机械工程测试技术教学实验系统的开发

1、机械工程测试技术教学实验系统的开发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，才能到达最正确的学习效果。针对这一特点，采用虚拟仪器技术开发出基于LabVIE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形式，采用循序渐进的方式，将实验内容划分为根底性实验、综合性实验、探究性实验3个局部。根底实验局部紧贴书本，帮助广阔学生理解和消化根底理论知识。综合性实验及探究性实验那么与工程应用相结合，帮助学生加强对测试系统的认识、理解及应用才能；同时也有利于创新才能的培养。关键词：机械测试；实验系统；

2、虚拟仪器；仿真论文联盟.Ll.机械工程测试技术根底是机械专业学生必修的一门专业根底课。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，详细应用过程抽象。只有通过大量直观的实验操作，才能更好地掌握书本知识，培养工程理论才能。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，理论性环节偏少，主要以验证性实验为主，不利于培养学生独立考虑和动手才能。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缺乏的问题，还有利于实验

3、的开放性、灵敏性和内容的多样化。LabVIE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，具有本钱低、通用性好、功能强大、易于晋级与扩展等特点。同时，LabVIE很容易同网络、外设及其他匹配设备相连接。为此，笔者以LabVIE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，突出工程理论在实验教学中的核心地位，实现课程理论、实验环节和工程理论之间的无缝结合。1整体设计机械工程测试技术根底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

4、学生特点及培养要求，对实验的内容精心设计，表达出不同的层次。本实验系统分为根底性实验、综合性实验、探究性实验3局部(如图1所示)。1.1根底性实验根底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、自相关等从根底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：信号根本性质、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，改变了老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LabVIE应用程序配置成一个效劳器。通

5、过VI效劳器，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根本步骤：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存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，否那么会出现混叠现象。图2为验证

6、混叠现象的实验面板。图中所示，频率f=10Hz的正弦信号x(t)=sint，用fs=16Hz的采样频率对其进展离散采样，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理解典型测试系统的构成及各环节的功能。理解典型传感器的性能、特点以及其典型测量电路根本构成

7、与特点。振动测试是机械测试中最基储应用最广的技术，实验时选用本实验室自主研发的ZK-5VI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大局部组成：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鼓励系统，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。整个测试系统的构造图如图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10Hz1kHz，

8、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校压电式加速度传感器与ZK-5VI型测振仪的输入端相连。ZK-5VI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。通过振动测试实验可以充分理解实际工程中典型测试装置的组成、安装及调试方法；理解测试系统的构成；学会激振器、传感器与测振仪器的操作方法。1.3探究性实验传统实验形式是高度固定化的，不利于学生创新才能、理论才能的培养。探究性实验可以通过学生自己动手搭配实

9、验台构造，选择传感器、虚拟仪器完成实验的方式，激发学生的好奇心，培养动手才能。在实验中，将工程测试技术根底课程知识融会贯穿，起到综合理论的作用。旋转机械是工业上应用最广泛的机械设备，其核心部件转子常常由论文联盟.Ll.于各种形式的故障而影响正常工作。不平衡是常见的故障形式，下面以动平衡测试为例。转子不平衡是由于转子质量偏心或出现缺损造成的故障。转子平衡的方法很多，其中影响系数法以简单、对操作者要求低等特点被较多的动平衡系统所采用，本文中的动平衡测试系统也采用影响系数法。图6为双面动平衡实验装置。动平衡实验主要由多功能转子实验台、计算机、LabVIE平台、速度传感器、转速相位传感器、数据采集仪、

10、加重块等组成。电动机通过皮带带动转子旋转，在转子支撑点各安装一个速度传感器用以检测转子的振动，激光转速相位传感器用来获取相位基准以及转速信息。整个测试系统的构造图如图7所示：所有传感器的检测信号经信号调理电路调理后输入数据采集卡，最后LabVIE开发出虚拟式动平衡测试仪器处理并显示。采用LabVIE开发出的虚拟实验仪器，具有数据采集、分析、显示功能。实验面板上显示有实验操作流程，参数设置，转子运行时的转矩、转速特性，以及测试结果显示。图8为计算不平衡量界面，测试仪器对信号处理后并进展解算，得到校正面1和校正面2所需校正量的大小和相位。此外，该仪器装置设计方法独特，构造简单，功能丰富，综合性强。

11、学生通过拼搭不同的转子、轴承座，配置不同的机械参量传感器和不同功能的虚拟仪器，便能完成多个实验，如单双面动平衡测试、轴心轨迹、油膜涡动、转子不对中、转速测量和控制等实验。因为条件限制，学生大多关注理论知识的学习，缺乏现场理论经历。往往在牢牢掌握根底知识后，不知道所学知识要应用在什么地方。这一实验系统，模拟了测试技术在实际工程中的应用，将书本知识与工程相结合，适应培养应用型人才的迫切需求。完毕语随着计算机技术的飞跃开展，虚拟仪器实验室将成为专业实验室的主要形式。开发出基于LabVIE的教学实验系统与机械测试技术课程严密联络，根底实验涉及了信号时频域分析、滤波器设计、采样等实验，有助于学生理解信号处理根底知识。同时，振动试验台和转子实验台与工程应用相结合。在教学理论中，该系统能起到良好的辅助教学作用。更有利于学生掌握传感器、信号处理知识和测试系统的知识；并利于学生理论创新才能的培养。参考文献1邹大鹏，吴百海，龙建军.基于虚拟仪器技术实现测试技术教学改革的研究J.广东工业大学学报(增刊)，2022，7：1041072傅健，满庆丰，王钢.基于LabVIE的测试技术根底教学实验平台J.实验室研究与探究，2022，29(9)：1191213杨乐平，李海涛，杨磊.LabVIE程序设计与应用.北京：电子工业出版社，2022