虛擬仿真實(shí)驗(yàn)在現(xiàn)代測(cè)試技術(shù)課程教學(xué)中的應(yīng)用

亢銀霞，張振國(guó)，張 靜

（新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)械交通學(xué)院,新疆 烏魯木齊 830052）

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)在現(xiàn)代測(cè)試技術(shù)課程教學(xué)中的應(yīng)用

亢銀霞，張振國(guó)，張 靜

（新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)械交通學(xué)院,新疆 烏魯木齊 830052）

本文探討了虛擬實(shí)驗(yàn)對(duì)培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐操作技能，提升創(chuàng)新能力的重要意義。利用虛擬儀器在信號(hào)處理分析及顯示方面的強(qiáng)大功能，通過(guò)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)將測(cè)試技術(shù)教學(xué)中的基本理論方便地用圖形表達(dá)出來(lái)，并采用虛擬儀器設(shè)備代替?zhèn)鹘y(tǒng)物理儀器，彌補(bǔ)傳統(tǒng)教育存在的弊端

測(cè)試技術(shù)；虛擬實(shí)驗(yàn)；應(yīng)用

《現(xiàn)代測(cè)試技術(shù)》是機(jī)械類、機(jī)電類專業(yè)的必修課程，是本科生后續(xù)課程和研究生課程的基礎(chǔ),它在專業(yè)課程體系中占有重要的地位。這門(mén)課程實(shí)踐性很強(qiáng)，要求學(xué)生既要學(xué)好理論知識(shí)，又要掌握實(shí)際操作技能，因此實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)就顯得非常重要。然而，在現(xiàn)代測(cè)試技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，大多數(shù)高校仍沿用傳統(tǒng)的教學(xué)模式，只注重書(shū)本內(nèi)容的講授，實(shí)驗(yàn)課時(shí)少、內(nèi)容單一，設(shè)備人均使用率低。所開(kāi)設(shè)的實(shí)驗(yàn)課是以基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)為主，整個(gè)實(shí)驗(yàn)中，所有的實(shí)驗(yàn)過(guò)程、操作步驟、程序設(shè)計(jì)等都是由教師事先規(guī)定好的，學(xué)生僅僅是做無(wú)需思考地重復(fù)勞動(dòng)，死板的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ诫y以調(diào)動(dòng)學(xué)生的主動(dòng)性和創(chuàng)造性。這種重理論而輕實(shí)踐的教學(xué)模式偏離了應(yīng)用型人才培養(yǎng)的初衷，越來(lái)越不能適應(yīng)當(dāng)今科學(xué)技術(shù)飛速發(fā)展的需要。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷發(fā)展，在教育領(lǐng)域提出了一種新的實(shí)驗(yàn)教學(xué)思路，即構(gòu)建虛擬實(shí)驗(yàn)室的方法[1]。采用虛擬儀器設(shè)備代替?zhèn)鹘y(tǒng)物理儀器，彌補(bǔ)傳統(tǒng)教育存在的弊端，不僅可以緩解經(jīng)費(fèi)不足導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)資源缺乏等現(xiàn)象，還有利于實(shí)驗(yàn)的開(kāi)放性、靈活性、內(nèi)容的多樣化，素質(zhì)教育的開(kāi)展提供了技術(shù)條件。為了有效地提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)的效果和質(zhì)量，填補(bǔ)實(shí)驗(yàn)條件的不足，學(xué)院購(gòu)置了DSAP仿真軟件，利用軟件代替硬件的先進(jìn)思想，我們開(kāi)發(fā)了虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。

1 虛擬測(cè)試技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)組成

由于傳統(tǒng)測(cè)控實(shí)驗(yàn)設(shè)備主要采用以元器件級(jí)傳感器為核心的固化試驗(yàn)臺(tái)或?qū)嶒?yàn)面板，偏向傳感器原理方面的驗(yàn)證，而真正的測(cè)控系統(tǒng)是包含測(cè)試對(duì)象、傳感器、信號(hào)調(diào)理、采集、軟件處理顯示等多個(gè)環(huán)節(jié)的綜合系統(tǒng)，并非只是傳感器原理這一個(gè)孤立的部分，因此傳統(tǒng)測(cè)控實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ讲荒軌蚴箤W(xué)生建立起對(duì)測(cè)控系統(tǒng)的正確而全面的概念。為了讓學(xué)生對(duì)測(cè)控系統(tǒng)有一個(gè)全面的認(rèn)識(shí)，測(cè)試技術(shù)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室由DASP快速可重組虛擬儀器實(shí)驗(yàn)平臺(tái)、機(jī)電檢測(cè)綜合實(shí)驗(yàn)臺(tái)架以及傳感器、多通道數(shù)據(jù)采集儀、計(jì)算機(jī)終端等設(shè)備組成。圖1為測(cè)試系統(tǒng)信號(hào)流程圖

圖1 測(cè)試系統(tǒng)信號(hào)流程圖

被測(cè)控對(duì)象可以是運(yùn)動(dòng)機(jī)械對(duì)象，如轉(zhuǎn)子，直線運(yùn)動(dòng)模塊等運(yùn)動(dòng)參量，也可以是過(guò)程對(duì)象和參數(shù)，如溫度、壓力、流量等。

傳感器安裝在被測(cè)控對(duì)象上或?qū)ο蟾浇?，將需測(cè)量參數(shù)通過(guò)各種物理或化學(xué)等效應(yīng)轉(zhuǎn)化為電流或電壓，這部分是傳感器原理課程主要講授的內(nèi)容。

調(diào)理電路將傳感器輸出的原始信號(hào)進(jìn)行濾波或放大等，轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)的電信號(hào)，以便數(shù)據(jù)采集卡或控制器接收，這部分既可作為傳感器原理的一部分，也可作為信號(hào)處理的一部分。

數(shù)據(jù)采集卡將調(diào)理電路輸出的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，傳送給計(jì)算機(jī)便于計(jì)算機(jī)進(jìn)行分析、處理、顯示或用于控制。

計(jì)算機(jī)分析主要采用先進(jìn)的DASP軟件，接收數(shù)據(jù)采集輸出的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)，對(duì)其進(jìn)行分析、處理和顯示。

2 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)在教學(xué)中的應(yīng)用

為了讓學(xué)生充分認(rèn)識(shí)及掌握機(jī)械測(cè)試系統(tǒng)的架構(gòu)及應(yīng)用，保證學(xué)生得到循序漸進(jìn)的系統(tǒng)訓(xùn)練，整個(gè)虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的內(nèi)容設(shè)計(jì)不僅要緊扣課本，而且要與工程應(yīng)用相結(jié)合。針對(duì)課程的內(nèi)容特點(diǎn)和教學(xué)目的，將整個(gè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)分為2部分，即以DASP軟件為平臺(tái)的信號(hào)仿真實(shí)驗(yàn)和以工程案例為背景的綜合性實(shí)驗(yàn)。

2.1基于仿真軟件的信號(hào)仿真實(shí)驗(yàn)

信號(hào)仿真實(shí)驗(yàn)是針對(duì)信號(hào)分析處理知識(shí)量身訂做的實(shí)驗(yàn)，內(nèi)容豐富，囊括了教材中所有信號(hào)分析的基礎(chǔ)知識(shí)。學(xué)生通過(guò)調(diào)用不同的實(shí)驗(yàn)?zāi)K，可以自行選擇實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以通過(guò)文字、圖形、圖像、聲音等形式顯示給學(xué)生。學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中可以直觀地看到信號(hào)處理前后的變化，產(chǎn)生直觀的效果，使學(xué)生對(duì)抽象概念理解更容易、記憶更深刻。通過(guò)實(shí)驗(yàn)，扭轉(zhuǎn)了老師一味地在黑板上講解推導(dǎo)相關(guān)公式，學(xué)生接受枯燥理論知識(shí)的被動(dòng)性，有助于學(xué)生學(xué)習(xí)興趣和效果的提高。

信號(hào)仿真實(shí)驗(yàn)內(nèi)容包括信號(hào)基本性質(zhì)、時(shí)域分析、頻域分析、濾波、調(diào)制、采樣、加窗等模塊。通過(guò)虛擬實(shí)驗(yàn),可以了解信號(hào)的相關(guān)分析波形,學(xué)會(huì)利用各種形式的頻譜分析對(duì)信號(hào)進(jìn)行分析,并學(xué)會(huì)識(shí)別噪聲信號(hào)。各個(gè)模塊所包含的相關(guān)實(shí)驗(yàn)見(jiàn)表1

表1 信號(hào)仿真實(shí)驗(yàn)

下面以信號(hào)的相關(guān)分析實(shí)驗(yàn)為例說(shuō)明實(shí)驗(yàn)的原理和方法。所謂“相關(guān)”是指兩變量之間的線性關(guān)系，對(duì)于確定信號(hào)，兩個(gè)變量之間可以用函數(shù)關(guān)系來(lái)描述，對(duì)于兩個(gè)隨機(jī)信號(hào)之間就不具有這樣的確定關(guān)系，但是通過(guò)大量統(tǒng)計(jì)就可以發(fā)現(xiàn)它們之間是存在具有某種內(nèi)涵的物理關(guān)系[2]。通常相關(guān)分析用于研究?jī)蓚€(gè)信號(hào)之間的相關(guān)性，如測(cè)定管道損傷位置、判定設(shè)備振動(dòng)和噪聲與其部件振動(dòng)的關(guān)系等。在振動(dòng)控制、故障源識(shí)別、雷達(dá)測(cè)距，運(yùn)動(dòng)物體的精確測(cè)速和聲發(fā)射探傷等方面均有相關(guān)分析的應(yīng)用。

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中學(xué)生首先要設(shè)置信號(hào)的各種參數(shù)，如信號(hào)類型、幅值、頻率、相位等。系統(tǒng)根據(jù)學(xué)生所選擇的信息，自動(dòng)產(chǎn)生相應(yīng)的數(shù)據(jù)反映信號(hào)時(shí)域特性，如計(jì)算時(shí)域信號(hào)的最大值、最小值、均值、均方值、自相關(guān)函數(shù)波形等。若選擇相關(guān)，進(jìn)入相關(guān)分析模塊，如果是雙通道信號(hào)，可以進(jìn)行互相關(guān)分析和各自的自相關(guān)分析。在選擇本模塊時(shí)，在下方將出現(xiàn)參數(shù)對(duì)話框，如圖2所示，在圖形顯示區(qū)中顯示的內(nèi)容如圖3所示，上面的為通道1的自相關(guān)曲線，下面的為通道2的自相關(guān)曲線。

圖2 相關(guān)分析參數(shù)調(diào)節(jié)

圖3 相關(guān)分析顯示內(nèi)容

2.2基于工程測(cè)量背景的仿真實(shí)驗(yàn)

因?yàn)闂l件限制，大多數(shù)學(xué)生關(guān)注理論知識(shí)的學(xué)習(xí)，缺乏現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。在掌握基礎(chǔ)知識(shí)后，不知道所學(xué)知識(shí)要應(yīng)用在什么地方?；诠こ虦y(cè)量背景的仿真實(shí)驗(yàn)是讓學(xué)生利用實(shí)驗(yàn)臺(tái)（包括電機(jī)和轉(zhuǎn)子等）、傳感器、信號(hào)調(diào)理模塊、數(shù)據(jù)采集卡和虛擬儀器平臺(tái)等設(shè)備，自己設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，親自動(dòng)手搭配實(shí)驗(yàn)平臺(tái)來(lái)完成實(shí)驗(yàn)。這類實(shí)驗(yàn)?zāi)M了測(cè)試技術(shù)在實(shí)際工程中的應(yīng)用，將書(shū)本知識(shí)與工程實(shí)際相結(jié)合，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)了學(xué)生的動(dòng)手能力。相關(guān)的實(shí)驗(yàn)見(jiàn)表2。

表2 綜合創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)

下面以軸心運(yùn)動(dòng)軌跡分析仿真實(shí)驗(yàn)為例來(lái)說(shuō)明實(shí)驗(yàn)的原理和方法。軸心軌跡是指軸頸旋轉(zhuǎn)中心相對(duì)于軸承中心的運(yùn)動(dòng)軌跡。在旋轉(zhuǎn)機(jī)械故障診斷中，軸心軌跡的形狀與動(dòng)態(tài)特性，包含了大量的故障信息，它能夠形象、直觀地表達(dá)旋轉(zhuǎn)設(shè)備的運(yùn)行情況[3]。

軸心軌跡測(cè)試系統(tǒng)是在轉(zhuǎn)子實(shí)驗(yàn)臺(tái)上安裝2個(gè)相互垂直的電渦流傳感器分別輸出X-Y方向的位移信號(hào)，這兩類信號(hào)都為模擬信號(hào)，經(jīng)A/D卡采集之后，轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，輸入到PC機(jī)中，最后經(jīng)DASP軟件處理并顯示。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示見(jiàn)圖3，實(shí)驗(yàn)面板上顯示有參數(shù)設(shè)置，數(shù)據(jù)回放，結(jié)果打印以及測(cè)試結(jié)果顯示等。

圖3 軸心軌跡分析

3 結(jié)束語(yǔ)

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)為學(xué)生提供了大量的感性學(xué)習(xí)材料，使抽象的概念和理論直觀化、形象化。在虛擬實(shí)驗(yàn)室中，實(shí)驗(yàn)的過(guò)程完全由實(shí)驗(yàn)者控制，學(xué)生可以通過(guò)計(jì)算機(jī)來(lái)操作自定義的儀器，對(duì)被測(cè)試量進(jìn)行采集、分析、判斷、顯示、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等。通過(guò)實(shí)驗(yàn)加強(qiáng)了學(xué)生對(duì)測(cè)試系統(tǒng)的架構(gòu)及設(shè)計(jì)的認(rèn)識(shí)、理解，同時(shí)充分鍛煉了學(xué)生的獨(dú)立構(gòu)思和動(dòng)手能力。通過(guò)教學(xué)實(shí)踐證明,虛擬實(shí)驗(yàn)已經(jīng)成為測(cè)試技術(shù)和傳感器技術(shù)等課程教學(xué)的有效教學(xué)方法之一。

[1]劉成文．虛擬儀器在懸臂梁固有頻率測(cè)量實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用[J]．煤礦機(jī)械，2004（11）：34～35．

[2]李香萍．虛擬儀器在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用[J]．實(shí)驗(yàn)室科學(xué)，2009（10）:128～129．

[3]候躍謙．虛擬儀器在檢測(cè)技術(shù)教學(xué)中的應(yīng)用[J]．長(zhǎng)春大學(xué)學(xué)報(bào)，2006（8）：29～31

[4]汪敏生．LabVIEW基礎(chǔ)教程[M]．北京:電子工業(yè)出版社，2002．

The Practical Application of Virtual Experiment in Modern Testing Technique Education

Kang Yin-xia,Zhang Zhen-guo,Zhang Jing

（Mechanical and Traffic College,Xinjiang Agricultural University,Urumqi 830052, XinJiang,China)

This article the significance of virtual experiment in the respect of developing students’practical operation skills andinnovation capacity. Virtual instrument has a powerful features in processing, analyzing, and displaying signal. Through thevirtual simulation experiment, it is convenient to express the basic theory in the teaching of testing technology. and the virtualinstrument is used to replace the traditional physical instrument to make up the disadvantages of traditional education.

Testing Technique；Virtual Experiment；Application

10.13620/j.cnki.issn1007-7782.2016.04.017

G64

A

1007-7782（2016）04-0042-03

2016-08-15

本文系新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)與管理改革項(xiàng)目“虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究與實(shí)踐—以現(xiàn)代測(cè)試技術(shù)課程為例”