基于項(xiàng)目教學(xué)法應(yīng)用下的“機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)”教學(xué)研究

郭建

摘要：“機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)”是一門涉及傳感器技術(shù)、數(shù)據(jù)采集技術(shù)、信號(hào)分析與處理技術(shù)、計(jì)算機(jī)控制技術(shù)等學(xué)科的專業(yè)基礎(chǔ)課。本課程具有很強(qiáng)的實(shí)踐性，在教學(xué)過程中既要重視理論知識(shí)的教學(xué)又要緊密地聯(lián)系實(shí)際。隨著機(jī)械自動(dòng)化技術(shù)的不斷發(fā)展和應(yīng)用型人才的需求量不斷增大，項(xiàng)目教學(xué)法越來越受到重視。本文探討了項(xiàng)目教學(xué)法在“機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)”在教學(xué)中的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)；項(xiàng)目教學(xué)法；應(yīng)用

中圖分類號(hào)：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2016）18-0178-02

一、引言

“機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)”是一門專業(yè)基礎(chǔ)課，這門課要求學(xué)生能夠合理地選用測(cè)試裝置從機(jī)械設(shè)備中提取所需的特征信息，掌握振動(dòng)測(cè)試所需的專業(yè)知識(shí)和技能。本課程具有很強(qiáng)的實(shí)踐性，在教學(xué)過程中既要重視理論知識(shí)的教學(xué)又要緊密地聯(lián)系實(shí)際，這有助于學(xué)生牢固地熟練掌握測(cè)試技術(shù)的方法，為以后的實(shí)際應(yīng)用做好前期的鋪墊。隨著機(jī)械自動(dòng)化技術(shù)的不斷發(fā)展和應(yīng)用型人才的需求量不斷增大，項(xiàng)目教學(xué)法越來越受到重視。本文探討了項(xiàng)目教學(xué)法在“機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)”中的應(yīng)用。

二、課程的特點(diǎn)以及存在的問題

1.機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)的特點(diǎn)。機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)包含測(cè)試和試驗(yàn)兩方面的含義，測(cè)試是人類認(rèn)識(shí)客觀世界的手段，是科學(xué)研究的基本方法；試驗(yàn)是機(jī)械工程基礎(chǔ)研究、創(chuàng)新設(shè)計(jì)、控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重要環(huán)節(jié)[1]。測(cè)試技術(shù)的課程內(nèi)容主要包括測(cè)試信號(hào)的描述、信號(hào)的分析與處理、測(cè)試系統(tǒng)的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)特性、機(jī)械常用的傳感器、信號(hào)的調(diào)理等內(nèi)容；要求學(xué)生掌握信號(hào)在時(shí)域與頻域的描述方法，建立明確的頻域概念；掌握信號(hào)頻譜分析、相關(guān)分析的基本原理和方法，了解數(shù)字信號(hào)處理的基本概念。

2.課程教學(xué)中存在的問題。在測(cè)試技術(shù)教學(xué)過程中，通過調(diào)查發(fā)現(xiàn)很多學(xué)生反映測(cè)試技術(shù)的理論教學(xué)內(nèi)容枯燥，學(xué)生學(xué)完測(cè)試技術(shù)對(duì)傳感器不認(rèn)識(shí)，對(duì)信號(hào)的時(shí)域描述和頻域描述只知道通過數(shù)學(xué)計(jì)算，不知道如何借助計(jì)算機(jī)進(jìn)行時(shí)域分析和頻域分析，遇到旋轉(zhuǎn)機(jī)械的振動(dòng)問題，不能將所學(xué)的理論和實(shí)際結(jié)合起來[2]。這與傳統(tǒng)的教學(xué)方法與模式有一定的關(guān)系。傳統(tǒng)的教學(xué)模式以老師教授理論知識(shí)為主，師生互動(dòng)較少。雖然根據(jù)教學(xué)大綱安排了少量的測(cè)試技術(shù)的驗(yàn)證性試驗(yàn)課，還是缺乏和實(shí)際應(yīng)用相關(guān)的探索性試驗(yàn)[3]。

以上問題表明，傳統(tǒng)的機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)教學(xué)方法與手段已經(jīng)不能滿足現(xiàn)代機(jī)械工程專業(yè)的培養(yǎng)要求，主要體現(xiàn)在以下三個(gè)方面：（1）隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、傳感器技術(shù)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)技術(shù)、虛擬儀器技術(shù)的不斷發(fā)展，課程的內(nèi)容與重點(diǎn)和實(shí)際的工程應(yīng)用的差距逐漸變大；（2）教學(xué)學(xué)時(shí)的壓縮，教學(xué)的內(nèi)容的增加；（3）教學(xué)老師缺乏實(shí)際的項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)，只能側(cè)重理論知識(shí)的教學(xué)，不能將理論知識(shí)和實(shí)際的工程實(shí)際很好地結(jié)合起來，導(dǎo)致學(xué)生解決實(shí)際振動(dòng)測(cè)試問題能力較差。

三、基于項(xiàng)目的測(cè)試技術(shù)教學(xué)課程教學(xué)

1.項(xiàng)目教學(xué)的特點(diǎn)。項(xiàng)目教學(xué)法是進(jìn)行機(jī)械工程測(cè)試教學(xué)過程中，實(shí)施一個(gè)和機(jī)械相關(guān)的工程測(cè)試項(xiàng)目，其目的在于將理論知識(shí)和實(shí)踐教學(xué)有機(jī)地結(jié)合起來，提升學(xué)生分析和解決實(shí)際問題的能力[4]。與傳統(tǒng)的教學(xué)法相比，不同之處體現(xiàn)在以下三個(gè)方面：（1）由原來的“以教師為中心”教學(xué)變成“師生共同學(xué)習(xí)”；（2）由原來的單純理論學(xué)習(xí)變成理論與實(shí)踐相結(jié)合；（3）由原來的驗(yàn)證性學(xué)習(xí)方式變?yōu)樘剿骱万?yàn)證性相結(jié)合的學(xué)習(xí)方式。在項(xiàng)目教學(xué)法中，學(xué)生不再是單純的被動(dòng)學(xué)習(xí)，而是主動(dòng)地去學(xué)習(xí)探索，將所學(xué)的理論知識(shí)去解決實(shí)際問題。通常一個(gè)實(shí)際的工程項(xiàng)目要分成若干個(gè)子項(xiàng)目，在項(xiàng)目教學(xué)過程中，學(xué)生能夠?qū)嶋H地接觸到傳感器、采集板卡、工控機(jī)等硬件，學(xué)生能根據(jù)要求研制實(shí)際的測(cè)試系統(tǒng)。

2.項(xiàng)目教學(xué)的選題。根據(jù)學(xué)校的實(shí)際情況，選擇“汽輪機(jī)的在線監(jiān)測(cè)振動(dòng)測(cè)試和故障診斷系統(tǒng)研制”為研究課題。汽輪機(jī)是典型的旋轉(zhuǎn)機(jī)械，“汽輪機(jī)的在線監(jiān)測(cè)振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)研制”綜合應(yīng)用機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行在線振動(dòng)監(jiān)測(cè)。

3.項(xiàng)目教學(xué)的實(shí)施。汽輪機(jī)的在線監(jiān)測(cè)振動(dòng)測(cè)試和故障診斷系統(tǒng)的研制包含兩部分：硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)。常見的故障類型包括轉(zhuǎn)子質(zhì)量不平衡、轉(zhuǎn)子不對(duì)中、動(dòng)靜碰磨、油膜渦動(dòng)。頻譜圖不一樣，無論什么故障，都會(huì)引起汽輪機(jī)的振動(dòng)。振動(dòng)信號(hào)中包含很多有用的信息，對(duì)振動(dòng)信號(hào)采集。對(duì)采集的信號(hào)進(jìn)行時(shí)域分析、頻域分析、功率譜分析、時(shí)頻分析。

硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，硬件系統(tǒng)包含傳感器系統(tǒng)、動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集板卡系統(tǒng)、嵌入式工控機(jī)系統(tǒng)，如圖1所示。傳感器是整個(gè)系統(tǒng)的重要部件，選用的是電渦流傳感器和加速度傳感器。電渦流傳感器選用的是本特利公式生產(chǎn)的3300XL系列傳感器，它可以采集轉(zhuǎn)軸的軸向和徑向振動(dòng)、轉(zhuǎn)速、相位等信號(hào)。加速度傳感器主要采集的是基座振動(dòng)、軸承振動(dòng)、齒輪軸軸向振動(dòng)等信號(hào)，汽輪機(jī)所處的環(huán)境較為惡劣，這就要加速度傳感器具有便于安裝和工作穩(wěn)定性等特點(diǎn)。選用了NI公司的高靈敏度陶瓷剪切加速度傳感器，它具有抗干擾、體積小、噪聲小、性價(jià)比高、抗粉塵、抗高溫等優(yōu)點(diǎn)。數(shù)據(jù)采集板卡選用的是NI PXIe-4300和NI PXIe-4492系列板卡。NI PXIe-4300板卡對(duì)電渦流傳感器采集的信號(hào)進(jìn)行處理，具有8路同步模擬輸入通道，具有低通濾波的功能。NI PXIe-4492是一款適用于多通道振動(dòng)監(jiān)測(cè)的高精度采集板卡。

汽輪機(jī)的在線監(jiān)測(cè)振動(dòng)測(cè)試和故障診斷系統(tǒng)的研制包含兩部分：硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)。汽輪常見的故障類型包括轉(zhuǎn)子質(zhì)量不平衡、轉(zhuǎn)子不對(duì)中、動(dòng)靜碰磨、油膜渦動(dòng)。每一種類型故障的故障機(jī)理和時(shí)域圖。頻譜圖不一樣，無論什么故障，都會(huì)引起汽輪機(jī)的振動(dòng)。振動(dòng)信號(hào)中包含很多有用的信息，對(duì)振動(dòng)信號(hào)采集。對(duì)采集的信號(hào)進(jìn)行時(shí)域分析、頻域分析、功率譜分析、時(shí)頻分析。

硬件系統(tǒng)包含傳感器系統(tǒng)、動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集板卡系統(tǒng)、嵌入式工控機(jī)系統(tǒng)。傳感器是整個(gè)系統(tǒng)的重要部件，選用的是電渦流傳感器和加速度傳感器。電渦流傳感器選用的是本特利公式生產(chǎn)的3300XL系列傳感器，可以采集轉(zhuǎn)軸的軸向和徑向振動(dòng)、轉(zhuǎn)速、相位等信號(hào)。加速度傳感器主要采集的是基座振動(dòng)、軸承振動(dòng)、齒輪軸軸向振動(dòng)等信號(hào)，汽輪機(jī)所處的環(huán)境較為惡劣，這就要加速度傳感器具有便于安裝和工作穩(wěn)定性等特點(diǎn)。選用了NI公司的高靈敏度陶瓷剪切加速度傳感器，它具有抗干擾、體積小、噪聲小、性價(jià)比高、抗粉塵、抗高溫等優(yōu)點(diǎn)。數(shù)據(jù)采集板卡選用的是NI PXIe-4300和NI PXIe-4492系列板卡。NI PXIe-4300板卡對(duì)電渦流傳感器采集的信號(hào)進(jìn)行處理，具有8路同步模擬輸入通道，具有低通濾波的功能。NI PXIe-4492是一款適用于多通道振動(dòng)監(jiān)測(cè)的高精度采集板卡，具有8路同步通道，能夠完成單一系統(tǒng)的噪聲、振動(dòng)測(cè)試信號(hào)的采集。工控機(jī)系統(tǒng)是振動(dòng)監(jiān)測(cè)與故障診斷系統(tǒng)硬件和軟件的載體，對(duì)汽輪機(jī)進(jìn)行振動(dòng)監(jiān)測(cè)，產(chǎn)生數(shù)據(jù)很多，這就要求工控機(jī)具有較高的穩(wěn)定性。在實(shí)際應(yīng)用中，要考慮防塵防水、耐高溫、耐振動(dòng)沖擊等不良環(huán)境。選用的工控機(jī)是NI PXIe-1082機(jī)箱，它具有8槽的高寬帶背板，質(zhì)量輕，體積小，能較好地滿足測(cè)試系統(tǒng)的要求。

系統(tǒng)的軟件基于Labview完成，它是圖形化的編程語言，具有很多振動(dòng)信號(hào)分析工具包。數(shù)據(jù)的采集端與分析端軟件均采用模塊化的編程，主要包括數(shù)據(jù)采集模塊、實(shí)時(shí)顯示模塊、數(shù)據(jù)分析模塊。信號(hào)分析模塊包含頻譜分析、時(shí)頻分析、Bode圖、幅值譜、功率譜。學(xué)生可以將測(cè)試技術(shù)學(xué)到的相關(guān)理論知識(shí)與實(shí)際的信號(hào)分析結(jié)合起來，提升分析問題的能力。如圖2所示。

四、項(xiàng)目教學(xué)的整體評(píng)價(jià)

在為期一學(xué)期的項(xiàng)目教學(xué)中，通過實(shí)際的傳感器的安裝到硬件平臺(tái)的搭建，在整個(gè)過程中學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)和交流，促進(jìn)學(xué)生學(xué)習(xí)主觀能動(dòng)性，培養(yǎng)學(xué)生以工程項(xiàng)目為核心的思維和工作方式，提高學(xué)生動(dòng)手能力。學(xué)生通過完成擬工程項(xiàng)目來探索學(xué)習(xí)教學(xué)實(shí)踐表明，該模式能較好地激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，為實(shí)現(xiàn)培養(yǎng)工程應(yīng)用型大學(xué)生的目標(biāo)打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，取得了較好的教學(xué)效果。

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