目 錄 摘要 ABSTRACT 第 1 章 緒論 1 1.1 研究的目的和意義 1 1.1.1 設計目的 1 1.1.2 本設計的研究意義 1 1.2 國內外的發展狀況 2 1.3 設計需求 4 1.4 基本內容和擬解決的主要問題 5 1.4.1 設計基本內容 5 1.4.2 擬解決的主要問題 6 1.5 技術路線或研究方法 7 第 2 章 圖形化編程語言 Labview 8 2.1 Labview 簡介 8 2.1.1 LabVIEW 簡介 8 2.1.2 VI 的特點 8 2.1.3 LabVIEW 的體系結構 9 2.2 Labview 軟件特點 9 2.3 Labview 的工作方式 10 2.4 Labview 的程序開發環境 10 2.4.1 基于 LabVIEW 的數據采集系統 10 2.4.2 LabVIEW 的編程環境 11 2.5 本章 小 結 11 第 3章 液壓系統故障快速診斷裝置總體設計 13 3.1 軟件系統框架結構 13 3.2 數據采集模塊 14 3.2.1 壓力檢測 15 3.2.2 流量檢測 16 3.2.3 溫度檢測 163.3 數據處理模塊 16 3.3.1 數據處理 17 3.3.2 實時報警 17 3.3.3 單位選擇 19 3.4 數 據管理模塊 19 3.5 數據顯示模塊 19 3.6 本章 小 結 19 第 4 章軟件使用說明 20 4.1 設計程序說明 20 4.2 使用流程 20 4.2.1 啟動軟件過程 20 4.2.2 溫度測量 21 4.2.3 流量測量 23 4.2.4 壓力測量 25 4.3 本章小 結 27 結論 28 參考文獻 29 致謝 31 附錄 32 1 第 1 章 緒 論 1.1 研究的目的和意義 1.1.1 設計目的 隨著高新技術在各個傳動系統中的 廣泛應用，傳動裝置已經發 展為復雜集合體。液壓傳動系統具有結構輕巧、傳動比大、運行平穩、有效防止過載、易于實現無級調速和自動化、易于實現自動控制及遠距離操縱等優點，被廣泛應用于工程機械中。液壓系統結構復雜，其內部狀態又難以觀測，容易發生故障，給液壓系統的運行狀態監測和日常維護保養帶來一定的困難，故障診斷與檢測難度大。若液壓系統在運行過程中一旦發生意外故障，不能及時診斷維修將會給用戶造成重大經濟損失。傳統的診斷方法是在各檢測部位安裝壓力表、流量計、功率表等檢測儀器，通過人工觀察的方式進行，其方法落后、速度慢、精度低、可靠性差、人為影響 因素多，需要花費大量的人力和財力，而基于虛擬儀器的智能診斷方法由于利用領域專家豐富的經驗和知識，在液壓系統的故障診斷中充分顯示出其優越性。 因此，對液壓系統檢測和故障設備的開發和研制有著很急迫的需求。本設計將虛擬儀器技術運用到液壓系統的在線監測中，設計液壓系統故障診斷系統，有效地提取液壓系統的特征信號，對故障信息進行分析比較。 1.1.2 本設計的研究意義 液壓系統具有體積小、重量輕、運動平穩的特點，可以容易地獲得較大的力和力矩，并能在較大的范圍內方便地實現無級調速，采用液壓傳動的程度現在已成為衡量一個國家 工業化水平的重要標志之一。 但生產設備的液壓系統因油液的易污染性和液壓元件對污染油液的敏感性而故障頻發，液壓系統對油液污染十分敏感，油溫及粘度的變化也會對液壓系統的工作性能造成很大影響，由于液壓系統結構復雜，其內部狀態又難以觀測，容易發生故障，給液壓系統的運行狀態監測和日常維護保養帶來一定的困難。因此如何有效地對液壓系統進行狀態檢測，提取系統的特征信號，及時發現故障或隱患有著十分重要的工程意義。 液壓系統故障快速檢測的任務就是在液壓系統運行過程中在不拆卸或少拆 2 卸的情況下對壓力、溫度、流量等計量儀表的動作及噪 聲、振動、液壓油的污染度等狀態參數進行監測，掌握設備運轉狀態和發現異常現象。如果能隨時采集關鍵部位的運行數據，并進行分析，及時地發現故障征兆并加以控制排除，則系統的故障就可相對減少，甚至排除，使液壓設備隨時處于完好狀態，保證安全正常生產。而對液壓系統的狀態監測，除了要定性觀察一些物理現象外，更重要的是要對運行過程中許多有關的物理參數進行精確地定量測量并進行性能分析。 液壓系統現場快速檢測因現場條件的特殊性而具有其自身的一些特點。其一是要求快速診斷。生產現場設備一旦發生故障，影響的不僅是此臺設備本身的生產，而 往往是整個生產系統，特別是自動化生產上的生產設備一旦出現故障，往往造成整個生產線的癱瘓，由此而帶來巨大的經濟損失。這就要求生產現場設備一旦出現故障要在很少拆裝的情況下就能快速準確診斷，迅速便捷排除。其二是生產現場受技術條件的限制，無法像實驗室內那樣能方便地使用眾多復雜的儀器來進行測試檢查，最好只需用單臺便攜式儀器就能進行準確的檢查診斷。其三是現場生產人員受知識的限制，很難借助于諸如邏輯推理和神經網絡等方法進行故障診斷，而只能采用操作簡便的實用診斷方法，很難對液壓系統的性能進行準確的檢測分析。 因此，生產科研 實踐提出了開發液壓系統現場快速檢測系統的要求，隨著計算機軟硬件技術和計算機輔助測試 (CAT) 技術的發展，使測試技術與計算機技術進行了深層次的結合，完全改變了傳統的測量模式。由于 CAT 技術是使用虛擬儀器來組成測試系統，而該系統的功能主要靠軟件實現，避免了傳統測量方法中必不可少的許多分立的測量儀器。因此， CAT 技術減少了測量環節測量精度 ,而對被測信號進行的實時分析和輸出顯示等均由軟件完成，具有強大的圖形顯示和數據處理能力，測試過程準確，操作簡單，測試數據和結果輸出迅速、直觀 ,能夠直接通過軟件進行系統的性能分 析處理，提高了測試效率，滿足在線檢測需要處理大量數據的要求，為開發通用的多功能、體積小和重量輕的便于攜帶的“萬用表”式的液壓元件、系統計算機輔助現場快速檢測系統提供了便利條件，對于液壓元件和系統的研發以及液壓產品的推廣應用具有重要作用。 1.2 國內外的發展狀況 虛擬儀器已經成為 21 世紀測試技術與儀器技術發展的一個重要方向，并且在研究、制造和開發等眾多領域得到廣泛應用。從 20 世紀 90 年代中期以來，國內的重慶大學、哈爾濱工業大學、西安交通大學、中科泛華電子科技公司等院校 3 和高科技公司，在研究開發儀器產品和虛擬式 儀器設計平臺以及引進和消化 NI公司、 HP 公司的產品等方面做了一系列有益的工作。經過多年研究，我國己經在虛擬儀器開發方面形成了自己的特色，國家自然科學基金委員會己將虛擬儀器研究作為現代機械工程科學前沿學科之一，并被列為“十五”期間優先資助領域。我國國民經濟的持續快速發展，加快了企業的技術升級步伐，先進儀器設備的需求更加強勁；同時計算機的普及，為虛擬儀器在我國的普及奠定了良好的基礎。因此，我國的虛擬儀器存在巨大的發展潛力。 我國液壓 CAT 技術經過 20 多年的發展，已有很大進展。從 1980 年開始，一些單位就將單板機 或 PC 機應用于液壓測試中，但因研制年代較早，硬件的性能均不高。與液壓 CAT 密切相關的是測控儀器，最初的測控儀器是傳統的模擬儀器，由于人工因素，檢測速度和測試準確性都難以保證。帶 GPIB 接口的智能儀器的出現，使得液壓 CAT 實現了自動化，但此時計算機在測試過程中只起到記錄數據的作用， CAT 系統的性能主要取決于智能儀器。 近幾年，我國加強了虛擬儀器在液壓 CAT 中的應用研究，取得了可喜的成果。國內也有許多高等院校及科研單位正在進行液壓 CAT 的研究工作，并在液壓測試中進行一定程度的應用。我國已經研制出一些具有較高性能 的液壓計算機輔助測試系統，如機械部北京自動化研究所研制的液壓元件計算機輔助測試系統，該系統可完成閥及泵的性能測試，北京理土大學研制的液壓泵（液壓馬達、液壓泵 液壓馬達傳動系統）工作特性的計算機輔助試驗系統，上海交通大學及昆山液壓件廠共同研制的液壓閥的特性試驗系統，北航開發的液壓泵虛擬儀器試驗臺等。許多廠家也用 CAT 系統來進行液壓元件的出廠檢驗。這些 CAT 系統大都實現了動態測試，數據處理能力增強，功能大大增加。 但是，這些液壓系統試驗設備主要用于實驗室條件下的性能檢測，很難直接應用到現場檢測。而用于現場液壓系 統狀態檢測的儀器主要是手持式或便攜式壓力表、流量計、溫度計，這些儀表功能單一，只能檢測到一種物理參數，只能進行測量數值的機械或數字顯示，而不能體現液壓元件的性能、特性。因此，開發一套基于虛擬儀器的液壓系統故障現場檢測系統是非常必要的。 由于虛擬儀器以計算機以及數據采集設備為硬件平臺，而計算機強大的存儲能力、高速的運算與數據處理能力、圖形顯示功能，再加上功能強大的軟件，剛好可以彌補傳統儀器的缺點與不足。既可以很好的滿足測試要求，還可以克服傳統儀器專用性強的缺點，很容易地對虛擬儀器進行改造，重新組建所需要的新儀器。 4 1.3 設計需求 為了實現和完成設計的目的，需要滿足以下設計需求。 1、可報警（聲） 2、可報警（光） 3、可設定報警范圍 4、能實時顯示數據 5、可設定數據采集種類 6、可除噪聲 7、能保存數據 8、能讀取數據 9、采集數據單位可選 10、占用系統內存小 11、操作簡單 12、可顯示數據（波形） 13、可顯示數據（數組） 14、可隨時改變值 15、防程序鎖死 16、程序易于安裝 17、程序調試簡單 18、布局合理 19、符合人機工程學 20、顏色分明 21、紅綠燈報警提示 22、效率高 23、可設 密碼保護 24、互動性強 由以上需求，繪制設計目標樹如下表 1.1、 1.2、 1.3、 1.4。 表 1.1 主 要類目 虛擬儀器 性能 操作 外觀 5 表 1.2 性能分支 性能 有效率 可報警（聲） 可報警（光） 可設定報警范圍 能實時顯示數據 可設定數據采集種類 可除噪聲 能保存數據 能讀取數據 采集數據單位可選 占用系統內存小 表 1.3 操作分支 操作 操作簡單 可顯示數據（波形） 可顯示數據（數組） 可隨時改變值 防程序鎖死 程序易于安裝 程序調試簡單 表 1.4 外觀分支 外觀 布局 合理 符合人機工程學 顏色分明 紅綠燈報警提示 1.4 基本內容和擬解決的主要問題 1.4.1 設計基本內容 本課題進行基于虛擬儀器的液壓系統故障現場快速檢測技術研究，簡化總體框圖如圖 1.1 所示。 因為我們實驗中的原始信號并非是直接可測的電信號，所以我們需要有，由采集軟件（或采集模塊）支持下的硬件進行檢測，并且需要相應的軟件（或模塊）對其以采集的數據進行顯示（輔助檢測人員操作），以及對數據的分析和最后進行對數據的存儲。 該課題軟件系統由 4 大部分組成。 1數據采集模塊； 2信號實時顯示模塊；3 信號處理和分析模塊； 4. 采集數據的保存，通過對這 4 大部分的研究與應用即可實現對液壓系統與測試過程的控制。 6 圖 1.1 總體框圖 1.4.2 擬解決的主要問題 1、對檢測軟件的選擇以及對軟件的安裝和調試，使其滿足本課題對數據處理能力的要求和其他檢測要求。 在進行軟件的安裝和使用時，要加入 DAQ-max 模塊，以及其他模塊。這樣才可以更好的輔助測量。 2、如何實現軟件對實驗數據的采集。 在受到硬件的限制下，可以用模擬信號代替真實信號，同樣可以達到實現軟件功能 的要求。 3、如何實現顯示采集信號以及顯示信號和實驗采集數據的同步。 建立一個擁有圖像以及數表的操作平臺，實時反映當前測量值，從而達到數據顯示和數據采集同步的要求。 4、如何解決對已采集的信號處理，如何實現對數據的分析。 采集的數據往往有噪聲、有干擾，要進行對信號的濾波使其更加精準更加貼近真實值。 5、如何實現以采集數據和結果的存儲與保存。 采集的數據要有存儲功能，方便以后分析。 6、軟件可自主處理部分采集的數據，并且監控液壓系統，當液壓系統某些數據超過軟件所設定的上限值時，有報警功能。 軟件要有實時報警功 能，提醒程序操作人員實時值是夠超出設定范圍并且范圍可調。 溫度傳感器 壓力傳感器 流量傳感器 信號處理系統 數據采集卡 據 采 集 卡 計算機 人機接口 輸出設備 出 設 備 7 1.5 技術路線或研究方法 本課題的研究就是分析并找出液壓元件及系統性能測試中的共同的特點，研究探討適合液壓元件及系統性能測試的方法，并用 LabVIEW 編制測試軟件，進行實驗仿真研究，以期提高液壓元件及系統性能測試的水平。 技術路線和試驗方案： 1、應用液壓仿真軟件對所設計的液壓綜合測試系統進行仿真研究。 2、利用 LabVIEW 編制所需的測試軟件。 3、利用測試軟件中的數據采集模塊，實現對試驗過程中壓力、流量、流速等參數的采集。 4、利用測試軟件中的 信號處理和分析模塊對數據進行處理，并且進行系統性能分析計算和特性曲線的繪制，并完成檢測結果的保存。 8 第 2 章 圖形化編程語言 Labview 2.1 Labview 簡介 2.1.1 LabVIEW 簡介 LabVIEW (Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench，實驗室虛擬儀器工程平臺 )是美國 NI 公司 ational Instrument Company，簡稱 NI 公司 )推出的一種基于 G 語言 (Graphics Language，圖形化編程語言 )的虛擬儀 器軟件開發工具。1983 年，美國 National Instruments 公司一個致力于開發用于控制儀器的 BASIC程序的團隊，注意到了工程師和科學工作者的這種需要，他們從此全力投入一套新的用于開發儀器軟件程序的專門工具，這套軟件就是后來的 LabVIEW。經過十多年這套軟件功能不斷完善，從 1986 年的 LabVIEWI. 0 版發展到 2002 年的LabVIEW6. 1 版，以及 2011 年的最新的 LabVIEW2011 版 Express 版。 LabVIEW 是一套圖形化的開發、調試和運行程序的集成環境。 2.1.2 VI 的特點 VI 由一個用戶界面、圖標代碼和一個接口板組成。接口板用于上層的 VI 調用該 Vi。 VI 具有以下特點 : 1、用戶界面由于類似于儀器的面板也叫做前面板。前面板包括旋鈕、按鈕、圖形和其他控制元件與顯示元件以完成用鼠標、鍵盤向程序輸入數據或從計算機顯示器上觀察結果。 2、 VI 用圖標代碼和連線來完成算術和邏輯運算。圖標代碼是對具體編程問題的圖形解決方案，圖標代碼也就是 VI 的源代碼。 4、 VI 程序使用接口板來替代文本編程的函數參數表，每個輸入和輸出的參數都有自己的連接端口，其他的 VIs 可以由此向 subVI 傳遞數據 。 由于這些特色 LabVIEW 符合模塊化的程序設計概念并對這種概念起到了推進作用。我們把一個復雜的應用程序逐步劃分為一系列簡單的子任務，為每個子任務創建一個 VI，再把它們裝配到另外一個圖標代碼中完成一個復雜的任務。 9 2.1.3 LabVIEW 的體系結構 LabVIEW 的軟件系統體系結構。其中儀器驅動程序主要是完成儀器硬件接口功能的控制程序 ， NI 公司提供了各制造廠家數百種 GPIB， DAQ， VXI 和 RS-232等儀器的驅動程序。有了儀器驅動程序，用戶就不必精通這些儀器的硬件接口，而只要把儀器的用戶接口代碼及數據 處理與分析軟件組合在一起，就可以迅速而方便地構建一臺新的虛擬儀器。 2.2 Labview 軟件特點 LabVIEW 開發平臺的特點如下 1、具有圖形化的編程方式， LabVIEW 的基本編程單元是圖標，不同的圖標表示不同的功能模塊。 LabVIEW 編寫程序的過程也就是選取多個圖標并將圖標用連線連接起來的過程，設計者無需寫任何文本格式的代碼，連線表示個功能模塊間傳遞的數據。被連接的目標之間的數據流控制著執行次序，并允許有多個數據通路同步運行。其編程過程近似于思維過程，容易為多數工程師和技術人員所接受，是真正的工程師的 語言。 2、提供豐富的數據采集、分析及存儲的庫函數。 LabVIEW 是一個帶有擴展功能庫和子程序庫的通用程序設計系統，其開發環境下提供的應用程序有 100多種，大致可分為以下幾個方面 ： 高級分析函數庫、工具箱庫、綜合時頻分析控制箱、儀器驅動函數庫、演示程序庫、開發工具庫和應用程序生成器等，幫助用戶迅速組建自己的應用系統。 3、提供傳統的程序調試手段，如設置斷點、單步運行，同時提供獨具特色的執行工具，使程序動畫式運行，利于設計者觀察到程序運行的細節。程序查錯無需先編譯，只要有語法錯誤， LabVIEW 會自動顯示，并給 出錯誤的類型、原因及準確位置。進行程序調試時，可以在任何位置插入任意多的數據探針，運行程序時， LabVIEW 會給出各探針的具體數值，通過觀察數據流的變化、程序運行的邏輯狀態，尋找錯誤，大大減少了程序調試的時間，使程序的調試和開發更為便捷。 4、 LabVIEW 繼承和發揚了結構化和模塊化程序設計的概念，虛擬儀器是分層次和模塊化的，即可以把任意一個虛擬儀器當作頂層程序，也可以將其當作其他虛擬儀器或自身的子程序，這樣用戶就可以把一個復雜的應用任務分解為一系列的、多層次的子任務，通過為每一個子任務創建一個子虛擬儀器， 并運用方框 10 圖原理把這些子虛擬儀器進行組合、修改、交叉和合并等處理。最后建成的頂層虛擬儀器就成為一個包括所有應用功能的子虛擬儀器的集合。 32 位的編譯器編譯生成 32 位的編譯程序，保證用戶數據采集、測試和測量方案的高速執行。 2.3 Labview 的工作方式 LabVIEW 是一個通用程序開發系統，但它提供了一些專門用于數據采集和儀器控制的函數庫與開發工具。因為 LabVIE W 開發的程序的外觀和操作方式都與實際儀器類似，所以被稱為虛擬儀器，而實際上相當于傳統編程語言中的函數。 任何一個 VI 都是由三個部分組成 ： 一個可 交互的用戶界面、一個相當于源代碼的流程圖和用于與其他 VI 連接的圖標聯結器。 因為可交互的用戶接口與實際儀器的操作面板類似，所以被稱為前面板(Front Panel)。前面板通常包括旋鈕、按鈕、圖形或者其他的控制對象和顯示對象。可以用鼠標或者鍵盤在前面板中輸入數據，觀看程序運行的結果。 VI 從流程圖 (Block Diagram)獲得指令。流程圖用 G 語言編寫，是一種圖形化的編程方式，也是 VI 的源程序代碼。 VI 具有層次結構化的特點，既可以作為主程序，也可以作為其他程序的子程序。 VI 的圖標 (Icon)和聯結器 (Connector)相當于圖形化的參數，其他的 VI 通過它們將數據發送給子 VI。 通過這些功能的實現， LabVIEW 利用并改進了“模塊編程”的概念。可以將一個應用程序分解成若干個彼此獨立的子任務，再分別創建子 VI 完成子任務，最后在另一個流程圖上將這些子 VI 組合起來，完成所需要的功能，所以最后得到的 VI 是由一系列分別執行不同功能的子 VI 所構成的。 由于每個子 VI 都可以獨立執行，所以也簡化了主 VI 的調試工作，而且因為很多底層子 VI 可以執行一些常用的功能，所以可以創建一組專門的子 VI，用于完成某些常用的功能。 2.4 Labview 的程序開發環境 2.4.1 基于 LabVIEW 的數據采集系統 廣義的數據采集包括模擬輸入和模擬輸出兩部分，他們往往使用同一個系統，有許多相同的概念和術語。 數據采集就是將電壓、電流、溫度、壓力等物理信號轉換為數字量并傳遞到 11 計算機中的過程。 數據采集硬件有多種形式，數據采集硬件的選擇要根據具體的應用場合并考慮到自己現有的技術資源。硬件驅動程序就是應用軟件對硬件的編程接口，它包含著對硬件的操作命令，完成與硬件之間的數據傳遞。依靠硬件驅動程序可以大大簡化 LabVIEW 編程工作，提高開發效率，降低開 發成本。 2.4.2 LabVIEW 的編程環境 LabVIEW 程序的創建主要依靠三個模板。控件模板包含各種控制件和顯示件，用來創建程序前面板。函數模板包含編輯程序代碼所涉及到的 VI 程序和函數，這些 VI 程序和函數根據類型的不同被分組放在不同的子模板內。一般在啟動 Lab VIEW 后，這兩個模板會自動顯示出來。控件模板只有對前面板編輯有效，即只在前面板開發窗口激活時才顯示。函數模板只對代碼編輯有效，即只在代碼編輯窗口激活時才顯示。另外一個重要的編程工具是工具模板，該模板上的工具可以對前面板和代碼窗口中的對象進行編 輯。選擇不同的工具，光標變成不同的操作方式，可以修改和操作前面板對象和圖標代碼。 控件模板，頂端的三個按鈕為搜索導航按鈕，用戶使用他們查找制定控件的位置。下邊有 15 個子模板，用以創建不同風格的控件。包括數值子模板、布爾量子模板、字符串和路徑子模板、數組與簇子模板、列表框和表格子模板、圖形子模板、枚舉及單選框子模板、 I/O 接口子模板、參考數子模板、對話框子模板、經典控件子模板、 ActiveX 子模板、調用用戶定制的控件以及用戶子模板。函數模板。包括程序結構子模板、數學運算子模板、布爾值子模板、字符串子模板、數組 子模板、簇子模板、比較子模板、時間與對話框子模板、文件子模板、數據采集子模板、圖形與波形子模板、信號分析子模板、儀器接口子模板、圖像及運動控制子模板、數學分析子模板、通訊子模板、應用程序控制子模板、報表生成子模板、圖形及聲音控制子模板等 21 個子模板。 LabVIEW 還有一個實時的幫助窗口，當你將鼠標光標停留在一個控件或者函數上時，在幫助窗口隨時可以看到關于該控件或者函數的介紹、使用說明等幫助信息，使用非常方便。 2.5 本章 小 結 本章主要介紹了 LabVIEW 圖形化變成語言的概況、發展情況、軟件的特點、VI 的 特點、 LabVIEW 工作方式和開發的環境。 12 LabVIEW 實驗室虛擬儀器工程平臺是美國 NI 公司推出的一種基于 G 語言，他用圖標代碼來代替編程語言創建應用程序的開發工具，相對與其他的程序軟件，簡單易學、通俗易懂，對于程序編輯人員的要求相對較低，這使她有著更大的市場，和更多的使用人數。 用 LabVIEW 編寫的每個虛擬儀器程序稱為一個 VI，每個 VI 有三個部分 :程序前面板、框圖程序和圖標 /連接器。實際上 VIs 類似于傳統編程語言的函數或子程序。 LabVIEW 利用并改進了“模塊編程”的概念。可以將一個應用程序分解成若干 個彼此獨立的子任務，再分別創建子 VI 完成子任務，最后在另一個流程圖上將這些子 VI 組合起來，完成所需要的功能，所以最后得到的 VI 是由一系列分別執行不同功能的子 VI 所構成的。 13 第 3 章 液壓系統故障快速診斷裝置總體設計 3.1 軟件系統框架結構 因為我們實驗中的原始信號并非是直接可測的電信號，所以我們需要有，由采集軟件（或采集模塊）進行檢測，并且需要相應的軟件（或模塊）對其以采集的數據進行顯示（輔助檢測人員操作），以及對數據的分析和最后進行對數據的存儲。 本設計進行基于虛擬儀器的液壓系統故障現場快速檢測技術的 研究，知識框圖如下圖 3.1 系統組成圖所示。 圖 3.1 系統組成 壓力檢測 通信設置 溫度檢測 壓力檢測 波形顯示 圖標顯示 數據平滑 虛擬儀表 實時報警 數據濾波 數據保存 單位選擇 打印 數據采集模塊 數據顯示模塊 數據處理模塊 數據管理模塊 報警上下限設置 報警上下限設置 14 該課題軟件系統由 4 大部分組成。 1、數據采集模塊； 2、信號實時顯示模塊； 3、信號處理和分析模塊； 4.、采集數據管理模； 通過對這 4 大部分的研究與應用即可完成對液壓系統中溫度、壓力、流量的檢測。 1、數據采集模塊 數據采集模塊負責采集傳感器所檢測到的數據，主要用 LabVIEW 中的DAQ-max VI 來實現其功能。 在數據采集模塊中可以對通道設置，可以選擇檢測的種類，例如溫度檢測或者是壓力檢測。 2、 信號實時顯示模塊 顯示模塊負責顯示數據，并把數據以波形圖和圖表兩種形似反應給程序操作人員。 還有操作面板上的輔助顯示，都有顯示模塊實現其功能，例如閃爍燈光、實時值、上下限設定值值等。 在操作過程中交互性強，表現在對話框按鈕等。 3、信號處理和分析模塊 程序中最重要的模塊，他的第一個功能是把采集到的波形進行過濾，使其更加符合真實值、減少誤差。第二個功能是用 LabVIEW 中的條件結構建立一個判定程序，實現實時報警功能。 除以上主要功能外，軟件的單位選擇功能也需要信號處理和分析模塊來實現，他需要把檢測到的信號轉換 成特定單位的值，從而滿足各種程序操作人員習慣上的需求。 4、采集數據的保存 他的主要功能就是把檢測到的數據進行保存和打印等。 3.2 數據采集模塊 數據采集模塊功能如下： 開始、停止數據采集 數據采集根據所選通道性質不同又可分為壓力檢測、流量檢測、溫度檢測 3 15 部分。 3.2.1 壓力檢測 單通道壓力檢測選用數據采集卡的一個模擬輸入通道，用戶在彈出的對話框中選擇所要檢測的通道，軟件系統就從選中的通道中按照設定的采樣頻率采集數據。并將采樣數據以曲線或者表格的形式顯示。在警戒設置中設定報普上下限，當系統壓力超限后， 報警指示燈變亮。如圖 3.2 壓力采集程序框。圖 3.3 壓力采集前面板所示。 圖 3.2 壓力采集程序框圖 從傳感器中出來的原始信號是模擬的電壓信號，必須將它轉化為我們需要的壓力信號，由于被側系統的壓力跟傳感器輸出的電壓在一定范圍內具有較為嚴格的線性關系，只需要將測到的電壓信號乘以一個儀表系數 K，就可以得出所要的壓力信號。壓力傳感器的儀表系數 K=42，即每 伏 電壓相當于 42Mpa 壓力。 圖 3.3 壓力采集前面板 16 3.2.2 流量檢測 因為流量傳感器的輸出是方波脈沖信號， 146 個脈沖對應一升流量，計算數 據 采集卡采集的模擬脈沖個數，并將脈沖個數轉化為流量值，則 :流量 =脈沖個數 /146*計數時間。如圖 3.4 壓力采集程序框所示。 圖 3.4 壓力采集程序框圖 3.2.3 溫度檢測 單通道壓力檢測選用數據采集卡的一個模擬輸入通道，用戶在彈出的對話框中選擇所要檢測的通道，軟件系統就從選中的通道中按照設定的采樣頻率采集數據。并將采樣數據以曲線或者表格的形式顯示。在警戒設置中設定報普上下限，當系統壓力超限后，報警指示燈變亮。圖 3.5 溫度采集程序框圖所示。 圖 3.5 溫度采集程序框圖 3.3 數據處理模塊 數據 處理模塊為本設計較重要的部分， 它 負責把采集到的數據進行處理，從而得到操作員想要的數據。 17 數據處理模塊只要分三大功能，數據處理、實時報警、單位選擇。 3.3.1 數據處理 在液壓檢測技術中，真實地檢測到系統或元件的實驗數據是一方面，另一方面是對實驗數據進行處理，為分析和解決問題提供依據。因為液壓系統中壓力或流量都是在一定范圍內變化的，在極短的時間內如果檢測到超出這個范圍尖銳的特大異常峰值，那一定是由干擾產生的，應該剔除 ;比如在檢測流量的時候如果地線沒有接好，數據采集卡經常會返回很大的計數值，而流量傳感器最小輸 出頻率 15HZ，最大輸出頻率 800 HZ，若每秒鐘總的計數值大于 800，那一定是干擾信號，應該剔除掉。 由于機械設備作業時其工況比較復雜，液壓系統中經常有各種干擾存在，系統所檢測到的信號中不可避免的存在大量的噪聲信號，應該想辦法濾掉，以得到不失真的采樣信號。數據采集過程中采用了多種濾波方式對采樣數據進行濾波，在數據處理模塊中可以針對數據的頻譜對數據進一步濾波。 為了解決這個問題，采用了 LabVIEW 中的濾波器（如圖 3.6）所示，這個功能的特點就是簡單、方便、使用，可以很簡單的就達到程序設計人員的要求。 他可 以設置濾波類型：低通、高通、帶通、帶阻、平滑。 可以設置濾波規范：低截止頻率、高截止頻率。 也可選擇：有、無限長沖激響應（ IIR）過濾器。 還可設定：拓撲結構和階數等。 圖 3.6 濾波器 3.3.2 實時報警 報警模塊主要是當被測系統的物理參數超過正常范圍時通過報警指示燈或者報警聲音提醒操作人員有異常現象發生，并根據異常參數的具體數字判斷應該采取的措施。 主要功能：采集的數據不符合要求時，指示燈變紅并有聲音提示。 18 實現這個功能主要有 2 部分支持，第一是一個實時比對功能，他能把采集到的數據與設定的報警范圍進 行實時的比對，當超出設定的預警范圍時，觸發分支選擇器進行對條件結構的選擇。如圖 3.7 實時對比程序。 圖 3.7 實時對比程序 第二是一個條件結構，當分支選擇器選擇了假時（沒有超出預警范圍），綠色的燈常亮，沒有報警聲音。當分支選擇器選擇了真時（采集到的數據超出預警范圍），紅色的燈亮起，并且報警。如圖 3.8 報警程序。 如圖 3.8 報警程序 3.3.3 單位選擇 為了更好的迎合各類人的習慣和要求，本設計設計了單位選擇功能，他由前面板的布爾控件觸發做出選擇，選擇儲存在程序中的公式，并且利用相應的屬性節點把 整個面板上的圖表和波形圖經行匹配。 1、 溫度可選擇：攝氏度和華氏度。 2、 壓力可選擇：千 帕 和毫米汞柱。 3、流量可選擇：升 /每秒 (L/S)、每分鐘 /立方英尺 (cfm)。 19 3.4 數據管理模塊 主要實現以下功能 : 數據存儲 :將采樣數據保存至文件，以供以后分析，將采樣數據保存至文件，可以存為文本文件或者電子表格文件也可以存為 LabVIEW 特有的動態數據紀錄形式的文件，動態數據紀錄形式的文件只能在本系統中打開。保存程序如圖 3.9所示。 圖 3.9 保存程序 3.5 數據顯示模塊 數據顯示模塊的功能主要是把采集到的和處理 后的數據顯示給程序操作人員，可大大降低操作難度，方便程序操作人員監測，外觀布局合理，顏色分明，更加符合人機工程學。 3.6 本章 小 結 本章主要介紹了液壓系統故障快速診斷裝置的總體設計和其軟件系統的構架，包括數據采集模塊、數據處理模塊、數據管理模塊和數據顯示模塊。 在數據采集模塊中介紹了壓力檢測模塊、流量監測模塊和溫度檢測模塊，并介紹了相應的程序框圖和操作面板和其檢測的原理。 數據處理模塊中介紹了數據處理、實時報警和單位選擇的功能，如何設置其相應的選項，并闡述了工作原理。 對于數據顯示模塊主要介紹了設計的目的 和意義。 本章是設計的核心，對總體設計進行了圖文并茂的闡述和說明。 20 第 4 章軟件使用說明 4.1 設計程序說明 設計立意及創新點： 1、能夠輔助課堂教學或實驗教學。 2、有利于創新性思維的擴展。 3、幫助對于液壓知識的理解與學習。 4、如做成實物可以讓檢測人員更加方便、直觀的檢測出液壓系統是否存在故障及發生故障的可能原因。 作品功能簡介： 1、可以對液壓系統的溫度、流量、壓力實時值進行檢測，并用波形及其圖表的形式反應給程序操作人員。 2、可以對信號發生源的大小進行改變。 3、具有聲光報警功能，提醒程序人員 ，當前測量值是否超過設定值。 4、可以選擇不同的單位，符合更多人的使用習慣及其要求。 5、檢測的數據可以保存，以方便日后查看。 程序設計亮點： 1、充分利用了 labview 中的并行概念。 2、在本程序中靈活運用了條件結構。 3、利用在一定范圍內生成隨機數來模擬信號，可以更好的反映出本程序的功能及用法，也可以更加真實的模擬出各種實際的信號。 其他補充 本次的檢測信號是人為給出的模擬信號，模擬信號在一定范圍隨機（范圍可調）目的是可以更好的反應出程序的功能。人為給定信號是因為可以更好的仿真。 4.2 使用流程 4.2.1 啟動軟件過程 1、首先啟動程序，面板保持在啟動界面板塊時，點擊 運行按鈕 ，將讀進度條運行程序如圖 4.1 所示。 21 2、啟動后提示“輸入密碼”如圖 4.2 所示，密碼為 123。輸入密碼，點擊“確定”，將提醒“登陸成功”點擊“確定”如圖 4.3 所示將進入綜合測試環節。 3、在選 板上分別有“ 壓力 ”，“流量 ”以及“溫度測量 ”板塊，點擊任意板塊可對相應的量進行測量。 圖 4.1 運行程序 如圖 4.2 密碼輸入提示框 圖 4.3 登陸成功提示框 4.2.2 溫度測量 1、點擊“溫度測量板塊”界面如圖 4.4 所示。 2、在選板上對“上限值” ，“下線值” 。“聲音報警是否啟動” 按鈕進行設定。“單位選 22 擇” 以及對“信號大小進行調整”通過幅值旋鈕來實現，圖 4.5所示。超過設定范圍警燈將會變紅（ ）并發出蜂鳴聲。 3、點擊“開始” 按鈕，開始對溫度進行測量，將會顯示圖像數據圖 4.6 所示和表格數據圖 4.7 所示以及測量時間。 4、點擊“停止” 按鈕，將停止測量，同時彈出對話框（界面如圖 4.8 所示，界面為參考界面，實際因電腦界面而異）詢問是否對數據進行保存，選擇保存路徑可對數據進行保存。 圖 4.4 溫度測量板塊 : 圖 4.5 溫度幅值旋鈕圖 23 圖 4.6 圖像數據 圖 4.7 表格數據 圖 4.8 數據保存對話框 4.2.3 流量測量 1、點擊“流量測量板塊”界面如圖 4.9 所示。 2 、 在 選 板 上 對 “ 上 限 值 ” ，“ 下 限 值 ” 24 ，“聲音報警是否啟動” 按鈕進行設定。“單位選擇” 以及對“信號大小進行調整”通過幅值旋鈕來實現，如圖 4.10 所示。超過設定范圍燈會變紅（ ）并發出蜂鳴聲。 3、點擊“開始” 按鈕，開始對流量進行測量，將會顯示圖像數據如圖 4.11 所示和表格數據如圖 4.12 所示，指示表如圖 4.13 所示以及測量時間。 4、點擊“停止” 按鈕，將停止測量，同時彈出對話框（界面如圖 4.8 所示，界面為參考界面，實際因電腦界面而異）詢問是否對數據進行保存，選擇保存路徑可對數據進行保存。 圖 4.9 流量測量板塊 圖 4.10 流量幅值旋鈕 25 圖 4.11 圖像數據 圖 4.12 表格數據 圖 4.13 指示表 4.2.4 壓力測量 1、點擊“壓力測量板塊”。界面如圖 4.14 所示。 2、在選板上對“上限值” ，“下限值” ，“聲音報警是否啟動” 按鈕進行設定。“單位選擇” 以及對“信號大小進行調整”通過幅值旋鈕來 26 實現， 圖 4.15 所示。在開啟警燈的狀態下，超過設定范圍燈會變紅（ ）并發出蜂鳴聲。 3、點擊“開始” 按鈕，開始對壓力進行測量，將會顯示圖像數據如圖 4.16 所示和表格數據如圖 4.17 所示指示表如圖 4.18 所示以及測量時間。 4、點擊“停止” 按鈕，將停止測量，同時彈出對話框（界面如圖 4.8 所示，界面為參考界面，實際因電腦界面而異）詢問是否對數據進行保存，選擇保存路徑可對數據進行保存。 5、結束退出測量系統點擊“總停”按鈕 （在未點擊各板塊停止按鈕的情況下，總停不起作用）。 圖 4.14 壓力測量板塊 圖 4.15 壓力幅值旋鈕 27 圖 4.16 圖像數據 圖 4.17 表格數據 圖 4.18 指示表 4.3 本章小結 本章為設計程序說明，詳細的介紹了本程序中溫度測量、壓力測量、流量測量的使用 方法，各種圖標的說明，各個空間是如何控制軟件、怎么控制軟件的，它 可以使零基礎的操作員在看后熟練的操控本軟件。 28 結 論 在本論文中，詳細分析了基于虛擬儀器的液壓檢測系統的設計思路，根據虛擬儀器“軟件就是儀器”的核心思想，成功地開發了液壓動態監測系統配套軟件。 軟件采用 LabVIEW 圖形化編程語言，系統操作簡單、功能完善、 具有良好的人機界面。用靜態的檢測儀器對新系統進行標定以后，使用新系統進行了檢測試驗。通過對系統的研究和開發，得出以下結論 : 1、檢測試驗結果證明采用虛擬儀器的液壓動態檢測系統和傳統的檢測儀器相比，測量精度更高，采集的數據點多，能夠更為真實地反映被測參數實時變化的情況。 2、易用性和可擴展性好。只需更換傳感器，在軟件中選擇合適的量程，就可以適應不同的液壓系統的檢測。系統還可以增加更多的板卡或者擴展板，用以組建更大規模的檢測系統。跟傳統檢測儀器相比，虛擬儀器開發和維護費用更低，技術更新快。 3、在數據采集過程中 采取了濾波、消噪方法，用來消除測試現場中不可避免的各種噪聲和干擾。 29 參考文獻 1 鄧焱，王磊 . LabVIEW7.1 測試技術與儀器應用 M. 北京：機械工業出版社，2004 2 楊小強 . 基于虛擬儀器技術和 PDA 的工程機械液壓系統檢測儀 J. 機械制造， 2005（ 12） 3 金毅 . 基于虛擬儀器的液壓故障診斷系統設計 J. 微計算機信息， 2010（ 4） 4 袁海龍 . 挖掘機液壓系統檢測儀的研制 J. 儀器儀表與分析監測， 2010（ 1） 5 侯國屏 . LabVIEW7.1 編程與虛 擬儀器設計 M.