基于虚拟仪器的液压系统故障检测

1 引言

    随着科学技术的迅速发展，工业生产进入以计算机、数控和液压为主体的发展阶段，由于液压传动具有单位功率重量轻、体积小、可实现无级变速、易于实现载荷控制和动力传输等优点，因而在工程中得到了广泛地应用。但由于液压系统的工作介质是流体，流体本身存在连续性和静压传递的均布性，很难判断液压系统故障的因果关系，再加上控制元件主要是靠机械动作改变阀口来实现的，因此很容易造成密封件磨损而导致的元件内泄漏等故障，这些故障通常相当复杂和隐蔽，单凭感官、经验和传统的检测方法来判断，相当困难并且准确性不高。那么如何对液压系统故障进行实时检测，使得液压设备准确、高效的运转，是摆在工程技术人员面前的一大难题。本文提出一种基于虚拟仪器技术的液压系统故障检测方法。 2虚拟仪器及其软件开发平台Labview

2．1虚拟仪器

    虚拟仪器是一种全新的仪器概念，是计算机技术和仪器技术相结合的产物，它利用计算机的硬件资源、标准数字电路以及计算机软件资源，使得使用者操作这台通用计算机就像操作一台自己专门设计的仪器一样。虚拟仪器技术的最大特点是"软件就是仪器"的观念。除此之外，虚拟仪器还具有以下几个特点：

1)丰富和增强了传统仪器的功能，虚拟仪器将信号分析、显示、存储、打印和其他管理集中由计算机来处理，充分利用了计算机强大的数据处理、传输和显示能力，使得组建系统更加灵活、简单。

2)仪器由用户自己定义，虚拟仪器通过提供给用户组建自己仪器的可重用源代码库，可以很方便地修改仪器功能和面板。

3)开发与维护的费用低，系统组建时间短，当需要增加新的测量功能，只需要增加软件模块或通用的硬件模块，缩短了系统的更新时间，而且有利于系统的扩展。

2．2软件开发平台IabVIEW

     LabVI EW(Laboratory Vinual Instrument．Engi-neering Workbench)，即实验室虚拟仪器集成环境，是美国NI公司推出的一种非常优秀的面向对象的图形化编程语言--G语言。它和Visual Basic、Visual C++、Delphi、Perl等基于文本型程序代码的编程语言不同，LabVIEW采用图形模式的结构框图构建程序代码，因此，在编程时，基本不写程序代码，取而代之的是图标、连线构成的框图。LabVIEW提供了丰富的函数库和子程序库，这些模块为使用者完成一般的数据采集、分析、显示等任务，提供了极大的方便。

     LabVIEW程序分为两部分：前面板(Front Pan-e1)和程序框图(Block Diagram)。前面板是VI的图形用户接口，它集成了用户输入和输出功能。主要由控制量和显示量构成。用户通过控制量(如输人数据的文本框以及一些开关、按钮等)输入数据和控制程序的运行，而显示量(如波形图、波形表等)则主要用于显示程序运行的结果。程序框图包含了虚拟仪器的图形化源代码，用以控制和操纵定义在前面板上输入和输出功能。此外，还包括内置于LabVIEW库中的函数、结构、连线和子VI等。

3采用虚拟仪器技术对液压系统进行故障检测

    在液压传动过程中，系统故障时有发生，如没有运动，运动不稳定，运动方向不正确，运动速度不合要求以及爬行、噪音、油温急剧上升等。当故障发生时，可以通过故障后系统的输出信息和正常运行的状态进行比较，从而诊断出故障的原因和部位。但是无论什么原因，液压系统故障都可以从压力、流量和方向三个大问题中反映出来，因此，对系统参数进行在线检测是十分必要的。在液压系统中需要检测的主要参数有压力和流量，同时还有油温和液位等等。由于压力和流量变化比较快，可采用动态的在线检测，能及时反映出系统的运行状态和故障情况，而油温的变化相对平缓，则可采用静态检测。本文以液压系统中压力的检测为例说明基于虚拟仪器技术的液压系统故障检测的设计方法。 

3．1压力检测装置的组成

    该装置由四部分个组成，即传感器、信号调理、数据采集卡和计算机系统。通过传感器对压力信号进行时实采集，但由于采集到的电信号大多数是含有噪声的微弱信号或是非电信号，因此要进行信号调理。信号调理的作用就是对采集的电信号进行放大、转换或滤波等处理，使之成为标准信号。然后再接人数据采集卡。将模拟电信号进行离散化和数字化，最后通过计算机对采集的数据进行分析、处理和显示。本装置还具有时实越限报警功能，当压力超出警戒线时，给出报警信号。

    在整个压力检测装置的设计中，数据采集卡是核心部分。通常，一个典型的采集卡可以完成多种功能：模／数转换、数／模转换、数字量I／O，以及计数器／定时器操作等。在该检测装置设计中选用的是即插即用的USB6009数据采集卡。USB6009具有8路模拟输入通道，2路模拟输出，14位分辨率，12条数字I／O线，48 kS／s的多功能数据采集卡。

3．2压力检测装置的设计

    压力检测可根据信道的数目不同分为单通道压力检测和多通道压力检测两种情况，这里我们研究的是单通道压力检测。

    单通道压力检测是选用数据采集卡的一个模拟输入通道，用户在弹出的对话框中选择所要检测的通道，软件系统就从选中的通道中按照设定的采集频率采集数据。并将采样的数据用曲线的形式加以显示。利用LabVIEW设计的压力检测装置的前面板如图2所示：

    该前面板用于设置输入数值和观察输出量。实现的功能有：

1)系统控制：对压力信号进行实时采集，设置采样频率，使用户在检测过程中可随时改变采样频率的值以适应采样的需求，设置报警的上下限压力值。
2)数据分析：主要完成数据的处理，这里主要是求平均压力值。
3)显示控制：可以显示压力随时间的变化曲线，当压力超过警戒范围时，指示灯就会变亮。

    可以看出前面板犹如仪器的面板，可用于控制和显示，充分体现了虚拟仪器软件就是仪器"的优点。与前面板相对应的程序框图，相当于传统程序的源代码，是由图框、端口、连线和结构构成，其中结构起到控制作用，如循环控制、事件控制、延时控制等。通过工具、控制和函数模板，可以十分方便的创建框图程序。
 
    虚拟仪器有强大的可扩展性和灵活性。可以选择不同种类的传感器，进行相应的前面板设计，就能实现液压系统中的流量、温度等其它信号的检测。

4 总结

    本文以液压系统中压力检测为例说明了虚拟仪器技术在故障检测中的应用。利用虚拟仪器技术强的扩展性，用户可以根据自己的需要，随时设计和修改前面板，周期短，易于维护和调试。随着计算机技术和网络技术的发展，虚拟仪器技术在测试、监控和故障诊断等方面将有越来越多的应用。