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應用領域：院校
使用的產(chǎn)品：LabVIEW，PCI-6024E，SCXI-1122
挑戰(zhàn)：如何開拓一個全新的教學平臺，使學生能夠利用最先進的技術(shù)去積極主動的學習，培養(yǎng)學生的創(chuàng)造性思維，提高高等工程教育的教學質(zhì)量。
應用方案：充分利用 LabVIEW 開發(fā)平臺高效率的圖形編程方法和功能豐富的 VI，指導學生應用自己開發(fā)的虛擬儀器完成專業(yè)課程的實驗。
介紹:
作者近年來為機械電子工程和鐵路電氣自動化專業(yè)學生開設了虛擬儀器課程，使學生掌握了這種未來測試領域的主流技術(shù)。在這個基礎上學生自己開發(fā)出一整套機械工程測試實驗的虛擬儀器，完成機工程測試的全部實驗，虛擬儀器與工程測試兩門課程的學習有機的結(jié)合在一起。不僅顯著降低了實驗設備投資，而且培養(yǎng)了學生的創(chuàng)新精神，提高了學生的工程素質(zhì)，為高等工程教育實驗教學帶來革命性的變化。在這個過程中LabVIEW 起到了不可替代的作用。
測試信號處理實驗教學
信號處理是工程測試的一個重要環(huán)節(jié)，只有通過這個環(huán)節(jié)才能獲取反映被測對象狀態(tài)和特征的明確信息。這也是最能夠充分體現(xiàn)虛擬儀器技術(shù)在機械工程測試中巨大優(yōu)勢的一個環(huán)節(jié)。我們設計的數(shù)字信號處理實驗教學系統(tǒng)充分考慮到工程實際需求，并使學生能在 1 到 2 學時內(nèi)搭建好一個虛擬儀器程序模塊，完成要求的實驗內(nèi)容。
1. 構(gòu)建信號發(fā)生器
信號發(fā)生器可以為以后的各個實驗提供一個信號源，也能應用在工程實踐中。LabVIEW 的 Signal Generation子模板中有一組 VI 可以產(chǎn)生各種常見波形信號，能夠方便快捷的構(gòu)造一臺多信道的信號發(fā)生器。使用這一組 VI 時，應設置其輸入?yún)?shù)中的數(shù)字頻率 f 滿足下式：
式中 fa——信號發(fā)生器產(chǎn)生信號的模擬頻率。  （1）
update rate ——數(shù)據(jù)采集卡的模擬輸出刷新率設置參數(shù)。
2. 頻率響應函數(shù)與數(shù)字濾波
頻率響應函數(shù)是描述測試系統(tǒng)動態(tài)特性的重要參數(shù)，它是系統(tǒng)輸出與輸入的傅立葉變換之比
 （2）
LabVIEW 的 Transfer Function.Vi 根據(jù)式（2）計算頻率響應函數(shù)。頻率響應函數(shù)是復數(shù)，所以它返回兩個參數(shù)，一個數(shù)組是頻率響應函數(shù)的模(Frequency Response Mag)，即被測系統(tǒng)的幅頻特性；另一個是頻率響應函數(shù)的幅角(Frequency Response Phase)，即被測系統(tǒng)的相頻特性。
LabVIEW 中還有其它一些 VI 通過另外的算法求頻率響應函數(shù)，得到的結(jié)果與上述方法一致。
LabVIEW 開發(fā)環(huán)境內(nèi)有大量的數(shù)字濾波 VI 和數(shù)字濾波器開發(fā)工具。 我們在實驗中選取了比較有典型意義的巴特沃斯（Butterworth）和切比雪夫（Chebyshev）濾波器。根據(jù)選頻要求分別將它們設置為低通、高通、帶通和帶阻型濾波器。
實驗時用沖激函數(shù) Impulse Pattern .vi作為系統(tǒng)激勵信號，它具有無限寬廣的頻譜；用各種數(shù)字濾波器作為測試系統(tǒng)。這樣既掌握了頻率響應函數(shù)的測試方法，又了解了各種數(shù)字濾波器的頻率響應特性。
3 相關(guān)分析
兩模擬信號 x(t)和 y(t)做數(shù)字化處理以后，它們的相關(guān)函數(shù)表達形式應為
 （3）
式中 N——沿時間軸的總采樣數(shù)；
I ——沿時間軸的采樣序數(shù)；
r ——間斷時移值。
作為有限長采樣的相關(guān)函數(shù)估計為
 （4）
但是在計算中隨著 y(i)時移增大，x(i)和 y(i)二離散序列可提供計算的長度越來越短，所以計算的有效估值應為
 （5）
LabVIEW 提供的求相關(guān)函數(shù)的 VI, Auto Correlation 和 Cross Correlation 所用的算法為
 （6）
這一算法僅適用于確定性信號中的瞬態(tài)信號，所以對于一般的情況就應該在程序中根據(jù)式（5）加以修正。
進行自相關(guān)函數(shù)實驗時，信號發(fā)生器將正弦波信號與白噪聲信號迭加在一起送出，實驗系統(tǒng)利用數(shù)字濾波器的選頻作用得到各種典型信號，然后進行自相關(guān)分析。進行互相關(guān)函數(shù)實驗時信號發(fā)生器由兩個信道送出正弦波信號，在程序運行中調(diào)整它們的頻率和相位（相移代替時移） ，測試出相關(guān)函數(shù)，并驗證同頻相關(guān)、不同頻不相關(guān)和正弦與余弦不相關(guān)等相關(guān)理論。
這部分實驗的大多內(nèi)容也可以脫離硬件進行，信號發(fā)生器程序產(chǎn)生信號，在軟件內(nèi)部將數(shù)據(jù)傳遞給數(shù)字信號處理系統(tǒng)。這樣將大大降低實驗成本。也可以將程序編譯后脫離 LabVIEW 環(huán)境運行，在普通計算機上進行測試信號處理的各種實驗教學，進一步擴大它的應用范圍。
機械參數(shù)測試實驗教學
根據(jù)機械工程測試教學的需要，機械參數(shù)測試主要進行以下內(nèi)容的實驗。
1 應變測試
在應變梁上按不同形式粘貼好電阻式應變片，信號調(diào)理器完成組橋并提供激勵電壓和進行信號的放大、 濾波。 LabVIEW 提供的 Convert Strain Gauge Reading.vi 可以將 4 種半橋和 3 種全橋的應變片電壓信號轉(zhuǎn)換成應變值。通過實驗可以對不同組橋方式所測得的信號電壓輸出值進行比較，掌握電橋和差特性。并可以根據(jù)Convert Strain Gauge Reading函數(shù)輸出的應變值，描繪出各種形式應變梁的撓曲軸，計算出梁的最大撓度值，構(gòu)成一臺高效的多功能數(shù)字式應變儀。
2 位移測試
位移傳感器采用近年來發(fā)展起來的導電塑料電位計，學生根據(jù)傳感器的電阻分壓電路，推導出位移與信號電壓的關(guān)系式，并根據(jù)此式編寫位移測試的程序。實驗中用讀數(shù)值 0.02 毫米的游標卡尺測試位移傳感器的位移量，代替被測量實際值，作為測試裝置的輸入值，對位移傳感器進行靜態(tài)標定。在計算系統(tǒng)線性度時，用最小二乘法擬合直線精度最高，但計算比較繁瑣。LabVIEW 的 Linear Fit.vi 幫助我們解決了復雜的計算問題。利用 LabVIEW 的文件輸入輸出函數(shù)進行實驗數(shù)據(jù)存取，可以極大的提高實驗效率。
3 壓力測試
壓力測試采用 BPR-2 型應變式壓力傳感器，以小型手壓泵做壓力信號源，根據(jù)傳感器出廠標定值編寫程序。
4 流量測試
采用液壓試驗臺上帶電脈沖信號輸出的橢圓齒輪流量計做傳感器， 使用 LabVIEW 的計數(shù)器 VI 測量流量計的頻率，再根據(jù)脈沖當量換算出流量值。此實驗和壓力測試實驗結(jié)合，可以測出液壓泵的流量—壓力特性，將多學科實驗交叉進行。
5 溫度測試
采用熱電阻做溫度傳感器，由信號調(diào)理器提供激勵電流。在數(shù)據(jù)采集卡的驅(qū)動程序中將傳感器設置為European RTD，編程時即可按攝式溫度值引用此測試值。
網(wǎng)絡化的振動測試實驗教學
振動問題是機械工程領域一個十分重要的研究課題。振動測試在振動研究中占有重要地位。但是由于振動實驗的信號源設備價格比較貴，占用空間比較大，不能每個學生配備一套。因此我們采用了網(wǎng)絡化的振動測試實驗教學方案。LabVIEW 的 DataSocket 技術(shù)為這種實驗教學方案帶來極大的便利。
實驗中教師機上運行服務器程序。函數(shù)發(fā)生器產(chǎn)生一個連續(xù)變化的正弦激勵信號，通過數(shù)據(jù)采集卡進行D/A 轉(zhuǎn)換后輸出，經(jīng)功率放大器送到激振器，使被測梁產(chǎn)生受迫振動。
被測梁的振動信號經(jīng)壓電加速度傳感器拾振、電荷放大器將電荷轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷翰⒎糯蠛髠鬟f到數(shù)據(jù)采集卡。數(shù)據(jù)采集模塊采集到的加速度信號通過 DataSocket VI 傳輸?shù)接嬎銠C網(wǎng)絡上。
測試實驗室計算機網(wǎng)絡是校園網(wǎng)的一部分，從邏輯上它是一種總線型結(jié)構(gòu)，采用廣播網(wǎng)傳輸技術(shù)。實驗室中任何一臺機器發(fā)出的消息都能被所有機器接收到。所以當教師機運行振動測試服務器程序，采集被測對象加速度信號傳輸?shù)接嬎銠C網(wǎng)絡以后，同學只要在自己的計算機上運行振動測試客戶端程序，并準確填寫教師機的 IP 地址或網(wǎng)絡標識名，就可以象自己的機器采集數(shù)據(jù)一樣完成振動測試實驗。
數(shù)字濾波部分采用巴特沃斯低通濾波 VI Butterworth Filter，濾除信號的噪聲和不需要的頻率成分。根據(jù)測試需要選擇濾波器截止頻率，一般取 400Hz。
積分模塊調(diào)用了 Integral x(t).vi。該 VI 的算法是：
 （7）
式中 n 為數(shù)組長度。
經(jīng)過對加速度變化率的累加，求得當前速度；經(jīng)過對速度變化率的累加，求得當前位移。
趨勢項是測試系統(tǒng)中某些因素引起的隨時間變化的長周期系統(tǒng)誤差。本次實驗中構(gòu)造了一個Detrend VI消除趨勢項。Detrend VI 調(diào)用了以最小二乘法擬合直線的 Linear Fit.vi 函數(shù)擬合趨勢項，然后在數(shù)據(jù)中減去趨勢項。這也是目前工程上消除趨勢項最常用的方法。
由于在頻譜分析的 VI 中使用快速傅立葉變換 FFT 存在著頻率泄漏問題，影響了頻率測試的精度。解決頻率泄漏問題的主要方法之一是采用適當?shù)拇昂瘮?shù)。LabVIEW 海明窗、漢寧窗等十二種 VI。實驗中采用了漢寧窗 VI，對時域信號進行加權(quán)處理。
頻譜分析部分用 Auto Power spectrum.vi 數(shù)計算出時域信號的自功率譜；Spectrum Unit Conversion.vi 將自功率譜轉(zhuǎn)換為我們需要的格式；Power & Frequency Estimate.vi 估算出自功率譜中的頻率峰值，即共振頻率，近似代替被測系統(tǒng)固有頻率并由此估計系統(tǒng)的阻尼比。
結(jié)論
經(jīng)過這些實驗教學訓練，學生更好的掌握了機械工程測試的有關(guān)內(nèi)容和虛擬儀器編程技術(shù)；也有些學生根據(jù)各種專業(yè)課程上學到的知識，自己選擇實驗內(nèi)容，自行設計實驗方案，在 LabVIEW 環(huán)境中進行自己感興趣的實驗。由于我們的實驗環(huán)境軟硬件完全是工業(yè)標準的產(chǎn)品，學生在實驗中開發(fā)的許多虛擬儀器完全可以直接應用到工程實踐中去。有些畢業(yè)的學生，已經(jīng)創(chuàng)造出了比傳統(tǒng)的測試儀器具有更高智能、更高性能價格比、更加可靠及便于操作的虛擬儀器。我們的高等工程教育不再僅僅是讓學生掌握今天已有的科學技術(shù)，而是培養(yǎng)他們能夠在明天更好的去創(chuàng)造和發(fā)揮。這是工程教育教學適應當前測試技術(shù)世界先進水平的必然，是高等工程教育趕超世界先進水平的要求。
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