機械工程測試技術(shù)教學(xué)實驗系統(tǒng)的開發(fā)

楊冠瓊 柏 林

重慶大學(xué) 重慶 400044

機械工程測試技術(shù)教學(xué)實驗系統(tǒng)的開發(fā)

楊冠瓊 柏 林

重慶大學(xué) 重慶 400044

機械工程測試技術(shù)課程涉及的知識抽象且理論性、工程性強，只有通過直觀的實驗操作幫助學(xué)生理解，才能達到最佳的學(xué)習(xí)效果。針對這一特點，采用虛擬儀器技術(shù)開發(fā)出基于LabVIEW平臺的集虛擬仿真與機械測試為一體的綜合實驗系統(tǒng)。改變了傳統(tǒng)的實驗教學(xué)模式，采用循序漸進的方式，將實驗內(nèi)容劃分為基礎(chǔ)性實驗、綜合性實驗、探究性實驗3個部分?；A(chǔ)實驗部分緊貼書本，幫助廣大學(xué)生理解和消化基礎(chǔ)理論知識。綜合性實驗及探究性實驗則與工程應(yīng)用相結(jié)合，幫助學(xué)生加強對測試系統(tǒng)的認(rèn)識、理解及應(yīng)用能力；同時也有利于創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。

機械測試；實驗系統(tǒng)；虛擬儀器；仿真

機械工程測試技術(shù)基礎(chǔ)是機械專業(yè)學(xué)生必修的一門專業(yè)基礎(chǔ)課。課程主要介紹機械工程、工業(yè)自動化等工程領(lǐng)域中常見物理量如壓力、應(yīng)變、溫度、噪聲等傳感器測量原理、測試方法和信號分析方法。與其他專業(yè)課相比，這門課程不僅理論性強、公式推導(dǎo)復(fù)雜；而且思維從時域向著頻域轉(zhuǎn)變，具體應(yīng)用過程抽象。只有通過大量直觀的實驗操作，才能更好地掌握書本知識，培養(yǎng)工程實踐能力。而目前大多數(shù)高校因?qū)嶒灄l件限制，側(cè)重于課本內(nèi)容的講授，實踐性環(huán)節(jié)偏少，主要以驗證性實驗為主，不利于培養(yǎng)學(xué)生獨立思考和動手能力。

針對傳統(tǒng)教育存在的弊端，采用虛擬儀器代替?zhèn)鹘y(tǒng)物理儀器，不僅可以緩解實驗經(jīng)費不足的問題，還有利于實驗的開放性、靈活性和內(nèi)容的多樣化。LabVIEW是美國NI公司基于G語言的虛擬儀器開發(fā)工具。其自帶龐大的函數(shù)庫，包括數(shù)據(jù)采集、信號處理、輸入/輸出控制等，具有成本低、通用性好、功能強大、易于升級與擴展等特點。同時，LabVIEW很容易同網(wǎng)絡(luò)、外設(shè)及其他匹配設(shè)備相連接。為此，筆者以LabVIEW為平臺，利用其內(nèi)置的仿真、數(shù)據(jù)采集、信號處理功能，開發(fā)出集虛擬仿真與機械量測試為一體的綜合實驗系統(tǒng)。增加了綜合性、設(shè)計性實驗的比重，突出工程實踐在實驗教學(xué)中的核心地位，實現(xiàn)課程理論、實驗環(huán)節(jié)和工程實踐之間的無縫結(jié)合。

1 整體設(shè)計

機械工程測試技術(shù)基礎(chǔ)教學(xué)內(nèi)容涉及傳感器測量原理、信號處理方法等知識。根據(jù)書本內(nèi)容，并結(jié)合學(xué)生特點及培養(yǎng)要求，對實驗的內(nèi)容精心設(shè)計，體現(xiàn)出不同的層次。本實驗系統(tǒng)分為基礎(chǔ)性實驗、綜合性實驗、探究性實驗3部分(如圖1所示)。

圖1 機械測試實驗系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.1 基礎(chǔ)性實驗

基礎(chǔ)性實驗是針對信號處理課程量身定做的實驗套件，內(nèi)容豐富，囊括了教材中所有信號分析的知識。其中包括信號發(fā)生器、自相關(guān)等從基礎(chǔ)到高級的信號處理知識點的演示程序。實驗內(nèi)容按照功能劃分為7個模塊：信號基本性質(zhì)、時域分析、頻域分析、濾波、調(diào)制、采樣、加窗。各個模塊所包含的相關(guān)實驗見表1：

表1 基礎(chǔ)性實驗內(nèi)容

通過實驗，可以直觀地看到信號在處理前后的變化，扭轉(zhuǎn)了教師一味地在黑板上講解的被動性，有助于學(xué)生對數(shù)字信號處理概念的理解和記憶。此外，將LabVIEW應(yīng)用程序配置成一個服務(wù)器。通過VI服務(wù)器，用戶只需指定遠程計算機的地址或名字便可以通過網(wǎng)絡(luò)動態(tài)加載和運行VI。這樣，學(xué)生可以通過網(wǎng)絡(luò)操作實驗面板，親身參與實驗，方便預(yù)習(xí)或課后復(fù)習(xí)。

應(yīng)用舉例：

以采樣模塊為例。采樣是最常用的信號處理技術(shù)，過程是將時間上、幅值上都連續(xù)的模擬信號，轉(zhuǎn)換成時間上離散但幅值仍連續(xù)的離散信號。采樣模塊包括：混疊、柵欄效應(yīng)、頻譜泄露、位數(shù)和分辨率等實驗。實驗內(nèi)容包括了采樣的幾個基本步驟：離散、幅值量化、截斷，以及在離散、截斷等過程中易產(chǎn)生的誤差，如混疊、泄露、柵欄效應(yīng)。

為了保證采樣后的信號能真實地保留原始模擬信號的信息，采樣信號的頻率必須至少為原信號中最高頻率成份的2倍，否則會出現(xiàn)混疊現(xiàn)象。圖2為驗證混疊現(xiàn)象的實驗面板。圖中所示，頻率f=10Hz的正弦信號x(t)=sinωt，用fs=16Hz的采樣頻率對其進行離散采樣，并計算頻譜。那么乃奎斯頻率即分析頻率范圍是8Hz，小于信號的頻率10Hz，不滿足采樣定理。信號頻率超出乃奎斯頻率2Hz，被折疊到6Hz處，分析結(jié)果顯示為6Hz的譜線，把信號頻率10Hz誤認(rèn)為6Hz，造成頻率識別錯誤，這就是頻率混疊現(xiàn)象。如圖2所示，曲線為原始信號，折線為采樣點的連線，可以直觀地看出采樣所得信號失真。

圖2 重采樣和混疊

1.2 綜合性實驗

綜合性實驗是針對學(xué)生已學(xué)過的測試學(xué)原理，通過實驗讓學(xué)生初步了解典型測試系統(tǒng)的構(gòu)成及各環(huán)節(jié)的功能。了解典型傳感器的性能、特點以及其典型測量電路基本構(gòu)成與特點。

振動測試是機械測試中最基礎(chǔ)、應(yīng)用最廣的技術(shù)，實驗時選用本實驗室自主研發(fā)的ZK-5VIC型虛擬測試振動與控制實驗裝置(如圖3所示)。實驗裝置主要由4大部分組成：振動系統(tǒng)模型、激振系統(tǒng)、振動測量系統(tǒng)、減振系統(tǒng)。振動系統(tǒng)模型分為5種：單自由度系統(tǒng)模型、多自由度系統(tǒng)模型、懸臂梁模型、簡支梁模型、薄壁圓板模型。激振系統(tǒng)包括電動式激振器、非接觸式激振器、偏心電機、調(diào)壓器和激振信號源。更換相應(yīng)的振動模型和激勵系統(tǒng)，便能完成20多個實驗。以簡支梁各階的固有頻率測量實驗為例詳細說明。

圖3 ZK-5VIC型實驗臺

整個測試系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。將偏心電機取下，得到簡支梁模型。選用電動式激振器，激振器內(nèi)部信號源可產(chǎn)生頻率10Hz～1kHz，幅度≤5V的正弦信號，作為輸入信號。激振器與激振信號源的輸出端相連，通過調(diào)整信號源的輸出頻率和功率來改變激振力的頻率與幅值大小。壓電式加速度傳感器與ZK-5VIC型測振儀的輸入端相連。ZK-5VIC型測振儀用數(shù)字顯示測點的振動位移X、速度V、加速度A，其輸出端接動態(tài)信號分析儀。圖5為動態(tài)信號分析儀的操作面板，主要用于完成單、雙通道振動信號的時域、頻域分析。

圖4 振動測試實驗系統(tǒng)框圖

圖5 動態(tài)信號分析儀的操作界面

通過振動測試實驗可以充分了解實際工程中典型測試裝置的組成、安裝及調(diào)試方法；了解測試系統(tǒng)的構(gòu)成；學(xué)會激振器、傳感器與測振儀器的操作方法。

1.3 探究性實驗

傳統(tǒng)實驗?zāi)Ｊ绞歉叨裙潭ɑ模焕趯W(xué)生創(chuàng)新能力、實踐能力的培養(yǎng)。探究性實驗?zāi)軌蛲ㄟ^學(xué)生自己動手搭配實驗臺結(jié)構(gòu)，選擇傳感器、虛擬儀器完成實驗的方式，激發(fā)學(xué)生的好奇心，培養(yǎng)動手能力。在實驗中，將工程測試技術(shù)基礎(chǔ)課程知識融會貫通，起到綜合實踐的作用。旋轉(zhuǎn)機械是工業(yè)上應(yīng)用最廣泛的機械設(shè)備，其核心部件—轉(zhuǎn)子常常由于各種形式的故障而影響正常工作。不平衡是常見的故障形式，下面以動平衡測試為例。

轉(zhuǎn)子不平衡是由于轉(zhuǎn)子質(zhì)量偏心或出現(xiàn)缺損造成的故障。轉(zhuǎn)子平衡的方法很多，其中影響系數(shù)法以簡單、對操作者要求低等特點被較多的動平衡系統(tǒng)所采用，本文中的動平衡測試系統(tǒng)也采用影響系數(shù)法。

圖6為雙面動平衡實驗裝置。動平衡實驗主要由多功能轉(zhuǎn)子實驗臺、計算機、LabVIEW平臺、速度傳感器、轉(zhuǎn)速相位傳感器、數(shù)據(jù)采集儀、加重塊等組成。電動機通過皮帶帶動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，在轉(zhuǎn)子支撐點各安裝一個速度傳感器用以檢測轉(zhuǎn)子的振動，激光轉(zhuǎn)速相位傳感器用來獲取相位基準(zhǔn)以及轉(zhuǎn)速信息。整個測試系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如圖7所示：所有傳感器的檢測信號經(jīng)信號調(diào)理電路調(diào)理后輸入數(shù)據(jù)采集卡，最后LabVIEW開發(fā)出虛擬式動平衡測試儀器處理并顯示。

圖6 實驗臺的機械結(jié)構(gòu)

圖7 旋轉(zhuǎn)機械動平衡實驗系統(tǒng)框圖

采用LabVIEW開發(fā)出的虛擬實驗儀器，具有數(shù)據(jù)采集、分析、顯示功能。實驗面板上顯示有實驗操作流程，參數(shù)設(shè)置，轉(zhuǎn)子運行時的轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速特性，以及測試結(jié)果顯示。圖8為計算不平衡量界面，測試儀器對信號處理后并進行解算，得到校正面1和校正面2所需校正量的大小和相位。

圖8 計算不平衡量界面

此外，該儀器裝置設(shè)計方法獨特，結(jié)構(gòu)簡單，功能豐富，綜合性強。學(xué)生通過拼搭不同的轉(zhuǎn)子、軸承座，配置不同的機械參量傳感器和不同功能的虛擬儀器，便能完成多個實驗，如單雙面動平衡測試、軸心軌跡、油膜渦動、轉(zhuǎn)子不對中、轉(zhuǎn)速測量和控制等實驗。

因為條件限制，學(xué)生大多關(guān)注理論知識的學(xué)習(xí)，缺乏現(xiàn)場實踐經(jīng)驗。往往在牢牢掌握基礎(chǔ)知識后，不知道所學(xué)知識要應(yīng)用在什么地方。這一實驗系統(tǒng)，模擬了測試技術(shù)在實際工程中的應(yīng)用，將書本知識與工程相結(jié)合，適應(yīng)培養(yǎng)應(yīng)用型人才的迫切需求。

2 結(jié)束語

隨著計算機技術(shù)的飛躍發(fā)展，虛擬儀器實驗室將成為專業(yè)實驗室的主要模式。開發(fā)出基于LabVIEW的教學(xué)實驗系統(tǒng)與機械測試技術(shù)課程緊密聯(lián)系，基礎(chǔ)實驗涉及了信號時頻域分析、濾波器設(shè)計、采樣等實驗，有助于學(xué)生理解信號處理基礎(chǔ)知識。同時，振動試驗臺和轉(zhuǎn)子實驗臺與工程應(yīng)用相結(jié)合。在教學(xué)實踐中，該系統(tǒng)能起到良好的輔助教學(xué)作用。更有利于學(xué)生掌握傳感器、信號處理知識和測試系統(tǒng)的知識；并利于學(xué)生實踐創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。

[1] 鄒大鵬，吳百海，龍建軍.基于虛擬儀器技術(shù)實現(xiàn)測試技術(shù)教學(xué)改革的研究[J].廣東工業(yè)大學(xué)學(xué)報(增刊)，2007，7：104～107

[2] 傅健，滿慶豐，王鋼.基于LabVIEW的測試技術(shù)基礎(chǔ)教學(xué)實驗平臺[J].實驗室研究與探索，2010，29(9)：119～121

[3] 楊樂平，李海濤，楊磊.LabVIEW程序設(shè)計與應(yīng)用[M].北京：電子工業(yè)出版社，2005

[4] 陳仲牛，楊擁民，胡政，等.機械信號處理課程教學(xué)探討[C].第五屆工程碩士研究生培養(yǎng)研討會，2006，9：88～90

[5] 秦樹人.機械工程測試原理與技術(shù)[M].重慶：重慶大學(xué)出版社，2002

[6] 喻紅，黃弢，王峻峰.基于案例的工程測試技術(shù)基礎(chǔ)實驗教學(xué)[J].實驗室研究與探索，2008，27(2)：104～106

[7] 董甲瑞，黃松嶺，郝麗，等.基于虛擬儀器的旋轉(zhuǎn)機械綜合實驗系統(tǒng)開發(fā)[J].實驗技術(shù)與管理，2007，24(7)：88～90

[8] 張穆勇.基于虛擬儀器的旋轉(zhuǎn)機械振動分析與測試系統(tǒng)的研究[D].華北電力大學(xué)，2007

Studying on mechanical engineering testing technology experimental teaching system

Yang Guanqiong, Bai Lin
Chongqing university, Chongqing, 400044, China

Mechanical engineering testing technology covers a wide range of knowledge, which are abstract and theoretical. Only through direct experimental operation can help student’s study to achieve the best learning results. In response to this feature, we developed a mechanical testing system which based on LabVIEW platform. We use progressive teaching methods instant traditional teaching methods. The content of experiment is divided into three parts; there are basic experiment, comprehensive experiment and exploratory experiment. Helping students deepen their understanding of the book, and improve skills and practical ability in the course of the experiment.

mechanical testing; experimental system; virtual instruments; simulation

2011-04-28 稿件編號：1104161

楊冠瓊,在讀碩士研究生。柏林,博士,副教授?；痦椖浚褐貞c市教改項目(編號：09-3-022)；重慶大學(xué)211工程項目(編號：S-09106)。