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(gè)全新的教學(xué)平臺(tái)，使學(xué)生能夠利用最先進(jìn)的技術(shù)去積極主動(dòng)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(tái)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(lái)為機(jī)械電子工程和鐵路電氣自動(dòng)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(lái)測(cè)試領(lǐng)域的主流技術(shù)。在這個(gè)基礎(chǔ)上學(xué)生自己開發(fā)出一整套機(jī)械工程測(cè)試實(shí)驗(yàn)的虛擬儀器，完成機(jī)械工程測(cè)試的全部實(shí)驗(yàn)，虛擬儀器與工程測(cè)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(lái)革命性的變化。在這個(gè)過(guò)程中LabVIEW 起到了不可替代的作用。 測(cè)試信號(hào)處理實(shí)驗(yàn)教學(xué) 信號(hào)處理是工程測(cè)試的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，只有通過(guò)這個(gè)環(huán)節(jié)才能獲取反映被測(cè)對(duì)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(cè)試中巨大優(yōu)勢(shì)的一個(gè)環(huán)節(jié)。我們?cè)O(shè)計(jì)的數(shù)字信號(hào)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(shí)內(nèi)搭建好一個(gè)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(hào)發(fā)生器 信號(hào)發(fā)生器可以為以后的各個(gè)實(shí)驗(yàn)提供一個(gè)信號(hào)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(hào)，能夠方便快捷的構(gòu)造一臺(tái)多信道的信號(hào)發(fā)生器。使用這一組VI 時(shí)，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(hào)發(fā)生器產(chǎn)生信號(hào)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(cè)試系統(tǒng)動(dòng)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(jì)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(gè)參數(shù)，一個(gè)數(shù)組是頻率響應(yīng)函數(shù)的模（Frequency Response Mag），即被測(cè)系統(tǒng)的幅頻特性；另一個(gè)是頻率響應(yīng)函數(shù)的幅角（Frequency Response Phase），即被測(cè)系統(tǒng)的相頻特性。 LabVIEW中還有其它一些VI 通過(guò)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?cè)趯?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?cè)O(shè)置為低通、高通、帶通和帶阻型濾波器。 實(shí)驗(yàn)時(shí)用沖激函數(shù)Impulse Pattern .vi作為系統(tǒng)激勵(lì)信號(hào)，它具有無(wú)限寬廣的頻譜；用各種數(shù)字濾波器作為測(cè)試系統(tǒng)。這樣既掌握了頻率響應(yīng)函數(shù)的測(cè)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(hào)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(shí)間軸的總采樣數(shù)； I ——沿時(shí)間軸的采樣序數(shù)； r ——間斷時(shí)移值。 作為有限長(zhǎng)采樣的相關(guān)函數(shù)估計(jì)為 但是在計(jì)算中隨著y（i）時(shí)移增大，x（i）和y（i）二離散序列可提供計(jì)算的長(zhǎng)度越來(lái)越短，所以計(jì)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(hào)中的瞬態(tài)信號(hào)，所以對(duì)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(shí)，信號(hào)發(fā)生器將正弦波信號(hào)與白噪聲信號(hào)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(hào)，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(shí)信號(hào)發(fā)生器由兩個(gè)信道送出正弦波信號(hào)，在程序運(yùn)行中調(diào)整它們的頻率和相位（相移代替時(shí)移），測(cè)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(hào)發(fā)生器程序產(chǎn)生信號(hào)，在軟件內(nèi)部將數(shù)據(jù)傳遞給數(shù)字信號(hào)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(jì)算機(jī)上進(jìn)行測(cè)試信號(hào)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(cè)試實(shí)驗(yàn)教學(xué) 根據(jù)機(jī)械工程測(cè)試教學(xué)的需要，機(jī)械參數(shù)測(cè)試主要進(jìn)行以下內(nèi)容的實(shí)驗(yàn)。 1 應(yīng)變測(cè)試 在應(yīng)變梁上按不同形式粘貼好電阻式應(yīng)變片，信號(hào)調(diào)理器完成組橋并提供激勵(lì)電壓和進(jìn)行信號(hào)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(hào)轉(zhuǎn)換成應(yīng)變值。通過(guò)實(shí)驗(yàn)可以對(duì)不同組橋方式所測(cè)得的信號(hào)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(jì)算出梁的最大撓度值，構(gòu)成一臺(tái)高效的多功能數(shù)字式應(yīng)變儀。 2 位移測(cè)試 位移傳感器采用近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的導(dǎo)電塑料電位計(jì)，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(hào)電壓的關(guān)系式，并根據(jù)此式編寫位移測(cè)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(cè)試位移傳感器的位移量，代替被測(cè)量實(shí)際值，作為測(cè)試裝置的輸入值，對(duì)位移傳感器進(jìn)行靜態(tài)標(biāo)定。在計(jì)算系統(tǒng)線性度時(shí)，用最小二乘法擬合直線精度最高，但計(jì)算比較繁瑣。LabVIEW 的Linear Fit.vi 幫助我們解決了復(fù)雜的計(jì)算問(wèn)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(cè)試 壓力測(cè)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(hào)源，根據(jù)傳感器出廠標(biāo)定值編寫程序。 4 流量測(cè)試 采用液壓試驗(yàn)臺(tái)上帶電脈沖信號(hào)輸出的橢圓齒輪流量計(jì)做傳感器，使用LabVIEW 的計(jì)數(shù)器VI 測(cè)量流量計(jì)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(cè)試實(shí)驗(yàn)結(jié)合，可以測(cè)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(cè)試 采用熱電阻做溫度傳感器，由信號(hào)調(diào)理器提供激勵(lì)電流。在數(shù)據(jù)采集卡的驅(qū)動(dòng)程序中將傳感器設(shè)置為European RTD，編程時(shí)即可按攝式溫度值引用此測(cè)試值。 網(wǎng)絡(luò)化的振動(dòng)測(cè)試實(shí)驗(yàn)教學(xué) 振動(dòng)問(wèn)題是機(jī)械工程領(lǐng)域一個(gè)十分重要的研究課題。振動(dòng)測(cè)試在振動(dòng)研究中占有重要地位。但是由于振動(dòng)實(shí)驗(yàn)的信號(hào)源設(shè)備價(jià)格比較貴，占用空間比較大，不能每個(gè)學(xué)生配備一套。因此我們采用了網(wǎng)絡(luò)化的振動(dòng)測(cè)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(lái)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(gè)連續(xù)變化的正弦激勵(lì)信號(hào)，通過(guò)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(cè)梁產(chǎn)生受迫振動(dòng)。 被測(cè)梁的振動(dòng)信號(hào)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(hào)通過(guò)DataSocket VI 傳輸?shù)接?jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)上。 測(cè)試實(shí)驗(yàn)室計(jì)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(tái)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(dòng)測(cè)試服務(wù)器程序，采集被測(cè)對(duì)象加速度信號(hào)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)以后，同學(xué)只要在自己的計(jì)算機(jī)上運(yùn)行振動(dòng)測(cè)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(shí)名，就可以象自己的機(jī)器采集數(shù)據(jù)一樣完成振動(dòng)測(cè)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(hào)的噪聲和不需要的頻率成分。根據(jù)測(cè)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(zhǎng)度。 經(jīng)過(guò)對(duì)加速度變化率的累加，求得當(dāng)前速度；經(jīng)過(guò)對(duì)速度變化率的累加，求得當(dāng)前位移。 趨勢(shì)項(xiàng)是測(cè)試系統(tǒng)中某些因素引起的隨時(shí)間變化的長(zhǎng)周期系統(tǒng)誤差。本次實(shí)驗(yàn)中構(gòu)造了一個(gè)Detrend VI消除趨勢(shì)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(shì)項(xiàng)，然后在數(shù)據(jù)中減去趨勢(shì)項(xiàng)。這也是目前工程上消除趨勢(shì)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(wèn)題，影響了頻率測(cè)試的精度。解決頻率泄漏問(wèn)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(duì)時(shí)域信號(hào)進(jìn)行加權(quán)處理。 頻譜分析部分用Auto Power spectrum.vi 數(shù)計(jì)算出時(shí)域信號(hào)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(cè)系統(tǒng)固有頻率并由此估計(jì)系統(tǒng)的阻尼比。 結(jié)論 經(jīng)過(guò)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(cè)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(shí)，自己選擇實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，自行設(shè)計(jì)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(cè)試儀器具有更高智能、更高性能價(jià)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(cè)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。