（机械电子工程专业论文）基于虚拟仪器的电磁阀特性测试研究.pdf

长春理工大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的硕士学位论文基于虚拟仪器的电磁阀特性测试研究是 本人在指导救师的指导下独立进行研宄1 二作所取得的成果。除文中己经注明引用的内 容外，本论文1 ：包含任何其他个人或集体己经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究 做出蘑要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法 律结果由本人承担= 作者签名 皇! f i 王月厦j ：l 长春理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导敦师完全了解“长春理工大学硕士、博士学位论文版权使用 规定”，同意长春理工大学保留并向中国科学信息研究所、中国优秀博硕士学位论文全 文数据库和c n k i 系列数据库及其它国家有关部门或机构送交学位论文的复印什和电 子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权长春理工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捡索也埘采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位 论文。 作者签名： 金盘毒斗。五口f f 年；玉一月，止日 指导导师 守! 生年1 月 ! i j 摘要 电磁阀自发明以来一直是液压、气动等自动系统中关键器件之一，在国民经济 各领域内，尤其是在重点军事项目中占有非常重要的地位。电磁阀的优劣直接影响到 由该电磁阀组成的设备或产品的稳定性和可靠性。随着社会的不断发展，各行业领域 对电磁阀的需求不断激增，对其质量及规范也有了更进一步的要求因此必须对电磁 阀性能进行测试。奉文介绍r 一种基于虚拟仪器的电磁阀测试方法。 本文阐述了包括电磁阀测试原理、测试参数定义及测试方法的测试技术，并提出 了总体设计方案。在虚拟仪器开发平台- l a b v i e wl 实现电磁阀的数据采集及控制，分 别对电磁阀启动时间、释放时间、协同动作时间、回油峰值这四个电磁阀主要特性参 数进行测试，充分利用计算机强大的计算机运算能力，实现对该电磁阀特性参数的的 自动测试、自动显示、存储及打印等功能。经过验收结聚得出谚测试系统工作可靠 稳定性好具有很强的现实意义和实际价值。 关键词：电磁阀虚拟仪器自动测试系统 a b s t r a c t s i n c et h ei m e n t i o no f f o ee l e c t r o m a g n e t i cv a l v e i th a sb e e no n eo f f o ek e yc o m p o n e n t s o ft h eh y d r a u l i ca n dp n e u m a t i ca u t o m a t i cc o n l r o ls y s t e mi nt h ed i m e r e n ta f e a so ft h e n a t i o n a le c o n o m yp a r t i c u l a r l yi na e r o s p a c ea n dk e ym i l i t a r yp r o j e c t s i to c c u p i e sav e r ， i m p o r t a n tp o s i t i o n t h es o l e n o i dv a l v e 5q u a l i t yd i r e c ti m p a c to nf o es t a b i l i t ya n dr e l i a b i l i t y o l 、t h ee q u i p m e n t sa n dp r o d u c t sw h i c ha r ec o n s i s t e db 3 f o ee l e c t r o m a g n e t i cv a l v ew i t ht h e c o n t i n u o u sd e l o p m e n to fo u rs o c i e l ) t h ed e m a n d so ft h e e l e c t r o m a g n e t i cv a l v ea r e i n g c r e a s i n gr a p i d l y t h e r ea r em o r er e q u i r e m e n t sf o ri t sq u a l i t ya n ds p e c i f i c a t i o ns ow em u s t t e s tt h ep e r f o r m a n c eo fe l e c t r o m a g n e t i cv a l v et h i sp a p e ri n t r o d u c e sa 、i r t u a li n s t r u m e n t b a s e do nt h ee l e c t r o m a g n e t i cv a l v et e s t i n g t h i sp a p e rd e c r i b e dt h ee l e c t r o m a g n e t i cv a l v e st e s t i n gp r i n c i p l e t e s t i n gp a r a m e t e r d e f i n i t i o na n dt e s t i n gm e t h o d s a n dp r o p o s e st h eg e n e r a ld e s i g ns c h e m eo nt h ep l e l b m lo f t h e v i s u a li n s t r u m e n t si tr e a l i z e d d a t a c o l l e c t i o na n dc o n t r 0 1 t e s tt h ep a r a m e t e r so ft h e f o e s o l e n o i dv a l v e ssf o u rm a i nc h a r a c t e r i s t i c si n c l u d i n gs t a r tt i m e r e l e a s et i m e ，c o o p e r a t i v e m o x , e m e n tt i m e o i lr e t u r np e a ki tt a k e sf l a i la d x a n t a g eo fc o m p u t e rsp o w e r f u lc o m p u t i n g c a p a b i l i t s ；r e a l i z et h ef o u n c t i o no ft h ee l e c t r o m a g n e t i cv a l v esp a r a m e t e r so ft h ea u t o m a t i c t e s ta u t o m a t i cd i s p l a y s t o r a g ea n dp r i n t i n gw i t ht h er e s u l t so f a c c e p t a n c ew el b u n dt h a it h e t e s ts y s t e mh a sg o o dr e l i a b i l i t y s t a b i l i t y g r e a tr e a l i s t i cs i g n i f i c a n c ea n dp r a c t i c a lv a l u e k e y w o r d s ：f k c t r o m a g n e t i cv a l v e ，v i r t u a li n s t r u m e n t ，a u t o m a t i ct e s ts ) s t e m 摘要 a b s t r a c t 目录 第一章绪论 目录 l 课题研究的日的及意义 1 2 电磁阀特性测试系统的发展与现状 1 3 电磁阀特性删量系统软件开发平台现状3 4 本论文主要研究内容一 5 第二章电磁阀的参数及其测试方法 2 l 电磁阀参数及其特点 一 2 , 2 电磁阀特性参数测试方法与实现 第三章电磁阀测试系统硬件设计 31 电磁阀测试系统总体设计 32 系统采用的设备和器件 第四章电磁阀测试系统软件设计 4l 电磁阀测试系统的总体结构 42 各功能模块结构 一 4 3 数字滤波 4 4 特征点提取及实现 第五章测试实验与讨论 51 测试结果报告段处理 52 测试结果的误差分析 一 4 6 53 系统的抗干扰措施 4 8 结论 致谢 参考文献 附录i 附录i i 电磁阀特性测试系统实物图 电磁阀测试系统硬件接线图 5 1 5 2 5 3 ， 5 6 忙加如凹。拈帖 1 1 课题研究的目的及意义 第一章绪论 本课题所研究的电磁阀自动测试系统是套基于虚拟仪器的自动化测试系统主 要用于对电磁阀进行综台性能测试。电磁阀虽小，却是很多专业领域不可或缺的元件。 液压、气动自动化系统中把电磁阀奉为手足，足以见得电磁阀的功用不可小觑。电磁 阀性能优劣直接关系到该阀组成的产品或设备的稳定性及可靠性。 一台台格的产品在出厂前必 觅经过各种仪器仪表对其参数进行严格测试这样才 能保证其整个系统的正常可靠的运行。电磁阀当然也不例外，不仅如此，电磁阀厂 家还可以根据电磁阀测试结果来分析电磁阀结构及能力，进而使电磁阀性能得q 进一 步提高。 国外对计算机控制的电磁阀测试技术研究比较早，已经相当成熟。而在我国，自 动测试技术比较落后。与国外相比，精度和稳定性均低一个数量级，自动化程度低。 几乎所有的高档测试仪器都是用c b l 从国外进口的，不仅成本昂贵，而且在后来的维 护方面部存在很大的困难，大大增加了因家的负担。广泛采用虚拟仪器技术能够提升 我国自动化测试技术水平，减少国家负担。因此自主开发研究稳定可靠的基于虚拟仪 器的电磁阀测试系统是十分必要的。 由上述的分析可以看出，在现阶段本课题研宄基于虚拟仪器的电磁阀测试系统 具有很强的现实意义和实际价值。 1 2 电磁阀特性测试系统的发展与现状 随着科学技术的不断发展为了保障电磁阀的性能，基于t i f = = 同的检测方法研制开 发r 许多电碰阀特性参数检测仪器和设备，先后出现了如下昕述的三种模式，它们也 基本代表着电磁阀测试技术的发展过程。 第一代测试方法为链式法，即通过导线将电器元件简单的连接起来，通过继电器 控制整个测试系统也被称为一继电器控制系统”。这种链式法线路多且杂，体积尺， 不容易改变或增加其功能。此外，在当时的条件f 由于每个继电器触点数量有限每 个只有4 8 对触点所咀灵活性和可扩展性差。同时，不具备智能控制故障分析比 较网难。 随着科学技术的进一步笈展，p l c ( 可编程控制器) 控制方式垤渐取代了继电器 控制方式，它采用存储器逻辑用户通过编制类似继电器线路的梯形图程序米实现控 制功能，只需改变存储在存储器中的程序就能改变其控制逻辑。在理论上每一个可编 程控制器在一软一继电器触点的数量 一是无限的，所以其具有良好的灵活性和可扩展性， 同时抗干扰能力强，价格便宜，功能齐全，布线少，体积小，易于操作和维护服务， 圆此应用非常广泛。但也有其缺点例如人机界面不够友好。 近年来，经过市场的考验和选择，p c 总线工业计算机工业计算机市场己逐渐成为 发展的主流它具有适应z , j k 现场环境结构性能好和各种i 0 成套设备齐全等特点。 软件和硬件总线标准与普通p c 是完全通用，p c 总线代表着工业计算机技术的发展方 向和未来的发展趋势。 对电磁阀特性测试系统的软件测试平台有多种，如汇编v b v c 和其他基于文 本的编程语言集成系统，用户必须精通这些复杂的语言，这就为工程技术人员提出了 很高的要求。而在基于图形化编程语言虚拟仪器l a b v i e w 中，编写软件程序就像“画” 程序流程圈样，界面更加生动，灵活，性能可靠，突出了图形化编程语言的优势， 有效地减少生产成本和缩短开发周期。基于p c 的虚拟仪器数据采集系统不仅具很高的 测量性能，而且很好的满足了测试系统灵活性足一种特别适台我国国情的虚拟仪器 设计方案。本课题的电磁闷测试系统就是采用此方式完成。 在今灭的机电一体化进程，电磁阀和测试技术的投展和越来越多的关注应用的快 速发展”j 。在一些发达国家，由于其拥有雄厚的经济实力和较高的科技水平在开发电 磁阀综台测试的系统达到了 个报高的水平，在其他国家，由于微控制器( 单片机或 m c u ) d s p ( 数字处理器) ，嵌入式系统技术己经比较成熟和完善为科研企业及部 门提供了良好的电磁阀的研究和发展的综合控制系统平台。现在，随着国外芯片制造 技术和嵌入式开发技术的发展，在关于电磁阀综合控制系统逐步走向了智能化和微机 化使之成为一套集控制理论，通信理论计算机应用技术，传感技术，数字信号处 理技术多学科综合控制系统，大大提高了电磁阀的测试系统。例如在国外，电器试 验参数采集与处理系统( 也可称为瞬卷波形记录仪) 己形成产品其中有美国n i c o l e i 公司的b e 2 5 6 系列以及荷兰b a k k 公司的产品，但其价格都很昂贵( 约l5 - 2 0 万美元) 6 1 。 与国外相比，目前我国在这方面的测试技术整体水平不高，有些删试系统仍全部 用硬件组成的电子电路来进行测试，甚至有些系统处在半手工半日动化的状态。同样 电磁阀综合性能测试系统也仍然使用普通的电子元件测试电路继电器驱动与系统参 数检测相互分离，而且驱动发生信号不能随意调节和改动造成系统测试功能单：相 互分离的结构造成被测系统参数误差比较火，很难提高整体电磁阀产品的综台技术性 能指标从而影响我国整个航空、汽车： 业乃至整个工业的发展。但也有些可喜的成 绩。中i h 市铧禧电子科技有限公司生产的电磁阀智能检测仪( 图1i ) 能够测试并显 示各娄电磁阀的动作电压、动作电流，释放电压、释放电流的参数。准确度能够达到 o5 ，分辨率选l m a ( 00 1 v ) 。系统测试时操作简便、测试噪音小：系统结构紧凑、 性能稳定、体积小、重量轻。 圈i i 电磁阀智能检测仪 河北工业大学研制的电器参数也采集系统的电器试验数据高速采集与处理系统能 够同步采样8 通道的交流电信号、4 通道的直流电信号，8 个通道同步采样时采样频率 为1 1 2 5k h z 可调，两通道阔步采样时采样频率达到1m h z t 4 1 其在民用继电器生产 实际中得到j 很好的应用，但是仍然不能完全满足现代电磁阀自动测试的试验需要， 从而影响我国整个航空、汽车工业乃至整个工业的发展。因此如何提高电磁阀测试技 术性能指标是该领域中的一个重火课题， 13 电磁阀特性测量系统软件开发平台现状 1 3 1 虚拟仪器的概念及特点 虚拟仪器技术是2 1 世纪科学技术中的核心技术之一包括计算机技术、自动控制 技术、测蹙技术、电子技术等。美国国家仪器公司( n a t i o n a l i n s t r u m e n t s c o r p o r a t i o n ，n i ) 于2 0 世纪8 0 年代中期旨先提出了基于计算机技术的虚拟仪器的概念。 t h t f 认为虚 拟仪器室由计算机硬件资源、模块化的仪器硬件和用于数据分析、过程通信及图形用 户界面的软件组成的测控系统，是计算机操纵的模块化仪器系统”1 。 用，、可以通过友好的图形界面( 前面板) 操纵计算机就像操纵一台由自己定义、 设计的传统仪器一样，壳成对被测量的采集、分析处理及存储打印等功能| ( i 。软件就是 虚拟仪器测试系统的蓑键任何一个用户都可以通过修改软件来改变虚拟仪器系统的 功能这就是虚拟仪器“软件就是仪器”的说法的束j ! i j 。下图( 12 ) 是一种利用数据 采集卡实现的虚拟仪器。 肫卜日砷 图i2 一种利用数据采巢卡实现的虚拟仅器流程圈 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就是在于“虚拟仪器的 关键是软件”。虚拟仪器的特点可以归纳为以f 几点： 1 虚拟仪器的软硬件都其有开放性、互换性、模块化及可重复性等特点。 2 软件是整个虚拟仪器系统的灵魂它的主要功能都是由软件来完成，在系统中 具有决定性地位。 3 完全由用户柬定义仪器的功能而且系统的改进或功能扩展只需要修改软件设 计而不需要购买新的测控仪器。 4 研制估j 期较传统仪器大为缩短维护方便，性价比高。 5 虚拟仪器是基r 计算机开放式标准体系结构，可与计算机同步发展与m 络及 周边殴备互联。 6 虚拟仪器具有良好的人机界而，可以根据自己的喜好柬设定界断。 1 3 2l a b v i e w 概述及特点 l a b v i e w ( l a b o r a t o r y v i r t u a l i n s i m m e me n g i n e e r i n g w o r k b e n c h ) ，实验室虚拟仪器 工作平台是美国国家仪器公司( n i ) 推出的一种基于g 语言的虚拟仪器软件开发工 具。主要应用于仪器控制、数据采集、数据分析、数据显示等领域。与传统程序语言 不同，l a b v i e w 采用强大的图形化语言( g 语言) 编程面向测试工程师而非专业测 试员，编程方便，人机交互界面直观友好。设计者可以像措积术一样，轻松组建一个 测量系统和构造自己的仪器面板，而无需进行任何繁琐的计算机代码的编写。l a b v i e w 己经成为目前应用最广目前应用最广、发展最快、功能最强、最流行的虚拟仪器开发 平台t t 概括起来，l a b v i e w 软件工具特点町以概括为： 1 使用图形化编程方式设计者无需写任何格式的代码，是真正的工程师的语言。 2 提供r 丰富的面向测量仪器领域的专用库函数，片j 下数据采集、处理及显示等 功能。 3 提供大量与外部代码或软件进行连接的机制，如d l l ( 动态链接库) 、d d e ( 共 享库) 、a c t i v e x 等。 4 强大的i n t e m e l 功能，支持常用的网络协议方便网络、远程测控仪器的开发。 5 可以生成可执行文件不必安装l a b v i e w 就可以在任何微机上单独运行。 6 即提供丁传统的程序调试手段，如设置断点、单步运行同时也提供了独特的 高亮执行和探针工具，使程序动画式运行和可以奁看连接线的县体数值，利于设i 十者 观察程字运行的细节，使程序的调试和开笈吏为便捷。 1 4 本论文主要研究内容。 1 4 i 本文的主要研宄内容： 本课题的研究目的是研制出一套基于虚拟仪器的电磁阀特性测试系统，能够完成 电磁阀启动时间特性测试、释放时间特性测试、协同动作时间特性测试、回油峰值特 性测试这四个主要性能指标的测试。主要研究任务为： i 研究电磁阀特性测试基本理论。 2 根据用户的功能需求和精度要求对整个测试系统进行研究，确定其硬件结构 选择适当的元器件。 3 以图形化编程语言l a b v i e w2 0 0 9 作为编程工具编- n 试软件程序，实现 对特性参数的采集、处理、分析段存储打印。 4 滤波算法的实现、分析系统精度及寻找特定的特性曲线特征点。 1 4 2 电磁阀测试系统主要性能指标 所有电磁闷性能测试均在下述实验条件下进行： 环境温度：( 1 0 3 5 ) 油温：( 2 5 4 0 ) 相对湿度：2 0 8 0 油箱增压：无 电源电压：2 7 v 3 v 启动时间特性测试：测量产品线圈的电流曲线示波图。测量精度：2 m s 。 释放时间特性测试：测量产品线圈的电压曲线示波图。测量精度：- + 2 m s 。 协同时间特性测试：测量由电磁铁接通或断开的瞬间到作动简孔n 压力开始上升 ( 或下降) 时止所需要的时间，给出波形曲线。测量精度：_ + 5 m s 。 电磁阀回油峰值波形特性：在额定条件下电磁阀协同动作时所造成的回油压力 峰值波形符合f i 酊图形( 图13 ) 。 图13 网油峰值波形图 根据厂家需求及电磁阀测试系统设计指标电磁阀测试系统应当具有如f 功能 1 可以适应各种类型电磁阀的测试要求： 2 检测电磁阀样品启动时间、释放时间、协同动作时间及凹油峰值波形曲线： 3 试验装置的控制操作应方便、输出( 显示或打印) 直观。 第二章电磁阀的参数及其测试方法 2 1 电磁阀参数及其特点。 电磁阀功能是依靠电磁铁的通断过程实现的。但是在电磁阎线圈突然t 电或断电 时，线圈的电流值不会马e 跃变到某一个固定的值，而是缓慢变化到这一个固定值。 电磁铁的触点也不会马上吸合或释放，会有一个延迟过程，而这个延迟的过程就是该 电磁阀的动作时间。电磁阀的动作时间决定了其控制系统的动作快慢，进而影响整个 液压系统的控制精度、稳定性及可靠性。因此在电磁阀的制造和测试过程中都对电 碰阀的动作时间给予特别关注。 电磁阀的种类繁多，给其特性测试带来一定的困难。根据中华人民共和国航空工 业部标准飞机液压电磁阀通用技术条件( h b 5 8 2 3 8 3 ) 中的测试标准电碰阀特性 参数主要有以f 四种。 1 电磁阀启动时问特性： 当电磁阀启动时，从加输入电流开始，线圈的电流值不会马上跃变到某- 一个固定 的值，而是缓慢变化到某一个固定值。线圈上电流缓慢变化而线圈中自感电动势总 是与电路中的电流变化相对抗，电感线圈对变换电流其阻碍作用，在一段时间内，电 流是f 降的，而后缓慢上升到某一固定的电流值。我们认为这一现象是一种抖动现象 而当电磁阀完全启动时，电路巾电流不再变化，线圈l 电感量为零。我们称当加输入 电流开始至电磁阀线圈发生抖动时至之间的时间间隔为电磁阀启动时问。 2 电磁阀释放时间特性： 同理当电磁阀关断时，从切除电流开始线圈的电流值1 ：会马上跃迁到零，而 是缓慢减小到零。而电感线圈对变换电流其阻碍作用，朝着电流变化相反的方向运动， 因为电流值在不断减小，电磁阀线圈中的感应电动势朝着电流值减小的方向运动，电 流曲线在段时间内快速下降，而后又缓慢回升，周而复始回升到零点。同理我们 认为这个现象是一种抖动现象。我们称当电磁阀关断时，从切除输入电压开始至电磁 阀线圈发生抖动时至之间的时间间隔。 3 电磁鹇协尉动作时悯特性： 当电磁阀启动或断开时，阀门开启或闭台引起作动简孔 i 压力上升或f 降。我 们称由电磁铁接通或断开的瞬时到作动筒孔几压力开始上升( 或下降) 时l t 所需要的 时间为电磁阀协同动作时间： 4 电磁闷吲油峰值特性： 在额定条 q - 下电磁阀协同动作时所造成的吲油压力峰值波形符合下面图形( 图 2 1 ) 。 图2 i 回油峰值波形图 电磁阀回油压力测试曲线要完全符合以下5 个条件的产品为台格品否则不台格 l 峰值压力为额定压力的6 0 0 p 7 5 ： 2 过渡压力为额定压力的3 0 一3 5 ： 3 余压小于5 k g f f c m 2 ： 4 从回油压力开始上升时至峰值压力时至之间的时间间隔小于00 5 s ； 5 从回油口压力开始上升时至压力下降为零时至之间的时间间隔小于25 s 。 22 电磁阀特性参数测试方法与实现 2 ，2 i 电磁阀启动时间特性测试 检测电磁阀启动时间特性是指在额定条件下测量产品线圈的电流曲线示波图。电 磁阀启动时间测试原理图如下图所示( 图2 2 ) 。采样电阻串联在电磁阀回路中通过 测试采样电阻两端分压信号换算出电磁阀线圈的电流值。由r 考虑到太电流下采样电 阻分压的问题，也考虑到小电流下采样电阻电压信号非常小的问题所以采样电阻采 用01 欧姆的夫功率高精度电阻。采样信号经放大模块转换成合适的鼍程输入到采样模 块。 圈2 2 电磁阀店动时f b l 试原理圈 2 2 2 电磁阀释放时间特性测试 检测电磁阀释放时间特性是指在额定条件下测量产品线n ( t j 电h i , 崔t 线示波圈。电 磁阀释放时问测试原理图如f 图所示( 图23 ) 。采样电阻并联在电磁阀两端，通过测 试采样电阻两端的电压信号换算出电磁阀线圈的电压值。由于不同型号的电磁阀线圈 的材料及长度等参数不同而造成线圈的电感系数不同这样就使得采样电阻两段电压 极不稳定- 也小一定在采样模块的输入范围内。所以我们在采样电阻回路中串连一个 火阻值的分压电阻，同时也在信号输出端加两个相对放置小于1 0 v 的稳压二极管，确 保信号输出范围小于采样模块输入范围。 图2 3 电磁阀释救时问测试原理图 2 2 3 电磁阀协同时间特性测试 电磁阀协同动作时间是指栏额定条件f 测量由电磁铁接通或断开的瞬时到作动筒 孔口压力开始卜卅( 或下降) 时止所需要的时间。电磁阀协同时间测试原理图如下圈 所示( 幽2 4 ) 。系统动作时间有电磁阀接通( 或断开) 的瞬时和孔口压力开始上升( 或 下降) 的瞬时两部分组成。 + 般来说，控制系统如继电器等硬件部自延迟时间且不定 这样就造成电磁阀启动( 或断开) 的瞬叫时间不确定。奉测试系统中将电磁阀电压 上升( 或下降) 的瞬时时间作为电磁铁接通或断开的瞬时时间就非常好的解决了这个 问题。 电磁铁在额定电压下，向产品供给额定工作压力通过装在产品各孔u 上的压力 变送器获得测罱值。 图2 5 电磁阀回油峰值测试流程图 作时所造成的回油压力峰 。在额定条件f 电磁阀在 量值经过变换模块输入 第三章电磁阀测试系统硬件设计 3 1 电磁阀测试系统总体设计 精度和性能是现代仪器系统的生命，而硬件醴汁就是其中的决定性因素之1 7 1 。因 此在设计硬件系统时要根据测试系统的性能指标和被测信号的特点，按照结构简单、 可靠性高及性价比高等原则，合理的设计系统结构。同时还要在硬件和软件的选择上 要“咀软代硬”，尽可能的减少硬件设备，提高测试系统的性价比、测试精度及测试速 度。 对试验设备来说除要求高度可靠外还应有较强的分析处理能力。能很方便地 完成各种试验。同时还要便于工程师控制以及完成实验数据的输出、显示及打印等， 并且能够配合软件，为检测工程师提供较发善台勺入机界面易于开发移植性较好的电 磁阎测试控制应用程序。 一般来说，在基于虚拟仪器的自动测试系统中，其工作过程实际分为四个部分：被 测信号部分、信号调理部分、采集数据部分、分析处理及显不部分。设计基于虚拟仪 器的电磁阔自动测试系统同样需要完成这四方面的任务。在电磁阀测试系统中，被测 信号有两个来源，一个是测试电磁阀启动时间和释放时间的电路部分：另一个是测试 协间动作时间和回油蜂值波形的压力传变换器部分。信号调理分别需要对被测信号进 行放大转换及隔离等一系列处理，使被测信号符合数据采集 的所能接受的格式和 输入范围。这样我们把电磁阀测试系统主要分为处理模块、采集模块、控制模块、转 换模块、放大模块、电路发生模块段压力模块菇7 个模块 根据设计任务的要求以及对电磁阀参数测试方法的设计电磁阀测试系统原理框 图如下图所示篷3 1 ) 。 陶3 【电醯阀测试系缱原理框例 该测试系统是一个以处理模块为核心，控制模块为中枢的测试系统。主要分为四 个部分。 l 启动时间测试信号由信号发生模块芨出，经放大后输入到采样模块。 2 释放时间测试信号由信号发生模块发出，直接输入到采样模块。 3 压力模块分别采集作动筒孔口压力信号和回油压力信号，经转换模块后直接输 入到采样模块。 4 由处理模块发出指令驱动控制模块，达到控制整个测试系统的效果。 整个电磁阀测试系统以软件和硬件相结合并以软件控制、处理分析为特点。由 于电磁阀种类繁多，线圈位置、连接方式等有很大差异在硬件选择上很大程度“以 软代硬”的原则，减少硬件使系统结构变得简单，易于运行及维护。 3 2 系统采用的设备和器件 3 2 1 处理模块 处理系统是电磁阀测试系统的核心部分是系统的控制端、数据处理端及数据显 示端。所有与试验相关的控制操作及检测测试工作均由主机控制完成，町以说处理模 块是本测试系统的统一硬件平台，可以实现各种测试功能包括对测试过程进行控制， 与其它设备的实时通信实现仪器功能以及对测试数据的分析、保存、显示以及打印。 因此需要慎重选用主机类型，其工作的町靠性是保证本试验设备能够可靠的完成测 试的关键。 显然在主机的选择方面不需要它具有非常高的配置而最主要的是它要有很高的 町靠性。本文设计的试验系统中采用的是研华工控机。基奉配置为：主板：p c a 6 0 1 0 ： c p u ：i n t e lc o r e 2 双核28 ：内存3 g ：配三星显示器、h p 喷墨打印机，为当前的主流 配置。 3 2 2 采集模块 采集模块的主要任务是采集采样电阻电压信号、电流信号和经过转换模块的压力 信号，输入到处理模块进行数据分析及处理。数据采集系统最重要的技术指标是系统 采样速度而a d 转换时问决定了系统的采样速度的数值，并且a d 的位数同样决定 了采样系统的分辨率和精度。因此a d 转换器是采集模块的关键组成部分，它的正确 选择决定整个系统的技术性能。根据对电磁阎的性能的研究电磁阀的肩动时间、释 放时间、协同动作时间、回油峰值波形是能反映该电磁阀主要性能的重要参数，一般 这四个电磁阀参数的被测信号的变化频率最多能够逃到i k h z ，但采样频率般是被测 信号变化频率的5 1 0 倍，所以我们要求采样频率要大于1 0 k h z ，即a d 转换的时问应 小于1 0 0 u s 。 采集卡采集到的待测信号后，并= = i _ = 是有一个数据量，用户就读取个数据量，而 是以先进先出的d f i f o 方式将采集到的数据源源不断的写入到采集卡自带的缓存中。 当用户使用读入数据操作时将自动将缓存里的数据传输到计算机里这样就可以实 现动态存储能够全速实时币间断采集。如果用户投有及时读出数据缓存里的数据 将溢出数据队列顺序会打乱新进入的数据将冲掉最先写入的数据。如果出现缓存 数据溢岱除了用户及时读出数据只能靠提高计算机速度、降低采样速度或扩大采 集# 缓存的容最米弥补。所以在选择数据采集设备时，就需要考虑到采集、转换速率 和自带缓存等问题。 每个电路巾都h 二可避免的涉及到抗干扰和抑制噪声的问题，在这里我们同样遇到 这个问题。差分法利用电路参数的对称性和负反馈作用，有效地稳定静态工作点，抑 制共模输入信号和提高机干扰能力，广泛应用于直接耦台电路和测量电路的输入级“1 。 差分输入简单的说就足正输入电压减去负输入电压，把大小相等极性相反的干扰因 素消除掉，这样就以下两个好处。 i差分法控制了系统中的“基准”电压，所以系统对识别小信号能力非常强。 在每。个以地做基准的自动测试系统里，“地”的一致性是系统中测量信号的准确值的 关键嘲索。因为信号输出与信号输入距离越远，它们局部地之间的电压值差异性越大。 而在利用差分法的系统里就1 i 存在这个问题，这样就具有非常好的抑制零点漂移能力。 2 差分法能非常好的减弱外部电磁干扰( e m i ) 。因为同一个干扰源对差分信号 的每一端都有几乎相同程度的干扰这样就能把忽视大小相等、极性相反的干扰。这 样具有厦抑制噪声与干扰的能力。 根据以上要求我们选用双诺公司的m p 4 2 0 e 多功能采集膏，它运用u s b 20 接口， 控制接r i 采用c y p r e s s 公司的c y 6 8 0 13 芯片，提供1 6 mb y t e s 的高速通讯速率。a d 部丹接叫采用g p i f 和f i f o 接几，数据自动传输无需板上c p u 干预内部数据传输 速率可以达到2 0mb 1 d s 。它的主要特性如下： 1 2 位5 0 0 k h z 采样频率，2 u s 转换时间： 8 md f i f o 缓冲提供8 秒的采集数据缓冲，并支持多卡连续采样： 具有】6 路单端，8 路差分输入： 输入程控放凡多种增益选择： 具有软件自动校正技术，自动校正零点及满刻度数值。 m p 4 2 0 e 如下图所示( 图32 ) ： 圈3 2m p 4 2 0 e 数据采集 3 2 3 控制模块 控制模块是整个自动测试系统的中枢部分其主要任务是通过输出开关量以达到 控制整个系统的目的。它采用u s b 总线与主计算机通信，同时根据主计算机的指令确 定正负端的控制方式，驱动继电器控制整个系统。由于启动时间与释放时间非常短， 而电磁阀测试采集系统实行实时采集方式，这就会有可能人眼捕捉不到测试图像或不 能将测试图像定格的显示出来。在种情况下我们采用定时开关功能，即当回路闭合 后经预先设置好的时间系统自动断开，这样既保证每一次都能捕捉到有效数据，也 节省了系统的测试时间。考虑到在开关最输入中“开”和“关”暂态对计算机干扰十 分强烈及现场强电对控制系统本身的干扰，d i 扳采用光电隔离开关输入，使计算机和 现场信号之间全部隔离，提高r 抗干扰能力。 根据虬上目的和要求本测试系统选用双诺公司的m p 4 5 2 驱动板，其具有以下特 性： 【6 路入1 6 出相互隔离开关量，驱动其配套继电器板a c l 4 i n ： 2 采用u s b 20 总线，支持即插即用： 3 继电器板a c l 4 1 n 为1 6 路大功率继电器，每路开关驱动能力大干5 a 2 4 v ，建 立时间小于】0 0 m s ，工作温度为：0 度n + 5 0 度： m p 4 5 2 驱动板和继电器板a c l 4 1 n 如图所示( 图3 3 、图3 4 ) ： 圈3 4 继电器板a c 4 1 n 3 2 4 转换模块 在基于虚拟仪器的自动测试系统中，一般很少把传感器或来自被测系统的信号直 接输入到数据采集卡，因为数据采集卡可能会对信号产生干扰，从而影响到信号质量 1 9 1 # 一般来说数据采集卡h 能接收一定范围的模拟信号而传感器把非电物理量变 换成电信号后，井不定在这一范围内。传感器输出的信号有时还必须经放大、滤波、 线性化补偿、隔离、保护等措施后，才能输送到数据采集卡。总之，最后输入到采集 卡的电信号必定是采集卡能接受的格式，否则就必须转换调理。 信号调理足完整采集系统的重要组成部分，信号调理简单的说就是将待测信号通 过放大、滤波等操作转换成采集设备能够识别的标准信号，是指利用内部的电路( 如滤 波器、转换器、放大器等) 来政变输入的讯号类型并输出之。虽然在电磁阀自动测 试系统中，多功能采集卡m p 4 2 0 e 本身具有多种信号调理功能如多种量程选择，自 动校正技术，多路开关量等等，但是一般在复杂的系统中都会有专门的信号调理模 块。 转换模块主要功能是转换信号格式，由传感器的电流信号转换为采集卡能够接受 的电压标准信号。尤其是输出电压信号范围符台采集卡基本输入范围。 转换模块具有隔离功能主要是为安全考虑，也就是将传感器与采集卡隔开因为 被测系统往往可能包含瞬间的高压。尤其是有电磁阀线圈在内的电磁阀测试系统可 能在那一瞬间的高压会烧坏采集卡，此外需要隔离的另一个原因就是采减小电势差或 共模电压对采集卡输入的影响。 本自动测试系统根据实际情况的要求，决定采用深圳顺源科技有限公司提供的i s o e m a 4 一p 1 一0 1 0 型i ，v 转换器。i s oe m 型i v 转换器是一种磁电隔离的混合集成电路 型的隔离放大器在同一芯片e 集成了个多隔离的d c d c 变换电源和一组磁电耦台 的模拟信号隔离放大器，町用于数据采集系统的前端设备。该型号的w 转换器是将 o 2 0 m a 的电流转换为0 1 0 v 的电压，d c 2 4 v 供电。免零点和增益调节，使用方便， 支持2 进2 出。工业级温度范围：一4 5 度i l j + 8 0 度，符合测试系统测试标准。i ，v 转换 器如下图所示( 图35 ) ： 3 2 5 信号发生模块 圈3 5i s oe m - a 4 p i - ( 3 1 0 型l 转换器 顾名思义，信号发生模块士要任务是发出有效的待测信号。由于我们在第二章介 绍的启动时间测试电路和释放时间测试电路都是分开设计的电路出于电路有着共同 的被测件的考虑，我们需要将这两个电路组合起来。完整电路图如下圈所示( 圈36 ) 。 嘲3 6 电磁闻测试系统信号发生模块电路圈 电磁阀启动时问测试：在前置设置时，断开1 ( 2 ，闭合k 3 。当k i 闭合的瞬间整 个回路只能和启动时间采样电阻组成吲路，这样就避开了和电磁阀并联的电路。当k l 断开时，电磁阀线圈的电势经电阻r i 回路泄放掉。这样就形成了如图f 22 1 的启动时间 测试电路。 电磁阀释放时间测试：在前置设置时断开k 3 闭合融。当k 】断开的瞬问电 磁阀的电感线圈就相当于电源，由于此时k 1 和k 3 已经断开所以只能和释放时间采 样电阻及分压电阻构成一个完整回路。这样就形成r 如图( ，3 ) 的释放时间测试电路。 3 2 6 放大模块 放大模块丰要任务是将启动时间的被测信号范围放大到适台采集卡的输入范围。 由于启动时1 d t n 试电路叫_ i 采用的采样电阻为0l 欧姆的大功率高精度电阻，回路中可产 生电压信号最大值约一百毫伏，经过电容滤波后将这一电压值放大到数据采集卡相适 宜的电压范围( 1 0 v ) 。在车测试系统中，进行电压转换用到的主要器件是差动放大 器a d 6 2 0 ，如图所示( 图37 、图38 ) + v c 圈3 8 a d 6 2 0 茎动放大器引脚图 a d 6 2 0 是一款低成本高精度仪表放大器。仅需要一个外部电阻来设置增益增 益范围为1 到1 0 0 0 0 。a d 6 2 0 在本系统中具有很多优点。 i 电源电压：电压设置范围为23 v 一1 8 v ，这里我们将电源电压设置为 1 0 v 。这样设计主要有两个好处。一是将电压信号转换到采集i - m p 4 2 0 e 的量程范围之 内，确保放大器的输出电压小于它的电源电压( 1 0 v ) 。二是将其它干扰峰值电压隔 离，保护多功能采集卡，防【t 干扰信号进入采集 而影响系统f | 勺稳定性，提高系统的 抗干扰能力。 2 出色的交流特性：带宽为】2 0 k h z ( g = 1 0 0 ) ，0 0 1 建立时间为1 5 u s 远远高于 被测信号变化频率。 3 低噪声：输入电压噪声：9 n v h 2 f l k h z l 。 4 放夫倍数：放大倍数的任意选择，放大公式为： g = ( 4 9 4 k r 6 ) + 1( 3 】) 其中r o 有阿部分组成，一部分是固定阻值为1 2 0 q 的精密电阻另一部分是机械 旋钮式的滑动变阻器能够很方便的任意设置放大倍数。在程序中我们选择倍数为3 0 倍、1 0 0 倍、2 0 0 倍、3 0 0 倍、4 0 0 倍五个档位使启动时问信号输出多数能够达到采 集卡输入i ：| 勺最佳位置。 5 接地：放大器a d 6 2 0 的输出口6 脚与5 脚，其中我们可以将5 脚接整个系统 地，这样5 脚电位就可以定义为零输出电压获得最佳的共模抑制( c m r ) 和极大的 减弱噪声( 详见图37 ) 。 3 2 7 压力模块 在军事工程、材料、力学或液压动力机械实验等科学测试与现代化仪器仪表中 需要不失真地测量一些变化频率高、压力波形l 升快或陡的动态压力波形、幅值或有 效值，这就要求压力传感器具有高的固有频率，极短的上升时间和宽广忧良的响应频 率，以保证足够的动态测压精度。压力传感器在本电磁阀测试系统中需要安装在产品 油压口，在这样的现场j 二作环境中需要非常高的可靠性和稳定性，还需要一定的抗 膳蚀能力和具有温度漂移小等要求1 ”。”。 压力模块的主要作用是把油压口的压力信号转换成电信号输入到转换模块。当压 力传感器把采集到的微弱的电信号转换成标准信号时称为压力变送器。在额定测试条 件下电碰阀工作电压为2 7 v 向产品供给额定工作压力，通过装在产品各孔口上的 压力变进器获得测量值。其测压点尽量靠近孔u 与孔口最大距离一般不大于1 0 d 0 ( d o 为通径) 。这样就要求压力变送器具有尺寸小、安装简单等要求。 根据以上要求，我们采用南京宏沐科技有限公司提供的型号为 h m 9 0 a 一3 0 m p a - h l 一3 一a 1 一f l 的压力变送器。h m 9 0 型号的压力变送器是专门为需要高 频动志测量的实验| 殳计的，它采用德国h e l m 公司的商性能芯片利用微机械加工技 术使得集成硅片芯片有敏尺寸小，网有频率高：有优良的弹性力学特性，综合性能优 于压电动奄压力传感器。原装进口组件，具有性能u r 靠、工作稳定、抗干扰能力强及 性价比高等特点。是动态测量的首选压力变送器。h m 9 0 型压力变送器如f 圈所示( 图 39 ) 。 嗣3 9 h m 9 0 型压力变送器 它的主要优点： 1 全不锈钢外壳，在液压油中有卓越的抗腐蚀能力， 2 压力变送器带宽为2 k h 玉上升时间为。一3 u s ，满足协嗣动作时间和回油峰值波 形曲线实时采集频率要求。 3 零点温度漂移小，典型值：o0 2 f s 度，供电范围为( + 1 2 + 3 6 ) v d c 主要考 虑到与继电器板a c l 4 1 n 共用+ 个电源，在本电磁阀测试系统中，我们决定采用 + 2 4 v d c 作为供电电源，减小电源干扰，提高了抗干扰能力。 4 信号输出为4 2 0 m a ，刚好符台转换模块的输入范围。 5 外形尺寸小熏量轻，满足本系统的安装要求。 6 工作温度范围为- 4 0 度计8 5 度，满足国家标准的测试环境。 上面所列的是电磁阀自动测试系统的主要模块，对于一些附属硬件，如1 0 v 电 源、+ 2 4 v 电源- ( 0 3 0 ) v 町调电源，控制柜等硬件，在这里就h ：详细介绍了我们可 以在附录的硬件连接图中看到详细连接情况。由于使用计算机控制的数字化系统，所 以硬件部分简单，许多，很多工作采用软件来完成，提高了抗干扰能力。 第四章电磁阀测试系统软件设计 4 1 电磁阀测试系统的总体结构 4 1 i电磁阁测试系统的综述 电磁闽删试系统是一个基于虚拟仪器的自动测试系统，虚拟仪器技术就是利用一 些计算机软件和必要的硬件，使它们具有和实际独立仪器(