紅外成像在礦山機械力學教學中的應用

摘 要：本文通過對齒輪嚙合這一現象的分析，說明紅外成像這一直觀獲取機械零件和設備受力狀態的技術在機械力學教學中應用的合理性和科學性，以期為優化機械力學教學提供參考。

關鍵詞：機械力學教學；紅外成像；力學特性；直觀認知

目前在常規的材料力學教學中可以發現，單純講解力學問題，可能會出現學生思維疲勞和注意力不集中的現象。為避免這種現象的發生，教師需要在課堂上提高學生的注意力，如采用一些與實際工程問題相結合的方法來活躍學生的思維，或者采用一些動態的模擬實驗來調動學生的學習積極性。本文在結合機械類力學教學以及機械類力學分析方法的基礎上，提出紅外成像在機械力學教學中的應用方案。

一、紅外成像在機械力學中的應用

一般而言，機械專業的學生首先要掌握機械的運行狀態以及機械的傳動方式，學生在機械原理機構創新試驗中能得以掌握，但是對于結構之間傳動過程中所受的載荷卻沒法直觀地感受到，為了能夠在機械原理機構創新試驗中讓學生感知機構傳動過程中每個機件的受載情況，本文提出采用紅外成像技術，將載荷情況通過圖片的形式表現出來，加深學生對機件配合以及機件傳動分析的認識。

該試驗方案首先應該選用相關的傳感器以及配套的下位機和上位機設備，設備具體包括紅外成像傳感器、信號調理模塊、上位機信號處理分析模塊等。

1. 紅外成像傳感器選用

紅外成像傳感器技術參數：（1）工作電壓：DC4.5V至20V；（2）電平輸出：高3.7V，低0V；（3）延時時間：可調（6～150秒）；（4）觸發方式：L不可重復，H可重復，默認值為H；（5）感應范圍：小于80度錐角，1米以內；（6）工作溫度：-5～+60度；（7）PCB外形尺寸：42*26mm，螺絲孔距38mm，螺絲孔徑2mm，感應透鏡尺寸：20mm（直徑）。

感應模塊通電后有1分鐘左右的初始化時間，在此期間模塊會間隔地輸出0～3次，1分鐘后進入待機狀態。應盡量避免燈光等干擾源近距離直射模塊表面的透鏡，以免引進干擾信號產生誤動作；使用環境盡量為無風環境，因為風也會對感應器造成干擾。紅外光譜到達雙元的時間、距離有差值，差值越大，感應越靈敏，為了增加感應角度范圍，本模塊采用圓形透鏡，也使得探頭四面都感應，但左右兩側仍然比上下兩個方向感應范圍大、靈敏度強，安裝時仍須盡量按照以上要求。

2. 上位機設計

本文采用LabVIEW圖形化軟件平臺進行測試系統的上位機開發。該上位機具有諸多功能，對有線的數據采集方式獲取的信號進行存儲、顯示操作及后續處理；用戶界面可以實時顯示試驗過程中采集信號的幾何學參數，該參數條件下的圖像顯示，具備連續顯示、峰值顯示等多種顯示模式。該試驗測試系統通過無線接收模塊接收信號，調理模塊發送的數字信號，根據數據處理結果進行各項預設操作，如實時顯示測量值、遠程設置或修改信號處理模塊的各項參數等。根據實際需要，每個紅外成像傳感器配備有線信號傳輸設備和一臺上位機。為了直觀地觀察測量數據，根據模擬機構試驗采集數據的要求，開發了數據采集系統。

3. 齒輪嚙合紅外感應圖像實驗

界面上共有四個顯示窗口，在模擬試驗過程中實時將采集得到的試驗參數，如滾筒轉速、滾筒的扭矩和鎬型截齒截割三向力等顯示出來。使用步驟為：第一步，點擊采集數據，根據彈出提示確定保存采集數據的位置；第二步，當試驗滾筒截割模擬煤壁時，點擊保存數據，采集到的模擬數據會保存到計算機中的指定位置并可以通過顯示界面實時觀測；第三步，當滾筒完成截割試驗時，點擊停止采集；第四步，點擊退出，采集系統程序停止運行，完成試驗數據測量過程。

齒輪嚙合過程中局部受載的情況，通過有限元仿真分析和紅外成像所得出的結果基本一致，所以說該方法可以用于直觀反映機械設備受力情況，雖然數值顯示得不夠準確，但是在后續的研究中可以采用準備標定的方法，將紅外成像顏色與機械構件受力聯系起來，進一步完善教學方案，同時保證教學的嚴謹性。

二、結論

在機械力學教學中，可以應用紅外成像這一直觀獲取機械零件和設備受力狀態的技術，本文通過對齒輪嚙合這一現象的分析說明該方法的合理性和科學性，在結合機械類力學教學以及機械類力學分析方法的基礎上，提出紅外成像在機械力學教學中的應用方案，有利于提升學生的學習興趣，提升機械力學課程教學效果。

參考文獻：

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