基于虛擬儀器的直流電橋和差特性仿真實驗設計*

李貝貝，趙 巧，劉秀梅*

（1.中國礦業大學 機電工程學院，江蘇 徐州221116；2.中國礦業大學 大學生創新訓練中心，江蘇 徐州221116）

測試技術是機械工程等相關專業學生的必修課，其課程內容包括了測試信號、測量裝置、傳感器、力學參數等。該課程的教學方法多是以理論教學為主、實驗教學為輔。傳統的理論教學是在比較抽象的前提下給學生講授理論知識，不利于學生對理論知識的理解。為了增強學生對理論知識的理解和掌握，很多高校都開設了一些與課程內容相關的實驗環節，如：電橋的和差特性、傳感器特性等。但受實驗條件限制，開設的實驗環節只能配合少數幾個課程知識點；另一方面，實驗環節往往會滯后于理論教學環節，也導致了學生無法及時通過實驗環節來促進理論知識的學習[1-3]。此外，電阻式傳感器、電容式傳感器、電感式傳感器常在工程測試中用于測量力學參數、位移參數、振動等，而這類傳感器經常采用電橋電路將被測量的變化轉換為電壓變化，還可以利用電橋的組橋方式實現復雜工況下的參數測量，因此，電橋及其和差特性的靈活運用是測試技術課程教學的重點內容之一。

針對傳統實驗不能及時開展導致學生不能及時通過實驗驗證來理解理論知識的問題，國內多所高校探索了將虛擬儀器技術應用于實踐教學，將課堂教學和隨堂的仿真實驗相結合的方式，增加了課程教學的直觀性和生動性，激發了學生的學習興趣。南通大學的姚建南和中國礦業大學的蔣玉強基于虛擬儀器技術探討開發了模塊化測控實驗系統，能使教師在理論教學過程中結合實驗完成理論教學，促進了學生對問題的理解[4]。唐山學院的湯小嬌等[1]、以及廣東工業大學的鄒大鵬等[5]人分別研究了虛擬儀器在測試技術教學活動中的應用，并建立了相應的實驗平臺，實現了教學內容的直觀演示，提高了教學質量。劉瑞蘭等[6]人設計了基于電阻應變片的遠程虛擬實驗，復現了傳統實驗的操作過程。王星等[7]、劉科等[8]人以大學物理實驗中的直流單臂電橋測電阻為對象設計了基于LabVIEW的虛擬實驗，并取得了良好的效果。楊鐵柱、賴曉磊等[9]人分析了大學物理實驗的單臂、雙臂電流強度計算公式，設計了相應的仿真實驗系統，有效提高了教學質量。

上述的研究工作主要針對實驗室內的虛擬仿真實驗和物理實驗中電橋測電阻的仿真實驗進行研究，相應的仿真實驗操作相對復雜，不適合在課堂教學中用于演示實驗教學。因此，文章分析了電橋在機械工程測試中的典型應用場景，設計了操作簡單且可以靈活組橋的電橋和差特性的課堂教學仿真實驗的實踐環節。

1 直流電橋輸出特性

采用直流供電的電橋稱為直流電橋，典型的電橋電路如圖1所示。為了分析直流電橋的輸入輸出特性，我們假設：橋臂1、橋臂2、橋臂3和橋臂4上的元件分別是電阻應變片R1、R2、R3和R4，則電橋的輸出電壓為

圖1 直流電橋電路原理圖

當電橋上應變片受力發生形變時，電阻應變片R1、R2、R3和R4的電阻值變量分別為△R1、△R2、△R3和△R4，并假設有△R1<

根據電阻式應變片電阻變化率與應變的關系，式（2）可以寫成

2 仿真實驗方案設計

根據直流電橋的工作原理及輸出表達式，結合本專業測試技術課程教學的特點，本文設計了如圖2所示的等強度懸臂梁的貼片方案，即：在等強度梁的上表面粘貼應變片R1、R2、R3和R4，在其下表面粘貼應變片R5、R6、R7和R8；此外，為了實現一些組橋方式中的溫度補償，在一個與等懸臂梁材料相同、溫度相同且不受力的構件上粘貼應變片R9和R10。其中，R1、R2、R5和R6的粘貼方向為沿懸臂梁的軸線方向，R3、R4、R7和R8的粘貼方向與懸臂梁的軸線相垂直。

圖2 等強度梁應變片貼片方案

假設等強度懸臂梁在力F的作用下，其上表面產生的縱向應變為ε，根據應變片貼片形式可以分別得出各個應變片測得應變。因此，在實驗過程中可以通過選擇不同的應變片組成不同結構的電橋，分析不同組橋形式下的電橋輸出特性等參數，有助于學生對電橋及其對力學參數測量理論知識的理解。為了達到這一實驗目標，本文設計了如圖3所示的仿真實驗程序的主界面和LabVIEW程序圖。在程序的主界面給出了等強度懸臂梁上應變片貼片示意圖和電橋結構示意圖。為了降低隨堂演示實驗的復雜程度，本文采用了圖1所示的電橋基本電路。此外，程序的主界面還給出了電橋供電電壓us、應變ε的輸入控件和電橋輸出電壓uo的顯示控件。為了更加方便指定每個橋臂上的元件，本文在程序的主界面上分別為橋臂1、橋臂2、橋臂3和橋臂4羅列了所有的可選項。在進行仿真實驗時，只需點選單選按鈕就可以實現橋臂元件的指定。實現了電橋及其輸出特性實驗的簡潔、清晰，方便地將仿真實驗帶入課堂教學。

圖3 仿真實驗程序

通過運行仿真實驗程序，依次在橋臂1、橋臂2、橋臂3和橋臂4的元件選擇列表中點選不同的元件，即可以組成不同組橋形式的電橋。然后，輸入電橋供電電壓和應變，最后點擊“計算輸出電壓”就可以得出當前組橋形式下的輸出電壓，即：如圖4所示的典型單臂電橋仿真實驗可以通過指定橋臂1為應變片R1，其余橋臂為固定電阻方式實現。此外，分別指定橋臂1為應變片R1，橋臂2為應變片R5，其余橋臂指定為固定電阻構成單臂電橋，可以完成鄰臂異號半橋的仿真實驗；分別指定各橋臂1至橋臂4為應變片R1、R5、R2和R6，可以完成全橋的仿真實驗。因此，在測試技術課程的理論教學過程中使用該仿真實驗程序的直觀演示，有助于學生對電橋的和差特性的理解。同時，通過該實驗程序引導學生自行選擇元件組成其他形式的電橋，驗證所學的理論知識，可以很好地激發學生自主學習的興趣。

圖4 典型的單臂電橋的仿真實驗

3 結論

本文分析了直流電橋的輸出電壓表達式，結合測試技術中關于電橋和差特性、力學參數測量的組橋和布片原則的課程教學內容，以典型的等強度梁的布片和組橋為對象，設計了組橋和電橋和差特性的仿真實驗方案，開發了相應的仿真實驗程序，且程序界面簡潔、清晰。結果表明：一方面，通過仿真實驗程序可以非常方便地選擇不同應變片組成不同結構形式的電橋，并計算得出電橋的輸出電壓。另一方面，仿真實驗程序操作簡單快捷，有利于在課堂教學過程中開展隨堂演示實驗，讓教師可以更加形象、直觀地向學生講授理論知識。