應(yīng)用領(lǐng)域：院校 使用產(chǎn)品：LabVIEW5.1 完全開發(fā)版，PCI-6024E 多功能數(shù)據(jù)采集卡等。 挑戰(zhàn)：在一般工科院校中，配置多套價(jià)格昂貴，操作復(fù)雜的動(dòng)態(tài)信號(hào)分析儀器，用于《設(shè)備故障診斷技術(shù)》的實(shí)驗(yàn)教學(xué)是不可能的。 應(yīng)用方案： 使用NationalInstruments 公司的LabVIEW 圖形化編程平臺(tái)，PCI-6024E 多功能數(shù)據(jù)采集卡，外加相應(yīng)的傳感器及振動(dòng)計(jì)、噪聲計(jì)等測(cè)量?jī)x器，完成《設(shè)備故障診斷技術(shù)》課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)。 介紹：虛擬儀器技術(shù)具有高效、易用、開放、靈活、更新快、功能強(qiáng)大、性價(jià)比高、用戶定義等諸多優(yōu)點(diǎn)。用于開設(shè)設(shè)備故障診斷技術(shù)的實(shí)驗(yàn)課，提高了實(shí)驗(yàn)效率，降低了實(shí)驗(yàn)成本，增強(qiáng)了學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，取得了良好的教學(xué)效果。如果使用功能固定的臺(tái)式儀器，如頻譜分析儀、模擬濾波 器、數(shù)字存儲(chǔ)示波器、動(dòng)態(tài)信號(hào)分析儀等。不僅價(jià)格昂貴，而且操作技術(shù)復(fù)雜。在院校實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行多套配置，用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)是不可能的。 一：用虛擬儀器取代功能固定的臺(tái)式儀器,完成眾多內(nèi)容的教學(xué)實(shí)驗(yàn)，是《設(shè)備故障診斷技術(shù)》課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)的最佳選擇。 《設(shè)備故障診斷技術(shù)》（MachineCondition Diagnosis technique 縮寫為CDT）是近期興起的一門包含有很多新技術(shù)內(nèi)容的綜合性技術(shù)。我院把它作為工業(yè)電氣自動(dòng)化專業(yè)的必修課。這是一門應(yīng)用性、實(shí)踐性很強(qiáng)的課程。對(duì)高職層次的學(xué)生而言，學(xué)好這門課，對(duì)他們的求職、就業(yè)具有一定的實(shí)際意義。所以實(shí)驗(yàn)教學(xué)水平的高低就成為教學(xué)質(zhì)量的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一。 CDT 有豐富的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，如隨機(jī)、瞬態(tài)和復(fù)雜周期信號(hào)的采集、顯示與識(shí)別，時(shí)域-頻域變換及譜分析，時(shí)域信號(hào)模擬和數(shù)字處理，相關(guān)分析，帶寬分析，模態(tài)分析，概率統(tǒng)計(jì)等。但是，這些實(shí)驗(yàn)內(nèi)容不同于一般的教學(xué)實(shí)驗(yàn)，需要多類、多臺(tái)價(jià)格昂貴的儀器作為支持。如一臺(tái)HP3562A動(dòng)態(tài)信號(hào)分析儀，價(jià)值人民幣近20萬(wàn)元，一臺(tái)B&K 的2010B 頻率分析儀，價(jià)值人民幣16 萬(wàn)元。即要開好實(shí)驗(yàn)，又不可能投入超常的資金，這是一個(gè)十分突出的矛盾。我們的實(shí)驗(yàn)室只配備了一套相應(yīng)實(shí)驗(yàn)設(shè)備，可以開設(shè)大部分實(shí)驗(yàn)。但學(xué)生做實(shí)驗(yàn)只能分組輪流進(jìn)行。建立虛擬儀器技術(shù)實(shí)驗(yàn)室之后，情況就大為改觀。不僅可完成電工、電子學(xué)、電氣測(cè)量等基礎(chǔ)課程的實(shí)驗(yàn)，還為CDT 教學(xué)實(shí)驗(yàn)提供了廣泛的發(fā)展天地。真正體現(xiàn)了虛擬儀器技術(shù)“軟件就是儀器”，“一臺(tái)計(jì)算機(jī)就是一個(gè)實(shí)驗(yàn)室”的特殊優(yōu)勢(shì)。 通過(guò)近一年的教學(xué)實(shí)踐，我們體會(huì)到，借助虛擬儀器技術(shù)完成CDT教學(xué)實(shí)驗(yàn)的主要特點(diǎn)有下述幾個(gè)方面。 1、實(shí)驗(yàn)設(shè)備的投資可顯著地降低，使開設(shè)CDT實(shí)驗(yàn)成為可能。 目前，我們的虛擬儀器技術(shù)實(shí)驗(yàn)室配備了十三個(gè)教學(xué)工位，其中十二個(gè)學(xué)生工位，一個(gè)教師工位。每臺(tái)計(jì)算機(jī)配置了LabVIEW 開發(fā)系統(tǒng)和PCI-6024E 多功能數(shù)采卡。教師機(jī)上還配置了示波器卡、萬(wàn)用表卡和GPIB 卡。包括計(jì)算機(jī)在內(nèi)總投資為人民幣二十三萬(wàn)元。而如果采用功能固定的臺(tái)式儀器，主要由數(shù)字存儲(chǔ)示波器、動(dòng)態(tài)信號(hào)分析儀、函數(shù)/任意波發(fā)生器、模擬濾波器、記錄儀等構(gòu)成。以上儀器按六套計(jì)算，約需資金人民幣二百萬(wàn)元。對(duì)一個(gè)高職工科院校而言，專門投資建設(shè)CDT 實(shí)驗(yàn)室是不可能的，只能依靠虛擬儀器技術(shù)完成相關(guān)實(shí)驗(yàn)。 2．實(shí)驗(yàn)內(nèi)容更豐富，更生動(dòng)，更易于理解。 在LabVIEW開發(fā)平臺(tái)上，用戶可以利用強(qiáng)大的圖形化編程功能，生成自定義的CDT 實(shí)驗(yàn)所需的儀器，也可以利用軟件自帶的例子，直接調(diào)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(jù)記錄儀、各種功能的濾波器、曲線擬合、概率統(tǒng)計(jì)直方圖、噪聲處理、振動(dòng)分析儀（仿真）、動(dòng)態(tài)信號(hào)分析（仿真）等。內(nèi)容十分豐富，人機(jī)界面友好。通過(guò)這些虛擬儀器，可以完成CDT教學(xué)大綱所規(guī)定的周期、振動(dòng)、噪聲、隨機(jī)等各種信號(hào)的時(shí)域過(guò)程采集、參數(shù)測(cè)量及其譜分析，各種濾波器功能觀察及參數(shù)設(shè)定等十多個(gè)實(shí)驗(yàn)。另外，由于高職層次學(xué)生數(shù)學(xué)基礎(chǔ)和教學(xué)時(shí)數(shù)的限定，學(xué)生對(duì)諸如相關(guān)分析、濾波器、概率統(tǒng)計(jì)、曲線擬合等數(shù)學(xué)分析方法很難理解。但是借助虛擬儀器的功能，就生動(dòng)直觀地展示了其物理實(shí)質(zhì)。在教師的指導(dǎo)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(shí)驗(yàn)效率，而且實(shí)驗(yàn)成本很低。 用虛擬儀器完成CDT實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)效率大為提高。主要體現(xiàn)在二個(gè)方面，一是虛擬儀器作實(shí)驗(yàn)，可以分成十二個(gè)組（每組二人）同時(shí)作。而用臺(tái)式儀器，由于只有一套測(cè)試設(shè)備，每次只能一個(gè)組（每組四人）。另一方面，用虛擬儀器作實(shí)驗(yàn)，操作簡(jiǎn)單，用臺(tái)式儀器作實(shí)驗(yàn)，操作復(fù)雜。以時(shí)域信號(hào)的譜分析為例，調(diào)用虛擬儀器生成的頻譜分析儀后，只需要一次設(shè)定好設(shè)備號(hào)和通道字符即可運(yùn)行，其它參數(shù)可在顯示中設(shè)定。而HP3562A動(dòng)態(tài)信號(hào)分析儀則不然，需要經(jīng)過(guò)測(cè)量方式、選擇測(cè)量、窗口、平均、頻率范圍、量程、顯示方式、坐標(biāo)等十多個(gè)子菜單的正確設(shè)定后，才能啟動(dòng)譜分析功能 。學(xué)生很生疏，很難熟練掌握。過(guò)去，做5-6 個(gè)實(shí)驗(yàn)需要近20 學(xué)時(shí)，效果也不理想?，F(xiàn)在，做十多個(gè)實(shí)驗(yàn)只要6-8 個(gè)學(xué)時(shí)，學(xué)生就比較熟悉了。另外，用臺(tái)式儀器作實(shí)驗(yàn)，按十年壽命估算，一個(gè)學(xué)時(shí)的實(shí)驗(yàn)要消耗上百元。而用虛擬儀器作實(shí)驗(yàn)，成本低廉的多，維修量也很低。不像昂貴的臺(tái)式儀器那樣，生怕出問(wèn)題，維修費(fèi)也十分昂貴。 4．利用多媒體、校園網(wǎng)、因特網(wǎng)等計(jì)算機(jī)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)教學(xué)手段的現(xiàn)代化。 在CDT的教學(xué)實(shí)踐中，借助虛擬儀器技術(shù)，就把儀器技術(shù)與計(jì)算機(jī)技術(shù)相結(jié)合，可以充分地利用計(jì)算機(jī)的軟硬件資源，緊跟信息時(shí)代的前進(jìn)步伐。在實(shí)驗(yàn)進(jìn)行過(guò)程中，聲、光、動(dòng)畫等各種手段相結(jié)合，使教學(xué)更生動(dòng)、更形象，理論和實(shí)際相結(jié)合的更緊密。將來(lái)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化教學(xué)后，在數(shù)據(jù)傳輸、資源共享、信息下載和遠(yuǎn)程教學(xué)各方面，就會(huì)提供更大的方便。如果不使用虛擬儀器技術(shù)，這些都是不可能的。 二．虛擬儀器技術(shù)應(yīng)用于CDT實(shí)踐教學(xué)的實(shí)例 例一：在同一實(shí)驗(yàn)條件下用虛擬頻譜分析儀和HP3562A 動(dòng)態(tài)信號(hào)分析儀捕捉電機(jī)座的振動(dòng)速度功率譜。如圖一、圖二所示。 [align=center] [/align] 說(shuō)明：這是一個(gè)典型的電機(jī)振動(dòng)譜圖，可以明顯看出，兩圖的功率譜線分布趨勢(shì)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(nèi)。峰值譜線對(duì)應(yīng)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(shì)。在4.6KHZ 處尖峰，由于譜線分辨率的關(guān)系，虛擬頻譜分析儀雖有表現(xiàn)，但不明顯。應(yīng)該說(shuō)，用于教學(xué)實(shí)驗(yàn)還是完全勝任的。況且虛擬頻譜分析儀還有原始的時(shí)域波形圖同時(shí)顯示。這就為實(shí)驗(yàn)教學(xué)提供了很大方便。 例二：在同一實(shí)驗(yàn)條下，用創(chuàng)建的自相關(guān)分析虛擬儀器和HP3562A 動(dòng)態(tài)信號(hào)分析儀對(duì)同一個(gè)混有隨機(jī)噪聲的電機(jī)座振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行自相關(guān)測(cè)量。提取復(fù)雜周期振動(dòng)信號(hào)，如圖三、圖四所示。 [align=center] [/align] 說(shuō)明：把圖三和圖四相比較，自相關(guān)后提取的振動(dòng)波形為兩個(gè)形狀，周期，相位都十分相似的復(fù)雜周期振動(dòng)信號(hào)。都有效地消除了隨機(jī)噪聲。而且，虛擬儀器還有一個(gè)顯示原始混有噪聲的振動(dòng)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(lái)很困難。但借助虛擬儀器技術(shù)真是又直觀，又方便。 三、結(jié)語(yǔ) 通過(guò)一年多的實(shí)踐，事實(shí)證明：借助虛擬儀器技術(shù)完成《設(shè)備故障診斷技術(shù)》課程中的相關(guān)實(shí)驗(yàn)，具有實(shí)驗(yàn)效率高、設(shè)備費(fèi)用低、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容豐富、使用方便、界面友好、集成性強(qiáng)、與計(jì)算機(jī)技術(shù)同步發(fā)展等明顯優(yōu)勢(shì)。這就為降低實(shí)驗(yàn)成本，更新教學(xué)方法，提高教學(xué)質(zhì)量起了非常重要的作用?？梢钥隙ǖ卣f(shuō)，利用虛擬儀器技術(shù)，進(jìn)行《設(shè)備故障診斷技術(shù)》的教學(xué)實(shí)驗(yàn)，相對(duì)于電工技術(shù)，電子學(xué)技術(shù)的實(shí)驗(yàn)而言，比使用功能固定的臺(tái)式儀器有更大的優(yōu)勢(shì)。當(dāng)然，在分辨率、測(cè)量精度、動(dòng)態(tài)范圍、長(zhǎng)期穩(wěn)定性諸方面，相對(duì)于臺(tái)式儀器而言，虛擬儀器的性能還需進(jìn)一步改善（這主要與我們的硬件配置相關(guān)）。但是，就教學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)備投資和保證教學(xué)質(zhì)量而言，虛擬儀器有更高的性能價(jià)格比，這是確定無(wú)疑的。 綜上所述，我們認(rèn)為：在《設(shè)備故障診斷技術(shù)》課程中，使用虛擬儀器技術(shù)完成相關(guān)實(shí)驗(yàn)，是必要和可行的，是實(shí)驗(yàn)教學(xué)的首選方案，也是相關(guān)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)的必由之路。 參考文獻(xiàn) <1>labVIEW Use Manual National Instruments Corporation 1999 <2>馬法成，等. 虛擬儀器技術(shù)在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用.第十屆VXI 技術(shù)研討會(huì)論文集，廣西北海，2001.4 ，105-109