2.2.3　測試系統(tǒng)設(shè)計

系統(tǒng)中需要采集的對象包括壓力、流量、轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩、油溫等信息，轉(zhuǎn)換為電信號，進入系統(tǒng)參與控制，并且變頻器、比例閥、電磁閥要被操作臺和觸摸屏遠程控制，同時消除變頻器對系統(tǒng)的干擾。

（1）測試系統(tǒng)組成

液壓試驗臺的測試系統(tǒng)主要由轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩采集儀、數(shù)據(jù)采集卡、各類傳感器、比例放大板、工控機、抗干擾電路及外圍設(shè)備組成，圖2-10是測試系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)框圖。所有的數(shù)據(jù)都是通過轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩采集儀和數(shù)據(jù)采集卡傳輸?shù)焦た貦C上，實現(xiàn)數(shù)據(jù)處理和顯示。轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩采集儀把采集到的數(shù)據(jù)通過R232/R485接口傳輸?shù)焦た貦CCOM口，數(shù)據(jù)采集卡插在計算機PCI插槽中，通過采集到的數(shù)據(jù)對比例閥、電機、油溫加溫器等進行控制和操作。

傳感器把采集到的物理信號轉(zhuǎn)換成電信號，經(jīng)過抗干擾電路處理后送入數(shù)據(jù)采集卡轉(zhuǎn)換成計算機可以識別處理的標準數(shù)字量信號，工控機進行數(shù)據(jù)采集、處理和顯示并參與液壓系統(tǒng)控制。所有的模擬數(shù)據(jù)輸出量是通過PLC模擬量輸出模塊（AO）進行輸出的，輸出控制量主要有壓力、電機轉(zhuǎn)速、油液溫度，用戶可以在觸摸屏上輸入控制參數(shù)大小，結(jié)合采集反饋的信號對比例放大板、變頻器進行聯(lián)合控制。

（2）傳感器

針對液壓泵和液壓馬達的出廠測試，被測試的信號都是進入采集卡，這就要求被測的壓力、流量、轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速、溫度等信號要經(jīng)過電信號轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換成計算機可以識別的標準數(shù)字信號輸入到計算機中。為了規(guī)范模擬量的輸入以及提高傳感器采集的信號在傳輸過程中的抗干擾能力，試驗臺的壓力、流量、溫度傳感器都選擇二線制的電流型傳感器，供電電源為DC24V，輸出電流為4～20mA。

①壓力傳感器　考慮到被試驗壓力的量程，所有壓力傳感器為瑞士HUBA公司制造的5110EM壓力變送器，量程為60MPa，該壓力變送器的線性、遲滯和重復(fù)性之和小于±0.3%fS，零點及滿量程的精度可調(diào)整到小于±0.3%fS。

②流量傳感器　其用來測量被試泵和馬達的流量以及泄漏量，采用CT系列渦輪流量計，圖2-9中7為CT50-5V-B-B，量程為60L/min，8為CT600HP-5V-S-B，量程為600L/min。

③溫度傳感器　其用來測量液壓油箱中液壓油的溫度，選用SBWZ-2480K2300B400熱電阻溫度傳感器，其量程為-50～100℃。

④轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩傳感器　其用來測試被試泵和馬達的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩以及功率，此處選用NJ型轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩傳感器。

NJ型轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩傳感器工作原理如圖2-11所示。彈性軸兩端各裝一個信號齒輪，各齒輪上方裝有一個信號線圈，線圈內(nèi)部裝磁鋼，磁鋼和信號齒輪組成信號發(fā)生器。這兩對信號發(fā)生器可以產(chǎn)生兩組交流信號，它們的頻率相同且和軸轉(zhuǎn)速成正比，故可測出轉(zhuǎn)速。在彈性軸受扭力時，將產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)變形，使兩組交流電信號之間的相位差發(fā)生變化，在彈性變形范圍內(nèi)，相位差變化的絕對值與轉(zhuǎn)矩的大小成正比，故可測出轉(zhuǎn)矩。

轉(zhuǎn)矩測量精度分為0.1級和0.2級。靜校——直接用砝碼產(chǎn)生標準力矩校準時，其測量誤差 0.1級不大于額定值的±0.1%，0.2級不大于額定值的±0.2%。轉(zhuǎn)速變化的附加誤差——在規(guī)定轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)變化時，轉(zhuǎn)矩讀數(shù)變化不大于額定轉(zhuǎn)矩的±0.1%（國家標準為±0.2%）。

⑤其他傳感器　如蝶閥上的行程開關(guān)、液位計等都是開關(guān)量信號，供電電源為DC24V，回路輸出信號到PLC，電壓為0V或24V。

（3）轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩采集儀

NC-3型轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩采集儀與磁電式相位差型NJ轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩傳感器配套使用，可以精確測定各種動力機械的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩和功率。NC-3型轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩采集儀采用高速數(shù)字信號處理器（DSP）和大規(guī)模可編程邏輯芯片（CPLD）構(gòu)成簡潔高效的數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)，獨特的設(shè)計和先進的表面貼裝工藝大大提高了系統(tǒng)的可靠性和抗干擾能力，硬件具有兩級看門狗功能，保證系統(tǒng)在異常時能及時復(fù)位。

NC-3型轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩采集儀功能強大，有極大的靈活性和通用性：支持RS232/RS485或者CAN通信方式，可以和計算機簡便、靈活、快速通信；支持正反轉(zhuǎn)雙向調(diào)零，單點或多點調(diào)零；模擬量輸入可以適應(yīng)0～5V和1～5V（4～20mA）；最快采樣時間為1ms。

（4）比例放大器

所用到的比例放大器均配合比例壓力閥使用，控制電磁鐵的電流大小，根據(jù)比例控制器或電位器輸入的信號調(diào)節(jié)閥芯的位置控制比例閥的壓力大小，通過人機界面上輸入和電位器控制輸入信號大小。選用阿托斯公司生產(chǎn)的E-MI-AC-01F，該放大器是一個快速插入式的，放大器放在鋁盒里，使用起來方便簡單。該比例放大器具有上升/下降、對稱（標準）或非對稱斜坡發(fā)生器，輸入和輸出線上增加了電子濾波器。

比例放大器的主要特性如表2-1所示，接線如圖2-12所示。

①電源　電源必須足夠穩(wěn)定或經(jīng)整流和濾波：用單向整流器至少要10000μF/40V的電容器；用三相整流器至少要4700μF/40V的電容器。輸入信號和主電氣控制柜之間的連接電纜必須是屏蔽十字電纜，注意正、負極絕對不能反接，將電纜屏蔽可以避免電磁噪聲干擾，要符合EMC規(guī)范，將屏蔽層連接到無噪聲地。放大器應(yīng)遠離輻射源，如大電流電纜、電機、變頻器、中繼器、便攜式收音機等。

②輸入信號　電子放大器接受電位器輸入的0～5V電壓信號；接受由PLC送來的0～10V電壓信號。

③增益調(diào)整　 驅(qū)動電流和輸入信號之間的關(guān)系可用增益調(diào)整器調(diào)整，即調(diào)整圖2-13中的P3。

④偏流調(diào)整（死區(qū)調(diào)整）　死區(qū)調(diào)整是為了使閥的液壓零（初始位置調(diào)整）與電氣零位置相對應(yīng)，電子放大器與配用的比例閥調(diào)整校準，當輸入電壓等于或大于100mV時才有電流。

⑤斜坡調(diào)整　內(nèi)部斜坡發(fā)生器電流將輸入的階躍信號轉(zhuǎn)換為緩慢上升的輸出信號，電流的上升/下降時間可通過圖2-13中的P1調(diào)整，輸入信號幅值從0V上升到10V所需最長時間可為10s。

圖2-13中接線共有7個端子：M檢測點信號（驅(qū)動電路）；1正極電源；2接地端子；3輸出+5VDC 10mA；4正信號輸入；5負信號輸入；6雙電流信號與5點連接。調(diào)整開關(guān)一共有6個：P1斜坡升；P2非對稱斜坡降；P3增益；P4偏流；P5顫振；L1使能指示燈。

（5）數(shù)據(jù)采集卡

液壓泵-馬達綜合試驗臺液壓系統(tǒng)共有21個模擬量輸入，控制和采集系統(tǒng)的數(shù)字量輸入和輸出都是通過PLC實現(xiàn)的。從性價比綜合衡量，最終選用研華的兩塊PCI-1711L數(shù)據(jù)采集卡，特性如表2-2所示。

（6）測試系統(tǒng)抗干擾措施

在電機的各種調(diào)試方式中，變頻調(diào)速傳動占有極其重要的地位，此處的電機就是選用變頻器調(diào)試。但是變頻器大多運行在惡劣的電磁環(huán)境，且作為電力電子設(shè)備，內(nèi)部由電子元器件、微處理芯片等組成，會受外界的電磁干擾。另外，變頻器的輸入和輸出側(cè)的電壓、電流含有豐富的高次諧波。當變頻器運行時，既要防止外界的電磁干擾，又要防止變頻器對外界的傳感器、二次儀表等設(shè)備干擾。每個電子元器件都有自己的電磁兼容性，即每個電子元器件都會對外界產(chǎn)生電磁干擾，同時也會受外界的電磁干擾，為了使這種干擾降到最小，采用以下方案。

①強、弱電分離方案　電氣干擾大多來自強電系統(tǒng)，所以本系統(tǒng)在布線和設(shè)計時嚴格按照強、弱電分離原則，把強電統(tǒng)一放在變頻器柜，弱電放在弱電操作柜，并且布線是強電和弱電分槽布線，弱電的電源盒信號線也分開布置。傳感器的電源和繼電器的電源各使用獨立的電源。

②多重屏蔽方案　在布線過程中變頻器柜要接地，并且變頻器到電機的電纜必須采用屏蔽電機電纜，電纜屏蔽層必須連接到變頻器外殼和電機外殼，當高頻噪聲電流必須流回變頻器時，屏蔽層形成一條有效的通道。弱電操作柜也要采取屏蔽措施減少外界電磁干擾。傳感器信號線也全部采用屏蔽線，并且屏蔽層要接地。

③采用濾波器　濾波器是用來消除干擾雜信的器件，將輸入或輸出經(jīng)過過濾而得到純凈的直流電，對特定頻率的頻點或該頻點意外的頻率進行有效濾除，在此把濾波器主要安裝在傳感器電源的輸入端，提高傳感器供電電源的穩(wěn)定性。