基于虛擬儀器技術(shù)的電液伺服測(cè)試系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

孫麗華，趙 剛，馮繼偉

（中國(guó)人民解放軍 63981部隊(duì)，湖北 武漢 430311）

隨著現(xiàn)代軍事裝備技術(shù)的不斷進(jìn)步，武器系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)越來(lái)越復(fù)雜，性能越來(lái)越先進(jìn)。電液伺服系統(tǒng)除了具有液壓傳動(dòng)的各種優(yōu)點(diǎn)外，還具有體積小、反應(yīng)快、系統(tǒng)剛度大和控制精度高等優(yōu)點(diǎn)，在武器系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用[1]。傳統(tǒng)的電液伺服測(cè)試系統(tǒng)采用的分立模擬儀表技術(shù)，因其要求儀器儀表數(shù)量多、測(cè)試精度差、人為操作誤差大、成本高等缺點(diǎn)，已經(jīng)無(wú)法滿足現(xiàn)代電液伺服系統(tǒng)高精度、自動(dòng)化的檢測(cè)需求。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和液壓測(cè)試技術(shù)的飛速發(fā)展，計(jì)算機(jī)輔助測(cè)試（CAT）技術(shù)和虛擬儀器在液壓系統(tǒng)測(cè)試中得到了廣泛的應(yīng)用。它具有測(cè)試精度高、速度快、性價(jià)比高、測(cè)試的重復(fù)性和可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，有著很好的應(yīng)用前景。開(kāi)發(fā)一套基于虛擬儀器平臺(tái)的測(cè)試系統(tǒng)，可以很好地解決裝備電液伺服系統(tǒng)的性能測(cè)試和維護(hù)難題。

文中以虛擬儀器和計(jì)算機(jī)自動(dòng)測(cè)試為開(kāi)發(fā)平臺(tái)，設(shè)計(jì)某型裝備電液伺服性能測(cè)試系統(tǒng)的硬件實(shí)現(xiàn)過(guò)程。以計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集、信號(hào)處理、GPIB和LabVIEW圖形化語(yǔ)言為核心，進(jìn)行電液伺服系統(tǒng)的性能檢測(cè)與故障診斷，實(shí)現(xiàn)測(cè)試自動(dòng)化、數(shù)據(jù)采集精準(zhǔn)化。測(cè)試系統(tǒng)對(duì)提高裝備電液伺服系統(tǒng)的工作穩(wěn)定性、維護(hù)及故障排除起到重要作用。

1 虛擬儀器技術(shù)員的特點(diǎn)

虛擬儀器是一種概念性儀器，是由計(jì)算機(jī)、儀表硬件、固件和應(yīng)用軟件組成的測(cè)試系統(tǒng)。使用計(jì)算機(jī)的軟、硬件資源，使本來(lái)需要硬件實(shí)現(xiàn)的技術(shù)軟件化（虛擬化），突破了傳統(tǒng)物理儀器在數(shù)據(jù)處理、精度等方面的局限，提高儀器的功能和使用效率[2]。計(jì)算機(jī)與模塊化功能硬件稱為虛擬儀器的計(jì)算機(jī)硬件平臺(tái)。其優(yōu)勢(shì)是開(kāi)放性好，實(shí)現(xiàn)了部分物理儀器硬件的軟件化。設(shè)計(jì)者根據(jù)需求，只要加入不同的軟件模塊，就可以開(kāi)發(fā)不同功能的測(cè)試系統(tǒng)，降低了硬件設(shè)計(jì)的難度，縮短系統(tǒng)開(kāi)發(fā)時(shí)間，靈活性較強(qiáng)。而其圖形化界面與圖形化編程語(yǔ)言，人機(jī)交互較好。虛擬儀器系統(tǒng)包括儀器硬件和開(kāi)發(fā)軟件兩個(gè)基本要素，在虛擬環(huán)境下，硬件系統(tǒng)包括工控計(jì)算機(jī)和測(cè)控功能硬件，開(kāi)發(fā)軟件包括硬件驅(qū)動(dòng)程序、應(yīng)用程序和界面程序。就功能而言，虛擬儀器與傳統(tǒng)物理儀器一樣也是由3大功能塊組成，即信號(hào)采集、信號(hào)的分析處理、結(jié)果表達(dá)[3]。虛擬儀器系統(tǒng)的功能劃分如圖1所示。

圖1 虛擬儀器系統(tǒng)的功能劃分圖Fig.1 Division of functions of the virtual instrument system

2 電液伺服系統(tǒng)測(cè)試系統(tǒng)的原理構(gòu)成

本文設(shè)計(jì)的某型裝備電液伺服綜合性能檢測(cè)系統(tǒng)有兩大組成部分：硬件平臺(tái)和軟件系統(tǒng)。硬件平臺(tái)包括各類傳感器、信號(hào)采集與調(diào)理模塊、工業(yè)控制計(jì)算機(jī)、控制信號(hào)輸入面板、數(shù)據(jù)采集卡和顯示器，軟件部分則利用LabVIEW平臺(tái)開(kāi)發(fā)的應(yīng)用軟件系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)信號(hào)的采集、分析、處理和顯示。

某型裝備電液伺服綜合性能檢測(cè)系統(tǒng)的原理是通過(guò)3類傳感器，即壓力傳感器、流量傳感器、溫度傳感器，從被測(cè)電液伺服系統(tǒng)相關(guān)部位采集各類模擬信號(hào)，將這些信號(hào)經(jīng)過(guò)檢波、放大、調(diào)理后，由數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行采集，然后將信號(hào)送往工控機(jī)，在LabVIEW軟件平臺(tái)下完成被測(cè)電液伺服系統(tǒng)的各種參數(shù)設(shè)置及性能測(cè)試，檢測(cè)結(jié)果在屏幕上進(jìn)行顯示或者通過(guò)打印機(jī)打印輸出[4]。該測(cè)試系統(tǒng)的基本原理如圖2所示。

圖2 電液伺服測(cè)試系統(tǒng)原理圖Fig.2 Principle of electric hydraulic servo test system diagram

3 電液伺服性能測(cè)試系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 電液伺服虛擬測(cè)試系統(tǒng)完成的主要功能

根據(jù)該型裝備電液伺服系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)，測(cè)試系統(tǒng)分八個(gè)模塊設(shè)計(jì)測(cè)試功能：

1）初始狀態(tài)測(cè)試：測(cè)試電液伺服系統(tǒng)啟動(dòng)前的各項(xiàng)機(jī)械、電氣所處的狀態(tài)。

2）準(zhǔn)備狀態(tài)測(cè)試：給測(cè)試系統(tǒng)電控制信號(hào)后，測(cè)試系統(tǒng)啟動(dòng)并進(jìn)入加電工作狀態(tài)，顯示目前的各項(xiàng)工作參數(shù)。

3）壓力測(cè)試：此項(xiàng)是給電液伺服系統(tǒng)中旁通組合加電，測(cè)試旁通回路的壓力。

4）主泵壓力流量測(cè)試：測(cè)試電液伺服系統(tǒng)中液壓源的性能指標(biāo)，包括工作壓力和輸出流量，依此判斷液壓泵的功率情況。

5）電液伺服閥內(nèi)泄漏特性測(cè)試：空載狀態(tài)下電液伺服閥零偏時(shí)，伺服閥閥芯不在零位測(cè)試伺服閥內(nèi)泄漏值。

6）電液伺服閥空載流量測(cè)試：給定伺服閥壓降和零負(fù)載壓力下，使輸入電流在正負(fù)額定電流之間，以使閥的動(dòng)態(tài)特性不產(chǎn)生影響，測(cè)試負(fù)載輸出的流量。

7）電液伺服閥頻率響應(yīng)測(cè)試：輸入電流在某一頻率范圍內(nèi)做等幅變頻正弦變化時(shí)，測(cè)試空載流量與輸入電流的百分比，測(cè)試伺服閥的頻寬值。

8）安全閥性能測(cè)試：此項(xiàng)是用來(lái)測(cè)試電液伺服系統(tǒng)在超壓時(shí)，設(shè)定的安全閥能否正常工作；對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行超壓保護(hù)時(shí)，調(diào)定值是否為設(shè)計(jì)時(shí)的調(diào)定值，確保安全閥性能正常。

3.2 電液伺服性能測(cè)試系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)

本裝備電液伺服綜合性能檢測(cè)系統(tǒng)的硬件組成包括傳感器系統(tǒng)（壓力采集、流量采集、溫度采集）、信號(hào)調(diào)理模塊、數(shù)據(jù)采集卡（DAQ）、工程控制計(jì)算機(jī)等[5-7]，硬件組成如圖3所示。

圖3 電液伺服測(cè)試系統(tǒng)硬件組成框圖Fig.3 Electric hydraulic servo test system hardware composition diagram

3.3 測(cè)試系統(tǒng)硬件

3.3.1 傳感器

傳感器是一種檢測(cè)裝置，能將檢測(cè)到的信息按一定規(guī)律變換成為電信號(hào)輸出，滿足信息的傳輸、處理和控制等要求。通常電液伺服測(cè)試系統(tǒng)所要測(cè)量的物理量一般是溫度、壓力、流量等非電量和伺服閥控制電流電壓等電量。本測(cè)試系統(tǒng)根據(jù)該型裝備測(cè)試對(duì)象的性能指標(biāo)，主要選取的傳感器為是流量傳感器、壓力傳感器、溫度傳感器和電流傳感器[8]。

1）流量傳感器

在本套測(cè)試系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集中，對(duì)流量的數(shù)據(jù)采集主要是測(cè)試系統(tǒng)中兩種工作回路中的流量參數(shù)進(jìn)行測(cè)量（兩個(gè)回路分別為高壓回路的小流量參數(shù)及低壓回路的大流量參數(shù)），小流量參數(shù)為2.0 L/min，目的是測(cè)試電液伺服系統(tǒng)伺服閥的內(nèi)泄漏、空載流量等參數(shù)。大流量參數(shù)為65 L/min，目的是測(cè)試電液伺服系統(tǒng)的回油能力和能量源性能。

流量傳感器主要有渦輪流量傳感器和齒輪流量傳感器等，渦輪流量傳感器具有體積小、重量輕、耐高溫、防爆、不耗電等優(yōu)點(diǎn)，在測(cè)試粘度低、油液呈大流量時(shí)同時(shí)還具有精度好、防腐、抗高壓，抗電磁干擾優(yōu)勢(shì)。本套測(cè)試系統(tǒng)采用的CLL-8、CLG-4型渦輪流量傳感器，技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表1。

表1 流量傳感器技術(shù)指標(biāo)Tab.1 The flow sensor technology index

2）壓力傳感器

壓力傳感器主要有電容式壓力傳感器、變磁阻式壓力傳感器、光纖式壓力傳感器、諧振式壓力傳感器等。對(duì)壓力的數(shù)據(jù)采集主要是對(duì)測(cè)試系統(tǒng)中的多個(gè)工作回路中的壓力參數(shù)進(jìn)行測(cè)量（分別為油源回路、工作回路和背壓回路），關(guān)鍵是壓力傳感器把測(cè)試數(shù)據(jù)輸送到信號(hào)調(diào)理模塊中實(shí)現(xiàn)初采集。根據(jù)被測(cè)對(duì)象壓力參數(shù)指標(biāo)，本系統(tǒng)采用CY-YZ-174微機(jī)械加工硅壓力傳感器，技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表2。

表2 壓力傳感器技術(shù)指標(biāo)Tab.2 Pressure sensor technology index

3）溫度傳感器

溫度傳感器分為熱電阻式傳感器、熱電偶式傳感器、接觸式溫度傳感器、非接觸式溫度傳感器等。在電液伺服系統(tǒng)工作時(shí)，為防止因?yàn)槟Σ?、?jié)流、溢流等原因造成溫度過(guò)高，從而引起系統(tǒng)損，對(duì)系統(tǒng)溫度信號(hào)實(shí)時(shí)進(jìn)行采集，并分析油溫變化情況。當(dāng)油溫超出警戒線時(shí)，給出信號(hào)進(jìn)行報(bào)警。

測(cè)試系統(tǒng)主回油最高報(bào)警溫度為80℃，熱敏電阻式溫度傳感器已能滿足系統(tǒng)需要。熱敏電阻式傳感器具有測(cè)量精度高、穩(wěn)定性能好、抗腐蝕性好、抗惡劣環(huán)境性能好的特點(diǎn)。本系統(tǒng)采用WZP-533溫度傳感器，技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表3。

表3 溫度傳感器技術(shù)指標(biāo)Tab.3 The tem perature sensor technology index

3.3.2 信號(hào)調(diào)理模塊

信號(hào)調(diào)理模塊也稱隔離變送器模塊，是測(cè)試系統(tǒng)信號(hào)到被測(cè)對(duì)象的信號(hào)通道，將接收設(shè)備產(chǎn)生的各種信號(hào)，經(jīng)過(guò)此信號(hào)調(diào)理模塊變送成用戶所需要的其他信號(hào)，實(shí)現(xiàn)信號(hào)的分配、放大/衰減、信號(hào)濾波、隔離傳送、轉(zhuǎn)接盒調(diào)理傳輸?shù)浇邮赵O(shè)備，可以有效抑制設(shè)備之間的信號(hào)干擾，具有更好的溫漂特性和線性度。前級(jí)信號(hào)調(diào)理采用5B系列高性能隔離調(diào)理模塊，對(duì)直接接入的各種傳感器信號(hào)進(jìn)行全面調(diào)理。適合環(huán)境惡劣、存在易爆氣體的場(chǎng)合，且使用方便的高性能模塊化隔離調(diào)理模塊，具體技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表4。

表4 5B系列隔離信號(hào)調(diào)理模塊技術(shù)指標(biāo)Tab.4 5B series isolation signal conditioning module technology index

3.3.3 數(shù)據(jù)采集卡

數(shù)據(jù)采集（Data Acquisition）卡是實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集功能的計(jì)算機(jī)擴(kuò)展卡，通過(guò)USB、PXI、PCI、ISA等總線接入計(jì)算機(jī)。數(shù)據(jù)采集卡由四部分組成，即多路開(kāi)關(guān)、放大器、采樣/保持器和A/D轉(zhuǎn)換器。4部分均處于工控計(jì)算機(jī)的前向通道，是集成數(shù)據(jù)采集卡的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，而D/A轉(zhuǎn)換器則處于工控計(jì)算機(jī)的后續(xù)通道[9-10]。綜合各種參數(shù)指標(biāo)，我們?cè)诒咎诇y(cè)試系統(tǒng)中采用NI公司的PCI-6025E系列數(shù)據(jù)采集卡，具體指標(biāo)如下：1）16路12位單端模擬輸入；2）200 kS/s采樣速率；3）2路 12位模擬輸出；4）32條數(shù)字 I/O線；5）2個(gè) 24位 20 MHz計(jì)數(shù)器/定時(shí)器。

3.3.4 工控計(jì)算機(jī)

測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備振動(dòng)強(qiáng)度大，環(huán)境惡劣，電磁干擾嚴(yán)重，因此所選用的工業(yè)控制計(jì)算機(jī)必須滿足抗干擾性能好，穩(wěn)定性能優(yōu)等要求。本系統(tǒng)選用某公司生產(chǎn)的IPC系列機(jī)箱，內(nèi)置NORCO-660VE全長(zhǎng)CPU卡，該卡集成了VGA顯卡及10 M/100 M自適應(yīng)網(wǎng)卡，具有超溫報(bào)警自動(dòng)降頻、ESD保護(hù)、BIOS防病毒等先進(jìn)功能，機(jī)箱具備特殊的模塊化設(shè)計(jì)，可使用戶以最短停機(jī)時(shí)間維護(hù)系統(tǒng)，并具有較高的防塵、防磁、防沖擊的能力，適合現(xiàn)場(chǎng)使用。

4 電液伺服測(cè)試系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)

1）測(cè)試精度：壓力、流量、溫度、電流：1%。

2）輸入強(qiáng)電信號(hào)：380 V±15%220 V±10%50 Hz±10%。

3）傳感器輸出：0～10 mA。

4）系統(tǒng)中油液的報(bào)警控制范圍：0～90℃。

5 結(jié) 論

利用虛擬儀器技術(shù)開(kāi)發(fā)先進(jìn)的測(cè)試系統(tǒng)是目前測(cè)試領(lǐng)域內(nèi)研究的重要方向，本文詳細(xì)介紹了某型電液伺服測(cè)試系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)和模型，構(gòu)建了測(cè)試系統(tǒng)的硬件框架，并根據(jù)被測(cè)試對(duì)象的技術(shù)參數(shù)，建立硬件系統(tǒng)，可以自動(dòng)實(shí)現(xiàn)測(cè)試功能。 實(shí)際應(yīng)用證明，該系統(tǒng)運(yùn)行良好、自動(dòng)化程度高、測(cè)試數(shù)據(jù)精度高，能高效便捷的實(shí)現(xiàn)測(cè)試功能。

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