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某大型減速器運行工況及其過渡過程的測試
一、引言在旋轉(zhuǎn)機械的測試中，除了常見的溫度、壓力信號需要測試外，轉(zhuǎn)速、扭矩及功率因是衡量不同工況工作的關(guān)鍵指標，也占據(jù)著重要地位，有時為了潤滑、冷卻的需要，流量參數(shù)的測試也會受到關(guān)注。這樣一來，需測試的通道數(shù)不僅增多，而且信號的種類也趨多樣化，從而使整個測試系統(tǒng)的構(gòu)建亦變得復(fù)雜起來。本文介紹的某大型減速器的測試，正是這類測試中極具代表性的一個，它除了要實現(xiàn)不同工況下的監(jiān)測外，還要完成從一個工況過渡到另一個工況（即：過渡過程）的測試，后者對大型旋轉(zhuǎn)機械的出廠實驗是非常重要的。
二、測試方案
當(dāng)被測通道信號頻率較高時，通常用測頻法，其原理如圖1所示，圖2示出了測頻工作波形。圖1中時基電路產(chǎn)生的標準時基信號2，經(jīng)過門控電路后轉(zhuǎn)化為門控信號3，該門控信號在T1時間內(nèi)開通閘門，使加在閘門輸入端的被測信號fx 即1（通常整形為方波）通過閘門，得到被計數(shù)的方波4，進而送到計數(shù)器進行計數(shù)；門控信號3在T2時間內(nèi)則會關(guān)閉閘門，禁止被測信號1通過閘門，從而禁止計數(shù)，同時計算機或微處理器則可利用該時間T2從計數(shù)器中取出所計的脈沖個數(shù)Nf，并作相關(guān)操作，為下一次計數(shù)做好準備；當(dāng)已知時間T1及所計的脈沖個數(shù)Nf時，可由式fx = Nf/T1算得被測信號的頻率。當(dāng)T1一定時，若被測信號fx逐漸變小，Nf 的值也會隨之減小，則采用測頻法引起的±1誤差就會越來越大，當(dāng)fx低于一定值時，±1誤差可能會大得不能容忍，這時則應(yīng)選用測周法[1]。
測周原理方框圖如圖3所示，圖4示出了測周工作波形示意圖。因待測信號Tx（即波形2）的占空比不一定相等，故在門控電路中用二分頻電路盡可能地將其轉(zhuǎn)換為等占空比的方波3，然后去控制閘門，當(dāng)閘門開通時，經(jīng)分頻器得到的時標脈沖1（設(shè)其周期為Ts）則會通過閘門，得到波形4，并送至計數(shù)器進行計數(shù)，如計數(shù)值為NT，則Tx = NT * Ts ，從而可計算出待測信號頻率fx =1/Tx；因為待測信號頻率fx較小，故Tx較大，而時標脈沖1的頻率可以很高，所以NT 的值可以很大，即可使±1誤差減小，這樣就提高了待測信號的測量精度。
三、并行、多通道頻率信號測試的設(shè)計思想
基于上述測頻、測周原理，我們提出了一種并行、多通道頻率信號的測試方法，其設(shè)計思想為：在時間T內(nèi)，無論是測頻通道，還是測周通道，均要進行一次完整而有效的計數(shù)，并且將各通道計數(shù)結(jié)果用中斷的方式快速地取出。其工作波形如圖5所示，為了討論簡單且不失一般性，圖中只給出了兩路并行輸入的頻率信號，其中一路被測信號fXH的頻率較高，用測頻法；另一路TXL頻率較低（圖5 中TXL為被測信號二分頻后的波形，以使其占空比盡量相等），考慮用測周法。時間T為每次測點的間隔，它決定了采樣率，T1為實際允許計數(shù)的時間限，T2為CPU中斷讀取各通道計數(shù)值及進行相關(guān)操作的時間。因測頻、測周的門控信號互不相同，為實現(xiàn)上述設(shè)計思想，其關(guān)鍵在于各自門控信號的設(shè)計。
相比較而言，測頻通道門控信號的設(shè)計較簡單，可直接用時標波形TC來合成，使其在T1時間內(nèi)開通計數(shù)，在T2時間內(nèi)引發(fā)CPU中斷，以讀取所有通道計數(shù)值，并進行相關(guān)操作以準備下一次計數(shù)；很顯然，若采樣率一定，即測點的時間間隔T一定時，為了提高測頻精度，應(yīng)盡量增加T1時間，減少T2時間，但T2最小不能小于CPU執(zhí)行中斷程序所需的時間；因時標波形TC可由標準時間脈沖Tclk經(jīng)定時/計數(shù)器8254分頻得到，所以T2正好為標準時間脈沖信號Tcl k的一個時鐘周期，故調(diào)整Tcl k的頻率，即可改變T2的值。
對于測周通道，要在每次間隔時間T內(nèi)也完成一次采集，必需在時標波形TC的T1時間內(nèi)，對測周通道進行一次完整而有效的計數(shù)，以便在T2時間內(nèi)，計算機能讀取其計數(shù)值，并為下一時間T內(nèi)的采集做好準備。因為TXL在T1時間內(nèi)可能有一個或多個完整的Tx（TXL為被測信號二分頻后的波形，即Tx實際為被測信號的周期）到來，且Tx到來具體個數(shù)是不可預(yù)知的，所以不能直接用TXL來合成測周通道的門控信號。為了保證測周通道計數(shù)的有效性，其門控信號應(yīng)滿足如下條件：即在T1時間內(nèi)，無論被測信號TXL來了多少個Tx（但至少有一個完整的Tx），應(yīng)僅僅只在一個完整的Tx時間內(nèi)進行計數(shù)。
四、應(yīng)用舉例
根據(jù)上述思想，并針對某大型減速器的性能測試要求，我們設(shè)計了一基于ISA總線的八通道、并行頻率信號采集卡，以組成并行、多通道頻率信號測試系統(tǒng)，該測試系統(tǒng)要求能進行過渡過程測試和穩(wěn)態(tài)監(jiān)測，其測試精度要求為0.2%。其中采集卡上設(shè)計有兩路測頻通道，兩路測周通道，另有四路同時測頻、測周通道，用以分別測兩路扭矩、兩路流量及四路轉(zhuǎn)速信號。經(jīng)綜合考慮，兩路測周通道時標脈沖TS取為250 KHz。四路轉(zhuǎn)速測周時的時標脈沖TS取為2.5MKHz。因現(xiàn)場條件惡劣，干擾大，所用傳感器均為頻率輸出型傳感器，其分別為：
1）、測輸入轉(zhuǎn)速、扭矩選用的是：JN338系列轉(zhuǎn)矩傳感器，它能同時輸出轉(zhuǎn)速、扭矩信號，其中轉(zhuǎn)速信號為50Hz~7.2KHz的脈沖方波，扭矩信號為5KHz~15KHz的脈沖方波。
2）、測流量選用的是：LWGY型渦輪流量傳感器，其輸出信號頻率為40Hz~450Hz。
3）、測輸出轉(zhuǎn)速選用的是：SZMB型轉(zhuǎn)速傳感器，其輸出信號頻率為50Hz~5KHz。
在進行過渡過程測試時，其采樣率要求每秒8點，即要求采樣間隔T為0.125S，因計算機讀取各通道計數(shù)值及作相關(guān)操作還需一定時間T2 （參考圖二），若分配給T2 1mS(實際測得只需約70μS)的時間，則T1只有0.124S，為此我們可以在保證其測量精度0.2%的前提下（即計數(shù)器的計數(shù)值N不小于500），得出各通道的測量范圍：À、兩路測頻信號（即扭矩）的測試范圍為：4.033KHz ~ 528.6 KHz；Á、兩路測周信號（即流量）的測試范圍為：25Hz ~ 500Hz；Â、四路測頻、測周（即轉(zhuǎn)速信號）的測試范圍為：39Hz ~ 528.6 KHz。
對于穩(wěn)態(tài)測試而言，要求每5分鐘記錄一次數(shù)據(jù)，為此我們實際采樣率設(shè)為每4秒測一點，這樣在5分鐘內(nèi)可采樣75點，然后取其平均值作為一次記錄數(shù)據(jù)。此時，T為4S，T2仍取1mS，則T1為3.999S，同理可計算出穩(wěn)態(tài)測試時各通道的測量范圍：À、兩路測頻通道(扭矩)的測試范圍為：126Hz ~ 16.38KHz；Á、兩路測周通道（流量）的測試范圍為：3.9Hz ~ 500Hz；Â、四路測頻、測周通道（轉(zhuǎn)速信號）的測試范圍為：39Hz ~ 16.38KHz。
現(xiàn)在該測試系統(tǒng)已投入正常運行，測試精度完全達到了預(yù)期的要求。
五、結(jié)語
本文所介紹的并行、多通道頻率信號測試方法，明顯具以下優(yōu)點：
1、不僅能進行并行、多通道頻率信號測試，且僅只占用一個系統(tǒng)中斷資源。文獻[2]為了實現(xiàn)雙通道的測試，每通道就占用了一個中斷，這在通道數(shù)少的情況下是可行的，如果通道數(shù)較多，由于系統(tǒng)可用中斷資源有限，這顯然是行不通的。此外，因本文設(shè)計的多通道采樣是由硬件電路通過時標Tc統(tǒng)一來控制（見圖5）的，在時間上為等間隔采樣，所以可不用作任何數(shù)學(xué)處理，即可將多通道的測試數(shù)據(jù)同時顯示在一個時域窗內(nèi)，以便于分析、比較各通之間的相互關(guān)系。
2、測試范圍顯著增大。雖然變M法[3]能拓寬測頻范圍，但其拓寬的僅是高頻端，因它實質(zhì)上仍只是測頻法，受測頻精度所限，故不能從根本上解決測低頻問題，而本文的設(shè)計思想是對頻率信號同時測頻、測周，頻率較高取其測頻值，頻率低時取其測周值，因而只要簡單增加測頻、測周計數(shù)器長度，就能向高頻、低頻端拓寬其測量范圍，所以不僅適合于實時大范圍的穩(wěn)態(tài)監(jiān)測，而且還能廣泛應(yīng)用于頻率變化范圍較大的過渡過程測試。
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