气动电磁阀综合性能测试系统的研究.pdf

2 0 1 0年 7月 第 3 8卷 第 1 3期 机床与液压 MACHI NE TO0L HYDRAUL I CS -T u 1 ． 2 01 0 Vo 1 ． 3 8 No ． 1 3 I N I 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 13 8 8 1 ． 2 0 1 0 ． 1 3 ． 0 1 2 气动电磁阀综合性能测试系统的研究 郑培根 ，陶国良 浙江大学流体传动及控制 国家重点实验室，浙江杭州 3 1 0 0 2 7 摘要依据气动电磁阀的性能要求、技术条件以及相关标准的要求，设计了气动电磁阀综合性能测试系统，详细分析 了各性能的测试方法，并在此基础上对某二位三通电磁开关阀进行测试，测试结果证明了测试系统的通用性和可靠性。 关键词电磁阀；性能 ；测试系统；测试方法 ；v c 中图分类号T H 1 3 8 ；T P 2 7 4 文献标识码A 文章编号1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 0 1 3- 0 3 6- 4 Re s e a r c h o n Pe r f o r ma nc e M ea s u r e me nt S y s t e m f o r Pn e uma t i c S o l e n o i d Va l v e ZHENG P e i g e n， TAO Gu o l i a n g S t a t e Ke y L a b o r a t o r y o f nu i d P o w e r r r a n s mi s s i o n a n d C o n t r o l 。 Z h e j i a n g U n i v e r s i t y ，H a n g z h o u Z h e j i a n g 3 1 0 0 2 7，C h i n a Ab s t r a c t A c c o r d i n g t o t h e p e r f o r ma n c e r e q u i r e me n t s ，t e c h n i c a l r e q u i r e me n t s a n d r e l e v a n t s t a n d a r d s r e q u i r e me n t s ，a p e r f o r m- a n c e me a s u r e me n t s y s t e m f o r p n e u ma t i c s o l e n o i d v alv e Was d e s i g n e d a n d t h e t e s t me t h o d for e a c h p e rf o rm a n c e w a s ana l y z e d，b ase d o n w h i c h a t wo p o s i t i o n t h r e e wa y s o l e n o i d s wi t c h v alv e w a s t e s t e d． t h e r e s u l t s o f w h i c h p r o v e t h e g e n e r a b i l i t y a n d r e l i a b i l i t y o f t h e me a s - u r e me n t s y s t e m． Ke y wo r d s S o l e n o i d v alv e；P e r f o rm a n c e；Me a s u r e me n t s y s t e m； T e s t me t h o d；VC 气动电磁 阀因其结构简单 ，阀口抗污染和抗 干扰 能力强 ，重复性好，动作稳定可靠，体积小，重量轻 和价格低廉等优点，广泛应用于流体传动及控制系统 中。目前 ，国内外针对气动电磁阀的检测内容和检测 方法的国家标准或行业标准并不完善 ，对气动电磁阀 测试系统的开发也大多数停 留在单一或部分性能的测 试。基于此背景，作者结合传感器技术、工控机、虚 拟仪器技术 ，研究了一套能够对气动电磁阀综合性能 进行测试 的系统 。以下介绍 了测试系统硬件和软件组 成、各种性能测试方法以及系统设计过程中的关键问 题及解决方法 。 1 系统硬 件设计 1 ． 1 系统 结构及 功能 流量特性测试 叫键盘I 信 压力传感器 气 号 流量传感器 动 C 、6 值测试 h -- 叫显示 j 一 调 蘸 响应 特性 测试 拟 工 多 理 温度 传感 器 仪 控 叫 打 印 I 寿 命测 试 器 机 功 模 差压 传感 器 I 动作特 性 测试 平 与 能 块 叫输 入 电压信 号 1． 电压特性 测试 } ． _ 台虑 DAQ D A 0 r - ．L 系 密封 特性 测试 P W M I 卜 统 图 1 系统结构图 气动电磁阀综合性能测试系统由传感器、信号调 理模块、数据采集卡、工控机和电磁阀性能测试平台 组成。图 1 为测试系统结构图。气动系统原理如图 2 所 不 。 用户首先根据所要测试的性能在图2中的气动系 统选择相对应的测试回路。测试过程中的测量值通过 相应的传感器转变成电信号，通过信号调理模块对电 信号进行隔离、放大、滤波和转换等处理，满足数据 采集卡的输入要求。多功能 D A Q把采集的测量值送 人到工控机和虚拟仪器平台，同时从工控机和虚拟仪 器平台获取控制信号并通过驱动模块控制回路中的电 磁阀等。在该系统中，工控机是测试软件的载体，测 试软件则是整个系统的核心，两者用于对输入信号进 行处理、分析、显示和对输出信号进行控制等。 1 ． 2硬件 构成 测试系统硬件主要由以下元器件组成 ① 数据 采集卡。选用 N I 公司生产的 P C I 6 2 2 1 采集卡，该卡 提供了 1 6路 l 6位 A I 2 5 0 k S ／ s ，2路 1 6位 A O 8 3 3 k S ／ s ，1 0路 D I ／ O 1 M H z ，2个 3 2位计时 器／ 定时器 8 0 M H z 。② 流量传感器。为了保证流 量测量的精确性，系统设置了2 个流量传感器，分别 选用 F E S T O公 司的 F E 1 ． L F F I O H Q 6 一 N 2 I - M 1 2和 MS 6 一 S F E F 5 一 P 2 U ． M1 2 ，量程分别为0 2 0 0 L ／ ra i n和2 0 0～ 5 0 0 0 L ／ m i n ，可以根据电磁阀的流量大小 自动或手 动切换。③ 压力传感器。选用 H u b a 公 司生产的 5 1 1 系列压力传感器，量程为 0～ 1 M P a 。④ 差压传感器。 收稿 日期 2 0 1 0 0 4 2 3 作者简介郑培根 1 9 8 6 一 ，男 ，硕士研究生 ，主要研究方向为流体传动及控制技术 ． Ema i l z h e n g p e i g e n 1 9 8 6 1 6 3 ． c o rn。通信联系人陶国良，男，教授，博导。Em a i l g l t a o z j u ． e d u ． c a 。 第 1 3期 郑培根 等 气动电磁阀综合性能测试系统的研究 3 7 1 、2 、3 、1 2 、l 7 _ 电磁 阀 4 、卜 流 量 计 6 一 温 度传 感器 7 一 差 压传 感器 被 测 电磁 阀 8 、1 0 、1 4 、l 5 _ - 鹾 力传 感 器 1 l 一 节流 阀 1 3 、1 气 容 图 2 测试 系统气动原理 图 选用 WP 2 0 1 - 2 k P a差压 传感 器，测量 范 围为 0～ 绘制出流量特性曲线并显示出来。 2 k P a 。⑤ 温度传感器。选用 G W2 0 0系列，量程为 C 、b 值测试则根据 I S 0 6 3 5 8 标准进行测试。 一 4 0～ 8 5℃。 ① 调节减压阀使 阀入 口压力 P 稳定在不低于 2测试方法分析0 ． 4 M P a 的某个值。 该系统能够对气动电磁阀的流量特性、C 、b 值 、 ② 完全打开节流阀 1 l使气流处 于壅塞流动状 响应特性 、寿命 、密封性 、动作特性 、电压特性等性 态，记下P 。 、 P 、T ， 和 g 并计算 出声速流导 c的 能进行测试。对于不同性能的测试 ，通过控制采集卡 值。 D O输出电平高低对 图 2中电磁阀 1 、2 、3 、1 2 、1 7 进行控制实现性能测试 回路的 自动切换 ，如表 1所 示 ， 0表示 关闭状 态 ，1 表示开启状态 。 其中，在流量特性和 C 、b值测试 中，如果 自动 或手动选择小流量传感器时，电磁阀2打开 ，电磁阀 3关闭；反之，则选择了大流量传感器。 表 1 测试回路切换时 的电磁 阀启 闭状态 2 ． 1 流量特性、C 、b值测试 流量特性是指阀进出口两端的压力降与通过阀的 流量之间的关系。对气动元件流量特性及参数的测试 方法和计算方法，各个 国家和公司有不同的标准，其 中以国际标准 I S 0 6 3 5 8 [ 2 3 最实用，它采用 C和 6两个 参数规定气动元件的流量特性，即已知 c和 b ，就可 以计算 出不同压力降下的流量 。 首先根据表 1将气动系统切换到该性能测试 回 路。在进行流量压力降关系测试时，保持入 口压力 P ． 保持不变，改变节流阀 1 1的开口大小以改变通过 电磁阀的流量大小 ，从 而改变 电磁阀人 口和 出口的压 差 P 一 P 。测试软件将采集到的数据进行处理后 ③ 保持上游压力 P 。 保持不变，逐渐关小节流阀 1 1 ，当流量稳定在壅塞流速下流量的 7 5 ％ 一8 5 ％之 间时依次取点计算 出临界压力 比 b的值，并求平均 值 。 测试结束后应将节流阀 1 1 完全关闭。 2 ． 2响应特性测试 电磁 阀的响应特性 如图 3所 示 ， 图 中 t 。 和 t m 。 分 别 表示阀开启阶段的滞后时间 和响应时 间，t 和 t 分别 表示阀关闭阶段的滞后时间 和 响应时 间。 目前 ，国内外学者 对 电 磁 阀响应特性 的测试方 法研 究 主要有直接测试法 和间接 图 3 电磁阀响应特性 测试法两种。直接测试法是通过位移传感器来直接检 测运动部件的位移特性，该方法的缺点是接触式传感 元件会增加运动部件的质量，影响结果的准确性，而 且非接触式传感元件的价格昂贵， 针对不同的电磁阀 还需要专门设计方案，不具备通用性。间接测试方法 多通过测试 阀控腔压力变化来获取运动部件的动态特 性，该方法通用性较强。 系统采用间接测试法。将气动系统切换到该性能 测试回路 ，通人一定压力的气体，当气体稳定时，输 入控制信号使被测电磁阀换 向，利用压力传感器 1 4 测量与被测阀出口处相连接的气容 1 3的压力值，在 3 8 机床与液压 第3 8 卷 电磁 阀完成设定 的动作次数后 ，系统对气容压力值进 行分析计算出响应特性参数。 2 ． 3 寿命测试 电磁阀的寿命是指电磁阀能够正常换向的次数 ， 是衡量 电磁阀性 能的一个重要指标。 根据表 1 将气动系统切换 到该性能测试 回路 ，并 设定电磁阀动作次数、动作频率、阀的自检周期。通 入一定压力的气体 ，使电磁阀以设定的动作频率周期 性换 向，在测试过程 中对阀进出 口的压差进行周期性 自检 ，当检测到压差 出现异常或者在电磁 阀完成设定 的动作次数后停止测试，并对电磁阀进行失效分析， 记录电磁阈正常换向次数，即为电磁阀的寿命。该系 统采用的失效分析标准是保证 阀的进出 口压差不小于 设定 的压力值。 2 ． 4密封 性测 试 目前对电磁 阀的密 封性 的检测主要 由两种 方法 ， 一 种是目测法，即通过 目测的气泡量来判断电磁阀是 否存在泄漏以及泄漏的程度。这种方法效率低，受主 观影响较大，还需要对电磁阀进行干燥和防锈处理。 系统采用另一种方法 ，即通过传感器的信号来判断泄 漏并根据 回路气 压的变化计算 出泄漏量 ，这种方法效 率高，不受主观因素影响，得到广泛应用。该方法又 分为直接压力法和差压法两种。 如表 1 所示 ，当电磁 阀 1 7关 闭时 ，系统 即采 用 直接压力法进行测试。首先使被测电磁阀处于关闭状 态 ，设定充气压力 P ． 和充气时间 t ，通入设定 的充气 压力，稳定后测得阀入口压力值。经过保压时间 t 后 再次读取阀人口压力值 ，由于泄漏，两次压力值存在 差值，根据此差值计算出电磁阀的泄漏量。 当电磁阀 1 7打开时，系统选择差压法进行测试。 使 电磁阀处于关 闭状态 ，设定气容和被测 电磁 阀的充 气压力P 和充气时间t ，同时对被测阀和气容进行充 气，充气结束时由于阀入口和气容压力相同，差压传 感器 7 处于平衡状态，经过一段时间 t 的保压后 ，由 于被测阀存在泄漏 ，阀人口和气容之间存在压力差并 由差压传感器 7测得，根据测得的差值计算出电磁阀 的泄漏量。 2 ． 5 动作特性测试 将电磁阀通电，使之处于工作状态 ，使电磁阀的 入口压力缓慢上升，直至阀实现换向，阀换向瞬间的 进口压力称为最低工作压力 。动作特性测试主要是 测量电磁阀的最低工作压力。 将气动回路切换到该性能测试回路 ，设定电磁阀 的动作次数和动作频率。使电磁阀通电，通过控制采 集卡 A O的输出调节 比例减压阀，使电磁阀的入 口压力从 0开始逐 渐增 加直 到换 向结 束。测试 结 束 圆圈 圈 蕊丽 旆 菌 图 4 测试软件功能模块 3 ． 2关键 问题 及 解决方 法 3 ． 2 ． 1 数据 采集与控制起始点同步控制 测试软件 利用 N I c L l n r ]n几n门几n 公司提供的 N I D A Q m x F la g _ s ta t e 卜 _ _ 二二 一 库 函 数 对 P c I 6 2 2 1 采 E 二 J厂 二 二 二 集卡进行设置，使采集 一 卡 的 A I 端 口能够 对各图5 读任务和写任务时序图 传感器数据进行采集，同时可以改变 D O lZ l 的高低电 平输 出从 而 控 制 测 试 回路 的 自动 切 换。由 于 N I D A Q m x 库函数并不支持一个任务同时完成数据读 取和写入功能 ，因此需要定义数据采集和控制两个任 务。为了保证数据采集的精确性和完整性 ，数据采集 第 1 3期 郑培根 等气动电磁阀综合性能测试系统的研究 3 9 与控制起始点必须保持同步。该系统采用并行处理方 式，即采集任务和控制任务各 自单独开启一个线程， 利用全局时钟实现二者的同步性 ，如图 5 所示 。 当通过开始按钮触发 F l a g s t a t e 标志为高电平时， 采集任务和控制任务同时处于等待状态，并在全局时 钟的下一个周 期 的上 升沿 触发 两个 任 务线 程 同时 开 启，实现起始点的同步控制。 3 ． 2 ． 2 数据采集与处理并行处理 数据采集与处理是测试软件 的核心部分 。为 了保 证数据的完整性 ，系统采用循环采集模式 ，即设定每 次采样 点的个数 Ⅳ，当采集卡完成对 Ⅳ个采样点 的采 集后，将数据放入存储 区，并继续下一次 Ⅳ个样本 的采集 ；同时 ，在回调函数中把数据取出并进行转换 后写人数据文件中。数据处理主要是完成对数据的滤 波、拟合校正以及绘制并刷新曲线。 由于一些性能测试尤其是响应特性测试需要对数 据进行高频采样 ，而且对实时性要求比较高，因此系 统采用如图 6 所示的并行流水线数据处理模式，即数 据采集和数据处理分别在单独的线程里进行，提高流 水线的吞吐率，提升软件的运行能力。 J 进 入 采 集 线 程 J j 进 入 处 理 线 堆 - -J j 开 启 采 集l I 等 待 读 信 号 l I 一_ 1 蠡 嘉I I读 取 △ 个 数 拱 谴 害 号 l 存储数据I 数据处理 到文件 I 滤波、拟合 L ． ． ． ． ． ． ． 『 ⋯ 采 集 停 止I 佰 耋 荐 潞 ．L 麟 图6 并行流水线数据处理 启动程序并完成参数初始化后 ，系统处 于等待状 态，当用户按下开始按钮触发系统开始测试时，采集 线程开始从采集卡读取数据，此时由于数据文件中并 没有数据 ，无法产生有效的读信号 ，处理线程虽然已 经开启 ，实际上仍然处于等待状态。当采集线程中完 成第一个采样循环并在回调函数中将数据存储到数据 文件 中，产生一个有效的读信号时，该信号触发处理 线程从数据文件 中读取数据 ，并进行滤 波等处 理后显 示出来。当采集线程完成指定的 Ⅳ次循环采集后 ， 采集卡停止采集 ，并在停止测试信号的触发下退出线 程 ，而处理线程也在读取完最后一次循环的数据并进 行处理后 自动退 出线程 。这样处理线程 总是在采集线 程完成一次采集循环后读 取该次循 环所 采集 的数据并 进行处理 ，两个线程并行工作 ，大大提高了系统的效 率 ，也保证了系统能够高速采集。 3 ． 2 ． 3 数据处理 在测试过程中，由于各种因素的干扰会影响数据 测量值的准确性 ，因此需要对采集的数据进行滤波等 处理 。 滑动平 均滤 波是 把 连续 Ⅳ个采 样值 看 成一 个 队 列，队列长度固定为 』 、 r ，每次采样到一个新数据放人 队尾 ，并扔掉原来 队首 的一个数 据 ，并把 队列 中的 Ⅳ 各数据进行算术平均运算 ，该方法在时域内滤波效果 比较好 。 一 阶惯性滤波是设定 一个 系数 O ／ ，每一次滤波结 果都等于上一次滤波结果与本次采样值的加权值。 滑动平 均滤波和一阶惯性滤波对周期性的干扰具 有 良好 的抑 制作用 ，为了在时域和频域 内达到较好 的 滤波效果 ，最大限度地减少干扰，系统采用滑动平均 滤波和一阶惯性滤波结合对数据进行处理。即设定两 个参数 Ⅳ和 O l ，首先对数据进行滑动平均滤波，并将 滤波结果和参数 O t 结合进行一阶惯性滤波。实验证 明，该方法能够得到比较准确的数据，但是该方法同 样存在缺点，就是产生相位滞后，当 越大时，滞后 越明显，因此需要调整好参数才能使滤波达到最好的 效果。在动态响应特性测试中，由于时间精度要求较 高，该方法并不适合，因此在响应特性测试中采用的 是将数据存储在文件中，在采集卡完成指定样本数的 采集后取出数据进行分析。 4测试结果举例分析 系统对某二位三通单电 s 控 电磁 阀进 行 了测试 ，现 以 最 ‘ 响 应 特 性 测 试 为 例 进 行 分 第 1 3期 高隆隆 等F A D S测压管路动态响应特性分析 5 1- 3 0 0 0 0 m m，仿真结果 如图 5所示 。 图4 不同传感器容积 对应的频率特性曲线 图 5 不 同飞行高度 日对应 的频率特性 曲线 由图 5 仿 真结果 分析得出 ，随着飞行 器飞行高度 日增大 ，测压管路系统 的阻尼 比增大 ，由欠 阻尼变为 过阻尼 ，且压力延迟也增大 ，相位滞后加剧 。 3结论 1 针对 F A D S测压管路 系统 ，考虑黏性损失和 热传递效应 ，提 出了 F A D S 测 压管路 响应 模型 。仿真 研究表明，随着管路直径 D减小、长度 增大、传 感器容腔容积 增大和飞行器飞行高度 增大 空 气密度P减小 ，管内压力传递延迟时间增大；反之 亦然 。 2 F A D S测压管路相当于一低通滤波器，由其 频率特性可得出，当输入信号为高频信号时，压力传 感器所测 压力信 号幅值 会迅速衰减 。 3 通 过仿 真研 究 ，得 出 了测 压 管路 系统 不 同 几何参数和飞行器飞行高度对应的频率特性，有利于 压力传感器的合理设计。 参考文献 【 1 】Wh i t m o r e S t e p h e n A ． D e v e l o p m e n t o f a p n e u m a t i c h i g h ang l e o f - a t t a c k fl u s h a i r d a t a s e n s i n g HI F A D Ss y s t e m 『 N A S A T e c h n i c a l M e mo r a n d u m 1 0 4 2 4 1 ] [ R ] ． N A S A D r y d e n F l i g h t Re s e a r c h F a c i l i t y ， Ed w a r d s ， C a l i f o r n i a ， 1 9 9 1 ． 【 2 】K a n g B r y a n H ． A i r d a t a a n d s u r f a c e p r e s s u r e m e a s u r e m e n t f o r h y p e r s o n i c v e h i c l e s [ D] ． M a s s a c h u s e t t s MI T ， 1 9 8 9 ． 【 3 】 W h i t m o r e S t e p h e n A ， C o b l e i g h B r e n t R ， H a e r i n g E d w a r d A ． De s i g n a n d c a l i b r a t i o n o f t h e X一 3 3 fl u s h a i r d a t a s e n s i n g F A D S s y s t e m[ R] ． N A S A D ry d e n F l i g h t R e s e a r c h F a c i l i t y， Ed ward s， Ca l i fomi a， 1 9 98． 【 4 】王献孚， 熊鳌魁． 高等流体力学[ M] ． 武汉 华中科技大 学 出版社 ， 2 0 0 3 ． 【 5 】Wh i t m o r e S t e p h e l l A， P e t e r s e n B r i a n J ， S c o t t D a v i d D ． A d y n a mi c r e s p o n s e mo d e l for p r e s s u r e s e n s o r s i n c o n t i n u u m a n d h i g h Kn u d s e n n u mb e r fl o ws w i t h l a r g e t e mp e r a t u r e g r a d i e n t s 『 N A S A T e c h n i c a l Me m o r a n d u m 4 7 2 8 ][ R] ． N A S A Dryd e n Fl i g h t Re s e a r c h F a c i l i t y， Ed wa r ds，Ca l i f o r ni a， 1 99 6． 【 6 】 蔡亦钢． 流体传输管道动力学[ M] ． 杭州 浙江大学出版 社 ， 1 9 9 0 ． 上接第 3 9页 二位三通单 电控 电磁 阀进行测试 。该测试系统具有 以 下特点 1 通用性强 。不论 是 直 动式 还 是先 导 式 ，单 电控还是双电控 ，常闭还是常开，直流还是交流电磁 阀，该测试系统都能实现对其静态特性和动态性特性 的测试 。 2 操作 简单 。测试 过程 中只需 将 电磁 阀安装 到测试 台上 ，通 过操作 提示 就能测试 所有 的项 目而不 需要根据 被测性 能对测 试台反复拆卸 。 3 效率高。采用并行流水线数据处理模 式， 使采集线程和处理线程能够同时工作，大大提高了系 统的效率，也使系统能够真正实现高速采集。 4 精度高 ，数据准确可靠。采用高精度传感 器对测试值进行采集 ，并通过 P C I 6 2 2 1高速采集卡 读取数据 ，测试精度 高 ，尤其 是 在动态 响应测试 中， 时 间精度达到 0 ． 1 m s 。同时 ，采用滑动平均滤波和一 阶惯性滤波对数据进行处理 ，最大限度地减小了测试 过程中的干扰 ，数据准确可靠。 参考文献 【 1 】 路甬祥． 液压气动技术手册[ M] ． 北京 机械工业出版 社 。 2 0 0 2 ． 【 2 】I S O 6 3 5 8 P n e u m a t i c F l u i d P o w e r C o m p o n e n t s U s i n g C o m p r e s s i b l e F l u i d s D e t e r mi n a t i o n o f F l o w- r a t e C h a r a c t e ris t i c s [ S ] ． 1 9 8 9 ． 【 3 】 J B ／ T 6 3 7 8 气动换向阀技术条件[ S ] ． 2 0 0 8 ． 【 4 】 G B 2 2 1 0 7 气动方向控制阀切换时间的测量[ S ] ． 2 0 0 8 ．