機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)教學(xué)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的探索

楊 芳 劉 義 李濟(jì)順

河南科技大學(xué) 河南洛陽(yáng) 471003

機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)是高等院校工科類(lèi)教學(xué)中不可缺少的一門(mén)課程。該課程涉及機(jī)械、電子信息、自動(dòng)化、儀器儀表等多個(gè)領(lǐng)域，是一門(mén)專(zhuān)業(yè)性較強(qiáng)，涉及知識(shí)面很廣，應(yīng)用價(jià)值很高的專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課[1]。課程主要介紹了與機(jī)械工程相關(guān)的測(cè)試技術(shù)的基本概念、基本理論和應(yīng)用技術(shù)，包括常用傳感器的原理與應(yīng)用、測(cè)試信號(hào)調(diào)理電路、信號(hào)分析與處理、計(jì)算機(jī)測(cè)試系統(tǒng)、測(cè)試系統(tǒng)的特性、測(cè)試系統(tǒng)的干擾及抑制以及機(jī)械工程中常見(jiàn)的測(cè)試等內(nèi)容[2]。由于該課程理論性較強(qiáng)，知識(shí)點(diǎn)較多，思維跨度較大且比較抽象，因此需要設(shè)置與之相匹配的教學(xué)實(shí)驗(yàn)才能達(dá)到較好的教學(xué)效果。

1 教學(xué)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的設(shè)計(jì)

教學(xué)實(shí)驗(yàn)是高等學(xué)校教學(xué)環(huán)節(jié)中重要的一環(huán)，是培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力、實(shí)踐能力和工程應(yīng)用的重要部分[3]。在教學(xué)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，學(xué)生在認(rèn)知過(guò)程中的一個(gè)普遍現(xiàn)象是見(jiàn)小不見(jiàn)大，不能把握測(cè)試系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)，而關(guān)注點(diǎn)總是放在較小的一個(gè)知識(shí)點(diǎn)或是問(wèn)題中。為了強(qiáng)化學(xué)生對(duì)測(cè)試系統(tǒng)的概念，了解測(cè)試技術(shù)重要的方法，在教學(xué)實(shí)驗(yàn)中設(shè)計(jì)了自頂向下的實(shí)驗(yàn)思想：首先通過(guò)系統(tǒng)認(rèn)知使學(xué)生建立起機(jī)械工程測(cè)試系統(tǒng)的整體概念，了解組成測(cè)試系統(tǒng)的各個(gè)部分，明白相關(guān)知識(shí)點(diǎn)的適用范圍，從而做到有的放矢的學(xué)習(xí)。而后制定相對(duì)應(yīng)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，學(xué)生能夠理解各知識(shí)點(diǎn)的內(nèi)容，明白系統(tǒng)各部分的關(guān)聯(lián)關(guān)系。最后再通過(guò)綜合性實(shí)驗(yàn)對(duì)所學(xué)知識(shí)進(jìn)行串聯(lián)和鞏固[4]。

為此，在機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)的教學(xué)實(shí)驗(yàn)中制定了基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)和綜合性實(shí)驗(yàn)。

基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)主要是針對(duì)信號(hào)處理方面，其內(nèi)容有：傳感器的選取、信號(hào)的基本性質(zhì)、信號(hào)的采集、A/D轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)處理?；A(chǔ)性實(shí)驗(yàn)共5部分，內(nèi)容見(jiàn)表1。

表1 基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)

綜合性實(shí)驗(yàn)針對(duì)學(xué)生已學(xué)過(guò)的知識(shí)，建立起典型的測(cè)試系統(tǒng)，通過(guò)實(shí)際的測(cè)試實(shí)驗(yàn)使學(xué)生了解傳感器的性能，測(cè)試電路的構(gòu)成，測(cè)試軟件的應(yīng)用以及數(shù)據(jù)的處理與分析。綜合性實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容見(jiàn)表2。

表2 綜合性實(shí)驗(yàn)

2 實(shí)驗(yàn)儀器

為了高質(zhì)量地完成教學(xué)實(shí)驗(yàn)任務(wù)，課題組選擇了較為先進(jìn)的儀器來(lái)搭建實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。

(1)單點(diǎn)式激光測(cè)振儀：Polytec高性能的單點(diǎn)式激光測(cè)振儀由控制器、數(shù)字式速度解碼器、自動(dòng)聚焦式光學(xué)頭組成。能夠?qū)崿F(xiàn)最小速度分辨率0.02微米/秒，最大速度+/-10米/秒的速度信號(hào)測(cè)量；最大輸出信號(hào)為+/-10 V，輸出帶520 100 KHz低通濾波和100 Hz高通濾波。

(2)加速度計(jì)：B&K壓電式加速度計(jì)是振動(dòng)的絕對(duì)測(cè)量的最佳傳感器，可用于較為寬泛的頻率范圍；在很寬的動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)具有良好的線性，該種傳感器不需要額外電源，具有較高的靈敏度質(zhì)量比。設(shè)備參數(shù)：靈敏度10 pC/g；最大正弦振動(dòng)6 000 g-peak；最大沖擊極限+/-20 000 g-peak；頻率范圍0.1 Hz～12.6 KHz。

(3)雙通道調(diào)理放大器：B&K雙通道電荷放大器，能夠?qū)崿F(xiàn)放大增益0.1 mV/pC～3.16 V/pC；頻響范圍0.1 Hz～100 KHz；具有低通、高通濾波器；能實(shí)現(xiàn)過(guò)載檢測(cè)。

(4)A/D采集模塊：課題組自主研發(fā)了基于USB2.0的數(shù)據(jù)采集模塊。該模塊具有8個(gè)模擬量輸入通道，能夠?qū)崿F(xiàn)16-bit分辨率A/D轉(zhuǎn)換器，采樣速率高達(dá)200 kS/s。該模塊采用總線供電，擁有設(shè)備狀態(tài)LED指示燈。

(5)信號(hào)分析軟件：課題組采用自主研發(fā)的信號(hào)分析軟件，該軟件采用Windows視窗風(fēng)格，界面友好，使用方便，能夠?qū)崿F(xiàn)在線檢測(cè)分析和離線數(shù)據(jù)分析。能夠?qū)崿F(xiàn)頻譜分析、傳遞函數(shù)分析、互譜分析、互相關(guān)函數(shù)分析、包絡(luò)/倒頻譜分析等信號(hào)分析功能。軟件具有畫(huà)面設(shè)置、顯示設(shè)置、采樣參數(shù)設(shè)置、單位設(shè)置、跟蹤設(shè)置、放大器設(shè)置、預(yù)處理設(shè)置、濾波器設(shè)置、計(jì)算設(shè)置等模塊，方便使用者根據(jù)需要進(jìn)行快速組合。該軟件已經(jīng)在工程應(yīng)用中驗(yàn)證了其可靠性。

此外，課題組還搭建了振動(dòng)測(cè)試平臺(tái)和動(dòng)平衡測(cè)試平臺(tái)供實(shí)驗(yàn)使用，這些儀器、軟件的應(yīng)用能夠開(kāi)拓學(xué)生的視野，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，更重要的是實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)能夠使學(xué)生更好地理解系統(tǒng)的概念，提高對(duì)知識(shí)的認(rèn)知程度。

3 實(shí)驗(yàn)案例

綜合性實(shí)驗(yàn)是針對(duì)學(xué)生已經(jīng)學(xué)過(guò)的信號(hào)處理、測(cè)試技術(shù)和測(cè)試系統(tǒng)等內(nèi)容，通過(guò)實(shí)驗(yàn)室使學(xué)生了解典型的機(jī)械工程測(cè)試系統(tǒng)的構(gòu)成以及各個(gè)環(huán)節(jié)所完成的工作。基于工程應(yīng)用的指導(dǎo)思想，該部分實(shí)驗(yàn)設(shè)置了撓性接管自由振動(dòng)測(cè)試和微小轉(zhuǎn)子不平衡量檢測(cè)。

3.1 撓性接管自由振動(dòng)測(cè)試

自由振動(dòng)測(cè)試是機(jī)械工程測(cè)試的基礎(chǔ)，該部分實(shí)驗(yàn)?zāi)茏寣W(xué)生了解激勵(lì)信號(hào)的產(chǎn)生、信號(hào)的采集、自由振動(dòng)以及動(dòng)態(tài)性能參數(shù)的計(jì)算。實(shí)驗(yàn)裝置主要由激振器、加速度信號(hào)采集裝置、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)等組成(如圖1所示)。

圖1 撓性接管自由振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)

實(shí)驗(yàn)中，利用波形發(fā)生器產(chǎn)生振動(dòng)譜信號(hào)，經(jīng)功率放大器，由激振器產(chǎn)生振動(dòng)信號(hào)。加速度傳感器采集響應(yīng)信號(hào)，經(jīng)電荷放大器和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)入計(jì)算機(jī)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。圖3是通過(guò)信號(hào)分析軟件采集的自由振動(dòng)信號(hào)。

圖2 撓性接管測(cè)試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

圖3 信號(hào)分析軟件的采集結(jié)果

通過(guò)撓性接管的自由振動(dòng)測(cè)試實(shí)驗(yàn)可以讓學(xué)生了解典型測(cè)試系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、組成部分。通過(guò)實(shí)驗(yàn)理解測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)備、安裝、調(diào)試；了解信號(hào)接口的類(lèi)型與連接方法；了解激勵(lì)信號(hào)的產(chǎn)生方法。

3.2 微小轉(zhuǎn)子不平衡量檢測(cè)

轉(zhuǎn)子的不平衡是旋轉(zhuǎn)機(jī)械故障的主要誘因，為了提高旋轉(zhuǎn)機(jī)械的品質(zhì)就需要進(jìn)行轉(zhuǎn)子的不平衡量檢測(cè)。該項(xiàng)實(shí)驗(yàn)通過(guò)學(xué)生自己動(dòng)手調(diào)試來(lái)完成對(duì)轉(zhuǎn)子的不平衡檢測(cè)，能夠激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，培養(yǎng)動(dòng)手能力。圖4為微小轉(zhuǎn)子不平衡檢測(cè)實(shí)驗(yàn)臺(tái)。

圖4 不平衡檢測(cè)實(shí)驗(yàn)臺(tái)

微小轉(zhuǎn)子不平衡檢測(cè)系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)裝置由不平衡量檢測(cè)實(shí)驗(yàn)臺(tái)、激光測(cè)振儀、光電式開(kāi)關(guān)傳感器、采集系統(tǒng)和信號(hào)分析軟件構(gòu)成。實(shí)驗(yàn)中，變頻調(diào)速電機(jī)通過(guò)帶動(dòng)皮帶輪帶動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，利用激光測(cè)振儀測(cè)量振動(dòng)的絕對(duì)速度信號(hào)，利用光電式開(kāi)關(guān)傳感器測(cè)量轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速，傳感器信號(hào)通過(guò)數(shù)據(jù)采集裝置獲取。系統(tǒng)原理如圖5所示。圖6為不平衡量的計(jì)算界面。

圖5 不平衡檢測(cè)系統(tǒng)框圖

圖6 不平衡量計(jì)算界面

通過(guò)該項(xiàng)實(shí)驗(yàn)，學(xué)生能夠了解轉(zhuǎn)子不平衡檢測(cè)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，激光測(cè)振儀和光電式開(kāi)關(guān)傳感器的應(yīng)用方法，多路信號(hào)采集的觸發(fā)方法，不平衡量的計(jì)算。

4 結(jié)束語(yǔ)

機(jī)械工程測(cè)試的教學(xué)實(shí)驗(yàn)選擇了當(dāng)前較為新式的測(cè)試儀器，讓學(xué)生了解不同測(cè)試儀器的特點(diǎn)和應(yīng)用方法。同時(shí)，以工程導(dǎo)向的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高了動(dòng)手能力。通過(guò)教學(xué)實(shí)驗(yàn)，更加有利于學(xué)生鞏固所學(xué)知識(shí)，培養(yǎng)創(chuàng)新能力。

[1]劉春陽(yáng),郭愛(ài)芳.測(cè)試技術(shù)教材建設(shè)與教學(xué)模式探討[J].中國(guó)現(xiàn)代教育裝備,2012(17):54-56.

[2]韓建海,馬偉.機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)[M].北京:清華大學(xué)出版社,2010.

[3]王學(xué)惠,蔣紅海,李海鎮(zhèn).機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)教學(xué)模式改革的探索[J].世界華商經(jīng)濟(jì)年鑒,2008(17).

[4]鄒大鵬,吳百海,龍建軍.基于虛擬儀器技術(shù)實(shí)現(xiàn)測(cè)試技術(shù)教學(xué)改革的研究[J].廣東工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2007(7):104-107.