典型測試技術實驗的虛擬課堂實驗設計

李貝貝 趙巧 劉秀梅

[摘 要] 探討了虛擬儀器技術在“測試技術”課程相關知識點中的應用，在理論教學和實踐教學的基礎上，建立了與理論教學相輔相成的仿真實驗目標，設計了課程中信號及其頻譜、電橋的仿真實驗方案及仿真實驗程序，實現了不同信號的頻譜分析、不同組橋類型的電橋輸出特性等仿真實驗。結果表明：電橋特性的仿真程序可以分別進行單臂電橋、半橋、全橋的仿真實驗；周期信號頻譜分析的仿真程序可以直觀地給出周期信號的時域和頻域波形。研究成果為仿真實驗在“測試技術”課堂教學中的應用提供了解決方案。

[關鍵詞] 虛擬儀器；測試技術；電橋和差特性；周期信號頻譜

[基金項目] 2019年度中國礦業大學教育教學改革與建設課題“虛擬儀器技術在‘測試技術’課堂教學的應用及探索研究”（2019YB09）

[作者簡介] 李貝貝（1984—）男，江蘇徐州人，博士，中國礦業大學機電工程學院副教授，主要從事機械工程研究；劉秀梅（1982—），女，江蘇鹽城人，博士，中國礦業大學機電工程學院教授（通信作者），主要從事機械工程研究。

[中圖分類號] G642.4 [文獻標識碼] A [文章編號] 1674-9324（2022）06-0149-04 [收稿日期] 2021-06-02

引言

“測試技術”是高等院校中機械工程等相關專業學生的必修課，其專業知識在工程科學領域中的應用非常廣泛[1]。傳統課堂教學方法主要以理論教學為主，需要學生在嚴謹的數學推導等手段下學習相關概念、原理等。但這種教學方式對學生學習和理解所學知識是不利的。因此，通過課堂演示實驗的方法能幫助學生更深入理解課堂中講授的理論知識。但傳統的實驗裝置因結構復雜、體積大，因而只適合在實驗室內使用。此外，受實驗條件限制，相應的實驗項目也難以與課程教學同步。導致學生在學習課堂理論知識時，不能及時有效的通過實驗加深理解，降低的學習興趣和效果[2]。

因此，通過虛擬儀器技術將課堂教學和仿真實驗的有機結合，用直觀的課堂演示為理論教學提供驗證，必然能夠增強學生對理論知識的理解[3，4]。虛擬儀器技術已經廣泛應用于大學教學和科研、測試等各個領域。如：蔡共宣討論了虛擬儀器在課堂教學過程的實現方法，研究了虛擬儀器技術引入“測試技術”課程教學的意義[4]。湯小嬌等人對測試技術傳統教學活動存在的問題進行了分析總結，建立了基于虛擬儀器的測試實驗室，提高了教學質量和學生的實踐創新能力[5]。鄒大鵬等人將虛擬儀器技術與“機械工程測量與試驗技術”課程內容相結合，構建了計算機輔助教學系統，實現了教學內容的直觀體現和演示[6]。尤麗華、周洋搭建了基于渦流傳感器振動測試的虛擬儀器綜合實驗教學系統，讓學生對測試系統有了更加全面的認識[3]。姚建南、蔣玉強開發了基于虛擬儀器技術的模塊化測控實驗系統，使得教師的授課不再是單純的理論教學，促進了學生對問題的理解[2]。南京理工大學的謝麗華設計并開發了測溫、稱重等虛擬仿真實驗，讓學生能夠更加形象地理解課堂教學的理論知識[7]。此外，泰州職業技術學院王艷[8]、齊齊哈爾大學的王麗[9]等人也分別針對虛擬儀器在“信號與線性系統分析”“傳感器”等課程教學活動中的應用展開研究，并取得了積極的效果。

為了更加直觀的將理論知識展示并傳授給學生，本文分析了機械工程專業對測試技術的學習要求及相應先修課程情況，課程典型知識點的實踐教學方法及手段，研究了虛擬儀器在課程典型知識點上的課堂教學仿真實驗的實踐環節設計。

一、測試技術典型知識點的仿真實驗設計

（一）電橋和差特性的仿真實驗設計

在工程測試中，常用電阻式傳感器、電容式傳感器、電感式傳感器測量力學參數、位移參數、振動等，而這類傳感器僅僅是將被測量轉換為電路或磁路的參數變化。因此，此類傳感器往往需要使用電橋電路將電路或磁路的參數變化轉換為電壓變化。此外，電橋具有結構簡單、組橋形式靈活的特點，使得電橋在工程測試中得到了較廣泛的應用。因此，電橋及其和差特性是“測試技術”課程教學的重點內容之一。

為了實現電橋和差特性的仿真實驗，讓學生掌握單臂電橋、鄰臂同號/異號電橋、鄰臂同號/異號電橋、全橋等不同組橋形式下的電橋輸出、靈敏度等特性參數。同時，為了減小課堂演示實驗的復雜程度，本文采用如圖1所示的電路原理圖及實驗流程圖，并使各橋臂上元件（R1、R2、R3、R4）可分別設置為固定電阻值、應變片，且不同橋臂上應變片的電阻變化率可以分別設置正負變化。因此，在課堂教學的演示實驗中，可以按照設計組橋類型—指定各橋臂元件類型—指定應變片電阻變化率符號—指定輸入電壓—改變電阻變化率—計算輸出電壓的順序進行。最后，根據得到的數據分析不同類型電橋的輸出特性。其中，在指定各橋臂元件類型時，可以指定各個橋臂的元件為“固定電阻”或“應變片”；在指定應變片電阻變化率符號時，可以指定應變片的電阻變化率為正或負。

為了實現電橋和差特性的虛擬實驗，本文設計了如圖2所示的程序界面（程序運行時的典型界面）和LabVIEW程序圖。運行仿真實驗程序，我們可以分別進行單臂電橋、鄰臂同號/異號電橋、對臂同號/異號電橋和全橋等六種不同類型組橋方式，在不同電阻變化率下的輸出電壓值仿真實驗。根據實驗得到的電橋輸出特性，可以畫出如圖3所示的典型實驗結果曲線。通過圖3中曲線，引導學生分析不同組橋類型的電橋輸出特性及其靈敏度關系。

（二）周期信號頻譜的仿真實驗設計

由課程知識點可知，任意滿足狄里赫利條件的周期函數都可以分解成一個直流分量和無限多個正弦分量，且其頻譜呈諧波性、離散性和收斂性。為了讓學生更好地理解這一周期信號的頻譜特性，采用對不同周期信號進行頻譜分析實驗，可以非常直觀的展示這些特性。因此，本文應用快速傅立葉變換，設計了如圖4所示的仿真實驗流程及程序圖，即：在仿真實驗過程中，依次按照選擇周期信號—指定周期信號的幅值、頻率等—計算信號頻譜—觀測信號原始波形及幅值譜—測量各譜線對應的頻率和幅值的順序進行。其中，周期性信號的類型有正弦波、方波、鋸齒波和方波。

根據所設計的仿真實驗流程圖，本文設計了如圖5所示的程序界面（程序運行時的典型界面）。此外，圖5給出了方波信號的原始波形和信號幅值譜。從圖5可以看出：幅值譜在基頻和奇次諧波分量上具有譜線且幅值逐漸減小，使用讀數光標可以將幅值譜的各次諧波的幅值和頻率讀取出來。因此，在課堂教學過程，我們可以通過運行仿真實驗程序，完成不同周期信號的頻譜分析，并且可以非常直觀的向學生展示周期信號頻譜的特性。

二、結論

本文分析了虛擬儀器技術在“測試技術”課堂教學中的應用，并設計了基于虛擬儀器的電橋和差特性、周期信號頻譜的仿真實驗方案和仿真實驗程序。結果表明：電橋和差特性的虛擬仿真實驗可以完成不同組橋類型的電橋輸出特性實驗，分析其靈敏度；周期信號頻譜的仿真實驗可以完成多種典型周期信號的頻譜分析，并直觀的展示周期信號頻譜的特性。通過虛擬儀器技術的演示實驗，可以達到實踐教學與理論教學相輔相成，讓學生在實踐中學習，從而更好地掌握本專業課程教學內容。

參考文獻

[1]戴振松，葛康定，鈡瑞明.基于LabVIEW的“測試技術基礎”教學研究與實踐[J].現代測量與實驗室管理，2014，22（5）：32-33+42.

[2]姚建南，蔣玉強.基于虛擬儀器仿真的測控課堂實驗演示教學方法研究[J].教育教學論壇，2018（25）：276-278.

[3]尤麗華，周洋.基于虛擬儀器的測試技術實驗教學系統建立[J].實驗技術與管理，2011，28（2）：83-86+90.

[4]蔡共宣.虛擬儀器技術引入測試技術教學的研究與實踐[J].裝備制造技術，2009（2）：170-171+183.

[5]湯小嬌，雷振山.虛擬儀器在測試、教學改革中的應用[J].理工高教研究，2004（1）：107-108.

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[7]謝麗華.基于虛擬儀器技術的信號檢測課程演示和實驗方法的研究[D].南京：南京理工大學，2010.

[8]王艷，于雯.基于Labview的《信號與線性系統分析》教學實現[J].當代教育實踐與教學研究，2015（9）：54.

[9]王麗，苗鳳娟，王艷春，等.虛擬儀器在傳感器教學改革中的應用[J].高師理科學刊，2015，35（1）：81-83.

On the Virtual Classroom Experiment Design of Typical Testing Technology Experiment

LI Bei-beia， ZHAO Qiaob， LIU Xiu-meia

（a. School of Mechatronic Engineering， b. College Student Innovation Training Center， China University of Mining and Technology， Xuzhou， Jiangsu 221116， China）

Abstract： This paper discusses the application of virtual instrument technology in the knowledge points of Testing Technology course. Based on the theory teaching and practice teaching， this paper establishes the simulation experiment goal which complements theory teaching. The simulation experiment scheme and program of signal and its spectrum and bridge is designed， and the simulation experiments of different signal spectrum analysis and different bridge output characteristics of different sets of bridge types are realized. The results show that the simulation program of bridge characteristics can be used to simulate the single-arm bridge， half bridge and full bridge respectively； the simulation program of periodic signal spectrum analysis can intuitively give the time domain and frequency domain wave-forms of the periodic signal. The research results of this paper provide a solution for the application of simulation experiment in the teaching of Test Technology.

Key words： virtual instrument； Testing Technology； bridge and differential characteristics； periodic signal spectrum

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