CN104483565A - 执行器动态性能测试装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种执行器动态性能的测试装置，包括：计算机、数据采集模块，动态位移测试仪，信号转换模块，驱动模块，所述驱动模块与执行器形成驱动环路，信号转换模块串联到驱动环路中，信号转换模块的数据输入端连接动态位移测试仪，信号转换模块的数据输出端通过数据采集模块连接到计算机，计算机通过数据总线连接驱动模块，将驱动参数发送到驱动模块，驱动模块根据接收到的驱动参数将驱动信号通过信号转换模块加载到执行器；执行器中的运动件的动态性能参数反馈至计算机进行参数计算，并显示性能参数的瞬时值。其优点是：测试装置结构简单，精度高，可测不同执行器工作过程中运动件的动态合力等参数，进而检测执行元件性能的一致性。

Description

执行器动态性能测试装置

技术领域

本发明涉及一种执行器动态性能测试装置，具体是一种用于检测执行器中的执行元件在工作过程中的动态性能的装置。

背景技术

执行器是指自动控制系统中接收控制信息并对受控对象施加控制作用的装置。执行器广泛应用于发动机、发电机、用于化工、石化、磨具、食品、医药、包装等行业的生产控制过程。典型的执行器有电磁阀、压电执行器、以及其它通电会发生形变的导电介质构成的执行器等。

电磁阀是常用的可以实现电—机械之间转换的执行器，其主要作用是能把电气控制信号转换为机械(位移、力或力矩)信号的转换装置，其应用范围较广，尤其是在柴油机电控喷油系统执行器中，常用电液式机构实现电—机械信号的转换。压电陶瓷驱动器也有广泛的应用，特别是在高压共轨喷油器中已大量使用，以改善喷油器的喷射特性。执行器在工作过程中的动态性能是否一致直接决定喷射系统的一致性，但现有技术中尚未有可以直接测试执行器运动件(执行元件)动态合力的测试装置。

对于高压共轨燃油系统，现有技术基本都是通过拉压力传感器测试电磁阀衔铁固定即气隙恒定不变时电磁铁的电磁力，所以测量结果属于电磁铁静态力范畴，而实际应用中电磁阀的动态吸力才是真正起作用的力。电磁阀动态合力包括电磁力、弹簧压缩力、及衔铁惯性力等。当前的技术无法测量电磁阀的动态响应，也无法测量电磁阀工作过程中衔铁所受到的电磁力。在实际应用中，衔铁作为电磁阀的运动件，其在工作过程中所受到的合力对整个电磁阀的性能有重要的影响，目前尚未有测量电磁阀衔铁运动过程的装置，也没有测量电磁阀动态合力的装置和方法。

压电执行器也类似，现有的技术通过动态位移测量仪测试执行器的位移，无法测得通电后实际作用在执行器上的动态合力。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术中存在的不足，提供一种执行器的动态性能测试装置，所述装置不仅可以测试电磁阀、压电执行器在工作过程中的动态性能，包括位移、速度、加速度及动态合力随时间变化的曲线，以及各执行器的动态响应，而且可以测试上述导电介质在通电过程中发生位移变化的动态性能。

按照本发明提供的技术方案，所述的执行器动态性能测试装置包括：计算机、数据采集模块，动态位移测试仪，信号转换模块，驱动模块，所述驱动模块与执行器形成驱动环路，信号转换模块串联到驱动环路中，信号转换模块的数据输入端连接动态位移测试仪，信号转换模块的数据输出端通过数据采集模块连接到计算机，计算机通过数据总线连接驱动模块，将驱动参数发送到驱动模块，驱动模块根据接收到的驱动参数将驱动信号通过信号转换模块加载到执行器；执行器中的运动件的动态性能参数反馈至计算机进行参数计算，并显示性能参数的瞬时值。

具体测试内容包括：被测执行器中运动件的运动位移、速度及加速度；所述运动件在工作过程中所受的瞬时合力；所述运动件的动态响应，动态响应主要包括执行器的开启延迟与关闭延迟，开启延迟是执行器通电后驱动信号开始时刻与运动件开始动作的时间差值；关闭延迟是执行器驱动信号关闭时刻与运动件落座或复原时刻的差值。

被测执行器为电磁阀时，驱动信号加载到电磁阀中的电磁铁，电磁铁通电后，衔铁开始运动，电磁铁断电后，衔铁在弹簧的作用下快速落座；动态位移测试仪将采集到的衔铁位移信号传送到信号转换模块，信号转换模块将电磁阀的驱动信号与衔铁位移信号转换成计算机可以识别的信号，通过数据采集模块将信号传送给计算机。

被测执行器为压电执行器时，驱动信号加载到压电执行器中的压电晶体，压电晶体通电后，发生变形产生位移，压电晶体断电后，在弹簧的作用下快速落座；动态位移测试仪将采集到的位移信号传送到信号转换模块，信号转换模块将压电晶体的驱动信号与压电晶体位移信号转换成计算机可以识别的信号，通过数据采集模块将信号传送给计算机。

被测执行器为通电会发生形变的导电介质构成的执行器时，驱动信号加载到导电介质，导电介质通电后，发生变形产生位移，导电介质断电后，由于自身的特性逐渐回复原状；动态位移测试仪将采集到的位移信号传送到信号转换模块，信号转换模块将导电介质的驱动信号与导电介质位移信号转换成计算机可以识别的信号，通过数据采集模块将信号传送给计算机。

所述执行器固定于固定夹具上，与动态位移测试仪相对位置固定。

具体的，所述被测执行器中运动件的瞬时速度：

$v=\frac{\mathrm{ds}}{\mathrm{dt}}$

加速度：

$a=\frac{d^{2}s}{d{t}^2}$

瞬时合力：F＝ma

式中，m—运动件质量；

s—运动件位移；

t—运动件运动时间，单位s。

具体的，所述动态位移测试仪的位移测量范围为200nm～40.96mm。

本发明的优点是：

1、测试装置结构简单，精度高，测试元件不唯一。可测不同型号电磁阀(包括供油泵电磁阀，喷油器电磁阀)、不同压电执行器及任意上述导电介质工作过程中运动件的动态合力，同时得到运动件的位移、速度、加速度及各项动态响应特性，进而检测执行元件性能的一致性；

2、应用范围广泛。只要安装电磁阀结构、压电执行器及任意导电介质的领域，可测试任意通电后产生位移的组件或零件的动态性能。如柴油机喷油系统、机床、各种测试装备等。

附图说明

图1是电磁阀动态性能测试装置结构图。

图2是压电执行器动态性能测试装置结构图。

图3是导电介质动态性能测试装置结构图。

图4是测试流程图。

图5是实施例的电磁阀动态性能测试结果。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

所述的执行器动态性能测试装置包括：计算机，数据采集模块，动态位移测试仪，信号转换模块、驱动模块，其中被测执行器可以为电磁阀，压电执行器，或其他导电介质构成的执行器等。

如图1所示的本发明的实施例中，被测系统为电磁阀10-1，其包括：阀座9，衔铁8-1，电磁铁7，弹簧6等。所述衔铁8-1是指衔铁运动件整体，衔铁8-1的尾部位于阀座9内，衔铁8-1的端部受电磁铁7的吸引力并连接弹簧6。

测试装置包括：信号转换模块4，(电磁阀)驱动模块5，计算机1，数据采集模块2、动态位移测试仪3。固定电磁阀10-1，驱动模块5与电磁铁7形成驱动环路，信号转换模块4串联到驱动环路，进行驱动信号采集。计算机1通过串行总线将电磁铁驱动参数发送到驱动模块5，驱动模块5根据接收到的驱动参数将驱动信号通过信号转换模块4，加载到电磁铁7。电磁铁7通电后，衔铁8-1开始运动，电磁铁7断电后，衔铁8-1在弹簧6的作用下快速落座。动态位移测试仪3将采集到的衔铁位移信号传送到信号转换模块4。信号转换模块4将电磁阀的驱动信号与衔铁位移信号转换成计算机可以识别的信号，通过数据采集模块2将信号传送给计算机1，上位机程序对该信号进行相关计算得到测试结果。

如图2所示的本发明的实施例中，被测系统为压电执行器10-2，其包括：固定端12，压电晶体8-2，导向块11，弹簧6，所述压电晶体8-2头部连接弹簧6，尾部位于导向块11内，并固定在固定端12。

测试装置包括：信号转换模块4，(压电晶体)驱动模块5，计算机1，数据采集模块2、动态位移测试仪3。固定端12开孔将信号引线引出，压电晶体8-2通过信号转换模块4连接驱动模块5，驱动模块5与压电晶体8-2形成驱动环路，信号转换模块4串联到驱动环路，进行驱动信号采集。计算机1通过串行总线将压电晶体驱动参数发送到驱动模块5，驱动模块5根据接收到的驱动参数将驱动信号通过信号转换模块4，加载到压电晶体8-2。压电晶体8-2通电后，发生变形产生位移，压电晶体8-2断电后，在弹簧6的作用下快速落座。动态位移测试仪3将采集到的执行元件位移信号传送到信号转换模块4。信号转换模块4将压电晶体8-2的驱动信号与压电晶体位移信号转换成计算机可以识别的信号，通过数据采集模块2将信号传送给计算机1，上位机程序对该信号进行相关计算得到测试结果。

如图3所示的本发明的实施例中，被测系统为另一类导电介质执行器10-3，其包括：固定端12，导电介质8-3，导向块11，所述导电介质8-3尾部位于导向块11内，并固定在固定端12。

测试装置包括：信号转换模块4，(导电介质)驱动模块5，计算机1，数据采集模块2、动态位移测试仪3。固定端12开孔将信号引线引出，导电介质8-3通过信号转换模块4连接驱动模块5，驱动模块5与导电介质8-3形成驱动环路，信号转换模块4串联到驱动环路，进行驱动信号采集。计算机1通过串行总线将导电介质驱动参数发送到驱动模块5，驱动模块5根据接收到的驱动参数将驱动信号通过信号转换模块4，加载到导电介质8-3。导电介质8-3通电后，发生变形产生位移，导电介质8-3断电后，由于自身的特性逐渐回复原状。动态位移测试仪3将采集到的导电介质位移信号传送到信号转换模块4。信号转换模块4将导电介质8-3的驱动信号与导电介质位移信号转换成计算机可以识别的信号，通过数据采集模块2将信号传送给计算机1，上位机程序对该信号进行相关计算得到测试结果。

本发明的测试内容包括：1.被测执行器运动件的运动位移、速度及加速度。2.被测系统运动件在工作过程中的动态合力，动态合力是指执行元件在整个工作过程中所受的随时间变化的合力F。3.被测执行器运动件的动态响应，动态响应主要包括执行器的开启延迟与关闭延迟等，开启延迟是执行器通电后驱动信号开始时刻与运动件开始动作的时间差值；关闭延迟是执行器驱动信号关闭时刻与运动件落座或复原时刻的差值。

本发明的实施例中，所述动态位移测试仪3采用激光位移测试仪，位移测量范围为200nm～40.96mm。驱动模块5与执行器6形成驱动环路，信号转换模块4串联到驱动环路(强电传输，图中粗线表示)中，信号转换模块4的数据输入端连接动态位移测试仪3，信号转换模块4的数据输出端通过数据采集模块2连接到计算机1，计算机1通过串行总线连接驱动模块5，将驱动参数发送到驱动模块5，驱动模块5根据接收到的驱动参数将驱动信号通过信号转换模块4加载到执行器6；执行器6中的运动件(衔铁8-1，压电晶体8-2，导电介质8-3)的动态性能参数反馈至计算机1进行参数计算，并在计算机1的GUI界面中显示性能参数的瞬时值。所述参数计算包括多次迭代的平均处理，数据滤波，逻辑计算，数值计算。

测试过程只需安装固定好被测系统并确保各模块之间连接正确，打开计算机界面，设定驱动参数、运动件质量和测量次数等参数，点击开始测量测试开始，测试结束后界面中自动显示被测系统各项动态性能参数及运动件位移、速度、加速度及动态合力随时间轴变化的测试结果曲线。

如图4所示，一种执行器动态性能测试的方法，主要包括以下步骤:

1、将被测系统——执行器固定在固定夹具上，与动态位移测试仪3相对位置固定；开启计算机1和动态位移测试仪3，接通数据采集模块2、信号转换模块4和驱动模块5的电源信号，确保各模块之间的连接正确，将驱动信号强电线连接到被测系统——执行器上。

2、计算机上位机驱动参数确认，并发送测试命令。计算机上位机将执行器驱动参数发送给执行器驱动模块5，驱动模块5根据驱动参数将驱动信号加载到执行元件上；信号转换模块4将采集到的驱动信号与动态位移信号进行相关信号转换后，通过数据采集模块2传送到计算机1；计算机上位机程序对该信号数据进行相关滤波及求导等操作，得到执行器在工作过程中的动态响应性能，和驱动信号、执行器运动件位移、速度、加速度及动态合力曲线，并且将得到的曲线在上位机界面上显示。

3、测试结束，通过测试的数据分析，得到执行器的动态响应及运动件的位移、速度、加速度及动态合力随时间轴变化结果，并判断出批次执行器性能一致性的合格率。

具体的，所述动态合力计算方法如下：

F＝ma..................................式(1)

其中 $a=\frac{d^{2}s}{d{t}^2},$

$v=\frac{\mathrm{ds}}{\mathrm{dt}}$

式中，F——运动件所受动态合力，单位N；

m——运动件的质量，单位kg；

a——运动件的加速度，单位m/s²；

v——运动件的速度，单位m/s

s——运动件的位移，单位m；

t——时间，单位s。

信号的处理过程中需要使用到多次滤波。本实施例的滤波原理采用有限长脉冲响应滤波器FIR滤波器原理：数字滤波是将输入的信号序列，按规定的算法进行处理，从而得到所期望的输出序列。一个线性位移不变系统的输出序列y(n)和输入x(n)之间的关系，应满足常系数线性差分方程，见公式(2)～式(4)。

$y\left(n\right)=\underset{i=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{b}_{i}x(n-i)-\underset{i=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{a}_{i}y(n-i)n\≥0$ ............式(2)

其中，x(n)为输入序列，y(n)为输出序列，a_k和b_k为滤波器系数，N是滤波器的阶数。若上式中所有的b_k均为零，则有FIR滤波器的差分方程为：

$y\left(n\right)=\underset{k=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{a}_{k}k(n-k)$ ..............................式(3)

对上式进行Z变换得到FIR滤波器的传递函数为：

$H\left(z\right)=\frac{Y\left(z\right)}{X\left(z\right)}=\underset{i=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{b}_k{z}^{-k}$ ..............................式(4)

对于得到的位移曲线、速度曲线、加速度曲线都可以实施滤波，以减少信号的干扰。

本测试装置能够监测不同执行器，包括电磁阀组件、压电晶体组件和任意导电介质的动态性能,包括：

1、通过动态位移测试仪测量执行器动态位移，看其运动波形是否符合工作要求，波动是否在允许范围内，判断其工作状态；

2、通过上位机相关程序处理，将动态位移数据处理得到执行器在工作过程中运动件的速度及加速度，看其运动波形是否符合工作要求，波动是否在允许范围内，判断其工作状态；

3、通过监测不同执行器动态响应及动态合力，检测不同执行器性能的一致性，从而保证其安装在总成上的一致性。

在测试装置判断执行器动态合力是否满足一致性要求的同时，可利用其曲线间接反映出执行器的受力情况及内部运动件的工作状态，取代了繁杂的各部件运动规律动态测试的开发工作。

图5是典型电磁阀动态性能测试结果，将多条测试曲线绘制在同一张图中，包括执行器驱动信号、运动件的位移，运动件的速度及运动件所受动态合力，可清晰看出电磁阀在通电后的运动状态，更好的分析电磁阀在工作过程时的状态。

本发明由于采用了以上的技术方案，具有操作简单、检测准确、成本低的特点，其产生的技术效果是明显的：

1、通过本装置及测试方法可以测试任意执行器的动态性能，并自动多次测量，准确得到执行器工作过程中的位移，执行器开启延迟和关闭延迟等动态响应；

2、通过本装置及测试方法可以方便得到执行器工作过程中运动件的速度、加速度及所受动态合力，用于分析执行器在工作过程中运动状态；

3、通过本装置及测试方法便于检测不同执行器性能一致性；信息全面，便于综合分析执行器性能水平。

Claims (8)

1.执行器动态性能测试装置，包括计算机(1)、数据采集模块(2)，其特征在于：还包括动态位移测试仪(3)，信号转换模块(4)，驱动模块(5)，所述驱动模块(5)与执行器形成驱动环路，信号转换模块(4)串联到驱动环路中，信号转换模块(4)的数据输入端连接动态位移测试仪(3)，信号转换模块(4)的数据输出端通过数据采集模块(2)连接到计算机(1)，计算机(1)通过数据总线连接驱动模块(5)，将驱动参数发送到驱动模块(5)，驱动模块(5)根据接收到的驱动参数将驱动信号通过信号转换模块(4)加载到执行器(6)；执行器中的运动件的动态性能参数反馈至计算机(1)进行参数计算，并显示性能参数的瞬时值。

2.如权利要求1所述的执行器动态性能测试装置，其特征在于，测试内容包括：被测执行器中运动件的运动位移、速度及加速度；所述运动件在工作过程中所受的瞬时合力；所述运动件的动态响应，动态响应主要包括执行器的开启延迟与关闭延迟，开启延迟是执行器通电后驱动信号开始时刻与运动件开始动作的时间差值；关闭延迟是执行器驱动信号关闭时刻与运动件落座或复原时刻的差值。

3.如权利要求1所述的执行器动态性能测试装置，其特征在于，被测执行器为电磁阀时，驱动信号加载到电磁阀中的电磁铁(7)，电磁铁(7)通电后，衔铁(8-1)开始运动，电磁铁(7)断电后，衔铁(8-1)在弹簧(6)的作用下快速落座；动态位移测试仪(3)将采集到的衔铁位移信号传送到信号转换模块(4)，信号转换模块(4)将电磁阀的驱动信号与衔铁位移信号转换成计算机可以识别的信号，通过数据采集模块(2)将信号传送给计算机(1)。

4.如权利要求1所述的执行器动态性能测试装置，其特征在于，被测执行器为压电执行器时，驱动信号加载到压电执行器中的压电晶体(8-2)，压电晶体(8-2)通电后，发生变形产生位移，压电晶体(8-2)断电后，在弹簧(6)的作用下快速落座；动态位移测试仪(3)将采集到的位移信号传送到信号转换模块(4)，信号转换模块(4)将压电晶体(8-2)的驱动信号与压电晶体位移信号转换成计算机可以识别的信号，通过数据采集模块(2)将信号传送给计算机(1)。

5.如权利要求1所述的执行器动态性能测试装置，其特征在于，被测执行器为通电会发生形变的导电介质构成的执行器时，驱动信号加载到导电介质(8-3)，导电介质(8-3)通电后，发生变形产生位移，导电介质(8-3)断电后，由于自身的特性逐渐回复原状；动态位移测试仪(3)将采集到的位移信号传送到信号转换模块(4)，信号转换模块(4)将导电介质(8-3)的驱动信号与导电介质位移信号转换成计算机可以识别的信号，通过数据采集模块(2)将信号传送给计算机(1)。

6.如权利要求1所述的执行器动态性能测试装置，其特征在于，所述执行器固定于固定夹具上，与动态位移测试仪(3)相对位置固定。

7.如权利要求2所述的执行器动态性能测试装置，其特征在于：所述被测执行器中运动件的瞬时速度：

$v=\frac{\mathrm{ds}}{\mathrm{dt}}$

加速度：

$a=\frac{d^{2}s}{{\mathrm{dt}}^2}$

瞬时合力：F＝ma

式中，m—运动件质量；

s—运动件位移；

t—运动件运动时间，单位s。

8.如权利要求1所述的执行器动态性能测试装置，其特征在于：所述动态位移测试仪(3)的位移测量范围为200nm～40.96mm。