基于虚拟仪器的液压系统故障快速诊断装置设计（软件部分）

目 录 摘要 ABSTRACT 第 1 章 绪论 1 1.1 研究的目的和意义 1 1.1.1 设计目的 1 1.1.2 本设计的研究意义 1 1.2 国内外的发展状况 2 1.3 设计需求 4 1.4 基本内容和拟解决的主要问题 5 1.4.1 设计基本内容 5 1.4.2 拟解决的主要问题 6 1.5 技术路线或研究方法 7 第 2 章 图形化编程语言 Labview 8 2.1 Labview 简介 8 2.1.1 LabVIEW 简介 8 2.1.2 VI 的特点 8 2.1.3 LabVIEW 的体系结构 9 2.2 Labview 软件特点 9 2.3 Labview 的工作方式 10 2.4 Labview 的程序开发环境 10 2.4.1 基于 LabVIEW 的数据采集系统 10 2.4.2 LabVIEW 的编程环境 11 2.5 本章 小 结 11 第 3章 液压系统故障快速诊断装置总体设计 13 3.1 软件系统框架结构 13 3.2 数据采集模块 14 3.2.1 压力检测 15 3.2.2 流量检测 16 3.2.3 温度检测 163.3 数据处理模块 16 3.3.1 数据处理 17 3.3.2 实时报警 17 3.3.3 单位选择 19 3.4 数 据管理模块 19 3.5 数据显示模块 19 3.6 本章 小 结 19 第 4 章软件使用说明 20 4.1 设计程序说明 20 4.2 使用流程 20 4.2.1 启动软件过程 20 4.2.2 温度测量 21 4.2.3 流量测量 23 4.2.4 压力测量 25 4.3 本章小 结 27 结论 28 参考文献 29 致谢 31 附录 32 1 第 1 章 绪 论 1.1 研究的目的和意义 1.1.1 设计目的 随着高新技术在各个传动系统中的 广泛应用，传动装置已经发 展为复杂集合体。液压传动系统具有结构轻巧、传动比大、运行平稳、有效防止过载、易于实现无级调速和自动化、易于实现自动控制及远距离操纵等优点，被广泛应用于工程机械中。液压系统结构复杂，其内部状态又难以观测，容易发生故障，给液压系统的运行状态监测和日常维护保养带来一定的困难，故障诊断与检测难度大。若液压系统在运行过程中一旦发生意外故障，不能及时诊断维修将会给用户造成重大经济损失。传统的诊断方法是在各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进行，其方法落后、速度慢、精度低、可靠性差、人为影响 因素多，需要花费大量的人力和财力，而基于虚拟仪器的智能诊断方法由于利用领域专家丰富的经验和知识，在液压系统的故障诊断中充分显示出其优越性。 因此，对液压系统检测和故障设备的开发和研制有着很急迫的需求。本设计将虚拟仪器技术运用到液压系统的在线监测中，设计液压系统故障诊断系统，有效地提取液压系统的特征信号，对故障信息进行分析比较。 1.1.2 本设计的研究意义 液压系统具有体积小、重量轻、运动平稳的特点，可以容易地获得较大的力和力矩，并能在较大的范围内方便地实现无级调速，采用液压传动的程度现在已成为衡量一个国家 工业化水平的重要标志之一。 但生产设备的液压系统因油液的易污染性和液压元件对污染油液的敏感性而故障频发，液压系统对油液污染十分敏感，油温及粘度的变化也会对液压系统的工作性能造成很大影响，由于液压系统结构复杂，其内部状态又难以观测，容易发生故障，给液压系统的运行状态监测和日常维护保养带来一定的困难。因此如何有效地对液压系统进行状态检测，提取系统的特征信号，及时发现故障或隐患有着十分重要的工程意义。 液压系统故障快速检测的任务就是在液压系统运行过程中在不拆卸或少拆 2 卸的情况下对压力、温度、流量等计量仪表的动作及噪 声、振动、液压油的污染度等状态参数进行监测，掌握设备运转状态和发现异常现象。如果能随时采集关键部位的运行数据，并进行分析，及时地发现故障征兆并加以控制排除，则系统的故障就可相对减少，甚至排除，使液压设备随时处于完好状态，保证安全正常生产。而对液压系统的状态监测，除了要定性观察一些物理现象外，更重要的是要对运行过程中许多有关的物理参数进行精确地定量测量并进行性能分析。 液压系统现场快速检测因现场条件的特殊性而具有其自身的一些特点。其一是要求快速诊断。生产现场设备一旦发生故障，影响的不仅是此台设备本身的生产，而 往往是整个生产系统，特别是自动化生产上的生产设备一旦出现故障，往往造成整个生产线的瘫痪，由此而带来巨大的经济损失。这就要求生产现场设备一旦出现故障要在很少拆装的情况下就能快速准确诊断，迅速便捷排除。其二是生产现场受技术条件的限制，无法像实验室内那样能方便地使用众多复杂的仪器来进行测试检查，最好只需用单台便携式仪器就能进行准确的检查诊断。其三是现场生产人员受知识的限制，很难借助于诸如逻辑推理和神经网络等方法进行故障诊断，而只能采用操作简便的实用诊断方法，很难对液压系统的性能进行准确的检测分析。 因此，生产科研 实践提出了开发液压系统现场快速检测系统的要求，随着计算机软硬件技术和计算机辅助测试 (CAT) 技术的发展，使测试技术与计算机技术进行了深层次的结合，完全改变了传统的测量模式。由于 CAT 技术是使用虚拟仪器来组成测试系统，而该系统的功能主要靠软件实现，避免了传统测量方法中必不可少的许多分立的测量仪器。因此， CAT 技术减少了测量环节测量精度 ,而对被测信号进行的实时分析和输出显示等均由软件完成，具有强大的图形显示和数据处理能力，测试过程准确，操作简单，测试数据和结果输出迅速、直观 ,能够直接通过软件进行系统的性能分 析处理，提高了测试效率，满足在线检测需要处理大量数据的要求，为开发通用的多功能、体积小和重量轻的便于携带的“万用表”式的液压元件、系统计算机辅助现场快速检测系统提供了便利条件，对于液压元件和系统的研发以及液压产品的推广应用具有重要作用。 1.2 国内外的发展状况 虚拟仪器已经成为 21 世纪测试技术与仪器技术发展的一个重要方向，并且在研究、制造和开发等众多领域得到广泛应用。从 20 世纪 90 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 3 和高科技公司，在研究开发仪器产品和虚拟式 仪器设计平台以及引进和消化 NI公司、 HP 公司的产品等方面做了一系列有益的工作。经过多年研究，我国己经在虚拟仪器开发方面形成了自己的特色，国家自然科学基金委员会己将虚拟仪器研究作为现代机械工程科学前沿学科之一，并被列为“十五”期间优先资助领域。我国国民经济的持续快速发展，加快了企业的技术升级步伐，先进仪器设备的需求更加强劲；同时计算机的普及，为虚拟仪器在我国的普及奠定了良好的基础。因此，我国的虚拟仪器存在巨大的发展潜力。 我国液压 CAT 技术经过 20 多年的发展，已有很大进展。从 1980 年开始，一些单位就将单板机 或 PC 机应用于液压测试中，但因研制年代较早，硬件的性能均不高。与液压 CAT 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 GPIB 接口的智能仪器的出现，使得液压 CAT 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， CAT 系统的性能主要取决于智能仪器。 近几年，我国加强了虚拟仪器在液压 CAT 中的应用研究，取得了可喜的成果。国内也有许多高等院校及科研单位正在进行液压 CAT 的研究工作，并在液压测试中进行一定程度的应用。我国已经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研究所研制的液压元件计算机辅助测试系统，该系统可完成阀及泵的性能测试，北京理土大学研制的液压泵（液压马达、液压泵 液压马达传动系统）工作特性的计算机辅助试验系统，上海交通大学及昆山液压件厂共同研制的液压阀的特性试验系统，北航开发的液压泵虚拟仪器试验台等。许多厂家也用 CAT 系统来进行液压元件的出厂检验。这些 CAT 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。 但是，这些液压系统试验设备主要用于实验室条件下的性能检测，很难直接应用到现场检测。而用于现场液压系 统状态检测的仪器主要是手持式或便携式压力表、流量计、温度计，这些仪表功能单一，只能检测到一种物理参数，只能进行测量数值的机械或数字显示，而不能体现液压元件的性能、特性。因此，开发一套基于虚拟仪器的液压系统故障现场检测系统是非常必要的。 由于虚拟仪器以计算机以及数据采集设备为硬件平台，而计算机强大的存储能力、高速的运算与数据处理能力、图形显示功能，再加上功能强大的软件，刚好可以弥补传统仪器的缺点与不足。既可以很好的满足测试要求，还可以克服传统仪器专用性强的缺点，很容易地对虚拟仪器进行改造，重新组建所需要的新仪器。 4 1.3 设计需求 为了实现和完成设计的目的，需要满足以下设计需求。 1、可报警（声） 2、可报警（光） 3、可设定报警范围 4、能实时显示数据 5、可设定数据采集种类 6、可除噪声 7、能保存数据 8、能读取数据 9、采集数据单位可选 10、占用系统内存小 11、操作简单 12、可显示数据（波形） 13、可显示数据（数组） 14、可随时改变值 15、防程序锁死 16、程序易于安装 17、程序调试简单 18、布局合理 19、符合人机工程学 20、颜色分明 21、红绿灯报警提示 22、效率高 23、可设 密码保护 24、互动性强 由以上需求，绘制设计目标树如下表 1.1、 1.2、 1.3、 1.4。 表 1.1 主 要类目 虚拟仪器 性能 操作 外观 5 表 1.2 性能分支 性能 有效率 可报警（声） 可报警（光） 可设定报警范围 能实时显示数据 可设定数据采集种类 可除噪声 能保存数据 能读取数据 采集数据单位可选 占用系统内存小 表 1.3 操作分支 操作 操作简单 可显示数据（波形） 可显示数据（数组） 可随时改变值 防程序锁死 程序易于安装 程序调试简单 表 1.4 外观分支 外观 布局 合理 符合人机工程学 颜色分明 红绿灯报警提示 1.4 基本内容和拟解决的主要问题 1.4.1 设计基本内容 本课题进行基于虚拟仪器的液压系统故障现场快速检测技术研究，简化总体框图如图 1.1 所示。 因为我们实验中的原始信号并非是直接可测的电信号，所以我们需要有，由采集软件（或采集模块）支持下的硬件进行检测，并且需要相应的软件（或模块）对其以采集的数据进行显示（辅助检测人员操作），以及对数据的分析和最后进行对数据的存储。 该课题软件系统由 4 大部分组成。 1数据采集模块； 2信号实时显示模块；3 信号处理和分析模块； 4. 采集数据的保存，通过对这 4 大部分的研究与应用即可实现对液压系统与测试过程的控制。 6 图 1.1 总体框图 1.4.2 拟解决的主要问题 1、对检测软件的选择以及对软件的安装和调试，使其满足本课题对数据处理能力的要求和其他检测要求。 在进行软件的安装和使用时，要加入 DAQ-max 模块，以及其他模块。这样才可以更好的辅助测量。 2、如何实现软件对实验数据的采集。 在受到硬件的限制下，可以用模拟信号代替真实信号，同样可以达到实现软件功能 的要求。 3、如何实现显示采集信号以及显示信号和实验采集数据的同步。 建立一个拥有图像以及数表的操作平台，实时反映当前测量值，从而达到数据显示和数据采集同步的要求。 4、如何解决对已采集的信号处理，如何实现对数据的分析。 采集的数据往往有噪声、有干扰，要进行对信号的滤波使其更加精准更加贴近真实值。 5、如何实现以采集数据和结果的存储与保存。 采集的数据要有存储功能，方便以后分析。 6、软件可自主处理部分采集的数据，并且监控液压系统，当液压系统某些数据超过软件所设定的上限值时，有报警功能。 软件要有实时报警功 能，提醒程序操作人员实时值是够超出设定范围并且范围可调。 温度传感器 压力传感器 流量传感器 信号处理系统 数据采集卡 据 采 集 卡 计算机 人机接口 输出设备 出 设 备 7 1.5 技术路线或研究方法 本课题的研究就是分析并找出液压元件及系统性能测试中的共同的特点，研究探讨适合液压元件及系统性能测试的方法，并用 LabVIEW 编制测试软件，进行实验仿真研究，以期提高液压元件及系统性能测试的水平。 技术路线和试验方案： 1、应用液压仿真软件对所设计的液压综合测试系统进行仿真研究。 2、利用 LabVIEW 编制所需的测试软件。 3、利用测试软件中的数据采集模块，实现对试验过程中压力、流量、流速等参数的采集。 4、利用测试软件中的 信号处理和分析模块对数据进行处理，并且进行系统性能分析计算和特性曲线的绘制，并完成检测结果的保存。 8 第 2 章 图形化编程语言 Labview 2.1 Labview 简介 2.1.1 LabVIEW 简介 LabVIEW (Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench，实验室虚拟仪器工程平台 )是美国 NI 公司 ational Instrument Company，简称 NI 公司 )推出的一种基于 G 语言 (Graphics Language，图形化编程语言 )的虚拟仪 器软件开发工具。1983 年，美国 National Instruments 公司一个致力于开发用于控制仪器的 BASIC程序的团队，注意到了工程师和科学工作者的这种需要，他们从此全力投入一套新的用于开发仪器软件程序的专门工具，这套软件就是后来的 LabVIEW。经过十多年这套软件功能不断完善，从 1986 年的 LabVIEWI. 0 版发展到 2002 年的LabVIEW6. 1 版，以及 2011 年的最新的 LabVIEW2011 版 Express 版。 LabVIEW 是一套图形化的开发、调试和运行程序的集成环境。 2.1.2 VI 的特点 VI 由一个用户界面、图标代码和一个接口板组成。接口板用于上层的 VI 调用该 Vi。 VI 具有以下特点 : 1、用户界面由于类似于仪器的面板也叫做前面板。前面板包括旋钮、按钮、图形和其他控制元件与显示元件以完成用鼠标、键盘向程序输入数据或从计算机显示器上观察结果。 2、 VI 用图标代码和连线来完成算术和逻辑运算。图标代码是对具体编程问题的图形解决方案，图标代码也就是 VI 的源代码。 4、 VI 程序使用接口板来替代文本编程的函数参数表，每个输入和输出的参数都有自己的连接端口，其他的 VIs 可以由此向 subVI 传递数据 。 由于这些特色 LabVIEW 符合模块化的程序设计概念并对这种概念起到了推进作用。我们把一个复杂的应用程序逐步划分为一系列简单的子任务，为每个子任务创建一个 VI，再把它们装配到另外一个图标代码中完成一个复杂的任务。 9 2.1.3 LabVIEW 的体系结构 LabVIEW 的软件系统体系结构。其中仪器驱动程序主要是完成仪器硬件接口功能的控制程序 ， NI 公司提供了各制造厂家数百种 GPIB， DAQ， VXI 和 RS-232等仪器的驱动程序。有了仪器驱动程序，用户就不必精通这些仪器的硬件接口，而只要把仪器的用户接口代码及数据 处理与分析软件组合在一起，就可以迅速而方便地构建一台新的虚拟仪器。 2.2 Labview 软件特点 LabVIEW 开发平台的特点如下 1、具有图形化的编程方式， LabVIEW 的基本编程单元是图标，不同的图标表示不同的功能模块。 LabVIEW 编写程序的过程也就是选取多个图标并将图标用连线连接起来的过程，设计者无需写任何文本格式的代码，连线表示个功能模块间传递的数据。被连接的目标之间的数据流控制着执行次序，并允许有多个数据通路同步运行。其编程过程近似于思维过程，容易为多数工程师和技术人员所接受，是真正的工程师的 语言。 2、提供丰富的数据采集、分析及存储的库函数。 LabVIEW 是一个带有扩展功能库和子程序库的通用程序设计系统，其开发环境下提供的应用程序有 100多种，大致可分为以下几个方面 ： 高级分析函数库、工具箱库、综合时频分析控制箱、仪器驱动函数库、演示程序库、开发工具库和应用程序生成器等，帮助用户迅速组建自己的应用系统。 3、提供传统的程序调试手段，如设置断点、单步运行，同时提供独具特色的执行工具，使程序动画式运行，利于设计者观察到程序运行的细节。程序查错无需先编译，只要有语法错误， LabVIEW 会自动显示，并给 出错误的类型、原因及准确位置。进行程序调试时，可以在任何位置插入任意多的数据探针，运行程序时， LabVIEW 会给出各探针的具体数值，通过观察数据流的变化、程序运行的逻辑状态，寻找错误，大大减少了程序调试的时间，使程序的调试和开发更为便捷。 4、 LabVIEW 继承和发扬了结构化和模块化程序设计的概念，虚拟仪器是分层次和模块化的，即可以把任意一个虚拟仪器当作顶层程序，也可以将其当作其他虚拟仪器或自身的子程序，这样用户就可以把一个复杂的应用任务分解为一系列的、多层次的子任务，通过为每一个子任务创建一个子虚拟仪器， 并运用方框 10 图原理把这些子虚拟仪器进行组合、修改、交叉和合并等处理。最后建成的顶层虚拟仪器就成为一个包括所有应用功能的子虚拟仪器的集合。 32 位的编译器编译生成 32 位的编译程序，保证用户数据采集、测试和测量方案的高速执行。 2.3 Labview 的工作方式 LabVIEW 是一个通用程序开发系统，但它提供了一些专门用于数据采集和仪器控制的函数库与开发工具。因为 LabVIE W 开发的程序的外观和操作方式都与实际仪器类似，所以被称为虚拟仪器，而实际上相当于传统编程语言中的函数。 任何一个 VI 都是由三个部分组成 ： 一个可 交互的用户界面、一个相当于源代码的流程图和用于与其他 VI 连接的图标联结器。 因为可交互的用户接口与实际仪器的操作面板类似，所以被称为前面板(Front Panel)。前面板通常包括旋钮、按钮、图形或者其他的控制对象和显示对象。可以用鼠标或者键盘在前面板中输入数据，观看程序运行的结果。 VI 从流程图 (Block Diagram)获得指令。流程图用 G 语言编写，是一种图形化的编程方式，也是 VI 的源程序代码。 VI 具有层次结构化的特点，既可以作为主程序，也可以作为其他程序的子程序。 VI 的图标 (Icon)和联结器 (Connector)相当于图形化的参数，其他的 VI 通过它们将数据发送给子 VI。 通过这些功能的实现， LabVIEW 利用并改进了“模块编程”的概念。可以将一个应用程序分解成若干个彼此独立的子任务，再分别创建子 VI 完成子任务，最后在另一个流程图上将这些子 VI 组合起来，完成所需要的功能，所以最后得到的 VI 是由一系列分别执行不同功能的子 VI 所构成的。 由于每个子 VI 都可以独立执行，所以也简化了主 VI 的调试工作，而且因为很多底层子 VI 可以执行一些常用的功能，所以可以创建一组专门的子 VI，用于完成某些常用的功能。 2.4 Labview 的程序开发环境 2.4.1 基于 LabVIEW 的数据采集系统 广义的数据采集包括模拟输入和模拟输出两部分，他们往往使用同一个系统，有许多相同的概念和术语。 数据采集就是将电压、电流、温度、压力等物理信号转换为数字量并传递到 11 计算机中的过程。 数据采集硬件有多种形式，数据采集硬件的选择要根据具体的应用场合并考虑到自己现有的技术资源。硬件驱动程序就是应用软件对硬件的编程接口，它包含着对硬件的操作命令，完成与硬件之间的数据传递。依靠硬件驱动程序可以大大简化 LabVIEW 编程工作，提高开发效率，降低开 发成本。 2.4.2 LabVIEW 的编程环境 LabVIEW 程序的创建主要依靠三个模板。控件模板包含各种控制件和显示件，用来创建程序前面板。函数模板包含编辑程序代码所涉及到的 VI 程序和函数，这些 VI 程序和函数根据类型的不同被分组放在不同的子模板内。一般在启动 Lab VIEW 后，这两个模板会自动显示出来。控件模板只有对前面板编辑有效，即只在前面板开发窗口激活时才显示。函数模板只对代码编辑有效，即只在代码编辑窗口激活时才显示。另外一个重要的编程工具是工具模板，该模板上的工具可以对前面板和代码窗口中的对象进行编 辑。选择不同的工具，光标变成不同的操作方式，可以修改和操作前面板对象和图标代码。 控件模板，顶端的三个按钮为搜索导航按钮，用户使用他们查找制定控件的位置。下边有 15 个子模板，用以创建不同风格的控件。包括数值子模板、布尔量子模板、字符串和路径子模板、数组与簇子模板、列表框和表格子模板、图形子模板、枚举及单选框子模板、 I/O 接口子模板、参考数子模板、对话框子模板、经典控件子模板、 ActiveX 子模板、调用用户定制的控件以及用户子模板。函数模板。包括程序结构子模板、数学运算子模板、布尔值子模板、字符串子模板、数组 子模板、簇子模板、比较子模板、时间与对话框子模板、文件子模板、数据采集子模板、图形与波形子模板、信号分析子模板、仪器接口子模板、图像及运动控制子模板、数学分析子模板、通讯子模板、应用程序控制子模板、报表生成子模板、图形及声音控制子模板等 21 个子模板。 LabVIEW 还有一个实时的帮助窗口，当你将鼠标光标停留在一个控件或者函数上时，在帮助窗口随时可以看到关于该控件或者函数的介绍、使用说明等帮助信息，使用非常方便。 2.5 本章 小 结 本章主要介绍了 LabVIEW 图形化变成语言的概况、发展情况、软件的特点、VI 的 特点、 LabVIEW 工作方式和开发的环境。 12 LabVIEW 实验室虚拟仪器工程平台是美国 NI 公司推出的一种基于 G 语言，他用图标代码来代替编程语言创建应用程序的开发工具，相对与其他的程序软件，简单易学、通俗易懂，对于程序编辑人员的要求相对较低，这使她有着更大的市场，和更多的使用人数。 用 LabVIEW 编写的每个虚拟仪器程序称为一个 VI，每个 VI 有三个部分 :程序前面板、框图程序和图标 /连接器。实际上 VIs 类似于传统编程语言的函数或子程序。 LabVIEW 利用并改进了“模块编程”的概念。可以将一个应用程序分解成若干 个彼此独立的子任务，再分别创建子 VI 完成子任务，最后在另一个流程图上将这些子 VI 组合起来，完成所需要的功能，所以最后得到的 VI 是由一系列分别执行不同功能的子 VI 所构成的。 13 第 3 章 液压系统故障快速诊断装置总体设计 3.1 软件系统框架结构 因为我们实验中的原始信号并非是直接可测的电信号，所以我们需要有，由采集软件（或采集模块）进行检测，并且需要相应的软件（或模块）对其以采集的数据进行显示（辅助检测人员操作），以及对数据的分析和最后进行对数据的存储。 本设计进行基于虚拟仪器的液压系统故障现场快速检测技术的 研究，知识框图如下图 3.1 系统组成图所示。 图 3.1 系统组成 压力检测 通信设置 温度检测 压力检测 波形显示 图标显示 数据平滑 虚拟仪表 实时报警 数据滤波 数据保存 单位选择 打印 数据采集模块 数据显示模块 数据处理模块 数据管理模块 报警上下限设置 报警上下限设置 14 该课题软件系统由 4 大部分组成。 1、数据采集模块； 2、信号实时显示模块； 3、信号处理和分析模块； 4.、采集数据管理模； 通过对这 4 大部分的研究与应用即可完成对液压系统中温度、压力、流量的检测。 1、数据采集模块 数据采集模块负责采集传感器所检测到的数据，主要用 LabVIEW 中的DAQ-max VI 来实现其功能。 在数据采集模块中可以对通道设置，可以选择检测的种类，例如温度检测或者是压力检测。 2、 信号实时显示模块 显示模块负责显示数据，并把数据以波形图和图表两种形似反应给程序操作人员。 还有操作面板上的辅助显示，都有显示模块实现其功能，例如闪烁灯光、实时值、上下限设定值值等。 在操作过程中交互性强，表现在对话框按钮等。 3、信号处理和分析模块 程序中最重要的模块，他的第一个功能是把采集到的波形进行过滤，使其更加符合真实值、减少误差。第二个功能是用 LabVIEW 中的条件结构建立一个判定程序，实现实时报警功能。 除以上主要功能外，软件的单位选择功能也需要信号处理和分析模块来实现，他需要把检测到的信号转换 成特定单位的值，从而满足各种程序操作人员习惯上的需求。 4、采集数据的保存 他的主要功能就是把检测到的数据进行保存和打印等。 3.2 数据采集模块 数据采集模块功能如下： 开始、停止数据采集 数据采集根据所选通道性质不同又可分为压力检测、流量检测、温度检测 3 15 部分。 3.2.1 压力检测 单通道压力检测选用数据采集卡的一个模拟输入通道，用户在弹出的对话框中选择所要检测的通道，软件系统就从选中的通道中按照设定的采样频率采集数据。并将采样数据以曲线或者表格的形式显示。在警戒设置中设定报普上下限，当系统压力超限后， 报警指示灯变亮。如图 3.2 压力采集程序框。图 3.3 压力采集前面板所示。 图 3.2 压力采集程序框图 从传感器中出来的原始信号是模拟的电压信号，必须将它转化为我们需要的压力信号，由于被侧系统的压力跟传感器输出的电压在一定范围内具有较为严格的线性关系，只需要将测到的电压信号乘以一个仪表系数 K，就可以得出所要的压力信号。压力传感器的仪表系数 K=42，即每 伏 电压相当于 42Mpa 压力。 图 3.3 压力采集前面板 16 3.2.2 流量检测 因为流量传感器的输出是方波脉冲信号， 146 个脉冲对应一升流量，计算数 据 采集卡采集的模拟脉冲个数，并将脉冲个数转化为流量值，则 :流量 =脉冲个数 /146*计数时间。如图 3.4 压力采集程序框所示。 图 3.4 压力采集程序框图 3.2.3 温度检测 单通道压力检测选用数据采集卡的一个模拟输入通道，用户在弹出的对话框中选择所要检测的通道，软件系统就从选中的通道中按照设定的采样频率采集数据。并将采样数据以曲线或者表格的形式显示。在警戒设置中设定报普上下限，当系统压力超限后，报警指示灯变亮。图 3.5 温度采集程序框图所示。 图 3.5 温度采集程序框图 3.3 数据处理模块 数据 处理模块为本设计较重要的部分， 它 负责把采集到的数据进行处理，从而得到操作员想要的数据。 17 数据处理模块只要分三大功能，数据处理、实时报警、单位选择。 3.3.1 数据处理 在液压检测技术中，真实地检测到系统或元件的实验数据是一方面，另一方面是对实验数据进行处理，为分析和解决问题提供依据。因为液压系统中压力或流量都是在一定范围内变化的，在极短的时间内如果检测到超出这个范围尖锐的特大异常峰值，那一定是由干扰产生的，应该剔除 ;比如在检测流量的时候如果地线没有接好，数据采集卡经常会返回很大的计数值，而流量传感器最小输 出频率 15HZ，最大输出频率 800 HZ，若每秒钟总的计数值大于 800，那一定是干扰信号，应该剔除掉。 由于机械设备作业时其工况比较复杂，液压系统中经常有各种干扰存在，系统所检测到的信号中不可避免的存在大量的噪声信号，应该想办法滤掉，以得到不失真的采样信号。数据采集过程中采用了多种滤波方式对采样数据进行滤波，在数据处理模块中可以针对数据的频谱对数据进一步滤波。 为了解决这个问题，采用了 LabVIEW 中的滤波器（如图 3.6）所示，这个功能的特点就是简单、方便、使用，可以很简单的就达到程序设计人员的要求。 他可 以设置滤波类型：低通、高通、带通、带阻、平滑。 可以设置滤波规范：低截止频率、高截止频率。 也可选择：有、无限长冲激响应（ IIR）过滤器。 还可设定：拓扑结构和阶数等。 图 3.6 滤波器 3.3.2 实时报警 报警模块主要是当被测系统的物理参数超过正常范围时通过报警指示灯或者报警声音提醒操作人员有异常现象发生，并根据异常参数的具体数字判断应该采取的措施。 主要功能：采集的数据不符合要求时，指示灯变红并有声音提示。 18 实现这个功能主要有 2 部分支持，第一是一个实时比对功能，他能把采集到的数据与设定的报警范围进 行实时的比对，当超出设定的预警范围时，触发分支选择器进行对条件结构的选择。如图 3.7 实时对比程序。 图 3.7 实时对比程序 第二是一个条件结构，当分支选择器选择了假时（没有超出预警范围），绿色的灯常亮，没有报警声音。当分支选择器选择了真时（采集到的数据超出预警范围），红色的灯亮起，并且报警。如图 3.8 报警程序。 如图 3.8 报警程序 3.3.3 单位选择 为了更好的迎合各类人的习惯和要求，本设计设计了单位选择功能，他由前面板的布尔控件触发做出选择，选择储存在程序中的公式，并且利用相应的属性节点把 整个面板上的图表和波形图经行匹配。 1、 温度可选择：摄氏度和华氏度。 2、 压力可选择：千 帕 和毫米汞柱。 3、流量可选择：升 /每秒 (L/S)、每分钟 /立方英尺 (cfm)。 19 3.4 数据管理模块 主要实现以下功能 : 数据存储 :将采样数据保存至文件，以供以后分析，将采样数据保存至文件，可以存为文本文件或者电子表格文件也可以存为 LabVIEW 特有的动态数据纪录形式的文件，动态数据纪录形式的文件只能在本系统中打开。保存程序如图 3.9所示。 图 3.9 保存程序 3.5 数据显示模块 数据显示模块的功能主要是把采集到的和处理 后的数据显示给程序操作人员，可大大降低操作难度，方便程序操作人员监测，外观布局合理，颜色分明，更加符合人机工程学。 3.6 本章 小 结 本章主要介绍了液压系统故障快速诊断装置的总体设计和其软件系统的构架，包括数据采集模块、数据处理模块、数据管理模块和数据显示模块。 在数据采集模块中介绍了压力检测模块、流量监测模块和温度检测模块，并介绍了相应的程序框图和操作面板和其检测的原理。 数据处理模块中介绍了数据处理、实时报警和单位选择的功能，如何设置其相应的选项，并阐述了工作原理。 对于数据显示模块主要介绍了设计的目的 和意义。 本章是设计的核心，对总体设计进行了图文并茂的阐述和说明。 20 第 4 章软件使用说明 4.1 设计程序说明 设计立意及创新点： 1、能够辅助课堂教学或实验教学。 2、有利于创新性思维的扩展。 3、帮助对于液压知识的理解与学习。 4、如做成实物可以让检测人员更加方便、直观的检测出液压系统是否存在故障及发生故障的可能原因。 作品功能简介： 1、可以对液压系统的温度、流量、压力实时值进行检测，并用波形及其图表的形式反应给程序操作人员。 2、可以对信号发生源的大小进行改变。 3、具有声光报警功能，提醒程序人员 ，当前测量值是否超过设定值。 4、可以选择不同的单位，符合更多人的使用习惯及其要求。 5、检测的数据可以保存，以方便日后查看。 程序设计亮点： 1、充分利用了 labview 中的并行概念。 2、在本程序中灵活运用了条件结构。 3、利用在一定范围内生成随机数来模拟信号，可以更好的反映出本程序的功能及用法，也可以更加真实的模拟出各种实际的信号。 其他补充 本次的检测信号是人为给出的模拟信号，模拟信号在一定范围随机（范围可调）目的是可以更好的反应出程序的功能。人为给定信号是因为可以更好的仿真。 4.2 使用流程 4.2.1 启动软件过程 1、首先启动程序，面板保持在启动界面板块时，点击 运行按钮 ，将读进度条运行程序如图 4.1 所示。 21 2、启动后提示“输入密码”如图 4.2 所示，密码为 123。输入密码，点击“确定”，将提醒“登陆成功”点击“确定”如图 4.3 所示将进入综合测试环节。 3、在选 板上分别有“ 压力 ”，“流量 ”以及“温度测量 ”板块，点击任意板块可对相应的量进行测量。 图 4.1 运行程序 如图 4.2 密码输入提示框 图 4.3 登陆成功提示框 4.2.2 温度测量 1、点击“温度测量板块”界面如图 4.4 所示。 2、在选板上对“上限值” ，“下线值” 。“声音报警是否启动” 按钮进行设定。“单位选 22 择” 以及对“信号大小进行调整”通过幅值旋钮来实现，图 4.5所示。超过设定范围警灯将会变红（ ）并发出蜂鸣声。 3、点击“开始” 按钮，开始对温度进行测量，将会显示图像数据图 4.6 所示和表格数据图 4.7 所示以及测量时间。 4、点击“停止” 按钮，将停止测量，同时弹出对话框（界面如图 4.8 所示，界面为参考界面，实际因电脑界面而异）询问是否对数据进行保存，选择保存路径可对数据进行保存。 图 4.4 温度测量板块 : 图 4.5 温度幅值旋钮图 23 图 4.6 图像数据 图 4.7 表格数据 图 4.8 数据保存对话框 4.2.3 流量测量 1、点击“流量测量板块”界面如图 4.9 所示。 2 、 在 选 板 上 对 “ 上 限 值 ” ，“ 下 限 值 ” 24 ，“声音报警是否启动” 按钮进行设定。“单位选择” 以及对“信号大小进行调整”通过幅值旋钮来实现，如图 4.10 所示。超过设定范围灯会变红（ ）并发出蜂鸣声。 3、点击“开始” 按钮，开始对流量进行测量，将会显示图像数据如图 4.11 所示和表格数据如图 4.12 所示，指示表如图 4.13 所示以及测量时间。 4、点击“停止” 按钮，将停止测量，同时弹出对话框（界面如图 4.8 所示，界面为参考界面，实际因电脑界面而异）询问是否对数据进行保存，选择保存路径可对数据进行保存。 图 4.9 流量测量板块 图 4.10 流量幅值旋钮 25 图 4.11 图像数据 图 4.12 表格数据 图 4.13 指示表 4.2.4 压力测量 1、点击“压力测量板块”。界面如图 4.14 所示。 2、在选板上对“上限值” ，“下限值” ，“声音报警是否启动” 按钮进行设定。“单位选择” 以及对“信号大小进行调整”通过幅值旋钮来 26 实现， 图 4.15 所示。在开启警灯的状态下，超过设定范围灯会变红（ ）并发出蜂鸣声。 3、点击“开始” 按钮，开始对压力进行测量，将会显示图像数据如图 4.16 所示和表格数据如图 4.17 所示指示表如图 4.18 所示以及测量时间。 4、点击“停止” 按钮，将停止测量，同时弹出对话框（界面如图 4.8 所示，界面为参考界面，实际因电脑界面而异）询问是否对数据进行保存，选择保存路径可对数据进行保存。 5、结束退出测量系统点击“总停”按钮 （在未点击各板块停止按钮的情况下，总停不起作用）。 图 4.14 压力测量板块 图 4.15 压力幅值旋钮 27 图 4.16 图像数据 图 4.17 表格数据 图 4.18 指示表 4.3 本章小结 本章为设计程序说明，详细的介绍了本程序中温度测量、压力测量、流量测量的使用 方法，各种图标的说明，各个空间是如何控制软件、怎么控制软件的，它 可以使零基础的操作员在看后熟练的操控本软件。 28 结 论 在本论文中，详细分析了基于虚拟仪器的液压检测系统的设计思路，根据虚拟仪器“软件就是仪器”的核心思想，成功地开发了液压动态监测系统配套软件。 软件采用 LabVIEW 图形化编程语言，系统操作简单、功能完善、 具有良好的人机界面。用静态的检测仪器对新系统进行标定以后，使用新系统进行了检测试验。通过对系统的研究和开发，得出以下结论 : 1、检测试验结果证明采用虚拟仪器的液压动态检测系统和传统的检测仪器相比，测量精度更高，采集的数据点多，能够更为真实地反映被测参数实时变化的情况。 2、易用性和可扩展性好。只需更换传感器，在软件中选择合适的量程，就可以适应不同的液压系统的检测。系统还可以增加更多的板卡或者扩展板，用以组建更大规模的检测系统。跟传统检测仪器相比，虚拟仪器开发和维护费用更低，技术更新快。 3、在数据采集过程中 采取了滤波、消噪方法，用来消除测试现场中不可避免的各种噪声和干扰。 29 参考文献 1 邓焱，王磊 . LabVIEW7.1 测试技术与仪器应用 M. 北京：机械工业出版社，2004 2 杨小强 . 基于虚拟仪器技术和 PDA 的工程机械液压系统检测仪 J. 机械制造， 2005（ 12） 3 金毅 . 基于虚拟仪器的液压故障诊断系统设计 J. 微计算机信息， 2010（ 4） 4 袁海龙 . 挖掘机液压系统检测仪的研制 J. 仪器仪表与分析监测， 2010（ 1） 5 侯国屏 . LabVIEW7.1 编程与虚 拟仪器设计 M.