一种轴向柱塞泵内部压力测试方法

周晓磊，武 兵，王 君

（太原理工大学新型传感器与智能控制教育部与山西省重点实验室，山西 太原 030000）

1 引言

随着科技的不断发展，环保成为社会发展的重要主题，轴向柱塞泵作为液压系统的重要组成部分，是整个系统中的主要噪声源，而柱塞泵的噪声与柱塞腔内部的压力脉动紧密联系，因此如何准确对柱塞腔内部压力测试有着非常重要的意义。

柱塞泵结构复杂，工作状态下缸体随转轴高速旋转，难以通过有线的方式直接连接压力传感器对柱塞腔压力进行测试。前人想要分析柱塞腔内部压力变化，只能采用间接测试或仿真分析，这些方法无法准确采集到的压力数据，如何直接准确的对柱塞腔进行测试成为柱塞泵降噪研究的当务之急。国内外科研人员进行了大量研究探索。

2 研究进展

20世纪90年代，我国学者邱泽麟等通过搭建液压试验台，将微型压力传感器固定在柱塞泵缸体接近配流盘处，通过电刷-滑环的方式将数据线从轴端引出，并将采集到的信号传输至外部的信号采集系统当中，对采集到的数据进行了分析，采用这种电刷-滑环的方式进行数据传输，由于轴的高速旋转和同心度误差，会导致电刷滑环之间的接触电阻发生变化，极大影响信号传输的质量［1］。

21世纪初，文献［2］通过搭建实验台，安装水银滑环的方式进行柱塞腔压力测试。但是由于水银滑环的固有物理特性，在水银滑环随转轴旋转过程中，水银滑环的导电率会发生变化，大大影响信号的传输准确性，采集到的数据信噪比低，测试过程存在较大误差［2］。

2015年文献［3］通过在齿轮泵齿隙加工微型孔并安装压力传感器，将传感器引线通过轴中心的细孔连接至轴端的FM数据发射装置，成功采集到泵内部压力变化，但是模拟通讯方式抗干扰能力弱，容易受到外界干扰，必须具备电磁屏蔽的环境才能提高信噪比，实验设备要求高，对于工况复杂的柱塞泵，适用性不强。针对测试过程中出现的问题，这里提出一种嵌入式柱塞泵内部压力测试方法，利用现有的无线数字通讯技术和无线供电技术，将数据采集节点直接嵌入到柱塞泵之中，并采用蓝牙协议进行无线数据传输。该方法能够更准确地采集到柱塞腔的压力，提高信噪比以及进行实时压力监测，为柱塞泵的内部压力测试提供了新的技术手段。

3 柱塞泵结构设计

柱塞泵结构紧凑，内部空间狭小，压力传感器安装空间十分有限，而且传感器的安装要尽量减小对柱塞泵压力特性及机械强度的影响。因此本设计在柱塞缸接近腰形出口处侧面打上小孔，将微型传感器通过螺纹固定在孔内，柱塞泵工作时该传感器与柱塞缸体一起旋转，实现柱塞泵内部压力的测试。传感器信号输出线通过缸体及转轴上加工的细小孔洞，最终从转轴轴端引出，然后由固定在轴端的无线数据发射装置将采集到的信号发送出去。我们以力士乐A10V0S71柱塞泵为例，如图1所示。传感器安装示意图，如图2所示。

图1 柱塞泵实物图Fig.1 The Plunger Pump

图2 柱塞泵实物图和传感器安装三维示意图Fig.2 3D Schematic Diagram of Sensor Installation

查阅数据手册，柱塞泵在工作时，缸体要承受的峰值压力为35MPa 的压力。在缸体侧壁上打5mm 的螺纹孔和1.5mm 的通孔，分别进行压力传感器的固定和走线，对打孔后的缸体进行三维建模和有限元分析，计算缸体在最大压力下的应力分布结果，如图3所示。缸体所受应力仍在安全范围内。

图3 缸体受力分析结果Fig.3 Cylinder Force Analysis Results

4 传感器节点总体方案设计

柱塞泵柱塞腔压力信号变化复杂且包含大量高频成分（转速1000r∕min情况下，压力信号中的高频成分可达500Hz）［4］，这就要求节点具有较高的采样率和较高的分辨率，并有较低的功耗和较高的能量效率。结合以上特点设计出如下双处理器架构的传感器节点总体方案，这种设计方案既具有较高的数据处理能力，又具有较低的功耗［5］。节点的总体方案，如图5所示。包括：传感器模块、信号调理模块、模数转换模块、控制与处理模块，存储模块、射频发射模块、电源模块。采用两种处理器分别负责数据的处理和无线通信，既降低了主处理器的负担，也增加了各种不同性能芯片之间搭配的灵活性［6］。节点样机，如图4所示。

图4 节点样机实物图Fig.4 Wireless Sensor Node

图5 节点总体设计方案示意图Fig.5 Schematic Diagram of Overall Design of the Node

无线通信模块采用CC2540 低功耗射频收发芯片，它支持BLE4.0低功耗蓝牙无线通信协议，采用增强型8051内核，具有低功耗，较强数据处理能力的特点。

数据处理模块采用STM32f103ZE 作为该节点的核心，该芯片采用ARM Cortex-M3内核，集成了嵌入式Flash和SRAM存储器，具有高性能、低成本、低功耗的特点，同时具有丰富的片上资源，减少了外设元件数量。节点移植了UCOS嵌入式实时操作系统。节点在运行时要进行频繁的任务切换，所以必须得为每个任务开辟属于任务自己单独的堆栈，以便降低应用程序对RAM 的需求［7］。同时使用该嵌入式操作系统给各个任务设置优先级，能够提高节点程序运行可靠性，降低程序调试的难度。

5 传感器和数据采集部分设计

为了满足柱塞泵柱塞腔压力信号的采集，采用EPB-B0应变式压力传感器，该传感器具有高达35MPa量程和350kHz谐振频率。全量程情况下，线性度高达0.5%，传感器内部集成了惠斯通电桥，具有（-40～90）°C的温度补偿范围。尺寸较小（直径3.18mm，长度4.57mm），便于安装，能够适应柱塞泵紧凑的结构，同时减小了在安装过程中对柱塞泵缸体原有结构的破坏，降低对缸体强度的影响。由于传感器采集到的信号非常微弱，为了进一步提高测试精度，数据采集过程中先对传感器传来的模拟信号进行放大和滤波。信号放大调理电路采用AD623芯片。AD623是一种低功耗精密仪表放大器，具有较好的线性度和较高的温度稳定性，可以对高频信号（最高可达800kHz）进行放大处理，通过外接可变电阻RG，可以便捷的调节其阻值进而调整其放大增益，增益最高可达1000，其增益G计算公式如下。在测试过程中根据不同要求，通过调节节点上的电位器改变RG大小。

式中：G—放大增益；RG—可变电阻阻值。

6 数据存储部分设计

现有的数据处理芯片虽然板载了小容量的片上Flash存储芯片，但是无法缓存柱塞泵测试过程中产生的大量数据，因此节点外接1GB的TF卡来扩展存储空间，节点采用SDIO接口驱动，每秒可传输数据8M字节，可以满足数据高速存储的要求。同时，为了方便数据的管理，节点移植了FAT文件系统，利用FAT文件系统将节点采集到的数据以文件形式直接保存在TF卡中，通过将节点的TF卡回收，可以便捷的获得节点采集到的大量数据。使用FAT对文件进行管理，减少了繁琐的底层驱动程序。程序直接调用FAT封装好的API接口函数实现对文件的读写、创建、删除等操作。为增加数据读写速度，我们将数据以bin格式文件保存至节点板载的TF卡中，数据会以二进制数形式在文件中呈现，我们只需将采集到的数据通过处理转换成十进制数便可以快速得到传感器采集到的值。采用这种方式可以降低数据处理芯片的负担，大大提高节点采样率，实现数据的快速存储。

7 无线数据传输模块

节点使用CC2540进行数据的无线传输，该芯片集成了增强型8051内核，搭载了BLE4.0协议栈，该协议具有短距离、自组网、超低功耗、较高传输速率（1Mbps）、较强的抗干扰能力和较低成本等特点。在PCB设计上，为使节点更加小巧紧凑，采用双层结构，上层为无线数据发射模块，下层为STM32处理器及部分功能电路，中间设计PCB接口板，分别与上下层接口插接，实现电路硬件的连接。两处理器采用UART串行通信方式进行命令和数据传输，这种双核心的架构，两个核心各司其职，能够提高整个节点的可靠性和灵活性，降低主控芯片的负担，提高数据采集准确性。

在进行数据采集传输时，发射数据的节点为从机，负责数据采集；接收数据节点为主机，负责数据接收。上电后，从机启动，在预设信道连续向外发送连接请求信号，同时主机开始循环扫描各个信道的信号，最终与从机建立无线连接，连接建立好之后就可以进行主机和从机的数据传输和命令交互。主机向从机发送数据采集命令，进行数据采集，然后STM32驱动ADS8344进行模数转换，并将数据存储在TF 卡中；当收到主机的传输数据命令后，STM32便将采集到的数据通过串口有线传输至从机，从机通过射频天线将数据无线发给主机，主机接收到数据后通过USB连接线发送给上位机［8］。数据采集运行流程图，如图6所示。

图6 程序流程图Fig.6 Flow Diagram

8 无线供电模块设计

柱塞泵在工作过程中柱塞缸随轴旋转，无法使用有线供电方式，而电池供电电量有限且重量较大，因此本节点采用无线供电的方式，实现对节点的供能。目前无线供电主要有电磁感应式、磁耦合谐振式和电磁波辐射式三种传输方式，其中磁耦合谐振式有更远的传输距离、更高的传输效率和结构尺寸，因此本节点采用磁感应式进行无线供电［9］。为了方便节点安装调试，减少节点的安装对柱塞泵工况造成影响，要尽量减小节点各模块的尺寸，因此，这里采用直流电源为发射端供电，采用两个纯铜线圈相互耦合实现电能无线传输，通过高频逆变处理后将交流电能传输至初级绕组［10］。次级绕组通过电磁感应接收到初级绕组传来的电能，电能接收端选用T3168进行整流稳压，为系统提供5V电源。无线供电发射端采用XKT-510 芯片，发射线圈电感为30uH，接收端线圈也选用30uH，谐振频率在600kHz，在电路设计方面，针对节点传输距离较小、线圈尺寸小、功率不高、谐振频率不高等特点，我们采用并联-并联式谐振电路来进行无线供电。经测试，在常温状态下，能够满足节点的工作用电需求。无线电能发射与接收电路原理，如图7所示。

图7 无线供电模块原理图Fig.7 Wireless Power Supply Module Schematic

9 试验及结果分析

在实际柱塞泵测试过程中，节点应具有较高稳定性和准确性，需要对所设计的节点进行稳定性和准确性测试［8］。使用泰克函数发生器AFG3151C产生频率1024Hz，峰峰值150mV的标准正弦波信号。测试过程中信号频率、峰峰值等信号参数保持不变，无线供电距离保持20mm不变，如图8所示。使用该节点进行数据采集。在五天时间内，每天随机进行20次定长采样，共进行100次采样，每次采样频率25.6kHz，采样长度为40960个点。采样结束后，进行FFT变换，进一步进行幅值误差和频率误差分析。

图8 误差测试实验Fig.8 Error Test Experiment

在这100次实验过程中，采集信号的频率误差接近于0，说明节点采集信号的频率误差小于FFT的分辨率0.7812Hz，采集到的信号幅值误差分析结果，如图9 所示。采集信号的幅值误差在（0.2～0.9）%之间，节点的准确性和稳定性都较好。

图9 采集数据幅值误差评估实验结果Fig.9 Data Error Evaluation Experiment Results

10 结论

这里围绕柱塞泵内部柱塞腔压力测试，提出了新的柱塞腔测试方法。针对柱塞泵的工况，节点采用了双核心架构，以STM32为核心进行数据采集及存储，采用蓝牙协议进行无线数据传输，使用线圈进行无线供电。该节点具有数据采集，存储，无线传输等功能，节点采样频率高，能够实现长时间连续采集。实验表明，该节点能够对高频信号进行准确采集，节点稳定性和可靠性较好。