|
應用領域：院校
使用的產品：LabVIEW，PCI-6024E，SCXI-1122
挑戰：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去積極主動的學習，培養學生的創造性思維，提高高等工程教育的教學質量。
應用方案：充分利用 LabVIEW 開發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的虛擬儀器完成專業課程的實驗。
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。在這個基礎上學生自己開發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合在一起。不僅顯著降低了實驗設備投資，而且培養了學生的創新精神，提高了學生的工程素質，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節，只有通過這個環節才能獲取反映被測對象狀態和特征的明確信息。這也是最能夠充分體現虛擬儀器技術在機械工程測試中巨大優勢的一個環節。我們設計的數字信號處理實驗教學系統充分考慮到工程實際需求，并使學生能在 1 到 2 學時內搭建好一個虛擬儀器程序模塊，完成要求的實驗內容。
1. 構建信號發生器
信號發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 可以產生各種常見波形信號，能夠方便快捷的構造一臺多信道的信號發生器。使用這一組 VI 時，應設置其輸入參數中的數字頻率 f 滿足下式：
式中 fa——信號發生器產生信號的模擬頻率。  （1）
update rate ——數據采集卡的模擬輸出刷新率設置參數。
2. 頻率響應函數與數字濾波
頻率響應函數是描述測試系統動態特性的重要參數，它是系統輸出與輸入的傅立葉變換之比
 （2）
LabVIEW 的 Transfer Function.Vi 根據式（2）計算頻率響應函數。頻率響應函數是復數，所以它返回兩個參數，一個數組是頻率響應函數的模(Frequency Response Mag)，即被測系統的幅頻特性；另一個是頻率響應函數的幅角(Frequency Response Phase)，即被測系統的相頻特性。
LabVIEW 中還有其它一些 VI 通過另外的算法求頻率響應函數，得到的結果與上述方法一致。
LabVIEW 開發環境內有大量的數字濾波 VI 和數字濾波器開發工具。 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 Impulse Pattern .vi作為系統激勵信號，它具有無限寬廣的頻譜；用各種數字濾波器作為測試系統。這樣既掌握了頻率響應函數的測試方法，又了解了各種數字濾波器的頻率響應特性。
3 相關分析
兩模擬信號 x(t)和 y(t)做數字化處理以后，它們的相關函數表達形式應為
 （3）
式中 N——沿時間軸的總采樣數；
I ——沿時間軸的采樣序數；
r ——間斷時移值。
作為有限長采樣的相關函數估計為
 （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 提供的求相關函數的 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信號，所以對于一般的情況就應該在程序中根據式（5）加以修正。
進行自相關函數實驗時，信號發生器將正弦波信號與白噪聲信號迭加在一起送出，實驗系統利用數字濾波器的選頻作用得到各種典型信號，然后進行自相關分析。進行互相關函數實驗時信號發生器由兩個信道送出正弦波信號，在程序運行中調整它們的頻率和相位（相移代替時移） ，測試出相關函數，并驗證同頻相關、不同頻不相關和正弦與余弦不相關等相關理論。
這部分實驗的大多內容也可以脫離硬件進行，信號發生器程序產生信號，在軟件內部將數據傳遞給數字信號處理系統。這樣將大大降低實驗成本。也可以將程序編譯后脫離 LabVIEW 環境運行，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。
機械參數測試實驗教學
根據機械工程測試教學的需要，機械參數測試主要進行以下內容的實驗。
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Convert Strain Gauge Reading函數輸出的應變值，描繪出各種形式應變梁的撓曲軸，計算出梁的最大撓度值，構成一臺高效的多功能數字式應變儀。
2 位移測試
位移傳感器采用近年來發展起來的導電塑料電位計，學生根據傳感器的電阻分壓電路，推導出位移與信號電壓的關系式，并根據此式編寫位移測試的程序。實驗中用讀數值 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標定。在計算系統線性度時，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進行實驗數據存取，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 的計數器 VI 測量流量計的頻率，再根據脈沖當量換算出流量值。此實驗和壓力測試實驗結合，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，由信號調理器提供激勵電流。在數據采集卡的驅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。因此我們采用了網絡化的振動測試實驗教學方案。LabVIEW 的 DataSocket 技術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。函數發生器產生一個連續變化的正弦激勵信號，通過數據采集卡進行D/A 轉換后輸出，經功率放大器送到激振器，使被測梁產生受迫振動。
被測梁的振動信號經壓電加速度傳感器拾振、電荷放大器將電荷轉變為電壓并放大后傳遞到數據采集卡。數據采集模塊采集到的加速度信號通過 DataSocket VI 傳輸到計算機網絡上。
測試實驗室計算機網絡是校園網的一部分，從邏輯上它是一種總線型結構，采用廣播網傳輸技術。實驗室中任何一臺機器發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到計算機網絡以后，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 地址或網絡標識名，就可以象自己的機器采集數據一樣完成振動測試實驗。
數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。根據測試需要選擇濾波器截止頻率，一般取 400Hz。
積分模塊調用了 Integral x(t).vi。該 VI 的算法是：
 （7）
式中 n 為數組長度。
經過對加速度變化率的累加，求得當前速度；經過對速度變化率的累加，求得當前位移。
趨勢項是測試系統中某些因素引起的隨時間變化的長周期系統誤差。本次實驗中構造了一個Detrend VI消除趨勢項。Detrend VI 調用了以最小二乘法擬合直線的 Linear Fit.vi 函數擬合趨勢項，然后在數據中減去趨勢項。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的窗函數。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處理。
頻譜分析部分用 Auto Power spectrum.vi 數計算出時域信號的自功率譜；Spectrum Unit Conversion.vi 將自功率譜轉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，近似代替被測系統固有頻率并由此估計系統的阻尼比。
結論
經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內容和虛擬儀器編程技術；也有些學生根據各種專業課程上學到的知識，自己選擇實驗內容，自行設計實驗方案，在 LabVIEW 環境中進行自己感興趣的實驗。由于我們的實驗環境軟硬件完全是工業標準的產品，學生在實驗中開發的許多虛擬儀器完全可以直接應用到工程實踐中去。有些畢業的學生，已經創造出了比傳統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，而是培養他們能夠在明天更好的去創造和發揮。這是工程教育教學適應當前測試技術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。
|
