2.2.3　测试系统设计

系统中需要采集的对象包括压力、流量、转速、转矩、油温等信息，转换为电信号，进入系统参与控制，并且变频器、比例阀、电磁阀要被操作台和触摸屏远程控制，同时消除变频器对系统的干扰。

（1）测试系统组成

液压试验台的测试系统主要由转速转矩采集仪、数据采集卡、各类传感器、比例放大板、工控机、抗干扰电路及外围设备组成，图2-10是测试系统的硬件结构框图。所有的数据都是通过转速转矩采集仪和数据采集卡传输到工控机上，实现数据处理和显示。转速转矩采集仪把采集到的数据通过R232/R485接口传输到工控机COM口，数据采集卡插在计算机PCI插槽中，通过采集到的数据对比例阀、电机、油温加温器等进行控制和操作。

传感器把采集到的物理信号转换成电信号，经过抗干扰电路处理后送入数据采集卡转换成计算机可以识别处理的标准数字量信号，工控机进行数据采集、处理和显示并参与液压系统控制。所有的模拟数据输出量是通过PLC模拟量输出模块（AO）进行输出的，输出控制量主要有压力、电机转速、油液温度，用户可以在触摸屏上输入控制参数大小，结合采集反馈的信号对比例放大板、变频器进行联合控制。

（2）传感器

针对液压泵和液压马达的出厂测试，被测试的信号都是进入采集卡，这就要求被测的压力、流量、转矩、转速、温度等信号要经过电信号转换，转换成计算机可以识别的标准数字信号输入到计算机中。为了规范模拟量的输入以及提高传感器采集的信号在传输过程中的抗干扰能力，试验台的压力、流量、温度传感器都选择二线制的电流型传感器，供电电源为DC24V，输出电流为4～20mA。

①压力传感器　考虑到被试验压力的量程，所有压力传感器为瑞士HUBA公司制造的5110EM压力变送器，量程为60MPa，该压力变送器的线性、迟滞和重复性之和小于±0.3%fS，零点及满量程的精度可调整到小于±0.3%fS。

②流量传感器　其用来测量被试泵和马达的流量以及泄漏量，采用CT系列涡轮流量计，图2-9中7为CT50-5V-B-B，量程为60L/min，8为CT600HP-5V-S-B，量程为600L/min。

③温度传感器　其用来测量液压油箱中液压油的温度，选用SBWZ-2480K2300B400热电阻温度传感器，其量程为-50～100℃。

④转速转矩传感器　其用来测试被试泵和马达的转速、转矩以及功率，此处选用NJ型转速转矩传感器。

NJ型转速转矩传感器工作原理如图2-11所示。弹性轴两端各装一个信号齿轮，各齿轮上方装有一个信号线圈，线圈内部装磁钢，磁钢和信号齿轮组成信号发生器。这两对信号发生器可以产生两组交流信号，它们的频率相同且和轴转速成正比，故可测出转速。在弹性轴受扭力时，将产生扭转变形，使两组交流电信号之间的相位差发生变化，在弹性变形范围内，相位差变化的绝对值与转矩的大小成正比，故可测出转矩。

转矩测量精度分为0.1级和0.2级。静校——直接用砝码产生标准力矩校准时，其测量误差 0.1级不大于额定值的±0.1%，0.2级不大于额定值的±0.2%。转速变化的附加误差——在规定转速范围内变化时，转矩读数变化不大于额定转矩的±0.1%（国家标准为±0.2%）。

⑤其他传感器　如蝶阀上的行程开关、液位计等都是开关量信号，供电电源为DC24V，回路输出信号到PLC，电压为0V或24V。

（3）转速转矩采集仪

NC-3型转速转矩采集仪与磁电式相位差型NJ转速转矩传感器配套使用，可以精确测定各种动力机械的转速、转矩和功率。NC-3型转速转矩采集仪采用高速数字信号处理器（DSP）和大规模可编程逻辑芯片（CPLD）构成简洁高效的数据采集和处理系统，独特的设计和先进的表面贴装工艺大大提高了系统的可靠性和抗干扰能力，硬件具有两级看门狗功能，保证系统在异常时能及时复位。

NC-3型转速转矩采集仪功能强大，有极大的灵活性和通用性：支持RS232/RS485或者CAN通信方式，可以和计算机简便、灵活、快速通信；支持正反转双向调零，单点或多点调零；模拟量输入可以适应0～5V和1～5V（4～20mA）；最快采样时间为1ms。

（4）比例放大器

所用到的比例放大器均配合比例压力阀使用，控制电磁铁的电流大小，根据比例控制器或电位器输入的信号调节阀芯的位置控制比例阀的压力大小，通过人机界面上输入和电位器控制输入信号大小。选用阿托斯公司生产的E-MI-AC-01F，该放大器是一个快速插入式的，放大器放在铝盒里，使用起来方便简单。该比例放大器具有上升/下降、对称（标准）或非对称斜坡发生器，输入和输出线上增加了电子滤波器。

比例放大器的主要特性如表2-1所示，接线如图2-12所示。

①电源　电源必须足够稳定或经整流和滤波：用单向整流器至少要10000μF/40V的电容器；用三相整流器至少要4700μF/40V的电容器。输入信号和主电气控制柜之间的连接电缆必须是屏蔽十字电缆，注意正、负极绝对不能反接，将电缆屏蔽可以避免电磁噪声干扰，要符合EMC规范，将屏蔽层连接到无噪声地。放大器应远离辐射源，如大电流电缆、电机、变频器、中继器、便携式收音机等。

②输入信号　电子放大器接受电位器输入的0～5V电压信号；接受由PLC送来的0～10V电压信号。

③增益调整　 驱动电流和输入信号之间的关系可用增益调整器调整，即调整图2-13中的P3。

④偏流调整（死区调整）　死区调整是为了使阀的液压零（初始位置调整）与电气零位置相对应，电子放大器与配用的比例阀调整校准，当输入电压等于或大于100mV时才有电流。

⑤斜坡调整　内部斜坡发生器电流将输入的阶跃信号转换为缓慢上升的输出信号，电流的上升/下降时间可通过图2-13中的P1调整，输入信号幅值从0V上升到10V所需最长时间可为10s。

图2-13中接线共有7个端子：M检测点信号（驱动电路）；1正极电源；2接地端子；3输出+5VDC 10mA；4正信号输入；5负信号输入；6双电流信号与5点连接。调整开关一共有6个：P1斜坡升；P2非对称斜坡降；P3增益；P4偏流；P5颤振；L1使能指示灯。

（5）数据采集卡

液压泵-马达综合试验台液压系统共有21个模拟量输入，控制和采集系统的数字量输入和输出都是通过PLC实现的。从性价比综合衡量，最终选用研华的两块PCI-1711L数据采集卡，特性如表2-2所示。

（6）测试系统抗干扰措施

在电机的各种调试方式中，变频调速传动占有极其重要的地位，此处的电机就是选用变频器调试。但是变频器大多运行在恶劣的电磁环境，且作为电力电子设备，内部由电子元器件、微处理芯片等组成，会受外界的电磁干扰。另外，变频器的输入和输出侧的电压、电流含有丰富的高次谐波。当变频器运行时，既要防止外界的电磁干扰，又要防止变频器对外界的传感器、二次仪表等设备干扰。每个电子元器件都有自己的电磁兼容性，即每个电子元器件都会对外界产生电磁干扰，同时也会受外界的电磁干扰，为了使这种干扰降到最小，采用以下方案。

①强、弱电分离方案　电气干扰大多来自强电系统，所以本系统在布线和设计时严格按照强、弱电分离原则，把强电统一放在变频器柜，弱电放在弱电操作柜，并且布线是强电和弱电分槽布线，弱电的电源盒信号线也分开布置。传感器的电源和继电器的电源各使用独立的电源。

②多重屏蔽方案　在布线过程中变频器柜要接地，并且变频器到电机的电缆必须采用屏蔽电机电缆，电缆屏蔽层必须连接到变频器外壳和电机外壳，当高频噪声电流必须流回变频器时，屏蔽层形成一条有效的通道。弱电操作柜也要采取屏蔽措施减少外界电磁干扰。传感器信号线也全部采用屏蔽线，并且屏蔽层要接地。

③采用滤波器　滤波器是用来消除干扰杂信的器件，将输入或输出经过过滤而得到纯净的直流电，对特定频率的频点或该频点意外的频率进行有效滤除，在此把滤波器主要安装在传感器电源的输入端，提高传感器供电电源的稳定性。