【文章內(nèi)容簡介】 溫 II2 右低壓油缸油溫 II3 回油冷卻前油溫 II4 回油冷卻后油溫 II5 低壓水溫 超高壓測試系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案數(shù)據(jù)采集（DAQ）是Labview的核心技術(shù)之一[12]。一個(gè)完整的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（DAQ）系統(tǒng)包括計(jì)算機(jī)、傳感器和變換器、信號(hào)調(diào)理模塊、數(shù)據(jù)采集設(shè)備、硬件驅(qū)動(dòng)引擎、應(yīng)用程序編程接口、硬件配置管理軟件、應(yīng)用軟件等。 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)作為系統(tǒng)軟硬件的載體，計(jì)算機(jī)是不可缺少的，而且數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的性能受計(jì)算機(jī)處理速度和數(shù)據(jù)傳送能力影響。傳感器和變換器是將各種物理信號(hào)（包括電量信號(hào)和非電量信號(hào)）轉(zhuǎn)換為DAQ系統(tǒng)可以采集的電量信號(hào)。傳感器和變換器輸出的信號(hào)常常不直接被采集設(shè)備讀取，需要進(jìn)行放大、濾波、隔離等操作，信號(hào)調(diào)理模塊的作用就是實(shí)現(xiàn)這些操作。經(jīng)過信號(hào)調(diào)理的信號(hào)就可以送入數(shù)據(jù)采集設(shè)備進(jìn)行采集。數(shù)據(jù)采集設(shè)備的作用是將獲取的信號(hào)轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)能夠識(shí)別的數(shù)據(jù)，并送入計(jì)算機(jī)中。數(shù)據(jù)采集設(shè)備和計(jì)算機(jī)之間的接口一般有兩種：一種是插卡式，DAQ卡通過計(jì)算機(jī)中PCI/PXI插槽直接將獲取的數(shù)據(jù)傳輸給計(jì)算機(jī)；另一種是總線式，計(jì)算機(jī)外的DAQ硬件首先獲得數(shù)據(jù)，然后通過串口、并口、USB、GPIB等總線將數(shù)據(jù)傳輸給計(jì)算機(jī)。數(shù)據(jù)采集設(shè)備傳輸給計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)還不能被軟件直接使用，需要有驅(qū)動(dòng)程序、應(yīng)用程序編程接口（API）、硬件配置管理軟件等完成硬件和軟件之間的協(xié)調(diào)。本文采用NI公司的Labview軟件，其中，該軟件提供了兩套驅(qū)動(dòng)程序：傳統(tǒng)NIDAQ和NIDAQmx。兩套驅(qū)動(dòng)程序分別提供了不同的應(yīng)用程序編程結(jié)構(gòu)、硬件配置方法。應(yīng)用軟件包括開發(fā)軟件和最終的應(yīng)用程序，超高壓系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)請(qǐng)看第五章。第三章 800MPa超高壓系統(tǒng)測試硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 傳感器 傳感器選型原則[16]現(xiàn)代傳感器在原理與結(jié)構(gòu)上千差萬別，如何根據(jù)具體的測量目的、測量對(duì)象以及測量環(huán)境合理地選用傳感器，是在進(jìn)行某個(gè)量的測量時(shí)首先要解決的問題。當(dāng)傳感器確定之后，與之相配套的測量方法和測量設(shè)備也就可以確定了。測量結(jié)果的成敗，在很大程度上取決于傳感器的選用是否合理。要進(jìn)行一個(gè)具體的測量工作，首先要考慮采用何種原理的傳感器，這需要分析多方面的因素之后才能確定。因?yàn)椋词故菧y量同一物理量，也有多種原理的傳感器可供選用，哪一種原理的傳感器更為合適，則需要根據(jù)被測量的特點(diǎn)和傳感器的使用條件考慮以下一些具體問題:量程的大小。被測位置對(duì)傳感器體積的要求。測量方式為接觸式還是非接觸式。信號(hào)的引出方法，有線或是非接觸測量:傳感器的來源，國產(chǎn)還是進(jìn)口，價(jià)格能否承受，還是自行研制。在考慮上述問題之后就能確定選用何種類型的傳感器，然后再考慮傳感器的具體性能指標(biāo)。通常，在傳感器的線性范圍內(nèi)，希望傳感器的靈敏度越高越好。因?yàn)橹挥徐`敏度高時(shí)，與被測量變化對(duì)應(yīng)的輸出信號(hào)的電壓電流值才比較大，有利于信號(hào)處理。但要注意的是，傳感器的靈敏度高，與被測量無關(guān)的外界噪聲也容易混入，也會(huì)被放大系統(tǒng)放大，影響測量精度。因此，要求傳感器本身應(yīng)具有較高的信噪比，盡量減少從外界引入的干擾信號(hào)。傳感器的靈敏度是有方向性的。當(dāng)被測量是單向量，而且對(duì)其方向性要求較高，則應(yīng)選擇其方向靈敏度小的傳感器。如果被測量是多維向量，則要求傳感器的交叉靈敏度越小越好。傳感器的頻率響應(yīng)特性決定了被測量的頻率范圍，必須在允許頻率范圍內(nèi)保持不失真的測量條件，實(shí)際上傳感器的響應(yīng)總有一定延遲，希望延遲時(shí)間越短越好。傳感器的頻率響應(yīng)高，可測的信號(hào)頻率范圍就寬，而由于受到結(jié)構(gòu)特性的影響，機(jī)械系統(tǒng)的慣性較大，因而頻率低的傳感器可測信號(hào)的頻率較低。在動(dòng)態(tài)測量中，應(yīng)根據(jù)信號(hào)的特點(diǎn)(穩(wěn)態(tài)、瞬態(tài)、隨機(jī)等)響應(yīng)特性，以免產(chǎn)生過火的誤差。傳感器的線性范圍是指輸出與輸入成正比的范圍。以理論上講，在此范圍內(nèi)，靈敏度保持定值。傳感器的線性范圍越寬，則其量程越大，并且能保證一定的測量精度。在選擇傳感器時(shí)，當(dāng)傳感器的種類確定以后首先要看其量程是否滿足要求。但實(shí)際上，任何傳感器都不能保證絕對(duì)的線性，其線性度也是相對(duì)的。當(dāng)所要求測量精度比較低時(shí)，在一定的范圍內(nèi)，可將非線性誤差較小的傳感器近似看作線性的，這會(huì)給測量帶來極大的方便。傳感器使用一段時(shí)間后，其性能保持不變化的能力稱為穩(wěn)定性。影響傳感器長期穩(wěn)定性的因素除傳感器本身結(jié)構(gòu)外，主要是傳感器的使用環(huán)境。因此，要使傳感器具有良好的穩(wěn)定性，傳感器必須要有較強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)能力。在選擇傳感器之前，應(yīng)對(duì)其使用環(huán)境進(jìn)行調(diào)查，并根據(jù)具體的使用環(huán)境選擇合適的傳感器，或采取適當(dāng)?shù)拇胧?，減小環(huán)境的影響。傳感器的穩(wěn)定性有定量指標(biāo)，在超過使用期后，在使用前應(yīng)重新進(jìn)行標(biāo)定，以確定傳感器的性能是否發(fā)生變化。精度是傳感器的一個(gè)重要的性能指標(biāo)，它是關(guān)系到整個(gè)測量系統(tǒng)測量精度的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。傳感器的精度越高，其價(jià)格越昂貴，因此，傳感器的精度只要滿足整個(gè)測量系統(tǒng)的精度要求就可以，不必選得過高。這樣就可以在滿足同一測量目的的諸多傳感器中選擇比較便宜和簡單的傳感器。如果測量目的是定性分析的，選用重復(fù)精度高的傳感器即可，不宜選用絕對(duì)量值精度高的。如果是為了定量分析，必須獲得精確的測量值，就需選用精度等級(jí)能滿足要求的傳感器。對(duì)某些特殊使用場合，無法選到合適的傳感器，則需自行設(shè)計(jì)制造傳感器。自制傳感器的性能應(yīng)滿足使用要求。 傳感器的工作原理和選型本課題所采集的信號(hào)為超高壓系統(tǒng)的壓力、溫度、形變和振動(dòng)，相應(yīng)地需要這四類傳感器。下面在分析各自傳感器工作原理的基礎(chǔ)和以上對(duì)傳感器選型注意事項(xiàng)選擇超高壓系統(tǒng)測試所需的傳感器。1． 壓力傳感器的工作原理和選型(1)壓力傳感器的工作原理本文測試壓力參數(shù)的傳感器均選用壓電式壓力傳感器，某些電介質(zhì)沿著某一個(gè)方向受力而發(fā)生機(jī)械變形(壓縮或伸長)時(shí)，其內(nèi)部將發(fā)生極化現(xiàn)象，而在其某些表面上會(huì)產(chǎn)生電荷。當(dāng)外力去掉后，它又會(huì)重新回到不帶電的狀態(tài)，此現(xiàn)象稱為“壓電效應(yīng)”。常用的壓電材料有天然的壓電晶體(如石英晶體)和壓電陶瓷(如鈦酸鋇)兩大類，它們的壓電機(jī)理并不相同，壓電陶瓷是人造多晶體，壓電常數(shù)比石英晶體高，但機(jī)械性能和穩(wěn)定性不如石英晶體好。它們都具有較好特性，均是較理想的壓電材料。 壓電式壓力傳感器是利用壓電材料的壓電效應(yīng)將被測壓力轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的裝置。由壓電材料制成的壓電元件受到壓力作用時(shí)產(chǎn)生的電荷量與作用力之間呈線性關(guān)系： Q=KSp （31）式中 Q為電荷量；k為壓電常數(shù)；S為作用面積；p為壓力。通過測量電荷量可知被測壓力大小。(2)壓力傳感器的選型①超高壓水切割系統(tǒng)蓄能器壓力傳感器選擇。輸出口水壓力約為800 MPa。選用西安交通大學(xué)維納儀器有限責(zé)任公司生產(chǎn)的ZQGY 型壓力傳感器。ZQGY 型采用的先進(jìn)技術(shù)工藝，放大電路和壓力芯體采用國際著名品牌的元器件，經(jīng)過精密的溫度補(bǔ)償、精湛的全不銹鋼密封焊接和完善的裝配工藝，使產(chǎn)品具有精度高、抗干擾、過載和沖擊能力強(qiáng)、防潮性和長期穩(wěn)定性好等特點(diǎn)。備有多種壓力接口和電氣接口供客戶選配，以滿足各種工業(yè)過程中超高壓力的測量和控制。ZQGY 、。 ZQGY 型超壓壓力傳感器ZQGY 型壓力傳感器的主要技術(shù)參數(shù)： 量程：0到800MPa。精度：。輸出信號(hào)：4～20mA（二線制）或0～10V（三線制）。供電電壓：9～36VDC（二線制）。介質(zhì)溫度：30℃～＋85℃ 。環(huán)境溫度：20℃～＋85℃。允許過荷：200％FS。溫度漂移：≤177。％FS／10℃ 。穩(wěn)定性：177。％FS／年～177。％FS／年。外殼材質(zhì)：316L不銹鋼。接口材質(zhì)：316L不銹鋼。壓力接口：MG1／1／4NPT等外螺紋或根據(jù)用戶要求定制。電氣接口：四芯屏蔽電纜（防護(hù)等級(jí)IP65）、航空插頭、DIN接頭。標(biāo)識(shí)：采用激光打標(biāo)，確保產(chǎn)品可永久追朔性。②低壓缸液壓油壓力傳感器選擇。液壓油的壓力在40到60 MPa。選用北京意賽德科技發(fā)展有限公司W(wǎng)YB2高溫壓力變送器。為耐高溫壓力傳感器芯體，由于采用MEMS技術(shù)和SOI技術(shù)，集成平膜壓力感傳器芯體，并采用先進(jìn)的梁膜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，使其具有耐高溫及高溫瞬時(shí)沖擊的能力。傳感器輸出信號(hào)經(jīng)過分體式變送盒的放大處理，將其轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)電信號(hào)。傳感器殼體采用激光焊接封裝，確保了該產(chǎn)品的優(yōu)異性能和長期穩(wěn)定性。分體式設(shè)計(jì)，便于用戶調(diào)整零位、滿度，該壓力變送器廣泛應(yīng)用于航空、航天、國防、石油、化工、冶金、電力、船舶、汽車、醫(yī)藥、科研等領(lǐng)域?qū)Ω邷貧怏w、液體的測量。 WYB2型高溫壓力變送器WYB2高溫壓力變送器的主要技術(shù)參數(shù)：量程：0到60MPa；精度：；輸出信號(hào)：4～20mA（二線制）。供電電壓：標(biāo)準(zhǔn)24VD。中低溫 20℃～100℃ －40℃～125℃。測量介質(zhì)：與硅、不銹鋼、玻璃兼容的各種液體或氣體。溫度漂移：≤177。％FS／10℃。穩(wěn)定性：177。％FS／年～177。％FS／年。相對(duì)濕度：0%～85%。絕緣電阻：100MΩ(50VDC)。過載壓力：≥200%FS或最大100MPa。接口材質(zhì)：316L不銹鋼 。壓力接口：MG1／1／4NPT等外螺紋 (1)溫度傳感器的工作原理本文選用熱電偶測溫傳感器，（a）所示。熱電偶是將兩種不同材料的導(dǎo)體或半導(dǎo)體A和B焊接起來，構(gòu)成一個(gè)閉合回路，若導(dǎo)體A和B的連接處溫度不同，則在此閉合回路中就有電流產(chǎn)生，也就是說回路中有電動(dòng)勢存在，這種現(xiàn)象叫做熱電效應(yīng)。eAB(T0)TT0ABeA(T,T0)eB(T,T0)eAB(T)TT0AB (a) (b) 熱電偶原理圖由導(dǎo)體材料A、B組成的閉合回路，其接點(diǎn)溫度分別為T、T0,如果T＞T0，則必存在著兩個(gè)接觸電勢和兩個(gè)溫差電勢，（b）所示，回路總電勢： （32） 其中，NAT、NAT0—導(dǎo)體A在結(jié)點(diǎn)溫度為T和T0時(shí)的電子密度； NBT、NBT0——導(dǎo)體B在結(jié)點(diǎn)溫度為T和T0時(shí)的電子密度；σA 、 σB——導(dǎo)體A和B的湯姆遜系數(shù)。根據(jù)電磁場理論可得 （33）由于NA、NB是溫度的單值函數(shù)，所以有溫度與電動(dòng)勢呈線性關(guān)系: (34)(2)溫度傳感器的選型①左、右高壓缸剛體溫度最高在90℃左右。本文選用北京賽凌科技有限公司生產(chǎn)的STTTF表面貼系列溫度傳感器。本文選擇STTTF ATB1F2L1500PIT6W0S0表面貼熱電偶溫度傳感器，采用金屬外殼封裝，內(nèi)部填充導(dǎo)熱材料和密封材料灌封而成，主要用于各種金屬、非金屬表面緊貼探測溫度,具有反應(yīng)速度快、性能穩(wěn)定等特點(diǎn)。STTTF型表面貼溫度傳感器主要技術(shù)參數(shù)：電阻值范圍:R=5K～500KΩ；B值范圍:3300～4600K；工作溫度范圍:20～105℃；熱時(shí)間常數(shù):小于6秒；絕緣強(qiáng)度:DC500V 100MΩ。（a）（b）所示。 （a） (b) STTF表面貼溫度傳感器②長堵塞溫度約為80℃。由于長堵塞機(jī)械結(jié)構(gòu)原因和測試不允許拆卸部件，此處選用深圳市海貝兒電子有限公司生產(chǎn)的非接觸式HBIR0810型。先進(jìn)的全數(shù)字化設(shè)計(jì)，多種模擬和數(shù)字信號(hào)輸出方式，先進(jìn)的光學(xué)結(jié)構(gòu)，測量距離遠(yuǎn)，寬的工作環(huán)境溫度，安裝簡便，易于維護(hù)，成本低廉。 HBIR0810紅外溫度傳感器非接觸式HBIR0810型溫度傳感器主要技術(shù)參數(shù)：測溫范圍在0～300℃；距離系數(shù)為5：1；測量距離0～15m； DC或者5V DC。重復(fù)測量誤差小于177。1℃；814μm光譜響應(yīng)；177。2℃或者2%的目標(biāo)溫度測量精度；℃的分辨率；500ms的響應(yīng)時(shí)間或更短；全溫度標(biāo)定和補(bǔ)償；③液壓油溫度溫度一般在70～90℃，由于在不破壞或少破環(huán)原系統(tǒng)的基礎(chǔ)上只好選擇插入式熱電偶溫度傳感器測量，本文選用北京賽凌科技有限公司生產(chǎn)的STTTS螺旋式溫度傳感器，適用于設(shè)備表面和內(nèi)部溫度的測量，安裝簡單方便，(a)（b）所示。（a） （b） STTTS螺旋式溫度傳感器 (1)電阻應(yīng)變片的工作原理導(dǎo)體或半導(dǎo)體在外力作用下產(chǎn)生機(jī)械形變時(shí)，它的電阻值也相應(yīng)的發(fā)生變化，這一物理現(xiàn)象稱為電阻應(yīng)變效應(yīng)。電阻絲應(yīng)變片就是利用這種效應(yīng)，用極細(xì)的金屬絲繞成（腐蝕式電阻應(yīng)變片用極簿的金屬箔片印刷腐蝕而成），用特殊的膠粘貼在試件上，試件受到外力作用而產(chǎn)生應(yīng)力變化，使電阻應(yīng)變片的長度比相應(yīng)地變化△L/L,應(yīng)變片的電阻值比變化△R/R，這種變化關(guān)系在一定范圍內(nèi)是近似線性的。根據(jù)電阻定義式: (35)當(dāng)有變化量變化時(shí)，其相對(duì)的變化率為式: (36)再由熱力學(xué)的泊松比式（38）得到電阻與溫度程線性關(guān)系式: (37 (38) 其中，為應(yīng)變靈敏系數(shù)；是由幾何尺寸改變引起的，金屬材料一次為主；表示是由材料電阻率隨應(yīng)變而引起的變化，半導(dǎo)體材料以此為主。，即四個(gè)橋臂均為同規(guī)格應(yīng)變片，橋臂電阻為R，其增量均為△R，其輸出電壓： (39) 全橋與單臂電橋相比較，其輸出電壓提高到4倍，既能克服非線性誤差，又能進(jìn)行溫度補(bǔ)償。(2)應(yīng)變片的選型根據(jù)應(yīng)變片的質(zhì)