基于LabVIEW的機械測試虛擬實驗設計

王慧

德州學院機電工程系,山東 德州 253023

引言

《機械測試》課程是機械類專業的一門技術基礎課，研究對象是機械工程領域相關物理量及工程量的測量和測量裝置與系統的性能，包括物理量和其他工程量的測量方法、測試中常用的傳感器、信號調理電路的工作原理、測試信號的分析和處理等。其中，信號處理知識理論性強、公式復雜；傳感器的應用和測試過程抽象，學生只有通過足夠的實驗才能達到最佳的學習效果。

現在，大多數高校在機械工程測試實驗教學中，設備陳舊、數量少、內容單一、以實驗臺的插線實驗為主。在實驗過程中，所有的實驗過程、操作步驟都是事先規定好的，學生僅僅是做無需思考的重復勞動，很難培養學生的工程測試能力。

隨著計算機技術和網絡技術的不斷發展，采用虛擬儀器設備代替傳統物理儀器，緩解了經費不足導致實驗資源缺乏等現象，有利于實驗的開放性、靈活性、內容的多樣化。課題以應用最廣、功能最強的圖形化軟件集成開發環境—LabVIEW為平臺，設計集虛擬仿真和機械量測試為一體的綜合實驗系統，解決了傳統儀器、傳統實驗的弊端。

1 軟件開發環境LabVIEW

LabVIEW（Laboratory Virtual instrument Engineering Workbench)是一種圖形化的編程語言的開發環境，它廣泛地被工業界、學術界和研究實驗室所接受，視為一個標準的數據采集和儀器控制軟件。LabVIEW集成了與滿足GPIB、VXI、RS-232和RS-485協議的硬件及數據采集卡通訊的全部功能。它還內置了便于應用TCP/IP、ActiveX等軟件標準的庫函數。這是一個功能強大且靈活的軟件。利用它可以方便地建立自己的虛擬儀器，其圖形化的界面使得編程及使用過程都生動有趣。

圖形化的程序語言，又稱為“G”語言。使用這種語言編程時，基本上不寫程序代碼，取而代之的是流程圖或框圖。它盡可能利用了技術人員、科學家、工程師所熟悉的術語、圖標和概念，因此，LabVIEW是一個面向最終用戶的工具。它可以增強你構建自己的科學和工程系統的能力，提供了實現儀器編程和數據采集系統的便捷途徑。使用它進行原理研究、設計、測試并實現儀器系統時，可以大大提高工作效率。

2 模擬仿真實驗設計

《機械測試》課程中的信號描述和處理部分，計算量大，非常抽象，學生不容易掌握和理解，利用LabVIEW這個高效的虛擬儀器開發平臺完成原理性、驗證性、演示性實驗。根據教學內容以及學生在學習過程中遇到的難點，開發各種具有針對性的虛擬實驗，這樣不僅節省了實驗成本，而且更有利于學生對課本原理性知識的理解與掌握。學生在掌握LabVIEW圖形化編程的基礎上，還可以自己開發實驗，從而擺脫現有儀器功能單一、內容固定的束縛，充分發揮自己的積極性與創造性。

利用LabVIEW平臺設計了信號時域分析、頻域分析，濾波、調制、信號的采樣、加窗、相關分析等模塊，下面簡單介紹模塊中的幾個典型實驗，來說明模擬仿真實驗在《機械測試》課程教學中的具體應用。

2.1 信號頻域分析模塊

將兩個固定頻率的正弦信號相加，求其FFT變換，顯示其頻譜成分，如圖1。頻域分析模塊還包含FFT的主要性質，包括：奇偶性、線性疊加、時移特性、頻移特性等。

圖1 時域顯示和相應的頻域顯示

2.2 濾波模塊

設計了多種濾波器，包括低通濾波器、高通濾波器、中值濾波器、IIR濾波器、FIR窗濾波器等。以低通濾波為例，將信號加上噪聲，顯示其頻譜，濾去高頻成分，再顯示時域和頻譜，如圖2。

圖2 低通濾波器

2.3 調制模塊

主要設計了幅值調制和頻率調制。以調幅為例，調制信號和載波的頻率可調，提高調制系數可提高信噪比，調制系數一般小于1，太大將造成調制信號的失真，如圖3。

圖3 幅值調制

2.4 簡單的信號處理

設計了自相關、時域卷積、互相關、反卷積等處理功能。以互相關為例，將疊加了白噪聲的兩個正弦信號求互相關，結果顯示時域，如圖4所示。

圖4 互相關

2.5 加窗

設計了瞬時信號和窗函數、窗比較、窗噪聲基底、窗重疊等功能。圖5為信號加窗的頻域分析。

圖5 信號加窗的頻域分析

還有采樣模塊、時域分析模塊等，限于篇幅，不再贅述。

3 實時測量實驗

測量機械工程領域常見的工程量，如位移、轉速等信號，讓學生初步掌握動態測量所需的基本技能，為學生進一步學習、研究和處理機械工程技術問題奠定基礎。

3.1 位移測量

本實驗目的是進行位移測試，并且求出測試系統的線性度、滯后度等靜態特征。

3.1.1 硬件部分

采用差動變壓器測量位移。實驗儀器包括：±2V～±10V（步進可調）直流穩壓電源、±15V直流穩壓電源、音頻振蕩器、差動變壓器、移相器、相敏檢波器、低通濾波器、測微頭。原理框圖如圖6所示。

圖6 差動變壓器測位移原理框圖

3.1.2 軟件部分

LabVIEW對位移信號的處理包括：信號的讀取、信號的處理信號的記錄等幾部分。如圖7所示。

圖7 位移測試與系統靜態特性實驗

3.2 軸向位移和轉速測量

其中軸向位移的測量和上述位移測量環節相似，不再贅述，下面主要討論轉速的測量。

3.2.1 硬件部分

光電式轉速傳感器有反射型和透射型二種，本實驗裝置是透射型的(光電斷續器也稱光耦)，傳感器端部二內側分別裝有發光管和光電管，發光管發出的光源透過轉盤上通孔后由光電管接收轉換成電信號，實驗原理框圖如圖8所示。

圖8 轉速測量的原理框圖

需要的器件：轉速調節0～24V直流穩壓電源、+5V直流穩壓電源、電壓表、轉動源、光電轉速傳感器

3.2.2 軟件部分

轉速前面板由輸入信號顯示、轉速表、軸向位移顯示、程序控制部分等組成。其中，輸入信號顯示部分可以直觀的觀察由光電傳感器檢測到的脈沖序列，轉速也可以在轉速表上讀到，程序控制部分主要用于停止采集。見圖9所示。

圖9 軸向位移和轉速測量實驗

4 結語

開發了多個用于機械測試課程實驗的模擬仿真實驗和實時測量實驗，不僅節省了實驗成本，而且可以隨時加入新的實驗與研究成果，使機械測試課程實驗內容和功能不斷發展和完善，從而始終保持先進的水平[5]。學生在熟悉LabVIEW開發平臺后，可以發揮自己的創造力，開發出更好、更先進的實驗，激發學生的學習興趣。仍然有需要改進的地方，應該進一步充實增加實驗內容。

[1]任樹飛.基于LabVIEW的虛擬實驗室的研究與開發：碩士學位論文.青島.青島大學,2010

[2]柏林，張曉鴿，劉小峰等.機械工程測試技術教學實驗系統[J]. 實驗技術與管理,2012.9，第29卷第九期

[3]孫艷紅，郁柏力.利用LabVIEW改革“測試技術”課程實驗教學初探.吉林工程技術師范學院學報,2011.5，第27卷第5期

[4]王磊，陶梅.精通LabVIEW8.0[M].北京：電子工業出版社,2007

[5]朱春梅,黃民. 機械類專業“測試技術”課程教學改革初探[J]. 中國電力教育,2009(12)

[6]熊詩波，黃長藝.機械工程測試技術基礎.北京：機械工業出版社,2006

[7]韓萍，康健.基于LabVIEW的信號處理技術應用演示及實驗系統設計[J].實驗技術與管理,2010.7

[8]岳洪偉.基于LabVIEW的數字信號處理虛擬實驗平臺實現.實驗技術與管理,2011.08

[9]孫斌,趙玉曉,張新娜. 基于虛擬儀器的自控原理實驗教學軟件開發[J]. 實驗技術與管理, 2012(05)

[10]趙玲,姚金寶. “信號與系統”虛擬實驗平臺架構設計[J].現代科學儀器,2012(03)

[11]蔡共宣. 虛擬儀器技術引入測試技術教學的研究與實踐[J].裝備制造技術,2009(02)

[12]王武禮,楊華. 基于虛擬儀器技術的計算機測控實驗平臺[J].實驗技術與管理,2010(01)