（机械电子工程专业论文）qcs003a液压实验台微机测控系统的设计与实现.pdf

蹑南交通人学 | j 究生学他论文 第1 页 摘要 爹。8 s 本文结合课题“q c s 0 0 3 a 液压实验台微机测控系统的设计与实现”， 完藏了改造系统静设计与实现。改造磊豹测控系统主要宙匝力传感器、 流量传感器、位移传感器、电液比例溢流阀、电液比例节流阀、数据采 集系统和微机系统等缀成。一方面，模拟量经传感器进入数据采集卡， 转化成数字燮，再把这些数字量送入诗箕援，进行数摆熬转羧、显蠢鼍、 绘制成曲线或打印等。另一方面，计算机可发出指令，经数据采集”p ， 、 羟裁魄翻溢滚润窥眈弼节流阉靛动 蕈，跌j i 孬羧铡实验工作。、? 本文主要包括对多种传感器和数据采集一p 的选型、安装和调试，弗 具体分析了传感器和数据采集卡的工作原理t 重点讨论了有关数据采集 卡的设计阉题：采黑v b 的集成开发环境，缝铡了交互性强，戆灵溪选 择的液压实验控制软件；提出并验证了有关液压操作和控制的新的慰路 霜途经。 关馘词 微机测控实验台改遭数据采集v b 集成开发环境 c h c n g d u 9 7 0 4 6 9 9 1 2 酲南交通大学研究生学位论文 第1 i 页 a b s t r a c t i nt h i s t h e s i s ，o nt h es u b j e c to ft h eq c s 0 0 3 ah y d r a u l i cp l a t f o r i l l r e f o r m a t i o nb ym e a n so f c o m p u t e rc o n t r o la n dt e s t ，ac o m p u t e r c o n t r o la n d t e s ts y s t e mi sd e s i g n e da n db m u g h ta b o u ts u c c e s s f u l l y t h ei m p r o v e m e n t s y s t e mc o n s i s t so f t h ep r e s s u r es e n s o r ，f l o ws e n s o r ，d i s p l a c e m e n ts e n s o r s ， d a t ag a t h e r i n gs y s t e ma n dc o m p u t e re t c 。o nt h eo n eh a n d ，t h ea n a l o g u e v o l t a g es i g n a l so f t h es e n s o r s ，a c c o r d i n gt ot h ee x p e r i m e n t ，a r es e n dt ot h e d a t ap r o c e s s i n gb o a r da n dt r a n s f o r m e di n t od i g i t a ls i g n a l s t h e nt h ed i g i t a l s i g n a l sa r es e n tt oc o m p u t e ri no r d e rt ob es h o w n ，d r a w no rp r i n t e d o nt h e o t h e rh a n d ，t h ec o n t r o lc o m m a n df r o mt h ec o m p u t e rc a nb es e n tt h o u g ht h e d a t ag a t h e r i n gc a r dt oc o n t r o lt h ee l e c t r oh y d r a u l i cp r o p o r t i o n a lo v e r f l o w v a l v e s i nt h i sw a y ，t h ee x p e r i m e n tc a r lb ec a r r i e do u t 1 1 h es e n s o r s e l e c t i n g ，h a r d w a r ef i x a t i o nm a d t h es o f t w a r e d e v e l o p m e n t a n d a d j u s t m e n t a r e i n v e s t i g a t e d i nt h i st h e s i s t h e d e s i g n o ft h ed a t a a c q u i s i t i o n a r e e m p h a t i c a l l y d i s c u s s e d am u t u a lf l e x i b l es o f t w a r ei s d e v e l o p e dt oc o n t r o lt h eh y d r a u l i ce x p e r i m e n tb yu s i n gav bi d e an e w t h o u g h ta n d an e w a p p r o a c hf o rh y d r a u l i ce x p e r i m e n to p e r a t i o no rc o n t r o la l e p r o v i d e d ， k e y w o r d ：c o m p u t e r c o n t r o la n dt e s t ，h y d r a u l i cp l a t f o r mr e f o r m a t i o n ，ad a t a a c q u i s i t i o n ，t h ev b i d e 西南交通犬学研究生学位论文多t 里 第一章绪论 自动检测和自动控制是自动化科学技术领域中的重要学科。自动检 测、蠢动控制与滚联系统的结合，促进了渡压自动按制系统的产生秘发 展。液压控制系统躐保留了液压系统的固有特性，又将自动控制理论融 入其中，从而使液压控制系统在工业上得以广泛的威用。本研究课题以 q c s 0 0 3 a 实验套为磅究对象，透过改造、调试等方浚，实现其在实羧过 程巾的自动检测和自动控制。 1 - 1 检测技术的发展 测量和检测闷邋广泛邃存在于各彳子各盈，存在予生产、獭活等领域， 而且随着生产力水平与人类生活水平的不断提高，对测量和检测问题提 出了越来越褒靛要求；除了装求能恣确、迅速、可爨地宠戏捡测任务之 外，还要求黥实现自动、智能化的捡测，即如何使用各种先进技术、现 代化的检测工县和手段来组建先进的自动检测系统，因此自动检测融越 来越照示是宅魏重要镶。 检测技术的发展，即仪器仪表的发展大墩经历了三个重要的时期： ( 1 ) 手工艺时代 2 0 整纪潋翦，工监生产上应孺酌仪表大多数属予视藏式仅表，砻三产 过程中使用仪表主要作为主机的配套设备。因此，这个时期的仪表功能 较麓攀，用途专一，仪器仪表阕的耍梗联系缀少。 ( 2 ) 仪器工穗时代 随着电子技术的发展，由于晶体铃、电予管的放大作用以及光f f i 、 歪毫、热毫等效应憝广泛应瑙，出褒了大量静电溺纹寝翻自动记录仪表， 并且在科研、生产上逐渐形成了一个由测量点到组合成自动检测系统开 始较多地应用予各行器业，以实现对被控对象的监测、控制等星的。 ( 3 ) 仪器科学l 于代 j 艋年来，因各种新技术、新材料、新器件、新工芯、新理论的不断 出现及擞撬熬广泛应翅，镬仪器纹表及提关瓣糗测技零褥到飞速发麓， 设计和制造仪器仪表已不再怒一门工艺而是门综合技术。正确应用各 种仪器仪表，根据检测对象的特性和检测的具体问题来组建科学的梭测 系统，是获褥蠢关旋灏对象静信怠静基本前强。在仪器仪表的设壬 一、潮 造和使用过程中，需要涉及众多的知识领域和先进技术。而鼠科学技术 的发展又不断地对检测技术的发展提如了更严格的要求。 伶为一门综合柽技术科学的检测技术，有众多的技术问题需要研 濑g d h 9 7 0 4 6 9 9 2 堕壹塞望叁堂婴塞尘兰焦堡塞墨i 墨一 究，有广泛的应用前景。随麓现代科学技术的发展。其重要作用和地位 会越来越突出。 1 - 2 微机自动测控 梭测和控制系统中应用微型计算机，带来了结构的根本性变革，它 不纹缝解决传统豹纹嚣纹表不能或不象解决豹阕题， i 孬置戆麓纯逛鼯、 增加功能、提高精虞和可靠性、降低成本和侮价、加快新产品的开发速 度，实现人脑的部分功能，使仪器仪表、自动检测系统具有低级智能， 实瑰代替入工豹鑫动稳测强静。随着辩学技术和生产力大发展，各军申检 测系统的组成越来越复杂，对许多参数的检测精度及可靠性要求愈来愈 赢：一方殛要求检测系统具农更裹数速度、精度、霹靠性羁爨动纯承平， 以便尽量减少入力和糖高工作效率；另一方面要求检测系统具有更大的 灵活性和适威性，并向多功能化、智能化方向发展；此夕 还鼹求尽量缩 短疆铡鼹麴耨降甄裁本。皴鏊诗葵梳技术靛绽震及冀巍裣溅中懿应舔， 为实现上述簧求创造了条件。 使用微桃( 包括微处理器、单片桃、个人计算机等) 采实现爨魂测 控静簸术虢怒“微税盘动测控州”。微梳在稔测技术分支领域中的应用 主要有：自动测试仪器及系统、智能仪器仪表、个人仪器等。 一、自渤测试篆统 逶豢撼在久工最少参与瓣谤嚣下，憨鑫动送行溺量、数据鲑淫， 并以适当方式显示或输出测试结果的系统称为自动测试系统( a t s a u t o m a t t ct e s ts y s t e m ) 。在自动测试系统巾，整个测试工 菖通常都是 在颈惫编裁嚣戆潇试糕序绕指挥下稻动完成的，两入桶 睾粥主要凳根 据测试任务组建系统和编制测试软件。 二、智髓便器仪表 黎姥纹器铰表一般是掺内赧装鸯镦处毽器或徽黧计算梳静纹器仪 表，包括个人计算机、单片机、微处理器或g p i b 接口的仪器仪表。智 能仪器仪表的基本组成如图l l 所示。 徽处理器是整个餐麓仪器仅表鹃核心，系统采f j 总线结构，所有外 部设备和存储器都挂在总线上，微处理器按地址对它们进行访问。微处 理器接受来自键盘或g p i b 接鄹蛉命令。解释弗撬行这些鑫令，港翔发 c h o n g d u 9 7 0 4 6 9 9 1 2 谣南变通大学研究生学位论文 第3 页 被测信号 图卜l 智能仪器仪表的基本组成 崮一个控翻倍号妥巢个电路，或者进行菜种数据处理等等。微机通过接 口发出各种控制信息给检测电路，以规定功能、启动测量、改变工作方 式等。微枧逶过查询成检测瞧路彝微撬提出中薮 毒求，镬微瓤及时了瓣 检测电路的工作状态。当检测电路完成一次测量后，微机读取测量数据， 进行必要的加工、计算、变换等处理，最后以各种方式输出，如送鼹示 器显示、蠢印凝努印，或送绘系统鹳主控裁器等等。 智能仪器仪表在结构上体现了微机、仪器仪表的一体化，硬件和软 件相飘融合，这种综食结构圆硬l 牛减少，仪器仪表的体积秘霪量随之减 少，褥弱是瑟板上麓键盘接触开关代替了大多数的开关和控制调节器， 使面板简明美观，操作方便。 镪能仪器仪表主嚣特征鸯：功能增多，壤耱提懑；具有数据楚瑗功 能；w 靠性漪，设计维8 造相对容易，使用维修简单，价格低廉；集中控 制；绝大多数智能仪器仪表舆有对外接口电路；大多数智能仪器仪表用 键盘采选择功戆、量程翻数豢处理程穿；施蠢璎骖荛备类测辍误差；能 自动切换量獠，以提i 茼测量精度和读数的分辨率；能对信号进行复杂的 运算和处理，扩大仪器的功能和提高其性能；能以多釉形式输出信慰； 能霹仪器纹表本赛逢行螽裣帮敌薅益控，发现故障能及时报警。 智能仪器仪表近年的发展趋势是： ( 1 ) 智仪器仪表中广泛采用毅瓣擞处理器，缝其功能大爰瓒强， 性能驻著提商。 ( 2 ) 用于开发智能仪器仪表的仪器或系统发展迅速，并向组合型 发展，毒助予耱能纹爨仪表黪软、疆传联合开发与调试。 c h c n g d u 9 7 0 4 6 。9 9 1 2 西南交通大学研究生学位论文第4 页 ( 3 ) 进一步加强智能仪器仪表的自检和故障诊断功能。 ( 4 ) 逐步将闻接测量参数变成嶷接测爨参数。 ( 5 ) 数据域测试仪器芷兴起。这类仪器包括集成电路测试仪、逻 辑分析仪、仿真器、字符发生器、特征信号分析仪及微型机开发系统等。 这些仪器戆绞建与设诗技本魄较复杂，旦瓣嚣功能楚增强，使器兼容嚣 使仪器变得羹加复杂。这类仪器大多发展了解幕软件提示，用菜单式对 话程序来密切人机关系。 ( 6 ) 专家系统仪器是一个菝其# i 途静笈震方商。 三、个人仪器 个人仪器( 卡式仪器) 是由个人计算机和与之配合的测试电路插件 ( 模块) 缀戏浆，令人计算砉 l 残走溅试功戆熬重要缀成部分，因溅试毫 路插件( 模块) 和个人计算机合成一体，分工合作才能构成仪器。个人 仪器及个人仪器系统常见结构如图1 2 所示。主要蠢三种结构形式： g p i b 母线 ( a ) ( b ) 母线 c 酗g d u 9 7 0 4 6 ，9 9 。1 2 西南交通大学研究生学位论文塑! 戛 圈 卜2 个人仪器与个人仪器系统常见的组成结构 l 、内插式或插入式 将仪器插件板插入计算机内的总线槽或总线扩展槽内，再增加一些 软件，就可以作为某种仪器使用。这种结构简单、使用方便，但也受到 一些限制。因个人计算机内插槽有限，且为了减少干扰，仪器插件板还 需与其他插件板保持一定距离( 即留空槽) ，因此可以插入的插件板的 数量有限；其次，个人计算机内干扰较大，不宜作某些精度要求高的及 低电平的测量，难于满足重载仪器对散热和电源的要求，解决屏蔽和地 电源引起的噪声也较困难。因此这种结构只能用于要求不太高的场合。 2 、外加式或外插件板箱式 外加装置包括外加仪器插件板、外加插件箱( 机架) 及测试台等， 如图卜2 ( b ) 所示，从个人计算机向外引出扩展地板或扩展箱，然后在 它的上面插上多个个人仪器插件。如果一个扩展箱的插槽不够用，还可 以接入第二个插件箱进一步扩展。扩展箱提供与地隔离的电源和总线驱 动器、接收器，这不但满足了个人仪器部分的电源要求，而且可以使个 人仪器部分避开个人计算机的噪声环境。外部扩展箱上配置了g p i b 接 口，并可用d t a a 方式传递数据，给用户提供了灵活的使用方式，便于个 人仪器系统与带有g p i b 接口的其他仪器相互联合，共同工作。另外， 利用p c 总线的联系方式，使系统内各部分便于进行实时交互作用。 3 、采用p c 仪器母线的个人仪器系统 如图卜2 ( c ) 所示。这个系统采用专门用与个人计算机和个人仪器 连接的专用接口母线，并研制了两种专用接口电路板。每个接口板适用 于几种类型的微型计算机，因而可以接受i b mp c 、p c x t 、p c a t 等多 种个人计算机的控制。一个接口板插入微机总线扩展槽后，可以通过专 用的p c i b ( 个人计算机仪器母线p e r s o n a lc o m p u t e ri n s t r u m e n tb u s ) 与八个p c 仪器插入式组件连接。各插件( 模块) 间相互隔离，仪器部 分又采用单独的电源供电，有利于减少噪声干扰和提高仪器性能。 除了采用p c i b 之外，各人计算机与插件之问还可以采用g p i p ( 即 c h e n g d u 9 7 0 4 69 9 1 2 耍塑銮堡盔堂堕塞生堂堡堡茎一笙l i e e e 一4 8 8 总线) 个 功能和 功能并 人仪器 低廉、 人仪器可 汉字处理 未丧失， 的历史虽 系统以及r s 一2 3 2 串行接口系统等通用总线参与联系。 充分利用个人计算机所固有的功能和资源，如数据处理 功能等。而在增添某种仪器功能后，个人计算机固有的 即使不作仪器使用，照样可作为计算机使用。因此，个 然很短，但已经取得了惊人的发展和广泛应用。其价格 使用方便、研制周期短，以及灵活性和适应性强。 总之，微机自动测控系统的典型结构如图1 3 所示，整个系统山下 列子系统组成： 微机基本予系统( 包括c p u 、r a m 、r o m 或e p r o m 、e 2 p r o m 等) 数据采集子系统及接口 数据通信子系统及接口 数据分配子系统及接口 基本i o 子系统及接口 其他 系统 微 机 基 本 ：f 系 统 图卜3 微机自动检测系统的典型结构 被测控对象 被测试组件 测试信号发生器 其他控制对象 显示 记录 打印 键盘输入 其他i l o 设备 微机基本子系统是整个系统的核心，对整个系统起监督、管理、控 制作用，例如进行复杂的信号处理、控制决策、产生特殊的测试信号和 控制整个检测过程等等。此外，利用微机强大的信息处理能力和高速运 算能力，实现命令识别、逻辑判断、非线性误差修正，系统动态特性的 自矫正、自学习、自适应、自诊断和自组织等功能。 数据采集子系统及接口用于和传感器、检测元件、变送器联接，实 现参数采集、选路控制、零点校正、量程自动切换等功能。在各式各样 的微机自动检测系统中，数据采集是必不可少的，被测对象的有关参数 由数据采集子系统收集和整理后，经它的接口传送到微机子系统处理。 基本i 0 子系统及接口，用于实现人一机对话、输入或改变系统工 c h e n g d u 9 7 0 4 6 9 9 1 2 堕塑窒望查堂婴窒尘堂堡堡兰翌二二l 作状态，输出检测结果、动态显示测控过程，实现以多种形式输出、显 示、记录或报警等功能。 通信予系统及接口，用于实现本系统与其他仪器仪表或系统的通信 与互联，依靠通信子系统可根据实际问题需求灵活构造不同规模、不同 用途的微机测控系统，如分布式测控系统、集散型测控系统等。通信接 口的结构及设计方法，与采用的总线技术、总线规范有关。例如有g p 1 b 总线、r s 一2 3 2 c 总线、s t d 总线、v x i 总线、现场总线等，总线技术及规 范不同，需要采用不同的软硬件接口实现方法，不同的技术平台支持。 数据分配子系统及接口，实现对被测控对象、被测试组件、测试信 号发生器，甚至于系统本身和检测操作过程的自动控制。 接口( i n t e r f a c e ) 根据实际需要以各种形式大量存在于系统中， 接口的作用是完成与它所联接的设备之间的信号转换( 如进行信号功率 匹配、阻抗匹配、电平转换和匹配) 、信号( 如控制命令、状态数据信 号、寻址信号等) 传输、信号拾取，对信息进行必要的缓冲或锁存，增 强微机自动检测系统的功能。 被检测的各种参数( 例如温度、流量、压力、位移、速度等等) 吐i 传感器变换成易于后续处理的电信号。如果传感器输出信号太弱小或信 号质量不高，则应经过前端预处理电路进行放大、滤波等处理，然后经 过数据采集子系统转换成数字量通过接口送入微机子系统，经过微机运 算、变换处理后，由数据分配子系统和接口输出到执行机构，以实现要 求的自动控制；或由基本w o 予系统输出用于显示、记录、打印或绘制 成各种图表、曲线等。由基本i 0 子系统完成状态、参数的设黄和人一 机联系。此外，其他仪器仪表或系统通过通信子系统及接口完成相互之 间的信息交换和互连。 卜3 本课题研究内容、目的和意义 本课题以q c s 0 0 3 a 液压实验台为研究对象。由于原来在利用q c s 0 0 3 a 实验台做实验时是用量杯测量小流量、用压力表测量压强、压力偏移和 压力振摆值等。由于用仪表测量或手动测量的手段落后，不利于学生掌 握现代测控技术。而且在测试先导式溢流阀的动态特性时需用到示波 器，特殊打印纸等，给实验带来很大的不便，该课题就是针对原实验台 的不足进行改进。 本课题的目的就是把q c s 0 0 3 a 液压实验台改设计成由微机自动检 测；另外，由计算机自动控制比例溢流阀和比例节流阀的动作，从而控 制实验的进程。 通过对该实验台的改进，不仅便于做动态特性实验，而且，改进后 c h c n g d u9 7 0 4 69 91 2 西南交通大学研究生学位论文第8 页 的整个系统就是一个集机、电、液于一体的微机测控系统，适应了现代 技术发展对教学实验的要求，能在本实验台上开出综合性的实验，使学 生能实地接受微机测控技术的训练。这就使学生做实验时不仅能达到以 前要求的实验目的，更能使学生了解新技术，了解液压控制的新的发展 方向。 塑塑奎望叁堂婴壅尘堂垡堡茎里2 立l 第二章q c 。呲躯实验台微机自动测控系统设计 2 - 1 微机自动测控系统设计的现状和发展前景 在科学技术飞速发展的今天，设计微机自动测控系统面临一大堆 难题，其中有三个突出的问题。 ( 1 ) 产品更新换代太快 由于l s i 和v l s i 技术以空前的速度发展，集成块的单片集成度大 约以每年翻一番的速度发展，且微型计算机的性能价格比大幅度提高， 这就使产品更新换代更快。所以，设计系统时，应能提供不断容纳新技 术的可能性，尽量避免很快过时，即立足现代又面向未来。 ( 2 ) 市场竞争日趋激烈 高新技术产品的市场竞争十分激烈，除产品性能和质量外，还有 成本，设计周期这两个因素影响着产品的成功和市场。 ( 3 ) 如何满足用户不同层次和不断变化的要求 测控系统对各具体用户其配置千变万化，很少完全相同。而且市场 需求结构中客观上要求高、中、低三个层次。另外经常遇到用户中途改 变要求的情况，因此，如何满足用户不同层次的需求，覆盖各具体用户 的配置要求，是设计中的一种难题。 针对上述问题，国外近年在电子工业和计算机工业中推行一种不同 于传统设计思想的所谓“开放系统”的设计思想。 开放系统是指：向未来的v l s i 开放，在技术上兼顾今天和明天， 既从当前实际可能出发，又留下容纳未来新技术机会的余地；向系统的 不同配套档次开放，在经营上兼顾设计周期和产品设计，并着眼于社会 的公共参与，为发挥各方面厂商的积极性创造条件，向用户不断变化的 特殊要求开放，在服务上兼顾通用的基本设计和用户的专用要求等等。 推行开放系统的设计思想主要是向未来的v l s i 开放；向不同的用 户层次开放：向用户的特殊要求开放。 开放式系统设计的具体方法是：基于国际上流行的工业标准微机总 线结构，针对不同的用户系统要求，选用相应的有关功能模块组合成最 终用户的应用系统。系统的设计者主要将精力重点用于分析设计目标， 确定总体结构，选择系统配件，而不是部件模块设计；以及用于解决专 用软件的开发设计。 开放式体系结构和总线系统技术发展，导致工业测控系统采用组合 化设计方法的流行，即针对不同的应用系统要求，选用成熟的现代硬件 模板和软件进行组合。组合化设计的基础是模块化( 又称积木化) ，硬、 c h e n g d u 9 7 0 4 6 9 9 1 2 西南嶷通大学研究生学能论文 笔1 0 页 软件产品的模块化是实现最佳系统设计的关键。其优点是： 姆系统划分戏装干硬、软传功模块，出专 0 的疆究规捣擐撼积 累的经验尽w 能完善缝设计，并制定其规格系列，用这些现成的功能模 块可以迅速配套成各种用途的应用系统，简化设计并缩短设计周期。 绩誊每灵活，倭予扩充穰更毅，健系统瓣逶应戆强，在使霞中露羧 据需露通过更换一些模板或j 拄行局部结构改装以满慰不断变化的特殊要 求。 维骖方便诀捷。模板大量采鲻l s i 帮v s l i 芯片，在敬漳i i 现对， 只需更换i c 芯片或功能模板，停机修理时间可以降低到最低限度。 功能模板可以组织批撼生产，使质量穗定共降低成本。 缀合纯设计方法中应强调层次他阍题。通常分为三层： 基础层 这一瑟撰系统设计嚣缝会应用系统蹲毒软选震戆系统慧线硬磐攘扳 和有关软件。最终系统的先进性应以基础层入手。 系统层 这一层瘦考虑被逸震静疆箨积较稃是否滚容，怒否完整，霾| i 是否能 构成究善的系统。质鼹认证和系统可靠性应煎点考虑。 应用鼷 这一层次解决溆控系统与工韭对象的接鞠关系，如何与工业对蒙的 工艺过程相结合等问题，重点是应用软件问题。 2 2 c s 0 0 3 a 液腔垂验台微机测控系统设计 本课题以q c s 0 0 3 a 液压实验台为实验对象，把原本用量杯测量流艇、 压力装测量压强等由仪表测量的方法改设计成由微枫自动检测。另外， 峦诗簿撬自动控截电液跑镶瓣静动佟，获丽控铡实验的进程。 一、系统分橱 q c s 0 0 3 a 液压实验台主要用于测试油泵性能、节流调速性能与溢流 阕静凌态性g 等实验，其滚辍传动滏如圈2 1 蕻示。簌实验过程为： 在油泵性能实验中，需先打开安全阀l l 扁动液压泵1 8 使电磁阀1 7 处于中位，电磁阀1 3 处于常态，关闭节流阀l o ，将滋流阀l1 的压力调 至泵静额定嚣力7 m p a ，然器调节蒂流润l o 静开度，疆筮力袭溺量堪力 p ( 1 2 1 ) ，用秒表测壤椭圆齿轮流量计每分钟所走过的格数从而测出流 量q 。用手持式转速仪测量转速n ，用电力测功枧加毅测量撼矩m ，兹 楚溺褥数缮记录成表，最后撩据记录绘苇9 特绺秘线。 c h e r t g d u 9 7 0 4 6 。9 9 1 2 西南交通人学研究生学位论文第l ! 戛 在先导式溢流阀性能实验中n ”，先使节流阀1 0 处于关闭状态，三 位四通阀1 7 处于中位。当测试调压范围及压力稳定性时，二位三通阀1 3 处于常态，将溢流阀1 l 调至7 m p a ，然后使阀1 3 通电，将被试阀调至 6 3 m p a 测出此时过阀的流量，作为额定流量；调节被试阀1 4 ，使其在 调压范围内取6 个压力值，用压力表p 。分别测出压力振摆值和偏移值 并记录入表。当测试卸荷压力及曲线时，将被试阀调至6 3m p a ，将电 磁阀1 6 通电，被试阀远程口通油箱，用压力表p 。分别测出不同卸荷 压力时的流量并记录入表。当测试启闭特性时，关闭溢流阀l l 调节被 试阀1 4 至6 3m p a ，并锁紧其调节手柄，调节节流阀1 0 使系统逐渐升 压，测出不同压力下的溢流量，根据所得数据，绘制被试阀的启闭特性 曲线。 在节流调速回路性能实验中1 2 1 ) 节流阀1 0 全闭，启动油泵1 8 ，调 节溢流阀11 的调压手柄，使系统压力为1 5m p a 。将调速阀6 旁路节流 阀9 和进油路节流阀7 全闭，回油路节流阀8 全开，启动油泵1 ，调节 溢流阀2 ，使系统压力达到4l d p a 。将电磁换向阀3 的p 、a 口连通调节 节流阀7 的开口度，使工作缸活塞杆运动适中。反复切换电磁阀3 使油 缸活塞往复运动，检验系统工作是否正常。当测试进口节流时按给定压 力值调节溢流阀1 1 ，切换电磁阀1 7 使加载油缸活塞向前伸出，两者顶 靠在一起，分别测出油缸1 9 活塞杆的l ，t 值；当测试出口节流时， 将电磁阀3 处于中位，进油路节流阀7 ，其它同进口节流；当测试旁路 节流时，将电磁阀3 处于中位，节流阀8 全开，调节节流阀9 的开口度， 使油缸的活塞杆运动速度适中，其它同进口节流：当测试电磁阀进口节 流时，将电磁阀3 处于中位，节流阀9 全闭，调速阀6 打开，使油缸的 活塞杆运动速度适中，其它同进口节流。根据实验数据，绘制速度一负 c h e n g d u 9 7 0 4 6 9 91 2 魏南交遗大学研究生学位论文第1 2 疆 载特性曲线，负载变化时的功率特性曲线，负载不变化时油缸的输出功 率与进漓漓缸静流蓬q 。的特性秘线。 改装鼷躲实验念，要文压力、滚量和遮度用微摊测量并进行处理。 系统压力地调定，应通过微机实现，即把原系统改为微机测控系统a 为 了实现上述要求，在淼实验台安装压力表的位置上安装一个匝力传感 器，裂餍琢位饕转换开关，分瓣转换测量不同位饕处静压力；在安装流 量计处，代替流量计安装一个溅量传感嚣；共安装一个位移传感爨，测 量缸杆的位移，从而计算出缸杆的速度。改造后实验台原理图如图2 2 。 图2 2 q c s 0 0 3 a 实骏台改造厢原理图 = 、q c s 0 0 3 a 渡愿宴验台擞捉测羧系统靛攀统浚计 在微机测控系统中，被检测的各种参数由传感器变换成易于后续处 理豹电信号。如采传感器输裔信号太弱或信号质量太弱，剃应经过前端 预处理瞧路进纷放大、滤波等处理，然后经过数据采繁予系统转按残数 字量，通过接口送入微机予系统，经过微机运算后在屏纂上显示、通录、 绘制成各种曲线、图表等，由基本的i 0 予系统完成状态、参数的设簧 和入辊交互。在该自动检测系统中需测量的是滴液的聪强、流量以及缸 抒的移魂速度，检测到数数据要绘铡戒图表或熬线，另一方禹，出微极 发出指令控制调速阀的动作。 根据开放性系统设计思想，为了加快设计速度，缩短研制周期，尽 可散采蹋熬悉的梳种戢誊j 嗣现有系统避行改进和移植，利南现有可利用 灼磺 孛秘软l 牛，根撰系绞的要求增加鼹霭要懿功能，确定该系统的总体 结构如图2 - 3 所示( 即设计成卡式仪器) 。 c h e n g d u 9 7 0 4 6 。9 9 1 2 西南交通大学研究生学位论文第1 3 页 压力传感器j 压力传感器2 压力传感器3 位移传感器 流量传感器 比例溢流阀 比例节流阀 图2 - 3q c s 0 0 3 a 液压实验台微机测控系统的整体结构 其中各传感器和电液比例阀的位置如图2 - 2 所示，该系统所需要的元器 件有：传感器、数据采集卡和个人计算机。 西南交通大学研究生学位论文第1 4 里 第三章q c s 3 a 液压实验台微机测控系统的硬件设计 传感器的选择 传感器是系统对环境和被测对象的感知部件，它的分辨率和精度对 整个系统的工作影响很大，它是将被测非电量信号转换为与之有确定对 应关系的电量。 液压实验台系统最大工作压力6 3 m p a ( 6 3 k g f c m 2 ) ，最大流量为 0 5 4 m 。h ( 9 l m i n ) 。原工作台上采用三个压力表和一个椭圆齿轮流量 计，测量工作点稳定后系统的静态压力和流量值。通过位置转换开关， 每个压力表分别可测量三个不同点的压力。改造时，考虑经济和安装维 护等因素，保留原来的位置转换开关，选择压力传感器来代替压力表。 原实验台采用公称通径为1 5 r m 的椭圆齿轮流量计，在小流量时，齿轮 的转速太低，泄漏量较大，致使测量误差很大，改造时，选择一流量传 感器。获得与流量有一定比例关系的电信号，再对电信号进行转换处理， 得到流量值。在实验中还需测量缸体活塞杆的移动速度，改造时，选用 一位移传感器测出位移，通过微机记时后算出速度。所以本系统所需的 传感器有三种类型：压力传感器、流量传感器和位移传感器。 3 - 1 压力传感器的选择 测量压力的传感器按工作原理区分主要有电容式传感器、应变式电 阻传感器、电感式传感器等1 1 | o 电容式压力传感器是利用流体或气体压 力作用于弹性膜片( 动极片) ，使弹性膜片产生位移，位移导致电容量 的变化，从而引起由该电容组成的振荡器的振荡频率变化，频率信号经 计数、编码、传输到显示部分，即可指示压力变化。电容式压力传感器 具有一系列优点：如结构简单，体积小，分辨率高，可非接触测量。 电感式传感器是利用电磁感应把被测物理量如位移、压力、流量等 转换成线圈的自感系数l 和互感系数m 的变化，再由测量电路转换为电 压或电流的变化量输出，实现非电量到电量的转换。电感式传感器结构 简单、灵敏度和分辨率高，能测出0 o l “m 的位移变化；线性度和重复 性都比较好；能实现信息的远距离传输、记录、显示和控制，但它的频 率响应低，不宜快速动态测控。 应变式电阻传感器是利用应变效应制造的一种测量微小变化量的理 想传感器，灵敏度高，其相应的价位低于电容式传感器和电感式传感器， 是目前用于测量力、压力、力矩和加速度等参数最广泛的传感器之一。 由于本系统需要测量的是油的压力，其最大压力为6 3 m p a ，要求的 c h e n g d u9 7 0 4 6 9 9 ，1 2 两南交通大学研究生学位论文第塑 精度为0 3 ，考虑到性价比，选用a k l 系列应变式压力传感器。 一、a k _ 1 系列应变式压力传感器的测量原理 应变式压力传感器是利用应变效应把压力转换成电阻值的变化来进 行测量的。所谓应变效应是指导体或半导体材料在受到外界力( 拉力或 压力) 作用时，产生机械变形，机械变形导致其阻值变化，通过测量阻 值的大小，就可以反映外界作用力的大小。 二、a k - l 系列应变式压力传感器的结构 图3 一la k 一1 系列应变式压力传感器的结构 a k l 系列应变式压力传感器的结构如图3 一l 。在图3 一l 中，应变 筒2 的上端与外壳1 固定在一起，下端与密封膜片4 紧密接触，康铜丝 ( 镍铜合金) 应变片3 ( r 1 ) 用特殊胶合剂沿应变筒的轴向粘贴，作为 测量片。由于应变片材料对铜有热电势，另外电阻值随温度有变化，因 此传感器特性受温度影响较大，为了减弱这种影响，用同样材料的应变 片5 ( r 2 ) 沿应变筒的径向粘贴，作为温度补偿片。当被测压力i ，作用 于膜片而使应变简作轴向受压变形时，沿轴向贴放的应变片r 1 也将产 生轴向压缩应变，于是r 1 的阻值变小，而沿径向贴放的应变片r 2 由于 受到横向压缩，将引起纵向拉伸应变，于是r 2 的阻值变大。应变片r l 、 r 2 与另外两个固定电阻r 3 、r 4 组成桥式电路( 见图3 2 ) ，由于r l 和 r 2 的阻值变化使桥路失去平衡，从而获得不平衡电压作为传感器的输出 信号。 三、a k _ l 系列应变式压力传硌器的测量桥路分析 由于机械应变一般都比较小，要把微小的应变引起的电阻值的变化 测量出来，同时，要把电阻相对的变化a r r 转换为电压或电流的变化， 因此，需要设计专用的测量桥路。用于测量应变变化而引起的电阻变化 的电桥电路通常有直流和交流电桥两利。电桥电路的主要指标是桥路的 c h e n g d u9 7 0 4 69 91 2 i囱删 广， 一 僧 一 一 三r龇n，一=0i 西南交通大学研究生学位论文第1 6 夏 灵敏度、非线性和负载特性。a k 1 系列应交式压力传感器的测量桥路， 采用四等臂半桥差动直流电桥，如图3 - 2 所示。( r l = r f r 3 _ k = r ，r l ， 凡接入电桥相邻臂上。) 使用该电桥，使输出灵敏度最高，非线性误差 最小“。 根据被测试件的受力情况，若使一个应变片受拉，一个受压，则应 变符号相反；测试时，将两个应交片接入电桥的相邻臂上，如图3 - 2 所 示，称为半桥差动电路。该电桥输出电压u 。为 吣可而一击 ( 3 - - 1 ) r 图3 - 2a k 1 系列应变式压力传感器的测量桥路 若a r i = r 2 ，r l = r 2 ，r 3 = r 4 则得： u 。：三e 坐 ( 3 1 ) 。 2r 由上式可知，u 0 与a r r 成线性关系，又设应变片的长度为l ， 横截面积为s ，电阻率为p ，那么应变片的电阻r 为： r ：卫三 ( 3 3 ) a 应变片在压力p 作用下，p 、l 、a 的变化( d p 、d l 、d a ) 将日 起电阻d r 的变化，则d r 可通过式( 3 3 ) 的全微分求得 d r ：旦以+ 兰如一乓l d a aa 。a 2 ( 3 4 ) 若电阻丝是圆形的，则肛nr 2 ，r 为电阻丝的半径，对r 微分得： d a = 2 r d r ，则 塑：2 n r r d r ：2 立( 3 - - 5 ) a , ? t r r 。r 令d l l = e 。一金属丝的轴向应变； d r r = ，一金属丝的径向应变： c h e n g d u 9 7 0 4 6 9 9 1 2 西南交通大学研究生学位论文第堂 由材料力学得知，在弹性范围内，金属丝受拉力时，沿轴向仲 长，沿径向缩短，那么轴向应变和径向应变的关系可表示为 ，= 一u ， ( 3 6 ) 式中u 为金属材料的泊松系数。 将式( 3 - 5 ) 和( 3 - 6 ) 带入( 3 - 4 ) 得 d r ：r l + 2 a ) s + 塑 或 r 3 p d r r ：( 1 + 2 们+ 一d p 一p ( 3 7 令 x x jj k 。：d r ，、z ：( 1 + 2 ) + 业 ( 3 8 ) 6 r p k 。称为金属的灵敏系数。其物理意义是单位应变所引起的电阻相对 变化。灵敏系数受两个因素影响，一个是受力后材料几何尺寸的变化， 即( 1 + 2i t ) ；另个是受力后材料的电阻率发生的变化。对于确定的利 料，( 1 + 2 u ) 项是常数，其数值大约在l 2 之间。实验证明dp ( p ，) 也是一个常数，因此得到 d r rr 百“s 6 x 搬r 或 k s5 1 一( 3 - - 9 ) 式( 3 - 9 ) 表示金属丝的电阻相对变化与轴向应变成正比关系。 u 。与a r r ，成线性关系，r r 与占，成线性关系，即电桥的输 出电压与应变成正比，而应变的大小与被测压力成正比，所以传感器的 理想输入输出特性曲线为直线，从测量原理上保证了传感器的线性输 出。因此差动电桥无非线性误差，而且，由温度变化引起的应变电阻变 化构成相邻桥臂的共模变化，输出电压为零，温度的影响可以完全消除， 而由压力变化引起的应变电阻变化构成相邻桥臂的差模输入，使输出信 号提高了接近一倍，信噪比得到改善，电压灵敏度为s 。= e 2 ，比使用一 只应变片提高了倍。a k 】系列应变式压力传感器的测量桥路，采用 的就是差动电桥，所以a k l 系列应变式压力传感器的测量桥路的输出 灵敏度高，非线性误差小。 从上面的分析可知：应变式压力传感器的结构简单，灵敏度高，非 线性误差小，使用方便。而且，应变式压力传感器的价格比较低，故在 本系统中压力传感器选用a k 1 系列应变式压力传感器。 四、a k - 1 系列应变式压力传感器的主要技术指标及其选择分析 1 量程：1 0 m p 。 原压力表量程为1 0 m p 。，能保证i f 常工作。因此，选择压力传感器 c h e n g d u9 7 0 4 69 91 2 西南交通人学研究生学位论文 第1 8 页 量程为1 0 m p 。 2 输出灵敏度： ( o 5 - 0 8 ) m v v 输出灵敏度是指：传感器在额定载荷作用下，测量电桥供电电压e 为1v 时的输出电压。考虑和后级a d 转换电路的接1 ：1 适配，选择供桥 电源电压为e = 1 2 v d c ，即a k 1 压力传感器在正常工作条件下，输出 电压在0 m v 1 0 m v 之间。 3 零点漂移：0 5 f s 4 h热零点偏移：0 3 f s i o * c 传感器在零输入时，输出的变化称为零漂，它有温度和时间两利t 漂 移。温度漂移是指传感器在外界温度变化时，零点输出或灵敏度的变化 值：时间漂移是指在一定时间内，标准电源条件下零输出的变化情况。 a k 1 型压力传感器的零漂很小，工作稳定，能够满足较高精度的测量 要求。 五、a k - 1 型压力传寤器在实验中的标定 由于在使用过程中，现场的温度、流过的液体均与该传感器出厂 时标定条件不同( 出厂标定时是按水标定的，实验中是采用液压油) ， 因此不能直接采用原标定值，要重新标定。采用压力传感器专用标定仪 标定该传感器，标定结果为表3 一l 所示： 、输出电压传感器毛 泳m p a ) k 4 9 9k 5 6 4 压力( o0 70 9 l1 92 1 23 13 3 34 34 5 45 55 7 56 76 9 67 98 1 79 19 3 线性度( m v m p a ) 1 21 2 六、a k 1 型压力传感器的使用中应注意的问题及其解决 1 、零点漂移处理 由于a k 1 型压力传感器存在零点漂移，因此在实验中必须对零点 漂移进行处理。处理方法主要有两种方法：软件法和硬件法。软件法就 c h e n g d u 9 7 0 4 69 9 1 2 西南交通大学研究生学位论文第1 塑 是在编制软件过程中，在对数据处理时，减去零点漂移值即可。硬件法 如图3 - 3 所示：就是在传感器的接电源端先接两电阻，再接电源，其中 r ，为1 0 0 k q 可采用1 8 瓦精密电阻：氏为i o k q 调零点电位器，采用 线绕式电位器”。在本系统中，采用软件法。 图3 - 3a k 一1 型压力传感器消除零点漂移硬件图 2 、出于a k 一1 型压力传感器是整体型式的，在安装拧紧螺纹时，可 能会引起应变片的微小变形，该变形值在标定时已进行处理。但是，由 于拧紧程度不同，造成应变片变形程度就不同，所以不要随意拆装压力 传感器。若重新拆装，就必须重新标定。 3 2 流量传感器的选择 测量流量的传感器主要有孔板式、喷嘴式和标准文丘利管、玻璃管 或金属管转子流量计、电磁流量计、涡轮流量计等。孔板、喷嘴和文 丘利管等节流( 差压式) 流量传感器虽然结构简单，经济可靠，却不适 用于管径小于5 0 r a m 的小流量测量。电磁流量计只能测试导电性流体的 流量。涡轮流量计具有精度高，量程宽，惯性小，耐高压，温度范围宽 等特点。通过反复比较，选择常用的速度式流量传感器一l w g y 型涡轮流 量计替代椭圆齿轮流量计。涡轮流量计适用于管道直径为5 5 0 0 m m 的 流体测量系统，它比较精巧，测量时输出的电脉冲频率在被测流体一定 的流量和粘度范围内与被测流体的体积流量成正比，但工作时油液中的 杂质颗粒可能会造成涡轮叶片和轴承等的磨损，影响测量精度，故应保 证油路巾油液的清洁。 c h e n g d u 9 7 0 4 6 9 9 1 2 西南交通大学研究生学位论文 第2 0 页 一、l w y g 型涡轮流量传感器的结构 l w g y 型涡轮流量传感器的结构如图3 4 ，主要由壳体、前导向架、 叶轮、后导向架、压紧圈和带放大器的磁电感应转换器等组成。 壹生 图3 4l w g y 型涡轮流量传感器的结构 = 、l w g y 型涡轮流量传矗的原理 当液体流经传感器时，推动安装在管道中心的叶轮旋转。叶轮的叶 片由铁磁材料制成，每个叶片同安装在流量计中的永久磁铁及感应线圈 组成一磁路，当叶片旋转通过固定在壳体上的永久磁铁时，磁路中的磁 阻将明显下降。叶片连续旋转，从而周期性地改变磁