摘 要

随着电子控制技术的发展，对电磁测控精度要求的越来越高，传统的电磁阀测控方法已经不能满足要求。电磁阀综合特性测试项目较多，且电磁阀本身种类繁多，因此单一的测试仪器也不能满足需求。与此同时，虚拟仪器己经被越来越多测控人员选择，因为虚拟仪器系统能更迅速、更快捷、更经济、更灵活。在此基础上，利用虚拟仪器技术，开发一套电磁阀测控系统，既可以提高精度和效率也可以降低成本，更好的应用于实际的电磁阀的测控。船用喷油电磁阀综合性能的好坏不仅关系到柴油机的经济与可靠，也关系到海上运输的经济和环保。本文对电磁阀线圈温度、线圈电流、阀芯位移、阀前后压力等性能指标进行了分析研究，在此基础上开发出了一套测试软件，加深了我对电磁阀上述各个特性的了解。

第一章通过电磁阀发展历史，了解到其在工业生活中的广泛应用和其重要性，总结了国内外电磁阀及测试系统的发展现状，表明了开发电磁阀测试系统的意义。

第二章从电磁阀基本原理和几个物理量的测试原理出发，选取了适合的传感器，采集卡等硬件。

第三章在前面工作的基础上，分析了系统软件开发的要求和重点，利用虚拟技术软件LabVIEW2014，开发了测试系统，可以实现在电磁阀综合性能测试平台上，完成了软硬件联合测试。

第四章总结前面的工作，分析和展望了后面的发展。

关键词：电磁阀；测控系统；虚拟仪器；LabVIEW

Abstract

With the development of electronic control technology, the requirements for the accuracy of electromagnetic measurement and control are getting higher and higher. The traditional electromagnetic valve measurement and control methods can no longer meet the requirements. There are many test items for the comprehensive characteristics of solenoid valves, and there are many types of solenoid valves. Therefore, a single test instrument cannot meet the requirements. At the same time, virtual instruments have been selected by more and more monitoring and control personnel because virtual instrument systems can be faster, faster, more economical, and more flexible. On this basis, the use of virtual instrument technology, the development of a set of electromagnetic valve measurement and control system, can improve the accuracy and efficiency can also reduce costs, and better applied to the actual measurement and control of the solenoid valve. The comprehensive performance of the marine fuel injection solenoid valve not only relates to the economical and reliable diesel engine, but also relates to the economic and environmental protection of marine transportation. This paper analyzes and studies the performance parameters such as solenoid valve coil temperature, coil current, spool displacement, and front and rear valve pressure. Based on this, a set of test software is developed, which deepens my understanding of the above characteristics of the solenoid valve.

The first chapter, through the history of solenoid valve development, understands its wide application in industrial life and its importance, summarizes the development status of electromagnetic valves and test systems at home and abroad, and shows the significance of developing a solenoid valve testing system.

The second chapter starts with the basic principle of the electromagnetic valve and the testing principle of several physical quantities, and selects suitable sensors, acquisition cards and other hardware.

On the basis of the previous work, the third chapter analyzes the requirements and priorities of the system software development. Using the virtual technology software LabVIEW2014, the test system is developed. It can realize the combined hardware and software testing on the comprehensive performance test platform of the solenoid valve.

The fourth chapter summarizes the previous work, analyzes and looks forward to the subsequent development.

Keywords: Electromagnetic valve；control system；Virtual instrument；LabVIEW

目 录

摘 要 2

ABSTRACT 3

第1章 绪论 5

1.1 引言 5

1.2 课题研究背景，电磁阀及测试系统的概述 5

1.3 电磁阀测试系统的研究背景及国内外发展现状 6

1.4 虚拟仪器技术及LabVIEW 10

1.5 本文的主要内容概括 10

第2章 电磁阀测控系统的硬件选择 12

2.1 几个物理量的测试原理和传感器选型 12

2.2 线圈电流 12

2.3 线圈温度 12

2.4 阀芯位移 13

2.5 阀前后压力及响应时间的计算 13

2.6 电磁阀测试系统的采集卡选择 14

2.7 本章小结 15

第3章 电磁阀测试系统的开发 16

3.1 电磁阀测试系统的功能需求 16

3.2 电磁阀测试系统原理 16

3.3 电磁阀测试系统软件需求分析 17

3.4 电磁阀测试系统软件模块化分析 17

3.5电磁阀测试系统的功能分析 18

3.6本章小结 23

第4章 结论和总结 24

参考文献 25

致谢 27

第1章 绪论

1.1引言

电磁阀具有结构紧凑、体积小、重量轻、密封良好、响应时间短、维护简便、可靠性和安全性高等优点。随着工业上数控技术的发展，电磁阀表现出极强的生命力，早已而且依旧会被社会生产中各行各业广泛采用。电磁阀作为流体控制自动化系统的执行器之一，由于有着廉价、简单、动作快、易安装、易维护的优点，已经成为流体控制自动化的首选产品。电磁阀的质量精度等要求也是越来越严格，所以电磁阀测控系统显得格外重要，好的测试系统直接决定着电磁阀出厂的质量和电磁阀的使用过程中的可靠性。不管是出于测试系统自身的研究的目的，还是服务于电磁阀产品的开发，标准化、通用性、强便捷的电磁阀测试系统的研究都是很有必要的。

1.2课题研究背景，电磁阀及测试系统的概述

工业技术的发展使得生产走向了自动化，生产作业活动迅速地以机械自动化来代替人工劳动，这一过程中就必须用到很多流体介质，比如压力油，压缩空气等，在这种情况下电磁阀应运而生，它是通过利用电磁力来控制流体的自动化元器件。电磁阀出现在20世纪40年代，发展到今天，它的优点一直十分明显，比如价格轻、功耗小、价格低廉，反应迅速等。因此在工业生产的各行各业得到了广泛使用。电磁阀种类繁多，各类电磁阀都在不断发展，到了19世纪80年代，对柴油机电控系统电磁阀响应时间的极致追求成了船用电磁阀的主要研究方向。同时需要提出的是，电磁阀的发展突破跟电磁体而技术有着莫大的关系。20世纪90年代以后以超磁致伸材料和压电陶瓷为首的新型导磁材料作为驱动机构的电磁阀极大提高了相应频率，电磁又一次得以突破发展，日本和美国在这一方面最为先进，掌握着新型压电驱动器的大部分专利。

我国对于电磁阀研究起步较晚，接近20世纪90年代才开始研究。1993年贵州红林机械厂苗建中等人发布了其与美国BKM公司合作并经过三年多的努力研制成功的HSV系列高速电磁开关阀。该阀结构采用螺纹插装式结构，阀的开启时间为3ms，关闭时间为2ms;在20MPa额定工作压力下，该阀的流量为2一9L/min ; 2000年浙江大学的吕福在、项占琴等将稀土超磁致伸缩材料用于内燃机的高速强力电磁阀设计中，建立了基于Terfenol-D棒的响应特性模型。该阀开关频响达到1500Hz，顶杆推力1000N以上，位移0.15mm，可以成功地运动到柴油机点喷射系统中去，但是也存在着比如位移输出热补偿、开环输出的振动，阀的结构尺寸偏大和成本过高等等缺点。

1.3电磁阀测试系统的研究背景及国内外发展现状

随着电磁阀的在海、陆、空的广泛使用和发展，对电磁阀性能参数和精度的要求也越来越严格，这些要求对电磁阀本身的发展也起着很大的促进作用。电磁阀的测试系统在电磁阀的广泛应用发展后，也在不断地改进和发展。这两者起着相辅相成的作用。电磁阀测试系统最早在国外出现，通过手动控制测试，主要是利用流量计、压力表、秒表等传统测量仪器获得数据。因此这种测试有很大的认为误差，效率低，并且数据处理、图形处理相当麻烦。传统仪器功能由仪器制造商定义并固定硬件是关键仪器封闭与其他仪器连接受限价格高、开发、维护费用高技术更新慢界面小而呆板不友好。

20世纪70年代以来，计算机、微电子等技术迅猛发展并逐步渗透到侧岭和仪器仪表技术领域，在他们的作用下，测试技术与仪器不断进步。计算机与现代仪器设备之间的界限越来越模糊。配以相应软件和硬件的计算机可以完成很多仪器、仪表的功能，已经可以相当于一代多功能通用测量仪器。虚拟仪器功能由用户定义，软件是关键，基于计算机的开放系统，价格低软件结构可节省开发和维护费用，技术更新快。虚拟仪器己经成为越来越多测控人员的最佳选择，这是因为虚拟仪器系统能更迅速快捷、更经济、更灵活地解决测控问题。

计算机的发展，电气自动化和虚拟仪器的出现，逐渐导致了对传统电磁阀测控技术和方法的摒弃。同时随着芯片技术的不断发展，发达国家在电磁阀综合性能测控系统开发上走向了智能化和微机化，从而在电磁阀测控技术领域一直遥遥领先。比如美国HR公司的伺服阀测试台，采用世界上先进的VXI-BUS技术，通过虚拟仪器技术实现了设备的虚拟化和测试的自动化。在几十年的积累发展中，国外的电磁阀测试系统已经达到了相当高的水平。如图1.1是2006年韩国的III-Yong Lee集成的三个电压源的电磁阀测试平台，该测试平台通过在测试过程中不同时段输入不同的电压信号来测试高速电磁开关阀的响应，其测试精度较高，具有一定的典型性和代表性。

相比于国外，我国在电磁阀领域的研究起步较晚，同时导致电磁阀测控系统的研究也相对落后。相比于国外，我国在电磁阀领域的研究起步较晚，同时导致电磁阀测控系统的研究也相对落后。整体发展较缓慢，自动化水平也不高，反过来导致很难提高电磁阀的精度和质量，影响我国电磁阀行业的发展。

图1.1 电磁阀测试平台

目前在国内，电测发测控系统领域的研究分布并不广泛，高校居多。其中河北工业大学研制的电器参数采集系统的电器试验数据高速采集与处理系统能够同步采样8通道的交流电信号、4通道的直流电信号，8个通道同步采样时采样频率为1-125 kHz可调，两通道同步采样时采样频率达到1 MHz。浙江大学流体传动及控制国家重点实验室开发的气动元件流量特性测试系统。如图1.2该系统是基于IS06358和Festo942029标准规定的测试方法进行设计的，能够对包括电磁阀在内的大多数气动元件的流量特性进行测试，精度高，通用性强。

如图1.3烨禧电子科技有限公司生产的HX-205电磁阀智能检测仪,其能够测试并显示各类电磁阀的动作电压、动作电流,释放电压、释放电流的参数。测试精度高、范围广。性能稳定、体积小、重量轻。

图1.4是出于北京理工大学研发的基于CPCI总线的便携式电磁阀测试设备，其采用FPGA作为控制器，通过总线形式与计算机通信，进行自主控制，驱动固态继电器控制被测阀，能够同时测试数台设备，可以手动和自动。阀门动作的控制精度小于2ms，系统时

间测试精度小于0.1ms，系统电流测试精度小于0.03A。

图1.2气动元件流量特性测试系统

图1.3 HX-205电磁阀性能测试仪

图1.4 基于CPCI总线的便携式电磁阀测试设备

众所周知，随着船舶工业的发展，柴油机电控喷射系统也在不断发展，喷油电磁阀是这其中的核心和关键，电控喷油电磁阀改变了传统的复杂机械的喷油控制，实现了数字化喷油控制，这不仅更加智能也更加经济环保，体现了可持续发展的要求。从目前电磁阀测试系统的研究来看，虚拟仪器技术会是电磁阀测试系统今后研究的方向。

1.4虚拟仪器技术及LabVIEW

虚拟仪器技术是21世纪科学技术中的核心技术之一,其是有计算机硬件资源、模块化仪器硬件和用于数据分析、过程通信和图形用户界面的的软件组成的测控系统，是一种计算机操纵的模块化仪器系统。虚拟系统最核心的思想就是利用计算机的硬/软件资源，是原本需要硬件实现的技术软件化，以便降低成本，增强系统的功能性和灵活性。目前在这一领域内，使用较为广泛的计算机语言是美国NI公司的 LabVIEW。

LabVIEW是一种程序开发环境，由美国国家仪器(NI)公司研制开发，类似于C和BASIC开发环境，但是LabVIEW与其他计算机语言的显著区别是:其他计算机语言都是采用基于文本的语言产生代码，而LabVIEW使用的是图形化编辑语言G编写程序，产生的程序是框图的形式。其特点是尽可能采用了通用的硬件，各种仪器的差异主要是软件，可充分发挥计算机的能力，有强大的数据处理功能，可以创造出功能更强的仪器。用户可以根据自己的需要定义和制造各种仪器。利用 LabVIEW，可产生独立运行的可执行文件，它是一个真正的32位/64位编译器。在同样硬件的情况下，可以通过改变软件，就可以实现不同的仪器仪表的功能，非常方便，是相当于软件即硬件。LabVIEW广泛地被工业界、学术界和研究实验室。

1.5本文的主要内容概括

本文研究的主要内容：

首先通过对该电磁阀的工作原理、相关参数以及测试方法的研究提出一套能够测试线圈电流、线圈温度、阀芯位移、阀前阀后压力等参数，并可进行电磁阀关键参数（如阀开启、关闭响应时间）的计算的方案，并根据要测参数的原理，精度、量程、响应时间选取合适的传感器和数据采集卡。

其次查阅资料学习开发软件，并根据测试要求内容利用LabVIEW2014，开发出适用的电磁阀测控系统程序软件，在软件系统中能够实现时域波形分析显示、数据保存、历史数据的回显等功能。

最后对测试系统进行整体研究，了解掌握测试系统软件使用，对被测电磁阀及设计的测试系统进行总结。

第2章 电磁阀综合性能测控系统硬件选择

2.1几个物理量的测试原理和传感器选型

线圈电流根据霍尔定理通过电流传感器无需接触也可以测得其大小；线圈温度可以选用热电偶式温度传感器通过电阻随温度的变化而变化得到；阀芯位移可以通过非接触式位移传感器将位移信号转化成电压信号；阀前后压力信号可以采用合适的压力传感器采集。

2.2线圈电流

我们检测的是电磁阀线圈瞬态电流，可以通过电流传感器测量。电流传感器采用霍尔磁平衡原理电流传感器，无需接触，将线圈导线一段穿过电流传感器，就能实现对电流信号的测量。查询资料可以选用松下LA-50P霍尔电流传感器。其量程为0~±150A,精度，工作温度，反应时间均满足需求。

表2.1 LA-50P霍尔电流传感器参数

通过线圈电流传感器将电流变化情况，输入采集卡，通过计算机分析处理显示其变化。

2.3线圈温度

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