、轉接盒調(diào)理傳輸?shù)浇邮赵O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性度。前級信號調(diào)理采用5B系列高性能隔離調(diào)理模塊，對直接接入的各種傳感器信號進行全面調(diào)理。適合環(huán)境惡劣、存在易爆氣體的場合，且使用方便的高性能模塊化隔離調(diào)理模塊，具體技術指標見表4。

3.3.3 數(shù)據(jù)采集卡

數(shù)據(jù)采集(Data Acquisition)卡是實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集功能的計算機擴展卡，通過USB、PXI、PCI、ISA等總線接入計算機。數(shù)據(jù)采集卡由四部分組成，即多路開關、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(shù)據(jù)采集卡的一個重要環(huán)節(jié)，而D/A轉換器則處于工控計算機的后續(xù)通道。綜合各種參數(shù)指標，我們在本套測試系統(tǒng)中采用NI公司的PCI-6025E系列數(shù)據(jù)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(shù)字I/O線;5)2個24位20 MHz計數(shù)器/定時器。

3.3.4 工控計算機

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

4 電液伺服測試系統(tǒng)的技術指標

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(tǒng)中油液的報警控制范圍：0～90℃。

5 結論

利用虛擬儀器技術開發(fā)先進的測試系統(tǒng)是目前測試領域內(nèi)研究的重要方向，本文詳細介紹了某型電液伺服測試系統(tǒng)的組成結構和模型，構建了測試系統(tǒng)的硬件框架，并根據(jù)被測試對象的技術參數(shù)，建立硬件系統(tǒng)，可以自動實現(xiàn)測試功能。實際應用證明，該系統(tǒng)運行良好、自動化程度高、測試數(shù)據(jù)精度高，能高效便捷的實現(xiàn)測試功能。