机械工程测试技术总结(机械工程测试技术教学实验系统的开发)

机械工程测试技术课程所涉及的知识是抽象的、理论的和工程的。只有通过直观的实验操作来帮助学生理解，才能达到最佳的学习效果。根据对，的特点，利用虚拟仪器技术，开发了基于LabVIEW的虚拟仿真与机械测试一体化综合实验系统。改变了传统的实验教学模式，将实验内容分为基础实验、综合实验和探究实验三部分。基础实验与书本紧密相连，有助于学生理解和消化基础理论知识。综合实验和探究实验与工程应用相结合，帮助学生增强对对考试系统的理解、理解和应用能力；这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；模拟

机械工程测试技术基础是机械专业学生的必修专业基础课。本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、温度和噪声的测量原理、测试方法和信号分析方法。与其他专业课程相比，本课程不仅理论性强，而且公式推导复杂。此外，思维从时域转向频域，具体的应用过程是抽象的。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。目前，由于实验条件的限制，大多数高校注重教材内容的教学，实践环节较少，主要侧重于验证性实验，不利于培养学生的独立思考和实践能力。

鉴于对，传统教育的弊端，用虚拟仪器代替传统的物理仪器不仅可以缓解实验经费不足的问题，而且有利于实验内容的开放性、灵活性和多样化。LabVIEW是美国NI公司基于G语言的虚拟仪器开发工具，它有自己庞大的函数库，包括数据采集、信号处理、输入输出控制等。它具有成本低、通用性好、功能强大、易于升级和扩展等特点。同时，LabVIEW易于与网络、外围设备和其他配套设备连接。为此，作者基于LabVIEW及其内置的仿真、数据采集和信号处理功能，开发了一套集虚拟仿真和机械量测试于一体的综合实验系统。增加了综合实验和设计性实验的比重，突出了工程实践在实验教学中的核心地位，实现了课程理论、实验环节和工程实践的无缝结合。

1总体设计

机械工程测试技术的基本教学内容涉及传感器测量原理和信号处理方法的知识。根据教材内容，结合学生特点和培养要求，精心设计对实验内容，体现不同层次。本实验系统分为三个部分：基础实验、综合实验和探究实验(见如图1)。

1.1基础实验

基础实验是为对，信号处理课程量身定制的实验套件，内容丰富，包含了教材中信号分析的所有知识。包括信号发生器、自相关和其他从基础到高级信号处理知识点的演示程序。实验内容按照功能分为七个模块：基本信号特性、时域分析、频域分析、滤波、调制、采样和加窗。每个模块中包含的相关实验见表1:

通过实验，我们可以直观地看到信号处理前后的变化，扭转了教师在黑板上盲目讲解的被动性，有助于学生理解和记忆数字信号处理的对概念。此外，LabVIEW应用程序被配置为服务器。通过虚拟仪器服务器，用户可以通过指定远程计算机的地址或名称，通过网络动态加载和运行虚拟仪器。在这方面

以采样模块为例。是最采样中常用的信号处理技术是将时间和幅度连续的模拟信号转换成时间离散但幅度连续的离散信号。采样模块包括混叠、栅栏效应、频谱泄漏、位数和分辨率等实验。实验内容包括采样的几个基本步骤：离散化、幅度量化、截断，以及离散化和截断过程中容易产生的误差，如混叠、泄漏和栅栏效应。

为了确保采样信号能够真正保留原始模拟信号的信息，采样信号的频率必须至少是原始信号中最高频率分量的两倍，否则会出现混叠。图2是用于验证混叠现象的实验面板。如图所示，频率为f=10Hz的正弦信号x(t)=sint由采样频率为fs=16Hz的对离散采样，并计算频谱。那么奈奎斯特频率，即分析频率范围是8Hz，它小于10Hz的信号频率，并且不满足采样定理。信号频率超出奈奎斯特频率2Hz，并折叠为6Hz。分析结果表明，信号频率为6Hz谱线，信号频率10Hz被误认为6Hz，导致频率识别中的错误差，即频率混叠现象。如如图2所示，曲线是原始信号，虚线是采样点的连线，因此可以直观地看到采样信号失真。

1.2综合实验

综合实验以对学生所学的测试原理为基础，通过综合实验，学生可以初步了解典型测试系统的组成和功能。了解典型传感器的性能和特性以及典型测量电路的基本组成和特性。

振动测试是机械测试中最基本、应用最广泛的技术。选择我实验室自主研发的ZK-5VIC虚拟振动与控制实验装置(见如图3)进行实验。实验装置主要由四部分组成：振动系统模型、激励系统、振动测量系统和减振系统。振动系统模型有五种：单自由度系统模型、多自由度系统模型、悬臂梁模型、简支梁模型和薄壁圆板模型。励磁系统包括电动激振器、非接触式激振器、偏心电机、调压器和励磁信号源。通过更换相应的振动模型和激励系统，可以完成20多个实验。以各阶简支梁的固有频率测量实验为例，进行了详细说明。

整个测试系统的结构图见如图4。取下偏心电机，得到简支梁模型。选择电动激振器。激振器内部信号源可产生频率为10赫兹~ 1千赫兹、振幅5V的正弦信号作为输入信号。激振器与激励信号源的输出端相连，通过调节信号源的输出频率和功率可以改变激振力的频率和振幅。压电加速度传感器与ZK-5VIC振动计的输入端相连。ZK-5VIC振动计数字显示测点的振动位移x、速度v和加速度a，其输出端与动态信号分析仪相连。图5是动态信号分析仪的操作面板，主要完成单通道和双通道振动信号的时域和频域分析。通过振动试验，我们可以充分了解实际工程中典型试验装置的组成、安装和调试方法；了解测试系统的组成；了解如何操作激振器、传感器和振动测试仪。

1.3探究实验

传统的实验模式高度固定，不利于学生创新能力和实践能力的培养。探究性实验通过匹配实验平台的结构，选择传感器和虚拟仪器完成实验，可以激发学生的好奇心，培养动手能力。在实验中，知识的

转子不平衡是由转子质量偏心或缺陷引起的故障。转子平衡的方法有很多，其中影响系数法因其简单和对对算子要求不高而被许多动平衡系统采用。本文的动平衡测试系统也采用了影响系数法。

图6是双面动平衡实验装置。动平衡实验主要由多功能转子试验台、计算机、LabVIEW平台、速度传感器、速度相位传感器、数据采集器、称重模块等组成。电机通过皮带驱动转子旋转，在转子的每个支撑点安装速度传感器，检测转子的振动。激光速度相位传感器用于获取相位参考和速度信息。整个测试系统的结构图见如图7:所有传感器的检测信号都经过信号调理电路调理后输入数据采集卡。最后，利用LabVIEW开发了虚拟动平衡测试仪进行处理和显示。

利用LabVIEW开发的虚拟实验仪具有数据采集、分析和显示功能。实验面板显示了实验操作流程、参数设置、操作期间转子的扭矩和速度特性以及测试结果。图8是计算不平衡的界面。在测试仪器的对信号被处理和求解之后，获得校正表面1和校正表面2所需的校正的幅度和相位。

另外，该仪器设计方法独特，结构简单，功能丰富，综合性强。通过装配不同的转子和轴承座，配置不同的机械参数传感器和不同功能的虚拟仪器，学生可以完成多项实验，如单面和双面动平衡测试、轴心轨迹、油膜涡动、转子不对中、速度测控等。

由于条件有限，大多数学生注重理论知识的学习，而缺乏现场实践经验。通常，在牢牢掌握了基础知识后，我不知道将所学应用到哪里。该实验系统模拟了测试技术在实际工程中的应用，将书本知识与工程知识相结合，以满足培养应用型人才的迫切需要。

2结束语

随着计算机技术的飞速发展，虚拟仪器实验室将成为专业实验室的主要模式。基于LabVIEW的教学实验系统与机械测试技术课程密切相关。基础实验涉及信号时频域分析、滤波器设计、采样等实验，有助于学生理解信号处理的基础知识。同时，将振动试验台和转子试验台与工程应用相结合。在教学实践中，该系统可以起到很好的辅助教学作用。更有利于学生掌握传感器、信号处理和测试系统的知识；并帮助学生实践创新能力的培养。