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基于虚拟仪器的静压传动远程监测系统研究 摘要 为了解决传统液压测试系统中操作人员工作强度大、测试效率低、 环境差、测量精度差等问题和为了满足静压传动实验室对测试系统低 成本、多功能的要求。本文对静压传动测试方法进行了分析和研究， 在虚拟仪器技术及其发展进行深入研究的基础上，将虚拟仪器技术的 核心引入液压测试系统。 论文简要介绍了虚拟仪器以及图形化处理软件l a b v i e w ，分析了 液压测试分析系统的组成及信号分析的基本理论，并指出了虚拟仪器 应用于液压测试系统的可行性。详细介绍了相关的测试硬件原理，配 合必要的传感器、信号调理板和数据采集卡，实现了测试中系统运行、 信号采集、数据处理、数据输出、曲线拟合、数据存储、远程监测、 数据打印、排除干扰等方面的内容。完成了液压泵、马达排量试验、 效率试验、变量试验等型式试验项目的编程，并对测试结果进行了分 析。实现了测试系统的智能化、自动化和虚拟化，满足了多参数同时 测量、各类曲线自动生成拟和的要求。节省了大量的实际物理仪器， 大幅度降低了系统成本。软件采用了模块化编程方式，使程序结构清 晰，易于阅读、维护和功能的扩展。最后通过虚拟仪器远程控制面板 ( r e m o t ep a n e l s ) 实现了对静压传动系统的远程监测。 关键词：静压传动，虚拟仪器，曲线拟和，效率试验，模块化编程 浙江工业大学硕士学位论文 r e s e a r c ho fh y d r o s t a t i ct ra n s s s i o nr e m o t e m o n i t o r i n ga n dt e s t i n gs y s t e mb a s e do n v i r t u 虬i n s t r i 腿n t a bs t r a c t t or e s o l v et h e s e d i s a d v a n t a g e s o ft h ec h a r a c t e r i s t i c so fo r i g i n a l h y d r a u l i ct e s ts y s t e m sa r eg r e a t e ri n t e n s i t yo fl a b o rf o r c e ，l o w e rt e s t ，一 j一一一 e l l c i e n c y , b a de n v i r o n m e n ta n dl o w e rp r e c i s i o n ，e t c ，a n dt om e e tt h el o w e r c o s t ，m u l t i f u n c t i o n a lr e s e a r c hr e q u i r e m e n to fh y d r o s t a t i ct r a n s m i s s i o n l a b o r a t o r y t h ea n a l y s i sa n dr e s e a r c ho fh y d r o s t a t i ct r a n s m i s s i o nt e s t i n g m e t h o dh a v eb e e np u tf o r w a r di nt h i sp a p e r b a s e do nd e e p l yr e s e a r c h e so n t h ev i ( v i r t u a li n s t r u m e n t ) t e c h n o l o g ya n di t sd e v e l o p m e n t ，t h ea u t h o rl e a d s k e m e lo fv it e c h n o l o g yi n t oh y d r a u l i ct e s ts y s t e m t h i st h e s i si n t r o d u c e st h ec o n c e p to fv i r t u a li n s t r u m e n t ，a n a l y s e st h e p o s i t i o no fh y d r a u l i c s t i n gs y a n dt h ( t h e o r yo fs i g n a la nalysiscomposition o fh y d r a u l i ct e s t i n gs y s t e ma n dt h et h e o r yo fs i v aa n a l y s i s 1 p o i n t so u t t h ef e a s i b i l i t yo ft h ea p p l i c a t i o no fv i r t u a li n s t r u m e n ti n h y d r a u l i ct e s ts y s t e m s i td i s c u s s e st h ep r i n c i p l eo ft h eh a r d w a r ei nd e t a i l a n dm a d eu s eo fe s s e n t i a ls e n s o r , s i g n a lc o n d i t i o n e ra n dd a t aa c q u i s i t i o n c a r dt om a k et h es y s t e mr u n n i n g ，t h es i g n a lg a t h e r i n g ，t h ed a t ap r o c e s s i n g ， t h ed a t ae x p o r t i n g ，t h ed a t as t o r a g e ，t h ed a t ap r i n t i n gt h ec u r v ef i t t i n g ，t h e r e m o t em o n i t o r i n ga n dt h ei n t e r f e r er e m o v i n g ，a n dw e p r o g r a m m e df o rt h e 浙江工业大学硕士学位论文 d e l i v e r yc a p a c i t yt e s t i n g ，t h ee f f i c i e n c yt e s t i n g ，t h ev a r i e t yt e s t i n ga n d a n a l y z e t h eo m c o m eo ft e s t i n g t h et e s t s y s t e mi si n t e l l e c t u a l i z e d ， r o b o t i c i z e da n dv i r t u a l i z e d ，a n dm e e tt h er e q u e s to ft h ec o n t e m p o r a r y m e a s u r e m e n to f m a n yp a r a m e t e r sa n dt h ef i t t i n go fa l lk i n d so fc u r v e s t h e s o f t w a r ea d o p t st h em o d u l a r i z a t i o n p r o g r a m m i n gm o d e ，i t se a s i l y b e r e a d i n g ，m a i n t a i n i n ga n df u n c t i o ne x t e n d m g a tl a s tw er e a l i z et h er e m o t e m o n i t o r i n go fh y d r o s t a t i ct r a n s m i s s i o nt h r o u g hv i r t u a li n s t r u m e n tr e m o t e p a n e l s k e yw o r d s ：h y d r o s t a t i ct r a n s m i s s i o n ，v i r t u a li n s t r u m e n t ，c u r v ef i t t i n g ， e f f i c i e n c yt e s t i n g ，m o d u l a r i z a t i o np r o g r a m m i n g i n 浙江工业大学硕士学位论文 浙江工业大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立进行研 究工作所取得的研究成果。除文中已经加以标注引用的内容外，本论文不包 含其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果，也不含为获得浙江工业大 学或其它教育机构的学位证书而使用过的材料。对本文的研究作出重要贡献 的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人承担本声明的法律责任。 作者签名：锄缛、日期：口年j 月了f e t 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查 阅和借阅。本人授权浙江工业大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入 有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本 学位论文。 本学位论文属于 l 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密鼠 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名：专觋， 导师签名： 勤争 e l 期：0 苫年 日期：勺男年 上月歹日 岁月j 1 日 浙江工业大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 选题的背景及研究的意义 1 1 1 选题的背景 本课题研制的液压泵试验台测试系统，是一种借助于虚拟仪器技术的自动化 测试系统。液压泵的测试过程不仅是对设计和制造液压泵的一个检验过程，也是 对测试对象的重新认识过程，测试结果可作为设计和制造新品的依据，也可作为 对研究所得理论的检验。 在国外，由于微机和电子技术发展较早、较快，水平较高、其计算机辅助测 试系统性能也较高。有许多液压件制造公司已把计算机辅助测试用于产品的研制 开发、设计定型、生产定型和出厂的检验。如s u n d s t r o n 公司的液压传动实验 室的计算机辅助测试系统，日本制钢所的柱塞泵效率试验台等。目前多数液压元 件生产厂家都有自己的液压元件计算机辅助测试系统。 我国已研制出一些具有较高性能的液压计算机辅助测试系统，如机械部北京 自动化所研制的液压元件计算机辅助测试系统可完成多种阀及泵的性能测试；北 京理工大学研制的液压泵( 液压马达、液压泵一液压马达传动系统) 工作特性的 计算机辅助实验系统；上海交通大学及昆山液压件厂共同研制的液压阀特性试验 系统等等【l 】。许多厂家也用计算机辅助测试系统来进行液压元件的出厂检验。这些 计算机辅助测试系统大都实现了动态测试，数据处理能力增强，功能大大增加。 但这些试验台不都是针对液压泵的，所以不能对泵进行很好的测试或不能全面的 进行测试，计算机主机性能和测试软件功能也有待进一步增强。 1 1 2 课题研究的意义 本课题拟研制的液压泵试验台测试系统，是一种借助于虚拟仪器技术的自动 化测试系统。测试结果可作为设计和制造新品的依据，也可作为对研究所得理论 的检验。 液压元件性能的优良将直接影响液压系统性能的好坏，在出厂和使用前都要 浙江工业大学硕士学位论文 对其主要的静态、动态特性进行检测。液压元件的性能检测主要包括：液压泵的 压力流量特性、容积效率、机械效率，液压阀的启闭特性等等。液压系统的调试 过程和使用期间，也要对其特性进行检测。传统的检测方法是要在检测部位安装 压力表、流量计、功率表等检测仪器，通过人工观察的方式来进行，其方法落后、 精度低、速度慢、人为影响因素较多。随着计算机技术的发展，采用传感元件及 计算机系统对液压传动系统的特性进行自动检测，并对检测数据进行自动分析和 处理，并查出故障产生的部位和原因，对保障液压系统的正常工作有着重要的意 义，为研究液压泵奠定试验基础，为开发同类液压试验系统提供参考。 虚拟仪器系统是对传统仪器的重大突破，是测控技术与计算机技术结合的产 物。它从根本上更新了仪器的概念，具有传统仪器根本无法比拟的优势。虚拟仪 器不仅推进了以仪器为基础的测试系统的改进，同时也影响了以数据采集为主的 测试系统的传统结构方法的发展。过去独立分散、互不相干的许多领域，在虚拟 仪器系统的概念下，正在逐渐靠拢、相互影响，并形成新的技术方法和技术规范 在工业检测方面，虚拟仪器正在越来越多地引起人们的注意，得到了广泛的应用。 在液压传动技术当中，为保证系统的正常运行及达到较好的效果，无论是液压元 件，还是液压系统，都要对其性能进行检测。 1 2 本课题拟采取的研究方案 1 2 1 研究目标、研究内容和拟解决的关键问题 本课题将静压传动远程监测系统试验台方案确定及具体方案的实现过程，作 为研究的目标。 针对静压传动试验台高精度、多功能的测试要求，采用虚拟仪器技术进行开 发，由计算机根据测试项目要求，自动控制压力、流量、转速等参量，完成对静 压传动核心元件液压泵的自动测试。主要研究内容包括： ( 1 ) 研究静压传动试验台技术要求，确定静压传动试验台组成方案； ( 2 ) 根据液压系统的压力、流量、转速、扭矩等工作参数选择相应规格的压力、 流量、转速、扭矩传感器并进行安装调试； ( 3 ) 静压传动系统的压力、流量、转速、扭矩等工作参数的在线检测、数据采 2 浙江工业大学硕士学位论文 集与控制软件的编制，以实现典型工况的远程计算机在线测试； ( 4 ) 实验结果处理与报告生成软件的设计以及系统调试。依托虚拟仪器生成的 虚拟面板进行实验数据处理以及实验结果、性能曲线的输出和显示； 在科学技术飞速发展的今天，自动测试系统的开发既要立足现在，又要面向 未来，因此液压c a t 系统的设计以组合化和开放式系统为指导思想，选用成熟的现 成的硬件模板和软件进行组合。如此可简化设计并缩短设计周期，结构灵活，便 于扩充和更新，使系统的适应性增强，维修方便快捷，降低维护费用。组合化设 计的基础是模块化( 又称积木化) ，硬软件功能模块化是实现最佳系统设计的关键。 而引入虚拟仪器技术后，软件在系统中的地位变得非常重要，它担负着对数据进 行分析处理的重任。在很大程度上，系统能否成功运行，就取决于软件。因此， 液压c a t 系统软件的设计成为系统设计中的关键问题。 ( 1 ) 设备的通用性和自动化问题 不同的液压泵存在着性能、应用技术上的较大差异。根据各型液压泵特点和 通用性试验技术标准，设计相应的通用试验和具体试验方法。为适合各种型号泵 的测试，设计泵兼容接口，按通用性要求对程序进行模块化设计，以便于升级和 扩展。对其他液压泵进行测试时，更换不同的液压泵兼容接口，只改变程序便可 实现各自的任务要求。虚拟仪器良好的显示和控制界面可满足自动化要求。 ( 2 ) 测试的准确度和系统稳定性问题 液压泵的项目测试，要求各参数具有较高准确度并保持稳定。 一是采用精密器件；二是隔离机械液压部分与检测部分，采用抗干扰和虚拟 仪器技术实现双余度检测；三是采用高分辨率数据采集系统及软硬件综合测试方 法。 1 2 2 采用的开发方案 整个试验台液压c a t 系统由计算机完成试验参数的数据采集和处理分析功能， 充分运用虚拟仪器技术，采用积木化( 又称模块化) 设计，选用标准的模块化硬 件，如：各物理量的传感器、数据采集卡( 有的可集成信号调理) 、计算机等。数 据采集卡可直接插在计算机的扩展槽内，软件也使用模块化可重用代码。重用部 分可不经修改或稍加修改，就“插接”到其他程序中去。计算机是虚拟仪器的硬 3 浙江工业大学硕士学位论文 件基础。虚拟仪器充分利用了计算机的资源( 处理器、存储器、显示器等) 及插 件卡功能( 定时、a d 、d a 转换器、高速缓存、数字i o 电路等) ，通过支持软件 来完成数据采集、过程通讯、数据分析处理及仪器界面设计等功能。软件的一般 设计内容是： ( 1 ) 能满足测试系统的测试项目、内容、试验方法的要求； ( 2 ) 完成特性参数的计算、特性曲线的拟合、试验数据的建摸、误差分析等： ( 3 ) 传感器的非线性校正、温度补偿； ( 4 ) 多种形式的输出结果，如屏幕显示、打印、绘图、数据文件管理等。 引入虚拟仪器技术后，便可通过软件编程实现对各对各对象数据的采集、传 输和故障报警等控制。系统自检程序可检查电源、接口卡、开关、传感器及其他 部分仪器等硬件的环境设置状态及工作状态。项目测试模块是测试程序的核心， 主要完成测试参数的采集，并对测试数据进行分析处理，提供单项测试、自动检 测等不同的测试方法。 1 3 虚拟仪器的概述 所谓虚拟仪器，就是在以计算机为核心的平台上，其功能由用户设计和定义， 具有虚拟面板，其测试功能由测试软件实现的一种计算机仪器系统。虚拟仪器的 实质是利用计算机显示器的显示功能来模拟传统仪器的控制面板，以多种形式表 达输出检测结果，利用计算机强大的软件功能实现信号数据的运算、分析和处理， 利用i o 接口设备完成信号的采集、测量和调理，从而完成各种测试功能的计算机 仪器系统。 虚拟仪器是根据用户需要自己定义的。用户可以灵活地将各种计算机平台、 硬件、软件和各种附备件结合起来，组成自己所需要的特定的应用设备。与传统 仪器相比，它具有以下特点： ( 1 ) 通用硬件平台确定后，由软件取代传统仪器中的硬件来完成仪器的功能； ( 2 ) 虚拟仪器系统中，软件具有强大的信号分析和处理功能； ( 3 ) 仪器的功能是由用户根据需要由软件来定义的，而不是事先由厂家定义好的： ( 4 ) 仪器性能的改进和功能的扩展只需要更新相关软件设计，而不需购买新的仪 器： 4 浙江工业大学硕士学位论文 ( 5 ) 研制周期较传统仪器大为缩短； ( 6 ) 虚拟仪器开放、灵活、可与计算机同步发展，与网络及其他周边设备互联。 决定虚拟仪器具有传统仪器不可能具备的特点的根本原因在于“软件就是仪 器 ，灵活性和可调整性成为其主要的优势。通过建立以功能强大的开发软件为基 础的虚拟仪器系统，设计出软、硬件无缝集成的开放式架构，不但确保了系统不 仅能在今天使用，而且在未来同样可以轻松集成新技术，或根据新要求在原有基 础上扩展系统功能。此外，虚拟仪器技术可满足每个应用系统独特的要求，灵活 提供多种解决方案。 虚拟仪器的硬件模块化可以重用和重新配置。系统功能、规模可通过修改软 件、更换仪器硬件而增减，技术更新速度快，开发维护费用低。仪器硬件仅起着 信号输入、输出功能，软件才是整个仪器的关键。使用者用鼠标或键盘操作虚拟 面板，就如同使用一台专用测量仪器一样。因此，虚拟仪器的出现，是对传统仪 器概念的重大突破，它使自动测试系统从传统的机架层叠式结构发展成为模块式 结构。 虚拟仪器可广泛应用于测量、控制、通信、信号处理、嵌入式等系统中，如 图2 1 所示，包括航天航空、军事工程、汽车、电力工程、机械工程、建筑工程、 铁路交通、地质勘探、生物医疗等很多需要高性能测控设备进行科学分析的领域。 例如，利用虚拟仪器系统可以开发复杂的汽车驾驶室模拟仿真系统，汽车a b s 传感 器功能测试系统；可以测试飞机飞行过程中的噪音，进行飞机发动机测试，飞行 控制系统测试；可以用于电力参数的测试，构建电力测量控制系统；可以用于开 发内燃机测试系统等等。随着计算机技术的不断发展，虚拟仪器技术必将在很多领 域中发挥其重要作用，它必然会对科学技术的发展和国防、工业、农业产生不可 估量的影响。虚拟仪器所表现出的强大的生命力，预示着它将具有广阔的发展前景。 5 浙江工业大学硕士学位论文 1 4 本章小结 图2 1 基于虚拟仪器测试系统组成 叠 本章主要阐述了本课题研究的背景和意义，本课题拟采用的开发方案，以及 研究的内容和关键问题。最后，在说明课题来源的基础上，对虚拟仪器进行了概 括介绍。 6 浙江工业大学硕士学位论文 第二章静压测试系统的总体方案 2 1 液压实验的分类与实验标准 随着液压技术应用范围日益广泛，对液压元件及系统的质量和性能要求越来 越高。使用者和设计者都需要充分了解它们的性能，故必须通过实验对它们作出 全面的考核，得到各种详细的性能数据，这样才可发现设计和制造上的一些缺陷。 2 1 1 液压实验的分类 液压实验一般有两种分类方法： 1 按实验内容分 性能实验：旨在获得被试对象的静态和动态性能参数( 或指标) 。如液压泵的排 量、容积效率、溢流阀的启一闭特性、电液伺服阀或电液伺服系统的频率特性等。 寿命实验：目的在于考核被试对象在额定工作状况下，连续工作某一规定的 时间之后的性能。它表示保证产品性能的有效工作极限寿命。这项实验只对批量 产品进行抽试。 环境实验：目的在于考核被试对象对环境变化的适应能力。这主要是根据产 品的具体使用场合提出的，如高低温、盐雾、真空、振动、大加速度和耐污染等。 耐压实验：为了保证产品的安全、可靠性，并考核某些零件在高压下的强度 和密封件的密封性需要进行此项实验。 2 按实验性质分【9 j ： 科研性实验：为某些科研目的而进行的一些实验项目。要求仔细、精确，并 要求改变一些实验条件和在不同的参数下进行。 型式实验：主要是对某些产品进行全面性能的测试和考核。目的在于产品的 鉴定和新产品的定型。我国制定有液压元件型式实验的实验标准。 出厂实验：主要是针对已定型并且有一定批量的产品，为了保证其使用性能， 选出几项有代表性的性能指标作为合格的标准，在出厂之前必须进行的实验。 7 浙江工业大学硕士学位论文 2 1 2 实验标准 为了统一液压元件的质量标淮和适应国内、外技术交流及贸易的需要而制定 各种实验标准。对于液压元件的实验来说有：i s o 国际标准，国家标准局颁布的国 家标准和各部自行制定的部颁标准等。标准的名称有：液压泵和液压马达实验方 法、液压阀实验方法、电液伺服阀实验方法、液压元件通用技术条件、液压元件 型式实验标准和出厂实验标准等等。 2 2 液压泵( 马达) 性能试验项目的确定 由于不同类型的液压泵( 马达) 有不同的测试方法标准，即使是同一类型、不同 额定压力的液压泵( 马达) 的测试方法也不完全相同，所以只能对其中某一类型、某 压力级别的液压泵( 马达) 进行性能测试或对其中共同的项目进行测试。参照各类液 压泵试验的国家标准，综合考虑现有的试验条件确定试验项目为：气密性检查和 跑合试验、排量验证试验、效率试验、压力振摆检查、自吸试验、高温试验、超 速试验、超载试验、满载试验、冲击试验和效率检查试验。 2 2 1 液压泵性能表达式及参数 试验油路是为一定的试验目的设计的，具体的试验目的就是要求测试液压泵 的各种性能指标，而这些指标又与各种参数有关。液压泵的主要性能表达式有： 排量：= ( g 刀) 1 0 3 ( l m _ i n ) 2 - 1 式中q 为泵输出的实际流量( l r a i n ) ；捍为泵轴转速( r m i n ) ；泵的空载排量形为空载 时测出的排量最大值。 泵轴输入的理论转矩： = 攀型( 研) = 业2 7 r 2 2 其中p 。为泵的出口压力( m p a ) ；只为泵的进口压力( m p a ) 。 容积效率刀：，7 = 眈) 1 0 0 2 - 3 8 机械效率，7 朋：，7 册= 乙) 1 0 0 2 - 4 泵轴输入功率：只= 1 5 x l o 一伍形) 2 5 其中耳为泵轴输入转矩( n i n ) - 托为泵的转速( r 觚n ) 泵的输出功率r ：晶= 是孚 形) 2 - 6 0 u 其中卸为泵的进、出口压力差( m a ) ：q 为泵实际输出流量( l m i n ) 总效率：珊：瓴只) ：1 5 9 譬1 0 0 2 - 7 1 p n 实际输出流量g ：q = x l o 句( l n l i n ) 2 - 8 漏损流量g 厶：q 工= v n x l o 一3 - q c l n f i n ) 2 - 9 2 2 2 液压马达性能表达式及参数 液压马达的排量：= 白刀) 1 0 3 ( m l r ) 2 - 1 0 在空载条件下测出的流量和转速，即认为是液压的空载排量。泵的空载 排量k 为空载时测出的排量最大值。 泵轴输入的理论转矩： = 掣( 历) = 警 2 小 其中只为泵的出口压力似p a ) ；为泵的进口压力( m p a ) 。 容积效率：，枷= 吒) x 1 0 0 2 1 2 或刀：窒望堕堑望塑擘! ：氅鎏当! 1 0 0 戥2 1 弱丽霸西丽丽疆f x 机械效率：= ) 1 0 0 2 - 1 3 其中为液压马达轴输出转距( n m ) ；为在没有漏损和摩擦损失的情 况( 理想情况) 下，为克服液压马达负载而输入的“液压转距 。 9 浙江工业大学硕士学位论文 ：蔓望( 朋) ：乙+ 弓 z 万 。 其中弓为液压马达本身内部摩擦等造成的阻力距。 2 1 4 所以2 h ) = 阢+ 乃) 2 百云砑1 0 0 2 1 5 总效率钆： 彻= 惫= 2 3 基于虚拟仪器的液压测试系统组成 2 1 6 上述变量泵试验项目需测试的参量有压力、流量、温度、转矩、转速等，被 测量分布广，数目多且多为动态信号，因此基于虚拟仪器的变量泵测试系统，要 具备一定的自动化水平，满足试验台对测试系统的精度和实时性要求，要实现对 主要测试参量的实时观测，数据的采集、显示、处理与数据库存储，能够实现测 试结果和测试曲线的自动打印。本文确定基于虚拟仪器测试系统总体方案如下： 1 试验台动力源采用双输出轴交流电动机，并采用变频调速； 2 试验台液压试验回路，由液压马达加载： 3 虚拟仪器硬件采用p x i 系统； 4 虚拟仪器软件采用l a b v i e w8 2 开发平台； 基于虚拟仪器测试系统组成口】【3 】如表2 1 所示。 表2 1 基于虚拟仪器测试系统组成 试验台虚拟仪器测试系统 动力部分台架部分硬件 软件 构 油源装置 试验回路 传感器 系统软件 拖动装置 被试泵安装座 p x i 系统 d a q 驱动 成 温度控制系统 加载装置端子板 应用软件 测量连接点嵌入式控制器 2 4 虚拟仪器测试系统总体方案示意图 虚拟仪器测试系统总体方案嗍如图2 一l 所示： 1 0 浙江工业大学硕士学位论文 图2 - 1 虚拟仪器测试系统总体方案 为了便于计算机进行数据采集，本系统采用的各类传感器除转速传感器外都 带变送器，可输出4 2 0 m a 标准信号，到端子板后，经过电湔电压转换，经由屏 蔽电缆通过数据采集卡进入计算机，转速的脉冲信号可由数据采集卡的计数器测 的。 2 5 本章小结 本章确定了液压实验的分类与实验标准，确定了液压泵( 马达) 性能试验项目， 并最终确定了虚拟仪器测试系统的组成及虚拟仪器测试系统总体方案。 浙江工业大学硕士学位论文 第三章静压测试系统采样原理 采样就是将连续变化的信号转变为时间域离散信号。采样的核心问题是：如 何选取采样频率，从而保证采样后的离散信号能够正确、不失真地代表原有连续 信号。如果采样间隔太大( 即采样频率太低，采样点太少) ，就可能将两点采样点 之间的信息丢失，便不能准确地反映出原有信号的原貌。表现在频域中，就是将 会出现频率混叠，故而，只有采样频率达到要求，才能满足频谱不失真。由于信 号x ( r ) 波形的幅值变化程度和采样间隔d t 的大小有关，而波形幅值变化程度又取决 于其频域分量组成，为此引入采样定理和频率混叠的概念。 3 1 采样定理和频率混叠 变量泵试验台根据双向变量泵的试验要求进行设计，要求系统的最高压力为 4 0 m p a , 额定压力为3 5 m p a ，工作压力为2 0 m p a ，并要求b 级精度，可进行第二 章所确定的试验项目。 3 1 1 时域采样与频域 理论上时域采样是通过周期脉冲信号p o ) 与连续时间信号娟) 相乘完成的。设 采样时间间隔( 周期) 为瓦，采样频率则为只= 1 瓦或织= 2 ，r t , 。 采样信号x s o ) = p o b ( t ) p o ) 的f o 嘶e r 级数表达式为p o ) = e g 扣2 蚓f o u r i e r 系数 f o u r i e r 级数变换对 e z j n 2 稚万( 厂千厶) 可得：p ( 厂) = v 8 0 c - f ) 将厂置换为彩可得周期采样脉冲信号的频谱函数 尸0 ) = 2 万f 万( o j - n o ) s ) 3 - l 3 2 3 3 3 4 3 - 5 浙江工业大学硕士学位论文 根据频域卷积定理，采样后信号的频谱函数为 置0 ) = 寺x 0 ) 尸如) = e x 0 一n o ) s ) 二万。：二 时域采样可分为理想脉冲采样和矩形脉冲采样。 x 例 l 一_、 p ( o j l tttt 。tttt 二 x 例 l 行_ 二 x ( ( 1 ) ) j i f 。、 p ( i i l j i li 一 x ( ( i ) ) o l 八f 、门 r 3 6 图3 - i 理想脉冲采样 理想脉冲采样如图3 - 1 所示，采样脉冲为周期单位脉冲，其f o u r i e r 系数e = 1 t , ， 所以理想采样后信号的频谱函数由式( 3 6 ) 可得： 墨0 ) = 只x 如一挥) = 軎x 0 一力q ) 3 7 式( 3 - 7 ) 表明，连续信号经过理想采样以后，它的频谱将沿着频率轴以采样 频率力，为间隔重复出现( 即周期延拓) ，星周期化的频谱因其幅度e 为常数，故延 拓出来的频谱形状保持不变。 矩形脉冲采样如图3 - 2 所示。采样脉冲为周期矩形脉冲信号，与周期单位脉 冲不同的是，其f 。u r i e r 系数只= 百e l s i i l c ( 竺笋) ，所以矩形采样信号后的频谱函 浙江工业大学硕士学位论文 数为 五”百e 2 再量s 证c ( 等卜一训 3 8 可见频谱五如) 也是原信号的频谱x 0 ) 在频率轴上以国为间隔的周期延拓， 与理想采样所不同的是频谱形状有所变化，此变化取决于矩形脉冲的f o m i e r 系数 e x ( l 一、 x s 删 l 们叶二 x ( ( i ) ) j f 。、 p ( ；i l 一2 兀i 三一、冬下 年车、 x s ( ( i ) ) j l eto s 门勺阶i 二 图3 - 2 矩形脉冲采样 理想脉冲采样无法真正实现但反映采样的本质，矩形脉冲采样则对应采样的 实际情况。 3 1 2 混叠现象 由于模拟信号x o ) 在时域中按时隔c 离散化而导致频域中频谱按1 瓦周期 化，如果时域采样间隔过大，必然造成频域周期化的间隔过小，在重复频谱的交 界处就会出现局部相互重叠，使延拓出的频谱( 高频成分) 与原频谱的低频部分发生 混叠，这种现象称为混叠现象。 如图3 3 所示，信号x o ) 的f o u r i e r 变换为x ) ，其频带范围为一， 1 4 浙江工业大学硕士学位论文 采样后信号五o ) 的f o u r i e r 变换对应一个周期频谱。当眈 2 m ，周期谱图相互 分离；当蛾 2 c 0 = ，则不会发生混频现象，因此对采样脉冲的间隔 须加以限制：采样频率c o ，( 2 万t ) 或f , o t , ) 必须大于或等于信号x o ) 中最高频 率缈。的两倍，这就是时域采样所要求遵循的采样定理。 为了避免频混使采样处理后无法准确的恢复原来的信号，理论上必须使采样 频率正 厶。但是实际信号一般是非限带的且带有高频噪声的信号。因此，通常 在采样之前，即在a i d 转换器之前，设置一个带宽为缈日的模拟低通滤波器，称为 抗混频滤波器，将我们不感兴趣或不需要的高频成分滤除掉，以保证被有用信号 的主要分量所在的频区不发生频混。由于实际滤波器的通带外仍然会残存一些高 频分量，因此实际采样频率仍要选得大于2 ，例如取( 2 5 3 ) c o 丑，有时甚至更高， 这要视具体情况和要求精度而定。一般来讲，时域里信号变化越快，取的系数越 大。完成采样的器件是采样保持器。 3 2 量化和量化误差 由前面的讨论可知，来自传感器的连续模拟信号经过采样后，变成了时间上 离散的采样信号，但其在幅值上还是连续的。因此，采样信号仍然是模拟信号。 为了能用计算机处理信号，需将采样信号转换成数字信号，也就是将采样信号的 幅值用二进制代码来表示。由于二进制代码的位数是有限的，只能代表有限个信 号的电平。故在编码之前，要对采样信号进行“量化气”。 量化就是把采样信号的幅值与某个最小数量单位的一系列整数倍数相比较， 以最接近于采样信号幅值的最小数量单位倍数来代替该幅值。这个最小数量单位 就称为量化单位，其表达式为 r = 歹v 3 9 式中，v 碥号电压范围 卜a d 转换器的位数 r 一量化误差 1 6 浙江工业大学硕士学位论文 由于量化引起的量化值与实际幅值之间的差值称为量化误差。显然，量化单 位r 越大，量化误差越大，量化单位大小取决于a d 转换器的位数和模拟信号的 幅值范围。 因此，我们在实际应用时，主要从以下两个方面来考虑降低量化误差： 尽可能的选择量化位数多的量化器。位数的增多，对量化误差的减小是很 明显的。但随着位数的增加，转换速度会降低，a d 转换器的成本也明显增加。 合理的选择动态范围，使输入a d 转换器的电压信号的幅值的最大峰值接 近转换器的最大输入电平( 略小于，而不能超过) ，以便充分利用a d 转换器的量化 位数，尽可能的减小量化误差，提高转换的信噪比。模拟信号预处理部分的幅值 调节环节就是为此目的而设置的。 把量化信号的数值用二进制代码表示，就称为编码。量化信号经编码后的就 转化为数字信号，完成量化和编码的器件是a d 转换器。由于a d 转换器的位数 是一定的，总是有限的，不可能为无穷大，所以量化误差的存在是必然的。本课 题采用的数据采集卡的量程范围为5 5 v ，a d 转换器的分辨率为1 2 位，故实际量 化误差为2 4 4 m v 。 3 3 信号调理 信号调理s c ( s i g n a lc o n d i t i o n i n g ) 指的是传感器采集到信号在输入d a q 卡之 前，进行包括：放大、抗混滤波、隔离、激励、线性化( 电荷放大、电压放大、热 电偶、积微分、应变桥路平衡) 等预处理f 7 1 。 被测物理量经过传感器转换后，往往成为电阻、电容、电荷、电压或电流等 的变化量【8 】。为了输入计算机进行数据采集和处理，或为了驱动显示仪表、信号记 录仪、控制器以及打印机等设备，需要对这些信号进行调理，即需要对其进行放 大、衰减、滤波、运算、阻抗变换等分析、加工、调整，以提高信噪比，易于传 输并和后续环节相适配。 3 3 1 放大 在数据采集时，来自传感器的模拟信号一般都是比较弱的低电平信号。放大 器则可以将微弱的输入信号进行放大，以便充分利用a d 转换器的满量程分辨率。 1 7 浙江工业大学硕士学位论文 例如，传感器的输出信号一般是毫伏数量级，而a d 转换器的满量程输入电压多 数是2 5 v 、5 v 、1 0 v ，且a d 转换器的分辨率是以满量程电压为依据确定的。 3 3 2 抗混滤波 所谓抗混滤波实际上是对信号进行低通滤波处理，在采样之前用模拟滤波器 来衰减我们不感兴趣的高频分量，将信号的频带限制在采样频率所允许的最高频 率范围之内，以免引起混叠误差。某些高性能的数据采集卡自身带有抗混滤波器。 3 3 3 隔离 隔离被分析信号中的直流分量，可用于对信号做消除趋势项及直流分量的干 扰处理。它通常是用变压器、光电容耦合等方法在被测系统和测试系统之间传递 信号，避免直接的电连接。使用隔离的原因主要有两个：一是从安全的角度出发， 另一个是隔离可使数据采集卡读出来的数据不受地电位和输入模式的影响。 3 3 4 激励 信号调理也能够为某些传感器提供所需的激励信号，如应变传感器、热敏电 阻等需要外界电源或电流激励信号。很多信号调理电路都提供电流源和电压源以 便给传感器提供激励。 3 3 5 线性化 在实际测量中，传感器对被测量的响应往往是非线性的，因此需要对其输出 信号进行线性化，以补偿这一误差。目前的趋势是，数据采集系统可以利用软件 来解决这一问题。 3 3 6 数字信号处理 即使传感器直接输出数字信号，通常也要进行调理，其作用是将传感器输出 的数字信号进行必要的整形或电平调整。大多数数字信号调理模块还提供其他一 些电路模块，使得用户可以通过数据采集卡的数字i o 直接控制电磁阀、电灯、 1 8 浙江工业大学硕士学位论文 电动机等外部设备。 放大和抗混滤波是信号调理部分的最关键部分，所有的测控系统中都应含有。 在选择调理功能模块是一定要根据实际需要，弄清传感器的类型、功能、输出信 号，以决定需不需要外部激励等因素。在本系统中，p c i d 8 1 1 5 端子板本身集成了 放大、抗混滤波、线性化等专门的信号调理模块，能满足实际需求。 3 4 平均化处理 对于单个采样序列分析的结果，由于统计自由度很小，因此统计误差较大， 也就是说计算谱实际上是在真谱上叠加了很大的噪声，所以需要用多次同样条件 下再现的信号求得的频谱进行算术平均，以提高分析谱的准确度，这一过程叫平 均化处理【9 】。 通常在信号测试阶段就要设法做到减少噪声污染，如良好的接地技术等措施。 即使如此，此时信号中的噪声仍会存在。在信号处理阶段，通过平均技术可降低 噪声的影响。平均技术的前提是认为噪声为随机信号。而对周期性噪声，则必须 通过其他方法解决。 不同类型信号所用平均方法是不同的。对确定性信号，可采用时域平均技术。 取多个等长度时域信号样本，采样后对应数据进行平均，可得到噪声较小的有效 信号。时域平均的限制条件很严格，如对周期信号，时域平均必须满足两个条件 之一：a ) 样本长度为信号周期的正整数倍；b ) 样本初始相位相同。否则，时域平 均的结果可能为零。 使用更普遍的平均技术是频域平均，即对某些频谱做的平均。由于傅立叶谱 中包含幅值和相位两种特性，而相位在各次测量中具有随机性，故一般不对傅立 叶谱进行平均，而是对进一步得到的功率谱进行平均。 进行频域平均的问题是，这种平均只能降低噪声的偏差，而不能减少噪声的 均值，即不能提高信噪比。因此，平均后的谱曲线只是趋于光滑，仍包含噪声谱 的均值【1 0 1 。 实际上，在处理随机信号时一般都采取多次取样，然后进行平均计算。因此， 无论是进行何种谱计算，在有可能的情况下，均取多次平均来计算。本文采用的 是频域平均方式，而频域平均按照样本截取的方式不同，通常有顺序平均和叠盖 1 9 浙江工业大学硕士学位论文 平均两种方式，如图3 4 所示。 l l 璃觚。枞；。槭i l 栅萎“& 聪勰籼l l 删舰岫 巴l 嘲 i f l m 喽7 l 妒耵一矧 f l 妒酽l 鬈l t 铲v 吲骶r 1 - 2 - 3 4- 5 - 6 - 7 - a ， 幽l lj | i 热。枞l 。觚j 黼辘舢基“& 赫矗槐舢娃棚轨l 囊 f 洲l 胃f l 硼f - 矿1 i j 谭r ”1 w 甲哪l n 妒妒】w l f 铲f 1 1 t r r 喇 1 i ( b ) 图3 - 4 顺序平均和叠盖平均 依次截取时域信号的若干样本，经f f t 和其他运算，得到所需频域信号后作 平均，称为顺序平均，顺序平均所用时域样本互不重叠，如图3 - 4 ( a ) 所示。本文所 用的就是这种平均方式。另一种为叠盖平均，如图3 - 4 ( b ) 所示，采用部分重叠取样 方法，即后一次采样时运用前一次采用的部分数据，将会大大节省总的采样时间。 当然，这两种平均方法所得的结果将会有所差别。叠盖平均法效率高，并且求得 的谱图更光滑，这是人们乐于采用的原因。但从统计观点出发，用独立采样平均( 即 顺序平均) 更符合统计特性的要求，这也是本课题采用顺序平均法的一个原因。 3 5 脉冲干扰处理 在数据的采集过程中，由于大功翠、大电流驱动电路，如产生电火花的继电 器，大电流开关等设备都可能产生脉冲干扰，消除脉冲干扰的算法过程如下。 设x o ) 为采样输入序列，其长度为n ，y g ) 为滤波后的输出序列。 当疗= 1 ，2 ，3 ，n l 时，将x g 一1 l x 0 ) l z o + 1 ) ，x 0 + 2 ) 从小到大排列，得到 x 。o 一1 l x g ) ，x o + 1 l x 0 + 2 ) ，则输出信号为：y o ) = b g ) + z ( + 0 1 2 。 n 浙江工业大学硕士学位论文 刀= o 时，对x ( 0 l x ( 1 l x ( 2 ) 从小到大排列，得到x ( o x x ( 1 l 石( 2 ) ，则有j ，( o ) = x ( 1 ) 。 刀= n - 1 时， x ( 一3 x x ( n 一2 ) l x ( n 1 ) 从小到大排列， 得到 x ( 一3 l x ( 一2 l x ( 一1 ) ，则有y ( 一1 ) = x ( 一2 ) 由以上算法可见，消除脉冲干扰实际上是取相邻几个数据点的中间值。对于 单个采样数据点存在的脉冲有较好的结果。图3 - 5 为这一算法对含有脉冲于扰的正 弦信号的处理效果。 ( a ) 含有脉冲干扰的正弦信号 l l f 百 5f i - i i i 59i 6 l i i ii 】 i 1 19i 9 9 i i li n 。l 墨n 气7 - 。鼍x ：蓝、i x。 一 、 o 盘 浙江工业大学硕士学位论文 第四章虚拟仪器测试系统硬件设计 4 1 测试系统的硬件结构 本硬件系统由数据采集系统、工控机p x i 和机械驱动装置组成。图4 1 给出了 测试系统的硬件结构图。 图4 -