典型測試技術(shù)實(shí)驗(yàn)的虛擬課堂實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

李貝貝 趙巧 劉秀梅

[摘 要] 探討了虛擬儀器技術(shù)在“測試技術(shù)”課程相關(guān)知識(shí)點(diǎn)中的應(yīng)用，在理論教學(xué)和實(shí)踐教學(xué)的基礎(chǔ)上，建立了與理論教學(xué)相輔相成的仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)，設(shè)計(jì)了課程中信號(hào)及其頻譜、電橋的仿真實(shí)驗(yàn)方案及仿真實(shí)驗(yàn)程序，實(shí)現(xiàn)了不同信號(hào)的頻譜分析、不同組橋類型的電橋輸出特性等仿真實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明：電橋特性的仿真程序可以分別進(jìn)行單臂電橋、半橋、全橋的仿真實(shí)驗(yàn)；周期信號(hào)頻譜分析的仿真程序可以直觀地給出周期信號(hào)的時(shí)域和頻域波形。研究成果為仿真實(shí)驗(yàn)在“測試技術(shù)”課堂教學(xué)中的應(yīng)用提供了解決方案。

[關(guān)鍵詞] 虛擬儀器；測試技術(shù)；電橋和差特性；周期信號(hào)頻譜

[基金項(xiàng)目] 2019年度中國礦業(yè)大學(xué)教育教學(xué)改革與建設(shè)課題“虛擬儀器技術(shù)在‘測試技術(shù)’課堂教學(xué)的應(yīng)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(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院副教授，主要從事機(jī)械工程研究；劉秀梅（1982—），女，江蘇鹽城人，博士，中國礦業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院教授（通信作者），主要從事機(jī)械工程研究。

[中圖分類號(hào)] G642.4 [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A [文章編號(hào)] 1674-9324（2022）06-0149-04 [收稿日期] 2021-06-02

引言

“測試技術(shù)”是高等院校中機(jī)械工程等相關(guān)專業(yè)學(xué)生的必修課，其專業(yè)知識(shí)在工程科學(xué)領(lǐng)域中的應(yīng)用非常廣泛[1]。傳統(tǒng)課堂教學(xué)方法主要以理論教學(xué)為主，需要學(xué)生在嚴(yán)謹(jǐn)?shù)臄?shù)學(xué)推導(dǎo)等手段下學(xué)習(xí)相關(guān)概念、原理等。但這種教學(xué)方式對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)和理解所學(xué)知識(shí)是不利的。因此，通過課堂演示實(shí)驗(yàn)的方法能幫助學(xué)生更深入理解課堂中講授的理論知識(shí)。但傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)裝置因結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積大，因而只適合在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)使用。此外，受實(shí)驗(yàn)條件限制，相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目也難以與課程教學(xué)同步。導(dǎo)致學(xué)生在學(xué)習(xí)課堂理論知識(shí)時(shí)，不能及時(shí)有效的通過實(shí)驗(yàn)加深理解，降低的學(xué)習(xí)興趣和效果[2]。

因此，通過虛擬儀器技術(shù)將課堂教學(xué)和仿真實(shí)驗(yàn)的有機(jī)結(jié)合，用直觀的課堂演示為理論教學(xué)提供驗(yàn)證，必然能夠增強(qiáng)學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的理解[3，4]。虛擬儀器技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于大學(xué)教學(xué)和科研、測試等各個(gè)領(lǐng)域。如：蔡共宣討論了虛擬儀器在課堂教學(xué)過程的實(shí)現(xiàn)方法，研究了虛擬儀器技術(shù)引入“測試技術(shù)”課程教學(xué)的意義[4]。湯小嬌等人對(duì)測試技術(shù)傳統(tǒng)教學(xué)活動(dòng)存在的問題進(jìn)行了分析總結(jié)，建立了基于虛擬儀器的測試實(shí)驗(yàn)室，提高了教學(xué)質(zhì)量和學(xué)生的實(shí)踐創(chuàng)新能力[5]。鄒大鵬等人將虛擬儀器技術(shù)與“機(jī)械工程測量與試驗(yàn)技術(shù)”課程內(nèi)容相結(jié)合，構(gòu)建了計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了教學(xué)內(nèi)容的直觀體現(xiàn)和演示[6]。尤麗華、周洋搭建了基于渦流傳感器振動(dòng)測試的虛擬儀器綜合實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)，讓學(xué)生對(duì)測試系統(tǒng)有了更加全面的認(rèn)識(shí)[3]。姚建南、蔣玉強(qiáng)開發(fā)了基于虛擬儀器技術(shù)的模塊化測控實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，使得教師的授課不再是單純的理論教學(xué)，促進(jìn)了學(xué)生對(duì)問題的理解[2]。南京理工大學(xué)的謝麗華設(shè)計(jì)并開發(fā)了測溫、稱重等虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生能夠更加形象地理解課堂教學(xué)的理論知識(shí)[7]。此外，泰州職業(yè)技術(shù)學(xué)院王艷[8]、齊齊哈爾大學(xué)的王麗[9]等人也分別針對(duì)虛擬儀器在“信號(hào)與線性系統(tǒng)分析”“傳感器”等課程教學(xué)活動(dòng)中的應(yīng)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(shí)展示并傳授給學(xué)生，本文分析了機(jī)械工程專業(yè)對(duì)測試技術(shù)的學(xué)習(xí)要求及相應(yīng)先修課程情況，課程典型知識(shí)點(diǎn)的實(shí)踐教學(xué)方法及手段，研究了虛擬儀器在課程典型知識(shí)點(diǎn)上的課堂教學(xué)仿真實(shí)驗(yàn)的實(shí)踐環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)。

一、測試技術(shù)典型知識(shí)點(diǎn)的仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

（一）電橋和差特性的仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

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(xué)參數(shù)、位移參數(shù)、振動(dòng)等，而這類傳感器僅僅是將被測量轉(zhuǎn)換為電路或磁路的參數(shù)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(shù)變化轉(zhuǎn)換為電壓變化。此外，電橋具有結(jié)構(gòu)簡單、組橋形式靈活的特點(diǎn)，使得電橋在工程測試中得到了較廣泛的應(yīng)用。因此，電橋及其和差特性是“測試技術(shù)”課程教學(xué)的重點(diǎn)內(nèi)容之一。

為了實(shí)現(xiàn)電橋和差特性的仿真實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生掌握單臂電橋、鄰臂同號(hào)/異號(hào)電橋、鄰臂同號(hào)/異號(hào)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(shù)。同時(shí)，為了減小課堂演示實(shí)驗(yàn)的復(fù)雜程度，本文采用如圖1所示的電路原理圖及實(shí)驗(yàn)流程圖，并使各橋臂上元件（R1、R2、R3、R4）可分別設(shè)置為固定電阻值、應(yīng)變片，且不同橋臂上應(yīng)變片的電阻變化率可以分別設(shè)置正負(fù)變化。因此，在課堂教學(xué)的演示實(shí)驗(yàn)中，可以按照設(shè)計(jì)組橋類型—指定各橋臂元件類型—指定應(yīng)變片電阻變化率符號(hào)—指定輸入電壓—改變電阻變化率—計(jì)算輸出電壓的順序進(jìn)行。最后，根據(jù)得到的數(shù)據(jù)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(shí)，可以指定各個(gè)橋臂的元件為“固定電阻”或“應(yīng)變片”；在指定應(yīng)變片電阻變化率符號(hào)時(shí)，可以指定應(yīng)變片的電阻變化率為正或負(fù)。

為了實(shí)現(xiàn)電橋和差特性的虛擬實(shí)驗(yàn)，本文設(shè)計(jì)了如圖2所示的程序界面（程序運(yùn)行時(shí)的典型界面）和LabVIEW程序圖。運(yùn)行仿真實(shí)驗(yàn)程序，我們可以分別進(jìn)行單臂電橋、鄰臂同號(hào)/異號(hào)電橋、對(duì)臂同號(hào)/異號(hào)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(shí)驗(yàn)。根據(jù)實(shí)驗(yàn)得到的電橋輸出特性，可以畫出如圖3所示的典型實(shí)驗(yàn)結(jié)果曲線。通過圖3中曲線，引導(dǎo)學(xué)生分析不同組橋類型的電橋輸出特性及其靈敏度關(guān)系。

（二）周期信號(hào)頻譜的仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

由課程知識(shí)點(diǎn)可知，任意滿足狄里赫利條件的周期函數(shù)都可以分解成一個(gè)直流分量和無限多個(gè)正弦分量，且其頻譜呈諧波性、離散性和收斂性。為了讓學(xué)生更好地理解這一周期信號(hào)的頻譜特性，采用對(duì)不同周期信號(hào)進(jìn)行頻譜分析實(shí)驗(yàn)，可以非常直觀的展示這些特性。因此，本文應(yīng)用快速傅立葉變換，設(shè)計(jì)了如圖4所示的仿真實(shí)驗(yàn)流程及程序圖，即：在仿真實(shí)驗(yàn)過程中，依次按照選擇周期信號(hào)—指定周期信號(hào)的幅值、頻率等—計(jì)算信號(hào)頻譜—觀測信號(hào)原始波形及幅值譜—測量各譜線對(duì)應(yīng)的頻率和幅值的順序進(jìn)行。其中，周期性信號(hào)的類型有正弦波、方波、鋸齒波和方波。

根據(jù)所設(shè)計(jì)的仿真實(shí)驗(yàn)流程圖，本文設(shè)計(jì)了如圖5所示的程序界面（程序運(yùn)行時(shí)的典型界面）。此外，圖5給出了方波信號(hào)的原始波形和信號(hào)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(shù)光標(biāo)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(xué)過程，我們可以通過運(yùn)行仿真實(shí)驗(yàn)程序，完成不同周期信號(hào)的頻譜分析，并且可以非常直觀的向?qū)W生展示周期信號(hào)頻譜的特性。

二、結(jié)論

本文分析了虛擬儀器技術(shù)在“測試技術(shù)”課堂教學(xué)中的應(yīng)用，并設(shè)計(jì)了基于虛擬儀器的電橋和差特性、周期信號(hào)頻譜的仿真實(shí)驗(yàn)方案和仿真實(shí)驗(yàn)程序。結(jié)果表明：電橋和差特性的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)可以完成不同組橋類型的電橋輸出特性實(shí)驗(yàn)，分析其靈敏度；周期信號(hào)頻譜的仿真實(shí)驗(yàn)可以完成多種典型周期信號(hào)的頻譜分析，并直觀的展示周期信號(hào)頻譜的特性。通過虛擬儀器技術(shù)的演示實(shí)驗(yàn)，可以達(dá)到實(shí)踐教學(xué)與理論教學(xué)相輔相成，讓學(xué)生在實(shí)踐中學(xué)習(xí)，從而更好地掌握本專業(yè)課程教學(xué)內(nèi)容。

參考文獻(xiàn)

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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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