王慧

德州學(xué)院機電工程系,山東 德州 253023

引言

《機械測試》課程是機械類專業(yè)的一門技術(shù)基礎(chǔ)課，研究對象是機械工程領(lǐng)域相關(guān)物理量及工程量的測量和測量裝置與系統(tǒng)的性能，包括物理量和其他工程量的測量方法、測試中常用的傳感器、信號調(diào)理電路的工作原理、測試信號的分析和處理等。其中，信號處理知識理論性強、公式復(fù)雜；傳感器的應(yīng)用和測試過程抽象，學(xué)生只有通過足夠的實驗才能達(dá)到最佳的學(xué)習(xí)效果。

現(xiàn)在，大多數(shù)高校在機械工程測試實驗教學(xué)中，設(shè)備陳舊、數(shù)量少、內(nèi)容單一、以實驗臺的插線實驗為主。在實驗過程中，所有的實驗過程、操作步驟都是事先規(guī)定好的，學(xué)生僅僅是做無需思考的重復(fù)勞動，很難培養(yǎng)學(xué)生的工程測試能力。

隨著計算機技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷發(fā)展，采用虛擬儀器設(shè)備代替?zhèn)鹘y(tǒng)物理儀器，緩解了經(jīng)費不足導(dǎo)致實驗資源缺乏等現(xiàn)象，有利于實驗的開放性、靈活性、內(nèi)容的多樣化。課題以應(yīng)用最廣、功能最強的圖形化軟件集成開發(fā)環(huán)境—LabVIEW為平臺，設(shè)計集虛擬仿真和機械量測試為一體的綜合實驗系統(tǒng)，解決了傳統(tǒng)儀器、傳統(tǒng)實驗的弊端。

1 軟件開發(fā)環(huán)境LabVIEW

LabVIEW（Laboratory Virtual instrument Engineering Workbench)是一種圖形化的編程語言的開發(fā)環(huán)境，它廣泛地被工業(yè)界、學(xué)術(shù)界和研究實驗室所接受，視為一個標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)采集和儀器控制軟件。LabVIEW集成了與滿足GPIB、VXI、RS-232和RS-485協(xié)議的硬件及數(shù)據(jù)采集卡通訊的全部功能。它還內(nèi)置了便于應(yīng)用TCP/IP、ActiveX等軟件標(biāo)準(zhǔn)的庫函數(shù)。這是一個功能強大且靈活的軟件。利用它可以方便地建立自己的虛擬儀器，其圖形化的界面使得編程及使用過程都生動有趣。

圖形化的程序語言，又稱為“G”語言。使用這種語言編程時，基本上不寫程序代碼，取而代之的是流程圖或框圖。它盡可能利用了技術(shù)人員、科學(xué)家、工程師所熟悉的術(shù)語、圖標(biāo)和概念，因此，LabVIEW是一個面向最終用戶的工具。它可以增強你構(gòu)建自己的科學(xué)和工程系統(tǒng)的能力，提供了實現(xiàn)儀器編程和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的便捷途徑。使用它進(jìn)行原理研究、設(shè)計、測試并實現(xiàn)儀器系統(tǒng)時，可以大大提高工作效率。

2 模擬仿真實驗設(shè)計

《機械測試》課程中的信號描述和處理部分，計算量大，非常抽象，學(xué)生不容易掌握和理解，利用LabVIEW這個高效的虛擬儀器開發(fā)平臺完成原理性、驗證性、演示性實驗。根據(jù)教學(xué)內(nèi)容以及學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中遇到的難點，開發(fā)各種具有針對性的虛擬實驗，這樣不僅節(jié)省了實驗成本，而且更有利于學(xué)生對課本原理性知識的理解與掌握。學(xué)生在掌握LabVIEW圖形化編程的基礎(chǔ)上，還可以自己開發(fā)實驗，從而擺脫現(xiàn)有儀器功能單一、內(nèi)容固定的束縛，充分發(fā)揮自己的積極性與創(chuàng)造性。

利用LabVIEW平臺設(shè)計了信號時域分析、頻域分析，濾波、調(diào)制、信號的采樣、加窗、相關(guān)分析等模塊，下面簡單介紹模塊中的幾個典型實驗，來說明模擬仿真實驗在《機械測試》課程教學(xué)中的具體應(yīng)用。

2.1 信號頻域分析模塊

將兩個固定頻率的正弦信號相加，求其FFT變換，顯示其頻譜成分，如圖1。頻域分析模塊還包含F(xiàn)FT的主要性質(zhì)，包括：奇偶性、線性疊加、時移特性、頻移特性等。

圖1 時域顯示和相應(yīng)的頻域顯示

2.2 濾波模塊

設(shè)計了多種濾波器，包括低通濾波器、高通濾波器、中值濾波器、IIR濾波器、FIR窗濾波器等。以低通濾波為例，將信號加上噪聲，顯示其頻譜，濾去高頻成分，再顯示時域和頻譜，如圖2。

圖2 低通濾波器

2.3 調(diào)制模塊

主要設(shè)計了幅值調(diào)制和頻率調(diào)制。以調(diào)幅為例，調(diào)制信號和載波的頻率可調(diào)，提高調(diào)制系數(shù)可提高信噪比，調(diào)制系數(shù)一般小于1，太大將造成調(diào)制信號的失真，如圖3。

圖3 幅值調(diào)制

2.4 簡單的信號處理

設(shè)計了自相關(guān)、時域卷積、互相關(guān)、反卷積等處理功能。以互相關(guān)為例，將疊加了白噪聲的兩個正弦信號求互相關(guān)，結(jié)果顯示時域，如圖4所示。

圖4 互相關(guān)

2.5 加窗

設(shè)計了瞬時信號和窗函數(shù)、窗比較、窗噪聲基底、窗重疊等功能。圖5為信號加窗的頻域分析。

圖5 信號加窗的頻域分析

還有采樣模塊、時域分析模塊等，限于篇幅，不再贅述。

3 實時測量實驗

測量機械工程領(lǐng)域常見的工程量，如位移、轉(zhuǎn)速等信號，讓學(xué)生初步掌握動態(tài)測量所需的基本技能，為學(xué)生進(jìn)一步學(xué)習(xí)、研究和處理機械工程技術(shù)問題奠定基礎(chǔ)。

3.1 位移測量

本實驗?zāi)康氖沁M(jìn)行位移測試，并且求出測試系統(tǒng)的線性度、滯后度等靜態(tài)特征。

3.1.1 硬件部分

采用差動變壓器測量位移。實驗儀器包括：±2V～±10V（步進(jìn)可調(diào)）直流穩(wěn)壓電源、±15V直流穩(wěn)壓電源、音頻振蕩器、差動變壓器、移相器、相敏檢波器、低通濾波器、測微頭。原理框圖如圖6所示。

圖6 差動變壓器測位移原理框圖

3.1.2 軟件部分

LabVIEW對位移信號的處理包括：信號的讀取、信號的處理信號的記錄等幾部分。如圖7所示。

圖7 位移測試與系統(tǒng)靜態(tài)特性實驗

3.2 軸向位移和轉(zhuǎn)速測量

其中軸向位移的測量和上述位移測量環(huán)節(jié)相似，不再贅述，下面主要討論轉(zhuǎn)速的測量。

3.2.1 硬件部分

光電式轉(zhuǎn)速傳感器有反射型和透射型二種，本實驗裝置是透射型的(光電斷續(xù)器也稱光耦)，傳感器端部二內(nèi)側(cè)分別裝有發(fā)光管和光電管，發(fā)光管發(fā)出的光源透過轉(zhuǎn)盤上通孔后由光電管接收轉(zhuǎn)換成電信號，實驗原理框圖如圖8所示。

圖8 轉(zhuǎn)速測量的原理框圖

需要的器件：轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)0～24V直流穩(wěn)壓電源、+5V直流穩(wěn)壓電源、電壓表、轉(zhuǎn)動源、光電轉(zhuǎn)速傳感器

3.2.2 軟件部分

轉(zhuǎn)速前面板由輸入信號顯示、轉(zhuǎn)速表、軸向位移顯示、程序控制部分等組成。其中，輸入信號顯示部分可以直觀的觀察由光電傳感器檢測到的脈沖序列，轉(zhuǎn)速也可以在轉(zhuǎn)速表上讀到，程序控制部分主要用于停止采集。見圖9所示。

圖9 軸向位移和轉(zhuǎn)速測量實驗

4 結(jié)語

開發(fā)了多個用于機械測試課程實驗的模擬仿真實驗和實時測量實驗，不僅節(jié)省了實驗成本，而且可以隨時加入新的實驗與研究成果，使機械測試課程實驗內(nèi)容和功能不斷發(fā)展和完善，從而始終保持先進(jìn)的水平[5]。學(xué)生在熟悉LabVIEW開發(fā)平臺后，可以發(fā)揮自己的創(chuàng)造力，開發(fā)出更好、更先進(jìn)的實驗，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。仍然有需要改進(jìn)的地方，應(yīng)該進(jìn)一步充實增加實驗內(nèi)容。

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