华东交通大学 机械工程测试技术课程设计

华东交通大学机械工程测试技术课程设计一、课程设计背景机械工程测试技术是机械工程专业的一门重要专业课程，它涉及到传感器技术、信号处理、数据采集与分析等多个领域的知识。通过课程设计，学生能够将所学的理论知识应用到实际工程问题中，提高学生的实践能力、创新能力和解决问题的能力。本次课程设计旨在让学生设计并实现一个基于虚拟仪器的机械工程测试系统，对机械部件的振动信号进行采集、分析和处理，从而深入理解机械工程测试技术的原理和应用。

二、课程设计目的1.巩固和加深对机械工程测试技术课程中传感器、信号处理、数据采集等知识的理解。2.掌握虚拟仪器开发平台的使用方法，学会运用LabVIEW软件进行测试系统的设计与实现。3.培养学生的实践能力和创新能力，使其能够独立完成一个实际的测试系统的设计、调试和分析。4.提高学生运用所学知识解决实际工程问题的能力，增强学生的工程意识和团队协作精神。

三、课程设计要求1.设计一个基于虚拟仪器的机械工程测试系统，能够采集机械部件的振动信号。2.对采集到的振动信号进行时域和频域分析，包括绘制波形图、频谱图等。3.能够实现信号的滤波处理，如低通滤波、高通滤波等。4.具备数据存储和读取功能，可将采集到的数据保存到文件中，并能够随时读取进行分析。5.设计友好的用户界面，便于操作和观察测试结果。

四、课程设计内容

（一）系统总体设计本测试系统主要由传感器、数据采集卡、计算机和虚拟仪器软件组成。传感器用于采集机械部件的振动信号，将其转换为电信号；数据采集卡负责将模拟电信号转换为数字信号，并传输到计算机中；计算机安装虚拟仪器软件，用于对采集到的数据进行处理、分析和显示。系统总体架构如图1所示。


图1系统总体架构图

（二）传感器选型根据机械部件振动信号的特点，选择加速度传感器。加速度传感器具有灵敏度高、频率响应范围宽等优点，能够较好地采集振动信号。本次设计选用[具体型号]加速度传感器，其灵敏度为[X]mV/g，量程为[X]g，频率响应范围为[X]Hz[X]Hz。

（三）数据采集卡选型数据采集卡的选择需要考虑采样频率、分辨率、通道数等参数。根据系统要求，采样频率应不低于振动信号最高频率的两倍，以满足Nyquist采样定理。本次设计选用[具体型号]数据采集卡，其采样频率最高可达[X]kHz，分辨率为[X]位，通道数为[X]路，能够满足系统的数据采集要求。

（四）虚拟仪器软件设计1.前面板设计使用LabVIEW软件设计用户界面，包括信号波形显示区、频谱显示区、滤波参数设置区、数据存储与读取按钮等。前面板设计应简洁明了，便于用户操作和观察测试结果。具体界面如图2所示。


图2前面板设计图

2.程序框图设计数据采集模块：通过调用LabVIEW中的数据采集函数库，实现对加速度传感器采集到的振动信号的采集。设置采样频率、采样点数等参数，并将采集到的数据存储到数组中。时域分析模块：对采集到的振动信号进行时域分析，绘制波形图。使用波形图表控件实时显示信号波形，并可以通过缩放和平移功能观察信号的细节。频域分析模块：对振动信号进行快速傅里叶变换（FFT），得到信号的频谱。绘制频谱图，分析信号的频率成分和幅值分布。滤波模块：实现低通滤波和高通滤波功能。用户可以在前面板上设置滤波参数，如截止频率、滤波器阶数等。通过调用LabVIEW中的滤波器设计函数，设计相应的滤波器，并对采集到的信号进行滤波处理。数据存储与读取模块：将采集到的数据保存到文件中，文件格式为[具体格式]。用户可以通过点击"保存数据"按钮进行数据存储。同时，提供"读取数据"按钮，用于读取已保存的数据文件，并在前面板上显示。

程序框图的主要部分如下所示：

```labview//数据采集部分DAQmxCreateTask("采集任务");DAQmxCreateAIVoltageChan("采集任务","模拟输入通道",DAQmx_Val_Cfg_Default,10.0,10.0,DAQmx_Val_Volts,NULL);DAQmxStartTask("采集任务");DAQmxReadAnalogF64("采集任务",10000,10.0,DAQmx_Val_GroupByChannel,data,10000,&read,NULL);DAQmxStopTask("采集任务");DAQmxClearTask("采集任务");

//时域分析部分WaveformChartPlot波形图显示区,data,read);

//频域分析部分FFTArray,data,read);MagnitudeSpectrumChartPlot频谱显示区,MagnitudeSpectrumArray);

//滤波部分//低通滤波示例FilterDesign,Lowpass,Butterworth,1000,5000,1);FilterApply,FilterDesign,data,read,FilteredData);

//数据存储与读取部分FileWrite,"data.txt",FilteredData,read);FileRead,"data.txt",ReadData);```

五、课程设计步骤

（一）硬件连接1.将加速度传感器的输出信号连接到数据采集卡的模拟输入通道。2.给数据采集卡接上电源，并确保其与计算机正确连接（如USB接口）。

（二）软件编程1.打开LabVIEW软件，创建一个新的VI（虚拟仪器）。2.根据系统总体设计和要求，在前面板和程序框图中添加相应的控件和函数，进行软件设计。3.按照程序框图设计的步骤，逐步实现数据采集、时域分析、频域分析、滤波以及数据存储与读取等功能。4.对程序进行调试，检查是否存在错误和逻辑问题。通过在前面板上设置不同的参数，观察程序运行结果是否符合预期。

（三）系统测试1.启动测试系统，运行采集程序，采集机械部件的振动信号。2.观察前面板上的信号波形图和频谱图，分析振动信号的时域和频域特征。3.对采集到的信号进行滤波处理，比较滤波前后信号的变化，并分析滤波效果。4.进行数据存储和读取操作，验证数据存储与读取功能是否正常。

（四）结果分析与总结1.根据测试结果，分析机械部件振动信号的特点，如频率分布、幅值大小等。2.讨论滤波处理对信号的影响，评估不同滤波参数下的滤波效果。3.总结课程设计过程中遇到的问题及解决方法，分析系统的优点和不足之处，并提出改进建议。

六、课程设计结果

（一）测试数据通过运行测试系统，采集到了机械部件在不同工况下的振动信号。以下是部分采集到的数据示例（以表格形式呈现）：

|采样点序号|时间（s）|振动幅值（mV）||||||1|0.001|5.2||2|0.002|4.8||3|0.003|5.5||...|...|...|

（二）时域分析结果绘制了采集到的振动信号的波形图，如图3所示。从波形图可以看出，振动信号呈现出一定的周期性波动，幅值在一定范围内变化。


图3时域波形图

（三）频域分析结果对振动信号进行FFT变换后，得到了信号的频谱图，如图4所示。频谱图显示了信号的主要频率成分及其对应的幅值。通过分析频谱图，可以确定振动信号的主频以及其他频率分量的分布情况。


图4频域频谱图

（四）滤波处理结果分别进行了低通滤波和高通滤波处理，并与原始信号进行了对比。以低通滤波为例，设置截止频率为1000Hz，滤波器阶数为5。滤波后的信号波形图如图5所示。可以明显看出，低通滤波有效地滤除了高频噪声，使信号更加平滑。


图5低通滤波后波形图

（五）数据存储与读取结果成功将采集到的数据保存到文件中，并能够正确读取已保存的数据文件。通过读取数据文件，验证了数据存储的完整性和准确性。

七、课程设计总结通过本次机械工程测试技术课程设计，学生深入了解了机械工程测试系统的组成和工作原理，掌握了虚拟仪器软件LabVIEW的使用方法，实现了对机械部件振动信号的采集、分析和处理。在课程设计过程中，学生遇到了一些问题，如硬件连接不稳定、软件编程逻辑错误等，但通过查阅资料、请教老师和同学，最终都得到了解决。

通过实际操作和调试，学生不仅提高了自己的实践能力和创新能力，还培养了严谨的科学态度和团队协作精神。同时，本次课程设计也让学生认识到理论知识与实际应用之间的差距，为今后进一步学习和从事相关工程领域的工作打下了坚实的基础。

然而，本测试系统还存在一些不足之处。例如，系