基于虚拟仪器的液压检测系统设计

冯江涛，郭晓松

( 第二炮兵工程大学，陕西西安710025)

液压传动具有质量轻、可以无级调速等优点，已广泛应用于工业生产的各个领域。但是由于液压传动结构复杂，内部状态难以直接观测，单凭感官和经验判断故障发生的位置难度较高。将虚拟仪器技术应用于液压检测中可以实现状态的自动检测和分析，测量精度和速度较高，系统性能稳定、操作简洁明了，具有强大的人机交流功能，虚拟仪器技术已成为液压系统自动检测的一个主要发展方向。

1 虚拟仪器技术的特点

虚拟仪器技术是在通用计算机平台上，根据现实需求定义和设计仪器功能，使用者在操作计算机时，就像是在操作真实检测仪器一样。虚拟仪器由计算机、软件和硬件三部分构成，其中软件是虚拟仪器技术的核心。虚拟仪器技术主要有3个特点:

(1)功能完全由用户自己定义。程序组建灵活、效率高、开发周期短、维护方便。

(2)良好的人机交互界面。虚拟仪器技术充分利用计算机强大的运算、存储、回放、显示等功能，信号的采集和分析处理结果显示直观，可操作性强。

(3)采用模块化的结构，模块之间用标准的总线连接起来，形成一套完整的系统，性能比其他硬件高。

2 系统组成

2.1 液压系统原理

液压系统原理如图1 所示。

图1 液压系统原理图

该液压系统可以实现多种功能，易于实现扩展，可移植性强，主要由定量泵、比例溢流阀、电液比例换向阀、液压缸、双向液压锁等元件组成。通过在不同位置安装各种物理量的传感器可以实现状态的实时监测。

该系统共有3 个油缸，分别实现不同的动作，起竖油缸用以将负载支撑起来，水平油缸实现负载水平动作，支腿油缸支撑整个系统并实现调平功能。系统工作时，起竖油缸先启动，推动负载起竖到一定的角度时，水平油缸启动，实现组合运动，负载到位后，支腿油缸启动进行系统的调平。

2.2 检测系统硬件构成

检测系统硬件连接如图2 所示:其中PXI-1044是12 槽的机箱，是一种低成本、紧固式的PXI 机箱，有适用于工业系统的模块化体系和坚固的结构，能在有噪声、潮湿、振动、倾斜的恶劣环境下正常运作。PXI-6259 是一块高速、多功能PXI 数据采集卡，提供32 路单端、16 路差分模拟输入，4 路模拟输出和48路数字I/O，具有强大的数据采集和系统控制能力。PXI-4472 是动态数据采集模块，适合用于声音及振动的检测。SCB-68 是一款屏蔽式I/O 接线盒，有68针连接端口，用以将传感器输入信号连往PXI-6259数据采集卡，结合屏蔽式电缆时，SCB-68 可提供坚固且噪声极低的信号终端。

图2 检测系统硬件连接图

压力传感器选用CS-PT300 系列压力变送器，量程为35 MPa，输出4 ～20 mA 电流;流量传感器选用LWGB-15 系列涡轮流量传感器，输出4 ～20 mA 电流;角度传感器选用倍加福公司生产的FSS58 单圈绝对型编码器，具有单圈13 位的测量精度;水平油缸位移传感器选择巴鲁夫位移传感器，量程1 700 mm，输出0 ～10 V 电压;支腿位移传感器选用LEC150 拉线型位移传感器，测量行程为500 mm，输出0 ～5 V电压;倾角传感器选用SST240 倾角传感器，电压输出0.5 ～4.5 V。

系统工作原理:振动传感器将振动信号转换为加速度信号传输至PXI-4472 采集卡，其它传感器将物理信号转换为电压信号，经SCB-68 接线盒传输至PXI-6259 采集卡，最后由PXI-1044 机箱将采集信号传输至主控计算机进行处理。

3 软件实现

3.1 软件的选择

目前较流行的虚拟仪器软件有两类:一类是图形化的编程语言，如HPVEE、LabVIEW 等;另一类是文本式的编程语言，如Visual C ++、LabWindows/CVI 等。该检测系统选择NI 公司的LabVIEW 软件，它是一个图形化编程软件，设计者无须编写文本格式的代码，具有用户自定义界面和数据流编程风格，是一个开放式的虚拟仪器开发系统应用软件。主要有以下优势:

(1)将PC 机与各类I/O 硬件无缝结合，用户可以从底层硬件中解放出来，专注于系统的开发。

(2)内置各个工程领域的工具包，可简化应用程序的开发。比如高级信号处理工具包、声音与振动工具包、控制设计工具包、报表生成工具包等等。

(3)数据视觉化和用户界面设计简便。Lab-VIEW 中包含完整的拖放式输入控件和显示控件，用户能够快速轻松地创建用户界面并有效显示结果，而无需集成第三方组件或从头创建视图。

3.2 信号采集和分析程序

3.2.1 信号采集程序

信号采集是将被测对象的物理量通过传感器件转换为电信号后，再经调理、采样、量化、编码、传输等步骤送到控制器进行数据处理或存储的过程。在LabVIEW 中，可以方便、快速地利用DAQ 助手VI 完成测量任务及参数的设置，只要根据弹出的对话框按实际需要进行配置即可。但是DAQ 助手不够灵活，该系统采用DAQmx 信号采集子VI 根据实际要求进行灵活配置。

信号采集程序前面板和程序框图如图3、4 所示，该检测系统中，主要是模拟电压的输入，其中输出电流信号的传感器只需要在其输出接一个电阻即可转换为电压信号。前面板主要功能有:

(1)采集参数配置，包括采样率、每通道采样数、虚拟物理通道、输入接线端配置等。

(2)直观地对信号进行观察。流量和水平缸位移信号采用波形图表直观显示;压力采用量表模拟压力表进行显示;报警功能，当压力超过指定的压力时，产生声光报警以提醒人员进行处理;数值显示控件显示支腿伸出位移。

(3)数据的存储。当需要存储数据时，按下开始存储按钮完成数据的保存。

图3 数据采集前面板

图4 数据采集程序框图

程序框图用到的子VI 有:DAQmx 创建通道、定时、开始任务、读取、清除任务、简易错误处理器。程序框图中公式节点将采集得到的电压转换为各种实际物理量在前面板显示，根据传感器的输出电信号量程和测量物理量的范围确定换算公式。为减小测量中的随机误差干扰，将每通道采样数取平均值后输出。数据存储用写入测量文件VI，将数据保存为基于文本的测量文件，用读取测量文件VI 从保存的文件中读取数据。

3.2.2 信号分析程序

信号分析有时域方法、频域方法和变换域方法，最常用的一种方法就是频域分析，即把时域信号通过傅里叶变换化为以频率为横坐标的频域信号，从而求得关于信号频率成分的幅值和相位信息的一种分析方法。系统正常运行时，系统的信号具有一定的频谱，系统工作不正常时，其频谱必随之有相应的变化，通过频域分析就可判断系统的故障所在。LabVIEW 中提供了多种频域变换节点，位于函数选板的“信号处理—变换”中，包括傅里叶变换、Hilbert 变换、小波变换、功率谱分析、谐波分析等。傅里叶变换频谱中不仅包含正频率成分，而且还含有负频率成分，频谱中绝对值相同的正负频率对应的信号频率是相同的，负频率只是由于数学变换才出现的。因此，将负频率对应的频谱迭加到相应的正频率上，然后将正频率对应的幅值加倍，零频率对应的频谱不变，就可以将双边频谱转换为单边频谱。单边傅里叶变换的前面板如图5 所示，程序框图如图6 所示。

图5 单边傅里叶变换前面板

图6 单边傅里叶变换程序框图

4 结论

应用虚拟仪器技术设计的液压检测系统较传统的液压检测设备有很大的优势，其操作简单，数据输出直观、准确。系统硬件和软件采用模块化设计，系统的开发周期大大缩短，系统维护和调试方便。

【1】乔运英，郭晓松，朱智，等.基于虚拟仪器的起竖实验系统设计与实现［J］. 计算机测量与控制，2010，18(9):2125 －2126.

【2】刘畅，杨淑敏，陈永会.径向柱塞泵液压试验台虚拟仪器测试系统的研制［J］. 机床与液压，2010，38(8):75 －77.

【3】苏东海，佟守举.基于虚拟仪器软件的液压测试系统设计［J］.流体传动控制，2007(6):4 －6.

【4】朱刚，汤军社.基于虚拟仪器的模拟试验台测控系统设计［D］.西安:西北工业大学，2007.

【5】陈锡辉，张银鸿.LabVIEW 8.20 程序设计从入门到精通［M］.北京:清华大学出版社，2007.

【6】岂兴明，周建兴，矫津毅.LabVIEW 8.2 中文版入门与典型实例［M］.北京:人民邮电出版社，2008.