机械工程测试技术教学实验内容的创新分析

关键词：机械工程测试 教学实验 教学仪器
　　机械工程测试技术是高等院校工科类教学中不可缺少的一门课程。该课程涉及机械、电子信息、自动化、仪器仪表等多个领域，是一门专业性较强，涉及知识面很广，应用价值很高的专业基础课[1]。课程主要介绍了与机械工程相关的测试技术的基本概念、基本理论和应用技术，包括常用传感器的原理与应用、测试信号调理电路、信号分析与处理、计算机测试系统、测试系统的特性、测试系统的干扰及抑制以及机械工程中常见的测试等内容[2]。由于该课程理论性较强，知识点较多，思维跨度较大且比较抽象，因此需要设置与之相匹配的教学实验才能达到较好的教学效果。
　　1 教学实验内容的设计
　　教学实验是高等学校教学环节中重要的一环，是培养学生创新能力、实践能力和工程应用的重要部分[3]。在教学过程中发现，学生在认知过程中的一个普遍现象是见小不见大，不能把握测试系统的整体结构，而关注点总是放在较小的一个知识点或是问题中。为了强化学生对测试系统的概念，了解测试技术重要的方法，在教学实验中设计了自顶向下的实验思想：首先通过系统认知使学生建立起机械工程测试系统的整体概念，了解组成测试系统的各个部分，明白相关知识点的适用范围，从而做到有的放矢的学习。而后制定相对应的实验项目，学生能够理解各知识点的内容，明白系统各部分的关联关系。最后再通过综合性实验对所学知识进行串联和巩固[4]。
　　为此，在机械工程测试技术的教学实验中制定了基础性实验和综合性实验。
　　基础性实验主要是针对信号处理方面，其内容有：传感器的选取、信号的基本性质、信号的采集、A/D转换、数据处理。基础性实验共5部分，内容见表1。
　　综合性实验针对学生已学过的知识，建立起典型的测试系统，通过实际的测试实验使学生了解传感器的性能，测试电路的构成，测试软件的应用以及数据的处理与分析。综合性实验的内容见表2。
　　2 实验仪器
　　为了高质量地完成教学实验任务，课题组选择了较为先进的仪器来搭建实验系统。
　　（1）单点式激光测振仪：Polytec高性能的单点式激光测振仪由控制器、数字式速度解码器、自动聚焦式光学头组成。能够实现最小速度分辨率0.02微米/秒，最大速度+/-10米/秒的速度信号测量；最大输出信号为+/-10 V，输出带520 100 KHz低通滤波和100 Hz高通滤波。
　　（2）加速度计：B&K压电式加速度计是振动的绝对测量的最佳传感器，可用于较为宽泛的频率范围；在很宽的动态范围内具有良好的线性，该种传感器不需要额外电源，具有较高的灵敏度质量比。设备参数：灵敏度10 pC/g；最大正弦振动6 000 g-peak；最大冲击极限+/-20 000 g-peak；频率范围0.1 Hz～12.6 KHz。
　　（3）双通道调理放大器：B&K双通道电荷放大器，能够实现放大增益0.1 mV/pC～3.16 V/pC；频响范围0.1 Hz～100 KHz；具有低通、高通滤波器；能实现过载检测。
　　（4）A/D采集模块：课题组自主研发了基于USB2.0的数据采集模块。该模块具有8个模拟量输入通道，能够实现16-bit分辨率A/D转换器，采样速率高达200 kS/s。该模块采用总线供电，拥有设备状态LED指示灯。
　　（5）信号分析软件：课题组采用自主研发的信号分析软件，该软件采用Windows视窗风格，界面友好，使用方便，能够实现在线检测分析和离线数据分析。能够实现频谱分析、传递函数分析、互谱分析、互相关函数分析、包络/倒频谱分析等信号分析功能。软件具有画面设置、显示设置、采样参数设置、单位设置、跟踪设置、放大器设置、预处理设置、滤波器设置、计算设置等模块，方便使用者根据需要进行快速组合。该软件已经在工程应用中验证了其可靠性。
　　此外，课题组还搭建了振动测试平台和动平衡测试平台供实验使用，这些仪器、软件的应用能够开拓学生的视野，提高学生的学习兴趣，更重要的是实验系统能够使学生更好地理解系统的概念，提高对知识的认知程度。
　　3 实验案例
　　综合性实验是针对学生已经学过的信号处理、测试技术和测试系统等内容，通过实验室使学生了解典型的机械工程测试系统的构成以及各个环节所完成的工作。基于工程应用的指导思想，该部分实验设置了挠性接管自由振动测试和微小转子不平衡量检测。
　　3.1 挠性接管自由振动测试
　　自由振动测试是机械工程测试的基础，该部分实验能让学生了解激励信号的产生、信号的采集、自由振动以及动态性能参数的计算。实验装置主要由激振器、加速度信号采集装置、数据采集系统、计算机等组成（如图1所示）。
　　实验中，利用波形发生器产生振动谱信号，经功率放大器，由激振器产生振动信号。加速度传感器采集响应信号，经电荷放大器和数据采集系统进入计算机，系统结构如图2所示。图3是通过信号分析软件采集的自由振动信号。
　　通过挠性接管的自由振动测试实验可以让学生了解典型测试系统的结构、组成部分。通过实验理解测试系统的设备、安装、调试；了解信号接口的类型与连接方法；了解激励信号的产生方法。
　　3.2 微小转子不平衡量检测
　　转子的不平衡是旋转机械故障的主要诱因，为了提高旋转机械的品质就需要进行转子的不平衡量检测。该项实验通过学生自己动手调试来完成对转子的不平衡检测，能够激发学生的学习热情，培养动手能力。图4为微小转子不平衡检测实验台。
　　微小转子不平衡检测系统的实验装置由不平衡量检测实验台、激光测振仪、光电式开关传感器、采集系统和信号分析软件构成。实验中，变频调速电机通过带动皮带轮带动转子旋转，利用激光测振仪测量振动的绝对速度信号，利用光电式开关传感器测量转子的转速，传感器信号通过数据采集装置获取。系统原理如图5所示。图6为不平衡量的计算界面。
　　通过该项实验，学生能够了解转子不平衡检测的系统结构，激光测振仪和光电式开关传感器的应用方法，多路信号采集的触发方法，不平衡量的计算。
　　4 结束语
　　机械工程测试的教学实验选择了当前较为新式的测试仪器，让学生了解不同测试仪器的特点和应用方法。同时，以工程导向的实验内容，激发了学生的学习兴趣，提高了动手能力。通过教学实验，更加有利于学生巩固所学知识，培养创新能力。
　　参考文献
　　[1] 刘春阳，郭 爱芳.测试技术教材建设与教学模式探讨[J].中国现代教育装备，2012（17）：54-56.
　　[2] 韩建海，马伟.机械工程测试技术[M].北京：清华大学出版社，2010.
　　[3] 王学惠，蒋红海，李海镇.机械工程测试技术教学模式改革的探索[J].世界华商经济年鉴，2008（17）.
　　[4] 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，2007（7）：104-107.