基于虚拟仪器的液压加载测功系统的研究.pdf

q ui p mEq ui p m e nt M a na g e m e 设 n t M 管 a i n 理 t e n a nce 维 Te 修 c h n 技 o lo 术 g y RM CM ■ ■ ■ ■ ■ ● ■ 一 ■ ■ ■ 基于虚 拟仪器 的液压加载测功系统 的研 究 St ud y o n Po we r M e a s ur i ng S y s t e m o f Hy dr a u l i c Loa di ng Ba s e d o n Vi r t ua l I n s t r um e nt 金 立艳 ， 刘 成平 ， 王道峰 JI N Li ．． yan，LI U Cheng pi ng，W ANG Da o,一 f en g 南 京 交 通 职 业 技 术 学 院 机 电 工 程 系 ， 江 苏 南 京 21 1 1 8 8 De p a r t men t o f Mec h a nic a l a n d E l e c t r on i c E n gi n e er i n g ，Na n j i n g Co m mun ic a t i on s I n s t i t u t e o f Te c h n olo g y ，Na n j in g 21 1 1 88．Ji angsu，Chi na 【 摘要 】 提 出了一 种 通过 发动 机 驱动 液压 泵 ， 然后 由基 于 虚拟 仪 器 的液压 检 测 系统 测定 液压 泵的输 出压 力 、 流 量 和 温度 。 从 而 间接 测量 发 动机 输 出功 率 的方 法 ； 研 究 了系统 的测试 原 理 、 硬 件组 成 、 软 件 功 能模块 以及部 分软 件 程序 。 该 系 统 简 单 实 用 ， 具 有 良好 的 经 济 效 益 。 【 Ab s t r a c t】 An i n d i r e c t p o we r me a s u r i n g me t h o d i s p r o p o s e d ， wh ic h me a s u r e s t h e o u t p u t s t r e s s ， f l o w a n d t em per at ur e of h ydr aul i c pum p dr i ven by engine w it h hydr aul i c m ea sur i ng s yst em based on vi r t ual i nst r um ent ． The t est pr i nci pl e，har dw ar e，f unct ional m odul es of s of t w ar e as w el l as pa r t ial pr ogr am m e a r e s t udi ed．The s ys t em is pr ac t ical and ec onom ical l y benefic i aI ． 【 关键 词 】 虚拟 仪器 ； 发 动机 功率 ； 液压 系统 ； 信 号采 集 【 K e y wo r d s】 v i r t u a l i n s t r u me n t ； e n g i n e p o we r ； h y d r a u l i c s y s t e m； s ig n a l a c q u is i t io n 中 图 分 类 号 U41 5 ．5 文 献 标 志 码 B 文 章 编 号 1 0 0 0 - 0 3 3 X 2 0 1 0 0 7 -0 0 8 1 -0 4 0 引 言 测 量 发动 机功 率 的传 统 方法 是使 用 水力 或 电力 测 功 机 进 行 稳 态 测 功 ．也 可 以 使 用 无 负 荷 测 功 器 进 行 较 粗 略 的动 态测 功 。稳 态测 功 比较精 确 ，但 是 需要 拆 卸 发动 机 ． 并 将 发 动 机 安 装 到 专 门 的 测 功 试 验 台 上 ． 使 用 极 不 方 便 。 无 负 荷 测 功 器 使 用 较 为 方 便 ． 设 备 也 相 对 便 宜 ． 但 是 测 量 精 度 不 够 ， 稳 定 性 也 不 高 。 本 文 提 出 一 种 基 于 虚 拟 仪 器 的 液 压 加 载 测 功 方 法 ． 主 要 应 用 于 全 液 压 传 动 机 械 ．发 动 机 的 全 部 输 出 功 率 都 用 于驱 动 液压 泵 ， 故 只要 测 出所 有液 压 泵 的输 出功 率 ， 并 考 虑一 定 的功 率损 失就 可 以间接地 测 量 发动 机 的输 出功 率 。 测 量精 度 高 ， 设 备简 单 ， 使 用 方便 。 1 系 统 组 成 1 ． 1 硬 件 的 选 取 本 系统 主要 是通 过 测量 全 液压 传 动工 程机 械 液压 泵 的输 出压 力和 流 量来 测 量 发动机 的功率 ． 另外 ． 也可 以利 用 本 系统 测量 液压 系统 中各 处 的压 力 、流 量 、温 度 等参 数 。 系 统 中 需 要 测 试 液 压 系统 压 力 、 流 量 信 号 ， 考 虑 到 油 液 温度 对 油 液性 能 的 影 p rO 温度 升 高 会 降低 油液 粘 度 ． 增 加 液 压 元 件 的 泄 漏 量 ，从 而 影 响 系 统 的 压 力 和 流 量 ， 故 还 需 要 测 试 油 液 温 度 。 另 外 ， 为 了 提 高 测 试 系 统 的 适 用 性 ， 还 可 以 测 量 电 流 、 电 压 信 号 。 常见 液压 系统 中压 力在4 0 MP a 左右 ， 流 量在3 0 0 L h 以 下 ， 油 温 在 1 2 0 o c以 下 ， 车 辆 各种 传 感 器 输 出 电流 为 一 -2 0 ． 2 0 mA， 电压 为 一 1 0 ～1 0 V。综 合 以上 信 息 ， 选 择 各 种 硬 件 型 号 、 量程 、 仪 表系数 需标 定 、 输入 、 输 出 ， 如表 1 所示 。 综 合 考 虑 传 感 器 的 输 出 及 系 统 需 要 ，选 择 美 国NI 公 司 的 数据 采 集 卡NI c D AQ 9 1 7 2 。采集 卡采 用US B 接 口跟 电脑 对 接 ， 使 用 方便 ， 适合 工程 机械 现 场 测试 。该 采 集 卡 有8 个 插 槽 ， 可 以 同时插 8 个数 据 采集 模块 ． 本 系统 中只 使 用 了2 个模 块 ．包括 1 个 电流 采集 模 块 和 1 个 电压 采 集 模 块 ， 其 中 电流 采 集模 块 N I 9 2 0 3 的测试 范 围为 一 2 0 ～ 2 0 mA。 电压 采 集模 块 N I 9 2 1 5 的测试 范 围 为一 1 0 ～ 1 0 v。 电流模 块 8 1 为 模 拟 电 流 测 试 。 2 数据 读取 ， 测试 程 序从 指 定通 道 读 取传 感 器 送来 的 数 据 。 3 D AQ mx 结束本次测量 ， 释放 内存 ， 等待下一 次任务 。 f 4 程 序 错 误 处 理 。 由于传 感器 输 出 的信号 只 是 电流 信号 。而 测 试 需要 的 最 终 结 果 是 压 力 信 号 ， 因 此 需 要 根 据 传 感 器 的 标 定 数 据 ． 将 电流 信号 转 换 为相 应 的压 力信 号 。 程 序 中采 用 公式 节点 对数 据进 行换 算 。 单 通 道 温 度 、 电 流 测 试 与 压 力 测 试 程 序 相 似 ， 不 同 的 是温度 传 感器 输 出 的 电流 信 号 需要 根据 传感 器 标定 数据 转 换 为 相 应 的 温 度 数 据 ． 程 序 中 通 过 公 式 节 点 来 实 现 。电 流 信 号 则 不 需 要 转 换 ． 数 据 显 示 方 式 与 电流 测 试 相 同 。 2 ． 2 ． 2 单 通 道 流 量 测 试 由于流 量传 感 器输 出的是 电压 方波脉 冲 信号 ，故采 用 NI 9 2 1 5电压 测 试 模 块 采 集 数 据 ，程 序 中 仍 然 需 要 设 置 通 讯参 数 、 警 戒值 等 。采 集过 程跟 电流测 试相 似 ， 设 置 时 钟 、 采样 方式 、 寄 存器 大小 、 选 择测 试 量 为 单通 道 电压 测 试 ， 然 后 任 务 开 始 ， 读 取 数 据 ， 数 据 转 换 ， 保 存 ， 显 示 。电压 信 号 采 集 程 序 如 图 5 所 示 最小值 最大值 物理信道 口 田 团 田 园 固 图 5电压 信 号测 量 程 序 程 序 中 使 用 单 频 测 量 子 Ⅵ 图 6 来 提 取 信 号 中 的 方 波脉 冲 频率 ， 该 Ⅵ只 能提 取信 号 中幅 值最 大 的单 频信 息 。 由于 传 感 器 输 出 的 脉 冲 信 号 低 电 平 小 于 0 ． 8 V． 高 电 平 大 于8 v． 因此小 于0 ． 5 V的信号 应 该 是 噪音 信 号 ． 为 了防 止 测试 过程 中提取 到 噪音 信号 的 频率 ，程 序 中先 判 断提 取 到 信 号 的 幅 值 ， 只 有 当 幅 值 大 于 0 ． 5 V时 才 认 为 是 被 测 信 号 ， 然后 利用 提取 的频率 信 息 ， 根据 传 感器 标 定 数据 转换 为 流 量 信 号 。流 量 传 感 器 的 输 出 是 方 波 脉 冲 信 号 ． 7 6 ． 2 0 6 个 脉冲 对应 1 L 流 量 ， 计 算 数据 采 集 卡采 集 的模 拟 脉 冲频 率 ， 并 将频 率 转化 为流 量 值 ， 则 实测 流 量 为 Q o -- 6 f 1 式 中 卜脉 冲 频 率 。 错误输入 无错 信号 ．圆 慧 单频测量 ■ 信 号 幅 值 ’ 频 率 ’ 图6单 频 测量 子 Ⅵ 错误输出 幅值 频率 Eq u ip me n t M a n a g e me 设 nt M 管 a i n 理 t e n a nce 维 T e 修 c hn 技 o l o 术 gy RM C M ■ ■ ■ ■ ■ ● ■ ■ ■ ■ 电压 信 号 采 集 如 同 流 量 测 试 程 序 ， 只 是 不 需 要 提 取 频 率信 息 进行 数 据转 换 ， 而 是 直接 送去 显 示 。 2 ． 2 ． 3 多 通 道 测 试 多通道 测 试包 括 综合 检 测和 功率 测 量 ，可 以检 测所 有 通道 的输 入 信号 。 系统 中共 1 2 个通 道 ， 其 中5 个 电流 通 道 设 置 为 压 力 通 道 。 2 个 电 流 通 道 为 温 度 通 道 ， 1 个 电流 通 道 为直 接 测试 电流 的 通道 ， 4 个 电压 通 道 中 ， 3 个用 来测 试 流量 ． 1 个用 来 直接 测试 电压 。该模 块 采用 D A Q助 手 图 7 来 采 集信 号 ， 在 D AQ 助 手 中设 置通 信 数据 ， 比如 物 理 通 道 、 通 道 采 样频 率 、 数 据 读 取 方式 、 每 个 通道 读 取 数 据 个 数 、 缓 冲 区大 小等 。 采样频率 样本数 超 时 S 错误输入 停止 F ＼ 辩 一 | 数据 ’ 错误输出 ’ 任务输出 ’ t 4 ， 帮 停止 数据 错误输出 任务输出 圈7 D AQg ] J - -T - 系 统 将 采 集 到 的 l 2 个 通 道 的 信 号 分 别 提 取 出 来 进 行 数 据 转 换 ， 转 换 为 相 应 的 压 力 、 流 量 、 温 度 等 信 号 ， 合 并 后 送 到 显 示 单 元 显 示 ， 同 时 进 行 数 据 存 储 。 功率 检 测模块 测量 发动 机 所驱 动 的所 有液 压 泵合 流 之后 的压 力 和流 量 ． 根据 压 力 和流 量计 算 发动 机 的功 率 。 测 试 时 需 要采 集 压 力 、 流量 信 号 ， 如 果考 虑 温 度 因素 ， 则 还 需要 测 量一 个温 度 信号 。程 序 中 可 以选 择 不 同的压 力 和流 量 通道 组 合来 测试 系统功 率 ，利 用D AQ 助 手 来采 集 信 号 ， 然后 将 信 号 分离 出来 ， 各 自换 算 成 流量 、 压 力和 温 度信 号 。 最 后 根据 功 率计 算公 式 求 出功 率 ， 如 果考 虑温 度 系数 ， 可 以根据 温 度值 进 行修 正 。在 该模 块 中 ， 既 要采 集 压 力 信 号 和 温 度 信 号 ， 又 要 采 集 流 量 信 号 ， 一 个 是 电 流 ， 一 个 是 电压 ． 也 就 是 同时采 集 电流 和 电压 信号 ． N I 9 2 0 3 和 NI 9 2 1 5 同时采 集 数据 以美 国 山猫 挖掘 机 为测 试对 象 ，其 发动 机全 部 输 出 都 用 来 驱 动 两 个 液 压 泵 ． 柱 塞 式 液 压 泵 泄 漏 量 AQ 0 ． 2 0 4 2 式 中 t 液压 油温 度 。 泵 的 理 论 排 量 Q AQ， 则 泵 的 输 入 功 率 ， 即 发 动 机 的输 出功 率 为 W PQ Q AQ 3 式 中 泵 的输 出压 力 。 用 户 可 以 选 择 不 同 的 压 力 、 流 量 和 温 度 通 道 进 行 测 试 ，也 可 以根据 单 个 液压 泵 的压 力和 流 量计 算单 个 液压 泵 或 马达 的功 率 。 RM CM 蓑 术 a 。 。 ⋯ 2 ． 3 其 他 模 块 设 计 2． 3． 1 数 据 显 示 数据 显 示在 采集 的 同时 进行 ，系统 将 采 集到 的 数据 经 过 转换 后在 虚 拟面 板上 显 示。 可 以 以波形 的 方式 显示 ， 形 象 地 反 映 数 据 的 变 化 趋 势 ， 也 可 以 实 时 地 显 示 当 前 数 据 值 ， 还 可 以 以虚 拟 仪 表 的 方 式 显 示 2 ． 3 ． 2 实 时 报 警 测试 开 始前 可 以预 设测 量值 的警戒 值 ，当测试 量 超 过警 戒值 时 ，面板 上 的 报警指 示 灯 变红 ，并 发 出报 警 声 音 ， 提 醒用 户 系统 异常 。 2． 3． 3波 形 回 放 用户 可 以再 次调 用 以前 保存 的测试 数据 ．再 现 当时 的测 量情 况 ， 分 析数 据 变化 趋势 ， 观察 数据 有 无异 常 。 2． 3． 4数 据 处 理 读 取 历 史 测 量 文 件 ，对 原 始 测 量 数 据 进 行 滤 波 、 加 窗 ， 采用 不 同的滤 波 方 式可 以进 一步 滤 去信 号 中的 噪音 ， 也 可 以 对 测 试 数 据 进 行 傅 利 叶 变 换 、 功 率 谱 、 幅 度 谱 、 相 关 性 等 分 析 。 2 ． 3 ． 5 测 试 结 果 保 存 与 读 取 所 有测 试 过 程都 可 以在 测试 开 始 前 选 择 是 否 保 存 ． 如 不保 存 ． 则测 试 数据 在本 次 测试 之后 将 丢弃 ． 若 需要保 存 ， 则 测 试 数 据 可 以 分 别 保 存 为 E x c e l l B t d ms 文 件 ， 两 种 文 件 都 可 以在 系统 中 实 现 波 形 回 放 ， 从 而 再 现 波 形 。t d ms 文 件 保 存 的 数 据 量 大 ． 信 息 全 面 ． 能 够 毫 无 遗 漏 地 将 本 次 测 试 的 所 有 测 试 数 据 保 存 下 来 。 包 括 测 量 的 时 间 、 通 道 信 息 以及 数据 中微 弱的 噪音 信 息等 。这 样有 利于 用 户测 试 完成 之后对 波 形进 行 回放 ， 能够 真实 再现 原 始信 号 ． 而 且 可 以对 信号 进 行进 一步 的滤波 、 分析 。而 保 存 为E x c e l l 格 式 的文 件则 是 为 了增加 文件 的通用 性 ．可 以用 其他 程 序 分 析测 试数 据 ， 也 可 以直 接打 开 测试 文件 ， 所有 数据 一 目 了 然 ． 但 由 于 Ex c e l l 文 件 容 量 有 限 ， 故 保 存 时 先 将 测 试 数 据压 缩 ． 压 缩 时采 用均 值压 缩 ， 压 缩 系数 则 根据 每 次测 试 的采 样频 率决 定 。 由于数 据 经过 压缩 ， 波形 可 能 失真 ， 故 分析 数据 时 不 能使用 E x c e l l 文件 。 t d ms 文件 保存 简 要程序 如 图 8 所 示 f 1 弹 出对话 框 ， 提 示 用户 选择 或新建 测量 文 件 。 2 打 开 所 选 的t d ms 文 件 。 f 3 仿 真 测 量 信 号 。 4 将 数 据 写入 测量 文件 。 f 5 关 闭 t d ms 文 件 。 田 图 8 t d ms 文 件 保 存 简 要 程 序 6 t d ms 文 件 浏 览 。 7 程 序 错 误 处 理 。 t d ms 文 件 读 取 简 要 程 序 如 下 。 1 弹 出 对 话 框 ， 提 示 用 户 选 择 要 回 放 的 测 量 文 件 。 2 打开 所 选 的t d ms 文件 。 3 读取 t d ms 文件 数据 ， 并送 往 波 形 图进行 显 示 。 4 程 序 错 误 处理 。 3 结 语 基 于 虚 拟 仪 器 的 液 压 加 载 测 功 系 统 还 可 作 为 液 压 泵 和 液压 马达 的 参数 检测 系 统 ，整个 系统 中只要 将被 测 液 压 泵或 马达 按 一定 的接 口形式 接入 系统 中 ．将 发动 机 稳 定 在 某 个 转 速 ， 通 过 加 载 阀 加 载 ， 即 可 确 定 该 液 压 泵 马 达 的压 力与 流量 ， 绘制 特 性 曲线 ， 确 定 其 性 能参数 ． 并 分 析 影响 性能 指标 的 原 因和部 位 ．为 全面评 价 其 性能 优 劣 或故 障诊 断 提供 了依 据 。此 系统 简 单 实用 、 操作 方便 、 精 度高 、 造 价 低 、 用途 广 ， 开 创 了测功 技 术的 新领 域 ， 具 有 良 好 的经济 效 益和 深远 的 社会 意 义。 参 考 文 献 [ 1 ]徐 晓东． L a b VI E W 8 ． 5 常 用功 能与编程 实例精 讲[ M] ． 北 京 电子 工 业 出 版 社 ， 2 0 0 9 ． [ 2 ]李海澜 ， 刘 源 一种基于L a b V I E W 的虚拟仪 器的测试 分析 系统 _ J ] ． 山西电子技术， 2 0 0 7 2 3 ～ 2 4 [ 3 ]陈燕飞． 工程机械典型液压 系统参数 的动 态测量 [ D] ． 南京 南京 林业大学， 2 0 0 8 ． [ 4 ]龙华伟 ， 顾 永刚 L a b V I E W DA Q数据 采集[ M ] 北京 清华大学 出版社 ． 2 0 0 8 ． 收 稿 日期 2 01 0 -0 1 - 20 [ 责 任 编 辑 谭 忠 华 ]