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虚拟仪器在高等工程教育中的应用

发布日期：2023/6/27来源：网络

应用领域：院校 
 
使用的产品：LabVIEW，PCI-6024E，SCXI-1122 
 
挑战：如何开拓一个全新的教学平台，使学生能够利用最先进的技术去积极主动的学习，培养学生的创造性思维，提高高等工程教育的教学质量。 
 
应用方案：充分利用 LabVIEW 开发平台高效率的图形编程方法和功能丰富的 VI，指导学生应用自己开发的虚拟仪器完成专业课程的实验。 
 
介绍: 
    作者近年来为机械电子工程和铁路电气自动化专业学生开设了虚拟仪器课程，使学生掌握了这种未来测试领域的主流技术。在这个基础上学生自己开发出一整套机械工程测试实验的虚拟仪器，完成机工程测试的全部实验，虚拟仪器与工程测试两门课程的学习有机的结合在一起。不仅显著降低了实验设备投资，而且培养了学生的创新精神，提高了学生的工程素质，为高等工程教育实验教学带来革命性的变化。在这个过程中LabVIEW 起到了不可替代的作用。
 
测试信号处理实验教学      
    信号处理是工程测试的一个重要环节，只有通过这个环节才能获取反映被测对象状态和特征的明确信息。这也是最能够充分体现虚拟仪器技术在机械工程测试中巨大优势的一个环节。我们设计的数字信号处理实验教学系统充分考虑到工程实际需求，并使学生能在 1 到 2 学时内搭建好一个虚拟仪器程序模块，完成要求的实验内容。


1.  构建信号发生器
信号发生器可以为以后的各个实验提供一个信号源，也能应用在工程实践中。LabVIEW 的 Signal Generation子模板中有一组 VI 可以产生各种常见波形信号，能够方便快捷的构造一台多信道的信号发生器。使用这一组 VI 时，应设置其输入参数中的数字频率 f 满足下式：
式中   fa——信号发生器产生信号的模拟频率。 （1）

update rate  ——数据采集卡的模拟输出刷新率设置参数。

2. 频率响应函数与数字滤波
频率响应函数是描述测试系统动态特性的重要参数，它是系统输出与输入的傅立叶变换之比

（2）

    LabVIEW 的 Transfer Function.Vi 根据式（2）计算频率响应函数。频率响应函数是复数，所以它返回两个参数，一个数组是频率响应函数的模(Frequency Response Mag)，即被测系统的幅频特性；另一个是频率响应函数的幅角(Frequency Response Phase)，即被测系统的相频特性。
    LabVIEW 中还有其它一些 VI 通过另外的算法求频率响应函数，得到的结果与上述方法一致。
    LabVIEW 开发环境内有大量的数字滤波 VI 和数字滤波器开发工具。 我们在实验中选取了比较有典型意义的巴特沃斯（Butterworth）和切比雪夫（Chebyshev）滤波器。根据选频要求分别将它们设置为低通、高通、带通和带阻型滤波器。
    实验时用冲激函数 Impulse Pattern .vi作为系统激励信号，它具有无限宽广的频谱；用各种数字滤波器作为测试系统。这样既掌握了频率响应函数的测试方法，又了解了各种数字滤波器的频率响应特性。

3 相关分析
两模拟信号 x(t)和 y(t)做数字化处理以后，它们的相关函数表达形式应为

（3）

式中  N——沿时间轴的总采样数；
I  ——沿时间轴的采样序数；
r  ——间断时移值。
作为有限长采样的相关函数估计为

（4）

但是在计算中随着 y(i)时移增大，x(i)和 y(i)二离散序列可提供计算的长度越来越短，所以计算的有效估值应为 

（5）

LabVIEW 提供的求相关函数的 VI, Auto Correlation 和 Cross Correlation 所用的算法为 

（6）

    这一算法仅适用于确定性信号中的瞬态信号，所以对于一般的情况就应该在程序中根据式（5）加以修正。
    进行自相关函数实验时，信号发生器将正弦波信号与白噪声信号迭加在一起送出，实验系统利用数字滤波器的选频作用得到各种典型信号，然后进行自相关分析。进行互相关函数实验时信号发生器由两个信道送出正弦波信号，在程序运行中调整它们的频率和相位（相移代替时移） ，测试出相关函数，并验证同频相关、不同频不相关和正弦与余弦不相关等相关理论。
    这部分实验的大多内容也可以脱离硬件进行，信号发生器程序产生信号，在软件内部将数据传递给数字信号处理系统。这样将大大降低实验成本。也可以将程序编译后脱离 LabVIEW 环境运行，在普通计算机上进行测试信号处理的各种实验教学，进一步扩大它的应用范围。       
      
机械参数测试实验教学      
    根据机械工程测试教学的需要，机械参数测试主要进行以下内容的实验。
    1 应变测试
    在应变梁上按不同形式粘贴好电阻式应变片，信号调理器完成组桥并提供激励电压和进行信号的放大、 滤波。 LabVIEW 提供的 Convert Strain Gauge Reading.vi 可以将 4 种半桥和 3 种全桥的应变片电压信号转换成应变值。通过实验可以对不同组桥方式所测得的信号电压输出值进行比较，掌握电桥和差特性。并可以根据Convert Strain Gauge Reading函数输出的应变值，描绘出各种形式应变梁的挠曲轴，计算出梁的最大挠度值，构成一台高效的多功能数字式应变仪。
    2 位移测试
    位移传感器采用近年来发展起来的导电塑料电位计，学生根据传感器的电阻分压电路，推导出位移与信号电压的关系式，并根据此式编写位移测试的程序。实验中用读数值 0.02 毫米的游标卡尺测试位移传感器的位移量，代替被测量实际值，作为测试装置的输入值，对位移传感器进行静态标定。在计算系统线性度时，用最小二乘法拟合直线精度最高，但计算比较繁琐。LabVIEW 的 Linear Fit.vi 帮助我们解决了复杂的计算问题。利用 LabVIEW 的文件输入输出函数进行实验数据存取，可以极大的提高实验效率。


3 压力测试
    压力测试采用 BPR-2 型应变式压力传感器，以小型手压泵做压力信号源，根据传感器出厂标定值编写程序。
4 流量测试
    采用液压试验台上带电脉冲信号输出的椭圆齿轮流量计做传感器， 使用 LabVIEW 的计数器 VI 测量流量计的频率，再根据脉冲当量换算出流量值。此实验和压力测试实验结合，可以测出液压泵的流量—压力特性，将多学科实验交叉进行。
5 温度测试
    采用热电阻做温度传感器，由信号调理器提供激励电流。在数据采集卡的驱动程序中将传感器设置为European RTD，编程时即可按摄式温度值引用此测试值。
 
网络化的振动测试实验教学
    振动问题是机械工程领域一个十分重要的研究课题。振动测试在振动研究中占有重要地位。但是由于振动实验的信号源设备价格比较贵，占用空间比较大，不能每个学生配备一套。因此我们采用了网络化的振动测试实验教学方案。LabVIEW 的 DataSocket 技术为这种实验教学方案带来极大的便利。
    实验中教师机上运行服务器程序。函数发生器产生一个连续变化的正弦激励信号，通过数据采集卡进行D/A 转换后输出，经功率放大器送到激振器，使被测梁产生受迫振动。 
    被测梁的振动信号经压电加速度传感器拾振、电荷放大器将电荷转变为电压并放大后传递到数据采集卡。数据采集模块采集到的加速度信号通过 DataSocket VI 传输到计算机网络上。


    测试实验室计算机网络是校园网的一部分，从逻辑上它是一种总线型结构，采用广播网传输技术。实验室中任何一台机器发出的消息都能被所有机器接收到。所以当教师机运行振动测试服务器程序，采集被测对象加速度信号传输到计算机网络以后，同学只要在自己的计算机上运行振动测试客户端程序，并准确填写教师机的 IP 地址或网络标识名，就可以象自己的机器采集数据一样完成振动测试实验。
    数字滤波部分采用巴特沃斯低通滤波 VI Butterworth Filter，滤除信号的噪声和不需要的频率成分。根据测试需要选择滤波器截止频率，一般取 400Hz。
    积分模块调用了 Integral x(t).vi。该 VI 的算法是：

（7）

式中 n 为数组长度。

    经过对加速度变化率的累加，求得当前速度；经过对速度变化率的累加，求得当前位移。
趋势项是测试系统中某些因素引起的随时间变化的长周期系统误差。本次实验中构造了一个Detrend  VI消除趋势项。Detrend VI 调用了以最小二乘法拟合直线的 Linear Fit.vi 函数拟合趋势项，然后在数据中减去趋势项。这也是目前工程上消除趋势项最常用的方法。 
    由于在频谱分析的 VI 中使用快速傅立叶变换 FFT 存在着频率泄漏问题，影响了频率测试的精度。解决频率泄漏问题的主要方法之一是采用适当的窗函数。LabVIEW 海明窗、汉宁窗等十二种 VI。实验中采用了汉宁窗 VI，对时域信号进行加权处理。
    频谱分析部分用 Auto Power  spectrum.vi 数计算出时域信号的自功率谱；Spectrum Unit  Conversion.vi 将自功率谱转换为我们需要的格式；Power & Frequency Estimate.vi 估算出自功率谱中的频率峰值，即共振频率，近似代替被测系统固有频率并由此估计系统的阻尼比。

结论
    经过这些实验教学训练，学生更好的掌握了机械工程测试的有关内容和虚拟仪器编程技术；也有些学生根据各种专业课程上学到的知识，自己选择实验内容，自行设计实验方案，在 LabVIEW 环境中进行自己感兴趣的实验。由于我们的实验环境软硬件完全是工业标准的产品，学生在实验中开发的许多虚拟仪器完全可以直接应用到工程实践中去。有些毕业的学生，已经创造出了比传统的测试仪器具有更高智能、更高性能价格比、更加可靠及便于操作的虚拟仪器。我们的高等工程教育不再仅仅是让学生掌握今天已有的科学技术，而是培养他们能够在明天更好的去创造和发挥。这是工程教育教学适应当前测试技术世界先进水平的必然，是高等工程教育赶超世界先进水平的要求。  
        


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