摘要：機械工程測試技術課程涉及的知識抽象且理論性、工程性強，只有通過直觀的實驗操作幫助學生理解，才能達到最佳的學習效果。針對這一特點，采用虛擬儀器技術開發(fā)出基于LabVIEW平臺的集虛擬仿真與機械測試為一體的綜合實驗系統(tǒng)。改變了傳統(tǒng)的實驗教學模式，采用循序漸進的方式，將實驗內(nèi)容劃分為基礎性實驗、綜合性實驗、探究性實驗3個部分�；�礎實驗部分緊貼書本，幫助廣大學生理解和消化基礎理論知識。綜合性實驗及探究性實驗則與工程應用相結(jié)合，幫助學生加強對測試系統(tǒng)的認識、理解及應用能力；同時也有利于創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。
　　關鍵詞：機械測試；實驗系統(tǒng)；虛擬儀器；仿真
　　
　　機械工程測試技術基礎是機械專業(yè)學生必修的一門專業(yè)基礎課。課程主要介紹機械工程、工業(yè)自動化等工程領域中常見物理量如壓力、應變、溫度、噪聲等傳感器測量原理、測試方法和信號分析方法。與其他專業(yè)課相比，這門課程不僅理論性強、公式推導復雜；而且思維從時域向著頻域轉(zhuǎn)變，具體應用過程抽象。只有通過大量直觀的實驗操作，才能更好地掌握書本知識，培養(yǎng)工程實踐能力。而目前大多數(shù)高校因?qū)嶒灄l件限制，側(cè)重于課本內(nèi)容的講授，實踐性環(huán)節(jié)偏少，主要以驗證性實驗為主，不利于培養(yǎng)學生獨立思考和動手能力。
　　針對傳統(tǒng)教育存在的弊端，采用虛擬儀器代替?zhèn)鹘y(tǒng)物理儀器，不僅可以緩解實驗經(jīng)費不足的問題，還有利于實驗的開放性、靈活性和內(nèi)容的多樣化。LabVIEW是美國NI公司基于G語言的虛擬儀器開發(fā)工具。其自帶龐大的函數(shù)庫，包括數(shù)據(jù)采集、信號處理、輸入/輸出控制等，具有成本低、通用性好、功能強大、易于升級與擴展等特點。同時，LabVIEW很容易同網(wǎng)絡、外設及其他匹配設備相連接。為此，筆者以LabVIEW為平臺，利用其內(nèi)置的仿真、數(shù)據(jù)采集、信號處理功能，開發(fā)出集虛擬仿真與機械量測試為一體的綜合實驗系統(tǒng)。增加了綜合性、設計性實驗的比重，突出工程實踐在實驗教學中的核心地位，實現(xiàn)課程理論、實驗環(huán)節(jié)和工程實踐之間的無縫結(jié)合。
　　
　　1整體設計
　　
　　機械工程測試技術基礎教學內(nèi)容涉及傳感器測量原理、信號處理方法等知識。根據(jù)書本內(nèi)容，并結(jié)合學生特點及培養(yǎng)要求，對實驗的內(nèi)容精心設計，體現(xiàn)出不同的層次。本實驗系統(tǒng)分為基礎性實驗、綜合性實驗、探究性實驗3部分(如圖1所示)。
　　
　　1.1 基礎性實驗
　　基礎性實驗是針對信號處理課程量身定做的實驗套件，內(nèi)容豐富，囊括了教材中所有信號分析的知識。其中包括信號發(fā)生器、自相關等從基礎到高級的信號處理知識點的演示程序。實驗內(nèi)容按照功能劃分為7個模塊：信號基本性質(zhì)、時域分析、頻域分析、濾波、調(diào)制、采樣、加窗。各個模塊所包含的相關實驗見表1：
　　通過實驗，可以直觀地看到信號在處理前后的變化，扭轉(zhuǎn)了教師一味地在黑板上講解的被動性，有助于學生對數(shù)字信號處理概念的理解和記憶。此外，將LabVIEW應用程序配置成一個服務器。通過VI服務器，用戶只需指定遠程計算機的地址或名字便可以通過網(wǎng)絡動態(tài)加載和運行VI。這樣，學生可以通過網(wǎng)絡操作實驗面板，親身參與實驗，方便預習或課后復習。
　　應用舉例：
　　以采樣模塊為例。采樣是最常用的信號處理技術，過程是將時間上、幅值上都連續(xù)的模擬信號，轉(zhuǎn)換成時間上離散但幅值仍連續(xù)的離散信號。采樣模塊包括：混疊、柵欄效應、頻譜泄露、位數(shù)和分辨率等實驗。實驗內(nèi)容包括了采樣的幾個基本步驟：離散、幅值量化、截斷，以及在離散、截斷等過程中易產(chǎn)生的誤差，如混疊、泄露、柵欄效應。
　　為了保證采樣后的信號能真實地保留原始模擬信號的信息，采樣信號的頻率必須至少為原信號中最高頻率成份的2倍，否則會出現(xiàn)混疊現(xiàn)象。圖2為驗證混疊現(xiàn)象的實驗面板。圖中所示，頻率f=10Hz的正弦信號x(t)=sinωt，用fs=16Hz的采樣頻率對其進行離散采樣，并計算頻譜。那么乃奎斯頻率即分析頻率范圍是8Hz，小于信號的頻率10Hz，不滿足采樣定理。信號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，把信號頻率10Hz誤認為6Hz，造成頻率識別錯誤，這就是頻率混疊現(xiàn)象。如圖2所示，曲線為原始信號，折線為采樣點的連線，可以直觀地看出采樣所得信號失真。
　　
　　1.2 綜合性實驗
　　綜合性實驗是針對學生已學過的測試學原理，通過實驗讓學生初步了解典型測試系統(tǒng)的構(gòu)成及各環(huán)節(jié)的功能。了解典型傳感器的性能、特點以及其典型測量電路基本構(gòu)成與特點。
　　振動測試是機械測試中最基礎、應用最廣的技術，實驗時選用本實驗室自主研發(fā)的ZK-5VIC型虛擬測試振動與控制實驗裝置(如圖3所示)。實驗裝置主要由4大部分組成：振動系統(tǒng)模型、激振系統(tǒng)、振動測量系統(tǒng)、減振系統(tǒng)。振動系統(tǒng)模型分為5種：單自由度系統(tǒng)模型、多自由度系統(tǒng)模型、懸臂梁模型、簡支梁模型、薄壁圓板模型。激振系統(tǒng)包括電動式激振器、非接觸式激振器、偏心電機、調(diào)壓器和激振信號源。更換相應的振動模型和激勵系統(tǒng)，便能完成20多個實驗。以簡支梁各階的固有頻率測量實驗為例詳細說明。
　　
　　整個測試系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。將偏心電機取下，得到簡支梁模型。選用電動式激振器，激振器內(nèi)部信號源可產(chǎn)生頻率10Hz～1kHz，幅度≤5V的正弦信號，作為輸入信號。激振器與激振信號源的輸出端相連，通過調(diào)整信號源的輸出頻率和功率來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型測振儀的輸入端相連。ZK-5VIC型測振儀用數(shù)字顯示測點的振動位移X、速度V、加速度A，其輸出端接動態(tài)信號分析儀。圖5為動態(tài)信號分析儀的操作面板，主要用于完成單、雙通道振動信號的時域、頻域分析。