基于MATLAB的机械工程测试仿真教学实践探讨

刘利++史颖刚++李敏通++赵继政++吴婷婷?

基金项目：西北农林科技大学2013年教学改革研究项目“信号处理课程群体系构建研究”（编号：JY1301008），2013年西北农林科技大学本科优质课程建设重点项目：机械工程测试技术。

摘要：在机械工程测试技术的教学中，引进软件仿真，在Matlab语言的支持下，构建GUI辅助教学界面，将许多测试技术中的理论，用图形方便的表达出来，形象生动的验证了信号调理、信号处理与分析，描述了机械工程测试系统的基本特性等相关理论。

关键词：MATLAB；GUI；测试技术

中图分类号：G642.0 文献标识码：A

一、引言

测试技术主要研究各种物理量的测量原理，和测量信号的分析处理方法。因此，机械工程测试技术的教与学，对各种基础理论的要求比较高，同时又具有较强的实践性，它综合应用高等数学、电子技术以及计算机知识，解决工程测试中信号的获取、转换、记录及处理分析等问题。理论与实践相结合是这门课程的特点，但是，在测试技术的实际教学中，理论分析和实践操作的对象，比较抽象，直观性差，好多学生不理解一些基本概念的物理意义，再加上一些学生没有掌握好先修课程，觉得公式太多，学习难度加大，学习热情降低，教学效果不理想。在课程的实践环节，部分学生不太明白操作目的、顺序，实验效果不是很好。因此，在机械工程测试技术的实践教学中，引入MATLAB语言，作为理论教学的补充，简化计算过程，使学生在课余时间随时上机验证课上老师讲授的理论，把结果以图形的方式表示出来；同时仿真软件能够仿真许多测试系统，可以引导学生理解实际的测试过程，对理论知识的掌握，起到事半功倍的效果。[1-2]。

二、MATLAB语言及GUI作图

MATLAB是一种高效的工程计算语言，在数值计算、数据处理、小波分析等方面有着广泛的应用。MATLAB可将数据或结果，以图形方式表示出来，具有直观、明显的效果。MATLAB提供了对用户图形界面（GUI）的支持，通过GUI作图可以方便的将许多测试技术中的理论用图形表达出来。利用构建的一个GUI教学界面，进行辅助教学。[3-4]

三、机械测试技术基本理论的MATLAB仿真教学

将MATLAB语言应用到机械工程测试技术基本理论教学中，可以验证包括信号调理、信号处理，测试系统的动态响应特性描述等方面的内容。

2.1 信号调理的MATLAB仿真

传感器输出的电信号，大部分要经过调理，才能适应后续的测试环节。常见的信号调理环节有：电桥、放大器、滤波器、调制器、數模转换器等。调制是信号调理的基本方法之一，工程中常用的调制方法为调幅与调频。调幅原理如图1所示，它是将一个高频简谐信号与测试信号相乘，使高频信号的幅值随测试信号的变化而变化。其结果就相当于把原信号的频谱图形从原点平移至载波频率处。所以调幅的过程也是频谱“搬移”的过程[5]。从图1中可以清晰看出：调制信号与载波信号相乘，将调制信号的频谱从原点处搬移到了载波频率200Hz处。

2.2信号处理分析中的MATLAB仿真

工程测试的过程，是从客观事物中提取有用信息的过程，也是信号处理分析的过程。求取信号的均值、方差、均方值以及信号的相关函数等方法，是常用的信号时域处理分析方法。对信号进行傅立叶变换，求取信号的频谱，是常用的信号频域处理分析方法。[5]

随机信号的时域波形及统计直方图，如图2所示。它的均值为0.0572，均方值为0.7509，均方根值为0.8665，标准差为0.8646，方差为0.7476。

正弦信号及白噪声信号的自相关函数图，如图3所示。从图中可以看出，正弦信号的自相关函数是和它同频的余弦函数。验证了自相关函数的性质：自相关函数是偶函数，若信号中含有周期成分，自相关图不衰减呈现周期性。白噪声信号是典型的随机信号，当τ=0时，取得最大值。τ偏离0时，很快衰减为0。

了解常用信号的频谱，对于分析信号组成，掌握信号变换实质具有重要作用。

在信号处理时，凡是将信号截断、分块都相当于对信号加了矩形窗。矩形窗函数及其频谱，如图4所示。由于矩形窗函数是一个无限带宽的sinc函数，所以即使x（t）是带限信号，在截断后也必然成为无限带宽的信号。所以信号截断一定会带来误差。[5]

2.3 系统动态响应特性描述中的MATLAB仿真测试

测试系统的特性，会直接影响到测试结果的正确性。因此，在测试之前，应了解所选测试系统的基本特性，尤其是动态响应特性。

由于高阶系统可以看成若干一阶或二阶系统的并联，所以研究一阶、二阶系统的特性就显得十分重要。一阶系统的幅频特性和相频特性、单位阶跃、单位脉冲响应曲线，如图5所示。从图中可以看出：一阶系统的幅频特性和相频特性曲线随着频率的增加而单调减小，衰减很快，具有低通滤波的特性[2]。一阶系统

单位阶跃响应满足 ，单位脉冲响应满足 。[1，5-10]

三、机械工程测试技术辅助教学界面

MATLAB提供用户图形界面（GUI）的支持，使用GUI创建的测试技术辅助教学界面[3]，如图6所示。在该界面上可以生动形象地验证测试技术中的许多基础理论，实践证明，这不仅仅可以帮助学生理解基本概念、理论、实践操作，而且，可部分优秀学生可以利用利用MATLAB语言扩充GUI界面，解决受实验设备的局限，而无法完成创新性实践教学的难题。[3-5]

四、结语

将MATLAB语言应用到测试技术的教学中，能够做到深入浅出，形象生动。有助于学生对理论的理解和深入。

本文利用MATLAB软件建立了机械工程测试技术的仿真模型，包括信号调制、时域分析、测试系统动态特性、典型信号频谱等方面的动态仿真、显示，使机械工程测试系统的产生原理，抛开了复杂的数学公式、电路原理，让学生形象化的理解测试系统的物理意义，及其暂态过程分析，易于理解和掌握，调动了学生的积极性，课堂教学效果显示，仿真教学手段的引入，不仅加深了学生测试系统的理论知识理解，而且，增强了学生的参与意识，以及创新意识，对于工程思维和创新思维的培养，起到了积极的促进作用。[1-2]

参考文献

[1] 卢建霞，屠大维，赵其杰，许烁. 机械工程测试技术实验教学创新平台设计.实验室研究与探索[J].2015，4：182-185

[2] 柏林，张晓鸽，刘小峰，杨冠琼. 机械工程测试技术教学实验系统.实验技术与管理[J].2012，9：79-82

[3] 陈垚光，毛涛涛，王正林等.精通MATLAB GUI设计[M].北京：电子工业出版社，2013，251-275

[4] 曾新红，电机机械特性仿真分析系统开发.实验室研究与探索[J].2012，10：201-203

[5] 熊诗波，黄长艺.机械工程测试技术基础[M].北京：机械工业出版社，2011，99-101

作者简介：刘利（1979- ），女，西北农林科技大学机电学院，讲师，研究方向：机电专业课程教学改革与建设endprint