基于虛擬儀器的液壓檢測系統設計

馮江濤，郭曉松

( 第二炮兵工程大學，陜西西安710025)

液壓傳動具有質量輕、可以無級調速等優點，已廣泛應用于工業生產的各個領域。但是由于液壓傳動結構復雜，內部狀態難以直接觀測，單憑感官和經驗判斷故障發生的位置難度較高。將虛擬儀器技術應用于液壓檢測中可以實現狀態的自動檢測和分析，測量精度和速度較高，系統性能穩定、操作簡潔明了，具有強大的人機交流功能，虛擬儀器技術已成為液壓系統自動檢測的一個主要發展方向。

1 虛擬儀器技術的特點

虛擬儀器技術是在通用計算機平臺上，根據現實需求定義和設計儀器功能，使用者在操作計算機時，就像是在操作真實檢測儀器一樣。虛擬儀器由計算機、軟件和硬件三部分構成，其中軟件是虛擬儀器技術的核心。虛擬儀器技術主要有3個特點:

(1)功能完全由用戶自己定義。程序組建靈活、效率高、開發周期短、維護方便。

(2)良好的人機交互界面。虛擬儀器技術充分利用計算機強大的運算、存儲、回放、顯示等功能，信號的采集和分析處理結果顯示直觀，可操作性強。

(3)采用模塊化的結構，模塊之間用標準的總線連接起來，形成一套完整的系統，性能比其他硬件高。

2 系統組成

2.1 液壓系統原理

液壓系統原理如圖1 所示。

圖1 液壓系統原理圖

該液壓系統可以實現多種功能，易于實現擴展，可移植性強，主要由定量泵、比例溢流閥、電液比例換向閥、液壓缸、雙向液壓鎖等元件組成。通過在不同位置安裝各種物理量的傳感器可以實現狀態的實時監測。

該系統共有3 個油缸，分別實現不同的動作，起豎油缸用以將負載支撐起來，水平油缸實現負載水平動作，支腿油缸支撐整個系統并實現調平功能。系統工作時，起豎油缸先啟動，推動負載起豎到一定的角度時，水平油缸啟動，實現組合運動，負載到位后，支腿油缸啟動進行系統的調平。

2.2 檢測系統硬件構成

檢測系統硬件連接如圖2 所示:其中PXI-1044是12 槽的機箱，是一種低成本、緊固式的PXI 機箱，有適用于工業系統的模塊化體系和堅固的結構，能在有噪聲、潮濕、振動、傾斜的惡劣環境下正常運作。PXI-6259 是一塊高速、多功能PXI 數據采集卡，提供32 路單端、16 路差分模擬輸入，4 路模擬輸出和48路數字I/O，具有強大的數據采集和系統控制能力。PXI-4472 是動態數據采集模塊，適合用于聲音及振動的檢測。SCB-68 是一款屏蔽式I/O 接線盒，有68針連接端口，用以將傳感器輸入信號連往PXI-6259數據采集卡，結合屏蔽式電纜時，SCB-68 可提供堅固且噪聲極低的信號終端。

圖2 檢測系統硬件連接圖

壓力傳感器選用CS-PT300 系列壓力變送器，量程為35 MPa，輸出4 ～20 mA 電流;流量傳感器選用LWGB-15 系列渦輪流量傳感器，輸出4 ～20 mA 電流;角度傳感器選用倍加福公司生產的FSS58 單圈絕對型編碼器，具有單圈13 位的測量精度;水平油缸位移傳感器選擇巴魯夫位移傳感器，量程1 700 mm，輸出0 ～10 V 電壓;支腿位移傳感器選用LEC150 拉線型位移傳感器，測量行程為500 mm，輸出0 ～5 V電壓;傾角傳感器選用SST240 傾角傳感器，電壓輸出0.5 ～4.5 V。

系統工作原理:振動傳感器將振動信號轉換為加速度信號傳輸至PXI-4472 采集卡，其它傳感器將物理信號轉換為電壓信號，經SCB-68 接線盒傳輸至PXI-6259 采集卡，最后由PXI-1044 機箱將采集信號傳輸至主控計算機進行處理。

3 軟件實現

3.1 軟件的選擇

目前較流行的虛擬儀器軟件有兩類:一類是圖形化的編程語言，如HPVEE、LabVIEW 等;另一類是文本式的編程語言，如Visual C ++、LabWindows/CVI 等。該檢測系統選擇NI 公司的LabVIEW 軟件，它是一個圖形化編程軟件，設計者無須編寫文本格式的代碼，具有用戶自定義界面和數據流編程風格，是一個開放式的虛擬儀器開發系統應用軟件。主要有以下優勢:

(1)將PC 機與各類I/O 硬件無縫結合，用戶可以從底層硬件中解放出來，專注于系統的開發。

(2)內置各個工程領域的工具包，可簡化應用程序的開發。比如高級信號處理工具包、聲音與振動工具包、控制設計工具包、報表生成工具包等等。

(3)數據視覺化和用戶界面設計簡便。Lab-VIEW 中包含完整的拖放式輸入控件和顯示控件，用戶能夠快速輕松地創建用戶界面并有效顯示結果，而無需集成第三方組件或從頭創建視圖。

3.2 信號采集和分析程序

3.2.1 信號采集程序

信號采集是將被測對象的物理量通過傳感器件轉換為電信號后，再經調理、采樣、量化、編碼、傳輸等步驟送到控制器進行數據處理或存儲的過程。在LabVIEW 中，可以方便、快速地利用DAQ 助手VI 完成測量任務及參數的設置，只要根據彈出的對話框按實際需要進行配置即可。但是DAQ 助手不夠靈活，該系統采用DAQmx 信號采集子VI 根據實際要求進行靈活配置。

信號采集程序前面板和程序框圖如圖3、4 所示，該檢測系統中，主要是模擬電壓的輸入，其中輸出電流信號的傳感器只需要在其輸出接一個電阻即可轉換為電壓信號。前面板主要功能有:

(1)采集參數配置，包括采樣率、每通道采樣數、虛擬物理通道、輸入接線端配置等。

(2)直觀地對信號進行觀察。流量和水平缸位移信號采用波形圖表直觀顯示;壓力采用量表模擬壓力表進行顯示;報警功能，當壓力超過指定的壓力時，產生聲光報警以提醒人員進行處理;數值顯示控件顯示支腿伸出位移。

(3)數據的存儲。當需要存儲數據時，按下開始存儲按鈕完成數據的保存。

圖3 數據采集前面板

圖4 數據采集程序框圖

程序框圖用到的子VI 有:DAQmx 創建通道、定時、開始任務、讀取、清除任務、簡易錯誤處理器。程序框圖中公式節點將采集得到的電壓轉換為各種實際物理量在前面板顯示，根據傳感器的輸出電信號量程和測量物理量的范圍確定換算公式。為減小測量中的隨機誤差干擾，將每通道采樣數取平均值后輸出。數據存儲用寫入測量文件VI，將數據保存為基于文本的測量文件，用讀取測量文件VI 從保存的文件中讀取數據。

3.2.2 信號分析程序

信號分析有時域方法、頻域方法和變換域方法，最常用的一種方法就是頻域分析，即把時域信號通過傅里葉變換化為以頻率為橫坐標的頻域信號，從而求得關于信號頻率成分的幅值和相位信息的一種分析方法。系統正常運行時，系統的信號具有一定的頻譜，系統工作不正常時，其頻譜必隨之有相應的變化，通過頻域分析就可判斷系統的故障所在。LabVIEW 中提供了多種頻域變換節點，位于函數選板的“信號處理—變換”中，包括傅里葉變換、Hilbert 變換、小波變換、功率譜分析、諧波分析等。傅里葉變換頻譜中不僅包含正頻率成分，而且還含有負頻率成分，頻譜中絕對值相同的正負頻率對應的信號頻率是相同的，負頻率只是由于數學變換才出現的。因此，將負頻率對應的頻譜迭加到相應的正頻率上，然后將正頻率對應的幅值加倍，零頻率對應的頻譜不變，就可以將雙邊頻譜轉換為單邊頻譜。單邊傅里葉變換的前面板如圖5 所示，程序框圖如圖6 所示。

圖5 單邊傅里葉變換前面板

圖6 單邊傅里葉變換程序框圖

4 結論

應用虛擬儀器技術設計的液壓檢測系統較傳統的液壓檢測設備有很大的優勢，其操作簡單，數據輸出直觀、準確。系統硬件和軟件采用模塊化設計，系統的開發周期大大縮短，系統維護和調試方便。

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