一種軸向柱塞泵內部壓力測試方法

周曉磊，武 兵，王 君

（太原理工大學新型傳感器與智能控制教育部與山西省重點實驗室，山西 太原 030000）

1 引言

隨著科技的不斷發展，環保成為社會發展的重要主題，軸向柱塞泵作為液壓系統的重要組成部分，是整個系統中的主要噪聲源，而柱塞泵的噪聲與柱塞腔內部的壓力脈動緊密聯系，因此如何準確對柱塞腔內部壓力測試有著非常重要的意義。

柱塞泵結構復雜，工作狀態下缸體隨轉軸高速旋轉，難以通過有線的方式直接連接壓力傳感器對柱塞腔壓力進行測試。前人想要分析柱塞腔內部壓力變化，只能采用間接測試或仿真分析，這些方法無法準確采集到的壓力數據，如何直接準確的對柱塞腔進行測試成為柱塞泵降噪研究的當務之急。國內外科研人員進行了大量研究探索。

2 研究進展

20世紀90年代，我國學者邱澤麟等通過搭建液壓試驗臺，將微型壓力傳感器固定在柱塞泵缸體接近配流盤處，通過電刷-滑環的方式將數據線從軸端引出，并將采集到的信號傳輸至外部的信號采集系統當中，對采集到的數據進行了分析，采用這種電刷-滑環的方式進行數據傳輸，由于軸的高速旋轉和同心度誤差，會導致電刷滑環之間的接觸電阻發生變化，極大影響信號傳輸的質量［1］。

21世紀初，文獻［2］通過搭建實驗臺，安裝水銀滑環的方式進行柱塞腔壓力測試。但是由于水銀滑環的固有物理特性，在水銀滑環隨轉軸旋轉過程中，水銀滑環的導電率會發生變化，大大影響信號的傳輸準確性，采集到的數據信噪比低，測試過程存在較大誤差［2］。

2015年文獻［3］通過在齒輪泵齒隙加工微型孔并安裝壓力傳感器，將傳感器引線通過軸中心的細孔連接至軸端的FM數據發射裝置，成功采集到泵內部壓力變化，但是模擬通訊方式抗干擾能力弱，容易受到外界干擾，必須具備電磁屏蔽的環境才能提高信噪比，實驗設備要求高，對于工況復雜的柱塞泵，適用性不強。針對測試過程中出現的問題，這里提出一種嵌入式柱塞泵內部壓力測試方法，利用現有的無線數字通訊技術和無線供電技術，將數據采集節點直接嵌入到柱塞泵之中，并采用藍牙協議進行無線數據傳輸。該方法能夠更準確地采集到柱塞腔的壓力，提高信噪比以及進行實時壓力監測，為柱塞泵的內部壓力測試提供了新的技術手段。

3 柱塞泵結構設計

柱塞泵結構緊湊，內部空間狹小，壓力傳感器安裝空間十分有限，而且傳感器的安裝要盡量減小對柱塞泵壓力特性及機械強度的影響。因此本設計在柱塞缸接近腰形出口處側面打上小孔，將微型傳感器通過螺紋固定在孔內，柱塞泵工作時該傳感器與柱塞缸體一起旋轉，實現柱塞泵內部壓力的測試。傳感器信號輸出線通過缸體及轉軸上加工的細小孔洞，最終從轉軸軸端引出，然后由固定在軸端的無線數據發射裝置將采集到的信號發送出去。我們以力士樂A10V0S71柱塞泵為例，如圖1所示。傳感器安裝示意圖，如圖2所示。

圖1 柱塞泵實物圖Fig.1 The Plunger Pump

圖2 柱塞泵實物圖和傳感器安裝三維示意圖Fig.2 3D Schematic Diagram of Sensor Installation

查閱數據手冊，柱塞泵在工作時，缸體要承受的峰值壓力為35MPa 的壓力。在缸體側壁上打5mm 的螺紋孔和1.5mm 的通孔，分別進行壓力傳感器的固定和走線，對打孔后的缸體進行三維建模和有限元分析，計算缸體在最大壓力下的應力分布結果，如圖3所示。缸體所受應力仍在安全范圍內。

圖3 缸體受力分析結果Fig.3 Cylinder Force Analysis Results

4 傳感器節點總體方案設計

柱塞泵柱塞腔壓力信號變化復雜且包含大量高頻成分（轉速1000r∕min情況下，壓力信號中的高頻成分可達500Hz）［4］，這就要求節點具有較高的采樣率和較高的分辨率，并有較低的功耗和較高的能量效率。結合以上特點設計出如下雙處理器架構的傳感器節點總體方案，這種設計方案既具有較高的數據處理能力，又具有較低的功耗［5］。節點的總體方案，如圖5所示。包括：傳感器模塊、信號調理模塊、模數轉換模塊、控制與處理模塊，存儲模塊、射頻發射模塊、電源模塊。采用兩種處理器分別負責數據的處理和無線通信，既降低了主處理器的負擔，也增加了各種不同性能芯片之間搭配的靈活性［6］。節點樣機，如圖4所示。

圖4 節點樣機實物圖Fig.4 Wireless Sensor Node

圖5 節點總體設計方案示意圖Fig.5 Schematic Diagram of Overall Design of the Node

無線通信模塊采用CC2540 低功耗射頻收發芯片，它支持BLE4.0低功耗藍牙無線通信協議，采用增強型8051內核，具有低功耗，較強數據處理能力的特點。

數據處理模塊采用STM32f103ZE 作為該節點的核心，該芯片采用ARM Cortex-M3內核，集成了嵌入式Flash和SRAM存儲器，具有高性能、低成本、低功耗的特點，同時具有豐富的片上資源，減少了外設元件數量。節點移植了UCOS嵌入式實時操作系統。節點在運行時要進行頻繁的任務切換，所以必須得為每個任務開辟屬于任務自己單獨的堆棧，以便降低應用程序對RAM 的需求［7］。同時使用該嵌入式操作系統給各個任務設置優先級，能夠提高節點程序運行可靠性，降低程序調試的難度。

5 傳感器和數據采集部分設計

為了滿足柱塞泵柱塞腔壓力信號的采集，采用EPB-B0應變式壓力傳感器，該傳感器具有高達35MPa量程和350kHz諧振頻率。全量程情況下，線性度高達0.5%，傳感器內部集成了惠斯通電橋，具有（-40～90）°C的溫度補償范圍。尺寸較小（直徑3.18mm，長度4.57mm），便于安裝，能夠適應柱塞泵緊湊的結構，同時減小了在安裝過程中對柱塞泵缸體原有結構的破壞，降低對缸體強度的影響。由于傳感器采集到的信號非常微弱，為了進一步提高測試精度，數據采集過程中先對傳感器傳來的模擬信號進行放大和濾波。信號放大調理電路采用AD623芯片。AD623是一種低功耗精密儀表放大器，具有較好的線性度和較高的溫度穩定性，可以對高頻信號（最高可達800kHz）進行放大處理，通過外接可變電阻RG，可以便捷的調節其阻值進而調整其放大增益，增益最高可達1000，其增益G計算公式如下。在測試過程中根據不同要求，通過調節節點上的電位器改變RG大小。

式中：G—放大增益；RG—可變電阻阻值。

6 數據存儲部分設計

現有的數據處理芯片雖然板載了小容量的片上Flash存儲芯片，但是無法緩存柱塞泵測試過程中產生的大量數據，因此節點外接1GB的TF卡來擴展存儲空間，節點采用SDIO接口驅動，每秒可傳輸數據8M字節，可以滿足數據高速存儲的要求。同時，為了方便數據的管理，節點移植了FAT文件系統，利用FAT文件系統將節點采集到的數據以文件形式直接保存在TF卡中，通過將節點的TF卡回收，可以便捷的獲得節點采集到的大量數據。使用FAT對文件進行管理，減少了繁瑣的底層驅動程序。程序直接調用FAT封裝好的API接口函數實現對文件的讀寫、創建、刪除等操作。為增加數據讀寫速度，我們將數據以bin格式文件保存至節點板載的TF卡中，數據會以二進制數形式在文件中呈現，我們只需將采集到的數據通過處理轉換成十進制數便可以快速得到傳感器采集到的值。采用這種方式可以降低數據處理芯片的負擔，大大提高節點采樣率，實現數據的快速存儲。

7 無線數據傳輸模塊

節點使用CC2540進行數據的無線傳輸，該芯片集成了增強型8051內核，搭載了BLE4.0協議棧，該協議具有短距離、自組網、超低功耗、較高傳輸速率（1Mbps）、較強的抗干擾能力和較低成本等特點。在PCB設計上，為使節點更加小巧緊湊，采用雙層結構，上層為無線數據發射模塊，下層為STM32處理器及部分功能電路，中間設計PCB接口板，分別與上下層接口插接，實現電路硬件的連接。兩處理器采用UART串行通信方式進行命令和數據傳輸，這種雙核心的架構，兩個核心各司其職，能夠提高整個節點的可靠性和靈活性，降低主控芯片的負擔，提高數據采集準確性。

在進行數據采集傳輸時，發射數據的節點為從機，負責數據采集；接收數據節點為主機，負責數據接收。上電后，從機啟動，在預設信道連續向外發送連接請求信號，同時主機開始循環掃描各個信道的信號，最終與從機建立無線連接，連接建立好之后就可以進行主機和從機的數據傳輸和命令交互。主機向從機發送數據采集命令，進行數據采集，然后STM32驅動ADS8344進行模數轉換，并將數據存儲在TF 卡中；當收到主機的傳輸數據命令后，STM32便將采集到的數據通過串口有線傳輸至從機，從機通過射頻天線將數據無線發給主機，主機接收到數據后通過USB連接線發送給上位機［8］。數據采集運行流程圖，如圖6所示。

圖6 程序流程圖Fig.6 Flow Diagram

8 無線供電模塊設計

柱塞泵在工作過程中柱塞缸隨軸旋轉，無法使用有線供電方式，而電池供電電量有限且重量較大，因此本節點采用無線供電的方式，實現對節點的供能。目前無線供電主要有電磁感應式、磁耦合諧振式和電磁波輻射式三種傳輸方式，其中磁耦合諧振式有更遠的傳輸距離、更高的傳輸效率和結構尺寸，因此本節點采用磁感應式進行無線供電［9］。為了方便節點安裝調試，減少節點的安裝對柱塞泵工況造成影響，要盡量減小節點各模塊的尺寸，因此，這里采用直流電源為發射端供電，采用兩個純銅線圈相互耦合實現電能無線傳輸，通過高頻逆變處理后將交流電能傳輸至初級繞組［10］。次級繞組通過電磁感應接收到初級繞組傳來的電能，電能接收端選用T3168進行整流穩壓，為系統提供5V電源。無線供電發射端采用XKT-510 芯片，發射線圈電感為30uH，接收端線圈也選用30uH，諧振頻率在600kHz，在電路設計方面，針對節點傳輸距離較小、線圈尺寸小、功率不高、諧振頻率不高等特點，我們采用并聯-并聯式諧振電路來進行無線供電。經測試，在常溫狀態下，能夠滿足節點的工作用電需求。無線電能發射與接收電路原理，如圖7所示。

圖7 無線供電模塊原理圖Fig.7 Wireless Power Supply Module Schematic

9 試驗及結果分析

在實際柱塞泵測試過程中，節點應具有較高穩定性和準確性，需要對所設計的節點進行穩定性和準確性測試［8］。使用泰克函數發生器AFG3151C產生頻率1024Hz，峰峰值150mV的標準正弦波信號。測試過程中信號頻率、峰峰值等信號參數保持不變，無線供電距離保持20mm不變，如圖8所示。使用該節點進行數據采集。在五天時間內，每天隨機進行20次定長采樣，共進行100次采樣，每次采樣頻率25.6kHz，采樣長度為40960個點。采樣結束后，進行FFT變換，進一步進行幅值誤差和頻率誤差分析。

圖8 誤差測試實驗Fig.8 Error Test Experiment

在這100次實驗過程中，采集信號的頻率誤差接近于0，說明節點采集信號的頻率誤差小于FFT的分辨率0.7812Hz，采集到的信號幅值誤差分析結果，如圖9 所示。采集信號的幅值誤差在（0.2～0.9）%之間，節點的準確性和穩定性都較好。

圖9 采集數據幅值誤差評估實驗結果Fig.9 Data Error Evaluation Experiment Results

10 結論

這里圍繞柱塞泵內部柱塞腔壓力測試，提出了新的柱塞腔測試方法。針對柱塞泵的工況，節點采用了雙核心架構，以STM32為核心進行數據采集及存儲，采用藍牙協議進行無線數據傳輸，使用線圈進行無線供電。該節點具有數據采集，存儲，無線傳輸等功能，節點采樣頻率高，能夠實現長時間連續采集。實驗表明，該節點能夠對高頻信號進行準確采集，節點穩定性和可靠性較好。