應用領域：院校 使用產品：LabVIEW5.1 完全開發(fā)版，PCI-6024E 多功能數(shù)據采集卡等。 挑戰(zhàn)：在一般工科院校中，配置多套價格昂貴，操作復雜的動態(tài)信號分析儀器，用于《設備故障診斷技術》的實驗教學是不可能的。 應用方案： 使用NationalInstruments 公司的LabVIEW 圖形化編程平臺，PCI-6024E 多功能數(shù)據采集卡，外加相應的傳感器及振動計、噪聲計等測量儀器，完成《設備故障診斷技術》課程的實驗教學。 介紹：虛擬儀器技術具有高效、易用、開放、靈活、更新快、功能強大、性價比高、用戶定義等諸多優(yōu)點。用于開設設備故障診斷技術的實驗課，提高了實驗效率，降低了實驗成本，增強了學生學習的積極性，取得了良好的教學效果。如果使用功能固定的臺式儀器，如頻譜分析儀、模擬濾波 器、數(shù)字存儲示波器、動態(tài)信號分析儀等。不僅價格昂貴，而且操作技術復雜。在院校實驗室進行多套配置，用于實驗教學是不可能的。 一：用虛擬儀器取代功能固定的臺式儀器,完成眾多內容的教學實驗，是《設備故障診斷技術》課程實驗教學的最佳選擇。 《設備故障診斷技術》（MachineCondition Diagnosis technique 縮寫為CDT）是近期興起的一門包含有很多新技術內容的綜合性技術。我院把它作為工業(yè)電氣自動化專業(yè)的必修課。這是一門應用性、實踐性很強的課程。對高職層次的學生而言，學好這門課，對他們的求職、就業(yè)具有一定的實際意義。所以實驗教學水平的高低就成為教學質量的關鍵環(huán)節(jié)之一。 CDT 有豐富的實驗內容，如隨機、瞬態(tài)和復雜周期信號的采集、顯示與識別，時域-頻域變換及譜分析，時域信號模擬和數(shù)字處理，相關分析，帶寬分析，模態(tài)分析，概率統(tǒng)計等。但是，這些實驗內容不同于一般的教學實驗，需要多類、多臺價格昂貴的儀器作為支持。如一臺HP3562A動態(tài)信號分析儀，價值人民幣近20萬元，一臺B&K 的2010B 頻率分析儀，價值人民幣16 萬元。即要開好實驗，又不可能投入超常的資金，這是一個十分突出的矛盾。我們的實驗室只配備了一套相應實驗設備，可以開設大部分實驗。但學生做實驗只能分組輪流進行。建立虛擬儀器技術實驗室之后，情況就大為改觀。不僅可完成電工、電子學、電氣測量等基礎課程的實驗，還為CDT 教學實驗提供了廣泛的發(fā)展天地。真正體現(xiàn)了虛擬儀器技術“軟件就是儀器”，“一臺計算機就是一個實驗室”的特殊優(yōu)勢。 通過近一年的教學實踐，我們體會到，借助虛擬儀器技術完成CDT教學實驗的主要特點有下述幾個方面。 1、實驗設備的投資可顯著地降低，使開設CDT實驗成為可能。 目前，我們的虛擬儀器技術實驗室配備了十三個教學工位，其中十二個學生工位，一個教師工位。每臺計算機配置了LabVIEW 開發(fā)系統(tǒng)和PCI-6024E 多功能數(shù)采卡。教師機上還配置了示波器卡、萬用表卡和GPIB 卡。包括計算機在內總投資為人民幣二十三萬元。而如果采用功能固定的臺式儀器，主要由數(shù)字存儲示波器、動態(tài)信號分析儀、函數(shù)/任意波發(fā)生器、模擬濾波器、記錄儀等構成。以上儀器按六套計算，約需資金人民幣二百萬元。對一個高職工科院校而言，專門投資建設CDT 實驗室是不可能的，只能依靠虛擬儀器技術完成相關實驗。 2．實驗內容更豐富，更生動，更易于理解。 在LabVIEW開發(fā)平臺上，用戶可以利用強大的圖形化編程功能，生成自定義的CDT 實驗所需的儀器，也可以利用軟件自帶的例子，直接調用。這些儀器包括：多通道示波器、頻譜分析儀、任意函數(shù)發(fā)生器、數(shù)據記錄儀、各種功能的濾波器、曲線擬合、概率統(tǒng)計直方圖、噪聲處理、振動分析儀（仿真）、動態(tài)信號分析（仿真）等。內容十分豐富，人機界面友好。通過這些虛擬儀器，可以完成CDT教學大綱所規(guī)定的周期、振動、噪聲、隨機等各種信號的時域過程采集、參數(shù)測量及其譜分析，各種濾波器功能觀察及參數(shù)設定等十多個實驗。另外，由于高職層次學生數(shù)學基礎和教學時數(shù)的限定，學生對諸如相關分析、濾波器、概率統(tǒng)計、曲線擬合等數(shù)學分析方法很難理解。但是借助虛擬儀器的功能，就生動直觀地展示了其物理實質。在教師的指導下，就比較容易理解了，這是課堂講授很難作到的。 3．有更高的實驗效率，而且實驗成本很低。 用虛擬儀器完成CDT實驗，實驗效率大為提高。主要體現(xiàn)在二個方面，一是虛擬儀器作實驗，可以分成十二個組（每組二人）同時作。而用臺式儀器，由于只有一套測試設備，每次只能一個組（每組四人）。另一方面，用虛擬儀器作實驗，操作簡單，用臺式儀器作實驗，操作復雜。以時域信號的譜分析為例，調用虛擬儀器生成的頻譜分析儀后，只需要一次設定好設備號和通道字符即可運行，其它參數(shù)可在顯示中設定。而HP3562A動態(tài)信號分析儀則不然，需要經過測量方式、選擇測量、窗口、平均、頻率范圍、量程、顯示方式、坐標等十多個子菜單的正確設定后，才能啟動譜分析功能 。學生很生疏，很難熟練掌握。過去，做5-6 個實驗需要近20 學時，效果也不理想?，F(xiàn)在，做十多個實驗只要6-8 個學時，學生就比較熟悉了。另外，用臺式儀器作實驗，按十年壽命估算，一個學時的實驗要消耗上百元。而用虛擬儀器作實驗，成本低廉的多，維修量也很低。不像昂貴的臺式儀器那樣，生怕出問題，維修費也十分昂貴。 4．利用多媒體、校園網、因特網等計算機技術，實現(xiàn)教學手段的現(xiàn)代化。 在CDT的教學實踐中，借助虛擬儀器技術，就把儀器技術與計算機技術相結合，可以充分地利用計算機的軟硬件資源，緊跟信息時代的前進步伐。在實驗進行過程中，聲、光、動畫等各種手段相結合，使教學更生動、更形象，理論和實際相結合的更緊密。將來實現(xiàn)網絡化教學后，在數(shù)據傳輸、資源共享、信息下載和遠程教學各方面，就會提供更大的方便。如果不使用虛擬儀器技術，這些都是不可能的。 二．虛擬儀器技術應用于CDT實踐教學的實例 例一：在同一實驗條件下用虛擬頻譜分析儀和HP3562A 動態(tài)信號分析儀捕捉電機座的振動速度功率譜。如圖一、圖二所示。 [align=center] [/align] 說明：這是一個典型的電機振動譜圖，可以明顯看出，兩圖的功率譜線分布趨勢是基本相同的。二者的功率譜分布主要集中在500HZ 以下譜區(qū)內。峰值譜線對應的頻率都是為60～70（HZ），功率均為-37dB 左右。在1KHZ～1.6KHZ 和接近3KHZ 都有相同的功率譜線的起伏趨勢。在4.6KHZ 處尖峰，由于譜線分辨率的關系，虛擬頻譜分析儀雖有表現(xiàn)，但不明顯。應該說，用于教學實驗還是完全勝任的。況且虛擬頻譜分析儀還有原始的時域波形圖同時顯示。這就為實驗教學提供了很大方便。 例二：在同一實驗條下，用創(chuàng)建的自相關分析虛擬儀器和HP3562A 動態(tài)信號分析儀對同一個混有隨機噪聲的電機座振動信號進行自相關測量。提取復雜周期振動信號，如圖三、圖四所示。 [align=center] [/align] 說明：把圖三和圖四相比較，自相關后提取的振動波形為兩個形狀，周期，相位都十分相似的復雜周期振動信號。都有效地消除了隨機噪聲。而且，虛擬儀器還有一個顯示原始混有噪聲的振動波形圖。相比之下，比HP3562A更方便。這種分析，在CDT 中十分有用，講解起來很困難。但借助虛擬儀器技術真是又直觀，又方便。 三、結語 通過一年多的實踐，事實證明：借助虛擬儀器技術完成《設備故障診斷技術》課程中的相關實驗，具有實驗效率高、設備費用低、實驗內容豐富、使用方便、界面友好、集成性強、與計算機技術同步發(fā)展等明顯優(yōu)勢。這就為降低實驗成本，更新教學方法，提高教學質量起了非常重要的作用?？梢钥隙ǖ卣f，利用虛擬儀器技術，進行《設備故障診斷技術》的教學實驗，相對于電工技術，電子學技術的實驗而言，比使用功能固定的臺式儀器有更大的優(yōu)勢。當然，在分辨率、測量精度、動態(tài)范圍、長期穩(wěn)定性諸方面，相對于臺式儀器而言，虛擬儀器的性能還需進一步改善（這主要與我們的硬件配置相關）。但是，就教學實驗設備投資和保證教學質量而言，虛擬儀器有更高的性能價格比，這是確定無疑的。 綜上所述，我們認為：在《設備故障診斷技術》課程中，使用虛擬儀器技術完成相關實驗，是必要和可行的，是實驗教學的首選方案，也是相關實驗室建設的必由之路。 參考文獻 <1>labVIEW Use Manual National Instruments Corporation 1999 <2>馬法成，等. 虛擬儀器技術在實驗教學中的應用.第十屆VXI 技術研討會論文集，廣西北海，2001.4 ，105-109