机械工程测试技术教学实验系统的开发

　摘要：机械工程测试技术课程涉及的知识抽象且理论性、工程性强，只有通过直观的实验操作帮助学生理解，才能达到最佳的学习效果。针对这一特点，采用虚拟仪器技术开发出基于LabVIEW平台的集虚拟仿真与机械测试为一体的综合实验系统。改变了传统的实验教学模式，采用循序渐进的方式，将实验内容划分为基础性实验、综合性实验、探究性实验3个部分。基础实验部分紧贴书本，帮助广大学生理解和消化基础理论知识。综合性实验及探究性实验则与工程应用相结合，帮助学生加强对测试系统的认识、理解及应用能力；同时也有利于创新能力的培养。
　　关键词：机械测试；实验系统；虚拟仪器；仿真
　　
　　机械工程测试技术基础是机械专业学生必修的一门专业基础课。课程主要介绍机械工程、工业自动化等工程领域中常见物理量如压力、应变、温度、噪声等传感器测量原理、测试方法和信号分析方法。与其他专业课相比，这门课程不仅理论性强、公式推导复杂；而且思维从时域向着频域转变，具体应用过程抽象。只有通过大量直观的实验操作，才能更好地掌握书本知识，培养工程实践能力。而目前大多数高校因实验条件限制，侧重于课本内容的讲授，实践性环节偏少，主要以验证性实验为主，不利于培养学生独立思考和动手能力。
　　针对传统教育存在的弊端，采用虚拟仪器代替传统物理仪器，不仅可以缓解实验经费不足的问题，还有利于实验的开放性、灵活性和内容的多样化。LabVIEW是美国NI公司基于G语言的虚拟仪器开发工具。其自带庞大的函数库，包括数据采集、信号处理、输入/输出控制等，具有成本低、通用性好、功能强大、易于升级与扩展等特点。同时，LabVIEW很容易同网络、外设及其他匹配设备相连接。为此，笔者以LabVIEW为平台，利用其内置的仿真、数据采集、信号处理功能，开发出集虚拟仿真与机械量测试为一体的综合实验系统。增加了综合性、设计性实验的比重，突出工程实践在实验教学中的核心地位，实现课程理论、实验环节和工程实践之间的无缝结合。
　　
　　1整体设计
　　
　　机械工程测试技术基础教学内容涉及传感器测量原理、信号处理方法等知识。根据书本内容，并结合学生特点及培养要求，对实验的内容精心设计，体现出不同的层次。本实验系统分为基础性实验、综合性实验、探究性实验3部分(如图1所示)。
　　
　　1.1 基础性实验
　　基础性实验是针对信号处理课程量身定做的实验套件，内容丰富，囊括了教材中所有信号分析的知识。其中包括信号发生器、自相关等从基础到高级的信号处理知识点的演示程序。实验内容按照功能划分为7个模块：信号基本性质、时域分析、频域分析、滤波、调制、采样、加窗。各个模块所包含的相关实验见表1：
　　通过实验，可以直观地看到信号在处理前后的变化，扭转了教师一味地在黑板上讲解的被动性，有助于学生对数字信号处理概念的理解和记忆。此外，将LabVIEW应用程序配置成一个服务器。通过VI服务器，用户只需指定远程计算机的地址或名字便可以通过网络动态加载和运行VI。这样，学生可以通过网络操作实验面板，亲身参与实验，方便预习或课后复习。
　　应用举例：
　　以采样模块为例。采样是最常用的信号处理技术，过程是将时间上、幅值上都连续的模拟信号，转换成时间上离散但幅值仍连续的离散信号。采样模块包括：混叠、栅栏效应、频谱泄露、位数和分辨率等实验。实验内容包括了采样的几个基本步骤：离散、幅值量化、截断，以及在离散、截断等过程中易产生的误差，如混叠、泄露、栅栏效应。
　　为了保证采样后的信号能真实地保留原始模拟信号的信息，采样信号的频率必须至少为原信号中最高频率成份的2倍，否则会出现混叠现象。图2为验证混叠现象的实验面板。图中所示，频率f=10Hz的正弦信号x(t)=sinωt，用fs=16Hz的采样频率对其进行离散采样，并计算频谱。那么乃奎斯频率即分析频率范围是8Hz，小于信号的频率10Hz，不满足采样定理。信号频率超出乃奎斯频率2Hz，被折叠到6Hz处，分析结果显示为6Hz的谱线，把信号频率10Hz误认为6Hz，造成频率识别错误，这就是频率混叠现象。如图2所示，曲线为原始信号，折线为采样点的连线，可以直观地看出采样所得信号失真。
　　
　　1.2 综合性实验
　　综合性实验是针对学生已学过的测试学原理，通过实验让学生初步了解典型测试系统的构成及各环节的功能。了解典型传感器的性能、特点以及其典型测量电路基本构成与特点。
　　振动测试是机械测试中最基础、应用最广的技术，实验时选用本实验室自主研发的ZK-5VIC型虚拟测试振动与控制实验装置(如图3所示)。实验装置主要由4大部分组成：振动系统模型、激振系统、振动测量系统、减振系统。振动系统模型分为5种：单自由度系统模型、多自由度系统模型、悬臂梁模型、简支梁模型、薄壁圆板模型。激振系统包括电动式激振器、非接触式激振器、偏心电机、调压器和激振信号源。更换相应的振动模型和激励系统，便能完成20多个实验。以简支梁各阶的固有频率测量实验为例详细说明。
　　
　　整个测试系统的结构图如图4所示。将偏心电机取下，得到简支梁模型。选用电动式激振器，激振器内部信号源可产生频率10Hz～1kHz，幅度≤5V的正弦信号，作为输入信号。激振器与激振信号源的输出端相连，通过调整信号源的输出频率和功率来改变激振力的频率与幅值大小。压电式加速度传感器与ZK-5VIC型测振仪的输入端相连。ZK-5VIC型测振仪用数字显示测点的振动位移X、速度V、加速度A，其输出端接动态信号分析仪。图5为动态信号分析仪的操作面板，主要用于完成单、双通道振动信号的时域、频域分析。