科研案例在机械工程测试技术课程中的应用实践

中国工程教育的目标之一是：构建中国工程教育的质量监控体系，推进中国工程教育改革，进一步提高工程教育质量。尤其要在机械工程类的课程中始终贯穿着工程教育目标的主线，紧密围绕着如何提高学生解决复杂工程问题的能力不放松。而测试技术课程在机械类专业教学计划中起到承上启下的作用，是从基础课学习过渡到专业课学习的桥梁[1]。所以，在测试技术课程教学中要时刻关注如何提高学生将数理知识和工程知识运用于分析复杂机械工程问题的能力，如何促使学生掌握正确采集、处理实验数据的能力，如何对实验结果有正确地分析和解释，并最终通过综合有效信息得到合理的测试结论。

由于测试技术课程时长较短，内容覆盖面较宽泛，因此，在教学过程中容易给学生造成课程主线不清晰，知识点散乱无关联的印象。为了能够提纲挈领，将课程内容清晰地在教学过程中展现出来，就需要结合一些实例，将测试技术的知识点融入进去[2]。结合自身的无损检测专业背景，科研项目中存在的测试技术知识点，在课程教学中讲解自己所搭建科研平台的大体思路和测试原理，形象地将前沿的测试设备展现给学生。因此在测试技术课程中，选取了几个典型的科研实例，以期达到引起学生对测试技术学习兴趣的目的。

一 案例的选取原则

机械工程测试技术的案例不能过多，应该基于教学时长，依据课程进度适当地选择典型案例。机械工程测试技术课程的主要章节包含：信号分类、测试系统特性、常用传感器、信号调理电路和信号处理初步等章节。根据实际需要，选择的案例应能充分地反应出课程中的知识点，具有紧密的相关性。根据以上原则，本人选取以下案例，进行课程讲解。

二 磁巴克豪森噪声测试渗碳层的深度

随着渗碳层深度的增加，表面渗碳层的碳浓度随之增加，材料的磁通密度、磁导率等磁化强度参数都会下降，而矫顽力也增加，从而导致材料微观结构下的钉扎作用加强，磁畴的翻转能力减弱[3]。根据巴克豪森噪声产生的原理可知，磁畴翻转运动减弱，会导致MBN信号值减小。利用放置在试样表面的感应线圈，可以接收到材料在磁化过程中所产生的这种巴克豪森噪声，通过对噪声信号的采集与分析，分析研究渗碳层深度与巴克豪森噪声信号特征值之间的关系。根据巴克豪森检测原理搭建检测系统如图1所示[3]。

图1 MBN检测系统构成图[3]

检测得到的巴克豪森噪声信号，经过信号处理可得到均方根、均值、振铃数、峰峰值随着渗碳层厚度增加的变化情况。

整个案例中涉及到：信号类型、信号调理、信号处理、传感器等测试技术课程相关知识点。从本案例中学生可形象直观地看出整个测试系统的组成，并能够对测试信号有详细地了解。同时，在本案例中，学生可直接参与测试信号的描述与分析中，获得知识学习的认同感。

三 兰姆波测量激光搭接焊缝的熔宽

将单个斜探头连接在Olympus的脉冲激励接收仪器上，进行脉冲反射法实验，以实现单探头的激励和接收兰姆波，并将仪器的输出端接入Tektronix数字示波器，实验装置如图2所示[4]。

图2 兰姆波检测激光搭接焊缝熔宽的实验装置

斜探头通过压电晶片的逆压电效应产生超声波，超声波再通过压电效应被压电晶片接收到。通过斜探头激励和接收的兰姆波在焊缝处的反射幅度，来判断激光搭接焊缝的熔宽。

本案例中涉及到：测试装置的基本特性、传感器、信号处理等测试技术知识点。从本案例中，学生可对测试技术在复杂工程问题中的应用，有较为全面的认识；另外，也可对压电传感器有一定的感性认识，并以此为基础举一反三，认识其他类型的传感器。

四 激光超声表面波测试渗氮层的深度

激光超声设备如图3所示。所用激光器为调Q激光器，发射激光的脉冲宽度为2 ns、单脉冲输出能量2 mJ。超声波接收器采用Quartet-FH系列激光超声干涉仪。实验时，由脉冲激光器产生脉冲激光，脉冲激光辐射在金属表面后形成超声波振动，激光干涉仪接收超声波。根据声波互易性原理，实现超声波点源激励并随时间传播的动态图像[5]。

图3 激光超声检测实验装置

如图4给出的是一个典型的激光超声激励出的位移-时间响应曲线。从图4中可以看出：脉冲激光激发的超声波模态包括掠面纵波(sP)、表面横波(sS)及表面波(R)三种模式；声表面波经过缺陷反射后会接收到反射表面波(RR)。

文章来源：《测试技术学报》 网址: http://www.csjsxbzz.cn/qikandaodu/2020/1116/423.html