基于虛擬儀器的綜合性液壓實驗臺研究

王 娟， 胡文軍， 祝守新

(湖州師范學院 a.工學院；b.信息工程學院，浙江 湖州 313000)

0 引 言

實驗教學是《液壓與氣壓傳動》課程一個非常重要的組成部分，傳統的液壓實驗大都采用繼電器控制或PLC控制，該方法只能對液壓實驗進行宏觀、定性的研究，不能采集數據，不能對液壓元件的各種靜動態特性進行研究[1-3]。許多高校進行液壓實驗教學方面改革，大部分是從設備、內容、方式、手段和考核等方面進行[4-6]。有些引入了虛擬仿真技術，主要以Solidworks、UG等為軟件平臺，運用eDrawing、Flash、Java、Easy5、Hopsan等仿真軟件對液壓閥的工作原理進行動畫模擬或者設計一些液壓回路的測試系統[7-10]。還有在傳統實驗的基礎上增加了具有工程應用的系統設計和仿真實驗[11-12]。這些改革只是進行籠統概述，并沒有給出具體的應用實例，有些只是進行了仿真實驗，缺少實際數據采集，不能利用實際數據對系統性能進行有效分析。

設計一套集測試和控制于一體的模塊化液壓實驗系統，通過PC機與實驗臺相連，由傳感器負責多種物理量的檢測，檢測到的數據通過數據采集卡上傳至PC機，再以檢測到的數據為依據，實現數據的處理、分析，并做出相應的控制。設計開發的液壓實驗臺集多學科于一體，具備多功能和綜合性，能夠對實驗臺和液壓元件實現實時、高精度、高可靠性的測控。

1 實驗系統組成

本文以液壓實驗臺為研究對象，依托LabVIEW，搭建虛擬液壓實驗平臺，以完成各種液壓元件的性能測試以及液壓回路的速度、位置控制等實驗。其構成框圖如圖1所示。

圖1 虛擬液壓實驗平臺構成框圖

該實驗平臺可以接入壓力、流量和位移3種不同類型的傳感器，將壓力、流量和位移等物理量轉變為電信號，并通過信號調理電路對信號進行放大、濾波以確保數據采集板卡的有效采集，實現A/D轉換。計算機通過數據采集卡獲得數字量，然后對相應的數字量進行分析、處理，并通過D/A轉換，輸出模擬控制信號用于控制放大或驅動電路的輸出信號,進而控制比例閥或伺服閥的閥口開度，實現液壓系統的位置閉環控制。

2 系統硬件平臺

2.1 傳感器

實驗采用FY212-600B51S32型壓力傳感器，共3個引腳，分別為VCC、GND、OUT，工作電壓為DC24V，量程范圍0～60 MPa(0～600 Bar)，輸出1～5 V，精度為0.5%FS[13]。實驗前，需先對壓力傳感器進行標定，這里采用IPI JOFRA數字壓力校準儀進行標定，該校準儀準確度為0.05%FS,標定數據如表1所示。由表1可知，當壓力≤7 MPa時，其絕對誤差≤10 mV。

表1 壓力傳感器壓力-電壓關系表

實驗系統所采用的流量傳感器為LWGYA-6型，其工作電源為DC24V，檢定范圍為0.06～0.6 m3/h，信號輸出為4～20 mA，精度為1.0%。由于流量傳感器的輸出為4～20 mA，數據采集卡在單端模式下能接受的滿量程電壓信號為0～10 V，為了能與數據采集卡輸入電壓相匹配，先將流量傳感器輸出與250 Ω電阻相串聯，得到1～5 V的電壓，再進行信號調理。

實驗所用W-DCD160型位移傳感器，其工作電壓為DC12V，輸入為0～160 mm，輸出為DC0～5 V，精度為0.5%[14]。

2.2 信號調理電路

由于傳感器的輸出電壓與數據采集卡不匹配，因此需要對信號進行放大、濾波等信號調理。調理電路分別如圖2～4所示，分別對壓力、流量、位移的傳感信號進行調理。

具體做法如下：先將壓力傳感器1～5 V的輸出電壓與1 V的電壓源反向疊加，得到0～4 V的電壓，再將其放大2.5倍，得到與數據采集卡輸入電壓相匹配。由于沒有25 kΩ的標稱電阻，故使用22 kΩ和3 kΩ相串聯。同時，由于壓力傳感器輸出電壓信號含有干擾、噪聲，因此增加低通濾波電路進行濾波，濾波之后的電壓值送入數據采集卡模擬量輸入端。流量傳感器信號調理電路與壓力傳感器相同。位移傳感器輸出為0～5 V電壓，再將其放大2倍，即可得到0～10 V電壓值。

圖2 壓力傳感器信號調理電路

圖3 流量傳感器信號調理電路

圖4 位移傳感器信號調理電路

2.3 數據采集卡

本實驗系統采用USB6211數據采集卡。該采集卡有16個模擬量輸入口，分別為AI0～AI15，每通道有4個可編程輸入范圍：±0.2 V、±1 V、±5 V、±10 V。輸入模式有3種終端模式：差分、參考單端(Reference single end,RES)、非參考單端(Non-reference single end,NRSE)，若采用差分方式配置，共有8個輸入通道，負極接AI〈0…7〉,正極接AI〈8…15〉；若采用RES方式配置，負極接AI GND，正極接AI〈0…15〉；若采用NRSE方式配置，負極接AI SENSOR，正極接AI〈0…15〉。2個模擬量輸出口，AO0和AO1，輸出電壓范圍：±10 V。4個數字量輸入口，PFI0-PFI3，4個數字量輸出口，PFI4-PFI7，采樣率可達250 kHz[15]。

3 系統軟件平臺

本實驗系統的前面板如圖5所示。

圖5 基于虛擬儀器的綜合性液壓實驗臺研究前面板

為了提高人機交互的友好性，前面板設計了3個顯示版塊。參數配置：包括實驗項目選擇、數據采集卡模擬量輸入、數字量輸入的物理通道配置;圖形顯示版塊：顯示泵的空載流量特性、電液比例流量閥的恒負載特性、進油節流調速的速度負載特性等曲線；數值顯示版塊：顯示壓力、流量、電壓、速度值等。實驗系統軟件程序在LabVIEW 2013環境下編制。液壓實驗的項目包括性能測試類和位置控制類等。性能測試類實驗通過繪制特性曲線的可以對整個的控制過程進行監控，更加直觀地看到壓力、流量等的變化趨勢。另外，還可以對采集到的數據進行存儲，以便進行分析和進一步的處理。系統工作流程圖如圖6所示。

圖6 系統工作流程圖

4 典型實驗

典型的液壓實驗主要包括液壓元件性能測試、液壓回路、電液伺服、比例閥性能測試與控制實驗。液壓元件性能測試可以幫助學生更好地掌握液壓元件的性能，為液壓元件的選擇、液壓回路的學習以及液壓元件的故障維修打下堅實的基礎。任何一個復雜的液壓系統，都是由一個或幾個液壓基本回路組成，通過完成液壓基本回路實驗，可以幫助學生分析、設計和使用各種液壓系統。電液比例技術和伺服技術都是液壓技術的重要分支，本科階段，讓學生接觸到這些先進的液壓技術，開闊學生視野，調動學習的積極性。下面以3個典型液壓實驗為例進行說明。

4.1 液壓泵性能測試

液壓泵性能測試主要是對液壓泵的空載特性、流量特性進行測試。其原理圖如圖7所示。由圖7可知，壓力傳感器、流量傳感器分別測量泵的出口壓力和流量。實驗時，先將節流閥閥口調至最大，記錄此時的壓力、流量數值。用節流閥給泵由低到高逐點加載。記錄各點的壓力、流量數值，并繪制流量特性曲線。液壓泵流量特性曲線如圖8所示。

1—液壓泵；2—溢流閥；3—壓力傳感器；4—節流閥；5—流量傳感器

圖7 液壓泵性能測試原理圖

圖8 液壓泵流量特性曲線

由圖8可知，隨著出口工作壓力p的增加，泵的實際流量q逐漸減小。除了泵的流量特性外，還可以對泵的功率特性、機械效率、容積效率、總效率進行測試。

4.2 電液比例流量閥恒負載特性曲線

電液比例流量閥恒負載特性原理圖如圖9所示。

1—液壓泵；2—溢流閥；3—換向閥；4—單向閥；5—電液比例流量閥；6—液壓缸；7—接近開關

圖9 電液比例流量閥恒負載特性原理圖

由圖9可見：當3位4通電磁換向閥左位工作時，油缸活塞桿伸出，使油液通過比例閥進入油缸，其速度由比例閥開口控制；當右位工作時，油缸活塞桿縮回，通過單向閥使油缸活塞快退。

接近開關的控制電壓為24 V，但數據采集卡的數字量輸入的高電平為3.5～5 V，因此要通過電阻進行降壓，圖10所示電路送入數據采集卡的數字量輸入端電壓高電平為4.2 V，符合要求。

圖10 接近開關電氣控制圖

當接近開關沒有檢測到信號時，接近開關斷開，數字量輸入為低電平；當接近開關檢測到信號時，接近開關接通，數字量輸入為高電平。通過程序采集從S1斷開到S2接通所需時間，進而計算液壓缸的速度。通過采集控制閥芯開度的電壓值與速度，即可得到電液比例流量閥的恒負載特性曲線如圖11所示。

圖11 電液比例流量閥恒負載特性曲線

由圖11可見，隨著閥芯開度的增加，液壓缸伸出速度增大，當控制電壓小于3 V時，閥口開度與液壓缸運行速度成線性關系，當控制電壓大于7 V時，閥口幾乎全開，速度保持穩定，電液比例流量閥做不到全程線性。

4.3 進油節流調速回路控制實驗

節流調速回路是液壓系統中常用的典型回路,其原理如圖12所示。測試裝置液壓原理圖中，工作缸和節流閥構成進口節流調速回路，負載缸用于給工作缸施加負載，它們分別由兩個泵驅動。對工作缸進行變負載速度—負載特性的測試。

1—液壓泵；2—溢流閥；3—換向閥；4—節流閥； 5—液壓缸(工作缸)；6—液壓泵；7—溢流閥；8—壓力傳感器；9—換向閥；10—液壓缸(負載缸)；11—位移傳感器

圖12 節流調速回路原理圖

變負載速度—負載特性是指當工作缸的負載變化時，工作缸的速度v隨負載F變化的特性。實驗時，將工作缸的壓力設定為4 MPa，負載缸的壓力從小逐漸加大，直至工作缸速度為0。工作缸速度的測定是通過位移傳感器采集工作缸位移，除以活塞桿伸出所用時間得出。調節節流閥閥口開度，得到不同的速度-負載特性曲線如圖13所示。

圖13 進油節流調速回路速度負載特性

由圖13可知，液壓缸的運動速度和節流閥通流面積成正比。當節流閥通流面積一定時，速度隨負載的增大而減小。

5 結 語

傳統液壓實驗臺的控制方式不能很好地評價液壓泵、閥以及系統的靜動態性能。設計開發基于虛擬儀器的綜合性液壓實驗臺，實驗臺集液壓、測試、電子、虛擬儀器、計算機控制等技術于一體，所有控制和測量分析任務均通過LabVIEW軟件來實現，實驗時學生只需搭建油路部分即可。該系統克服了傳統液壓實驗缺少數據采集與分析、故障率較高、實驗誤差較大等缺點，同時增強了學生數據處理與分析能力、實踐動手能力和創新意識的培養。