基于項目教學(xué)法應(yīng)用下的“機械工程測試技術(shù)”教學(xué)研究

郭建

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

關(guān)鍵詞：機械工程測試技術(shù)；項目教學(xué)法；應(yīng)用

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

一、引言

“機械工程測試技術(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試裝置從機械設(shè)備中提取所需的特征信息，掌握振動測試所需的專業(yè)知識和技能。本課程具有很強的實踐性，在教學(xué)過程中既要重視理論知識的教學(xué)又要緊密地聯(lián)系實際，這有助于學(xué)生牢固地熟練掌握測試技術(shù)的方法，為以后的實際應(yīng)用做好前期的鋪墊。隨著機械自動化技術(shù)的不斷發(fā)展和應(yīng)用型人才的需求量不斷增大，項目教學(xué)法越來越受到重視。本文探討了項目教學(xué)法在“機械工程測試技術(shù)”中的應(yīng)用。

二、課程的特點以及存在的問題

1.機械工程測試技術(shù)的特點。機械工程測試技術(shù)包含測試和試驗兩方面的含義，測試是人類認(rèn)識客觀世界的手段，是科學(xué)研究的基本方法；試驗是機械工程基礎(chǔ)研究、創(chuàng)新設(shè)計、控制系統(tǒng)設(shè)計的重要環(huán)節(jié)[1]。測試技術(shù)的課程內(nèi)容主要包括測試信號的描述、信號的分析與處理、測試系統(tǒng)的靜態(tài)和動態(tài)特性、機械常用的傳感器、信號的調(diào)理等內(nèi)容；要求學(xué)生掌握信號在時域與頻域的描述方法，建立明確的頻域概念；掌握信號頻譜分析、相關(guān)分析的基本原理和方法，了解數(shù)字信號處理的基本概念。

2.課程教學(xué)中存在的問題。在測試技術(shù)教學(xué)過程中，通過調(diào)查發(fā)現(xiàn)很多學(xué)生反映測試技術(shù)的理論教學(xué)內(nèi)容枯燥，學(xué)生學(xué)完測試技術(shù)對傳感器不認(rèn)識，對信號的時域描述和頻域描述只知道通過數(shù)學(xué)計算，不知道如何借助計算機進行時域分析和頻域分析，遇到旋轉(zhuǎn)機械的振動問題，不能將所學(xué)的理論和實際結(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為主，師生互動較少。雖然根據(jù)教學(xué)大綱安排了少量的測試技術(shù)的驗證性試驗課，還是缺乏和實際應(yīng)用相關(guān)的探索性試驗[3]。

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

三、基于項目的測試技術(shù)教學(xué)課程教學(xué)

1.項目教學(xué)的特點。項目教學(xué)法是進行機械工程測試教學(xué)過程中，實施一個和機械相關(guān)的工程測試項目，其目的在于將理論知識和實踐教學(xué)有機地結(jié)合起來，提升學(xué)生分析和解決實際問題的能力[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)變成理論與實踐相結(jié)合；（3）由原來的驗證性學(xué)習(xí)方式變?yōu)樘剿骱万炞C性相結(jié)合的學(xué)習(xí)方式。在項目教學(xué)法中，學(xué)生不再是單純的被動學(xué)習(xí)，而是主動地去學(xué)習(xí)探索，將所學(xué)的理論知識去解決實際問題。通常一個實際的工程項目要分成若干個子項目，在項目教學(xué)過程中，學(xué)生能夠?qū)嶋H地接觸到傳感器、采集板卡、工控機等硬件，學(xué)生能根據(jù)要求研制實際的測試系統(tǒng)。

2.項目教學(xué)的選題。根據(jù)學(xué)校的實際情況，選擇“汽輪機的在線監(jiān)測振動測試和故障診斷系統(tǒng)研制”為研究課題。汽輪機是典型的旋轉(zhuǎn)機械，“汽輪機的在線監(jiān)測振動測試系統(tǒng)研制”綜合應(yīng)用機械工程測試技術(shù)實現(xiàn)對設(shè)備的運行狀態(tài)進行在線振動監(jiān)測。

3.項目教學(xué)的實施。汽輪機的在線監(jiān)測振動測試和故障診斷系統(tǒng)的研制包含兩部分：硬件設(shè)計和軟件設(shè)計。常見的故障類型包括轉(zhuǎn)子質(zhì)量不平衡、轉(zhuǎn)子不對中、動靜碰磨、油膜渦動。頻譜圖不一樣，無論什么故障，都會引起汽輪機的振動。振動信號中包含很多有用的信息，對振動信號采集。對采集的信號進行時域分析、頻域分析、功率譜分析、時頻分析。

硬件系統(tǒng)的設(shè)計，硬件系統(tǒng)包含傳感器系統(tǒng)、動態(tài)數(shù)據(jù)采集板卡系統(tǒng)、嵌入式工控機系統(tǒng)，如圖1所示。傳感器是整個系統(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、轉(zhuǎn)速、相位等信號。加速度傳感器主要采集的是基座振動、軸承振動、齒輪軸軸向振動等信號，汽輪機所處的環(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。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、性價比高、抗粉塵、抗高溫等優(yōu)點。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板卡對電渦流傳感器采集的信號進行處理，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監(jiān)測的高精度采集板卡。

汽輪機的在線監(jiān)測振動測試和故障診斷系統(tǒng)的研制包含兩部分：硬件設(shè)計和軟件設(shè)計。汽輪常見的故障類型包括轉(zhuǎn)子質(zhì)量不平衡、轉(zhuǎn)子不對中、動靜碰磨、油膜渦動。每一種類型故障的故障機理和時域圖。頻譜圖不一樣，無論什么故障，都會引起汽輪機的振動。振動信號中包含很多有用的信息，對振動信號采集。對采集的信號進行時域分析、頻域分析、功率譜分析、時頻分析。

硬件系統(tǒng)包含傳感器系統(tǒng)、動態(tài)數(shù)據(jù)采集板卡系統(tǒng)、嵌入式工控機系統(tǒng)。傳感器是整個系統(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、轉(zhuǎn)速、相位等信號。加速度傳感器主要采集的是基座振動、軸承振動、齒輪軸軸向振動等信號，汽輪機所處的環(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。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、性價比高、抗粉塵、抗高溫等優(yōu)點。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板卡對電渦流傳感器采集的信號進行處理，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監(jiān)測的高精度采集板卡，具有8路同步通道，能夠完成單一系統(tǒng)的噪聲、振動測試信號的采集。工控機系統(tǒng)是振動監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)硬件和軟件的載體，對汽輪機進行振動監(jiān)測，產(chǎn)生數(shù)據(jù)很多，這就要求工控機具有較高的穩(wěn)定性。在實際應(yīng)用中，要考慮防塵防水、耐高溫、耐振動沖擊等不良環(huán)境。選用的工控機是NI PXIe-1082機箱，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，具有很多振動信號分析工具包。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、實時顯示模塊、數(shù)據(jù)分析模塊。信號分析模塊包含頻譜分析、時頻分析、Bode圖、幅值譜、功率譜。學(xué)生可以將測試技術(shù)學(xué)到的相關(guān)理論知識與實際的信號分析結(jié)合起來，提升分析問題的能力。如圖2所示。

四、項目教學(xué)的整體評價

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

參考文獻：

[1]趙玉清，張悅，楊琳琳.以項目案例為主線的測試技術(shù)教學(xué)模式[J].教學(xué)研究，2013，5（3）：95-98.

[2]李敏通，翟長遠，史穎剛.項目教學(xué)法在“機械工程測試技術(shù)”教學(xué)中的應(yīng)用[J].高教學(xué)刊，2015，24（3）：39-41.

[3]李敏通，朱兆龍，查崢.“機械工程測試技術(shù)”教學(xué)方法研究探討[J].教育教學(xué)論壇，2012，2（3）：50-51.

[4]楊會成，王世芳.項目教學(xué)法在信號處理課程教學(xué)中的實踐與探索[J].中國電力教育，2012，（29）：50-51.