科教融合的机械工程测试技术课外实验探索

董 明 李 曼 王川伟

（西安科技大学机械工程学院 陕西·西安 710054）

0 引言

随着信息化科技革命和产业变革的孕育和兴起，第四次工业革命正在悄然发生，不仅给全球经济带来了机遇和挑战，对我国的高等教育也带来了前所未有的挑战，因此，我们的课程教育也要积极应变[1-2]。伴随着第四次工业革命的进程和《中国制造2025》战略的提出，智能制造已成为国民经济的核心，在智能制造技术的帮助下，有效提高了产品质量、提升了企业生产效率和经济效益。智能系统不仅要实现各种数据的采集、处理和分析，还要准确执行指令，实现闭环反馈，最终实现自学习、自决策。虽然我国制造装备已实现数字化和自动化，但离真正的智能化还有很大差距[3]。机械工程测试技术是装备智能化的前提，在产品质量控制、装备状态在线监测及智能诊断等领域具有广阔的发展前景。社会急需机械工程测试技术相关的专门人才，这对于高等工科院校是一个难得的历史机遇[4]。

伴随着现代科学技术和学科课程的发展，教学理念发生了巨大转变，教学方式也由传统教学方式向现代教学方式转变[5]。传统教学以教师为中心，以教师课堂讲授为主，采用理论考试对学生进行评价，这种教育模式已不能满足学生创新能力和实践能力培养的要求。工程教育改革，需要在基础理论的学习中，巧妙地插入大量具体工程案例和产品实例以加深学生对各个知识点的熟练掌握，需要不断补充和完善新的教学内容以反映本学科最新的科技成果和发展动态，不断改变和突破现有的教学方法及手段以提高实际教学效果，以灵活多样的互动来激发学生的学习兴趣，使学生能够主动学习，成为课堂上学习知识的主人,适应第四次工业革命的要求[6]。另外，青年教师逐渐成为教学的主力，但他们自身在教学经验和教学成果上积淀尚弱，而要完成目前对机械工程测试技术课程的教学任务，提高教学质量，就要坚持贯彻“教学带动科研，科研促进教学，教学科研相长”的指导思想[7]，将科研成果转化为课程教学素材，使得教学内容及时更新，保持教学内容的先进性。

因此，依据机械工程测试技术课程的特点，结合现代先进教学理念和教学方法，把科研项目转化为教学项目，把科研项目涉及的先进技术、基础理论和基本技能，科研人员的创新精神融入课堂教学中，甚至将项目中实验平台的搭建工作作为学生课后的实践训练，以提高学生的动手能力和创新能力，更有利于培养学生的科研和探索精神，全面提高学生的综合素质。

1 机械工程测试技术课程现状

机械工程测试技术是我校机械工程专业本科生的专业基础课程，是专业培养计划中的学科基础课。通过该门课程的学习，掌握测试技术、信息处理技术的基本知识和方法，能将这些知识和方法用于对机械工程领域中复杂工程问题解决方案的分析、比较和综合。在课程中融入思政，职业文化和工匠精神，引导学生正确认识先进测试技术在制造业及国民经济中的地位和现状，培养学生的使命担当和社会责任感。

机械工程测试课程以信号为主线，教师课堂讲解理论知识点，包括信号产生、信号调理、信号处理、结果显示等，知识点多，且各章节相互独立，学起来枯燥。课程的先修课程包括高等数学、概率论与数理统计、大学物理、电工电子技术等课程，因为这些课程与本门课程间隔时间较长，也影响到了学习效果。传统的授课形式不能满足新工科建设要求培养复合实践创新人才的要求。结合学校实验教学条件、学校行业背景和教师主持的科研项目情况，将超声检测技术作为课外实验，将课堂理论教学时讲解的压电传感器基本工作原理、测试系统的组成、测试系统搭建和测试系统特性等知识点融入实验。

2 实验设计与实施

机械工程测试技术是门综合性较强的课程，各种技术的飞速发展，特别是各种新材料、新原理被开发出来，使得课本内容相对滞后。超声检测具有操作方便、穿透能力强、灵敏度高等优点，是应用最为广泛的一种无损检测方法。超声检测技术涉及压电传感器及其工作原理、微弱信号采集、信号处理等技术，与机械工程测试技术的教学内容相匹配。因此，超声检测相关知识可作为仪器科学与技术学科下的测试计量技术及仪器专业、材料科学与工程学科下的材料无损检测与评价专业或者是机械工程学科下的机械电子工程专业的课外实验。

2.1 实验原理

超声检测是指利用超声波对金属构件内部缺陷进行检查的一种无损探伤方法。用发射探头向构件表面通过耦合剂发射超声波，超声波在构件内部传播时遇到不同界面时会产生超声波的反射现象，反射信号被探头接收，得到超声回波。根据显示屏上显示出的回波信号的位置可以判断缺陷的深度，根据回波的高度判断缺陷的大小，根据回波的形状判断缺陷的类型[8]。

超声检测可分为反射法和透射法，其中反射法是工程中应用最广泛的一种方法。由脉冲波发生器产生的高频脉冲，通过放大器后激励给探头中的压电晶片，基于逆压电效应，电能转化成机械能，压电晶片振动产生超声波，超声波在工件内部传播，当遇到缺陷时产生反射现象，部分反射回波被压电晶片接收，因为压电效应，机械能转化为电能，输出微弱电信号，该信号经放大后在显示屏上显示。显示屏的横坐标是时间基线，其长度与时间成正比，可以确定各个反射回波到达探头的时刻，进一步可求出所在的位置；纵坐标表示的是回波的幅值。

2.2 实验系统组成

测试系统一般由传感器、信号调理模块、信号采集模块、信号处理模块和结果显示模块等组成。超声波检测系统就是一个典型的测试系统，主要由超声探头、信号发生器、功率放大器、转换开关、示波器等组成。根据探头参数对信号发生器进行设置以产生激励信号，该信号经功率放大器放大后，激励换能器产生超声波，超声波在试块中传播，当超声波遇到声阻抗差异界面时会产生反射现象，部分反射回波被探头所接收，根据压电效应产生电信号，该信号经转换开关输送给示波器进行显示，可对回波信号进行多次时间平均处理，以消除结构噪声提高信噪比。示波器显示的是射频信号，而超声探伤仪所显示的是检波信号，可以根据学生的能力，提升实验的难度，可以借助虚拟仪器技术，在计算机上开发示波器和计算机的通信程序，将示波器的数据实时传输到计算机，在计算机上对回波信号进行包络处理，得到检波信号，或编写频域分析软件，对回波信号进行频域分析。通过采集不同类型缺陷的回波，观察不同类型回波的时域特征，也可以对各信号进行频谱分析，得到不同类型缺陷的频域特征，加深对信号特征提取和缺陷分类的理解。

2.3 实验项目

基于搭建的实验平台，结合超声检测相关知识和信号处理的知识，可以开展超声波声速测量、探头零点测量、缺陷定位分析、缺陷回波频谱分析等实验。依据《GBT 11345-1989钢焊缝手工超声波探伤方法和探伤结果分级》，结合制作的平板、焊缝等人工缺陷试样，开展实际的超声检测实验，发现内部缺陷并对缺陷的位置进行标记，对大小进行评定，对类型进行评价。

另外，在同学们对超声检测基本原理、特点和工程应用的基础上，可以进一步给学生讲解将超声相控阵、超声TOFD、超声导波等先进的无损检测技术，拓展学生的学术视野，紧跟学科发展前沿，保证教学内容与时俱进。

3 结语

机械工程测试技术是机械工程本科专业的学科基础课程，在整个培养方案中起到承上启下的作用，是理论与实践密切结合的课程。将教师承担的科研项目中的研究内容、实验系统搭建和解决实际工程问题的实例与课程的知识点结合起来，不仅掌握了基础知识，同时也学会了科研的思想和方法，提高了解决复杂工程问题的能力。