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(zhì)量輕、可以無級調(diào)速等優(yōu)點，已廣泛應用于工業(yè)生產(chǎn)的各個領域。但是由于液壓傳動結構復雜，內(nèi)部狀態(tài)難以直接觀測，單憑感官和經(jīng)驗判斷故障發(fā)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(xiàn)狀態(tài)的自動檢測和分析，測量精度和速度較高，系統(tǒng)性能穩(wěn)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(tǒng)自動檢測的一個主要發(fā)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(jù)現(xiàn)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(fā)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(tǒng)，性能比其他硬件高。

2 系統(tǒng)組成

2.1 液壓系統(tǒng)原理

液壓系統(tǒng)原理如圖1 所示。

圖1 液壓系統(tǒng)原理圖

該液壓系統(tǒng)可以實現(xiàn)多種功能，易于實現(xiàn)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(xiàn)狀態(tài)的實時監(jiān)測。

該系統(tǒng)共有3 個油缸，分別實現(xiàn)不同的動作，起豎油缸用以將負載支撐起來，水平油缸實現(xiàn)負載水平動作，支腿油缸支撐整個系統(tǒng)并實現(xiàn)調(diào)平功能。系統(tǒng)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(xiàn)組合運動，負載到位后，支腿油缸啟動進行系統(tǒng)的調(diào)平。

2.2 檢測系統(tǒng)硬件構成

檢測系統(tǒng)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(yè)系統(tǒng)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(huán)境下正常運作。PXI-6259 是一塊高速、多功能PXI 數(shù)據(jù)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(shù)字I/O，具有強大的數(shù)據(jù)采集和系統(tǒng)控制能力。PXI-4472 是動態(tài)數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(tǒng)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(chǎn)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(tǒng)工作原理:振動傳感器將振動信號轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換為電壓信號，經(jīng)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(xiàn)

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(tǒng)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(shù)據(jù)流編程風格，是一個開放式的虛擬儀器開發(fā)系統(tǒng)應用軟件。主要有以下優(yōu)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(tǒng)的開發(fā)。

(2)內(nèi)置各個工程領域的工具包，可簡化應用程序的開發(fā)。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(shù)據(jù)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(chuàng)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(chuàng)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(zhuǎn)換為電信號后，再經(jīng)調(diào)理、采樣、量化、編碼、傳輸?shù)炔襟E送到控制器進行數(shù)據(jù)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(shù)的設置，只要根據(jù)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(tǒng)采用DAQmx 信號采集子VI 根據(jù)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(tǒng)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(zhuǎn)換為電壓信號。前面板主要功能有:

(1)采集參數(shù)配置，包括采樣率、每通道采樣數(shù)、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(chǎn)生聲光報警以提醒人員進行處理;數(shù)值顯示控件顯示支腿伸出位移。

(3)數(shù)據(jù)的存儲。當需要存儲數(shù)據(jù)時，按下開始存儲按鈕完成數(shù)據(jù)的保存。

圖3 數(shù)據(jù)采集前面板

圖4 數(shù)據(jù)采集程序框圖

程序框圖用到的子VI 有:DAQmx 創(chuàng)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(jié)點將采集得到的電壓轉(zhuǎn)換為各種實際物理量在前面板顯示，根據(jù)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(shù)取平均值后輸出。數(shù)據(jù)存儲用寫入測量文件VI，將數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)。

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(tǒng)正常運行時，系統(tǒng)的信號具有一定的頻譜，系統(tǒng)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(tǒng)的故障所在。LabVIEW 中提供了多種頻域變換節(jié)點，位于函數(shù)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(shù)學變換才出現(xiàn)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(zhuǎn)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(tǒng)較傳統(tǒng)的液壓檢測設備有很大的優(yōu)勢，其操作簡單，數(shù)據(jù)輸出直觀、準確。系統(tǒng)硬件和軟件采用模塊化設計，系統(tǒng)的開發(fā)周期大大縮短，系統(tǒng)維護和調(diào)試方便。

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