基于LabVIEW的机械测试虚拟实验设计

王慧

德州学院机电工程系,山东 德州 253023

引言

《机械测试》课程是机械类专业的一门技术基础课，研究对象是机械工程领域相关物理量及工程量的测量和测量装置与系统的性能，包括物理量和其他工程量的测量方法、测试中常用的传感器、信号调理电路的工作原理、测试信号的分析和处理等。其中，信号处理知识理论性强、公式复杂；传感器的应用和测试过程抽象，学生只有通过足够的实验才能达到最佳的学习效果。

现在，大多数高校在机械工程测试实验教学中，设备陈旧、数量少、内容单一、以实验台的插线实验为主。在实验过程中，所有的实验过程、操作步骤都是事先规定好的，学生仅仅是做无需思考的重复劳动，很难培养学生的工程测试能力。

随着计算机技术和网络技术的不断发展，采用虚拟仪器设备代替传统物理仪器，缓解了经费不足导致实验资源缺乏等现象，有利于实验的开放性、灵活性、内容的多样化。课题以应用最广、功能最强的图形化软件集成开发环境—LabVIEW为平台，设计集虚拟仿真和机械量测试为一体的综合实验系统，解决了传统仪器、传统实验的弊端。

1 软件开发环境LabVIEW

LabVIEW（Laboratory Virtual instrument Engineering Workbench)是一种图形化的编程语言的开发环境，它广泛地被工业界、学术界和研究实验室所接受，视为一个标准的数据采集和仪器控制软件。LabVIEW集成了与满足GPIB、VXI、RS-232和RS-485协议的硬件及数据采集卡通讯的全部功能。它还内置了便于应用TCP/IP、ActiveX等软件标准的库函数。这是一个功能强大且灵活的软件。利用它可以方便地建立自己的虚拟仪器，其图形化的界面使得编程及使用过程都生动有趣。

图形化的程序语言，又称为“G”语言。使用这种语言编程时，基本上不写程序代码，取而代之的是流程图或框图。它尽可能利用了技术人员、科学家、工程师所熟悉的术语、图标和概念，因此，LabVIEW是一个面向最终用户的工具。它可以增强你构建自己的科学和工程系统的能力，提供了实现仪器编程和数据采集系统的便捷途径。使用它进行原理研究、设计、测试并实现仪器系统时，可以大大提高工作效率。

2 模拟仿真实验设计

《机械测试》课程中的信号描述和处理部分，计算量大，非常抽象，学生不容易掌握和理解，利用LabVIEW这个高效的虚拟仪器开发平台完成原理性、验证性、演示性实验。根据教学内容以及学生在学习过程中遇到的难点，开发各种具有针对性的虚拟实验，这样不仅节省了实验成本，而且更有利于学生对课本原理性知识的理解与掌握。学生在掌握LabVIEW图形化编程的基础上，还可以自己开发实验，从而摆脱现有仪器功能单一、内容固定的束缚，充分发挥自己的积极性与创造性。

利用LabVIEW平台设计了信号时域分析、频域分析，滤波、调制、信号的采样、加窗、相关分析等模块，下面简单介绍模块中的几个典型实验，来说明模拟仿真实验在《机械测试》课程教学中的具体应用。

2.1 信号频域分析模块

将两个固定频率的正弦信号相加，求其FFT变换，显示其频谱成分，如图1。频域分析模块还包含FFT的主要性质，包括：奇偶性、线性叠加、时移特性、频移特性等。

图1 时域显示和相应的频域显示

2.2 滤波模块

设计了多种滤波器，包括低通滤波器、高通滤波器、中值滤波器、IIR滤波器、FIR窗滤波器等。以低通滤波为例，将信号加上噪声，显示其频谱，滤去高频成分，再显示时域和频谱，如图2。

图2 低通滤波器

2.3 调制模块

主要设计了幅值调制和频率调制。以调幅为例，调制信号和载波的频率可调，提高调制系数可提高信噪比，调制系数一般小于1，太大将造成调制信号的失真，如图3。

图3 幅值调制

2.4 简单的信号处理

设计了自相关、时域卷积、互相关、反卷积等处理功能。以互相关为例，将叠加了白噪声的两个正弦信号求互相关，结果显示时域，如图4所示。

图4 互相关

2.5 加窗

设计了瞬时信号和窗函数、窗比较、窗噪声基底、窗重叠等功能。图5为信号加窗的频域分析。

图5 信号加窗的频域分析

还有采样模块、时域分析模块等，限于篇幅，不再赘述。

3 实时测量实验

测量机械工程领域常见的工程量，如位移、转速等信号，让学生初步掌握动态测量所需的基本技能，为学生进一步学习、研究和处理机械工程技术问题奠定基础。

3.1 位移测量

本实验目的是进行位移测试，并且求出测试系统的线性度、滞后度等静态特征。

3.1.1 硬件部分

采用差动变压器测量位移。实验仪器包括：±2V～±10V（步进可调）直流稳压电源、±15V直流稳压电源、音频振荡器、差动变压器、移相器、相敏检波器、低通滤波器、测微头。原理框图如图6所示。

图6 差动变压器测位移原理框图

3.1.2 软件部分

LabVIEW对位移信号的处理包括：信号的读取、信号的处理信号的记录等几部分。如图7所示。

图7 位移测试与系统静态特性实验

3.2 轴向位移和转速测量

其中轴向位移的测量和上述位移测量环节相似，不再赘述，下面主要讨论转速的测量。

3.2.1 硬件部分

光电式转速传感器有反射型和透射型二种，本实验装置是透射型的(光电断续器也称光耦)，传感器端部二内侧分别装有发光管和光电管，发光管发出的光源透过转盘上通孔后由光电管接收转换成电信号，实验原理框图如图8所示。

图8 转速测量的原理框图

需要的器件：转速调节0～24V直流稳压电源、+5V直流稳压电源、电压表、转动源、光电转速传感器

3.2.2 软件部分

转速前面板由输入信号显示、转速表、轴向位移显示、程序控制部分等组成。其中，输入信号显示部分可以直观的观察由光电传感器检测到的脉冲序列，转速也可以在转速表上读到，程序控制部分主要用于停止采集。见图9所示。

图9 轴向位移和转速测量实验

4 结语

开发了多个用于机械测试课程实验的模拟仿真实验和实时测量实验，不仅节省了实验成本，而且可以随时加入新的实验与研究成果，使机械测试课程实验内容和功能不断发展和完善，从而始终保持先进的水平[5]。学生在熟悉LabVIEW开发平台后，可以发挥自己的创造力，开发出更好、更先进的实验，激发学生的学习兴趣。仍然有需要改进的地方，应该进一步充实增加实验内容。

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