伺服阀特性测试信号采集同步性研究

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在伺服阀自动测试系统中，通常连续采集温度、压力等物理量来监控被测对象的状态，这些物理量对应于电流或电压信号，以模拟信号的形式出现；同时要读取光栅尺，编码器等传感器测量的位移、速度等物理量，这些物理量通常以脉冲序列形式出现。模拟信号与脉冲信号在时间上存在严格对应关系，两种信号的采集同步性关系到测量结果的准确性和可靠性，甚至测量的成败 J。因此，对于伺服阀特性测试来讲，必须要求实现模拟信号和脉冲信号的同步采集。

密歇根州立大学的 W.Hennig 等人为了实现国家超导回旋加速器实验室的 SeGA探测器阵列的600多个通道的数据同步采集，提出了-种在 4个 PXI机箱之间分配时钟和触发信号的方法，使所有通道波形同步抖动小于 1lS。但该系统结构复杂，成本较高，对于通道数较少的情况不太适用。北京交通大学的某学者4 应用 GPS授时技术提出了-种电力系统交流电气信号同步采集的设计方案，但该系统只能对同-类型的信号进行同步采集。

针对上述情况，本文分析了伺服阀特性测试过程中数据不同步采集的-般原因，提出了采用统-时钟源与板卡触发信号和设置线程优先级来提高信号采集同步精度的方法。

1 模拟信号与脉冲信号采集不同步分析在伺服阀特性测试系统中，模拟信号与脉冲信号的- 般采集方案如图1所示。模拟信号进入采集卡后，先通过信号处理电路进行预处理，再经过 A/D转换器进行转换，然后将采集到的数据存人 FIFO缓存中，最后通过软件将缓存中的数据读取并存入计算机。而脉冲信号进入采集卡后，先通过信号处理电路进行预处理，再通过锁存器将每次采集到的脉冲数据锁存到缓冲区，最后通过软件将缓冲区的数据读取并存人计算机。

收稿 日期 ：2012-09-13基金项 目：吉林势技支撑计划项目(2Ol10313)作者简介：苏成志(1977-)，男，吉林桦甸人，副教授，博士，主要从事机电系统 、光电检测方面的研究工作。

Theoretical Studies on High Pressure Safety Valves：Sizingand Design Supported by Numerical Calculations(CFD)[J].Chemical Engineering&Technology，2009，32(2)：252-262。

[1 1] Beune.A，Kuerten.JGM and Van Heumen.MPC.CFDAnalysis with Fluid-structure Interaction of Opening High-pressure Safety Valves[J].Computers& Fluids，2012，(64)：108-l16。

2013年第3期 液压与气动 59模拟信号采集卡叵巫H 匝l锁存模式j蓄 软件。。脉冲讦薮器 图 1 模拟信号与脉冲信号同步采集方案不失-般性，假设模拟信号的考察周期为 ，如图2所示，设在周期 内脉冲信号的采样点数为 ，则模拟信号与脉冲信号不同步时间差 △可表示为：AtAto凡(AtlAt2) (1)式中：△ 为模拟信号与脉冲信号触发时刻不同造成的采集时间差；At 为模拟信号和脉冲信号采样频率不同造成的相邻数据采集时间差；At：为模拟信号和脉冲信号读取周期不同造成的相邻数据采集时间差；n为考察周期 内脉冲信号的采样点数。

。产生的原因：由于模拟信号采集卡与脉冲计数器卡的触发过程不可能达到绝对同步，因此二者的触发存在-定的时间间隔 △。。

△ 产生的原因：由于模拟信号采集卡与脉冲信号计数卡采样频率不同引起的相邻数据采集时间差。

l I I I / ： li /I I I / i1 II I]门 1 ] ] ] 1 ]几- l I --j1门] ]I f ： 。： l - -- - n ] - l II 。f2 L- I I I图 2 采集不同步原理示意 图△ 产生的原因：由于 Windows操作系统为非实时操作系统，用户很难对处理器处理任务的过程进行干涉，即无法设置任务的优先级，从而导致系统无法保证重要任务的响应时间。在本采集系统中，数据的读韧存储过程是由计算机控制的，而数据的读取速率- 般都很快，当读取速率超过-定值时系统的定时精度和响应速度就满足不了要求，这就会造成模拟信号采集卡与脉冲信号采集卡在读取数据时存在-个时间差 △ 。

设模拟信号采样频率为-厂，则在-个考察周期内，脉冲信号的采样点数 可表示为：- 7△ 1△ 2(2)把公式(2)代入公式(1)得：AtAto-- L- (3) 上由公式(3)可知，模拟信号与脉冲信号不同步时间差 与采样频率 ，考察周期 ，△ ，△f 和△ 。有关 ，且随着 ，△ ， 和 △ ：的增大而增大。

2 同步采集改进方案为了衡量采集过程中的同步精度，定义不同步时间差 和考察周期 的比值表示同步相对误差 ，即：6 [。

。% ㈩ 图3为改进后的同步采集方案。由公式(4)可知，要想提高同步精度，需要解决以下三个方面的问题。

. 曼：墨塞±脉冲计数器卡图3 改进后的同步采集方案① 采集操作的同步，即同步触发和停止。通过给模拟信号采集卡和脉冲计数器卡提供统-的板外触发脉冲来实现，同时增大考察周期 可减小触发不同步引起的时间差对同步相对误差的影响；② 采样频率的同步，即各通道间的采样数据具有相同的采样间隔时间。

通过为模拟信号采集卡和脉冲计数器卡提供统-时钟源来实现；③ 软件读取的同步，即采集卡间和通道间读取数据的同步。通过设置任务的线程优先级，保证任务的响应时间，减少读取数据过程中产生的延时误差。

3 同步采集试验与讨论在伺服阀特性测试中，伺服阀的给定激励信号为连续的三角波电流信号，测量流量时使用光栅尺位移传感器，通过测量作动筒活塞位移的变化率，间接求出嘲 母液压与气动 2013年第3期流量的变化。

图4为改进前的伺服阀特性测试设计方案图。综合考虑电流信号和1vrL正交脉冲信号的各项指标，采用某公司的 PCI2005数据采集卡对电流信号进行采集，采用 PC394计数器卡对 1TrL正交脉冲信号进行采集。改进前 PCI2005与PCI2394没有统-时钟源与外部触发信号，二者的采集过程是相对独立的。图5为改进后的伺服阀特性测试设计方案图，将 PCI2005的板内时钟输出，经过分频处理后接到 D10管脚，将其作为 PC394的数据锁存信号，然后采用 NI-reahime实时采集技术为读取数据的任务设置线程优先级，再通过 LabVlEW进行编程，将 PCI2394每次锁存在缓冲区的数据保存，以实现两种信号的同步采集。

l璺l 4 改 进 丽 的设 计 万 檠 圈- - 淼 僵 匣 l塞 f试验台f JIl -- 业f-1 - I：I H 亟H 作动筒广]光栅尺广I脉冲信号圈 5 改讲后的设计方塞图图6和图7为改进前后测得的伺服阀空载流量特性曲线图。从图6和图7中可以看出，在采用改进方案之前，由于 PC005与 PC394采集到的数据点数不-致，造成流量特性曲线不闭合，且改进前的曲线相对于改进后的曲线有-定的变形，这会严重影响测量结果的准确性。

g旨咖煺.量搴删媛电流，mA图6 改进前测得的流量特性曲线-- - ，/ . 。

电流/mA图7 改进后测得的流量特性曲线表 1和表2分别为改进前后空载流量特性的测试结果。通过对比可以发现，改进后的测量误差得到了有效的降低 ：额定流量平均误差降低 0.58%，滞环平均误差降低 8.58%，线性度平均误差降低 5.77%，对称度平均误差降低 10.72%。采用同步相对误差对改进前后的同步精度进行对比后可知，当电流信号频率为O.O1 Hz时，改进前的同步相对误差为2.22%，改进表 1 改进前空载流量特性测试结果测 测试条件 测试结果记录试项 信号频率 电流信号 脉冲信号 周期点数 目 (Hz) 周期点数 周期点数 之差 标准值 钡0试值 误差/%额 0.01 19998 19563 435 5.17 I/min 0.58%定 0.05 9999 9786 213 5.20 L/min 5.13 I/min 1.35% 流量 0.1 500O 4901 99 5.15 L/min O.96%0.01 19998 19563 435 4.33% 8.25%滞 0. 05 9999 9786 213 4.00% 4.42% 1O.50% 环0.1 5000 4901 99 4.55% l3.75%线 O.O1 19998 19563 435 2.87% 4.33%性 0.O5 9999 9786 213 3.00% 3.25% 8.33%度 0. 1 5000 4901 99 3.38% l2.67%2013年第3期 液压与气动 6l续表 1测 测试条件 测试结果记录试项 信号频率 电流信号 脉冲信号 周期点数 标准值 测试值 误差/%目 (Hz) 周期点数 周期点数 之差对 0.01 19998 19563 435 2.56% l1.30%称 O.O5 9999 9786 213 2.3O% 2.63% 14.35%度 O. 1 5000 4901 99 2.67% 16.09%表 2 改进后空载流量特性测试结果测 测试条件 测试结果记录试项 信号频率 电流信号 脉冲信号 周期点数目 (Hz) 周期点数 周期点数 之差 标准值 测试值 误差/%额 0. 01 19997 19994 3 5.21 I/min 0.19%定 0. 05 9998 9997 1 5.20 I/min 5.23 I/rain 0.58% 流量 0.1 50o0 4999 1 5.18 L/min 0.38%0.Ol 19997 19994 3 3.89% 2.75%滞 0. 05 9998 9997 1 4.oo% 4.12% 3.0O% 环0.1 5O0o 4999 l 3.96% 1.0O%线 0.01 19997 19994 3 3.05% 1.67%性 0.O5 9998 9997 1 3.00% 3.11% 3.67%度 0. 1 500o 4999 1 2.92% 2.67%对 0.01 19997 19994 3 2.41% 4.78%称 0.O5 9998 9997 1 2.30% 2.37% 3.04%度 0. 1 5Ooo 4999 1 2.26% 1.74%后的同步相对误差为 0.015%。由此可知改进后的同步采集方案是有效的。

4 结论本文对伺服阀特性测试过程中出现的模拟信号和脉冲信号采集不同步现象做了分析，并在原有采集方案的基础上进行了改进，通过对改进前后试验数据的对比，得出以下结论：(1)模拟信号与脉冲信号同步采集时，要想使同步精度得 到保障，必须 同时解决好 以下三个 问题：① 采集操作的同步；② 采样频率的同步；③ 软件读取的同步。

(2)改进采样方案后 ，系统的同步相对误差由改进前的2.22%降为 0.015%，说明了改进方案在模拟信号与脉冲信号同步采集过程中是有效的。

(3)文中提出的模拟信号与脉冲信号的同步采集方法也适用于其他类型信号的同步采集问题。