《机械工程测试》实验教学体系的研究

2022-09-12

一、引言

《机械工程测试》是机械电子专业方向的一门核心主干课程, 是建立在机械设计、机械制造等课程基础上的一门学科, 旨在将纯机械学与电子测控建立有机联系, 培养学生设计机电一体化系统的能力[1,2,3]。因此, 《机械工程测试》课程的实验课主要围绕对机械工程中的力学、运动学等物理量的检测与控制展开。然而, 因机械工程中涉及的物理量多而繁杂且各型实验平台的测控单元也有所不同, 使得该课程的实验项目甄选难度大, 极易出现不合理的实验教学体系。

二、实验课体系的建立

(一) 以测控单元为准绳建立实验体系

机械工程测试中主要涉及单片机、PLC等两类测控单元。其中, 以单片机为核心测控单元的实验平台具有很好的扩展性, 即除实验平台原有的实验项目外, 师生可以根据实验目标自行设计其他实验项目;以PLC为核心测控单元的实验平台则具有很好的抗干扰性, 常用来对振动噪声、热应力等实际工程中易受干扰的物理量进行检测与控制。

据统计, 《机械工程测试》课程的实验课一般设置为6~8个课时, 约3~4个实验项目, 且实验平台多为单片机型。故针对此类平台, 可将实验项目设置为固定类实验项目和开发类实验项目两个类别, 其中, 固定类实验项目主要参考实验平台的固有功能, 开设传感器位移特性实验、转速检测实验等实验项目。进一步地, 对于同一个测控项目 (如转速的检测) , 也可设置对比测控类实验项目, 即分别借助于不同类型的传感器对转速进行检测, 比较分析各类传感器的灵敏度及准确度, 从而加深学生对不同类型传感器的认知。开发类实验项目则可依据学科特色或专业建设方向, 制定实验项目, 即由教师指定机械工程中的测控功能, 由学生自行搭建实验系统及线路并经行控制编程, 以激发学生兴趣, 提高教学效果。此外, 开发类实验项目还可根据学科竞赛内容设置实验项目。例如, 实验项目可参考“挑战杯”这一赛事的竞赛要求, 开设位移控制、测距类实验项目, 着重锻炼学生机械运动控制的能力, 提高学生学科竞赛素质。

(二) 以测控量类型为准绳建立实验体系

机械工程中的测控量主要包含力学参量 (作用力、应力) 和运动学参量 (位移、速度、加速度) 等两大类。力学参量的测控主要借助于应变片等接触式传感器进行检测与控制, 而运动学参量的检测因运动元件布线困难, 常借助于非接触式传感器进行检测与控制。此外, 特殊的机电系统中还涉及对声学、光学、温度信号的检测与控制, 常借助于声敏、光敏元器件进行[4,5]。

因此, 《机械工程测试》课程的实验课也可按照检测控制量的类别进行开设。以滁州学院为例, 该校新版的人才培养方案中将《机械工程测试》的实验项目设置为3个实验, 即1个力学量检测 (压阻式压力传感器的应用——压力计实验) 、1个运动学参量检测 (光电传感器控制电动机转速实验) 、1个温度检测 (集成温度传感器AD590的温度特性实验) 。力学检测实验旨在培养学生能对机械工程中常见作用力进行检测, 运动学参量的检测实验旨在帮助学生检测控制旋转类机械的转速, 而温度实验则不仅涉及到对温度量的检测, 也涉及对温度的闭环控制, 从而为培养学生的闭环控制概念奠定基础。根据测控量的类型建立实验课体系, 有助于学生对机械工程中所涉及的物理量建立系统性认识, 也有助于学生建立机械量与测控系统间的有机联系, 全面提高学生实际动手操作能力。