基于项目教学法应用下的“机械工程测试技术”教学研究

郭建

摘要：“机械工程测试技术”是一门涉及传感器技术、数据采集技术、信号分析与处理技术、计算机控制技术等学科的专业基础课。本课程具有很强的实践性，在教学过程中既要重视理论知识的教学又要紧密地联系实际。随着机械自动化技术的不断发展和应用型人才的需求量不断增大，项目教学法越来越受到重视。本文探讨了项目教学法在“机械工程测试技术”在教学中的应用。

关键词：机械工程测试技术；项目教学法；应用

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2016）18-0178-02

一、引言

“机械工程测试技术”是一门专业基础课，这门课要求学生能够合理地选用测试装置从机械设备中提取所需的特征信息，掌握振动测试所需的专业知识和技能。本课程具有很强的实践性，在教学过程中既要重视理论知识的教学又要紧密地联系实际，这有助于学生牢固地熟练掌握测试技术的方法，为以后的实际应用做好前期的铺垫。随着机械自动化技术的不断发展和应用型人才的需求量不断增大，项目教学法越来越受到重视。本文探讨了项目教学法在“机械工程测试技术”中的应用。

二、课程的特点以及存在的问题

1.机械工程测试技术的特点。机械工程测试技术包含测试和试验两方面的含义，测试是人类认识客观世界的手段，是科学研究的基本方法；试验是机械工程基础研究、创新设计、控制系统设计的重要环节[1]。测试技术的课程内容主要包括测试信号的描述、信号的分析与处理、测试系统的静态和动态特性、机械常用的传感器、信号的调理等内容；要求学生掌握信号在时域与频域的描述方法，建立明确的频域概念；掌握信号频谱分析、相关分析的基本原理和方法，了解数字信号处理的基本概念。

2.课程教学中存在的问题。在测试技术教学过程中，通过调查发现很多学生反映测试技术的理论教学内容枯燥，学生学完测试技术对传感器不认识，对信号的时域描述和频域描述只知道通过数学计算，不知道如何借助计算机进行时域分析和频域分析，遇到旋转机械的振动问题，不能将所学的理论和实际结合起来[2]。这与传统的教学方法与模式有一定的关系。传统的教学模式以老师教授理论知识为主，师生互动较少。虽然根据教学大纲安排了少量的测试技术的验证性试验课，还是缺乏和实际应用相关的探索性试验[3]。

以上问题表明，传统的机械工程测试技术教学方法与手段已经不能满足现代机械工程专业的培养要求，主要体现在以下三个方面：（1）随着计算机技术、传感器技术、数据存储技术、虚拟仪器技术的不断发展，课程的内容与重点和实际的工程应用的差距逐渐变大；（2）教学学时的压缩，教学的内容的增加；（3）教学老师缺乏实际的项目经验，只能侧重理论知识的教学，不能将理论知识和实际的工程实际很好地结合起来，导致学生解决实际振动测试问题能力较差。

三、基于项目的测试技术教学课程教学

1.项目教学的特点。项目教学法是进行机械工程测试教学过程中，实施一个和机械相关的工程测试项目，其目的在于将理论知识和实践教学有机地结合起来，提升学生分析和解决实际问题的能力[4]。与传统的教学法相比，不同之处体现在以下三个方面：（1）由原来的“以教师为中心”教学变成“师生共同学习”；（2）由原来的单纯理论学习变成理论与实践相结合；（3）由原来的验证性学习方式变为探索和验证性相结合的学习方式。在项目教学法中，学生不再是单纯的被动学习，而是主动地去学习探索，将所学的理论知识去解决实际问题。通常一个实际的工程项目要分成若干个子项目，在项目教学过程中，学生能够实际地接触到传感器、采集板卡、工控机等硬件，学生能根据要求研制实际的测试系统。

2.项目教学的选题。根据学校的实际情况，选择“汽轮机的在线监测振动测试和故障诊断系统研制”为研究课题。汽轮机是典型的旋转机械，“汽轮机的在线监测振动测试系统研制”综合应用机械工程测试技术实现对设备的运行状态进行在线振动监测。

3.项目教学的实施。汽轮机的在线监测振动测试和故障诊断系统的研制包含两部分：硬件设计和软件设计。常见的故障类型包括转子质量不平衡、转子不对中、动静碰磨、油膜涡动。频谱图不一样，无论什么故障，都会引起汽轮机的振动。振动信号中包含很多有用的信息，对振动信号采集。对采集的信号进行时域分析、频域分析、功率谱分析、时频分析。

硬件系统的设计，硬件系统包含传感器系统、动态数据采集板卡系统、嵌入式工控机系统，如图1所示。传感器是整个系统的重要部件，选用的是电涡流传感器和加速度传感器。电涡流传感器选用的是本特利公式生产的3300XL系列传感器，它可以采集转轴的轴向和径向振动、转速、相位等信号。加速度传感器主要采集的是基座振动、轴承振动、齿轮轴轴向振动等信号，汽轮机所处的环境较为恶劣，这就要加速度传感器具有便于安装和工作稳定性等特点。选用了NI公司的高灵敏度陶瓷剪切加速度傳感器，它具有抗干扰、体积小、噪声小、性价比高、抗粉尘、抗高温等优点。数据采集板卡选用的是NI PXIe-4300和NI PXIe-4492系列板卡。NI PXIe-4300板卡对电涡流传感器采集的信号进行处理，具有8路同步模拟输入通道，具有低通滤波的功能。NI PXIe-4492是一款适用于多通道振动监测的高精度采集板卡。

汽轮机的在线监测振动测试和故障诊断系统的研制包含两部分：硬件设计和软件设计。汽轮常见的故障类型包括转子质量不平衡、转子不对中、动静碰磨、油膜涡动。每一种类型故障的故障机理和时域图。频谱图不一样，无论什么故障，都会引起汽轮机的振动。振动信号中包含很多有用的信息，对振动信号采集。对采集的信号进行时域分析、频域分析、功率谱分析、时频分析。

硬件系统包含传感器系统、动态数据采集板卡系统、嵌入式工控机系统。传感器是整个系统的重要部件，选用的是电涡流传感器和加速度传感器。电涡流传感器选用的是本特利公式生产的3300XL系列传感器，可以采集转轴的轴向和径向振动、转速、相位等信号。加速度传感器主要采集的是基座振动、轴承振动、齿轮轴轴向振动等信号，汽轮机所处的环境较为恶劣，这就要加速度传感器具有便于安装和工作稳定性等特点。选用了NI公司的高灵敏度陶瓷剪切加速度传感器，它具有抗干扰、体积小、噪声小、性价比高、抗粉尘、抗高温等优点。数据采集板卡选用的是NI PXIe-4300和NI PXIe-4492系列板卡。NI PXIe-4300板卡对电涡流传感器采集的信号进行处理，具有8路同步模拟输入通道，具有低通滤波的功能。NI PXIe-4492是一款适用于多通道振动监测的高精度采集板卡，具有8路同步通道，能够完成单一系统的噪声、振动测试信号的采集。工控机系统是振动监测与故障诊断系统硬件和软件的载体，对汽轮机进行振动监测，产生数据很多，这就要求工控机具有较高的稳定性。在实际应用中，要考虑防尘防水、耐高温、耐振动冲击等不良环境。选用的工控机是NI PXIe-1082机箱，它具有8槽的高宽带背板，质量轻，体积小，能较好地满足测试系统的要求。

系统的软件基于Labview完成，它是图形化的编程语言，具有很多振动信号分析工具包。数据的采集端与分析端软件均采用模块化的编程，主要包括数据采集模块、实时显示模块、数据分析模块。信号分析模块包含频谱分析、时频分析、Bode图、幅值谱、功率谱。学生可以将测试技术学到的相关理论知识与实际的信号分析结合起来，提升分析问题的能力。如图2所示。

四、项目教学的整体评价

在为期一学期的项目教学中，通过实际的传感器的安装到硬件平台的搭建，在整个过程中学生主动学习和交流，促进学生学习主观能动性，培养学生以工程项目为核心的思维和工作方式，提高学生动手能力。学生通过完成拟工程项目来探索学习教学实践表明，该模式能较好地激发学生的学习兴趣，为实现培养工程应用型大学生的目标打下了坚实的基础，取得了较好的教学效果。

参考文献：

[1]赵玉清，张悦，杨琳琳.以项目案例为主线的测试技术教学模式[J].教学研究，2013，5（3）：95-98.

[2]李敏通，翟长远，史颖刚.项目教学法在“机械工程测试技术”教学中的应用[J].高教学刊，2015，24（3）：39-41.

[3]李敏通，朱兆龙，查峥.“机械工程测试技术”教学方法研究探讨[J].教育教学论坛，2012，2（3）：50-51.

[4]杨会成，王世芳.项目教学法在信号处理课程教学中的实践与探索[J].中国电力教育，2012，（29）：50-51.