虛擬仿真實驗在現代測試技術課程教學中的應用

亢銀霞，張振國，張 靜

（新疆農業大學機械交通學院,新疆 烏魯木齊 830052）

虛擬仿真實驗在現代測試技術課程教學中的應用

亢銀霞，張振國，張 靜

（新疆農業大學機械交通學院,新疆 烏魯木齊 830052）

本文探討了虛擬實驗對培養學生實踐操作技能，提升創新能力的重要意義。利用虛擬儀器在信號處理分析及顯示方面的強大功能，通過虛擬仿真實驗將測試技術教學中的基本理論方便地用圖形表達出來，并采用虛擬儀器設備代替傳統物理儀器，彌補傳統教育存在的弊端

測試技術；虛擬實驗；應用

《現代測試技術》是機械類、機電類專業的必修課程，是本科生后續課程和研究生課程的基礎,它在專業課程體系中占有重要的地位。這門課程實踐性很強，要求學生既要學好理論知識，又要掌握實際操作技能，因此實驗教學環節就顯得非常重要。然而，在現代測試技術實驗教學中，大多數高校仍沿用傳統的教學模式，只注重書本內容的講授，實驗課時少、內容單一，設備人均使用率低。所開設的實驗課是以基礎性實驗為主，整個實驗中，所有的實驗過程、操作步驟、程序設計等都是由教師事先規定好的，學生僅僅是做無需思考地重復勞動，死板的實驗模式難以調動學生的主動性和創造性。這種重理論而輕實踐的教學模式偏離了應用型人才培養的初衷，越來越不能適應當今科學技術飛速發展的需要。隨著計算機技術和網絡技術的不斷發展，在教育領域提出了一種新的實驗教學思路，即構建虛擬實驗室的方法[1]。采用虛擬儀器設備代替傳統物理儀器，彌補傳統教育存在的弊端，不僅可以緩解經費不足導致實驗資源缺乏等現象，還有利于實驗的開放性、靈活性、內容的多樣化，素質教育的開展提供了技術條件。為了有效地提高實驗教學的效果和質量，填補實驗條件的不足，學院購置了DSAP仿真軟件，利用軟件代替硬件的先進思想，我們開發了虛擬仿真實驗平臺。

1 虛擬測試技術實驗教學系統組成

由于傳統測控實驗設備主要采用以元器件級傳感器為核心的固化試驗臺或實驗面板，偏向傳感器原理方面的驗證，而真正的測控系統是包含測試對象、傳感器、信號調理、采集、軟件處理顯示等多個環節的綜合系統，并非只是傳感器原理這一個孤立的部分，因此傳統測控實驗模式不能夠使學生建立起對測控系統的正確而全面的概念。為了讓學生對測控系統有一個全面的認識，測試技術創新實驗室由DASP快速可重組虛擬儀器實驗平臺、機電檢測綜合實驗臺架以及傳感器、多通道數據采集儀、計算機終端等設備組成。圖1為測試系統信號流程圖

圖1 測試系統信號流程圖

被測控對象可以是運動機械對象，如轉子，直線運動模塊等運動參量，也可以是過程對象和參數，如溫度、壓力、流量等。

傳感器安裝在被測控對象上或對象附近，將需測量參數通過各種物理或化學等效應轉化為電流或電壓，這部分是傳感器原理課程主要講授的內容。

調理電路將傳感器輸出的原始信號進行濾波或放大等，轉化為標準的電信號，以便數據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，也可作為信號處理的一部分。

數據采集卡將調理電路輸出的標準測量信號轉化為數字信號，傳送給計算機便于計算機進行分析、處理、顯示或用于控制。

計算機分析主要采用先進的DASP軟件，接收數據采集輸出的標準數字信號，對其進行分析、處理和顯示。

2 虛擬仿真實驗在教學中的應用

為了讓學生充分認識及掌握機械測試系統的架構及應用，保證學生得到循序漸進的系統訓練，整個虛擬實驗系統的內容設計不僅要緊扣課本，而且要與工程應用相結合。針對課程的內容特點和教學目的，將整個虛擬仿真實驗分為2部分，即以DASP軟件為平臺的信號仿真實驗和以工程案例為背景的綜合性實驗。

2.1基于仿真軟件的信號仿真實驗

信號仿真實驗是針對信號分析處理知識量身訂做的實驗，內容豐富，囊括了教材中所有信號分析的基礎知識。學生通過調用不同的實驗模塊，可以自行選擇實驗項目，實驗結果可以通過文字、圖形、圖像、聲音等形式顯示給學生。學生在實驗過程中可以直觀地看到信號處理前后的變化，產生直觀的效果，使學生對抽象概念理解更容易、記憶更深刻。通過實驗，扭轉了老師一味地在黑板上講解推導相關公式，學生接受枯燥理論知識的被動性，有助于學生學習興趣和效果的提高。

信號仿真實驗內容包括信號基本性質、時域分析、頻域分析、濾波、調制、采樣、加窗等模塊。通過虛擬實驗,可以了解信號的相關分析波形,學會利用各種形式的頻譜分析對信號進行分析,并學會識別噪聲信號。各個模塊所包含的相關實驗見表1

表1 信號仿真實驗

下面以信號的相關分析實驗為例說明實驗的原理和方法。所謂“相關”是指兩變量之間的線性關系，對于確定信號，兩個變量之間可以用函數關系來描述，對于兩個隨機信號之間就不具有這樣的確定關系，但是通過大量統計就可以發現它們之間是存在具有某種內涵的物理關系[2]。通常相關分析用于研究兩個信號之間的相關性，如測定管道損傷位置、判定設備振動和噪聲與其部件振動的關系等。在振動控制、故障源識別、雷達測距，運動物體的精確測速和聲發射探傷等方面均有相關分析的應用。

實驗過程中學生首先要設置信號的各種參數，如信號類型、幅值、頻率、相位等。系統根據學生所選擇的信息，自動產生相應的數據反映信號時域特性，如計算時域信號的最大值、最小值、均值、均方值、自相關函數波形等。若選擇相關，進入相關分析模塊，如果是雙通道信號，可以進行互相關分析和各自的自相關分析。在選擇本模塊時，在下方將出現參數對話框，如圖2所示，在圖形顯示區中顯示的內容如圖3所示，上面的為通道1的自相關曲線，下面的為通道2的自相關曲線。

圖2 相關分析參數調節

圖3 相關分析顯示內容

2.2基于工程測量背景的仿真實驗

因為條件限制，大多數學生關注理論知識的學習，缺乏現場實踐經驗。在掌握基礎知識后，不知道所學知識要應用在什么地方。基于工程測量背景的仿真實驗是讓學生利用實驗臺（包括電機和轉子等）、傳感器、信號調理模塊、數據采集卡和虛擬儀器平臺等設備，自己設計實驗方案，親自動手搭配實驗平臺來完成實驗。這類實驗模擬了測試技術在實際工程中的應用，將書本知識與工程實際相結合，激發了學生的學習興趣，培養了學生的動手能力。相關的實驗見表2。

表2 綜合創新性實驗

下面以軸心運動軌跡分析仿真實驗為例來說明實驗的原理和方法。軸心軌跡是指軸頸旋轉中心相對于軸承中心的運動軌跡。在旋轉機械故障診斷中，軸心軌跡的形狀與動態特性，包含了大量的故障信息，它能夠形象、直觀地表達旋轉設備的運行情況[3]。

軸心軌跡測試系統是在轉子實驗臺上安裝2個相互垂直的電渦流傳感器分別輸出X-Y方向的位移信號，這兩類信號都為模擬信號，經A/D卡采集之后，轉換成數字信號，輸入到PC機中，最后經DASP軟件處理并顯示。實驗結果顯示見圖3，實驗面板上顯示有參數設置，數據回放，結果打印以及測試結果顯示等。

圖3 軸心軌跡分析

3 結束語

虛擬仿真實驗為學生提供了大量的感性學習材料，使抽象的概念和理論直觀化、形象化。在虛擬實驗室中，實驗的過程完全由實驗者控制，學生可以通過計算機來操作自定義的儀器，對被測試量進行采集、分析、判斷、顯示、數據存儲等。通過實驗加強了學生對測試系統的架構及設計的認識、理解，同時充分鍛煉了學生的獨立構思和動手能力。通過教學實踐證明,虛擬實驗已經成為測試技術和傳感器技術等課程教學的有效教學方法之一。

[1]劉成文．虛擬儀器在懸臂梁固有頻率測量實驗中的應用[J]．煤礦機械，2004（11）：34～35．

[2]李香萍．虛擬儀器在實驗教學中的應用[J]．實驗室科學，2009（10）:128～129．

[3]候躍謙．虛擬儀器在檢測技術教學中的應用[J]．長春大學學報，2006（8）：29～31

[4]汪敏生．LabVIEW基礎教程[M]．北京:電子工業出版社，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

本文系新疆農業大學實驗室建設與管理改革項目“虛擬實驗教學研究與實踐—以現代測試技術課程為例”