楊 芳 劉 義 李濟順

河南科技大學(xué) 河南洛陽 471003

機械工程測試技術(shù)是高等院校工科類教學(xué)中不可缺少的一門課程。該課程涉及機械、電子信息、自動化、儀器儀表等多個領(lǐng)域，是一門專業(yè)性較強，涉及知識面很廣，應(yīng)用價值很高的專業(yè)基礎(chǔ)課[1]。課程主要介紹了與機械工程相關(guān)的測試技術(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、測試信號調(diào)理電路、信號分析與處理、計算機測試系統(tǒng)、測試系統(tǒng)的特性、測試系統(tǒng)的干擾及抑制以及機械工程中常見的測試等內(nèi)容[2]。由于該課程理論性較強，知識點較多，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)實驗才能達到較好的教學(xué)效果。

1 教學(xué)實驗內(nèi)容的設(shè)計

教學(xué)實驗是高等學(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、實踐能力和工程應(yīng)用的重要部分[3]。在教學(xué)過程中發(fā)現(xiàn)，學(xué)生在認知過程中的一個普遍現(xiàn)象是見小不見大，不能把握測試系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)，而關(guān)注點總是放在較小的一個知識點或是問題中。為了強化學(xué)生對測試系統(tǒng)的概念，了解測試技術(shù)重要的方法，在教學(xué)實驗中設(shè)計了自頂向下的實驗思想：首先通過系統(tǒng)認知使學(xué)生建立起機械工程測試系統(tǒng)的整體概念，了解組成測試系統(tǒng)的各個部分，明白相關(guān)知識點的適用范圍，從而做到有的放矢的學(xué)習(xí)。而后制定相對應(yīng)的實驗項目，學(xué)生能夠理解各知識點的內(nèi)容，明白系統(tǒng)各部分的關(guān)聯(lián)關(guān)系。最后再通過綜合性實驗對所學(xué)知識進行串聯(lián)和鞏固[4]。

為此，在機械工程測試技術(shù)的教學(xué)實驗中制定了基礎(chǔ)性實驗和綜合性實驗。

基礎(chǔ)性實驗主要是針對信號處理方面，其內(nèi)容有：傳感器的選取、信號的基本性質(zhì)、信號的采集、A/D轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)處理。基礎(chǔ)性實驗共5部分，內(nèi)容見表1。

表1 基礎(chǔ)性實驗

綜合性實驗針對學(xué)生已學(xué)過的知識，建立起典型的測試系統(tǒng)，通過實際的測試實驗使學(xué)生了解傳感器的性能，測試電路的構(gòu)成，測試軟件的應(yīng)用以及數(shù)據(jù)的處理與分析。綜合性實驗的內(nèi)容見表2。

表2 綜合性實驗

2 實驗儀器

為了高質(zhì)量地完成教學(xué)實驗任務(wù)，課題組選擇了較為先進的儀器來搭建實驗系統(tǒng)。

(1)單點式激光測振儀：Polytec高性能的單點式激光測振儀由控制器、數(shù)字式速度解碼器、自動聚焦式光學(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/秒的速度信號測量；最大輸出信號為+/-10 V，輸出帶520 100 KHz低通濾波和100 Hz高通濾波。

(2)加速度計：B&K壓電式加速度計是振動的絕對測量的最佳傳感器，可用于較為寬泛的頻率范圍；在很寬的動態(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；能實現(xiàn)過載檢測。

(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)信號分析軟件：課題組采用自主研發(fā)的信號分析軟件，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)/倒頻譜分析等信號分析功能。軟件具有畫面設(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、計算設(shè)置等模塊，方便使用者根據(jù)需要進行快速組合。該軟件已經(jīng)在工程應(yīng)用中驗證了其可靠性。

此外，課題組還搭建了振動測試平臺和動平衡測試平臺供實驗使用，這些儀器、軟件的應(yīng)用能夠開拓學(xué)生的視野，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，更重要的是實驗系統(tǒng)能夠使學(xué)生更好地理解系統(tǒng)的概念，提高對知識的認知程度。

3 實驗案例

綜合性實驗是針對學(xué)生已經(jīng)學(xué)過的信號處理、測試技術(shù)和測試系統(tǒng)等內(nèi)容，通過實驗室使學(xué)生了解典型的機械工程測試系統(tǒng)的構(gòu)成以及各個環(huán)節(jié)所完成的工作?；诠こ虘?yīng)用的指導(dǎo)思想，該部分實驗設(shè)置了撓性接管自由振動測試和微小轉(zhuǎn)子不平衡量檢測。

3.1 撓性接管自由振動測試

自由振動測試是機械工程測試的基礎(chǔ)，該部分實驗?zāi)茏寣W(xué)生了解激勵信號的產(chǎn)生、信號的采集、自由振動以及動態(tài)性能參數(shù)的計算。實驗裝置主要由激振器、加速度信號采集裝置、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、計算機等組成(如圖1所示)。

圖1 撓性接管自由振動測試系統(tǒng)

實驗中，利用波形發(fā)生器產(chǎn)生振動譜信號，經(jīng)功率放大器，由激振器產(chǎn)生振動信號。加速度傳感器采集響應(yīng)信號，經(jīng)電荷放大器和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進入計算機，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。圖3是通過信號分析軟件采集的自由振動信號。

圖2 撓性接管測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

圖3 信號分析軟件的采集結(jié)果

通過撓性接管的自由振動測試實驗可以讓學(xué)生了解典型測試系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、組成部分。通過實驗理解測試系統(tǒng)的設(shè)備、安裝、調(diào)試；了解信號接口的類型與連接方法；了解激勵信號的產(chǎn)生方法。

3.2 微小轉(zhuǎn)子不平衡量檢測

轉(zhuǎn)子的不平衡是旋轉(zhuǎn)機械故障的主要誘因，為了提高旋轉(zhuǎn)機械的品質(zhì)就需要進行轉(zhuǎn)子的不平衡量檢測。該項實驗通過學(xué)生自己動手調(diào)試來完成對轉(zhuǎn)子的不平衡檢測，能夠激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，培養(yǎng)動手能力。圖4為微小轉(zhuǎn)子不平衡檢測實驗臺。

圖4 不平衡檢測實驗臺

微小轉(zhuǎn)子不平衡檢測系統(tǒng)的實驗裝置由不平衡量檢測實驗臺、激光測振儀、光電式開關(guān)傳感器、采集系統(tǒng)和信號分析軟件構(gòu)成。實驗中，變頻調(diào)速電機通過帶動皮帶輪帶動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，利用激光測振儀測量振動的絕對速度信號，利用光電式開關(guān)傳感器測量轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速，傳感器信號通過數(shù)據(jù)采集裝置獲取。系統(tǒng)原理如圖5所示。圖6為不平衡量的計算界面。

圖5 不平衡檢測系統(tǒng)框圖

圖6 不平衡量計算界面

通過該項實驗，學(xué)生能夠了解轉(zhuǎn)子不平衡檢測的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，激光測振儀和光電式開關(guān)傳感器的應(yīng)用方法，多路信號采集的觸發(fā)方法，不平衡量的計算。

4 結(jié)束語

機械工程測試的教學(xué)實驗選擇了當(dāng)前較為新式的測試儀器，讓學(xué)生了解不同測試儀器的特點和應(yīng)用方法。同時，以工程導(dǎo)向的實驗內(nèi)容，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高了動手能力。通過教學(xué)實驗，更加有利于學(xué)生鞏固所學(xué)知識，培養(yǎng)創(chuàng)新能力。

[1]劉春陽,郭愛芳.測試技術(shù)教材建設(shè)與教學(xué)模式探討[J].中國現(xiàn)代教育裝備,2012(17):54-56.

[2]韓建海,馬偉.機械工程測試技術(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).機械工程測試技術(shù)教學(xué)模式改革的探索[J].世界華商經(jīng)濟年鑒,2008(17).

[4]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,2007(7):104-107.