楊冠瓊 柏 林

重慶大學(xué) 重慶 400044

機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)教學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的開發(fā)

楊冠瓊 柏 林

重慶大學(xué) 重慶 400044

機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)課程涉及的知識(shí)抽象且理論性、工程性強(qiáng)，只有通過直觀的實(shí)驗(yàn)操作幫助學(xué)生理解，才能達(dá)到最佳的學(xué)習(xí)效果。針對(duì)這一特點(diǎn)，采用虛擬儀器技術(shù)開發(fā)出基于LabVIEW平臺(tái)的集虛擬仿真與機(jī)械測(cè)試為一體的綜合實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。改變了傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，采用循序漸進(jìn)的方式，將實(shí)驗(yàn)內(nèi)容劃分為基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)、綜合性實(shí)驗(yàn)、探究性實(shí)驗(yàn)3個(gè)部分。基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)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(shí)。綜合性實(shí)驗(yàn)及探究性實(shí)驗(yàn)則與工程應(yīng)用相結(jié)合，幫助學(xué)生加強(qiáng)對(duì)測(cè)試系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)、理解及應(yīng)用能力；同時(shí)也有利于創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。

機(jī)械測(cè)試；實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)；虛擬儀器；仿真

機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)基礎(chǔ)是機(jī)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(jī)械工程、工業(yè)自動(dòng)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(cè)量原理、測(cè)試方法和信號(hào)分析方法。與其他專業(yè)課相比，這門課程不僅理論性強(qiáng)、公式推導(dǎo)復(fù)雜；而且思維從時(shí)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(shí)驗(yàn)操作，才能更好地掌握書本知識(shí)，培養(yǎng)工程實(shí)踐能力。而目前大多數(shù)高校因?qū)嶒?yàn)條件限制，側(cè)重于課本內(nèi)容的講授，實(shí)踐性環(huán)節(jié)偏少，主要以驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)為主，不利于培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立思考和動(dòng)手能力。

針對(duì)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(shí)驗(yàn)經(jīng)費(fèi)不足的問題，還有利于實(shí)驗(yàn)的開放性、靈活性和內(nèi)容的多樣化。LabVIEW是美國(guó)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(kù)，包括數(shù)據(jù)采集、信號(hào)處理、輸入/輸出控制等，具有成本低、通用性好、功能強(qiáng)大、易于升級(jí)與擴(kuò)展等特點(diǎn)。同時(shí)，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(tái)，利用其內(nèi)置的仿真、數(shù)據(jù)采集、信號(hào)處理功能，開發(fā)出集虛擬仿真與機(jī)械量測(cè)試為一體的綜合實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。增加了綜合性、設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)的比重，突出工程實(shí)踐在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的核心地位，實(shí)現(xiàn)課程理論、實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)和工程實(shí)踐之間的無縫結(jié)合。

1 整體設(shè)計(jì)

機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)基礎(chǔ)教學(xué)內(nèi)容涉及傳感器測(cè)量原理、信號(hào)處理方法等知識(shí)。根據(jù)書本內(nèi)容，并結(jié)合學(xué)生特點(diǎn)及培養(yǎng)要求，對(duì)實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容精心設(shè)計(jì)，體現(xiàn)出不同的層次。本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)分為基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)、綜合性實(shí)驗(yàn)、探究性實(shí)驗(yàn)3部分(如圖1所示)。

圖1 機(jī)械測(cè)試實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.1 基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)

基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)是針對(duì)信號(hào)處理課程量身定做的實(shí)驗(yàn)套件，內(nèi)容豐富，囊括了教材中所有信號(hào)分析的知識(shí)。其中包括信號(hào)發(fā)生器、自相關(guān)等從基礎(chǔ)到高級(jí)的信號(hào)處理知識(shí)點(diǎn)的演示程序。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容按照功能劃分為7個(gè)模塊：信號(hào)基本性質(zhì)、時(shí)域分析、頻域分析、濾波、調(diào)制、采樣、加窗。各個(gè)模塊所包含的相關(guān)實(shí)驗(yàn)見表1：

表1 基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

通過實(shí)驗(yàn)，可以直觀地看到信號(hào)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(dòng)性，有助于學(xué)生對(duì)數(shù)字信號(hào)處理概念的理解和記憶。此外，將LabVIEW應(yīng)用程序配置成一個(gè)服務(wù)器。通過VI服務(wù)器，用戶只需指定遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)的地址或名字便可以通過網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)加載和運(yùn)行VI。這樣，學(xué)生可以通過網(wǎng)絡(luò)操作實(shí)驗(yàn)面板，親身參與實(shí)驗(yàn)，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(hào)處理技術(shù)，過程是將時(shí)間上、幅值上都連續(xù)的模擬信號(hào)，轉(zhuǎn)換成時(shí)間上離散但幅值仍連續(xù)的離散信號(hào)。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(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容包括了采樣的幾個(gè)基本步驟：離散、幅值量化、截?cái)?，以及在離散、截?cái)嗟冗^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(hào)能真實(shí)地保留原始模擬信號(hào)的信息，采樣信號(hào)的頻率必須至少為原信號(hào)中最高頻率成份的2倍，否則會(huì)出現(xiàn)混疊現(xiàn)象。圖2為驗(yàn)證混疊現(xiàn)象的實(shí)驗(yàn)面板。圖中所示，頻率f=10Hz的正弦信號(hào)x(t)=sinωt，用fs=16Hz的采樣頻率對(duì)其進(jìn)行離散采樣，并計(jì)算頻譜。那么乃奎斯頻率即分析頻率范圍是8Hz，小于信號(hào)的頻率10Hz，不滿足采樣定理。信號(hào)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(hào)頻率10Hz誤認(rèn)為6Hz，造成頻率識(shí)別錯(cuò)誤，這就是頻率混疊現(xiàn)象。如圖2所示，曲線為原始信號(hào)，折線為采樣點(diǎn)的連線，可以直觀地看出采樣所得信號(hào)失真。

圖2 重采樣和混疊

1.2 綜合性實(shí)驗(yàn)

綜合性實(shí)驗(yàn)是針對(duì)學(xué)生已學(xué)過的測(cè)試學(xué)原理，通過實(shí)驗(yàn)讓學(xué)生初步了解典型測(cè)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(diǎn)以及其典型測(cè)量電路基本構(gòu)成與特點(diǎn)。

振動(dòng)測(cè)試是機(jī)械測(cè)試中最基礎(chǔ)、應(yīng)用最廣的技術(shù)，實(shí)驗(yàn)時(shí)選用本實(shí)驗(yàn)室自主研發(fā)的ZK-5VIC型虛擬測(cè)試振動(dòng)與控制實(shí)驗(yàn)裝置(如圖3所示)。實(shí)驗(yàn)裝置主要由4大部分組成：振動(dòng)系統(tǒng)模型、激振系統(tǒng)、振動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)、減振系統(tǒng)。振動(dòng)系統(tǒng)模型分為5種：?jiǎn)巫杂啥认到y(tǒng)模型、多自由度系統(tǒng)模型、懸臂梁模型、簡(jiǎn)支梁模型、薄壁圓板模型。激振系統(tǒng)包括電動(dòng)式激振器、非接觸式激振器、偏心電機(jī)、調(diào)壓器和激振信號(hào)源。更換相應(yīng)的振動(dòng)模型和激勵(lì)系統(tǒng)，便能完成20多個(gè)實(shí)驗(yàn)。以簡(jiǎn)支梁各階的固有頻率測(cè)量實(shí)驗(yàn)為例詳細(xì)說明。

圖3 ZK-5VIC型實(shí)驗(yàn)臺(tái)

整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。將偏心電機(jī)取下，得到簡(jiǎn)支梁模型。選用電動(dòng)式激振器，激振器內(nèi)部信號(hào)源可產(chǎn)生頻率10Hz～1kHz，幅度≤5V的正弦信號(hào)，作為輸入信號(hào)。激振器與激振信號(hào)源的輸出端相連，通過調(diào)整信號(hào)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(cè)振儀的輸入端相連。ZK-5VIC型測(cè)振儀用數(shù)字顯示測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)位移X、速度V、加速度A，其輸出端接動(dòng)態(tài)信號(hào)分析儀。圖5為動(dòng)態(tài)信號(hào)分析儀的操作面板，主要用于完成單、雙通道振動(dòng)信號(hào)的時(shí)域、頻域分析。

圖4 振動(dòng)測(cè)試實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)框圖

圖5 動(dòng)態(tài)信號(hào)分析儀的操作界面

通過振動(dòng)測(cè)試實(shí)驗(yàn)可以充分了解實(shí)際工程中典型測(cè)試裝置的組成、安裝及調(diào)試方法；了解測(cè)試系統(tǒng)的構(gòu)成；學(xué)會(huì)激振器、傳感器與測(cè)振儀器的操作方法。

1.3 探究性實(shí)驗(yàn)

傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ绞歉叨裙潭ɑ?，不利于學(xué)生創(chuàng)新能力、實(shí)踐能力的培養(yǎng)。探究性實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蛲ㄟ^學(xué)生自己動(dòng)手搭配實(shí)驗(yàn)臺(tái)結(jié)構(gòu)，選擇傳感器、虛擬儀器完成實(shí)驗(yàn)的方式，激發(fā)學(xué)生的好奇心，培養(yǎng)動(dòng)手能力。在實(shí)驗(yàn)中，將工程測(cè)試技術(shù)基礎(chǔ)課程知識(shí)融會(huì)貫通，起到綜合實(shí)踐的作用。旋轉(zhuǎn)機(jī)械是工業(yè)上應(yīng)用最廣泛的機(jī)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(dòng)平衡測(cè)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(jiǎn)單、對(duì)操作者要求低等特點(diǎn)被較多的動(dòng)平衡系統(tǒng)所采用，本文中的動(dòng)平衡測(cè)試系統(tǒng)也采用影響系數(shù)法。

圖6為雙面動(dòng)平衡實(shí)驗(yàn)裝置。動(dòng)平衡實(shí)驗(yàn)主要由多功能轉(zhuǎn)子實(shí)驗(yàn)臺(tái)、計(jì)算機(jī)、LabVIEW平臺(tái)、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(dòng)機(jī)通過皮帶帶動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，在轉(zhuǎn)子支撐點(diǎn)各安裝一個(gè)速度傳感器用以檢測(cè)轉(zhuǎn)子的振動(dòng)，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(gè)測(cè)試系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如圖7所示：所有傳感器的檢測(cè)信號(hào)經(jīng)信號(hào)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(dòng)平衡測(cè)試儀器處理并顯示。

圖6 實(shí)驗(yàn)臺(tái)的機(jī)械結(jié)構(gòu)

圖7 旋轉(zhuǎn)機(jī)械動(dòng)平衡實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)框圖

采用LabVIEW開發(fā)出的虛擬實(shí)驗(yàn)儀器，具有數(shù)據(jù)采集、分析、顯示功能。實(shí)驗(yàn)面板上顯示有實(shí)驗(yàn)操作流程，參數(shù)設(shè)置，轉(zhuǎn)子運(yùn)行時(shí)的轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速特性，以及測(cè)試結(jié)果顯示。圖8為計(jì)算不平衡量界面，測(cè)試儀器對(duì)信號(hào)處理后并進(jìn)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(jì)算不平衡量界面

此外，該儀器裝置設(shè)計(jì)方法獨(dú)特，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，功能豐富，綜合性強(qiáng)。學(xué)生通過拼搭不同的轉(zhuǎn)子、軸承座，配置不同的機(jī)械參量傳感器和不同功能的虛擬儀器，便能完成多個(gè)實(shí)驗(yàn)，如單雙面動(dòng)平衡測(cè)試、軸心軌跡、油膜渦動(dòng)、轉(zhuǎn)子不對(duì)中、轉(zhuǎn)速測(cè)量和控制等實(shí)驗(yàn)。

因?yàn)闂l件限制，學(xué)生大多關(guān)注理論知識(shí)的學(xué)習(xí)，缺乏現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。往往在牢牢掌握基礎(chǔ)知識(shí)后，不知道所學(xué)知識(shí)要應(yīng)用在什么地方。這一實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，模擬了測(cè)試技術(shù)在實(shí)際工程中的應(yīng)用，將書本知識(shí)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(jì)算機(jī)技術(shù)的飛躍發(fā)展，虛擬儀器實(shí)驗(yàn)室將成為專業(yè)實(shí)驗(yàn)室的主要模式。開發(fā)出基于LabVIEW的教學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)與機(jī)械測(cè)試技術(shù)課程緊密聯(lián)系，基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)涉及了信號(hào)時(shí)頻域分析、濾波器設(shè)計(jì)、采樣等實(shí)驗(yàn)，有助于學(xué)生理解信號(hào)處理基礎(chǔ)知識(shí)。同時(shí)，振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)和轉(zhuǎn)子實(shí)驗(yàn)臺(tái)與工程應(yīng)用相結(jié)合。在教學(xué)實(shí)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(hào)處理知識(shí)和測(cè)試系統(tǒng)的知識(shí)；并利于學(xué)生實(shí)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(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)(增刊)，2007，7：104～107

[2] 傅健，滿慶豐，王鋼.基于LabVIEW的測(cè)試技術(shù)基礎(chǔ)教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)[J].實(shí)驗(yàn)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(jì)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(jī)械信號(hào)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(huì)，2006，9：88～90

[5] 秦樹人.機(jī)械工程測(cè)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(cè)試技術(shù)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)教學(xué)[J].實(shí)驗(yàn)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(jī)械綜合實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)開發(fā)[J].實(shí)驗(yàn)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(jī)械振動(dòng)分析與測(cè)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(hào)：1104161

楊冠瓊,在讀碩士研究生。柏林,博士,副教授。基金項(xiàng)目：重慶市教改項(xiàng)目(編號(hào)：09-3-022)；重慶大學(xué)211工程項(xiàng)目(編號(hào)：S-09106)。