红外成像在矿山机械力学教学中的应用

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摘 要：本文通过对齿轮啮合这一现象的分析，说明红外成像这一直观获取机械零件和设备受力状态的技术在机械力学教学中应用的合理性和科学性，以期为优化机械力学教学提供参考。
关键词：机械力学教学；红外成像；力学特性；直观认知
目前在常规的材料力学教学中可以发现，单纯讲解力学问题，可能会出现学生思维疲劳和注意力不集中的现象。为避免这种现象的发生，教师需要在课堂上提高学生的注意力，如采用一些与实际工程问题相结合的方法来活跃学生的思维，或者采用一些动态的模拟实验来调动学生的学习积极性。本文在结合机械类力学教学以及机械类力学分析方法的基础上，提出红外成像在机械力学教学中的应用方案。
一、红外成像在机械力学中的应用
一般而言，机械专业的学生首先要掌握機械的运行状态以及机械的传动方式，学生在机械原理机构创新试验中能得以掌握，但是对于结构之间传动过程中所受的载荷却没法直观地感受到，为了能够在机械原理机构创新试验中让学生感知机构传动过程中每个机件的受载情况，本文提出采用红外成像技术，将载荷情况通过图片的形式表现出来，加深学生对机件配合以及机件传动分析的认识。
该试验方案首先应该选用相关的传感器以及配套的下位机和上位机设备，设备具体包括红外成像传感器、信号调理模块、上位机信号处理分析模块等。
1. 红外成像传感器选用
红外成像传感器技术参数：（1）工作电压：DC4.5V至20V；（2）电平输出：高3.7V，低0V；（3）延时时间：可调（6～150秒）；（4）触发方式：L不可重复，H可重复，默认值为H；（5）感应范围：小于80度锥角，1米以内；（6）工作温度：-5～+60度；（7）PCB外形尺寸：42*26mm，螺丝孔距38mm，螺丝孔径2mm，感应透镜尺寸：20mm（直径）。
感应模块通电后有1分钟左右的初始化时间，在此期间模块会间隔地输出0～3次，1分钟后进入待机状态。应尽量避免灯光等干扰源近距离直射模块表面的透镜，以免引进干扰信号产生误动作；使用环境尽量为无风环境，因为风也会对感应器造成干扰。红外光谱到达双元的时间、距离有差值，差值越大，感应越灵敏，为了增加感应角度范围，本模块采用圆形透镜，也使得探头四面都感应，但左右两侧仍然比上下两个方向感应范围大、灵敏度强，安装时仍须尽量按照以上要求。
2. 上位机设计
本文采用LabVIEW图形化软件平台进行测试系统的上位机开发。该上位机具有诸多功能，对有线的数据采集方式获取的信号进行存储、显示操作及后续处理；用户界面可以实时显示试验过程中采集信号的几何学参数，该参数条件下的图像显示，具备连续显示、峰值显示等多种显示模式。该试验测试系统通过无线接收模块接收信号，调理模块发送的数字信号，根据数据处理结果进行各项预设操作，如实时显示测量值、远程设置或修改信号处理模块的各项参数等。根据实际需要，每个红外成像传感器配备有线信号传输设备和一台上位机。为了直观地观察测量数据，根据模拟机构试验采集数据的要求，开发了数据采集系统。
3. 齿轮啮合红外感应图像实验
界面上共有四个显示窗口，在模拟试验过程中实时将采集得到的试验参数，如滚筒转速、滚筒的扭矩和镐型截齿截割三向力等显示出来。使用步骤为：第一步，点击采集数据，根据弹出提示确定保存采集数据的位置；第二步，当试验滚筒截割模拟煤壁时，点击保存数据，采集到的模拟数据会保存到计算机中的指定位置并可以通过显示界面实时观测；第三步，当滚筒完成截割试验时，点击停止采集；第四步，点击退出，采集系统程序停止运行，完成试验数据测量过程。
齿轮啮合过程中局部受载的情况，通过有限元仿真分析和红外成像所得出的结果基本一致，所以说该方法可以用于直观反映机械设备受力情况，虽然数值显示得不够准确，但是在后续的研究中可以采用准备标定的方法，将红外成像颜色与机械构件受力联系起来，进一步完善教学方案，同时保证教学的严谨性。
二、结论
在机械力学教学中，可以应用红外成像这一直观获取机械零件和设备受力状态的技术，本文通过对齿轮啮合这一现象的分析说明该方法的合理性和科学性，在结合机械类力学教学以及机械类力学分析方法的基础上，提出红外成像在机械力学教学中的应用方案，有利于提升学生的学习兴趣，提升机械力学课程教学效果。
参考文献：
[1]王延新，刘琪，李兆熠，等.红外成像导引技术应用中若干问题的分析[J].红外与激光工程，2014（1）：26-32.
[2]蔡毅，王岭雪.红外成像技术中的9个问题[J].红外技术，2013（11）：671-682.