（机械工程专业论文）基于labwindowscvi的液压泵静态性能实验的设计.pdf

摘要 液压泵性能实验是液压实验中的主要部分，传统实验由于用仪表测量或手动测量的缺陷，实验有很 大的不便。利用l a b w i n d o w s c v i 这一软件开发在液压实验中应用的虚拟仪器，系统设备量大大减少，测 试功能完全由软件实现，加快了测试进程，降低了实验成本。 液压泵静态性能实验，主要任务是对输入转矩、转速、流量、压力的测试以及对所测数据的处理。 本文嘶h 作为研究对象，利用l a b w i n d o w s c v i 软件和些所需硬件( 传感器、信号调理器、p c 机等) 来完成实验数据的采集和对数据的处理。 基于l a b w i n t l y t 州c v i 的液压泵静态性能实验设计，为教学实验提供了种崭新的思路和方法，具 有非常重要的实用价值。课题对实验中数据的采集进行了分析，通过软件控制采集卡功能，完成数据的 采集、传输。并通过软件实现数据输出、曲线绘制以及打印等多项功能。提供虚拟仪器与用户的接口， 用户可以通过界面上的开关和按钮用键盘和鼠标实现对虚拟仪器的操作。 关键词：虚拟仪器，液压泵，静态性能实验，数据采集与处理 a b s t r a c t n l eh y d r a u l i cp r e s s u r e 娜p e r f o r m s l l c ee x p e r i m e n ti st h em a i np a r to ft h eh y d r a u l i c p r e s s u r ee x p e r i m e n t s i ti sv e r yi n c o n v e n i e n ti nt r a d i t i o n a le x p e r i m e n t sb e c a u s eo ft h ed e f e c t s o fd o i n gm e a s u r e m e n tw i t hi n s t m n e n t so rm a n u a l l y d e v e l o p i n gv i r t u a li n s t r u m e n t sw h i c hi s a p p l i e di nt h eh y d r a u l i cp r e s s u r ee x p e r i m e n t sw i t ht h eh e l po fl a b w i n d o w s o is o f t w a r e ，t h e a m o u n t so fs y s t e md e v i c e si sg r e a t l yr e d u c e d , t h em e a s u r i n gf u n c t i o ni sr e a l i z e df u l l yb yt h e s o f t w a r e ，t h e r e f o r e ，t h et e s t i n gp r o c e s si ss p e e d e du pa n dt h ec o s to fe x p e r i m e n t i n gi sl o w e r e & 1 h em i nt a s ko ft h eh y d r a u li cp r e s s u r ep u m ps t a t i cp e r f o r m a n c ee x p e r i m e n t si st e s t i n g i n p u tt o r t u r e ，r o t a t i n gs p e e d , f l u x p r e s s u r ea n dd e a l i n gw i t ht h ed a t aw h i c hi st e s t e d i n t h i sp a p e r ，w i t ht h ea b o v ep e r f o r m a n c ee x p e r i m e n t sa ss t u d y0 b j e c t ，t h ec o l l e c t i o no f e x p e r i m e n t a ld a t av a i lb ed o n ea n dt h ed a t ac a nb ed e a l tw i t hb ym a k i n gu s i n go fl a b w i n d o w s c v i s o f t w a r ea n ds o m en e e d e dh a r d w a r e s ( s e n s o r s ，s i g n u ln u r s i n gd e v i c e s ，p c ，e t c ) n eh y d r a u l i cp r e s s u r e 哪s t a t i cp e r f o r m a n c ee x p e r i m e n td e s i g n , w h i c hi sh a s e d l a b w i n d o w s c v i ，p r o v i d e sab r a n d - n e wt h i n k i n gp a t t e r na n dm e t h o df o rt e a c h i n ge x p e r i m e n t sa n d i so fm o s ti m p o r t a n ta p p l i e dv a l u e d a t ac o l l e c t i o ni np r o c e s so fe x p e r i m e n t sh a sb e e na n a l y z e d i nt h i sr e s e a r c hp r o j e c t ，a n dc a l lb ed o n ea n dt r a n s f e r e d b yc o n t r o l l i n gd a qw i t ht h es o f t w a r e a n dm a n yf u n c t i o n ss u c ha sd a t ao u t p u t ，c u r v ed r a w i n ga n dp r i n t ，e t c c a ub er e a li z e dw i t ho s u o ft h es o f t w a r e t h ei n t e r f a c eb e t w e e nv i r t u a li n s t r u m e n t sa n du s e r si sp r o v i d e ah a n d l i n gt h e v i r t u a li n s t r u m e n t sc a nb er e a l i z e dt h r o u g hu s i n gk e y b o a r da n dm e u s et om a n i p u l a t et h es w i t c h e s a n db u t t o n so nt h ei n t e r f a c eb yu s e r s k e y w o r d s ：v i r t u a li n s t r u m e n t ：h y d r a u l i cp r e s s u r e 珥j 坤 s t a t i cp e r f o r s a n c ee x p e r i m e n t ： d a t ac o l l e c t i o na n dp r o c e s s i n g 1 1 1 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽 我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过 的研究成果，也不包含为获得中国农业大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材 料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了 谢意。 研究生签名：时间： 2 0 0 6 年1 1 月“日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解中国农业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留送交 论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保 存、汇编学位论文。同意中国农业大学可以用不同方式在不同媒体上发表、传播学位论文 的全部或部分内容。 研究生签名： 导师签名： 时间：2 0 0 6 年月“日 时间：2 0 0 6 年1 1 月彳日 和 叭译 第一章绪论 1 1 设计意义、目的及设计内容 1 1 1 设计意义 当前随着测试仪器的数字化、计算机化的发展趋势，传统测试仪器渐渐有被取代的趋势。 l a b w i n d e w s c v i 将功能强大，使用灵活的c 语言与用于数据采集分析和显示的测控专业工具有机地结合 起来，为开发虚拟仪器提供了个理想的软件开发环境。利用这一软件开发在液压实验中应用的虚拟仪 器可降低实验室建设的成本。 目前常用的些液压实验台，如t ) c s 0 0 3 a 等，是8 0 年代初期的液压实验设备，在实验中需测量的物 理量主要有油液的流量、压力和活塞杆的运动速度等。原实验台利用压力表测量液压，利用椭圆齿轮流 量计测量流量。为测量液压缸活塞杆的运动速度，原实验时先测出活塞杆的总行程，再利用秒表测量活 塞杆走完这段行程所用的时间，两者相除得到活塞杆的运动速度。由于用仪表测量或手动测量的手段 落后，给实验带来很大的不便，而用虚拟仪器充分利用计算机所固有的功能和资源将其应用于液压c a t 系统，系统设备量大大减少，测试功能完全由软件实现，加快了澳临瞠瞻，降低了实验成本。由于软件 是虚拟仪器的揍d ，它的功能主要通过软件来实现，在测量时信号的传递和数据的处理几乎都是靠数字 信号或软件来实现，大大刚氐了环境干扰和系统误差的影响，另方面，采用虚拟仪器减少了测试系统 的测试仪表，从而降低了系统的开发成本和维护成本。 1 1 2 设计目的 通过软件控制j 集卡功能，完成对输入参数转矩、转速、流量、压力的测试以及对所测数据的计算 处理。并通过软件实现数据输出、曲线绘制以及打印等多项功能。提供虚拟仪器与用户的接口，用户可 以通过界面上的开关和按钮用键盘和鼠标实现对虚拟仪器的操作满足液压传动中“液压泵静态性能实 验”的教学要求。 1 1 3 设计内容 能够通列歙f 牛的应用程序将通用计算机与功能化模块硬件结台起来，用户可以通过友好的图形界面 来操作这台计算机。从而完成对被测试量的模拟采集、计算、显示、打印等。 主要内容为： 基于虚拟仪器技术的液压c a t 系统软件的开发。完成对数据进行分析处理。该软件分为硬件驱动程 序、应用程序和界面程序三个层次。 ( 1 ) 硬件驱动程序 主要控制数据采集卡对数据的采集，采集到数据储存于文件中 土尽堡砦厶兰鎏；主丝鲨苫 玺二耋毯鲨 ( 2 ) 应用程序 主要对输入计算机的数据进行分析和处理，通过编制应用程序定义虚拟仪器的功能，来完成对液压 泵性能的测试。 ( 3 )界面程序 提供虚拟仪器与用户的接口，用户可以i 勘j | 界面上的开关和按钮用键盘和鼠标实现对虚拟仪器的操 作。将测试结果以数据和图形方式显示在屏幕上，或打印保存。 1 2 虚拟仪器的概念、应用领域及其优点、发展现状 虚拟仪器( v i r t u di n s t r t e n t s 简称v 1 ) 实质e 就是利用最新的计算机技术来实现和扩展传统仪器的 功能，真正实现由用户自己设计、自己定义，满足自己的特殊要求的仪器。虚拟仪器是计算胡技术同仪 器技术深层次结合产生的全新概念的仪器，是仪器领域内的一次革命。有了虚拟仪器，工程师和科学家 就可以完全根据自己的需求组建测量和自动化系统，而不再受功能固定( 完全由厂家提供) 的限制。运用 虚拟仪器技术，可以用现有设备资源，搭建功能更多更强的测量测试系统，从而节省大量的购置设备费 用；可以提高仪器界面的人机交互能力和可视化程度。 虚拟仪器测控系统组成如图卜1 所示 圈i i 虚拟仪器测控系统组成 1 2 2 虚拟仪器的突出优点及应用领域 虚拟仪器既具有传统仪器所具备的切功能，又超越了传统仪器，原因就在于虚拟仪器是将数据采 集硬件搭载到计算机平台上，加上应用软件而构成的，用计算机实现全数字化的采集测试分析，因此有 着传统仪器无法比拟的优越性( 与传统仪器的区蹦如表【l i ) 其四大优势在于：性能高、扩展性强、开 发时间少以及出色的集成。 2 表1 - 1 虚拟仪器与传统仪器的区别 虚拟仪器 传统仪器 开放性、灵活，可与计算柳技术保持同步发展封闭性、仪器间相互配台较差 关键是软件，系统性方便，通过网络下彗关键是硬件，升级成本较高，且升级! 必须e 门朋 升级程序既可务 价槲氐廉，仪器间资源可重复利用率高价格昂贵，仪器间无法相互利用 用户可定义仪器功能只有厂家能定义仪器功能 可以与网络及周边设备方便连接功能单一，只能毪陵有限的独立设备 开发与维护费用降至最低开发与维护开销高 技术更新周期短( 1 2 年)技术更新周期长( 5 一l o 年) 虚拟仪器的发展完全跟计算机的发展同步，所以显示出虚拟仪器的灵活性和强大的生命力。虚拟仪 器的崛起是测试仪器技术的一次革命是仪器领域的个新的里程碑。虚拟仪器可广泛应用于航天航空、 军事工程、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 备进行电子测量、振动分析、声学分析、故障渗断等科学分析的场合。在大专院校侥喟虚拟仪器，可以 让学生使用到那些般学校买不起的昂贵的高性能测控设备和精密仪器设备，在节约了大量仪器设备经 费投人的同时还开阔了学生们的眼界和思路。虚拟仪器可以非常灵活地进行教学中的原理设计实验，并 进行直观的演示，为提高教学质量与效率创睹了条件。随着网绍技术的发展，虚拟仪器有着十分光明的 前景，将虚拟仪器应用于网络技术，可以为远程教学和远程实验提供强大的功能，进步提高实验室设 备的利用率，并为异地实验数据及更广泛的学术交流提供了高效。 1 2 3 国内外虚拟仪器发展情况 传统仪器的所有功能，包括信号的输入输出，用户界面( 如开关、显示器) 等都【固定在机箱内，由 生产厂商事先定义好了，用户是无法对它们进行改动的。单台智能仪器( 含微处理器) 以及总线式智能 仪器( 具有c a m a c 、i e e f a 8 8 ( g p i b ) 、r s - - 2 3 2 c 通讯总线接口) 和p c 仪器在p c 机上扩展槽插入仪器板 卡。利用p c 机上的c 盯、键盘等资源等等，使硬件大为减少，但各厂家不统一。1 9 8 7 年提出的v x i 总线 标准、p x l 总线等使模块化仪器标准化，虚拟仪器的概念就是在p c 仪器、v ) 【i 仪器的基础t 发展起来的。 1 2 3 1 国际口啦 仪器市场发展情况 1 9 8 7 年v x i 总线系统问世，该总线标准是种开放型卡式仪表标准，具有灵活适用、性能先进、高 速工作、小型便携等优点，适用于模块化仪表。v x i 总线系统集中了智能仪表、个人仪表和系统的众多 特点，获得迅速发展和推广。此种被称为“未来仪表”的设备。自v x i 总线问世以来，其销售额每年约 递增5 0 9 6 , 较整个电子仪表行业增长率约高出l o 倍，其标准规范亦己被i e e e 确定为正式标准i e e e i1 5 5 。 此外，以美国国家仪器公司( n i ) 、肝公司等为首的些厂家研制的微波模块目0 量系统( _ 6 ) 亦具有类 似的优点。v x i 总线系统的生产和发展是微h 呶表、自动测试系统乃至整个电子测试1 2 表领域的个重 生图丛业丈堂硕 学僮论文第一章绪论 一ii i 要发展动向。国外些大型仪表厂家目前已推出批v x i 仪表产品，如美国国家仪器公司的v x i - - - 8 0 0 系列、惠普公司的1 伊7 5 0 0 0 系列、泰克公司的v x l 4 0 0 1 5 0 0 等。国际上自1 9 9 8 年开始陆续有虚拟仪器面 市，当时有5 家制造商推出3 0 中产品。此后，虚拟仪器产品成倍增加，到1 9 9 4 年底，全球制造商已达 9 5 家，共生产1 0 0 0 多种虚拟仪器产品，销售额达2 9 3 亿美元，占整个仪器销售额的4 9 6 。美国是虚拟仪 器的诞生地，也是全球晟大的虚拟仪器制造国，生产虚拟仪器韵主要厂家有美国国家仪器公司、胛公司、 泰克公司等。每个公司的虚摅【仪器产品都在8 0 l o o 种左右，在国际市场上有较强的竞争力，现已开始 进入中国市场，但价格较高，并由于没有中文界面，还没有广泛地被用户所接受。而国外的仪器生产商 同时在进行i v ld n e r c h a n g a b l ev i m u a li n s t r u m e n t ) 的研究。i y i 的驱动程序是以v ) ( i 即插即用驱动 程序标准和工业标准v i s ai o 库为基础的。它是仪器编程史上迈出的重要步。v ) ( i 即插即用定义了v i s a ( 通过g p i b 、v x i 或串口总线发送纸层指令的标准i q 编程接口) ，1 7 i 把这种概念扩展到仪器级，在 定义了使用于特定类所有仪器的标准编程接口，使用户能在忽略设备( 如示波器) 和厂商的情况下，学 习设备( ；n x i r 2 器) 的标准软件接口。从用户角度讲，i v i 的仪器可互换性具有很多好处，如减少维护和 支持费用，实现测试代码的复用性、缩短仪器编程的学习时间等等。 目前我国经过近十年的治理整顿，开始进入个新的发展时期，经济的快速发展将加快企业的技术 改造步伐，对先进仪器设备的需求更加强劲。虚拟仪器赖以生存的p c 计算机最近几年以极高的速度在中 国发展。每年销售量都在1 仍万台以上。此外p c 计算机价格在不断下降，各种应用软件层出不穷，都为 虚拟仪器的发展奠定了基础。目前大部分厂家生产的虚拟仪器基本以计算机加数模转换及软件应用，来 实现传统仪器中的示波器、频谱分析仪、频率计、波形发生器、波形记录仪等。但也有些开发比较早的 厂家开始将虚拟仪器在某些行业开始批量应用 1 2 4 液压方面的研究概况 随着液压技术、控制理论、微型计算机、测量钡蠕啦术、数字信息处理、可靠性技术的发展，液压 计算机辅助测试( c a t ) 也正向着高速、高效、智能化、多功能化、多样化发展。我国液压c t r 技术经过 2 0 多年的发展，已有很大进展。从1 9 8 0 年开始，些单位就将单板柳或p c 杌应用于液压测试中，但因研 制年代较早，硬件的性能均不高。与液唧密切相关的是测控仪器，最初的测控仪器是传统的模拟仪器， 由于人工因素，检测速度和测试准确性都难以保证。带g p i b 接口的智能仪器的出现，使得液压c a t 实现了 自动化，但此时计算机在测试过程中只起到记录数据的作用，e a t 系统的性能主要取决于智能仪器。这样 的系统通用性差。造价高，性能低，所能实现功能也有限。2 0 t | 始己8 0 年代，首先在美国兴起和发展起来 的虚拟仪器，已经成为2 l 世纪测试技术与仪器技术发展的个重要方向，并且在研究、制造和开发等众 多领域得到广泛应用。从2 0 世纪9 0 年代中期以来，国内的重庆大学、哈尔滨工业大学、西安交通大学、 中科泛华电子科技公司等院校和高科技公司，在研究和开发仪器产品和虚拟式仪器设计平台以及引进和 消化n i 公司、咿公司的产品等方面做了一系列有益的工作。虚拟仪器在液函c a t 中的应用研究，国内尚处 于技术积累阶段，只是针对某液压元件的某特性进行测试，且对虚拟仪器功能的应用也不充分。 4 土基奎些厶主堡 兰錾鎏耋善= 耋鳘鲨 1 3 小结 传统的智能仪器主要在仪器技术中用了某种计算机技术，而虚拟仪器则强调在通用的计算机技术中吸 收仪器，使用同个硬件系统，只要应用不同的软件编程，就可得到功能完全不同的测量仪器。可见， 软件系统是虚拟仪器的核心。“软件就是仪器“。作为虚拟仪器楱0 的软件系统具有通用性、通俗性、 可视性、可扩展性和升级性，能为用户带来极大的利益，因此，具有传统的智能仪器所无法比拟的应用 前景和市场，虚拟仪器的种类将会层出不穷。 5 土冒农些盔兰翟主警鲨銮 蕃三要型鋈星墨 第二章测试原理 2 1液压泵静态性能实验工作原理 2 1 1 实验目的 1 、深入理解定量液压泵的静态特性。着重测试液压泵静态特性中： ( 1 ) 实际流量q 与工作压力p 之间的关系即q - p 曲线； ( 2 ) 容积效率r t 春、总效率n 与工作压力p 之间的关系即r t 軎p 和q - p 曲线； ( 3 ) 输入功率p 与工作压力p 之间的关系即p 入- p 曲线。 2 、通过实验学会小功率液压泵的测试方法。 2 1 2 液压泵实验系统 该实验系统是q c s 0 0 3 型教学实验台中的一部份，液压泵实验原理如图2 一l 所示。液压泵静 态特性实验通过节流阀4 和流量计5 回油箱，此时，溢流阀2 作安全阀。静态特性实验中测量理 论( 零压) 流量q t 时，将节流阀全部打开，记录通过节流阀的流量。调节节流阀给液压泵进行加 载，即改变液压泵的出口压力，测试相应的转矩、转速和流量，并作相应的数据记录。 1 7 1 泣压泵2 溢流阀3 压力表4 节流问5 流量计6 温度计7 滤油嚣 图2 - 1 液压泵实验原理图 6 2 1 3 实验原理 液压泵的工作压力由其外加负载所决定。若定量泵出口串联一节流阀作为泵的外加负载，且 节流阀出口直通油箱，则泵的工作压力就由这一串联油路各项负载压力之和所决定。如果管道沿 程及局部压力损失8 l d , ，可以忽略不计的话，那么调节节流阀通流截面积a 就可对泵造成不同 的负载，使泵的工作压力将随之变化，这一情况可用流量方程q = c a 卸- 9 进行分析，对定量泵 来说，q 为定值，对特定的阀来说c 一定，此时，节流阀前后压差a p 为p - 0 ：p ，所以a 节加大则 泵的工作压力p 减少，a 节减小则p 加大。 液压泵的额定压力p 鞭是指可长期连续使用的最大工作压力，它反映了泵的能力。超过此值 就是过载。但不超过规定的最高压力( 泵的极限值) ，还可短期运行。 液压泵的排量v 是不考虑泄漏时，泵轴转一转所排出的油液体积，它只决定于泵中密封工作 腔的几何尺寸，与转速无关。泵的理论流量q t 是不考虑泄漏时，单位时间内输出油液的体积，它 等于泵的排量与其转速的乘积。额定流量q 指泵在额定压力和额定转速下输出的实际流量，它 总是小于泵的理论流量。 液压泵的输入量是转矩t 和转速n ，输出量是油液的压力p 和流量q 。泵在能量转换的过程 中，由于存在各种损失，如容积损失和机械损失等，使其输出功率总是小于输入功率。 容积损失一般捐泵内通过缝隙由高压区向低压区泄漏所造成的损失，油液粘度越低、压力越 高，其泄漏就越大。泵的容积效率q 軎为 r 。= 旦= 皇血：l 一盟 ( q |q tq | 式中c r 泵在额定传速下的实际流量，单位为m 3 s ；式中r 泵在额定传速下的实际 流量，单位为m 3 s ； q _ 泵在额定转速下的理论流量( m 3 s ) 。它在实际生产中通常以额定转速n _ 下空载流量 ( 或零压流量) q n 簟代替，因空载时泵的泄漏量可以忽略( 零压时泄漏量为零) ； n _ - j 夏的额定转速，单位为r s ； v 泵的排量，单位为o ，r q _ 泄漏流量，单位为m i s 。 液压泵的输入功率p 和输出功率p 自为 p r = t ox1 0 - 3 ( k w ) p f p q 1 0 3 ( k w ) 式中卜转矩，单位为n m ： 6 ) - - - - - - - 转速，单位为r a d $ ： p 一压力，单位为p a 。 液压泵的总效率为输出功率与输入功率之比， 叩毒= 罢 p o = p i r l v r l ( 1 - 2 ) ( 1 - 3 ) 由式( i - 2 ) 和( i - 3 ) 得： 土冒銮些盔兰耍三兰譬鲨苫 笙i 耋型鲨譬罂 式中， n m _ 一泵的机械效率。 q m 反映油液在泵内流动时液体粘性引起的摩擦转矩损失和泵内机件相对运动时机械摩擦引 起的摩擦损失之和。若摩擦转矩损失越大，则泵的机械效率越低。要直接测定q 。比较困难，一 般是测出q 和q 然后算出q 。 液压泵静态性能实验中的主要参数：工作压力，额定流量，容积效率，机械效率，总效率等。 2 2 实验测试系统 2 2 1 系统组成 实验测试系统主要由实验装置、压力传感器、动态应变仪、数据采集器( 装有a d 和d i a 转换器接线端子、继电器和d a 输出控制按钮等) 、模入模出接口板( 插在计算机扩展槽中) 以 及计算机等组成，其工作原理框图如图2 - 2 所示。 2 2 2 数据测量 圈2 - 2 液压泵静态性能实验测试框 液压泵静态性能实验所测数据主要有转矩( t ) 、转速( n ) 、压力( p ) 、流量( q ) 。 转矩( t ) 的测量方法；用转矩传感器通过数据采集卡采集数据，经信号调理后输送到计算 机再进行处理。 转速( n ) 的测量方法： 压力( p ) 的测量方法： 机再进行处理。 流量( q ) 的测量方法： 用转速传感器通过数据采集卡采集数据，输送到计算机再进行处理。 用压力传感器通过数据采集卡采集数据，经信号调理后输送到计算 用流量传感器通过数据采集卡采集数据，输送到计算机再进行处理。 8 土冒盔些厶耋篮：主笔鲨耋釜三耋型鎏星罂 2 3 实验步骤 液压泵静态实验步骤： ( 1 ) 启动液压泵l ，关闭节流阀4 。 ( 2 ) 将溢流阀2 调至安全阀的压力( 应高于液压泵额定压力的2 0 ) ，即7 5 m p a 。 ( 3 ) 打开节流阀4 ，测定压力、流量、转矩和转速。 ( 4 ) 逐渐关闭节流阀4 ，使液压泵1 的工作压力逐级升高( 6 3 m p a ) ，测定相应的压力、 流量、转矩和转速。 ( 5 ) 待实验数据测定结束，打开节流阀4 和溢流阀2 ，关闭电机，实验结束。 ( 6 ) 实验结果记录在表2 1 中。 表2 - 1 实验数据处理 l2345678 l 被测液压泵工作压力p ( m p a ) 2 液压泵输出流量q ( m 3 m i n ) 3 液压泵输出功率p o ( k w ) 4 液压泵输入转矩t ( n m ) 液压泵输入转速n ( r m i n ) 5液压泵输入功率p i ( k w ) 6 液压泵总效率口 7 液压泵容积效率目， b 液压泵机械效率目。 2 4 小结 本章介绍了液压泵静态性能实验，主要对以下几个方面进行了说明。 液压泵静态性能实验工作原理 液压泵静态性能实验测试系统 液压泵静态性能实验数据测试方法 9 3 1 系统硬件总体框图 第三章硬件设计 本系统硬件由计算机，含a d 、d a 、i d 的多功能数据采集模块、信号调理电路、传感器等组成， 系统硬件框图如图3 - 1 所示。 多功 a 辐茎 h l压力传感器 能数 鼋露h 转雠勰 计 据采 d 算 集模 块 计 j i浦量传藏器 一ja u e n e 镕 机 数 i 转速传感器 图3 - 1 液压泵静态性能实验系统硬件框图 3 ，2 1中泰u s 8 7 3 3 3 多功能数据采集卡 由于本测试系统的服务对象是实验人员和学生，存在多个具有独立功能的测试系统共用一台工控机 及其外设的情况，所以选择了带有u s b 接口的多功能数据采集卡( 中泰u s b 7 3 3 3 ) 。 3 - 2 1 。1 概述 u s b 7 3 3 3 多功能接口模块适用于提供了u s b 接口的p c 系列微机，具有真正的热插拔、即插即用( p n p ) 功能。其操作系统可选用目前流行的w i n d c _ s 系列、高稳定性的u n i x 等多种操作系统以及专业数据采 集分析系统i a b v i e w 等软件环境。在硬件的安装e 非常简单，使用时只需将u s b 7 3 3 3 的u s b 接口插入计 算机内任何个u s b 接口插座中，其模入，模出、i 0 信号、日懒 及脉冲输出信号均由模块t 的双 排针插头与外部信号源及设备连接。 模入部分：由于经调理后的信号都是0 至1 0 v 的标准信号，这样眼据实际需要选择单端或双端输入 方式，其a d 转换启动方式可以选用程控频率触发、程控单步触发、外部t t l 信号触发以及外部时钟同 步触发等多种方式。帅转换后的数据结果通过先进先出存储器( f i f 0 ) 缓存后由u s b 总线读出。 模出部分：用户可根据控制对象的需要选择不同的量程。 数字量输入输出部分：本模块同时还备有1 6 路数字量输入和1 6 路数字量输出接口。 定时计数器部分：三路1 6 位字长的计数定时器测频接口，以及l 砌z 的基准时钟。 1 0 宣罾奎些厶主璺：兰丝鲨塞 羞：耋蟹盐鐾生 u s b 7 3 3 3 高速模入接口模块主要由高速多路模拟开关选通电路、高速高精度放大电路、高速模数转 换电路、先进先出( f i f o ) 缓冲存储器电路、数模转换电路、数字量输入输出电路，定h 寸计数器电路和接 口控制逻辑电路、供电电路等部分组成。 为了更好地理解数据采集，尤其是愕入，需要了解信号数字化过程中分辨率、范围、增益等主要技 术指标参数对采集信号质量的影响，下面详细介绍。 3 2 1 2 1 分辨事( 1 ；l e s o l u t i o n ) 分辨率就是用来进行模数转换的位数，a d 的位数越多，分辨率就越高，可区分的最小电压就越小。 分辨率要足够高，数字化信号才能有足够的电压分辨能力，才能比较好的恢复原始信号。该采集卡的枷 转换分辩率为1 2 位，属中档，他可以分别将模入电压量化为4 0 9 6 份。 3 z1 2 2 电压范围0 l m g e ) 电压范围由a m 能数字化的模拟信号的最尚和最低的电压决定。般情况下，采集卡的电压范围是 可调的，所以可选择和信号电压变化范围相匹配的电压范围以充分利用分辨率范围，得到更高的精度。 该采集卡输入信号范围：0 1 0 v ，s v ，4 - 1 w ，在本实验中，选择0 1 0 v 。 输出范围：电压方式：o 5 v ，5 v ，0 i w * ，4 - 1 0 v 3 z 1 2 3 增益( g a i n ) 增益主要用于在信号数字化之前对衰减的信号进行放大。使用增益，可以等效地嘲氐a d 的输入范 围，使它能尽量将信号分为更多的等份，基本达到满量程，这样可以更好地复原信号。因为对同样的电 压输入范围，大信号的量化误差小，而小信号时量化误差大。当输入信号不接近满量程时，量化误差会 相对加大。如：输入只为满量程的l l o 时，量化误差相应扩大1 0 倍。般使用时，要通过选择台舌的 增益，使得输入信号动态范围与a d 的电压范围相适应。当信号的最大电压加t 增益后超过了板卡的最 大电压。超出部分将被截断而读出错误的数据。 个采集卡的分辨率、范围和增益决定了可分辨的最小电压，它表示为i l s b 。例如，某采集卡的 分辨率为1 2 位，范围取0 - 1 0 v ，增益取1 0 0 ，则有i l s b = i o w ( 1 0 0 x 4 0 ) 2 41 iv 。这样，在数字化 过程中，最小能分辨的电压就为2 4ps 选择台适的增益和输入范围要与实际被测信号匹配。如果输 信号的改变量比采集卡的精度低，就 可以将信号放大，提高增益。选择个大的输入范围或降低增益可以测量大范围的信号，但这是以精度 的降低为代价的。选择一个小的输入范围或提高增益可以提高精度，但这可能会使信号超出a d 允许的 电压范围。 该采集卡帅采样可编程增益( 由放大器芯片决定) ： p 6 a 2 0 2 ：x l 、x l o 、x 1 0 0 、x 1 0 0 0 ( 或p g _ a 2 0 3 ：x l 、) ( 2 、x 4 、) ( 8 ) 王罾盔些厶兰霍主丝鎏苫 董三耋鎏兰譬生 3 2 1 3 模拟量操作部分 个典型的数据采集模块功能有模拟输入、模拟输出、数字i o 、计数嚣定时器等，这些功能分别 由相应的电路来实现。 该数据采集卡的功能十分强大，在本设计中利用了它的模拟数字输入输出，下面对该卡的模拟量输 入输出部分的技术参数作些的说明。 3 2 1 3 1 模入部分 模拟输入是采集楱臾最基本的功能。它一般由多路开关( m u x ) 、放大器、粟洋保持电路以及模数 转换器( a d ) 来实现。通过这些部分，个模拟信号就可以转化为数字信号。a d 的性能直接影响着 模拟输入的质量，要根据实际需要的精度来选择合适的a d 。 本模块2 6 芯扁平电缆插座j p l 2 的信号定义见表p 1 ，用户可根据需要选择连接信号线( 单端) 或信 号线组( 双端) 。为减少信号杂波串扰和保护通道开关，凡不使用的信号端应就近与模拟地短接，这一点 在小信号放大使用时尤其重要。 插座引脚号 信号定义插座引脚号信号定义 2 6 n 【= ( 空脚)2 5n c ( 空脚) 2 4 n c ( 空脚)1 3 n c ( 空脚) 2 2 n c ( 空脚)2 1n c ( 空脚) 2 0 模拟地 1 9 模拟地) 培 c 1 1 6 ( 删8 )1 7c h l 5 ( c h 7 一) 1 6c 1 1 4 ( c 1 6 一) 1 50 t 1 3 ( 0 1 5 一) 1 4 c 1 1 2 ( 口4 一)1 3 c h l l ( 0 1 3 一) 1 2a l o ( c 1 2 一)l lc | 1 9 ( c l 卜) 1 0 0 1 8 ( a 1 8 + )9 c h 7 ( c h 7 + ) 8c h 6 ( c t l 6 + )7 c h 5 ( 5 1 1 5 + ) 6 c 4 ( 0 1 4 + )5c h 3 ( c h 3 + ) 4c 1 2 ( c 2 + ) 3c h l ( c h l + ) 2模拟地l 模拟地 3 2 1 3 2 模出部分 模拟输出在计算机测控系统中主要用于对连续变量的执行机构进行控制。输出信号受数模转换器 ( d a ) 的建立时间、转换率、分辨率等因素影响。建立时间和转换率决定了输出信号幅值改变的快慢。 建立时间短、转换率高的d a 可以提供个较高频率的信号。应该根据实际需要选择d a 的参数指标。 本模块2 6 芯扁平电缆插座j - p l l 的信号定义见表3 - 2 1 2 表3 - 2j p l1 模拟输出信号端口定义 插座引脚号 信号定义 插座日l 脚号信号定义 2 6 n c ( 空脚) 2 5n c ( 空脚) 2 4 n c ( 空脚) 1 3 n c ( 空脚) 2 2 n c ( 空脚) 2 l n c ( 空脚) 2 0 n c ( 空脚) 1 9n c ( 空脚) 1 8 n c ( 空脚) 1 7 n c ( 空脚) 1 6 n c ( 空脚)1 5n c ( 空脚) 1 4 n c ( 空脚) 1 3 n c ( 空脚) 1 2 n c ( 空脚) 1 1n c ( 空脚) l o n c ( 空脚) 9n c ( 空脚) 8 模拟地 7 模拟地 6b a 45d a 3 4n a 23 d a l 2 模拟地 l 模拟地 模拟量输出部分由d a 转换器件d h c 7 6 2 5 和有关的基准源、运放、调零调满电位器、阻容件和跨接 选择器组成。依靠改变跨接套的连接方式，可分别选择不同的输出量程。 d a 部分具有加电自动清零功能，当模块加电时，本模块将自动关闭d a 部分的基准源使d a 输出 为最低。只有当用户对d a 进行写操作时，本模块才打开基准源使o a 输出个需要的信号。 3 2 1 3 3 开关量及定时计数部分 数字阳通常用来控制过程、产生测试信号、与外设通信等。它的重要参数包括：数字口路数( 1 i fe ) 、 接收( 发送) 率、驱动能力等。如果输出去驱动电机、灯、开关型加热器等电器，就不必用较高的数据 转换率。路数要能同控制对象配合。而且需要的电流要小于采集卡所能提供的驱动电流。加e 合适的数 字信号调理设备，仍可以用采集卡输出的低电流的1 1 l 电平信号去监控高电压、大电流的工业设备。数 字y o 常见的应用是在计算机和外设如打印机、数据记录t 史等之间传送数据。另外些数字口为了同步 通信的需要成为“握手”线。 许多场合都要用至蚪数器如定时、产生方波等。计数器包括三个重要信号：门限信号、计数信号、 输出。门限信号实际上是触发信号使计数器工作或不工作；计数信号也即信号源，自提供了计数器 操作的时间基准；输出是在输出线e 产生脉冲或方波。计数器最重要的参数是分辨率和时钟频率，高分 辨率意味着计数器可以计更多的数，时钟频率决定了计数的快慢，频率越高，计数速度就越快。 本模块4 0 芯扁平线插座j 2 的信号定义见表3 3 。 本模块还提供了各1 6 路的开关量输入输出信号j 目道。使用中需注意对这些信号的要求应严格符合 兀l 电平规范。 计数定时器电路由片可编程定h 寸计数器8 2 5 4 芯片和基准时钟电路以及有关的跨接选择器组成。 可为用户提供3 个1 6 位字长的计数定时通道和l 删z 、占空比为5 0 的基准时钟，用户可外接使用三路 计数定时通道。 土冒銮些厶兰蟹譬兰丝鎏苫 釜；耋堡生誊生 插座引脚号信号定义 插座引脚号 信号定义 4 0 d 0 1 6 开关量输出 3 9 d o l 5 开关培输出 3 8 d o l 4 开关蟹输出3 7d o l 3 开关茸输出 3 6 d o l 2 开关昔输出3 5d o l i 开关昔输出 3 4 i x ) l o 开关量输出 3 3 d 0 9 开关簧输出 3 2 d 0 8 开关量输出3 ld 0 7 开关越输出 3 0 d 0 6 开关量输出 2 9d 0 5 开关鼙输出 2 8 d 0 4 开关量输出2 7d 0 3 开关茸输出 2 6 d 0 2 开关量输出 2 5 d o l 开关簧输出 2 4 d i l 6 开关量输入 2 3 d 1 1 5 开关晕输入 2 2d i l 4 开关量输入2 ld i l 3 开关量输入 2 0 d i l 2 开关量输入 1 9 d 1 1 l 开关鼙输入 1 8d i o 开关最输入1 7d 9 开关鼙输入 1 6 d 1 8 开关茸输入1 5d 1 7 开关甜输入 1 4 0 1 6 开关量输入 1 3 d 1 5 开关耸输入 1 2 d 1 4 开关量输入 l l d 1 3 开关餐输入 l o d 1 2 开关量输入 9 d 1 1 开关茸输入 8 o u t 2 脉冲输出 7o u t l 脉冲输出 6 o u t o 脉冲输出 5 c l k 2 脉冲输入 4 c l k i 脉冲输入 3c l k o 脉冲输入 2 数字地 1 数字地 本模块的安装十分简便，无需将主机机壳打开，也无需关电。本模块有两种供电方式，即自供电方 式和外供电方式，若选择自供电方式供电，将本模块插入主机的任何个空余u s b 接口插座即可：若选 择外供电方式，必须给模块提供8 - 4 0 v 的直流电源，然后将模块与计算机用u s b 线连接。 本模块采用的模拟开关是c 0 峪电路，容易因静电击穿或过流造成损坏，所以在打开模块盒或用手 触摸本模块电路板时，应事先将人体所带静电荷对地放掉，同时应避免直接用手接触器件管脚，以免损 坏器件。 本模块u s b 接口允许从计算机e 带电插拔。模块上的跨接选择器，使用中应严恪按照说明书进行设 置操作。设置模块跨接套和安装接口带缆时均应在关电状态下进行。 当模入通道不全部使用时，应将不使用的通道就近对地短接，不要使其悬空。以避免造成通道问串 扰和损坏通道。 为保证安全及采集精度，应确保系统地线( 计算机及外接仪器机壳) 接地良好。特别是使用双端输 入方式时，为防止外界较大的共模干扰，应注意对信号线进行屏蔽处理。 3 2 1 3 u s b 7 3 3 3 模块软件 3 2 1 3 1 软件安装 1 4 士罾銮錾厶兰霍：誊鸳鲨塞薹；薯鐾笠基生 u s b 7 3 3 3 模块在硬件安装完成后还需进行软件安装，其具体安装步骤如下： 1 将模块u s b 接口插入计算机u s b 插座。 2 启动计算机，操作系统将自行检澳4 新安装的硬件，并弹出镥咖新硬件向导钳话框，在“添加新 硬件向导”对话框出现时，点击。下步”按钮。 3 选中“显示指定位置的所有驱动程序的列表”单选钮，点击“下步”按钮。 4 点击“下步” 5 点击“从软盘安装”按钮，弹出“从磁盘安装”对话框。 6 点击“浏览”按钮，选择“u 曲7 跹i n f ”所在的目录( 光盘u s b 7 0 0 0 u s b 7 k c ) ，点击“确定”按 钮。 7 回到“添加新硬件向导”，点击“下步”按钮。 8 点击“完成”按钮，第块模块安装完成。 当要安装多块模块时，应先安装第块模块，软件安装中会出耻述1 , - - 8 的步骤，按以上步骤操 作安装。在安装第二块模块时，系统会自动检测安装，不再经过上述i 8 的步骤，只是模块的索引值不 同。索引值是璐b 板模块使用时非常重要的参数，u s b 7 0 0 0 系列模块是靠索引值来区分的。般情况下， 第一块安装的模块的索引值为0 。以后安装的模块索引值自动依次加1 。用户通过调用动态链接库 ( u s b 7 k c d 1 1 ) 中的o p e n u s b 7 k c 函数，将u s b 模块的索引值赋给此函数，即可操作相应的u s b 模块( 详 细过程请见后面的“函数介绍”) 。 3 2 1 3 2 测试程序说明 ( ：y ( ：盘u