（车辆工程专业论文）液压助力转向器试验台信号采集系统的建立及转向器系统分析.pdf

江苏大学硕士研究生毕业论文 摘要 本课题围绕液压助力转向器试验台信号采集系统的设计开发展开。其研究目的 是为了使转向器试验台能够完成对转向器静态和动态特性的测试。所进行的研究工 作主要有以下五个方面： 1 完善了液压助力转向器试验台，为了满足试验要求，改进试验台加载机构的 空间布置。 2 按照转向器静态和动态性能试验的需求，选择试验台信号采集系统的硬件。 包括选择和标定试验台所用传感器：选择信号采集系统a d 转换器以及完成各个硬 件部分的安装和调试。 3 针对转向器静态和动态性能测试的特点，结合所选信号采集系统硬件性能， 使用m i c r o s o f t v i s u a lc + + 高级语言分别为静态和动态性能试验编制了信号采集应用 程序，用以实现试验过程中的信号采集和数据记录。 4 按照国家汽车行业标准所规定的转向器静态性能试验要求，利用建立的转向 器试验台信号采集系统，完成转向器的静态性能测试，通过对测试数据的分析证明 了该转向器信号采集系统达到了设计要求，可以进行对液压助力转向器的性能测试。 5 根据现有的试验条件，利用所编制的动态性能测试程序和m a t l a b 系统辨 识工具箱对转向器动态性能进行了分析研究，得出了研究转向器动态性能简单可行 的方法。对今后的转向器性能研究具有参考价值。 关键词：液压助力转向器试验台，信号采集系统，静态特性，动态特性，系统辨识 江苏大学硕士研究生毕业论文 a b s t r a c t i nt h i s p a p e r , t h es t u d yi so p e n e do u to nt h eb a s i so ft h ed e v e l o p i n go fs i g n a l g a t h e r i n gs y s t e mf o rh y d r a u l i cp o w e rs t e e r i n gg e a rt e s t - b e d t h ep u r p o s eo ft h es t u d yi s t of i n i s ht h es t a t i ca n dd y n a m i cp e r f o r m a n c et e s t so nt h et e s t b e d t h ec o n t e n t so ft h e s t u d yi n c l u d i n gf i v ep a r t sa sf o l l o w ： f i r s t ，t h ed i m e n s i o n a ld i s p o s a lo fm e c h a n i c a lo u t f i ti si m p r o v e dt op e r f e c tt h e t e s t - b e do f h y d r a u l i cp o w e rs t e e r i n gg e a r s e c o n d ，c h o o s i n gt h eh a r d w a r eo ft h es i g n a lg a t h e r i n gs y s t e m ，i n c l u d i n gc h o o s i n g a n dc a l i b r a t i n gs e n s o r s ，c h o o s i n ga dc o n v e r s i o na n di n s t a l l i n gt h e mo nt h et e s t b e d t h i r d ，p r o g r a m m i n gf o r t h es i g n a lg a t h e r i n gs y s t e m i na c c o r d a n c ew i t ht h e c h a r a c t e r i s t i c so fs t a t i ca n dd y n a m i cp e r f o r m a n c et e s tb ym i c r o s o rv i s u a lc + + f o r t h ，c o m p l e t i n gt h es t a t i ct e s to nt h et e s t - b e do nt h eb a s i so fi n d u s t r yc r i t e r i o n ，a n d c o n s e q u e n t l y ，t h ef u n c t i o no f t h e b e di st e s t i f i e d f i f t h ，c o m p l e t i n gt h es t u d yo f t h ed y n a m i cp e r f o r m a n c eo f t h es t e e r i n gs y s t e m ，a n d a s i m p l ea n df e a s i b l ew a y t os t u d yt h ed y n a m i cp e r f o r m a n c ei sg a i n e d k e yw o r d s ：t e s t - b e do f h y d r a u l i cp o w e rs t e e r i n gg e a r , s i g n a lg a t h e r i n gs y s t e m ，s t a t i c p e r f o r m a n c e ，d y n a m i cp e r f o r m a n c e ，s y s t e m si d e n t i f i c a t i o n i i 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。本人授权江苏大学可以将本学位论义的全部内容或 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 手段保存和汇编奉学位论文。 保密口，在 年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密i j 。 靴燃者躲枷毫 签字f j 期：拶年6 月7 日 学位论文作者毕业后去向 工作单位t 通讯地址： 名：尚翮新獬2 国训 签字日期：五硝拜月i 日 电话 邮编 独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进 行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容以外，本论文 不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的 研究做出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本人 完全意识到奉声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名 杨嘶 日期：2 咕年多月j 日 江苏大学硕士研究生毕业论文 1 1 汽车转向系统概述 第一章绪论 汽车在行驶过程中，经常需要改变行驶方向( 转向) 。就轮式汽车而言，改变行 驶方向的方法是，驾驶员通过一套专设的机构，使汽车的转向桥( 一般是前桥) 上的 车轮( 转向轮) 相对于汽车的纵轴偏转一定角度。在汽车直线行驶时，往往转向轮也 会受到路面侧向干扰力的作用，自动偏转而改变行驶方向，此时驾驶员也可以利用这 套机构使转向轮向相反方向偏转，从而使汽车恢复原来的行驶方向。这一套用来改变 或恢复汽车行驶方向的专设机构即称为汽车转向系统。它能直接影响到汽车的操纵稳 定性，对于确保车辆的安全行驶、减少交通事故以及保护驾驶员的人身安全、改善驾 驶员的工作条件起着重要的作用。 转向系可按转向能源的不同分为机械转向系和动力转向系两大类。 机械转向系以驾驶员的体力作为转向能源，其中所有的传力部件都是机械的。机 械转向系由转向操纵机构，转向器和转向传动机构三部分组成。 动力转向系是兼用驾驶员体力和发动机动力为转向能源的转向系。是由驾驶员体 力和专用机构两者共同提供转向动力的转向。在正常情况下，汽车转向系所需的能量， 只有一小部分由驾驶员提供，而大部分是由发动机通过转向加力装置提供的。但在转 向加力装置失效时，一般还应当能由驾驶员独立承担转向任务。因此，动力转向系是 在机械转向系的基础上加设一套转向加力装置而形成的。 助力转向系统按照传能介质的不同，可以分为三种形式：气压式、液压式和电动 式。由于气压系统的工作压力比较低( 一般不高于o 7 m p a ) ，对于需要较大助力的车 辆，气压式助力转向系统的尺寸将过于庞大，所以已经很少采用。 相比之下，液压助力转向系统的工作压力可高达1 0 m p a 以上，液压助力转向系统 的部件尺寸也很小，并且工作时噪声极低，工作滞后时间短，能够吸收来自不平路面 的冲击，所以液压助力转向系统在各级各类汽车上获得了广泛的应用。 近些年来，又发展起来一种新型的助力转向系统一一电动式助力转向系统 ( e l e c t r i cp o w e rs t e e r i n g ，简称为e p s ) 。这种系统的助力作用来源于由蓄电池驱动的 助力马达，马达的输出扭矩经变速机构减速增扭后作用于转向柱、齿条或者小齿轮轴 江苏大学硕士研究生毕业论文 上实现转向助力作用。由于电动式动力转向器的传动效率较高、返回性能较好、且节 省能源、易于装车、操作舒适等优点，引起了各国汽车界的重视。现在国际上又兴起 了电动转向系统( s t e e r i n g b y w i r e ) ，即取消了转向盘与转向轮之间的机械连接，是 一种用电能实现的全动力转向系统，并已经有样车在欧洲展出，但由于现行国际国内 的安全法规出于可靠性和安全性的考虑，不允许采用全动力转向系统，所以目前仍没 有进行批量生产。 笔者认为，就目前而言，液压助力转向系统在汽车上的应用无论在国内还是在国 际上都处于绝对主导的地位。与发达国家相比，我国在该领域的研究和应用还比较落 后，可以肯定地说，在今后一段时间内，国产汽车将主要使用“常流式”液压助力转 向系统。因此，本论文对于被广泛应用的液压助力转向器的试验台数据采集系统进行 研究和设计，以及根据采集到的试验数据，对于转向器的静态和动态性能进行分析研 究，这对改善液压助力转向器的试验条件和理论研究都有一定的推动作用，具有理论 意义和实用价值。 1 2 液压助力转向器工作原理 通常转向器的工作过程中，转向油泵不停地随发动机的转动而转动，把液压油从 储油箱中吸出，向助力转向器控制阀供油。下面分别以汽车直线行驶、转向行驶以及 转向盘回位三种工况下液压助力转向器的工作情况来说明其工作原理圆。 1 2 1 汽车直线行驶工况下转向器工作原理( 转向盘处于中位) 如图1 1 a 所示，当汽车直线行驶时，由于转向盘上没有扭矩输入，扭杆1 不受力， 转向油泵处于中位，阀芯2 和阀套3 也处于对中位置，阀芯凸台的两侧与阀套的凹槽 之间形成的预开间隙面积相等，即两侧的节流面积相等，于是两侧的节流作用相同， 从而转向动力缸活塞两侧的油压相等，所以没有助力作用产生。这时，转向动力缸内 的活塞不移动，没有液压油流进或流出转向动力缸。这时转阀的节流阻力不大，转向 油泵提供的液压油通过阀芯2 与阀套3 之间的预开间隙直接流回储油箱。 2 江苏大学硕士研究生毕业论文 a 汽车直线行驶工况b 汽车转向行驶工况 图1 1 油压助力转向器的工作原理图 1 一扭杆2 一阀芯3 一阀套4 一转向动力缸 1 2 2 汽车转向行驶工况下转向器工作原理( 以向右转向行驶工况为例) 如图1 1 b 所示，当顺时针方向转动转向盘时，转向器的输入轴带动阀芯2 转动， 阀芯带动与之相连的扭杆1 的端部转动，扭杆1 带动小齿轮5 与之同方向转动，但由 于小齿轮5 通过齿条6 及转向拉杆与转向节相连，而转向节受到转向轮阻力的作用暂 时不能转动。这使得阀套3 也暂时不能转动，于是，扭杆1 两端就在转向盘力矩作用 下产生一个扭转角，造成溷芯2 与阀套3 有一个相对的转角。该转角的存在改变了阀 芯凸台的两侧与阀套凹槽之间形成的节流面积的不相等。这使得转阀的进油口与通往 转向动力缸左腔的过流面积增大，而进油口与通往转向动力缸右腔的节流面积减小。 过流面积的改变使节流作用发生变化，使得转向动力缸左腔油压升高，右腔油压降低， 产生压力差，形成对活塞的推力。而活塞与齿条连成一体，因此，齿条6 同时承受小 齿轮5 的接力( 人力) 和活塞的推力( 助力) 。当这两者的合力达到能够克服转向阻 力时，就推动齿条6 向右移动。此时转向油泵8 提供的液压油一部分通过转阀流入左 腔，其余部分则通过转阀流回油箱。右腔的液压油也通过转阀流回油箱。此时齿条通 过转向拉杆带动转向节顺时针方向转动而实现汽车向右转向。只要转向盘转动，就不 断地有液压油补充到左腔实现助力作用，这被称为转向系统的随动作用。 当转向盘转过一定角度而固定不动时，齿条也处于某一相应位置而静止，但这时 转向盘上仍然作用有转向力矩，所以扭杆仍然有变形，转向器仍然有助力作用。但转 向动力缸的活塞不移动，没有液压油流进或流出转向动力缸，从转向油泵通过的全部 江苏大学硕士研究生毕业论文 液压油只能通过阀芯与阀套之间的间隙流回转向油罐。 对于汽车的左转向工况而言，其工作原理与上述右转向工况完全相同，此处不再 赘述。 1 2 3 转向盘回位工况下转向器工作原理 当驾驶员将转向盘转到一定的位置后松开转向盘，作用于扭杆的转矩随即消失， 扭杆的变形也随之消失，转阀的阀芯和阀套回到对中位置，转向阀又回到如图1 1 a 所示的工作状态。此时，助力作用和人力作用均变为零，转向轮在回正力矩的作用下， 通过转向系的各个部件带动转向盘回到中间位置。 1 3 液压助力转向器总成台架试验方法简介 转向器作为转向系统的核心部件，在批量生产之前，要对其进行全面的试验。从 试验方法上讲，无论是可靠性试验，还是性能试验，实验室台架试验都是最重要、最 常用的试验手段，广泛应用于企业和科研单位。 与机械转向器相比，液压助力转向器结构复杂，其中的转向控制阀的加工和装配 精度要求都很高，并且整个液压部件对密封的要求也很高。为此，我国专门制定了相 关的行业标准勺c t 5 2 9 2 0 0 0 汽车动力转向器总成台架试验方法1 3 ，我国企业 和科研机构一般都是按照该标准对汽车液压助力转向器进行试验，国外大型汽车制造 公司和转向器生产厂商按照各自企业标准对其进行试验。 行业标准q c f r 5 2 9 2 0 0 0 适用于汽车常流式液压助力转向器总成，规定了常流式 液压助力转向器总成台架试验方法，其中包括转向器的性能试验和可靠性试验两个部 分。本课题转向器静态性能试验部分主要涉及的是转向器的性能试验，故本文只对性 能试验内容进行介绍。 行业标准所规定的转向器性能试验包括以下内容： 1 转向器总圈数测定 将总成安装在试验台架上，测量输入端从一个极端位置转到另一个极端位置所转 过的圈数。 2 空载转动力矩测定 将总成安装在试验台架上，总成进出油口通大气，将油腔油排尽，输出端空载。 4 江苏大学硕士研究生毕韭论文 输入端从左转极端位置开始，转到右极端位置，再转回到左转极端位置。在此过程中， 记录输入端输入转矩与转角之间的关系。 3 自由间隙测定 将总成安装在试验台架上，把输出端刚性地固定在直线行驶位晟，在有动力的情 况下，平稳、缓慢地转动输入端，测出两个方向总成迸油口压力增加o i m p a 时输入 端转过的角度。 4 功能试验 将总成安装在试验台架上，在有动力的情况下，在输出端施加相当于总成最大工 作压力三分之一时的阻力矩和阻力，在输入端全行程内，感觉在转动输入端的过程中 平滑与连续的情况，同时检查转向控制阀的回位情况。 向力特性试验 5 转向力特性试验 将总成安装在试验台架上，把输出端刚性地固定在直线行驶位置，分别向两个方 向转动输入端，做到油压达到总成最大工作压力时为止，同时记录输入端输入转矩与 工作油压之间的关系。 6 泄漏试验 将总成安装在试验台架上，把输出端刚性地固定在直线行驶位置，在输入端施加2 倍总成最大工作压力下转向力矩，测量从高压流向低压腔的泄漏量。测定时间为2 0 s ， 记录两个方向的泄漏量。 7 外泄漏检查 在试验过程中，仔细观察总成外泄漏情况。 8 回正能力试验 将总成安装在试验台架上，在有动力情况下，在输出端施加最大输出力矩8 的 载荷，分别测出输入端从两个极限位置回到中间位置的时间。 9 转向灵敏度特性试验 将总成安装在试验台架上，把输出端剐性地固定在直线行驶位置，分别向两个方 向转动输入端，做到油压达到总成最大工作压力时为止，同时记录下输入端输入转角 与工作油压之间的关系。 江苏大学硕士研究生毕业论文 1 4 液压助力转向器试验台信号采集系统发展概况 对于助力转向器信号采集系统的研究，在国内外都有所开展。国外的厂家和科研 机构所使用的试验台及其信号采集系统均已较为完善，但从可得的外文资料中，往往 只涉及利用试验台进行测试的结果，而很少涉及到试验台建造过程中软硬件的实现方 法，所以对试验台信号采集系统建立的指导意义不大。 国内的研究起步较晚，在国内现有的汽车行业标准中，只对助力转向器的静态性 能要求进行了规定，而对其动态性能没有直接的规定。国内现有的试验台的测试功能 也主要侧重于转向器静态性能的测试。笔者在炜星科技网( h t t p ：w x k j x z g o v c n ) 上 查阅到关于该公司开发的“汽车动力转向器总成微机测试系统”的相关资料，该系统 已被国内多家转向器厂采用。该系统提供行业标准( q c t3 0 6 1 9 9 9 、q c t5 2 9 2 0 0 0 和q c f r5 3 0 2 0 0 0 ) 中描述的各项性能试验：空载特性试验( 含总圈数测量) 、转向力 特性试验( 含灵敏度特性试验) 、泄漏试验、功能试验、回正试验等。主要用于转向 器总成的质量检验测试，也可用于生产中的调阀质量检验。当系统用于转向阀测试时， 软件可根据灵敏度特性的对称性给出阀芯定位孔的角度偏移量，配合相应的机械定 位装置，可以有效地提高转向器阀芯定位孔加工准确性，达到节约生产成本，控制产 品质量的目的。然而汽车在行驶过程中，车轮将不断受到激励，汽车转向系统的性能 更取决于其动态性能，国内一些学者对动力转向器的动态特性进行了一些理论上的研 究，但大都缺少试验数据来验证。他们在进行动态仿真时，常将转向器看作一个线性 系统来研究。然而，助力转向器所使用油管的长度、刚度、横截面面积大小以及扭杆 刚度等都将对转向器的动态性能产生一定的影响，而其影响的大小程度也要通过试验 来得到h j 。 1 5 本课题研究的内容及意义 本课题将围绕试验台的设计开发( 主要是其信号采集系统的开发) ，通过对信号采 集系统的软硬件设计，使所得的试验台不但可以实现按照行业标准所规定转向器静态 性能的要求进行测试研究，还能对转向器动态性能进行一定的测试以及研究方法的探 索。 本课题的研究任务分成两步，第一步是完善现有的液压助力转向器试验台，针对 6 江苏大学硕士研究生毕业论文 1 4 液压助力转向器试验台信号采集系统发展概况 对于助力转向器信号采集系统的研究，在国内外都有所开展。国外的j 家和科研 机构所使用的试验台及其信号采集系统均己较为完善，但从可得的外文资料中，往往 只涉及利用试验台进行测试的结果，而很少涉及到试验台建造过程中软硬件的实现方 法，所以对试验台信号采集系统建立的指导意义不大。 国内的研究起步较晚，在国内现有的汽车行业标准中，只对助力转向器的静态性 能要求进行了规定，而对其动态性能没有直接豹规定。国内现有的试验台的测试功能 也主要侧重于转向器静态性能的测试。笔者在炜晕科技网( h n p ：w x k j x zg o v c n ) 上 查阅到关于该公司开发的“汽车动力转向器总成微机测试系统”的相关资料，该系统 已被国内多家转向器厂采用。该系统提供行业标准( q c t3 0 6 1 9 9 9 、q c t5 2 9 2 0 0 0 和q c t 5 3 0 - 2 0 0 0 ) 中描述的各项性能试验：空载特性试验( 含总圈数测量) 、转向力 特性试验( 含灵敏度特性试验) 、泄漏试验、功能试验、回正试验等。主要用于转向 器总成的质量检验测试，也可用于生产中的调阀质量检验。当系统用于转向阀测试时， 软件可根据灵敏度特性的对称性给出阀芯定位f 【j 的角度偏移量， 配合相应的机械定 位装置，可以有效地提高转向器阀芯定位孔加工准确性，达到节约生产成本，控制产 品质量的目的。然而汽车在行驶过程中，车轮将不断受到激励汽车转向系统的性能 更取决于其动态性能，国内一些学者对动力转向器的动态特性进行了一些理论上的研 究，但大都缺少试验数据来验证。他们在进行动态仿真时，常将转向器看作一个线性 系统束研究。然而，助力转向器所使用油管的长度、刚度、横截面面积大小以及扭杆 刚度等都将剥转向器的动态性能产生一定的影响，而其影响的大小程度也要通过试验 来得到鸭 1 5 本课题研究的内容及意义 本课题将围绕试验台的设计开发( 主要是其信号采集系统的开发) ，通过对信号采 集系统的软硬件设计，使所得的试验台不但町以实现按照行业标准所规定转向器静态 性能的要求进行测试研究，还能对转向器动态性能进行一定的测试以及研究方法的探 索。 本课题的研究任务分成两步，第一步是完善现有的液压助力转向器试验台，针对 本课题的研究任务分成两步，第一步是完善现有的液压助力转向器试验台，针对 江苏大学硕士研究生毕业论文 转向器静态和动态性能试验的需要，选择和安装测试系统的传感器，并且分别编写信 号采集程序。第二步，对于转向器静态试验，参照国家汽车行业标准设计试验，完成 测试并且分析测试结果，对于转向器动态性能试验，由于没有现成的标准可以参考， 将分析转向器工作情况设计试验项目，并在试验条件有限的情况下，对转向器动态性 能的研究方法进行探讨，并用试验进行初步实践。 试验台的建立和完善既有利于本学科的建设和发展，又对相关理论的完善具有促 进作用。从而为增强我国自行研制汽车转向器的水平，提高汽车的操纵稳定性和行驶 安全性打下试验基础，对他人的研究起到一定的借鉴作用。同时，在试验过程中对转 向器性能测试的研究起到一定的推动作用。 试验装置是进行产品性能试验的必要装置，也是检验理论研究成果的重要手段， 对试验台架的研究属于测试技术和测试装备领域的研究。测验结果的分析对于研究和 改进该转向器的性能以及发展转向器的设计理论有着一定的现实意义，所以本科题的 研究具有工程应用和理论意义。 1 6 本章小结 本章首先叙述了当今汽车转向器的发展动态，然后在阐述了液压助力转向器工作 原理的基础上，对目前国内外液压助力转向器试验台信号采集测试系统的发展情况进 行分析。最后阐述了建立液压助力转向器试验台及其信号采集测试系统的意义和本课 题研究的内容和目的。 江苏大学硕士研究生毕业论文 第二章试验台测试系统的理论基础 电子测量是测量学的一个分支。从广义上说，凡是利用电子技术进行的测量都可 以说是电子测量；从狡义上说，电子测量是指在电子学中测量有关电的量值。由此可 见电子测量的内容相当广泛。 现代科学从信息过程的角度出发，将被研究的对象看成是系统或过程。现代测量 领域也将测量的软、硬件配置及其全部工作看成是一个系统或过程，其中各个环节都 有其自身的动态特性。这些特性大都可以用传递函数来描述。 2 1电子测试系统 2 1 1 电子测试系统的组成 个典型的电子测量系统如图2 ，l 所示。它出如下主要环节组成 环节1环节2环节3 转换， 环节4 “ 叫 模拟测试仪器 被 熬【一一一 一 _ 警蔓曼堕 k 麟巷、一一掣厂二一_ 警竺竺 苫 初级转换 调整、l _ _ 一，一a d 转换 一 线性 l 一一 l - 一一数字显示仪器 f il 一磊献磊。一 图2 1自动测量系统基本结构 i 信息检测及初步转换( 环节1 ) 8 l c d 、l e d 显示装置 l 一p c 机 江苏大学硕士研究生毕业论文 i 信息检测及初步转换( 环节1 ) 在此环节中，被测量( q u m ，q u a n t i t y u n d e r m e a s u r e m e n t ) 由传感器检测，经输 入转换器件转换成有用的电量( 如电压、电流) 。 i i 信息的转换、调整、滤波及驱动( 环节2 ) 传感器输出的物理量被送至环节2 。在这里大致要对其进行如下处理： 1 ) 信息转换将传感器的输出信息从一种能量系统转换到另一种能量系统， 使之具有便于处理的形式。 2 ) 信息放大与滤波将信息加强，并削弱噪声，从而提高信号噪声比，而 且使信息强度与标尺的满量程取得一致，以保证精度要求。 3 ) 阻抗调整一提供个与下一环节相匹配的阻抗( 一般是较低的) 。 4 1 传输驱动将信号能量加强到能够按所需要的距离进行传输的强度，并将 其以所需要的标准形式发送到传输线上。 i i i 信息信号转换及传输( 环节3 ) 上述经过调整的物理量一般已成为标准的模拟信号【o ( 或1 ) 5 v 直流电压或 者0 ( 或4 ) 2 0 m a 直流电流1 。此后的传送、使用方法，目前主要有以下5 种： 1 ) 直接送往模拟式仪器( 如模拟示波器) 的输入端进行测试。 2 ) 经a d 转换器件转换成二进制数字信号，并经过适当的适配转换，按照国际 标准串行通信协议( 如r s _ 2 3 2 协议等) 或通信协议( 如i e e e4 8 8 等) 送往现场总 线。 3 1 以类似于“2 ) ”的方式，经专线( 电力线、光缆、无线电等) 送往p c 。 钔经过r s 2 3 2 类型的电信号适配器件和调制解调器的适配与转换，以电话 线为媒体送往p c 或其它数字式仪器。这是目前国内外正在兴起的种远距离、超远 距离( 跨越地区、城市、国家) 自动( 包括定时) 测量、监控系统。 5 ) 经过h a r t 类型的适配器和调制解调器的适配与转换，变成以模拟的频率 方式实现的二进制数字信号，按照国际h a r t 协议方式送往具有h a r t 协议接口的 现场总线、p c 或其他数字式仪器。这是2 0 世纪9 0 年代中期由美国首先推出的一种 过渡性通信方式。 信号的处理与使用( 环节4 ) 除标准模拟信号直接供模拟式仪器作分析、处理和显示外，经上述1 至“3 ” 江苏大学硕士研究生毕业论文 处理后送出的数字信号可直接送专用存储器进行存储，可直接送往数字式显示器进行 显示，可经简单转换( 如b c d 转换，即二进制至十进制的数制转换) 后由数码管( l e d ) 或液晶显示器( l c d ) 以十进制数字形式显示，更多的情况是送往p c 或各种专用的 数字式仪器进行处理( 如数字滤波) 、分析( 如频谱和波形分析) 和计算( 如按经典 计算公式计算除间接的目标测量值) 然后存储和显示等等，还可以在处理计算之后转 换成模拟或数字式的控制命令信号。 2 1 2 测量信号的处理 2 1 2 1 信号调整 直接从传感器输出端获得的电压或电流信号一般很微弱而且含有噪声。这些噪声 是从q u m 所处的环境中或在传感器内部随着有用信息一起被取出来的。针对传感器 的上述问题所做的模拟信号调整工作一般包括对输出电压的放大和线性滤波，目的是 提商信号噪声比。上述工作一般由一个低噪声仪表放大器串接一些运算放大器激励 的滤波器来完成。固有非线性的补偿，包括针对温度变化的修正等等，都很容易由计 算机或微电脑通过数字方法实现。因此，经过模拟放大和滤波之后，就要将信号通过 a d 转换器转换成数字形式，并以二进制码的形式读入到p c 机或微处理器( 微控制 器) 中。 如果数字化操作是以固定周期为基础的，那么在实际工作中就需要使用模拟信号 滤波系统对模拟信号进行低通滤波，将模拟信号频率( f i m a x ) 高于采样频率( f s ) 之 半的信号分量的能量尽可能削弱。这样在a i d 转换之前进行的滤波称为防伪滤波，它 是保证后来的数字信号处理准确度所必需的。 最后，就要将信号以数字的形式存到软盘、硬盘、光盘或扩存储器件里。 2 1 2 。2 测量系统中的误差来源 测量误差产生的原因来自多个方面：有一些误差可以通过适当的方法来消除或削 弱；有一些误差是由所使用的仪表的本质特性造成的，可以在设计中采取一定的方法 避免。 i 由于人为疏忽造成的量值误差 1 ，在仪器仪表到达稳态之前就读数，于是产生了动态误差。 1 0 江苏大学硕士研究生毕业论文 2 对模拟型仪器的标尺进行读数时会出现视差，在刻度线之间进行估值时也会出 现读数的误差。 3 记录数据时可能会因疏忽而造成误差，推算一个间接测量值时也会产生误差。 i i 导致整体系统上的误差因素 i 仪器使用时间太长而未校准，其组件因性能随时间而发生变化，致使仪器性能 偏离标准，而零点发生偏差。 2 由来自被测量所处的环境或用于信号调整的电子器件内部的随机噪声引起的 读数不确定性。 3 在长时间随定值测量中，系统中的长时间缓慢漂移会破坏仪器的确定性。漂移 会引起仪器灵敏度或零点的缓慢变化。在仪器温度因工作时间加长而上升时常常发生 零点漂移。 2 1 3 测量技术与仪器的发展趋势 电子测量仪器发展大体经历了四个阶段：模拟仪器、数字化仪器、智能仪器和虚 拟仪器。 1 模拟仪器 这类仪器在多数试验室仍能看到，如指针式万用表、晶体管电压表等。它们的基 本结构是电磁机械式的，借助指针来显示测量结果。 2 数字化仪器 这类仪器目前相当普及，如数字电压表、数字频率计等。这类仪器将模拟信号的 测量转化为数字信号测量，并以数字方式输出测量结果，适用于快速响应和较高准确 度的测量。 3 智能仪器 这类仪器内置微处理器，既能进行自动测试又具有一定的数据处理功能，可取 代部分脑力劳动，习惯上称为智能仪器。它的功能块全部都是以硬件( 或固化软件) 的形式存在，无论是开发还是应用，都缺乏一定的灵活性。 4 虚拟仪器 虚拟仪器( v i ，v i r t u a li n s t r u m e n t s ) 是检测技术与计算机技术和通信技术有机结 合的产物。它是美国国家仪器( n i ，n a t i o n a li n s t r u m e n t s ) 公司于1 9 8 6 年提出的。虚 拟仪器是指在通过计算机上添加一些软件s n - - 此硬件模块，使用户操作这台通用计算 兰茎垄芏堡主堑垄兰望些笙查 机就像操作一台真实的仪器一样。虚拟仪器技术强调软件的作用，提出了r 软件就是 仪器”的概念。 2 2 传感器 感受被测量，并将被测量转换为易于测量、传输和处理的信号的装置或器件称为 传感器。其基本功能是检测信号和信号变换。 传感器的核心部件是转换元件。转换元件是把感受到的非电量转换为电信号输出 的器件。转换元件可以直接感受被测量，而输出与被测量成确定关系的电量。这时转 换元件本身就可以作为一个独立的传感器使用。这样的传感器一般称为元件式传感 器。转换元件也可不直接感受被测量，而是感受与被测量成确定关系的其它非电量， 再把这一“其它非电量”转换成为电量。这时转换元件本身不作为一个独立的传感器 使用，而作为传感器的一个转换元件。这样的传感器通常称为结构式传感器。 2 2 1 传感器的特性 传感器的输出输入关系特性是传感器的基本特性。传感器的各种性能指标都 是根据传感器输出和输入的对应关系进行描述的。 传感器所测试的物理量( 输入信号) 有两种形式。一种是静态( 或准静态) 的形 式，这种信号不随时间变化( 或变化很缓慢，在观测时间内可忽略其变化) ；另一种 是动态形式，这种信号随时间变化而变化。因此，传感器的测试过程就可分为静态测 试和动态测试两种。对应地，其输出输入特性分为静态特性和动态特性。 传感器静态特性的重要性能指标有线性度、迟滞、重复性、准确度、灵敏度、稳 定性等。 传感器动态特性的重要性能指标有时间常数、上升时间、响应时间、过冲量、阻 尼率、固有频率、频率特性、频响范围、稳态误差、临界速度及采样频率等。 2 2 2 传感器的标定 要使传感器的使用准确可靠，对新生产的传感器的技术性能要进行全面的检定， 或者在传感器接入某一系统时，和其它元件一起工作时，由于传感器特性的变化，就 需要利用标准器具对传感器进行准确定度，这一过程称为标定。 1 2 江苏大学硕士研究生毕业论文 标定的基本方法是：利用标准设备产生已知“标准”输入量，或用标准传感器检 测输入量的标准值，输入待标定的传感器，并将传感器的输出量与输入标准量相比较， 获得校准数据和输入输出曲线、动态响应曲线等，由此分析计算而得到被标传感 器的技术性能参数。由于本课题测试中，主要关注的是传感器的静态性能，所以在本 节中侧重于对传感器静态标定的介绍。 在标定系统中，只能用上一级标准装置检定下一级传感器及配套仪器。同时待标 定传感器所配接的仪器也要作为准确度己知的标准设备，这样才能做到对传感器进行 标定。实际上，为了获得较高的标定精度，最好将被标定传感器与配用测试仪器、引 线等一起进行全系统标定。此外，标定时还要注意标定的技术条件和环境因素。 传感器静态标定的目的是确定传感器静态特性指标，标定的关键工作是通过试验 找到传感器输入输出实际特性曲线。 静态标定的步骤一般为： 1 标定传感器全量程分成若干点( 一般等间距分布) ； 2 在全量程划分点上，先由d , n 大逐次逐点输入标准量值，再由大到小逐次逐 点减小输入标准量值，如此正、反行程往复循环多次，并逐次逐点记录下对应各标准 输入量值的输出值； 3 对上述过程所得试验数据列表并画出曲线： 4 对试验数据进行分析计算，即可确定传感器一系列静态特性指标。 一般情况下，对传感器进行静态标定时，要确定传感器的以下性能指标： 1 线性度 要求有线性特性的传感器，若其实际特性为曲线时，则称该传感器具有非线性。 当输入x 等于某一量值x ，时，实际特性曲线与基准直线间的偏差出= y ，一y n 称为非线 性误差。 传感器的非线性误差指标用线性度来表示。线性度出下式进行计算： g ，：鬯k 。1 0 0 ( 2 1 ) y fs 式中：1 a l ，l 在整个测量范围内，非线性误差的绝对值的最大值： y f s 传感器满量程输出值，y 。= y m 瓤一y 。 江苏大学硕士研究生毕业论文 2 迟? 箭 当传感器的正( 输入量增大) 、反( 输入量减小) 行程实际特性不相重合并形成 回线时，称传感器具有迟滞。正、反行程实际特性间的偏差称为迟滞偏差。如果对应 输入点，歹是重复正行程输出的平均值，歹，是重复反行程输出的平均值，二者 的平均值歹，= 丢抚。) + 彰7 ) 是传感器实际特性曲线上的点，则迟滞偏差为： q = 歹；“一歹；门 ( 2 - 2 传感器的迟滞偏差指标用迟滞误差来表示，在实际应用中，用下式进行计算： p 。：丛。l o o ( 2 3 ) yf s 式中：l m - i ，i 一在整个测量范围内，迟滞偏差的绝对值的最大值； y 。基准直线上满量程输出。 3 重复性 当传感器在全量程范围内多次重复测试时，同是正行程或同是反行程上对应于 同一个输入量x ，其输出量之间的差值称为重复性偏差。正、反行程重复性偏差分别 为： 尺j = y ；一少；2 。 足；门= y 一y 在实际工作中，传感器的重复性偏差指标一般表示为重复误差，其较为合理的 计算方法是用标准误差来计算重复性指标。它综合考虑了一切校准点( 标定点) 的输 出数据。一般假设传感器在不同输入值时精密度是相同的，并由下式计算： 七藤万丽 ( 2 4 ) 式中：m 为传感器标定时在全量程内进行测试的点数； 盯和盯；n 分别为对应输入x ，点的正、反行程标准偏差，分别由式 1 4 江苏大学硕士研究生毕业论文 当置信概率尸= ( 9 5 0 o 9 9 7 3 ) 时，七= ( 2 3 ) 。 4 精确度 精确度( 或称精度) 是准确度和精密度的综合。一般来说，不存在没有误差的铡 量结果，也不存在没有精度要求的测试系统。精度也称为精确度，在数值上通常用传 感器的允许基本误差与测量范围之比的百分数来表示，即由引用误差来衡量。精度等 级指传感器测量时的精度的数字部分。 准确度表示在测试结果中系统误差的大小。在传感器的校准或标定中，系统误差 主要表现为非线性误差( 线性度) 。精密度则表示在测试结果中随机误差的大小。在 传感器的校准或标定中，随机误差主要表现为重复性误差和迟滞误差。 传感器准确度指标的评估通常有两种方法。一种是点准确度评估方法，它以全部 校准数据的某一个最大值来确定传感器的准确度。这种方法在直观概念上比较清楚， 方法也比较简单，但是没有考虑误差的随机性以及在整个测量范围内其余各点的影 响，因而不尽合理。另一种方法则是在整个测量范围内对全部校准数据进行准确度的 统计评估方法，这是一种比较理想的方法，但计算相对复杂。前文介绍线性度、迟滞 和重复性时所阐述的计算方法就是点准确度评估方法。在4 2 节的传感器标定中，用 到的是统计评估法，所以下面着重对统计评估法作一个详细的介绍。这里只考虑以最 小二乘直线作为基准直线的情况。 f 1 ) 全量程范围内最小二乘直线总准确度的统计评估 最小二乘直线的剩余标准偏差为： 熹薯喜也以) 2 则总准确度由下式确定： 准确度：兰生1 0 0 yf s ( 2 ) 分项静态指标综合成总准确度 i 综合非线性误差为： ( 9 2 i i 分f 、反行程时，迟滞误差为 ( 2 7 ) ( ) ( 2 ，9 ) 江苏大学硕士研究生毕业论文 o h2 其中，a h ，由式( 2 2 ) 求得。 正向重复性误差为： = 骶面 反向重复性误差为： 帮2 居萎c 彬 其中，盯舻和盯妒可由式( 2 1 5 ) 或( 2 1 7 ) 求得a 正、反行程综合重复性误差为： 莎雨酾= 藤霹 i i i 不分正、反行程时，迟滞及重复性误差为 盯r + h = 热旷后万可 ( 2 1 0 ) ( 2 1 1 ) ( 2 1 2 ) ( 2 1 3 ) ( 2 1 4 ) ( 2 1 5 ) 说明：用式( 2 1 5 ) ( 贝赛尔公式) 计算标准偏差仃，时，比较麻烦，因此可用“极 差法”。所谓极差是指某一测试点上全部标定或校准数据的最大值与最小值之差，即： = y ，。一y j 。 ( 2 1 6 ) 根据极差计算标准偏差的公式为： 旷等 泣m 其中，以为极差系数，其大小与测试次数n 有关。其对应关系可由查表得到。 综合总标准差为： 盯n = 机i i i 再i ( 分正、反行程) ( 2 1 8 ) 或 江苏大学硕士研究生毕业论文 根据极差计算标准偏差的公式为： 旷鲁 汜m 其中，d 。为极差系数，其大小与测试次数n 有关，其对应关系可由查表得到。 综合总标准差为： 盯总= 4 i 了磊了百 ( 分正、反行程) ( 2 1 8 ) 或 仃总= c2 i ( 不分正、反行程) ( 2 1 9 ) 2 2 3 传感器的稳定性和漂移 传感器的稳定性表示传感器在一段较长的时间内保持其性能的能力，一般以室温 条件下经过一规定的时间间隔后，传感器的输出与起始标定时的输出之间的差异来表 示。 漂移指在一定时间间隔内，传感器输出量存在与被测量无关并不需要的变化，它 包括零点漂移和灵敏度漂移。 零点漂移或灵敏度漂移又可分为时间漂移和温度漂移。它们分别指温度不变时零 点或灵敏度随时间的变化和周围温度变化引起的零点或灵敏度的漂移。 2 3 实验室抗噪声( 干扰) 技术 噪声是一切干扰和破坏有用信号的无关信号的泛指。它不仅影响被测电路的可靠 性和稳定性，降低电子电路的性能，严重时会淹没有用信号，使电路完全不能工作。 2 3 1 噪声产生的原因 电子技术中，把一切来自设备或系统内部的无关信号称为噪声，把一切来自设备 或系统外部的无关信号称为干扰。在实验室环境下进行测试，主要面对的是外部干扰， 外部干扰主要由以下原因造成： 1 天电干扰，各种气象现象( 如雷电等) 产生的电波或空间电位变化所引起的 干扰。 1 7 江苏大学硕士研究生毕业论文 2 无用电磁波的干扰，各种电台发射的电磁波产生的干扰。 3 交流声，由于电子设备所需要的直流供电电源一般都是由交流市电整流滤波 而得，当滤波不好时，电子设备中就会混入交流市电信号而引起噪声。 4 来自其它电气设备的干扰，如动力机械、使用整流子的电动机、高频炉、电 焊机甚至日光灯火花都会形成干扰。 5 天体干扰，各种天体( 如太阳和其它行星) 辐射的电磁波所产生的干扰。 2 3 2 噪声的抑制方法 噪声和干扰的来源和途径多种多样，针对不同的噪声和干扰途径可以采用不同的 抗干扰措施。解决测试系统的抗干扰问题应从两个方面考虑，一是提高测试系统本身 的抗干扰能力，这一点在测试系统进行设计时就应该给予足够重视，二是找出强干扰 源，采取相应的对策，使其不能串入系统，这主要是在现场调试中进行。 在一个系统中，要完全消除干扰是不可能的，只能尽量减少干扰，保证系统正常 工作。只要不影响系统的正常工作及所需要的测量控制精度，就不必过于苛求。因此， 虽然对于测试系统的抗干扰措施有很多种，但并非每个测试系统都需要抗干扰措施， 更不是一个系统中同时采用各种抗干扰措施，而是根据系统的具体情况，选用其中的 一种或几种。因此，不在这里对各种抗干扰措施进行逐个介绍。 抗干扰的具体措施主要从硬件、软件两方面进行。其中硬件方面，主要是从电源、 接地、模拟量输入通道以及传输线等方面来进行抗干扰；软件方面，主要从数字滤波、 设立软件陷阱、时间监视器以及数据的输入输出等方面来考虑抗干扰。 本试验台测试系统的建立和调试过程中，同样也遇到了不少干扰情况。对应地， 采取了一些抗干扰措施，这些将在第三章和第四章中作详细地介绍。 2 4 本章小结 本章是建立试验台信号采集系统的理论准备，首先阐述了电子测试系统的大体情 况。包括电子测试系统的组成、测量信号的处理、测试系统中误差的来源以及电子测 试系统的发展趋势。然后对传感器的基本情况进行了描述，包括传感器的组成、动静 态特性、标定、准确度以及稳定性和漂移等。最后还对测试过程中的外界干扰以及抗 干扰措旌进行了必要地阐述。 正苏大学硕士研完生毕业论文 第三章助力转向器试验台测试