基于項目教學法應用下的“機械工程測試技術”教學研究

郭建

摘要：“機械工程測試技術”是一門涉及傳感器技術、數據采集技術、信號分析與處理技術、計算機控制技術等學科的專業基礎課。本課程具有很強的實踐性，在教學過程中既要重視理論知識的教學又要緊密地聯系實際。隨著機械自動化技術的不斷發展和應用型人才的需求量不斷增大，項目教學法越來越受到重視。本文探討了項目教學法在“機械工程測試技術”在教學中的應用。

關鍵詞：機械工程測試技術；項目教學法；應用

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

一、引言

“機械工程測試技術”是一門專業基礎課，這門課要求學生能夠合理地選用測試裝置從機械設備中提取所需的特征信息，掌握振動測試所需的專業知識和技能。本課程具有很強的實踐性，在教學過程中既要重視理論知識的教學又要緊密地聯系實際，這有助于學生牢固地熟練掌握測試技術的方法，為以后的實際應用做好前期的鋪墊。隨著機械自動化技術的不斷發展和應用型人才的需求量不斷增大，項目教學法越來越受到重視。本文探討了項目教學法在“機械工程測試技術”中的應用。

二、課程的特點以及存在的問題

1.機械工程測試技術的特點。機械工程測試技術包含測試和試驗兩方面的含義，測試是人類認識客觀世界的手段，是科學研究的基本方法；試驗是機械工程基礎研究、創新設計、控制系統設計的重要環節[1]。測試技術的課程內容主要包括測試信號的描述、信號的分析與處理、測試系統的靜態和動態特性、機械常用的傳感器、信號的調理等內容；要求學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、相關分析的基本原理和方法，了解數字信號處理的基本概念。

2.課程教學中存在的問題。在測試技術教學過程中，通過調查發現很多學生反映測試技術的理論教學內容枯燥，學生學完測試技術對傳感器不認識，對信號的時域描述和頻域描述只知道通過數學計算，不知道如何借助計算機進行時域分析和頻域分析，遇到旋轉機械的振動問題，不能將所學的理論和實際結合起來[2]。這與傳統的教學方法與模式有一定的關系。傳統的教學模式以老師教授理論知識為主，師生互動較少。雖然根據教學大綱安排了少量的測試技術的驗證性試驗課，還是缺乏和實際應用相關的探索性試驗[3]。

以上問題表明，傳統的機械工程測試技術教學方法與手段已經不能滿足現代機械工程專業的培養要求，主要體現在以下三個方面：（1）隨著計算機技術、傳感器技術、數據存儲技術、虛擬儀器技術的不斷發展，課程的內容與重點和實際的工程應用的差距逐漸變大；（2）教學學時的壓縮，教學的內容的增加；（3）教學老師缺乏實際的項目經驗，只能側重理論知識的教學，不能將理論知識和實際的工程實際很好地結合起來，導致學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教學課程教學

1.項目教學的特點。項目教學法是進行機械工程測試教學過程中，實施一個和機械相關的工程測試項目，其目的在于將理論知識和實踐教學有機地結合起來，提升學生分析和解決實際問題的能力[4]。與傳統的教學法相比，不同之處體現在以下三個方面：（1）由原來的“以教師為中心”教學變成“師生共同學習”；（2）由原來的單純理論學習變成理論與實踐相結合；（3）由原來的驗證性學習方式變為探索和驗證性相結合的學習方式。在項目教學法中，學生不再是單純的被動學習，而是主動地去學習探索，將所學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，在項目教學過程中，學生能夠實際地接觸到傳感器、采集板卡、工控機等硬件，學生能根據要求研制實際的測試系統。

2.項目教學的選題。根據學校的實際情況，選擇“汽輪機的在線監測振動測試和故障診斷系統研制”為研究課題。汽輪機是典型的旋轉機械，“汽輪機的在線監測振動測試系統研制”綜合應用機械工程測試技術實現對設備的運行狀態進行在線振動監測。

3.項目教學的實施。汽輪機的在線監測振動測試和故障診斷系統的研制包含兩部分：硬件設計和軟件設計。常見的故障類型包括轉子質量不平衡、轉子不對中、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。

硬件系統的設計，硬件系統包含傳感器系統、動態數據采集板卡系統、嵌入式工控機系統，如圖1所示。傳感器是整個系統的重要部件，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的3300XL系列傳感器，它可以采集轉軸的軸向和徑向振動、轉速、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，汽輪機所處的環境較為惡劣，這就要加速度傳感器具有便于安裝和工作穩定性等特點。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、抗高溫等優點。數據采集板卡選用的是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測的高精度采集板卡。

汽輪機的在線監測振動測試和故障診斷系統的研制包含兩部分：硬件設計和軟件設計。汽輪常見的故障類型包括轉子質量不平衡、轉子不對中、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。

硬件系統包含傳感器系統、動態數據采集板卡系統、嵌入式工控機系統。傳感器是整個系統的重要部件，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的3300XL系列傳感器，可以采集轉軸的軸向和徑向振動、轉速、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，汽輪機所處的環境較為惡劣，這就要加速度傳感器具有便于安裝和工作穩定性等特點。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、抗高溫等優點。數據采集板卡選用的是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，能夠完成單一系統的噪聲、振動測試信號的采集。工控機系統是振動監測與故障診斷系統硬件和軟件的載體，對汽輪機進行振動監測，產生數據很多，這就要求工控機具有較高的穩定性。在實際應用中，要考慮防塵防水、耐高溫、耐振動沖擊等不良環境。選用的工控機是NI PXIe-1082機箱，它具有8槽的高寬帶背板，質量輕，體積小，能較好地滿足測試系統的要求。

系統的軟件基于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。數據的采集端與分析端軟件均采用模塊化的編程，主要包括數據采集模塊、實時顯示模塊、數據分析模塊。信號分析模塊包含頻譜分析、時頻分析、Bode圖、幅值譜、功率譜。學生可以將測試技術學到的相關理論知識與實際的信號分析結合起來，提升分析問題的能力。如圖2所示。

四、項目教學的整體評價

在為期一學期的項目教學中，通過實際的傳感器的安裝到硬件平臺的搭建，在整個過程中學生主動學習和交流，促進學生學習主觀能動性，培養學生以工程項目為核心的思維和工作方式，提高學生動手能力。學生通過完成擬工程項目來探索學習教學實踐表明，該模式能較好地激發學生的學習興趣，為實現培養工程應用型大學生的目標打下了堅實的基礎，取得了較好的教學效果。

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教學模式[J].教學研究，2013，5（3）：95-98.

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

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

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