【文章內容簡介】 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)總體設計方案數據采集（DAQ）是Labview的核心技術之一[12]。一個完整的數據采集系統(tǒng)（DAQ）系統(tǒng)包括計算機、傳感器和變換器、信號調理模塊、數據采集設備、硬件驅動引擎、應用程序編程接口、硬件配置管理軟件、應用軟件等。 數據采集系統(tǒng)作為系統(tǒng)軟硬件的載體，計算機是不可缺少的，而且數據采集系統(tǒng)的性能受計算機處理速度和數據傳送能力影響。傳感器和變換器是將各種物理信號（包括電量信號和非電量信號）轉換為DAQ系統(tǒng)可以采集的電量信號。傳感器和變換器輸出的信號常常不直接被采集設備讀取，需要進行放大、濾波、隔離等操作，信號調理模塊的作用就是實現這些操作。經過信號調理的信號就可以送入數據采集設備進行采集。數據采集設備的作用是將獲取的信號轉換成計算機能夠識別的數據，并送入計算機中。數據采集設備和計算機之間的接口一般有兩種：一種是插卡式，DAQ卡通過計算機中PCI/PXI插槽直接將獲取的數據傳輸給計算機；另一種是總線式，計算機外的DAQ硬件首先獲得數據，然后通過串口、并口、USB、GPIB等總線將數據傳輸給計算機。數據采集設備傳輸給計算機的數據還不能被軟件直接使用，需要有驅動程序、應用程序編程接口（API）、硬件配置管理軟件等完成硬件和軟件之間的協(xié)調。本文采用NI公司的Labview軟件，其中，該軟件提供了兩套驅動程序：傳統(tǒng)NIDAQ和NIDAQmx。兩套驅動程序分別提供了不同的應用程序編程結構、硬件配置方法。應用軟件包括開發(fā)軟件和最終的應用程序，超高壓系統(tǒng)軟件設計請看第五章。第三章 800MPa超高壓系統(tǒng)測試硬件設計與實現 傳感器 傳感器選型原則[16]現代傳感器在原理與結構上千差萬別，如何根據具體的測量目的、測量對象以及測量環(huán)境合理地選用傳感器，是在進行某個量的測量時首先要解決的問題。當傳感器確定之后，與之相配套的測量方法和測量設備也就可以確定了。測量結果的成敗，在很大程度上取決于傳感器的選用是否合理。要進行一個具體的測量工作，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。因為，即使是測量同一物理量，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，則需要根據被測量的特點和傳感器的使用條件考慮以下一些具體問題:量程的大小。被測位置對傳感器體積的要求。測量方式為接觸式還是非接觸式。信號的引出方法，有線或是非接觸測量:傳感器的來源，國產還是進口，價格能否承受，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。通常，在傳感器的線性范圍內，希望傳感器的靈敏度越高越好。因為只有靈敏度高時，與被測量變化對應的輸出信號的電壓電流值才比較大，有利于信號處理。但要注意的是，傳感器的靈敏度高，與被測量無關的外界噪聲也容易混入，也會被放大系統(tǒng)放大，影響測量精度。因此，要求傳感器本身應具有較高的信噪比，盡量減少從外界引入的干擾信號。傳感器的靈敏度是有方向性的。當被測量是單向量，而且對其方向性要求較高，則應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。傳感器的頻率響應特性決定了被測量的頻率范圍，必須在允許頻率范圍內保持不失真的測量條件，實際上傳感器的響應總有一定延遲，希望延遲時間越短越好。傳感器的頻率響應高，可測的信號頻率范圍就寬，而由于受到結構特性的影響，機械系統(tǒng)的慣性較大，因而頻率低的傳感器可測信號的頻率較低。在動態(tài)測量中，應根據信號的特點(穩(wěn)態(tài)、瞬態(tài)、隨機等)響應特性，以免產生過火的誤差。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，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，當傳感器的種類確定以后首先要看其量程是否滿足要求。但實際上，任何傳感器都不能保證絕對的線性，其線性度也是相對的。當所要求測量精度比較低時，在一定的范圍內，可將非線性誤差較小的傳感器近似看作線性的，這會給測量帶來極大的方便。傳感器使用一段時間后，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構外，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的環(huán)境適應能力。在選擇傳感器之前，應對其使用環(huán)境進行調查，并根據具體的使用環(huán)境選擇合適的傳感器，或采取適當的措施，減小環(huán)境的影響。傳感器的穩(wěn)定性有定量指標，在超過使用期后，在使用前應重新進行標定，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重要的性能指標，它是關系到整個測量系統(tǒng)測量精度的一個重要環(huán)節(jié)。傳感器的精度越高，其價格越昂貴，因此，傳感器的精度只要滿足整個測量系統(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，選用重復精度高的傳感器即可，不宜選用絕對量值精度高的。如果是為了定量分析，必須獲得精確的測量值，就需選用精度等級能滿足要求的傳感器。對某些特殊使用場合，無法選到合適的傳感器，則需自行設計制造傳感器。自制傳感器的性能應滿足使用要求。 傳感器的工作原理和選型本課題所采集的信號為超高壓系統(tǒng)的壓力、溫度、形變和振動，相應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和以上對傳感器選型注意事項選擇超高壓系統(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的傳感器均選用壓電式壓力傳感器，某些電介質沿著某一個方向受力而發(fā)生機械變形(壓縮或伸長)時，其內部將發(fā)生極化現象，而在其某些表面上會產生電荷。當外力去掉后，它又會重新回到不帶電的狀態(tài)，此現象稱為“壓電效應”。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，它們的壓電機理并不相同，壓電陶瓷是人造多晶體，壓電常數比石英晶體高，但機械性能和穩(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將被測壓力轉換為電信號的裝置。由壓電材料制成的壓電元件受到壓力作用時產生的電荷量與作用力之間呈線性關系： Q=KSp （31）式中 Q為電荷量；k為壓電常數；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。選用西安交通大學維納儀器有限責任公司生產的ZQGY 型壓力傳感器。ZQGY 型采用的先進技術工藝，放大電路和壓力芯體采用國際著名品牌的元器件，經過精密的溫度補償、精湛的全不銹鋼密封焊接和完善的裝配工藝，使產品具有精度高、抗干擾、過載和沖擊能力強、防潮性和長期穩(wěn)定性好等特點。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參數： 量程：0到800MPa。精度：。輸出信號：4～20mA（二線制）或0～10V（三線制）。供電電壓：9～36VDC（二線制）。介質溫度：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：316L不銹鋼。接口材質：316L不銹鋼。壓力接口：MG1／1／4NPT等外螺紋或根據用戶要求定制。電氣接口：四芯屏蔽電纜（防護等級IP65）、航空插頭、DIN接頭。標識：采用激光打標，確保產品可永久追朔性。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WYB2高溫壓力變送器。為耐高溫壓力傳感器芯體，由于采用MEMS技術和SOI技術，集成平膜壓力感傳器芯體，并采用先進的梁膜結構設計，使其具有耐高溫及高溫瞬時沖擊的能力。傳感器輸出信號經過分體式變送盒的放大處理，將其轉換成標準電信號。傳感器殼體采用激光焊接封裝，確保了該產品的優(yōu)異性能和長期穩(wěn)定性。分體式設計，便于用戶調整零位、滿度，該壓力變送器廣泛應用于航空、航天、國防、石油、化工、冶金、電力、船舶、汽車、醫(yī)藥、科研等領域對高溫氣體、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參數：量程：0到60MPa；精度：；輸出信號：4～20mA（二線制）。供電電壓：標準24VD。中低溫 20℃～100℃ －40℃～125℃。測量介質：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。相對濕度：0%～85%。絕緣電阻：100MΩ(50VDC)。過載壓力：≥200%FS或最大100MPa。接口材質：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體或半導體A和B焊接起來，構成一個閉合回路，若導體A和B的連接處溫度不同，則在此閉合回路中就有電流產生，也就是說回路中有電動勢存在，這種現象叫做熱電效應。eAB(T0)TT0ABeA(T,T0)eB(T,T0)eAB(T)TT0AB (a) (b) 熱電偶原理圖由導體材料A、B組成的閉合回路，其接點溫度分別為T、T0,如果T＞T0，則必存在著兩個接觸電勢和兩個溫差電勢，（b）所示，回路總電勢： （32） 其中，NAT、NAT0—導體A在結點溫度為T和T0時的電子密度； NBT、NBT0——導體B在結點溫度為T和T0時的電子密度；σA 、 σB——導體A和B的湯姆遜系數。根據電磁場理論可得 （33）由于NA、NB是溫度的單值函數，所以有溫度與電動勢呈線性關系: (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，內部填充導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,具有反應速度快、性能穩(wěn)定等特點。STTTF型表面貼溫度傳感器主要技術參數：電阻值范圍:R=5K～500KΩ；B值范圍:3300～4600K；工作溫度范圍:20～105℃；熱時間常數:小于6秒；絕緣強度: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℃。由于長堵塞機械結構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的非接觸式HBIR0810型。先進的全數字化設計，多種模擬和數字信號輸出方式，先進的光學結構，測量距離遠，寬的工作環(huán)境溫度，安裝簡便，易于維護，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參數：測溫范圍在0～300℃；距離系數為5：1；測量距離0～15m； DC或者5V DC。重復測量誤差小于177。1℃；814μm光譜響應；177。2℃或者2%的目標溫度測量精度；℃的分辨率；500ms的響應時間或更短；全溫度標定和補償；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的STTTS螺旋式溫度傳感器，適用于設備表面和內部溫度的測量，安裝簡單方便，(a)（b）所示。（a） （b） STTTS螺旋式溫度傳感器 (1)電阻應變片的工作原理導體或半導體在外力作用下產生機械形變時，它的電阻值也相應的發(fā)生變化，這一物理現象稱為電阻應變效應。電阻絲應變片就是利用這種效應，用極細的金屬絲繞成（腐蝕式電阻應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生應力變化，使電阻應變片的長度比相應地變化△L/L,應變片的電阻值比變化△R/R，這種變化關系在一定范圍內是近似線性的。根據電阻定義式: (35)當有變化量變化時，其相對的變化率為式: (36)再由熱力學的泊松比式（38）得到電阻與溫度程線性關系式: (37 (38) 其中，為應變靈敏系數；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變而引起的變化，半導體材料以此為主。，即四個橋臂均為同規(guī)格應變片，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，又能進行溫度補償。(2)應變片的選型根據應變片的質