摘要：機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)課程涉及的知識(shí)抽象且理論性、工程性強(qiáng)，只有通過(guò)直觀的實(shí)驗(yàn)操作幫助學(xué)生理解，才能達(dá)到最佳的學(xué)習(xí)效果。針對(duì)這一特點(diǎn)，采用虛擬儀器技術(shù)開(kāi)發(fā)出基于LabVIEW平臺(tái)的集虛擬仿真與機(jī)械測(cè)試為一體的綜合實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。改變了傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，采用循序漸進(jìn)的方式，將實(shí)驗(yàn)內(nèi)容劃分為基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)、綜合性實(shí)驗(yàn)、探究性實(shí)驗(yàn)3個(gè)部分�；�礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)部分緊貼書(shū)本，幫助廣大學(xué)生理解和消化基礎(chǔ)理論知識(shí)。綜合性實(shí)驗(yàn)及探究性實(shí)驗(yàn)則與工程應(yīng)用相結(jié)合，幫助學(xué)生加強(qiáng)對(duì)測(cè)試系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)、理解及應(yīng)用能力；同時(shí)也有利于創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。
　　關(guān)鍵詞：機(jī)械測(cè)試；實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)；虛擬儀器；仿真
　　
　　機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)基礎(chǔ)是機(jī)械專業(yè)學(xué)生必修的一門(mén)專業(yè)基礎(chǔ)課。課程主要介紹機(jī)械工程、工業(yè)自動(dòng)化等工程領(lǐng)域中常見(jiàn)物理量如壓力、應(yīng)變、溫度、噪聲等傳感器測(cè)量原理、測(cè)試方法和信號(hào)分析方法。與其他專業(yè)課相比，這門(mén)課程不僅理論性強(qiáng)、公式推導(dǎo)復(fù)雜；而且思維從時(shí)域向著頻域轉(zhuǎn)變，具體應(yīng)用過(guò)程抽象。只有通過(guò)大量直觀的實(shí)驗(yàn)操作，才能更好地掌握書(shū)本知識(shí)，培養(yǎng)工程實(shí)踐能力。而目前大多數(shù)高校因?qū)嶒?yàn)條件限制，側(cè)重于課本內(nèi)容的講授，實(shí)踐性環(huán)節(jié)偏少，主要以驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)為主，不利于培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立思考和動(dòng)手能力。
　　針對(duì)傳統(tǒng)教育存在的弊端，采用虛擬儀器代替?zhèn)鹘y(tǒng)物理儀器，不僅可以緩解實(shí)驗(yàn)經(jīng)費(fèi)不足的問(wèn)題，還有利于實(shí)驗(yàn)的開(kāi)放性、靈活性和內(nèi)容的多樣化。LabVIEW是美國(guó)NI公司基于G語(yǔ)言的虛擬儀器開(kāi)發(fā)工具。其自帶龐大的函數(shù)庫(kù)，包括數(shù)據(jù)采集、信號(hào)處理、輸入/輸出控制等，具有成本低、通用性好、功能強(qiáng)大、易于升級(jí)與擴(kuò)展等特點(diǎn)。同時(shí)，LabVIEW很容易同網(wǎng)絡(luò)、外設(shè)及其他匹配設(shè)備相連接。為此，筆者以LabVIEW為平臺(tái)，利用其內(nèi)置的仿真、數(shù)據(jù)采集、信號(hào)處理功能，開(kāi)發(fā)出集虛擬仿真與機(jī)械量測(cè)試為一體的綜合實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。增加了綜合性、設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)的比重，突出工程實(shí)踐在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的核心地位，實(shí)現(xiàn)課程理論、實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)和工程實(shí)踐之間的無(wú)縫結(jié)合。
　　
　　1整體設(shè)計(jì)
　　
　　機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)基礎(chǔ)教學(xué)內(nèi)容涉及傳感器測(cè)量原理、信號(hào)處理方法等知識(shí)。根據(jù)書(shū)本內(nèi)容，并結(jié)合學(xué)生特點(diǎn)及培養(yǎng)要求，對(duì)實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容精心設(shè)計(jì)，體現(xiàn)出不同的層次。本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)分為基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)、綜合性實(shí)驗(yàn)、探究性實(shí)驗(yàn)3部分(如圖1所示)。
　　
　　1.1 基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)
　　基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)是針對(duì)信號(hào)處理課程量身定做的實(shí)驗(yàn)套件，內(nèi)容豐富，囊括了教材中所有信號(hào)分析的知識(shí)。其中包括信號(hào)發(fā)生器、自相關(guān)等從基礎(chǔ)到高級(jí)的信號(hào)處理知識(shí)點(diǎn)的演示程序。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容按照功能劃分為7個(gè)模塊：信號(hào)基本性質(zhì)、時(shí)域分析、頻域分析、濾波、調(diào)制、采樣、加窗。各個(gè)模塊所包含的相關(guān)實(shí)驗(yàn)見(jiàn)表1：
　　通過(guò)實(shí)驗(yàn)，可以直觀地看到信號(hào)在處理前后的變化，扭轉(zhuǎn)了教師一味地在黑板上講解的被動(dòng)性，有助于學(xué)生對(duì)數(shù)字信號(hào)處理概念的理解和記憶。此外，將LabVIEW應(yīng)用程序配置成一個(gè)服務(wù)器。通過(guò)VI服務(wù)器，用戶只需指定遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)的地址或名字便可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)加載和運(yùn)行VI。這樣，學(xué)生可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)操作實(shí)驗(yàn)面板，親身參與實(shí)驗(yàn)，方便預(yù)習(xí)或課后復(fù)習(xí)。
　　應(yīng)用舉例：
　　以采樣模塊為例。采樣是最常用的信號(hào)處理技術(shù)，過(guò)程是將時(shí)間上、幅值上都連續(xù)的模擬信號(hào)，轉(zhuǎn)換成時(shí)間上離散但幅值仍連續(xù)的離散信號(hào)。采樣模塊包括：混疊、柵欄效應(yīng)、頻譜泄露、位數(shù)和分辨率等實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容包括了采樣的幾個(gè)基本步驟：離散、幅值量化、截?cái)�，以及在離散、截?cái)嗟冗^(guò)程中易產(chǎn)生的誤差，如混疊、泄露、柵欄效應(yīng)。
　　為了保證采樣后的信號(hào)能真實(shí)地保留原始模擬信號(hào)的信息，采樣信號(hào)的頻率必須至少為原信號(hào)中最高頻率成份的2倍，否則會(huì)出現(xiàn)混疊現(xiàn)象。圖2為驗(yàn)證混疊現(xiàn)象的實(shí)驗(yàn)面板。圖中所示，頻率f=10Hz的正弦信號(hào)x(t)=sinωt，用fs=16Hz的采樣頻率對(duì)其進(jìn)行離散采樣，并計(jì)算頻譜。那么乃奎斯頻率即分析頻率范圍是8Hz，小于信號(hào)的頻率10Hz，不滿足采樣定理。信號(hào)頻率超出乃奎斯頻率2Hz，被折疊到6Hz處，分析結(jié)果顯示為6Hz的譜線，把信號(hào)頻率10Hz誤認(rèn)為6Hz，造成頻率識(shí)別錯(cuò)誤，這就是頻率混疊現(xiàn)象。如圖2所示，曲線為原始信號(hào)，折線為采樣點(diǎn)的連線，可以直觀地看出采樣所得信號(hào)失真。
　　
　　1.2 綜合性實(shí)驗(yàn)
　　綜合性實(shí)驗(yàn)是針對(duì)學(xué)生已學(xué)過(guò)的測(cè)試學(xué)原理，通過(guò)實(shí)驗(yàn)讓學(xué)生初步了解典型測(cè)試系統(tǒng)的構(gòu)成及各環(huán)節(jié)的功能。了解典型傳感器的性能、特點(diǎn)以及其典型測(cè)量電路基本構(gòu)成與特點(diǎn)。
　　振動(dòng)測(cè)試是機(jī)械測(cè)試中最基礎(chǔ)、應(yīng)用最廣的技術(shù)，實(shí)驗(yàn)時(shí)選用本實(shí)驗(yàn)室自主研發(fā)的ZK-5VIC型虛擬測(cè)試振動(dòng)與控制實(shí)驗(yàn)裝置(如圖3所示)。實(shí)驗(yàn)裝置主要由4大部分組成：振動(dòng)系統(tǒng)模型、激振系統(tǒng)、振動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)、減振系統(tǒng)。振動(dòng)系統(tǒng)模型分為5種：?jiǎn)巫杂啥认到y(tǒng)模型、多自由度系統(tǒng)模型、懸臂梁模型、簡(jiǎn)支梁模型、薄壁圓板模型。激振系統(tǒng)包括電動(dòng)式激振器、非接觸式激振器、偏心電機(jī)、調(diào)壓器和激振信號(hào)源。更換相應(yīng)的振動(dòng)模型和激勵(lì)系統(tǒng)，便能完成20多個(gè)實(shí)驗(yàn)。以簡(jiǎn)支梁各階的固有頻率測(cè)量實(shí)驗(yàn)為例詳細(xì)說(shuō)明。
　　
　　整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。將偏心電機(jī)取下，得到簡(jiǎn)支梁模型。選用電動(dòng)式激振器，激振器內(nèi)部信號(hào)源可產(chǎn)生頻率10Hz～1kHz，幅度≤5V的正弦信號(hào)，作為輸入信號(hào)。激振器與激振信號(hào)源的輸出端相連，通過(guò)調(diào)整信號(hào)源的輸出頻率和功率來(lái)改變激振力的頻率與幅值大小。壓電式加速度傳感器與ZK-5VIC型測(cè)振儀的輸入端相連。ZK-5VIC型測(cè)振儀用數(shù)字顯示測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)位移X、速度V、加速度A，其輸出端接動(dòng)態(tài)信號(hào)分析儀。圖5為動(dòng)態(tài)信號(hào)分析儀的操作面板，主要用于完成單、雙通道振動(dòng)信號(hào)的時(shí)域、頻域分析。