摘要：机械工程测试技术教学实验建构，是机械工程测试技术教学所必须面对的问题，笔者对于机械工程测试技术教学实验系统的构建分为三个层次来探讨，基础性实验系统的建构主要从滤波进行探讨，综合性实验系统的建构则从振动测试与噪音测试来探讨，而探究性实验系统的建构笔者从平衡测试和轴心轨迹测试来探讨。
关键词：机械工程测试技术；实验；教学系统
机械工程测试技术，是机械工程学院必不可少的一门课程，但是与其他的实验教学一样，实验有着他的特殊性，机械工程测试技术尤其如此。机械工程测试技术，是一门涵盖学科范围较广、应用价值很高的一门专业基础课，它涵盖了机械、电子信息、自动仪、仪器仪等多个领域，而工程机械测试技术则是运用了多种技术，比如常用的传感器原理与应用、测试信号调理电路、信号的分析与处理、计算机的测试系统等等。因为该课程涵盖范围极广，因而其具有理论性强、知识点多、思维跨度大的特点，因此必须将理论与实践相结合，只有这样才能取得教育教学的效果。笔者通过对书本的审视，并结合学生的学习特点以及对学生的培养要求，将机械工程测试技术教学实验系统的建构分为了基础性实验系统的建构、综合性实验系统的建构和探究式实验的建构，三个层次来探讨。
1.基础性实验系统的构建
基础性实验室针对信号处理课程量身定做的实验场所，其实验内容丰富，涵盖了教材中所有信号分析的知识，其中包含了信号的基本性质、时域分析、频域分析、调制、加窗、滤波和采样等内容，其程序包含了信号发生器、自相关等从基础到高级的信号处理知识点的演示程序。
基础性实验的信号基本性质其内容包含了基本信号发生器、方法函数&sinc、随机信号、函数FFT的奇偶性、FFT线性叠加、时移和频移；其时域分析包含了RMS&峰值、自相关、互相关、时域卷积、反卷积、信号积分、时域平均-相位、时域平均噪声和小波分析；其频域分析包含了倒谱、谐振、频闪仪、2DFFT、频域平均、频移和轨道；而调制只有幅度调制及解调和频率调制及解调；加窗的内容是窗振幅、窗比较、加窗的频域分析、窗噪声基底、窗重叠和窗分辨率；滤波是基础性实验系统中极为重要的一个部分，滤波器响应时间、FIR窗滤波器设计、IIR滤波器设计、低通滤波器、中值滤波器和恒百分率带宽滤波器；而采样的内容则是重采样及混叠、栅栏效应、频谱泄露、位数&分辨率和限幅。
由于滤波能够随意的将信号中的各个波段进行分析操作，或者是滤除，因而是抑制和仿干扰的意象重要措施。滤波的主要装置是滤波器，它可以帮助实验人员实现选频，并且可以将信号中的特定频率成分通过，还可以衰减其他非特定频率的频率成分，如果我只对信号中某一频段的成分感兴趣时，在滤波器的作用下，去掉其他频段的成分和噪声，从而提高信噪比。如：将一个要处理的信号叠加一个干扰信号，幅值为A=10V、频率f=10Hz的正弦信号与幅值A=5V噪声叠加的原始信号，经过截止频率f=25Hz低通滤波器滤波后，从而将两者进行对比。
通过滤波的实验教学与实验，学生能够掌握和学会响应函数的测试方法，以此来了解各种滤波器的频率响应特性，它能够极为直观的改变教师教学的单一讲解，从而使得学生能够在现象的显示下进行直观的记忆，如果将LabVIEW应用程序配置一个VI服务器的话，那么就可以指定相应的远程计算机，通过网络来加载VI服务器，不仅能够现场试验，而且也能帮助学生预习和复习。
2.综合性实验系统的构建
综合性实验，按照实验内容可以划分为：振动测试、应力应变测试、温度测试和噪声测试4个模块，其中能够针对学生对已学过的测试学原理，通过综合性实验，使学生能初步了解典型测试系统的构成，而且能够明白各个环节的功能和特点，以及典型测量电路的基本构成与特点，在综合性实验系统的构建中，笔者将进行振动测试和噪音测试的探讨。
2.1综合性实验测试振动测试系统的构建
振动测试是机械测试中最基础，也是应用最广泛的技术，其振动测试的内容主要含有圆板固有频率及主振性的测量、机械振动系统固有频率的测量、简支梁固有频率及主振型的测量、单自由度模型参数的测量、振动信号的FFT分析、简谐振动幅值测量和拍振测量；其次是应用较多，尤其是在机械工程中，其实验的内容包含了弯曲变形主应力实验、扭转变形主应力实验、弯扭组合变形主应力实验、拉扭组合变形主应力实验和压扭组合变形主应力实验等；温度测试的内容包含了温度实时自动检测和多通道温度实时动态显示；在工业和运输业中，主要涉及的是噪音测试，噪音测试实验的内容主要有噪音的测量和频谱的分析、环境噪声实时自动监测。
由于振动测试是机械工程测试中最为广泛采用的一种实验，在这种实验中，经常采用的是ZK-5VIC型虚拟测试振动与控制实验装置。在振动测试的过程中，实验装置有4大部分，即振动系统模型、激振系统、振动测量系统、减振系统等，而振动系统的模型一般分为5种：单自由度系统模型、多自由度系统模型、悬臂梁模型、简支梁模型和薄壁圆板模型。激振系统有电动式激振器、非接触式激振器、偏心电机、调压器和激振信号源。更换相应的振动模型和激励系统，可以做成超过20个实验，下面以简支梁各阶的固有频率测量实验为例。
在整个测试实验系统建构之后，如果将新电机取下，然后便能得到简支梁模型，当选用电动式激振器，激振器内部信号源可选用产生10Hz到1Hz，幅度小于等于5v的正弦信号作为输入信号。在实验的过程中，将激振器与激振信号源的输出端相连，连接之后通过调整信号源的输出频率和功率来改变激振力的频率与幅值大小。将压电式加速度传感器与ZK-5VIC型测振仪的输入端相连，ZK-5VIC用数字显示测点的振动位移X、速度V、加速度A，而将输出端接在动态信号分析仪之上，这样动态信号分析仪的操作面板，主要用于完成单、双通道振动信号的时域、频域分析，这样便能全部完成振动测试。
通过振动测试，可以充分了解实际工程中典型测试装置的组成、安装及调试方法；了解测试系统的构成；学会激振器、传感器与测振仪器的操作方法。
2.2综合性实验噪音测试系统的构建
在机械工程测试技术中，工业与运输业的测试也是极为重要的一个方向，因而也不能不提及这个方面，之所以将噪音测试运用于工业与运输业，是因为机电设备的振动具有规律性，因而其声音也具有规律性，当噪音出现的时候，就能获取机电设备的运行状态，因此噪音测试，将为控制噪声、改进产品、设备运行状态检测、制定环保措施及法律等提供必要的依据。
在噪音测试实验中，传感器将声音转化成电信号经过中间变换装置预处理之后传入噪声分析仪，噪音分析仪可以将线性计权总声压级的测试；经过A计权和C计权总声压级的测试；线性、A计权和C计权的1比1倍频程分析；线性、A计权和C计权的三分之一频程分析；8到20Hz高分辨率宽带线性声压频谱测量；然后将数据存盘，数据回放以及测量结构进行打印。在实验的过程中，我们可以搭配转子实验台，通过改变转子的速度、质量不平衡、冲击等设备的配制，以此来模拟及其不同的运行状态，从而能记录振动的特性。
3.探究性实验系统的构建
创新能力的培养是21世纪人才所必备的关键因素，但是实验是一种极为陈规的模式，它不能培养出人的创新能力，传统的实验模式是高度地固定化、程序化的模式，不能培养出人的创新能力，因而有必要构建探究性实验系统。所谓探究性的实验系统，是指学生能够通过自己构建实验系统，进行不同实验的系统，它有着高度的自主性，因而可以满足学生的好奇心，并能将实验内容与实验设备的性能有一个全新的了解，笔者在这里主要阐述平衡测试和轴心轨迹测试，来阐述探究性实验系统的构建。
3.1探究性实验平衡测试系统的构建
旋转机械，是目前运用最为广泛的机械，而其核心部件为转子，如果转子的不能正常工作，就会影响机械的正常工作，因此我们以平衡测试为例，探讨探究性实验系统的建构。
平衡测试，最为关键的就是研究转子是否平衡，转子的不平衡是由于转子质量不均，而这种不均可能是因为重心偏移或者是转子缺损所造成的，转子的平衡方法很多，其中影响系数以简单、对操作者要求低等特点被较多的动平衡系统采用，笔者所探讨的也是影响系数法。
影响系数法采用双面动平衡实验装置，动平衡实验主要由多功能转子实验台、计算机、LabVIEW平台、速度传感器、转速相位传感器、数据采集仪和加重块组成。LabVIEW虚拟实验仪器，具有数据采集、分析和现实的功能。在实验的面板上标有实验操作流程，参数设置，转子运行时的转矩、转速等特性和测试结果的显示，因其具有设计方法独特，结构简单、功能丰富综合性强的特点，而被广泛的教学采用。在实验的过程中，转子通过电动机的皮带所带动，在转动的过程中，在转子支撑点各安装一个速度传感器，以此来检验转子的振动，激光转速相位传感器用来获取相位基准以及转速信息。所有传感器将检测到的信号经过电路的调理之后，输入到数据采集卡，最后在LabVIEW开发出虚拟式动平衡测试仪器处理并显示。
3.2探究性测试轴心轨迹测试系统的构建
除了动平衡测试之外，较为广泛采用的还有轴心轨迹测试，它也是主要利用转子来进行实验的。轴心的轨迹是指轴颈旋转中心相对于轴承中心的运动轨迹。在旋转机械的故障诊断中，其中最为重要的是回转部件中心位置比振幅和旋转副频曲线更能直观地反映转轴运动的情况。对于轴心轨迹的测试，笔者采用旋转机械轴心轨迹分析仪来阐述其测试。轴心轨迹分析仪可以完成两种信号的波迹显示，能够完成两路信号的频谱分析，从而完成轴心轨迹的提供、分解、合成，最后得出科学的结果。在轴心轨迹的测试过程中，要完成水平和垂直的测试，水平的主要做的是前置放大，这需要调整电路，才能进行数据采集，最后将信号发给轴心轨迹分析仪，垂直也是经过这样的程序来完成。其中需要说明的是，将信号收集之后，需要经过LabVIEW开发出虚拟式轴心轨迹测试仪器处理并显示。其中轴心轨迹虚拟分析仪器可以实时的显示轴心轨迹和轴心位置，采集频率和其他的信号，并对这些信息进行存储，当测试完成后，可以离线回放，得出轴心轨迹和轴心位置图。
平衡测试系统与轴心轨迹测试系统的构建的关键在于仪器的设置，它的设计方法相对来说较为独特，但是又结构简单，因而理论性较强，也因不同的转子可以进行不同的实验，这个上文已有阐述，也正是因为这个特点，有助于开发学生的创造性思维，这也意味着对于老师有着更高的要求。
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作者简介：
张文文（1981.3—），男，河北保定人，研究生学历，实验师，研究方向：材料加工工程与机械系统测试。