专利名称：电磁元件在线质量状态监测系统的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及电磁元件在线状态监测系统，特别是涉及生产线上的军用电磁铁及电磁离合器在线质量状态的监测系统。
背景技术：
电磁元件中，特别是电磁铁，它把电磁能转换为机械能应用于开关电器的一部分，如继电器、接触器的电磁系统，低压断路器的电磁脱扣器等；电磁铁还可单独成为一类电器，例如牵引电磁铁、制动电磁铁、电磁离合器、电磁工作台等。电磁铁具有结构简单、体积小、重量轻、起动吸力大、价格便宜而且具有吸力与输入功率之比值较大的优点，故广泛应用于各类液压系统、矿山机械和轧钢、运输等重型机械中。在某些应用场合，对其动作的快速性、位移、吸力等提出了较高要求。如在高压电网中，线路出现短路故障时，依靠超高压断路器迅速断开短路电流；在超高压断路器液压操动机构中，螺管式电磁铁的动作性能，对整个系统的快速性有很大影响。由于电磁铁产量大、用途广，所以设计、制造一种具有良好的工作性能又具有较高的经济指标的电磁铁，不仅对促进国民经济建设而且对发展国防建设均起着非常重要的作用。同样，电磁元件中电磁离合器是自动化控制的主要元件之一，是传递转速和扭矩的电力驱动部件，其性能包含接通时间、断开时间、一次动作过程中的结合功、在一定动作频率下的小时结合功、可靠寿命和线圈稳定温升等；它具有结构紧凑、控制简单、易于实现远距离操纵和自动控制等优点。最初的应用以机床为主，而现已遍及到纺织机械、包装机械、印刷机械、办公机械、木工机械、渔业机械、矿山机械和轧钢、运输等重型机械，因而其可靠性受到人们的普遍关注。对上述电磁元件的探索与研究，早于八十年代中期，国家已制定出国家标准和行业标淮。由于电磁元件的广泛应用及某些特殊行业的特殊要求，如某工业系统就对多种类型的电磁铁和电磁离合器的各项性能试验及参数等综合技术指标的自动测试记录、数据采集和处理分析等提出了较高的质量检测要求，特别是对电磁元件的工作电压、接通时间、断开时间、位移、力矩等参数提出了更高的质量检测要求。
目前，用以检测电磁元件，特别是检测电磁铁和电磁离合器在线质量状态的监测设备，国内外尚无成熟的产品可供选用。目前类似的设备，如离线式弹簧试验机，国内外均有多家生产，检测项目有力值、位移、刚度等，可多点设定，顺次自动完成一批工件(弹簧)的测试。电磁铁及电磁离合器作为一种常用的控制驱动机构，在各类电一液结合的系统中有着广泛的应用。例如作为换向阀重要部件之一的开关型电磁铁，其工作特性与换向阀相互匹配的特性是否恰当，直接影响着电磁换向阀及其整个液压系统的性能。对电磁铁的生产设计而言，行程—吸力特性至关重要，是质量检测的必试项目。目前国内绝大部分电磁铁生产厂家在试验时所采用的“传感器+函数纪录仪”测试方式，虽在一定程度上可满足试验需求。但由于自身结构缺陷，该测试方式存在着两方面的不足首先，函数纪录仪输出曲线无法给出标定后的参量坐标分度值，需人工换算，影响了曲线表述的直接性，一些针对曲线的操作，如求取特定点的对应值仍需手工进行；另一方面，函数纪录仪自身较窄的频宽制约了其在动态性能试验中的使用，传统试验台如需进行动态试验，必须换用光线振子示波器，这对试验台的投资极为不利。在电磁铁及电磁离合器的推广使用中，用户最关心的问题之一是它的使用寿命，所以寿命是一项重要技术指标。现有对某些特殊的电磁铁及电磁离合器的寿命试验均无标准，也未见有试验方法的披露。所以，对电磁元件在线生产质量状态的监测成了人们关注的焦点。
发明内容
针对上述情况，本实用新型的目的在于提供电磁元件在线质量状态监测系统，它具有对生产线上多种类型的电磁元件，特别是军用电磁铁及电磁离合器的各项性能试验及参数等综合技术指标的数据采集、自动测试记录和分析处理进行质量状态的监测。
为实现上述目的，本实用新型的一种电磁元件在线质量状态监测系统，包括用于测试电磁元件的测试机；其中，测试机的主轴中心轴线处设有固定夹具、触头夹具、传感器、传动机构，测试机立柱上设有步进电机、检测控制装置，以及与其电连接的上位机。
为达到抗干扰能力强、检测精度高、信息提取稳定可靠，其进一步的措施是检测控制装置，它包括通信接口、下位机CPU、存储器、复杂可编程逻辑器件CPLD；其中，下位机CPU经数据地址总线分别与存储器、可编程逻辑器件CPLD连接，并经口线直接与失效判断电路连接，经通信接口连接所述上位机；而且可编程逻辑器件CPLD经A/D转换器与信号处理放大电路及传感器连接，经光电隔离电路与电源控制器、步进电机驱动模块和测速传感器组成的闭环控制电路连接。
电源控制器的控制电路包括由与交流电源连接的隔离变压器T2、整流电桥D25～D28及电容C38～C39组成的直流电源电路输出到被测电磁元件及步进电机驱动模块，被测电磁元件的线圈回路与失效判断电路、相互并联的驱动功率管Q1～Q4、标准电阻R48串接；Q1～Q4的栅极经电阻R43～R46受由与R47串联的精密电压源D29、单位增益缓冲器IC13D、I2C总线四数字电位器IC12X9241、差分放大器IC13C和并联有反馈小电容C41的比较器IC13B组成的稳压调节电路控制；其中，用作实现数字控制调节的数字电位器IC12经I2C总线与下位机CPU连接，且IC12的一个数字电位器POTO作为缓冲器IC13D输出信号的限流电阻，另外二个数字电位器POT1、POT2分别设为差分放大器IC13C电路中的输入“粗调”和输入“细调”；还有用于系统的包括由电源变压器T1、整流电桥D21～D24、电容C36～C37和电压变换及稳压模块组成的直流电源电路。
失效判断电路包括经与直流输出端标准电阻R48连接并设有可调电位器W1的运算放大器IC14B输出到由运算放大器IC14C、IC14D、门电路IC15A、电位器W2～W3及R54、C42、D30组成的区域比较电路；其中，电位器W2设置比较区域的上限值，电位器W3设置比较区域的下限值；区域比较电路的输出经由门电路IC15B、R55、C43、C44组成的整形滤波电路与由门电路IC15C和IC15D组成的RS触发器电路的置“0”输入端连接；其中，RS触发器电路的置“1”输入端与CPU控制输出连接，输出端与CPU的失效判断输入端和由门电路IC16B、IC16C、IC16D及R56、R57、C45、D31组成的声光控制报警电路连接，输出端与用于工作指示的门电路IC16A及R58连接。
检测控制装置的电路包括拉压力、位移、振动、电压和电流传感器，由双运算放大器OPA235、电阻、电容和二极管组成的信号处理放大电路，由六通道同步采集A/D转换芯片ADS7864、双运算放大器IC9和电容组成的模数转换电路，由CPLD、CPU、存储器、光电隔离电路、通信接口电路及其外围电路组成的控制电路；其中，拉压力传感器电路采用电阻应变片式拉压力传感器检测电磁元件在线状态的拉压力数据F，位移传感器电路采用磁敏接近感应式位移传感器检测触头位移数据δ，电压电流传感器均采用电阻取样式微型传感器，振动传感器采用压电式加速度传感器，它们的输出形式采用三线制电压输出；其后的信号处理放大电路采用抑制共模干扰的差动式输入放大方式，拉压力传感器的输出接由双运算放大器IC1OPA235、电阻R1～R8、电容C1～C4和二极管D1～D4组成的信号处理放大电路，该电路中拉压力传感器的同相和反相输出端分别连接至由电阻电容R3、C2和电阻电容R7、C4组成的低通滤波电路，耦合到双运算放大器IC1的两个同相输入端，该两个同相输入端连接用于提供直流参考电平的电阻R4、R8，电阻R1、R2和电阻R5、R6分别用于调节双运算放大器的放大倍数，该双运算放大器的两个输出端并接保护限幅二极管D1～D4，然后连接至A/D转换芯片IC6的一个通道CHAO+、CHAO-；振动传感器的同相和反相输出端均采用由电阻电容R37、C18和R40、C20组成的高通滤波交流耦合电路，而振动传感器及其他传感器后续的信号处理放大电路，其结构及功能与拉压力传感器电路类同；其中还包括由与CPLD连接的光电隔离器件IC10、测速传感器、电阻R41～R42组成的测速电路；由与电压变换及稳压模块连接的滤波电感L1～L3、滤波电容C25～C27及稳压二极管WD1组成的数字部分电源电路；由电压变换及稳压模块连接的滤波电感L4～L8、滤波电容C28～C35、稳压二极管WD2～WD4、集成稳压器IC11组成的模拟部分电源电路。
上位机包括上位PC机、键盘、显示器、打印机与主菜单选择下的主程序控制模块以及可供操作的运行界面。
主程序控制模块包括系统功能、检测项目分类、检测结果分析以及返回至少三个子程序控制模块。
子程序控制模块，其中系统功能子程序控制模块中包括显示、添加、修改、删除、查询、图表打印、返回主菜单的子菜单1选择单元；检测项目分类子程序控制模块中包括被测工件型号选择、工作电压范围检测、寿命检测、压力拉力检测、行程选择、保持力检测、返回主菜单的子菜单2选择单元；检测结果分析子程序控制模块中包括参数设置、数据采集、数据处理、图表显示、数据存储、图表打印、返回主菜单的子菜单3选择单元。
由于本实用新型采用在线数据采集与上位机监控相结合的方案，克服了传统试验检测设备数据处理自动化程度太低、动态试验投资又较高的难题；本实用新型与传统的测试系统相比，具有对电磁铁吸力特性进行自动测试，对被测件质量进行辅助分析的功能，工作效率明显提高。在测量精度方面，系统对A/D模数转换以后的数据采用上位机进行适当的补偿和修正来减少电阻应变片式压力传感器的非线性影响，在档案资料管理方面，系统采用数据库存储管理单元，具有添加、删除、查询、修改、数据输出等一系列功能；而且本实用新型具有系统结构简单、成本较低、操作维护方便、抗干扰能力强、检测精度高、信息提取稳定可靠、能对生产线上多种类型的电磁元件，特别是军用电磁铁及电磁离合器的各项性能试验及参数等综合技术指标的数据采集、自动测试和处理分析进行在线质量状态的监测。可广泛适用于各种电磁元件在线质量状态的监测。
以下结合附图和实施例对本实用新型作进一步详细的说明。
图1是本实用新型的系统结构及检测结构示意图。
图2是本实用新型的系统检测控制装置组成框图。
图3是本实用新型的系统电源控制器电路原理图。
图4是本实用新型的系统失效判断电路原理图。
图5是本实用新型的系统检测控制电路原理图。
图6是本实用新型的系统上位机与主程序控制模块结构框图。
图7是图6的运行界面图。
图8是本实用新型的系统典型线圈电流波形图。
具体实施方式
参见附图，本实施例提供一种电磁元件即军用电磁铁及电磁离合器的在线质量状态监测系统。
图1所示的系统包括位于测试机主轴中心轴线位置处的测试机机座1、在此机座1上依次设有装卡被测电磁元件的夹具2、振动传感器3、被测电磁元件4、被测电磁元件的触头夹具5、位移感应片6、位移传感器7、拉压力传感器8、传动机构9、调节手轮10、传动螺杆11以及步进电机12、光电速度传感器13、检测控制装置14、现场通信总线15、上位机16等元器件。其中夹具2安装在机座1的底部，用于固定被测电磁元件4壳体，以传动螺杆11的中心轴线为基准，可360°调节水平角度及垂直位移；触头夹具5、位移感应片6、位移传感器7、拉压力传感器8和传动螺杆11均固定在主轴上，可以分别通过传动机构9和调节手轮10使其上下移动；振动传感器3通过磁性座体直接安装在被测电磁元件4的壳体上，用于测量被测件工作时产生的机械振动；位移传感器7固定在测试机立柱的螺杆支架上，可通过螺杆调节其安装的上下位置，用于测量被测电磁元件工作时触头上下移动的位移量；光电速度传感器13安装在测试机立柱的传动机构9的齿轮箱内，用于提供步进电机12工作时的速度反馈信号，以便于实现步进电机的闭环控制；拉压力传感器8与触头夹具5、传动螺杆11固定在主轴中心轴线位置处的中上部，用于测量被测件工作时产生的电磁力；检测控制装置14安装在测试机机座1的立柱上，通过现场通信总线15与上位机16电连接。
开启并运行系统，由检测控制装置14提供被测电磁铁或电磁离合器4、步进电机12的供电电源，同时并控制被测件4、步进电机12的工作状态；传动机构9在步进电机12驱动下使被测件和传感器处于运行的动态状态，通过现场通信总线15与上位机16的通信和监控，完成系统所需的各种检测数据参数的采集、信号处理、故障诊断及各种测试功能。
结合附图，系统对各参数的测试监控原理及工作过程对电磁铁、电磁离合器的动作压力或拉力的检测。由被测电磁元件触头夹具5和被测电磁元件夹具2分别将被测电磁铁或电磁离合器的壳体和触头两个部分固定，检测控制装置14供给被测电磁铁或电磁离合器所需的电源并控制步进电机的移动，在各位移点(由位移传感器测得)测量出动作压力或拉力(由拉压力传感器测得)，测量数据由现场通信总线15传送给上位机16，上位机对测量数据进行判定后，绘制出“位移—力”曲线。
对电磁铁或电磁离合器的接通电压、断开电压及工作电压范围的测量。将被测电磁铁或电磁离合器按上述方法固定，检测控制装置14在上位机16的监控下，调节并测量电磁铁或电磁离合器的工作电压，由拉压力传感器8测量力矩的变化，根据力矩的变化情况来判断被测电磁铁或电磁离合器的接通和断开状态，从而测量出电磁铁或电磁离合器的接通电压、断开电压及工作电压范围，并送上位机16。
对电磁铁或电磁离合器的触头行程和速度的检测。将被测电磁铁或电磁离合器的壳体由被测电磁元件夹具2固定，通过调节手轮10移开被测电磁元件触头夹具5，在被测电磁铁或电磁离合器的触头上固定一个较轻的位移感应片7并调节好与位移传感器的相对位置，由位移传感器7和检测控制装置14测量出电磁铁或电磁离合器的触头行程和速度，并送上位机16。
对电磁铁或电磁离合器使用寿命的测定。将被测电磁铁或电磁离合器的壳体由被测件夹具2固定，通过调节手轮10移开被测件触头夹具5，在被测电磁铁或电磁离合器的触头上固定一个较轻的位移感应片并调节好与位移传感器的相对位置，由检测控制装置14内部的失效检测电路对其进行测量(施加脉冲电流，记录其动作次数)，测量结果实时传送给上位机16，直到被测电磁铁或电磁离合器失效为止。
对机械振动的测量。将被测电磁铁或电磁离合器按电磁铁、电磁离合器的动作压力或拉力检测的方法固定，根据动作压力或拉力检测的测量结果，选择最大力矩～最小力矩之间的任何力矩，由步进电机施加给被测电磁铁或电磁离合器；在此状态下，由振动传感器3和检测控制装置14对机械振动进行测量，测量数据由通信电缆15传送给上位机16，计算机对测量数据进行信号处理、故障诊断，给出被测电磁铁或电磁离合器机械振动的时域、频域曲线和故障诊断结果。
以上所有测量均在上位机16的监控下进行，上位机16不但要完成各种检测过程的参数控制、测量数据处理、故障诊断判别等功能，而且还能针对各种型号的电磁铁、电磁离合器建立状态数据库，能对电磁铁、电磁离合器进行质量统计与管理。
图2是系统的检测控制装置的组成框图。主要由检测控制装置与上位机16组成；检测控制装置包括测速、电压、电流、位移、振动、拉压力传感器，电源控制器，步进电机驱动模块，失效检测电路，信号处理放大电路，光电隔离电路，A/D转换器，复杂逻辑可编程器件CPLD，存储器，CPU，通信接口；上位机16包括上位PC机，键盘，显示器，打印机。检测控制装置在上位机16的监控下完成系统所要求的各种测量工作，测量结果传送给上位机16，由上位机16对测量数据进行信号分析处理、故障诊断，给出被测电磁铁或电磁离合器的测试结果。图2中的电源控制器用于给被测电磁铁或电磁离合器、步进电机及整个检测控制装置提供工作电源；在CPU的控制下，由测速传感器与步进电机驱动模块配合实现对步进电机的闭环控制；失效检测电路用于对被测电磁铁或电磁离合器进行使用寿命测定；电压、电流、位移、振动、拉压力传感器与信号处理放大电路、A/D转换器、复杂逻辑可编程器件CPLD一起实现对被测电磁铁或电磁离合器工作时的电压、电流、位移、振动、拉力或压力进行实时监测；整个检测控制装置是在下位CPU的控制下完成各种测量及控制的，存储器用于存放检测数据，通信接口用于与上位PC机连接。
图3是本实用新型电源控制器电路原理图。为了以高精度测量电磁铁或电磁离合器的灵敏度，需要有一种高度稳定的直流磁场。目前，可调电流源都是采用反馈稳定式原理工作，即检测与负载串联的标准电阻两端的电压，并将其值与能够手调扫描的参考电压进行比较。由附图所示，本实用新型采用与传统的稳流电路不同的特殊稳流电路方式，它采用压控形式的MOSFET功率晶体管，使激励电路大大简化。图3是电流源的基本电路，电源通过一个稳定的隔离变压器T2由交流电源(220v，50Hz)提供。后面带有平滑滤波器电容C38、C39的整流电桥D25～D28用于把T2的输出转换为直流，四个RS220型MOSFET功率晶体管Q1～Q4相互并联，形成了基本的电流控制电路，并与磁铁线圈和跨接在直流输出端的标淮电阻R48串接。此外，为了保证具有良好高频响应的MOSFET不产生振荡，100Ω的电阻(R43～R46)与MOSFET晶体管的栅极串联。R48(0.47Ω)是一个装在金壳内的精密功率电阻，用作失效检测的标准电阻。R48两端的电压降(它与电磁铁的电流成比例)与控制部分的参考电压进行比较，其输出接到能改变电磁铁电流的控制元件MOSFET晶体管，这样可使R48两端的电压降保持不变。IC13:B是一个TL034型运算放大器，用作比较器，为了防止各种振荡，在反馈回路中接有个小电容器C41(0.1nF)。非常稳定的参考电压经单位增益缓冲器IC13:D和差分放大器IC13:C由精密电压源D29提供。为了在电磁铁或电磁离合器检测时得到所需的负载电流值，且该电流可由检测装置控制调节，本实用新型采用I2C总线四数字电位器IC12:X9241来实现，IC12的一个数字电位器POTO作为缓冲器IC13:D输出信号的限流电阻，IC12的另外两个数字电位器POT1、POT2作为差分放大器IC13:C的输入“粗调”、“细调”。图3中的电源变压器T1和后面带有平滑滤波器电容C36、C37的整流电桥D21～D24用于把T1的输出转换为直流，提供给检测装置其它部分的工作电源。
图4是本实用新型失效判断控制电路原理图。电磁铁及电磁离合器的寿命(即吸合次数)是重要的技术指标之一；目前，许多电磁铁及电磁离合器厂家还都沿用继电器控制吸合次数，用机械计数器计数；由于继电器本身的寿命有限，机械计数器在长期使用中往往也会卡死，因此每做一次寿命试验都需要多次更换继电器，会使生产厂家感到头痛，而型式试验中的这项寿命试验又是定期必须检查的内容之一。电磁铁失效形式是线圈绕断、线圈短路、匝间短路以及机械部分卡死等，而电磁离合器的寿命是指在保证电磁离合器所传递的力矩基本不变、结合和断开时间符合规定的情况下能够连接的次数，主要决定于摩擦片的磨损程度，而磨损情况又和整机的使用状态有关。本实用新型根据电磁铁及电磁离合器的试验标准，采用图4所示的失效判断控制电路，对电磁铁及电磁离合器进行寿命测试。
根据电磁铁寿命测试的技术要求规定，每小时为3000次，即相当于0.8Hz的时钟频率，提高测试频率可缩短寿命的测试次数，但目前我国尚无具体标准，考虑这一因素，本实用新型现场检测装置采用下位机CPU的软件控制时钟频率，设计成现场频率可调；可调范围2000次/小时到9000次/小时。电磁铁失效形式是线圈烧断、线圈短路、匝间短路以及机械部分卡死等，反映到电参数上是取样电阻(图3中的R48)上的电流比正常工作时增大或减小，经采样后取电压值比较，最后通过CPU控制图3中的IC12数字电位器实现切断或不切断驱动电源的供电；同时用发光二极管作信号报警，用触发式报警集成电路推动杨声器用作声音报警；一旦发生报警，只有在更换或修复电磁铁后方能工作，CPU内计数器亦将停止这一电磁铁的计数，其原理见图4所示。由附图所示，失效采样信号输入到运算放大器IC14:B的同相输入端，经IC14:B与电位器W1组成一个放大倍数可调的同相放大器；到由运算放大器IC14:C、IC14:D，门电路IC15:A，电位器W2、W3和R54、C42、D30组成的区域比较器；电位器W2用于设置比较区域的上限值，电位器W3用于设置比较区域的下限值。例如，当电位器W2输出为3V、W3输出为1V时，如果1V＜放大后的失效采样信号＜3V则门电路IC15:A的输出为低电平，其它情况下IC15:A均输出高电平。也就是说，当电磁铁或电磁离合器工作正常时，其工作电流应在一定的范围内波动，即失效采样信号经放大后也在一定的电压范围内，该范围通过电位器W2、W3设定，门电路IC15:A的输出为低电平。当电磁铁或电磁离合器工作失效后，其工作电流根据失效形式不同，出现比正常工作时增大或减小，从而使门电路IC15:A的输出为高电平。该信号经门电路IC15:B和R55、C43、C44组成的整形滤波电路后，变为正常工作时，IC15:B输出为高电平；失效后，IC15:B输出为低电平。门电路IC15:C和IC15:D组成一个基本的RS触发器，置1输入端S由下位CPU控制，置0输入端R接IC15:B输出的失效采样信号。开始寿命试验时，由下位CPU输出一个负脉冲到置1输入端，工作指示灯亮，声光报警控制电路不工作；当有失效采样信号输入时，报警指示灯亮，工作指示灯不亮，由门电路IC16:B、IC16:C、IC16:D和R56、R57、C45、D31组成声音报警控制电路输出触发控制信号。
图5是本实用新型检测控制部分电路原理图。如图所示，该电路用于检测被测电磁铁或电磁离合器的工作电压电流、触头位移、拉力或压力、工作时的机械振动等模拟量，测量步进电机转速并通过步进电机驱动模块对其实现闭环控制。下面对照附图进一步描述。
电磁铁和电磁离合器是一种依靠电磁系统中产生的电磁吸力，使衔铁作机械运动，从而使其对外作功的电动装置。因此，衔铁在运动过程中所受的电磁吸力F与它的行程δ之间的关系F＝f(δ)就必然地成为表征其主要性能的基本特征。测试电磁铁的吸力特性就是在稳态过程中测试F-δ关系曲线。过去厂家采用传统手工方法检测，很难保证做到对磁铁万无一失的检验，为避免人工手动检测带来的弊端，急需解决的问题是提供一种能完全用于生产过程中电磁铁吸力特性测试设备，该设备要求其质检手段能相应提高，该设备的特点是利用计算机程序进行控制、数据采集和信号处理，实现对电磁铁吸力特性自动测试和辅助分析，得出其正确的检测结果以及给出较合理的质量判别。图5中的拉压力传感器电路采用电阻应变式拉压力传感器，传感器的输出接线采用三线制，信号处理放大电路采用差动式输入方式，可有效抑制共模干扰，由双运算放大器IC1:OPA235、电阻R1～R8、电容C1～C4、二极管D1～D4组成。R3与C2和R7与C4分别组成两个低通滤波器，用于滤出传感器线路上同相端和反相端的干扰信号，R1＝R5、R2＝R6用于设置两个运算放大器的放大倍数，R4、R8用于给运算放大器提供参考电平，C1、C3是两个积分电容，用于增加运算放大器的稳定性，D1、D2和D3、D4用于对同相端和反相端放大器的输出限幅，以保护后面的A/D转换器。位移传感器采用磁敏接近感应式位移传感器，其输出接线仍采用三线制，信号处理放大电路的结构及功能与拉压力传感器类似。
当我们进行电磁铁或电磁离合器拉压力特性测试时，把被测电磁铁或电磁离合器固定在工作台面的定端，电磁铁或电磁离合器的衔铁头顶住上面作为动端的拉压力传感器上，这时给电磁铁或电磁离合器的激磁线圈接上一定的工作电压，衔铁拉压力作用在压力传感器上，步进电机驱动圆弧齿轮蜗杆减速器，使拉压力传感器在衔铁的运动方向上作匀速直线运动，同时转动杆带动位移感应片移动，这样通过拉压传感器和位移传感器输出得到所需要的测试数据，经测量放大电路、A/D模数转换至下位单片机形成对电磁铁或电磁离合器在通电过程中所受的电磁吸力F与它的行程δ之间的数据采集。为了保证一定的测量精度，步进电机采用闭环控制方式，使其转速平稳，起动转矩较大。拉压力传感器采用电阻应变片式拉压力传感器，最大测力值为100N，具有温漂小、灵敏度高，响应速度快及良好的线性度，测量放大电路采用高共模抑制比，高输入阻抗，高灵敏度的集成运算放大器。测量行程的传感器采用磁敏接近感应式位移传感器，具有很高的测量精度。上位PC机与下位单片机是整个系统的核心，通过控制器实现对工作台的起动、停止与复原等程序控制。
电磁铁或电磁离合器的拉压力特性测试是否合格，除了在测试过程中直接观察外，还需要通过对测试中采集到的拉压力、行程数据进行分析计算来获得一些参数，如最大吸力、起始吸力及全行程等。结合所测得的F-δ关系曲线进行分析，判别拉压力和行程是否达到所规定的额定拉压力和规定行程。例如用采集得到的吸力、行程数据分析计算电磁铁的起始吸力、最大吸力和全行程，设吸力采样信号f(n)，其中n＝0，1，2，3，.....N，采样位移间距L。把被测电磁铁衔铁头调整在起始位置，接通85％的额定电压值，此时产生的吸力为起始吸力；在f(n)中取f(0)，起始吸力fn＝f(0)。在F-δ关系曲线中，F存在一个最大值，这个最大值就是最大吸力；在f(n)中查找f(nMAX)≥f(n)，其中n＝0，1，2，3，.....N的点nMAX，得到最大吸力fMAX＝f(nMAX)。全行程的计算方法为电磁铁衔头从起始位置至最大吸力处的位移量，全行程δK＝L×nMAXK。
在测试过程中电磁铁吸力特性出现不合格的原因主要是吸力和行程达不到它们的额定值；行业规定，调节被测电磁铁至额定行程及85％额定电压值，要求电磁铁的吸力均不小于所规定的额定吸力。设电磁铁额定吸力Fo，电磁铁额定行程Po，在f(n)中查找f(n1)＞Fo，f(n1-1)＜Fo的点n1。其中0＜n1＜N，n＝0，1，2，3，.....N。在电磁铁的吸力特性中要求F-δ关系曲线平滑上升，故需满足以下条件。
f(n1+n)-f(n1+n-1)＞0 n＝0，1，2，ΛΛ(N-n1)对电磁铁行程的计算是在能保证电磁铁的吸力不小于所规定的额定吸力条件下的有效位移。要求行程满足大于等于额定行程，故需满足以下条件，则为合格产品。
δ1＝(nMAX-n1)×L＞Po图5中电压电流传感器的输出接线仍采用三线制，其信号处理放大电路的结构及功能与拉压力传感器的类似。在电磁铁或电磁离合器合(分)操作线圈回路上加入电压传感器，通过测量合(分)操作线圈的电压，监测操作电压。当线圈中通过电流时，在电磁铁或电磁离合器内产生磁通，铁芯受电磁力作用，使触头进行合(分)操作。分析动作过程和线圈电流波形可知，在线圈的电流波形中包含着重要信息，反映了电磁铁或电磁离合器在操作过程中的工作情况。典型的线圈电流波形如图8所示，这一波形根据铁芯运动可以分为下列五个阶段。
①阶段I，t＝t0～t1′。线圈在t0时刻开始通电，到t1′时刻铁心开始运动。在这一阶段的特点是电流上升，铁心还没有运动。
②阶段II，t＝t1′～t2。在这一阶段，铁心在电磁力作用下克服重力、弹簧力等阻力开始运动。
③阶段III，t＝t2～t3。在这一阶段，铁心又停止运动。
④阶段IV，t＝t3～t4。这一阶段是阶段III的延续，电流达到近似的稳态。
⑤阶段V，t＝t4～t5。电流切断阶段。
分析电流波形可知，电流有两个峰值点和一个谷值点。以t0为命令时间的零点，特征参数有t1，t2，t3，t4，t5，I1，I2，I3。引起线圈电流变化的因素很多，如电压、铁芯空行程、磨擦阻力、卡滞以及操作机构的机械动作状况。线圈电流的变化反映了铁芯运动状态以及其它机械状态的变化。综合以上几个阶段的情况，从分析线圈电流波形出发，可以检测操动机构多种状态，从而能预告事故的前兆。本实用新型的测量系统对线圈的电流电压进行测量，根据电流波形可以计算出铁芯启动时间、运动时间、线圈通电时间。
电磁铁或电磁离合器在工作时，磁系统的噪声测量应有一个定量规定。国际上采用丹麦B&K公司精密积分式声级计供环境鉴定及测量工厂噪声。它要求周围背景噪声小于噪声源20dB，因此在检测电磁铁或电磁离合器振动噪声时必须在特殊的消声室里进行，不适合车间生产现场在线检测。本实用新型采用振动测试方法，可解决车间现场定量测试电磁铁磁或电磁离合器的振动噪声问题，对于改进电磁铁或电磁离合器的设计、研制生产过程及提高产品质量具有重要意义。图5中振动传感器采用压电式加速度传感器，其输出接线仍采用三线制，后续的信号处理放大电路的结构及功能与拉压力传感器的类似，只是对传感器的同相和反相输出端采用高通滤波的交流耦合方式，由电阻电容R37、C18和R40、C20实现。电磁铁或电磁离合器在合(分)过程中，由于操动机构、连动机构、动触头等的运动、撞击，在电磁铁或电磁离合器外壳上产生一系列的冲击振动响应信号，这些振动信号的波形反映电磁铁或电磁离合器在合(分)过程中的内部机构的运动过程。根据这一点，选用操作过程中的外部振动信号作为检测电磁铁或电磁离合器内部状态的特征信号，运用信号处理技术，可以从振动信号波形中检测电磁铁或电磁离合器机构运动的状态和有关的时间参数等。振动信号经采样后，进行信号处理，具体算法如下①求信号总平均能量；②信号平方，加低通滤波，得其包络；③检查包络中的峰值，统计振动事件个数；④求事件发生时间和信号强度。通过上面算法计算，得事件发生时间和信号强度。根据事件发生的先后顺序，可以确定电磁铁或电磁离合器的机械状态。当电磁铁或电磁离合器进行合(分)操作时，采集振动信号经处理后作为诊断的根据，这种方法的优点是传感器的尺寸小，工作可靠，灵敏度好，抗干扰好，特别适合于动作频繁的电磁铁或电磁离合器的在线监测，不需要拆卸电磁铁或电磁离合器可检测其机构的机械状态，判断有无故障先兆出现。
图6是本实用新型上位机结构框图，图7是本实用新型上位机的运行界面图。由附图所示，上位机的运行监控及分析处理主程序模块，采用功能模块化结构，包括用于设备文件管理的存储模块；用于测量数据并进行分析、判定和作出处理的检测结果分析模块；用于结果监控、检测项目分类、检测结果分析、测量参数设置、输出图表并打印图表的输出模块；为提高可操作性程度，显示模块中设有汉字菜单单元和中文操作提示单元；其显示界面如图7所示。本系统主要完成系统管理、量程选择、数据采集与处理、图形显示、打印、表输出、数据存储、数据库管理等任务。其中，主程序控制模块包括系统功能、检测项目分类、检测结果分析以及返回至少三个子程序控制模块。系统功能子程序控制模块中包括显示、添加、修改、删除、查询、图表打印、返回主菜单的子菜单1选择单元；检测项目分类子程序控制模块中包括被测工件型号选择、工作电压范围检测、寿命检测、压力拉力检测、行程选择、保持力检测、返回主菜单的子菜单2选择单元；检测结果分析子程序控制模块中包括参数设置、数据采集、数据处理、图表显示、数据存储、图表打印、返回主菜单的子菜单3选择单元。
以上仅仅是本实用新型的较佳实施例，根据本实用新型的上述构思，本领域的熟练人员还可对此作出各种修改和变换。例如，程序语言的选择，以及设计流程和主界面的结构变化等等。然而，类似的这种变换和修改均属于本实用新型的范围。
权利要求1.一种电磁元件在线质量状态监测系统，该系统主要包括一测试机，所述测试机机座(1)上依次设有夹具(2)、振动传感器(3)、被测电磁元件(4)、触头夹具(5)、位移感应片(6)、位移传感器(7)、拉压力传感器(8)、传动机构(9)、调节手轮(10)、传动螺杆(11)、步进电机(12)、光电速度传感器(13)、检测控制装置(14)以及现场通信总线(15)和上位机(16)，其特征在于所述夹具(2)安装在所述测试机主轴中心轴线处机座(1)的底部并夹紧固定所述被测电磁元件(4)的壳体；所述触头夹具(5)、位移感应片(6)、拉压力传感器(8)、传动机构(9)、调节手轮(10)和传动螺杆(11)固定在所述测试机主轴中心轴线处主轴上；所述振动传感器(3)经磁性座体直接安装在所述被测电磁元件(4)壳体上；所述位移传感器(7)固定在所述测试机立柱螺杆支架上；所述光电速度传感器(13)安装在所述传动机构(9)的齿轮箱内；所述步进电机(12)、检测控制装置(14)安装在所述测试机立柱上，它们均经所述现场通信总线(15)与所述上位机(16)电连接。
2.根据权利要求1所述的电磁元件在线质量状态监测系统，其特征在于所述检测控制装置(14)包括通信接口、下位机CPU、存储器、可编程逻辑器件CPLD；其中，下位机CPU经数据地址总线分别与存储器、可编程逻辑器件CPLD连接，经口线直接与失效判断电路连接，并经通信接口连接所述上位机；所述可编程逻辑器件CPLD经A/D转换器与信号处理放大电路及传感器连接，还经光电隔离电路与电源控制器、步进电机驱动模块和测速传感器组成的闭环控制电路连接。
3.根据权利要求2所述的电磁元件在线质量状态监测系统，其特征在于所述电源控制器的控制电路包括由与交流电源连接的隔离变压器T2、整流电桥D25～D28及电容C38～C39组成的输出到被测电磁元件(4)及步进电机驱动模块的直流电源电路，所述被测电磁元件(4)的线圈回路与失效判断电路、驱动功率管Q1～Q4、标准电阻R48串接；而驱动功率管Q1～Q4的栅极经电阻R43～R46受由与R47串联的精密电压源D29、缓冲器IC13D、I2C总线四数字电位器IC12X9241、差分放大器IC13C和C41的比较器IC13B组成的稳压调节电路控制，其中，数字电位器IC12经I2C总线与下位机CPU连接；还包括由电源变压器T1、整流电桥D21～D24、电容C36～C37和电压变换及稳压模块组成的直流电源电路。
4.根据权利要求3所述的电磁元件在线质量状态监测系统，其特征在于所述失效判断电路包括经与直流输出端标准电阻R48连接并设有可调电位器W1的运算放大器IC14B输出到由运算放大器IC14C、IC14D、门电路IC15A、电位器W2～W3及R54、C42、D30组成的区域比较电路；此区域比较电路的输出经由门电路IC15B、R55、C43、C44组成的整形滤波电路与由门电路IC15C和IC15D组成的RS触发器电路的置“0”输入端连接；其中，RS触发器电路的置“1”输入端与CPU控制输出连接，输出端与CPU的失效判断输入端和由门电路IC16B、IC16C、IC16D及R56、R57、C45、D31组成的声光控制报警电路连接，输出端与门电路IC16A及R58连接。
5.根据权利要求1或2所述的电磁元件在线质量状态监测系统，其特征在于所述检测控制装置(14)的电路包括拉压力、位移、振动、电压和电流传感器，由双运算放大器0PA235、电阻、电容和二极管组成的信号处理放大电路，由六通道同步采集A/D转换芯片ADS7864、双运算放大器IC9和电容组成的模数转换电路，由CPLD、CPU、存储器、光电隔离电路、通信接口电路及其外围电路组成的控制电路；其后的信号处理放大电路中，拉压力传感器的输出接由双运算放大器IC10PA235、电阻R1～R8、电容C1～C4和二极管D1～D4组成的信号处理放大电路，该电路中拉压力传感器的同相和反相输出端分别连接至由电阻电容R3、C2和电阻电容R7、C4组成的低通滤波电路，耦合到双运算放大器IC1的两个同相输入端，该两个同相输入端连接电阻R4、R8，双运算放大器的两个输出端并接二极管D1～D4，然后连接至A/D转换芯片IC6的一个通道CHAO+、CHAO-；振动传感器的同相和反相输出端是由电阻电容R37、C18和R40、C20组成的高通滤波交流耦合电路；以及，由与CPLD连接的光电隔离器件IC1O、测速传感器、电阻R41～R42组成的测速电路；由与电压变换及稳压模块连接的滤波电感L1～L3、滤波电容C25～C27及稳压二极管WD1组成的数字部分电源电路；由电压变换及稳压模块连接的滤波电感L4～L8、滤波电容C28～C35、稳压二极管WD2～WD4、集成稳压器IC11组成的模拟部分电源电路。
6.根据权利要求1所述的电磁元件在线质量状态监测系统，其特征在于所述上位机(16)包括上位PC机、键盘、显示器、打印机与主菜单选择下的主程序控制模块以及可供操作的运行界面。
7.根据权利要求6所述的电磁元件在线质量状态监测系统，其特征在于所述主程序控制模块包括系统功能、检测项目分类、检测结果分析以及返回至少三个子程序控制模块。
8.根据权利要求7所述的电磁元件在线质量状态监测系统，其特征在于所述子程序控制模块，其中系统功能子程序控制模块中包括显示、添加、修改、删除、查询、图表打印、返回主菜单的子菜单1选择单元；检测项目分类子程序控制模块中包括被测工件型号选择、工作电压范围检测、寿命检测、压力拉力检测、行程选择、保持力检测、返回主菜单的子菜单2选择单元；检测结果分析子程序控制模块中包括参数设置、数据采集、数据处理、图表显示、数据存储、图表打印、返回主菜单的子菜单3选择单元。
专利摘要一种电磁元件在线质量状态监测系统，它包括用于测试电磁元件的测试机；其中测试机的主轴中心轴线处设有固定夹具、触头夹具、传感器、传动机构；测试机立柱上设有步进电机、电源控制器、检测控制装置；以及与其电连接的上位机。由于采用在线数据采集与上位机监控相结合的方案，克服了传统试验检测设备数据处理自动化程度太低、动态试验投资又较高的难题；使之具有系统结构简单、成本较低、操作维护方便、抗干扰能力强、检测精度高、信息提取稳定可靠的特点。可广泛适用于电磁元件，特别适用于特种类型的电磁铁及电磁离合器的各项性能试验及参数等综合技术指标的数据采集、自动测试和处理分析的在线质量状态的监测。
文档编号G01R33/00GK2819235SQ200520050438
公开日2006年9月20日 申请日期2005年3月9日 优先权日2005年3月9日
发明者黄采伦, 张剑 申请人:湖南科技大学