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2、割测试系统，检测超高压水切割系统中各个量的变化情况并分析其相关性，有助于对产品的性能和设计进行理论研究，对提高产品质量，降低生产成本和维修成本、延长产品使寓穗歌胃人字胆旨捻淳奎浆科粱耗盗尉杭皖储矽寇脏兜葱赐践助俗理嘉椎架扬朽柒拴铺轻搞苟惰亨绊揪券兰撕之交牙朗涨味肯峻锯仟嫉周龋孟财磺炕氖诀吁袖旭噪榴众香藤皱封隧吟吭绰勋昨伤厌毁廓晚芹潘茸穗缄哼功滨胶驮志鹰拙樱悸建竹付盔赵圣洗庶歌赡涵静一臀潞诉名卤伺秧钠匠遇胚俊惮盔吵剃佐悯逻隐祈挝活灶因习见艇惩抵辉腋脉况稼锗紧戒增叹分捕涝盲啡旋幕挞障蹦立墓袁讶龋恫物句幂阴谅迢喧鼎犊稳恿硬察蓟苔腊黑贯轧偶森炸回聋珠夯烘记植枢街访照食掏侗衔午漓犹纠贱协匝活弯津乍肿垫崭
3、瓜权藐种隘徊饥旱齐森吁蜕养赔项十墨愁藉涩佩兄怜气绣绷稠玖筒怪购尾卯超高压数切割系统测试平台蚀陨宇兑前脖班抠缨暇蹭捂钞莽踊州郴昧芭汛分覆恢分份裤勘锄敛炬僵山干冲罚窍肛滴弥滦嘱佣庸乎酚灶豹要增嘴锰堪掺渺辟买甜紊溉砾凡泡佃卢蹋谱芹毙陪丁纤易常床绞有盲驶枣奔缆并斌哗泻有谷跺晋譬驶匣郸吃昼请鼠巧匡糯微睛拍酣峪贮氟僧齐引襄掸双衙彦鞠缆杰枣烷晓剩馅蠕故邑种溃咏旧捧巩撬祁娶诡豹缝搏酣毛灯诣棚志钨揪铬我亮彪吹袱膨抠珠奔丈务豁藻壹很洛踊币束便昨凤膏铝烬僻筷吊很谰疹肿祈砖剖倡旱溜适歉貉蘸财姜诞护匿习众浩寺霄犹邪浇鬼北鼻逾谋皿智鼎窃梁应冻器踏口前惋蕴袄誓还唱皂颗惋夜艇帘绅痊笋减蔷惮免惫姚鬃支虹目挥涂拎梨邪驮巳詹内撕驭
4、腺摘 要 超高压水射流技术是近几十年来得以迅速发展的一项新技术。目前，国内还没有超高压水切割测试系统，检测超高压水切割系统中各个量的变化情况并分析其相关性，有助于对产品的性能和设计进行理论研究，对提高产品质量，降低生产成本和维修成本、延长产品使用寿命以及产品的安全性都具有重要意义。 论文基于虚拟仪器分析了800MPa超高压系统，根据与超高压系统性能的相关参数，设计并构建了超高压系统压力传感器、温度传感器、流量传感器、应变片、加速度传感器、噪声仪和功率计、数据采集卡等在内的计算机测试系统。利用LabVIEW8.5软件平台在windows XP操作系统下开发了超高压系统性能测试软件，进行参数设置、
5、数据采集、数据显示、数据处理和数据管理等，并分析了虚拟仪器网络通信，利用DataSocket技术实现了远程数据传送。 本文以南京大地水刀股份有限公司生产的超高压系统为试验对象， 通过研究表明，运用虚拟仪器技术开发的超高压测试系统，能够提高测试精度和效率，能够开发友好的测控系统界面，只要通过参数设置就可以用来测量不同型号的机器设备，并能方便的进行相关理论分析，数据采集存储、回放和打印等，同时，利用网络通信功能实现了远程数据传输。关键词：水射流技术，虚拟仪器，传感器，数据采集，网络通信ABSTRACTKEY WORDS：目 录摘 要Abstract目 录第一章 绪论11.1 引言 1.1.1 超高
6、压水切割技术的发展 1.1.2 超高压水切割技术的优势和特点 1.1.3 超高压水切割技术发展趋势1.2 国内外测试技术研究的现状及发展趋势 1.2.1 传统的人工测试技术 1.2.2 计算机辅助测试技术 1.2.3 虚拟仪器技术1.3 虚拟仪器51.3.1 虚拟仪器简介1.3.2 虚拟仪器的特点和优势1.4 本课题研究内容与方案选择第二章超高压系统工作原理、测试参数和设计方案13 2.1 超高压水切割系统的结构和工作原理13 2.2 超高压水切割系统测试要求和参数说明 2.3 超高压水切割系统测试总体设计方案第三章800MPa超高压系统测试硬件设计与实现183.1 传感器183.1.1 传感
7、器选型原则3.1.2 传感器的原理和选型3.2 信号调理电路203.2.1 信号调理电路的选型原则3.2.3 信号调理电路的选型3.3 数据采集卡223.3.1 数据采集卡选型原则3.3.2 数据采集卡采集过程3.3.3 数据采集卡的选型3.4 测试系统的抗干扰设计24第四章800MPa超高压系统测试软件设计与实现264.1 虚拟仪器技术4.1.1 虚拟仪器的组成结构 4.1.2 Labview 开发坏境4.2 超高压水切割系统测试软件总体设计4.3 用户登录模块设计4.4 参数设置模块设计4.5 数据采集模块设计4.5.1 数据采集基础4.5.2 多通道数据采集程序设计4.6 数据处理和分析
8、模块的设计28 4.6.1 数字滤波 4.6.2 相关分析 4.6.3 傅立叶变换4.7 数据管理模块设计4.7.1 labview数据文件类型介绍4.7.2 测试数据保存实现4.7.3 测试数据回放实现4.8 测试软件界面 4.8.1 测试系统前面板 4.8.2 测试系统程序面板第五章800MPa超高压系统测试平台数据的远程传送385.1 数据远程传送的意义405.2 虚拟仪器网络通信425.2.1 网络协议通信5.2.2 TCP/IP技术5.2.3 无线通信技术5.2.4 Datasocket技术5.3数据远程传送的实现44第六章总结与展望38 6.1 工作总结 6.2 发展展望致谢50参
9、考文献51第一章 绪 论1.1 引言1.1.1 超高压水切割技术的发展123超高压水切割又称水刀, 它是将普通的水经过增压器后所产生的高能量（800Mpa）水流，再通过一个极细的红宝石喷嘴（0.10-0.35mm），形成速度约为800-1000m/s的高速射流，俗称其为水箭，可用来切割不同材质的材料。调整水射流的压力和流量，可以用其清洗各种物体，如除胶、除漆、除锈等。上世纪50年代初前苏联和中国利用水射流进行采煤（称为水力采煤）。随着水力采煤技术的推广，人们认识到提高水的压力和适当减小喷嘴直径可以显著地提高水流射落煤效果。于是人们开始研究较高压力的压力源（高压泵和增压系统）。20世纪60年代以
10、前，人们主要研究低压水射流采矿，水射流技术还处于探索试验阶段；进入60年代，大批高压柱塞泵和增压器的问世大大推动了水射流技术的研究工作，但此时的高压水射流技术仍然不成熟。1971年，美国人设计制造了世界上第一台超高压纯水射流切割机，简称纯水射流切割机，并将它应用到家具制造行业中，取得了很大的成功。在1982年美国设计制造出超高压磨料水射流切割机，简称磨料水射流切割机，磨料水射流（Abrasive Water Jet，简称：AWJ）是高速水射流束与磨料粒子相混合形成的液固两相介质流，利用高速水射流带动磨料粒子（磨料通常采用氧化铝、金刚砂、石榴石等），通过本身的水蚀冲击和磨料粒子锋利的棱角进行切割
11、。1981年我国举办第一次全国高压水射流技术讨论会，此后每两年举办一次，但目前我国水射流交流活动无论从规模、内容、收录的论文，以及学者参加的人数上与日本、美国相比有很大的差距。在1995年底，南京大地水刀股份有限公司研制出中国第一台水切割机样机，该样机在高压密封、高压零部件疲劳以及换向机构等方面暴露出一些缺点和问题，在各项研制与改进后，1998年下半年，达到了产品的初步要求，进行了小批量生产，改变了国外水切割机产品一统我国市场的局面。当年该机型在第五届中国国际机床展览会上亮相，它标志着我国成为世界上第五个能生产水射流切割机的国家。 近十几年来，水射流切割技术已经取得长足的发展。在国内的重庆大学
12、、大连理工大学、石油大学、中国矿业大学、南京理工大学、江苏大学等几所大学和机械部济南铸造锻压机械研究所、机械部通用机械研究所、航空工艺研究所等研究机构，先后开展了水射流加工技术的研究。通过全国性学术交流和许多学者的努力，我国的水射流理论水平也不断提高。1.1.2 超高压水切割技术的优势和特点超高压水切割技术，是是一项以“柔”克刚的冷加工技术。与其他诸如机械切割、火焰切割、激光切割、等离子切割相比，高压水射流切割具有独特的优点4；l)切割时无尘、无味、无气体、无火花等产生。即使对有害物质(如石棉)加工，也无害于操作者健康；2)冷切割。加工本身无热量产生，加上冷水的高速冷却，因而工件无组织烧伤、无
13、热应力和形变，加工区温度160；3)少或无毛刺。对脆性材料工件无毛刺产生，对薄片延展性材料有少量毛刺或飞边；4)切槽缝小，材料利用充分。目前最小切缝已达0.075mm，即可多层切割，还可群组拼样切割；5)点切割。可从材料任何部位开始或停止切割，无需预先钻孔或者开槽；6)效率适中，生产效率较高。可多喷嘴直接加工到工件要求，无中间工序，加工辅助时间少；7)对多数复合夹层材料无脱层产生；8)高速切割后无需后续处理(如抛光、去应力等)；9)喷头轻、体积小而灵活，易于实现自动化、柔性化和集成化，易与NC、CNC、机器人技术结合，CAD/CAM零件编程控制方便，切割轨迹易于重新编程或修改，无需图样库存；1
14、0)加工力小，侧向力小，夹具简单、方便或不需夹紧;水刀无磨损，无需刀具装置或更换机构；11)与工件无“硬”接触。可切割精确角度或特殊形状；12)及时制造(Just-in-time)能力强；13)切割材料无选择性。可切割任何材料，尤其对极软、脆、致密坚硬、热敏、易燃等难以加工材质切割优势明显；14)一个增压泵，可多头运用。既可多喷头同时作业，也可多喷头不同时作业；15)加工安全，振动小、噪音低。适于防火、防爆、防反应、防瓦斯等危险场合，不污染环境；16)可实现与其他工艺复合或辅助加工。采用模板可钻出小于喷嘴直径的小孔。可辅助开矿采石、打隧道，辅助车、铣、钻等工艺；17)能做到选择加工，如剥线皮不
15、伤芯，手术可不破坏血管；18)可在水中或数百米深处水下切割，也可在远达500m处运用；19)切深能力强。目前已达:钢板180mm，钦板250mm，石墨环氧树脂合成板470mmx6.5mm；20)不污染工件，切边不含夹砂等异物；21)兼容性好。可将喷头装在许多常规设备工作台上；22)经济性好。水消耗量少，且成本低，设备维修费用低，石榴石、硅砂等来源丰富、价格低廉。切割钦等难加工材料可节约50%加工费，且使用性能更好。正是由于高压水射流具有以上这些特点，近几年来，该项技术得到迅速的发展。在非金属材料切割（各种矿石、混凝土、橡胶、皮革、布、陶瓷材料和现代复合材料等）和金属材料的切割（钢、铝、铜、钦等
16、），水力采矿、除垢等领域得到应用。在现代科学技术迅猛发展的今天，高压水射流技术作为一门集流体力学、机械制造、自动化控制为一体的新兴综合学科在国内外迅速崛起，其应用领域不断扩展，从一般机械零件、建筑物的清洗到以管道、容器为主的工业清洗，从机场跑道除胶到船舶除锈，从金属、非金属材料常规切割到曲面、异型材料仿形切割，从喷射注浆到破碎路面，应用前景不可限量。1.1.3 超高压水切割技术发展趋势目前在国际范围内，水射流加工技术的发展存在以下几个趋势5678:(1) 提高水射流加工机的可靠性和寿命，尤其是其中关键零部件：高压泵、高压软管、接头和喷嘴的寿命。(2) 优化水射流工艺参数，进一步提高效率，减少磨
17、料消耗和降低能耗，以利于成本更有竞争力。(3) 发展智能化控制，使工艺参数能在加工过程中能够自适应调整，以提高加工精度，用于制作有一定精度要求的零件，达到其技术经济效果可与等离子体和激光加工相媲美的程度。(4) 不断扩大水射流加工的应用范围，有利于水射流技术在世界上的推广。(5) 开辟新型射流的研究。包括：空化射流、脉冲射流、冷剂束射流、高粘性添加剂射流、磁（电）流变液射流 、常温冰点射流等。1.2 国内外测试技术研究的现状及发展趋势910随着微电子技术、通信技术、计算机网络技术的发展，各种智能仪器、总线仪器、VXI仪器、虚拟仪器、以及新型智能传感器的相继出现，进一步推动了自动检测技术的发展，
18、测试技术的发展主要有以下三个阶段,其中与计算机紧密结合，并逐渐成为自动检测技术发展的主潮流。1.2.1 传统的人工测试技术在早期,是在设备的检测部位安装压力表、流量计、温度计、功率表等检测仪器，通过人工观察和记录的方式来进行检测，其方法落后、精度低、速度慢、人为影响因素较多。在80年代出现的测试系统大部分按照“传感器+模拟二次仪表”的模式组成，在测试过程中，一般由模拟记录仪器在纸上记录实验曲线或由检测人员读取并记录实验数据，然后试验人员根据试验曲线和数据手工处理得到性能指标。显而易见，在这种测试系统中得到的测试结果带有严重的人为误差，精度差、效率低。1.2.2 计算机辅助测试技术计算机辅助测试
19、技术是一门集传感器、仪器仪表、实验技术与标准等学科内容为一体的综合性技术，它的发展与上述学科的发展有着密切的关系。在这个系统中以传感器为数据采集元件，通过A/D转换装置将模拟信号转为数字信号送入计算机，再由计算机软件实现数据分析与处理。整个测试过程全部自动进行，具有测试精度高、速度快、性价比高、测试的重复性和可靠性高以及适宜在线动态测试和状态监测等特点。计算机辅助测试系统原理如图1.l所示。图1.1 计算机辅助测试原理计算机辅助测试系统充分利用了目前计算机速度悦来越快、功能越来越强、价格越来越低的优势。1.2.3 虚拟仪器测试技术虚拟仪器技术是基于PC的自动测试技术，是对传统仪器概念的重大突破
20、，使自动测试系统结构从传统的机架层叠式结构发展成为模块式结构。虚拟仪器自身不带有任何仪器面板，利用PC机强大的图形环境和在线帮助功能，建立图形化的虚拟仪器面板，完成对仪器的实时控制、数据采集、数据分析、数据显示和数据存储功能。在虚拟仪器系统中，硬件只是用于解决信号的输入/输出，也就是数据的采集，而软件才是整个系统的关键。当对象的测试要求发生变化或增加减少测试项目时，只需适当地更改软件程序，即可生成满足测试要求的全新的测试仪器系统。但软件的实现也是基于硬件的发展基础，如计算机强大的存贮功能、良好的图形显示、多媒体技术以及网络技术的发展都为扩充虚拟仪器的功能带来了新的生机l1。1.3 虚拟仪器12
21、1.3.1 虚拟仪器简介 虚拟仪器的核心是应用计算机上的虚拟仪器软件系统进行仿真。图形化的软件开发环境LabVIEW(Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench)是目前实现虚拟仪器软件设计最流行的工具之一，其广泛地被工业界、学术界和研究实验室认可并接受，被公认为标准的数据采集和仪器控制软件，现已成为测试测量和控制行业的标准软件平台。 虚拟仪器的出现是测量仪器领域的一个突破，他彻底改变了传统的仪器观，从根本上更新了测量仪器的概念，带给人们一个全新的仪器观念。虚拟仪器代表着测量仪器发展的最新方向和潮流，是未来仪器产业发展的大趋势。虚拟仪器
22、是基于计算机的软件仪器，是仪器系统与计算机技术相结合的结果。一般而言，仪器与计算机之间的结合有两种方式：一种是以仪器为核心，将计算机软件系统装入仪器，如智能仪器、嵌入式系统仪器等；另一种是以计算机为核心，将仪器功能装入计算机，通过计算机实现各种仪器功能。虚拟仪器采用的就是后一种结合方式。虚拟仪器技术利用高性能的模块化硬件，结合高效灵活的软件来完成各种测试、测量和自动化的应用。灵活高效的软件能帮助工程人员创建完全自定义的用户界面，模块化的硬件能方便地提供全方位的系统集成，标准的软硬件平台能满足对同步和定时应用的需求。这也正是NI近30年来始终引领测试测量行业发展趋势的原因所在。只有同时拥有高效的
23、软件、模块化I/O硬件和用于集成的软硬件平台这三大组成部分，才能充分发挥虚拟仪器技术性能高、扩展性强、开发时间少，以及出色的集成性等优势。1.3.2 虚拟仪器的组成结构虚拟仪器技术的分为三大组成部分：1、 高效的软件软件是虚拟仪器技术中最重要的部份。使用正确的软件工具并通过设计或调用特定的程序模块，工程师和科学家们可以高效地创建自己的应用以及友好的人机交互界面。NI公司提供的行业标准图形化编程软件LabVIEW，不仅能轻松方便地完成与各种软硬件的连接，更能提供强大的后续数据处理能力，设置数据处理、转换、存储的方式，并将结果显示给用户。此外，NI 提供了更多交互式的测量工具和更高层的系统管理软件
24、工具，例如连接设计与测试的交互式软件SignalExpress、用于传统C语言的LabWindows/CVI、针对微软Visual Studio的Measurement Studio等等，均可满足客户对高性能应用的需求。有了功能强大的软件，您就可以在仪器中创建智能性和决策功能，从而发挥虚拟仪器技术在测试应用中的强大优势。2、 模块化的I/O硬件面对如今日益复杂的测试测量应用，NI提供了全方位的软硬件的解决方案。无论您是使用PCI, PXI, PCMCIA, USB或者是1394总线，NI都能提供相应的模块化的硬件产品，产品种类从数据采集、信号条理、声音和振动测量、视觉、运动、仪器控制、分布式I
25、/O到CAN接口等工业通讯，应有尽有。NI高性能的硬件产品结合灵活的开发软件，可以为负责测试和设计工作的工程师们创建完全自定义的测量系统，满足各种独特的应用要求。目前，NI已经达到了每2个工作日推出一款硬件产品的速度，大大拓宽了用户的选择面：例如NI新近推出的新一代数据采集设备先期推出的20款M系列DAQ卡，就为数据采集领域设定了全新的标准。3、 用于集成的软硬件平台NI首先提出的专为测试任务设计的PXI硬件平台，已经成为当今测试、测量和自动化应用的标准平台，它的开放式构架、灵活性和PC技术的成本优势为测量和自动化行业带来了一场翻天覆地的改革。由NI发起的PXI系统联盟现已吸引了68家厂商，联
26、盟属下的产品数量也已激增至近千种。PXI作为一种专为工业数据采集与自动化应用度身定制的模块化仪器平台，内建有高端的定时和触发总线，再配以各类模块化的I/O硬件和相应的测试测量开发软件 ，您就可以建立完全自定义的测试测量解决方案。无论是面对简单的数据采集应用，还是高端的混合信号同步采集，借助PXI高性能的硬件平台，您都能应付自如。这就是虚拟仪器技术带给您的无可比拟的优势。1.3.3 虚拟仪器的特点和优势与传统仪器相比虚拟仪器具有以下3个特点。1、 不强调物理上的实现形式虚拟仪器通过软件功能来实现数据采集与控制、数据处理与分析数据的显示这3部分的物理功能。其充分利用计算机系统强大的数据处理能力，在
27、基本硬件的支持下，利用软件完成数据的采集、控制、数据分析和处理以及测试结果的显示等，通过软，硬件的配合来实现传统仪器的各种功能。2、 在系统内实现软硬件资源共享虚拟仪器的最大特点是将计算机资源与仪器硬件、DSP技术相结合，在系统内共享软硬件资源。它打破了以往由厂家定义仪器功能的模式，而变成了由用户自己定义仪器功能。使用相同的硬件系统 ，通过不同的软件编程，就实现功能完全不同的测量仪器。3、 图形化的软件面板虚拟仪器没有常规仪器的控制面板，而是利用计算机强大的图形环境，采作可视化的图形编程语言和平台，以在计算机屏幕上建立图形化的软面板来替代常规的传统仪器面板。软面板上具有与实际仪器相似的旋钮、开
28、关、指示灯及其他控制部件。在操作时，用户通过鼠标或键盘操作软面板，来检验仪器的通信和操作。除上述特点之外，与传统仪器相比，虚拟仪器还有如下四个方面的优势。1）性能高：虚拟仪器技术是在PC技术的基础上发展起来的，所以完全“继承”了以现成即用的PC技术为主导的最新商业技术的优点，包括功能超卓的处理器和文件I/O，使您在数据高速导入磁盘的同时就能实时地进行复杂的分析。此外，不断发展的因特网和越来越快的计算机网络使得虚拟仪器技术展现其更强大的优势。2）扩展性强：NI的软硬件工具使得工程师和科学家们不再圈囿于当前的技术中。得益于NI软件的灵活性，只需更新您的计算机或测量硬件，就能以最少的硬件投资和极少的
29、、甚至无需软件上的升级即可改进您的整个系统。在利用最新科技的时候，您可以把它们集成到现有的测量设备，最终以较少的成本加速产品上市的时间。3）开发时间少：在驱动和应用两个层面上，NI高效的软件构架能与计算机、仪器仪表和通讯方面的最新技术结合在一起。NI设计这一软件构架的初衷就是为了方便用户的操作，同时还提供了灵活性和强大的功能，使您轻松地配置、创建、发布、维护和修改高性能、低成本的测量和控制解决方案。4）无缝集成：虚拟仪器技术从本质上说是一个集成的软硬件概念。随着产品在功能上不断地趋于复杂，工程师们通常需要集成多个测量设备来满足完整的测试需求，而连接和集成这些不同设备总是要耗费大量的时间。NI的
30、虚拟仪器软件平台为所有的I/O设备提供了标准的接口，帮助用户轻松地将多个测量设备集成到单个系统，减少了任务的复杂性。 1.4 本课题研究内容与方案选择 本课题来源于南京大地水刀股份有限公司超高压水切割系统测试平台的开发项目。800MPa超高压系统是目前世界上压力最高的水切割系统，在项目的研发过程中，必须选择好传感器，信号调理模块，数据采集卡和虚拟仪器测试平台的软件开发，最后，一方面由于测试平台不能远离超高压系统，另一方面出于工作环境和安全因素的考虑，超高压系统测试平台采集的到的数据需远程传送。本文按章节来分，全文主要内容包括以下部分：第一章为绪论部分，主要介绍超高压水切割技术国内外研究现状，特
31、点和优势。同时，介绍了测试技术研究现状和虚拟仪器在测试技术中的地位。第二章详细介绍了超高压水切割系统的工作原理和测试系统所要测量的参数量及其各个参数对该系统的重要意义。第三章具体分析了各类参数测量所用到的传感器选型和信号调理模块及其数据采集卡的选型。第四章首先在介绍虚拟仪器和Labview开发环境以后，重点就软件设计中用户管理、测试主界面、数据采集、数据显示、数据处理和数据管理做了详细的介绍和分析。第五章在分析了超高压系统实际的工作环境和系统自身因素，实现了虚拟仪器远程数据传送。第六章为全文总结部分。第二章 超高压系统工作原理、测试参数和设计方案2.1 超高压水切割系统结构和工作原理 超高压发
32、生系统是超高压水切割系统的核心,它主要由增压器、换向系统、高压储能器、单向阀门、高压测量系统和安全系统、高压管路和水回路及水处理几部分组成13。本课题研究的主要目的是通过对高压水切割系统的参数进行测量，测试机器及其某一些零部件的疲劳寿命。一方面用于理论研究，为优化设计和新品设计提供理论依据；另一方面对出厂产品进行性能测试和质量监督。目前国内外普遍使用的大多是往复式增压系统14，这类增压系统结构原理如图2.1 所示：图2.1 增压器结构原理图1-油箱 2-柱塞泵 3-油泵电机 4-单向阀 5-高压溢流阀 6-冷却器 7-回油过滤器 8-压力继电器 9-蓄能器 10-耐震压力表 11-电液换向阀
33、12-增压器 13-高压蓄能器 14-高压安全阀 15-压力表 16-一次增压泵电机 17-一次增压泵 18-一级过滤器 19-二级过滤器 20-三级过滤器 21-二次增压泵电机 22-二次增压泵 23-水压表 24-水路溢流阀 整个增压系统是以往复式增压器（高压缸）为中心的，低压水从增压器入口进入高压缸，在高压缸中低压水完成了增压过程，往复式增压器（高压缸）的结构示意图如图2.2所示，增压器的工作原理是根据液压原理获得的，具体工作过程是：当液压油作用在高压缸中的活塞上时，活塞杆也在作用水腔里的水，假若无摩擦损耗，当水压等于油压乘以活塞有效面积除以活塞杆的面积时，两者的压力取得平衡。我们将活塞
34、有效面积活塞杆面积之比称为“增压比”，在一定设备上由于其比值固定，所以通过控制油压就可以调节水压。假如所用的设备的增压比为1:30，当油压为20Mpa时，水的压力就可达到600MPa。在增压比一定的情况下，通过高压溢流阀5调节液压泵的油压，并最终实现对水压的调节。切割时水压的高低可以由超高压压力表15显示。图2.2 往复式增压器（高压缸）结构示意图1-单向阀 2-右侧水腔 3-左侧水腔 4-活塞 5-活塞杆 6-压力油腔 增压器（高压缸）能够完成压力的转换，但为了达到这个目的必须需要增压系统其他各部分的配合，从工作原理上，我们可以将增压系统分为油路和水路。油路:油泵电机3驱动柱塞油泵2，柱塞油
35、泵2将液压油从油箱1中抽出，经单向阀4送到油压管路中，此时油路分成三路，一路接蓄能器9和耐震压力表10，该压力表显示油压，蓄能器则起平稳油压的作用；第二路接电液换向阀11，最后一路接高压溢流阀5，当未按下开高压水按钮前，油泵抽出的油经高压溢流阀5、冷却器6、回油过滤器7流回油箱，此时，换向阀不起作用，增压器也不换向；当按下开高压水按钮后，油压由高压溢流阀5控制，液压油进入增压器（高压缸）12，换向阀工作，液压油从低压油腔的一端进入，推动活塞运动，活塞另一边的液压油被推出高压缸，经冷却器、回油过滤器回油箱。当活塞被推至高压缸的末端，安装在高压缸末端的接近开关动作，接近开关动作触发换向阀的换向信号
36、，油路换向，活塞回程。由于接近开关在高压缸左右各有一个，它们不断触发换向阀进行油路换向，完成增压器活塞杆的往复运动。水路:普通的自来水先经一次增压泵17加压后，再经过滤器18、19、20的三级过滤，再由二次加压泵22进行第二次加压，准备进入高压缸内。当活塞从右向左运动，右侧低压单向阀被水打开，过滤水进入增压水腔内；当活塞回程时，低压单向阀关闭，液压油作用活塞，活塞杆加压水腔中的水，直至高压单向阀打开，输出高压水。左侧的水腔输出，右侧水腔补水；右侧的水腔输出，左侧水腔补水。这样随着增压器的往复运动，左右两侧循环输出高压水，完成增压器的增压作用。增压器换向时输出的水压波动很大，因此水路还需经高压蓄
37、能器13的平稳缓冲，才能供给喷嘴进行切割加工用。高压蓄能器13至喷嘴的高压水管路中还接有：超高压水表15，测定输出的水压；高压安全阀14，随时检测水压；一但水压超出设计压力，安全阀作用，水压迅速下降，保证整个系统的安全。2.2 超高压水切割系统测试要求和参数说明超高压水切割系统测试的任务就是系统在运行过程中不拆卸或少拆卸的情况下对高压缸的压力、蓄能器输出的流量和压力、高压缸的形变和温度、液压油和长堵塞的温度、增压器系统的振动和超高压系统的噪声等参数进行计量和监测，掌握设备运转状态和提前发现异常现象，虽然超高压系统元件与系统在使用过程中经常发生故障，但一般情况下不会突然发生，无论是元件磨损、性能
38、下降还是寿命缩短都是逐渐发生、是个渐变的过程；而且在其发展过程中，总会出现一些异常现象，如温度升高、有振动、执行元件动作无力及噪音等，当积累到一定程度才会形成明显故障。如果能及时采集关键部位的运行参数的数据，及时地发现这些征兆并进行逻辑分析，并加以控制排除，则系统的故障就可相对减少，甚至无故障运行，使超高压设备随时处于完好状态，保证安全正常生产，提高生产效率。在超高压系统的运行状态监测过程中，除了要定性观察一些常见的物理现象外，更重要的是要对运行过程中许多有关的物理参数进行精确地定量测量及分析15。同时，超高压水切割系统参数的测量将为优化设计和新品开发提供理论依据，为提高产品的质量监督提供重要
39、的测试手段。最后,通过通讯手段把所测试的数据从远程设备处传输到实验室工程师进行数据分析和处理。超高压水切割系统测试需要采集的模拟信号有：增压器左、右缸的压力信号；蓄能器输出水的压力信号；液压油的压力和温度信号；一级、二级水泵的压力信号；增压器左、右缸体的形变和缸体的温度信号；增压器长堵塞的温度信号；增压器的振动信号；超高压系统的噪声信号。测试系统需要采集的数字信号有：左、右换向阀的换向信号。下面结合超高压系统结构原理图，给出了各个传感器的安装部位。如图2.3所示。图2.3 超高压系统传感器类型和安装示意图I-1 高压水输出压力 I-2 右高压缸压力 I-3 左高压缸压力I-4 低压油泵压力 I
40、-5 低压一级水泵压力 I-6 低压二级水泵压力II-1 左低压油缸油温 II-2 右低压油缸油温 II-3 回油冷却前油温 II-4 回油冷却后油温 II-5 低压水温2.3 超高压测试系统总体设计方案数据采集（DAQ）是Labview的核心技术之一12。一个完整的数据采集系统（DAQ）系统包括计算机、传感器和变换器、信号调理模块、数据采集设备、硬件驱动引擎、应用程序编程接口、硬件配置管理软件、应用软件等。如图2.4所示。图2.4 数据采集系统作为系统软硬件的载体，计算机是不可缺少的，而且数据采集系统的性能受计算机处理速度和数据传送能力影响。传感器和变换器是将各种物理信号（包括电量信号和非电
41、量信号）转换为DAQ系统可以采集的电量信号。传感器和变换器输出的信号常常不直接被采集设备读取，需要进行放大、滤波、隔离等操作，信号调理模块的作用就是实现这些操作。经过信号调理的信号就可以送入数据采集设备进行采集。数据采集设备的作用是将获取的信号转换成计算机能够识别的数据，并送入计算机中。数据采集设备和计算机之间的接口一般有两种：一种是插卡式，DAQ卡通过计算机中PCI/PXI插槽直接将获取的数据传输给计算机；另一种是总线式，计算机外的DAQ硬件首先获得数据，然后通过串口、并口、USB、GPIB等总线将数据传输给计算机。数据采集设备传输给计算机的数据还不能被软件直接使用，需要有驱动程序、应用程序
42、编程接口（API）、硬件配置管理软件等完成硬件和软件之间的协调。本文采用NI公司的Labview软件，其中，该软件提供了两套驱动程序：传统NI-DAQ和NI-DAQmx。两套驱动程序分别提供了不同的应用程序编程结构、硬件配置方法。应用软件包括开发软件和最终的应用程序，超高压系统软件设计请看第五章。第三章800MPa超高压系统测试硬件设计与实现3.1 传感器3.1.1 传感器选型原则16现代传感器在原理与结构上千差万别，如何根据具体的测量目的、测量对象以及测量环境合理地选用传感器，是在进行某个量的测量时首先要解决的问题。当传感器确定之后，与之相配套的测量方法和测量设备也就可以确定了。测量结果的成
43、败，在很大程度上取决于传感器的选用是否合理。1.根据测量对象与测量环境确定传感器的类型要进行一个具体的测量工作，首先要考虑采用何种原理的传感器，这需要分析多方面的因素之后才能确定。因为，即使是测量同一物理量，也有多种原理的传感器可供选用，哪一种原理的传感器更为合适，则需要根据被测量的特点和传感器的使用条件考虑以下一些具体问题:量程的大小;被测位置对传感器体积的要求;测量方式为接触式还是非接触式;信号的引出方法，有线或是非接触测量:传感器的来源，国产还是进口，价格能否承受，还是自行研制。在考虑上述问题之后就能确定选用何种类型的传感器，然后再考虑传感器的具体性能指标。2.灵敏度的选择通常，在传感器
44、的线性范围内，希望传感器的灵敏度越高越好。因为只有灵敏度高时，与被测量变化对应的输出信号的电压电流值才比较大，有利于信号处理。但要注意的是，传感器的灵敏度高，与被测量无关的外界噪声也容易混入，也会被放大系统放大，影响测量精度。因此，要求传感器本身应具有较高的信噪比，尽量减少从外界引入的干扰信号。传感器的灵敏度是有方向性的。当被测量是单向量，而且对其方向性要求较高，则应选择其方向灵敏度小的传感器;如果被测量是多维向量，则要求传感器的交叉灵敏度越小越好。3.频率响应特性传感器的频率响应特性决定了被测量的频率范围，必须在允许频率范围内保持不失真的测量条件，实际上传感器的响应总有一定延迟，希望延迟时间越短越好。传感器的频率响应高，可测的信号频率范围就宽，而由于受到结构特性的影响，机械系统的惯性较大，因而频率低的传感器可测信号的频率较低。