應(yīng)用領(lǐng)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(xué)平臺，使學(xué)生能夠利用最先進(jìn)的技術(shù)去積極主動的學(xué)習(xí)，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)造性思維，提高高等工程教育的教學(xué)質(zhì)量。 應(yīng)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(dǎo)學(xué)生應(yīng)用自己開發(fā)的虛擬儀器完成專業(yè)課程的實(shí)驗(yàn)。 介紹:作者近年來為機(jī)械電子工程和鐵路電氣自動化專業(yè)學(xué)生開設(shè)了虛擬儀器課程，使學(xué)生掌握了這種未來測試領(lǐng)域的主流技術(shù)。在這個基礎(chǔ)上學(xué)生自己開發(fā)出一整套機(jī)械工程測試實(shí)驗(yàn)的虛擬儀器，完成機(jī)械工程測試的全部實(shí)驗(yàn)，虛擬儀器與工程測試兩門課程的學(xué)習(xí)有機(jī)的結(jié)合在一起。不僅顯著降低了實(shí)驗(yàn)設(shè)備投資，而且培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)新精神，提高了學(xué)生的工程素質(zhì)，為高等工程教育實(shí)驗(yàn)教學(xué)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(shí)驗(yàn)教學(xué) 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(jī)械工程測試中巨大優(yōu)勢的一個環(huán)節(jié)。我們設(shè)計的數(shù)字信號處理實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)充分考慮到工程實(shí)際需求，并使學(xué)生能在1 到2 學(xué)時內(nèi)搭建好一個虛擬儀器程序模塊，完成要求的實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)提供一個信號源，也能應(yīng)用在工程實(shí)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(yīng)設(shè)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。 update rate ——數(shù)據(jù)采集卡的模擬輸出刷新率設(shè)置參數(shù)。 2. 頻率響應(yīng)函數(shù)與數(shù)字濾波 頻率響應(yīng)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 LabVIEW 的Transfer Function.Vi 根據(jù)式（2）計算頻率響應(yīng)函數(shù)。頻率響應(yīng)函數(shù)是復(fù)數(shù)，所以它返回兩個參數(shù)，一個數(shù)組是頻率響應(yīng)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(yīng)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(yīng)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(shí)驗(yàn)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(shè)置為低通、高通、帶通和帶阻型濾波器。 實(shí)驗(yàn)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(yīng)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(yīng)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(dá)形式應(yīng)為 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 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(yīng)為 LabVIEW 提供的求相關(guān)函數(shù)的VI, Auto Correlation 和 Cross Correlation 所用的算法為 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(yīng)該在程序中根據(jù)式（5）加以修正。 進(jìn)行自相關(guān)函數(shù)實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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(jìn)行自相關(guān)分析。進(jìn)行互相關(guān)函數(shù)實(shí)驗(yàn)時信號發(fā)生器由兩個信道送出正弦波信號，在程序運(yùn)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(yàn)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(shí)驗(yàn)的大多內(nèi)容也可以脫離硬件進(jìn)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(shí)驗(yàn)成本。也可以將程序編譯后脫離LabVIEW 環(huán)境運(yùn)行，在普通計算機(jī)上進(jìn)行測試信號處理的各種實(shí)驗(yàn)教學(xué)，進(jìn)一步擴(kuò)大它的應(yīng)用范圍。 機(jī)械參數(shù)測試實(shí)驗(yàn)教學(xué) 根據(jù)機(jī)械工程測試教學(xué)的需要，機(jī)械參數(shù)測試主要進(jìn)行以下內(nèi)容的實(shí)驗(yàn)。 1 應(yīng)變測試 在應(yīng)變梁上按不同形式粘貼好電阻式應(yīng)變片，信號調(diào)理器完成組橋并提供激勵電壓和進(jìn)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(yīng)變片電壓信號轉(zhuǎn)換成應(yīng)變值。通過實(shí)驗(yàn)可以對不同組橋方式所測得的信號電壓輸出值進(jìn)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(yīng)變值，描繪出各種形式應(yīng)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(yīng)變儀。 2 位移測試 位移傳感器采用近年來發(fā)展起來的導(dǎo)電塑料電位計，學(xué)生根據(jù)傳感器的電阻分壓電路，推導(dǎo)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(shí)驗(yàn)中用讀數(shù)值0.02 毫米的游標(biāo)卡尺測試位移傳感器的位移量，代替被測量實(shí)際值，作為測試裝置的輸入值，對位移傳感器進(jìn)行靜態(tài)標(biāo)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(fù)雜的計算問題。利用LabVIEW 的文件輸入輸出函數(shù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)存取，可以極大的提高實(shí)驗(yàn)效率。 3 壓力測試 壓力測試采用BPR-2 型應(yīng)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(biāo)定值編寫程序。 4 流量測試 采用液壓試驗(yàn)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(dāng)量換算出流量值。此實(shí)驗(yàn)和壓力測試實(shí)驗(yàn)結(jié)合，可以測出液壓泵的流量—壓力特性，將多學(xué)科實(shí)驗(yàn)交叉進(jìn)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(shè)置為European RTD，編程時即可按攝式溫度值引用此測試值。 網(wǎng)絡(luò)化的振動測試實(shí)驗(yàn)教學(xué) 振動問題是機(jī)械工程領(lǐng)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(shí)驗(yàn)的信號源設(shè)備價格比較貴，占用空間比較大，不能每個學(xué)生配備一套。因此我們采用了網(wǎng)絡(luò)化的振動測試實(shí)驗(yàn)教學(xué)方案。LabVIEW 的DataSocket 技術(shù)為這種實(shí)驗(yàn)教學(xué)方案帶來極大的便利。 實(shí)驗(yàn)中教師機(jī)上運(yùn)行服務(wù)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(jìn)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(jī)網(wǎng)絡(luò)上。 測試實(shí)驗(yàn)室計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)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(shí)驗(yàn)室中任何一臺機(jī)器發(fā)出的消息都能被所有機(jī)器接收到。所以當(dāng)教師機(jī)運(yùn)行振動測試服務(wù)器程序，采集被測對象加速度信號傳輸?shù)接嬎銠C(jī)網(wǎng)絡(luò)以后，同學(xué)只要在自己的計算機(jī)上運(yùn)行振動測試客戶端程序，并準(zhǔn)確填寫教師機(jī)的IP 地址或網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識名，就可以象自己的機(jī)器采集數(shù)據(jù)一樣完成振動測試實(shí)驗(yàn)。 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： 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(dāng)前速度；經(jīng)過對速度變化率的累加，求得當(dāng)前位移。 趨勢項(xiàng)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(shí)驗(yàn)中構(gòu)造了一個Detrend VI消除趨勢項(xiàng)。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(xiàng)，然后在數(shù)據(jù)中減去趨勢項(xiàng)。這也是目前工程上消除趨勢項(xiàng)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(dāng)?shù)拇昂瘮?shù)。LabVIEW 海明窗、漢寧窗等十二種VI。實(shí)驗(yàn)中采用了漢寧窗VI，對時域信號進(jìn)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(shí)驗(yàn)教學(xué)訓(xùn)練，學(xué)生更好的掌握了機(jī)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(xué)生根據(jù)各種專業(yè)課程上學(xué)到的知識，自己選擇實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，自行設(shè)計實(shí)驗(yàn)方案，在LabVIEW 環(huán)境中進(jìn)行自己感興趣的實(shí)驗(yàn)。由于我們的實(shí)驗(yàn)環(huán)境軟硬件完全是工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品，學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中開發(fā)的許多虛擬儀器完全可以直接應(yīng)用到工程實(shí)踐中去。有些畢業(yè)的學(xué)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(xué)生掌握今天已有的科學(xué)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(xué)適應(yīng)當(dāng)前測試技術(shù)世界先進(jìn)水平的必然，是高等工程教育趕超世界先進(jìn)水平的要求。