基于油液磨粒检测的机械测试技术教学探索与实践

摘  要：聚焦机械测试技术教学方法与内容的探索与实践，提出一种基于油液磨粒检测的创新教学方法，设计并实现教学实验平台。以实际科研案例为基础，建立实践指导理论学习的教学模式，充分培养学生的工程思维与实践能力。利用系统化、模块化思路构建教学实验平台，实现教学与科研接轨。具体内容兼顾知识基础性与测量系统整体性，将涉及的抽象理论知识转化为直观的感性认知，促进学生对相关知识点的理解与掌握，激发学生探究具体科学问题的主动性，助力高水平复合型工程创新人才的培养。

关键词：机械测试技术；磨粒检测；传感器；实验平台；教学探索

中图分类号：G642      文献标志码：A          文章编号：2096-000X（2024）21-0125-05

Abstract： This paper focuses on the innovation of teaching methods and content in the Mechanical Testing Technology and sensor courses. A comprehensive teaching plan and experimental platform for oil debris detection were constructed， along with the design of integrated experimental cases. Based on the actual process of oil debris detection， a systematic and modular approach was used to construct a multi-module collaborative experimental teaching platform， promoting innovation in teaching content and methods. The designed comprehensive experiments are aligned with scientific research， balancing fundamental knowledge and the overall measurement system. They transform abstract theoretical knowledge into intuitive perceptual understanding， facilitating students' comprehension and mastery of relevant knowledge points. At the same time， it cultivates students' engineering practical abilities， stimulates their initiative in exploring specific scientific problems， and contributes to the cultivation of high-level innovative engineering talents.

Keywords： Mechanical Testing Technology; debris detection; sensors; experimental platforms; teaching explorations

伴随新一轮信息革命的快速推进，以多学科交叉融合为基础的工程应用技术已成为经济发展的重要引擎[1-3]。培养具备新素养、新视角、新能力与新思维的复合型工程创新人才对推动现代产业变革具有重要意义[2-5]。在此背景下，各院校结合自身特色学科与未来发展趋势，从学科交叉性与实践能力角度出发不断推进适应创新型人才的教学方法与教学内容改革，探索拔尖人才培养的新模式与新方向[6-7]。其中，建立理论教学与课程实践系统性结合的创新教学模式是提升工科人才培养质量的关键[4]。

机械测试技术作为一门强调实践应用的机械类专业基础课程，是提高学生科学研究与工程实践能力的重要支撑[8-9]。但传统的机械测试技术课程教学模式相对单一，部分教学内容与实际应用割裂，实验过程过于模板化且学生整体参与度较低，在实现理论知识与工程应用的有效转换和培养学生学习主动性等方面存在明显不足[9]。因此，以锻炼学生处理复杂工程问题的能力为目标，探索机械测试教学新模式，打造兼具理论创新与工程实践的综合课程教学方案已成为教学改革的重点内容[4，9-10]。

磨粒检测是摩擦学、电磁学、传感技术与信号处理等知识点多维度融合的典型机械测试技术综合实践案例[11-14]，具有突出的教学潜力。本文提出基于油液磨粒检测的机械测试技术综合教学方案，开发多模块融合的便携式教学实验平台，解决机械测试技术在教学方面存在的理论与实际脱节、内容复杂和知识点间未有效建立联系等问题，助力工科拔尖人才培养。

一  油液磨粒检测

（一）  油液磨粒检测概述

机械运动本质上是机械元件间的力量传递与能量转换。当驱动组件的运动转移到另一零部件时，摩擦副将发生相对移动，导致其表面不可逆转地受损[11]。随着机械运行时间的推移，摩擦表面逐渐变得粗糙，金属性能下降，进一步加速磨损过程[12-13]。作为摩擦磨损的关键产物，摩擦副表面产生的磨损颗粒将在润滑系统中沉积并随润滑油循环运动[14]。油液磨粒检测技术通过部署于润滑油流道的磨粒传感器及配套测量系统，获取磨损颗粒的关键信息，以此对机械磨损程度与运行状态进行实时判断[14]。例如，基于电磁感应原理的磨粒传感器通过采集磨粒产生的感应电压信号，结合信号处理方法实现磨粒大小、浓度与材料等特征的准确提取[15]。该技术依赖于机械、电子与计算机等重要工程学科，在大型设备的健康状态判断与运行寿命预测中已得到广泛应用[9]。其在传感原理、硬件结构与数据处理算法等领域的研究均取得长足发展[16-18]。

（二）  磨粒检测教学示范

作为典型的机械测试技术应用案例，油液磨粒检测技术囊括光学、磁学、电学、摩擦学与仪器科学等学科，具有丰富的学科交叉性。针对不同应用场景，磨粒检测传感器在传感原理、硬件结构、配套调理电路与数据处理方法等方面存在显著差异[11]。以感应式磨粒传感器的输出信号为例，实际检测信号往往包含谐波、电脉冲和背景噪声等多种干扰成分[13]，通过原理研究、结构改进与算法优化可以降低干扰成分对磨粒电压信号的影响，提升检测准确率。从人才培养的角度出发，上述内容与机械测试技术课程所学知识密不可分，体现出多个复杂知识点交叉融合的系统性思维框架，具备教学价值与实践指导意义[19]。图1展示了油液磨粒检测系统基本组成。

将油液磨粒检测转化为机械测试技术教学案例，可以实现以下培养目标。

第一，处理复杂工程问题的能力。将油液磨粒检测用作教学案例，通过实践指导理论教学，可以促进学生对难点的掌握，帮助学生建立测量系统、传感器原理与信号处理等理论知识之间的联系，培养学生在面对复杂问题时应具备的理解、分析与解决问题的能力。

第二，理论创新能力。在案例式教学的过程中，信号处理等内容涉及的抽象的数学公式将被转化为直观的感性认知。学生可以将数学、物理和其他专业知识与实验中呈现的物理变化相对应，发掘其内在联系，结合课本知识在教师指导下进行如信号处理算法设计等科学研究与探索，培养自身创新能力。

第三，工程实践能力。油液磨粒检测涉及测量系统搭建、传感器设计与选型、实验数据采集与软件编程实现等多种工程实践必备能力。将科研案例用作教学，通过设定任务目标指导学生完成相应内容，充分锻炼学生的动手能力，引导学生实现理论到实践的转化。

二  实验平台与教学内容设计

（一）  油液磨粒检测教学实验平台设计

实验教学平台原理如图2所示。

平台集成实际测量系统的主要功能模块，采用模块化设计，具有功能拓展性。在进行信号采集与处理实验、参数估计实验、测试系统设计与传感性能测试等基本实验之余，教师与学生可依托本平台自主进行相关实验设计与科学探究，为相关专业课程学习与毕业设计打下坚实基础。

油液磨粒检测实验平台如图3所示。实验基台部分由底板、油箱、支架、油液流道、传感器支架及磨粒接收装置等组成。油液流道包含硬质流道与柔性流道两部分，其中柔性流道用于实现流向变换并与大功率蠕动泵串联形成驱动装置。内置铜金属滤芯的磨粒接收器出入口两端内外径参数相同，其中出油口通过短柔性流道与油箱油液回流口相连，最终形成闭合油液流道。实验中选用的磨粒传感器通过可调节锁紧装置固定于基台前端，其油液进口被硬质流道贯穿并在内部形成有效检测区域。传感器内置电控单元与信号调理单元，其输出与供电被集成于外壳出线口，并分别与信号采集卡和传感器供电模块相连。传感器供电模块选用直流电源，实验平台采用NI-9185数据采集卡，使用配有LabVIEW和Matlab等软件的PC机作为采集终端。

在实验中，进入油箱投放口的磨粒将随润滑油在流道内发生定向运动，并通过接收装置回收。在磨粒穿过传感器时将产生感应电压，通过信号调理电路与信号采集模块输入采集终端，最终由软件实现信号实时显示、数据存储及处理。

（二）  油液磨粒检测教学设计

基于油液磨粒检测的教学内容与机械测试技术基础课程理论知识的关联如图4所示，具体分为五大学习模块加综合测量实验。教师以教学实验平台为基础，通过理论讲授加实操演示的形式引导学生掌握油液磨粒检测涉及的机械测试相关知识与具体实验操作方法，使学生初步具备理论分析与动手能力，再通过分组实验、报告撰写与实践汇报的形式提升学生工程实践能力并完成教学成效评价。基础学习模块包括如下内容。

第一，测量系统设计与实现。学生首先通过课程学习了解测量系统的基本构成，再根据教师指导设计并实现油液磨粒检测系统，完成平台搭建与调试、信号采集卡通道选择与连接及上位机信号采集软件安装与调试。

第二，传感器设计与选型。学生通过课程学习与教师相关科研指导，掌握各类传感器检测原理与适用场景，根据实验任务完成传感器设计与选型，确定必要参数。在此过程中，熟悉传感器使用方法，了解传感器各物理量转换过程，巩固相关知识点。

第三，信号调理与数据采集。学生基于所学信号调理基本知识与教师实操教学理解并掌握调理电路组成与数据采集基本流程，完成电路功能设计。稳定接通设备各端输入输出并设计校验方法完成测试，确保传感器、调理电路与数据采集模块均处于正常作业状态。

第四，检测信号处理算法设计。实验内容从信号处理的基本知识点出发，涉及传感器输出信号建模、时频域分析与信号滤波等基础内容。学生在课上学习案例涉及的信号处理基本知识，根据相关参考文献与教师指导搭建采集信号数学模型，估计必要参数，并设计算法在不破坏磨粒特征的前提下有效抑制检测样本内的噪声与干扰成分，完成磨粒特征提取，得到识别结果。

第五，软件编程与功能实现。学生根据教师与使用教程掌握相关软件的基础功能与编程方法，设计交互式信号采集模块并实现信号处理算法编程。其中，交互式信号采集模块应包含实验所需主要功能对话框与按钮。完成信号处理算法编程后，通过数值仿真对算法程序进行验证。

（三）  重点教学内容示范

信号处理算法设计与软件编程实现是体现学生创新能力的两大重要内容。为引导学生进行理论强化与实践能力培养，设计了信号处理算法和软件实现的示范性框架，具体内容如下。

第一，信号处理算法设计。信号处理方法整体框架与知识点相关性如图5所示。首先使用低通滤波去除高频信号，保留低于截止频率的低频信号，实现对信号的平滑处理并初步降低干扰成分对磨粒识别的影响。通过对信号中谐波分量的参数估计，以反相叠加的形式抑制信号中的周期信号。随后，进一步根据课程所学的数字信号处理知识设计滤波算法与磨粒信号提取算法，实现磨粒特征识别。