虚拟摄谱仪的机械传动试验台测控系统

    1 测控系统设计

    1.1测控系统性能要求

    改造后的系统,应具有以下功能:被试件的输入、输出的转矩和转速测量;温升测量;振动测量;给被试件施加的转速与转矩的控制。可以进行加速、减速性能试验,加载、卸载性能试验,正常运行性能测试和疲劳试验等。在测量数据的基础上,得出转矩-效率曲线;转矩-温升曲线,疲劳性能曲线等。并对测试结果进行显示、存储、打印等。

    1.2测控系统方案制定

    在原系统中,转矩仪的作用是采集和处理数据,在改造中,所有传感器信号采集的任务将由数据采集卡完成,数据处理的工作由软件完成,去掉中间环节的转矩仪,扭矩传感器的输出信号直接进入数据采集卡,用软件求出转矩、转速,进一步得出被试件的效率;温度传感器、振动传感器的信号经调理后进入数据采集卡。

    该系统输入信号,每个转矩传感器输出信号为两路正弦波,共有4路信号,为了保证测量精度,该信号需要较高的采样频率。要测量试件的温度和室温,有两路输入信号,振动传感器有1路输入信号,转矩和转速的控制需要两路输出。因此选用NI公司生产的PCI—6024E数据采集卡,该卡有16路12位单端模拟输入,2路12位模拟输出;8路数字I/O口;两路24位定时器与计数器为一体。该采集卡温漂小、稳定性好、抗干扰能力强;测量结果精确;该采集卡的端口和采样频率都能满足试验台测控系统的要求,而且还有一定的后续开发潜力。

    1.3测控系统组成

    系统硬件由主控计算机、JC转矩传感器、温度测量元件、振动测量元件、扭矩转速控制电路。

    2 测控系统软件设计

    采用NI的Labview软件作为开发平台,该软件数据采集和处理能力强,可以能降低测控系统程序开发的难度,缩短开发周期,提高测控系统的可靠性。

    该测控系统的主要功能:①采集试验台各个参数;②试验台转速扭矩控制模块;③报警模块;④数据存储、报表生成、曲线绘制、打印输出。对于这样一个实时多任务系统的测控系统,在软件开发过程中充分利用LabVIEW图形化的特点,将应用程序划分为:参数设置、数据采集、控制模块、报警模块、数据记录、数据处理等模块。

    2.1开机动画模块

    为了提供一个友好美观的界面,程序中使用了ActiveX技术,将一个Shockwave Flash时钟动画文件加载在主程序界面中。

    2.2参数设置模块

    试验前,操作人员应先点击主界面菜单栏的“配置”,在弹出的初始参数设置面板中输入相关信息,如:试验名称、试验人员、被试件的型号、测量参数的报警限制等,这参数在生成报表时将会用到。
 
    2.3数据采集模块

    本模块主要完成对转速、转矩、油温、振动参数的测量。以下主要对转矩、转速信号的采集与处理进行介绍。

    由于原测控系统中采用了转矩仪对信号进行采集和处理,转矩仪将处理后的转矩和转速信号通过串行口传给上位机。在系统改造时,必须考虑转矩转速传感器的工作原理和转矩信号的特征,才能够进行正确的数据采集和数据处理。

    该传感器的测量原理如下,在弹性轴两端安装一对齿轮,齿数为z,齿距为l。在齿轮的外缘处将两个感应线圈固定在机架上,当齿轮随着弹性轴以转数n转动时,齿轮的齿顶及齿谷交替周期性的扫过感应线圈,使磁阻发生交替变化,在感应线圈上产生正弦信号,信号角频率ω0=πnz/30。由于两齿轮的齿数、模数相同,因此两路交流信号周期相同。当给弹性扭轴施加转矩时,轴产生扭转变形,使两组正弦信号之间的相位差发生变化。在弹性变形范围内,轴在转矩T的作用下,扭转角<=lGJnT。其中,Jn为断面的极惯性矩,G为材料的剪切弹性模型。可以看出,弹性轴的转矩角只与转矩有关,测出相位差即可计算出转矩,其测量方法通常有3种。

    (1)相关法:从理论上知道,采用数字相关法可以有效地抑制噪声干扰;但该方法适合于标准的正弦信号或余弦信号,对一般周期信号无法测量。

    (2)FFT谱分析法:可以对任意周期信号进行处理,可以消除噪声的影响;但是FFT必须知道基波频率,并要求较多的采样数据。

    (3)用“Extract Single T one Information”函数法:由于LabVIEW对该函数进行了加密,无法得知其数据处理的原理。但是大量实验数据表明该方法数据稳定性、精度均是最好的,故采用该法测量相位差。

    2.4控制模块

    传动机械试验台的加载设备的发电机,因此转速转矩控制也就是对发电机的控制。试验台上发电机为并励电机,由公式T=CT

    2.5报警模块

    报警模块主要用于防止事故发生。试验过程中的报警参数有输入转速、输入转矩、输出转速、输出转矩、机油温度等,操作人员可以在试验前设定各报警参数的上下限。试验开始后,每采集一次数据,系统就将它们与报警设定值相比较,一旦超过报警限制,操作界面上相应的报警灯变为红色,并且发出声音报警,提示操作人员进行处理。应用LabVIEW的用户事件控件设计了温度报警程序。

    2.6数据记录模块

    本系统数据记录的方式是,用户首先设计记录间隔时间后,自动记录数据。并应用第三方软件OpenG的LabSQL进行数据库访问。在记录数据之前,先通过报表程序生成数据报表的表头,将初始参数设置时的试验名称、被试机型号、试验人员以及所需测量的各参数名称都保存在表头中。在数据记录时,再将每次记录的时间和数据添加到表格中。

    2.7数据处理模块

    数据记录包括转速、转矩、室温、油温等参数,这些参数都保存在数据库中。试验中,对试验数据进行处理主要是各个曲线的拟合。选择需要处理的数据文件,通过“报表打印”、“曲线打印”即可成对所选数据进行曲线拟合并打印输出。

    2.8远程监控模块

    按设计要求,本系统进行疲劳试验时,最好实现远程监控。LabVIEW中实现远程面板链接仅需要两个非常简单的步骤。

    (1)在服务器端配置并启动LabVIEWWeb服务器。
    (2)在客户端通过网页或LabVIEWRun-time引擎连接远程面板。

    在远程监控模块中,用户可以监测试验台行情况,并且在突发事件时可以通过控制“暂停/恢复”按钮,急停试验台。

    3 结论

    采用虚拟摄谱仪对机械产品传递试验台测控系统进行改造,能够节约投资,提高试验台的性能,是行之有效的方法。对于其他旧设备测控系统改造,具有借鉴意义。

    开发的机械传动试验测控系统,具有友好的人机界面、操作简单、功能完善,实现了测量、控制、记录、数据处理的全自动化。

    LabVIEW软件具有很强的数据处理功能,用Lab2VIEW软件作为开发平台,开发测控系统,特别是数据处理比较复杂的测控系统,如频谱分析,求相位差等,具有很明显的优越性。

    采用“以软代硬”的方法,不但可以节约成本,还可以提高系统的可靠性。

    改造后的机械产品试验台,提高了测试精度,增强了性能,具有较大的推广价值。