基于虚拟仪器技术设计油位传感器动态性能测试设备

测控设备的硬件设计

1 设备结构

TSG动态性能测试设备的硬件部分由数据采集系统、阻值和低油位报警测量系统、运动控制测量系统、启动电流测量系统、极性测量系统、气动系统和报警系统等组成，其相互关系如图1所示。

图1  测试系统构成

2 数据采集系统

数据采集系统主要由基于PCI的采集卡PCI-6527和PCI-6052E构成。PCI-6527卡是应用在24Vdc下的24路输入、24路输出的数字采集卡，用于满足TSG动态测试设备20路数字输入信号，21路数字输出信号的控制要求；PCI 6052E卡是能提供8路差分信号输入，最高采样率333kS/s，输入分辨率16位，输入范围±10V的模拟量采集卡，完全满足设备5路模拟量差分输入，采样率4000Hz，输入分辨率16位的要求。该系统作为设备的硬件核心。

3 阻值和低油位报警测量系统

如图2所示，TSG是带中间滑动抽头的非线性跳跃型可变电阻器。它由如图3所示的连接浮子杆的运动带动中间滑动抽头的运动，而随之产生的电阻值变化可以真实反映出油箱中燃油的多少。为准确测试出TSG动态性能，即阻值随浮子杆运动高度变化而变化的性能，需要PCI-6052E进行阻值数值和高度数值的实时采集。

图2  油位传感器TSG

图3  带浮子杆的TSG

TSG阻值的采集是通过采样电路将阻值信号转变成0～10Vdc的电压信号，经过信号调理后再以差分信号的方式输入到PCI-6052E，其原理如图4所示。

图4  采样电路

根据（其中R为TSG阻值，VR为R的电压，r为外接定值电阻，Vr为r的电压），Vr输入到PCI-6052E的CH0通道，VR输入到PCI-6052E的CH1通道，通过公式计算可得TSG的阻值。低油位报警阻值的测量方法与此相同。

4 运动控制测量系统

TSG浮子杆上下运动和高度测量系统由SMC公司执行器LJ1H2022NF-400K-R2、控制器LC1-1B1VH2-L5和Balluff公司微脉冲位移传感器（包括定位磁铁块BTL5-N-2814-1S、传感器的本体BTL5-A11-M400-P-S32和L型连接插头BKS-S33M-05）组成，如图5所示。

图5  运动控制测量系统

将开发的运动控制程序输入到SMC控制器后，由测控软件通过PCI-6527控制SMC控制器选择不同的产品运动程序，SMC控制器通过控制交流伺服电机来驱动滚珠丝杆以100mm/s的速度带动浮子杆上下运动，同时执行器将滚珠丝杆的位置信息反馈回SMC控制器，实现浮子杆运动的闭环控制。而实际的运动高度值则经过微脉冲位移传感器测量后处理为0～10Vdc的电压信号输入到PCI-6052E的CH3通道。

利用LabVIEW进行应用软件开发

1 软件功能模块

LabVIEW软件是一个图形化的开发环境，带有大量的内置功能，能够完成系统仿真、数据采集、仪器控制、测量分析和数据显示等任务，避免了传统开发环境的复杂编程工作。此次开发的软件是在WIN2000平台上利用LabVIEW无缝开发的一套基于虚拟仪器的TSG动态性能测试的测控软件，其软件功能模块如图6所示。

图6  软件功能模块

2 TSG动态性能测试分析

表1列举出四种TSG（共40多种）在滚珠丝杆以100mm/s的速度在大致6s的时间内抬升浮子杆过程中关键测量点的要求，另外部分产品还需测量低油位报警点的阻值。从表1中可知TSG高度范围是-30～330mm，阻值范围是2～320Ω。这样在以高度为横坐标，阻值为纵坐标构成的坐标系中，由高度与阻值组成的判断窗口至少有7个，而且在控制高度点±1mm内必须有采样数据。为保证可靠地数据采集，经过测量系统分析，发现浮子杆的运动高度至多每间隔0.15mm就必须要保证同时有高度值和阻值输入到PCI-6052E，考虑应用程序是个复杂的、完成诸多功能的测控程序，设定PCI-6052E的数据采样率≥4000Hz。

3 软件结构总体设计

TSG动态性能测试设备测控软件的程序编写上采取顺序结构，包括两个独立的、可并行运行的任务：EKP性能测试St8.1和TSG动态性能测试St8.2。在开机执行由Case编写的初始化程序后，设备自动选择009产品，程序进入操作状态。通过下拉菜单选择设备校验、校验调整、型号设置、型号选择和手动操作等功能，完成设备设置与调整。按下人机界面上的自动按钮后，设备进入自动状态。

4 数据采集与曲线处理

当测控软件执行到数据采集时，PCI-6052E进行5个通道（2个TSG、2个低液位、1个高度）连续差分数据采集，同时进行阻值的计算，直到浮子杆运动结束。

一方面，测控软件将实时采集TSG阻值构成的纵坐标和高度值构成的横坐标打包成Cluster后输入到X-Y Chart Buffer子VI，该子VI与由TSG关键测量点构成的控制限框子VI一起经过Build Cluster Array处理后输出到Multiplot X-Y Graph子VI，最终画出TSG实时测量曲线。图7为TSG动态性能实时测量曲线。实时曲线用于观察TSG动态性能测试过程中曲线趋势，比较粗略。低液位报警实时曲线的处理与此类似。

图7  TSG动态性能测试实时测量曲线

另一方面，测控软件将整个采集过程中的TSG阻值数据、高度值数据和低液位报警数据分别用一维数组存储起来，在浮子杆运动结束后进行数据后台的组合、排序、筛选和结果判断，同时画出最终详尽的TSG动态性能测量曲线。

结束语

这一设备投入运行后，生产节拍从原来的90s提高到现在的30s，产量提高了近3倍。TSG动态性能测试的过程完全模拟油箱中TSG的真实状态，设备达到BOSCH相关厂的性能要求，其性能稳定、用户界面友好、操作简便及可靠性赢得了好评。