基于LabVIEW與數據采集卡的液壓馬達測試系統設計

摘 要：【目的】在液壓馬達測試過程中，為準確采集壓力、流量、轉速、轉矩、溫度等關鍵數據，同時對比例閥等器件進行實時控制，設計出一套基于LabVIEW與數據采集卡的液壓馬達信號采集系統。【方法】該系統硬件部分集成數據采集卡、多種變送器、信號隔離器，并采取抗干擾措施，保證信號采集的準確性與穩定性；軟件部分通過LabVIEW主程序及子程序設計，實現試驗參數數據庫設置、傳感器標定、現場數據顯示、報表生成等功能。【結果】通過對不同型號的液壓馬達進行測試，觀察分析數據采集波形圖，發現該系統重復檢測結果穩定。【結論】該系統的應用對觀察現場數據、進行質量分析、開展產品溯源具有積極作用，并為類似信號采集系統的設計提供一定參考。

關鍵詞：LabVIEW；數據采集；液壓馬達

中圖分類號：TH137.51" " 文獻標志碼：A" " 文章編號：1003-5168（2025）01-0017-05

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2025.01.003

Design of a Hydraulic Motor Testing System Based on LabVIEW and a Data Acquisition Card

REN Handing ZHU Lu YAO Wei LIU Yuan ZHAO Haojie ZHANG Chao

（Anhui Vocational College of Defense Technology， Lu'an 237000， China）

Abstract： [Purposes] To accurately acquire information such as pressure， flow rate， rotational speed， torque， and temperature， and to control devices like proportional valves in real-time in the process of hydraulic motor test， a hydraulic motor signal acquisition system based on LabVIEW and a data acquisition card is designed. [Methods] The hardware component integrates an Advantech data acquisition card， various transmitters， the signal isolator and anti-interference measures to ensure the accuracy and stability of signal acquisition. The software component， designed through LabVIEW main and subprograms， implements functions such as experimental parameter database setup， sensor calibration， real-time data display， and report generation. [Findings] By testing hydraulic motors of different models and analyzing the data acquisition waveforms， it is found that the detection repeatability of the system is stable. [Conclusions] The implementation of this system plays a positive role in monitoring on-site data， conducting quality analysis， and supporting product traceability. Additionally， it provides a reference for the design of similar signal acquisition systems.

Keywords： LabVIEW; data acquisition; hydraulic motor

收稿日期：2024-09-24

基金項目：2022年度安徽省教育廳科學研究項目“基于視覺學習的果類品質檢測關鍵技術研究”（2022AH052516）；2021年度安徽省教育廳科學研究項目“基于深度學習的學術論文圖形/圖像相似度檢測關鍵技術研究”（KJ2021A1501）；2024年度安徽省教育廳項目自然科學基金重點項目“高精度大功率液壓馬達試驗系統關鍵技術研究”（2024AH050201）；2024年度安徽國防科技職業學院校級科研項目“高端元件測試系統開發團隊”（2024GFKYPT006）、“新型反拉式換位夾持黃麻剝皮機”（2024GFZR001）、“智能型液壓抓臂式清污機結構輕量化分析與優化設計研究”（2024GFZR002）；安徽省中青年教師培養行動優秀青年教師培育項目（YQYB2023196、YQYB2024172）；安徽省高校理工科教師赴企業掛職實踐計劃入選項目（2024jsqygz226）；安徽省質量工程教學研究項目（2023jyxm1531）；安徽省職業與成人教育學會2024年教育教學研究規劃課題（AZCJ2024067）。

作者簡介：任漢鼎（1988—），男，碩士，講師，研究方向：電氣工程、自動化控制。

0 引言

液壓馬達屬能量轉換裝置，是能產生連續旋轉運動的執行元件。液壓馬達把輸送來的油液壓力能轉換為機械能，其輸入量是油液的壓力和流量，輸出量是轉矩和轉速（角速度）［1］。為測試馬達質量，需要對馬達進行跑合試驗與性能測試。在測試過程中，液壓馬達測試系統需要對比例閥等器件進行實時控制，同時對壓力、流量、轉速、轉矩、溫度等信號進行檢測。液壓馬達測試硬件布局如圖1所示。

在測試液壓馬達系統過程中，主要采用西門子S7-1215對現場信號進行監測與控制，但所涉及的模擬量與數字量超過8個通信模塊所能承載的上限。綜合考慮系統的穩定性及經濟性，確定使用研華數據采集卡對剩余7路模擬量信號進行采集。上位機與PLC之間采用NI官方的開放平臺通信（OPC）方式。OPC是自動化行業及其他行業用于數據安全交換時的互操作性標準。OPC獨立于平臺，并確保來自多個廠商的設備之間的信息能無縫傳輸［2］。本研究僅展示數據采集卡與上位機間的硬件設計及LabVIEW程序綜合設計。上位機如圖2所示。

1 數據采集硬件設計

數據采集硬件包括數據采集卡、變送器、信號隔離器。數據采集卡采用USB-4704，變送器包括壓力變送器、流量變送器、溫度變送器，信號隔離器采用AOTUKER的GLZH22-A-V（2入2出）。信號傳輸與轉換流程如圖3所示。

1.1 數據采集卡

該系統采用單端輸入。在測試過程中，要對現場模擬量進行實時采集。根據實際需求，采用研華USB-4704采集卡。該采集卡可同時采集8路模擬量信號，其主要參數性能見表1。

1.2 變送器

為減少采集過程中信號干擾及信號損失，所采用的壓力變送器、流量變送器、溫度變送器均為電流型變送器。壓力變送器型號為FRISUO的PT-351，流量變送器型號為WEBTEC的CT150，溫度變送器型號為ALDSB的WZPK236。這三款變送器的模擬量采集范圍均為4～20 mA，且在檢測區間內均具有良好的線性度，可保證檢測精度。

1.3 信號隔離器

工業自動化領域需要檢測各類模擬量，如水壓、水流量、濕度、磁場強度和溫度等非電模擬量，但在信號采集和傳輸過程中，為保證控制系統能安全、可靠和穩定運行，通常使用信號隔離器將傳感器信號或變送器信號等測量系統的地和控制系統的地隔離開來［3］ 。由于變送器信號為4～20 mA電流信號，采集卡輸入信號為0～10 V的電壓信號，故使用具有AV轉換功能的信號隔離器GLZH22-A-V，除保障信號傳輸外，還兼具電壓電流轉換功能。

1.4 硬件接線

由于要對回油流量、泄露流量、泄露溫度、泄露壓力、補油壓力、Pi壓力、Ps壓力這7路信號進行采集，采用2個流量變送器、1個溫度變送器、3個壓力變送器，依次連接到4個GLZH22-A-V信號隔離器（2進2出）輸入端子。信號隔離器16端子與15端子之間連接DC 24 V，保障供電。信號隔離器輸出端使用屏蔽線連接至研華USB-4704采集卡，該采集卡具有8路模擬量輸入通道，在系統中僅用通道0～通道6進行單端輸入。

在硬件接線過程中，根據抗干擾需求，采取GND接地、信號線包裹屏蔽層、安裝磁環等措施，能有效保障信號的穩定性和準確度。

2 數據采集軟件設計

液壓馬達測試系統的軟件功能包括試驗參數設置功能、傳感器標定功能、數據采集與顯示功能、報表生成功能。

本研究采用研華采集卡附帶有相關驅動文件。在成功安裝研華采集卡驅動（DAQ XNavi）后，可通過LabVIEW直接調用研華的相關函數對采集卡進行設置。其中，創建通道函數用來配置信號范圍、采樣通道等參數；采樣時鐘函數用來配置采樣頻率和緩沖區大小；讀取數據函數根據采集卡的性能，配置每通道采樣數，并輸出采集的數據［4］。

2.1 試驗參數設置功能

在液壓馬達測試過程中，要對馬達轉速目標值（r/min）、主泵加載壓力目標值（MPa）、馬達加載壓力目標值（MPa）、排量比、減速比等參數進行設置。由于被測馬達型號與參數不同，考慮設置效率、數據共享性等方面，選用Microsoft Access作為存儲方式。Microsoft Access是建立在“關系型數據庫”上的一套應用系統，有6個主要對象（表、查詢、窗體、報表、宏、模塊），可將一個數據庫文件當作一個表格對象進行處理。一個Access數據庫文件包含多張表，可選擇鏈接方式和外部表格、數據庫（包括網絡）鏈接，而不用直接導入，占用磁盤空間［5］。

在LabVIEW中，通過函數選板—互聯接口—Database選擇數據庫處理模塊進行操作，可實現Access數據庫的增、改、刪、查等操作。以查詢為例，其操作如圖4所示。

為實現對數據庫數據查詢，先通過字符串連接數據庫，再調用SQL語句進行查詢，并通過“Fetch Recordset Data.vi”函數獲取查到的數據，最后通過嵌套的For循環將數據以數組方式讀出，賦值給不同變量。此外，增加、改變、刪除操作與查詢操作相同。

2.2 傳感器標定功能

由于該系統中壓力變送器、流量變送器、溫度變送器在其工作范圍內均具有較好的線性度。在線性區間內，其物理量與數字量的對應關系見式（1）。

[y=y2?y1x2?x1?x+y1]" （1）

式中：y2為物理量上限；y1為物理量下限；x2為數字量上限；x1為數字量下限；x為采集值；y為實際值。

通過編寫子vi，并結合不同變送器的物理量與數字量量程，將儀表的采集值轉換為實際值，并應用于主程序中。其子vi程序框圖如圖5所示。

2.3 數據采集與顯示功能

數據采集與顯示是該系統的核心功能，在LabVIEW中構建主vi與PLC及采集卡通信采集現場數字量/模擬量信號。同時，依托西門子S7-1215對現場開關與變量閥進行準確控制。顯示界面如圖6所示。

2.4 報表生成功能

將該系統采集到的數據錄入到Excel表格中。由于表格具有可拓展性，采用“Excel Get Last Row.vi”函數輸出最后一行的簇信息，并通過解綁簇，可獲得最后一行的行信息。在報表中寫入數據時，能定位寫入位置。定位報表最后一行如圖7所示。

3 試驗結果

基于多款型號的液壓馬達，對該系統展開測試，依次進行正向速度跑合、正向壓力跑合、反向速度跑合、反向壓力跑合、正向低速性能測試、正向高速性能測試、反向高速性能測試、反向低速性能測試。PLC與采集卡采集到的變量在上位機上顯示重復檢測結果穩定。表格數據記錄正常，符合設計預期。

4 結語

本研究通過構建基于LabVIEW與數據采集卡的液壓馬達測試系統，對液壓馬達的各項關鍵參數進行采集并判斷，不僅能通過對主界面的監控直觀觀察現場實時數據，還能通過生成的波形圖對壓力、流量、轉速、轉矩等關鍵指標進行時域顯示，開展產品質量分析，更能利用生成的表格對產品指標進行監控，方便產品溯源。本研究將對后續的產品質量監測與觀察具有重要的參考價值。

參考文獻：

［1］施濟華.擺線齒輪式液壓馬達簡介［J］.上海機床，1999（1）：32-38.

［2］張雨龍，何玉喜，吉晶.基于LabVIEW平臺OPC協議在產線追溯中的應用研究［J］.南方農機，2024，55（14）：156-160.

［3］唐賽，朱晶亮，龍小活，等.一種多功能信號隔離器的研究與應用［J］.電工技術，2023（17）：148-151.

［4］王正家，楊劍東，丁聰.基于LabVIEW的離合器摩擦片性能試驗臺測控系統設計［J］.儀表技術與傳感器，2024（7）：59-65.

［5］張曉麗，任國彪，劉萍，等.利用Microsoft Access進行數據庫管理［J］.石油儀器，1999（4）：31-34.