典型测试技术实验的虚拟课堂实验设计

李贝贝 赵巧 刘秀梅

[摘 要] 探讨了虚拟仪器技术在“测试技术”课程相关知识点中的应用，在理论教学和实践教学的基础上，建立了与理论教学相辅相成的仿真实验目标，设计了课程中信号及其频谱、电桥的仿真实验方案及仿真实验程序，实现了不同信号的频谱分析、不同组桥类型的电桥输出特性等仿真实验。结果表明：电桥特性的仿真程序可以分别进行单臂电桥、半桥、全桥的仿真实验；周期信号频谱分析的仿真程序可以直观地给出周期信号的时域和频域波形。研究成果为仿真实验在“测试技术”课堂教学中的应用提供了解决方案。

[关键词] 虚拟仪器；测试技术；电桥和差特性；周期信号频谱

[基金项目] 2019年度中国矿业大学教育教学改革与建设课题“虚拟仪器技术在‘测试技术’课堂教学的应用及探索研究”（2019YB09）

[作者简介] 李贝贝（1984—）男，江苏徐州人，博士，中国矿业大学机电工程学院副教授，主要从事机械工程研究；刘秀梅（1982—），女，江苏盐城人，博士，中国矿业大学机电工程学院教授（通信作者），主要从事机械工程研究。

[中图分类号] G642.4 [文献标识码] A [文章编号] 1674-9324（2022）06-0149-04 [收稿日期] 2021-06-02

引言

“测试技术”是高等院校中机械工程等相关专业学生的必修课，其专业知识在工程科学领域中的应用非常广泛[1]。传统课堂教学方法主要以理论教学为主，需要学生在严谨的数学推导等手段下学习相关概念、原理等。但这种教学方式对学生学习和理解所学知识是不利的。因此，通过课堂演示实验的方法能帮助学生更深入理解课堂中讲授的理论知识。但传统的实验装置因结构复杂、体积大，因而只適合在实验室内使用。此外，受实验条件限制，相应的实验项目也难以与课程教学同步。导致学生在学习课堂理论知识时，不能及时有效的通过实验加深理解，降低的学习兴趣和效果[2]。

因此，通过虚拟仪器技术将课堂教学和仿真实验的有机结合，用直观的课堂演示为理论教学提供验证，必然能够增强学生对理论知识的理解[3，4]。虚拟仪器技术已经广泛应用于大学教学和科研、测试等各个领域。如：蔡共宣讨论了虚拟仪器在课堂教学过程的实现方法，研究了虚拟仪器技术引入“测试技术”课程教学的意义[4]。汤小娇等人对测试技术传统教学活动存在的问题进行了分析总结，建立了基于虚拟仪器的测试实验室，提高了教学质量和学生的实践创新能力[5]。邹大鹏等人将虚拟仪器技术与“机械工程测量与试验技术”课程内容相结合，构建了计算机辅助教学系统，实现了教学内容的直观体现和演示[6]。尤丽华、周洋搭建了基于涡流传感器振动测试的虚拟仪器综合实验教学系统，让学生对测试系统有了更加全面的认识[3]。姚建南、蒋玉强开发了基于虚拟仪器技术的模块化测控实验系统，使得教师的授课不再是单纯的理论教学，促进了学生对问题的理解[2]。南京理工大学的谢丽华设计并开发了测温、称重等虚拟仿真实验，让学生能够更加形象地理解课堂教学的理论知识[7]。此外，泰州职业技术学院王艳[8]、齐齐哈尔大学的王丽[9]等人也分别针对虚拟仪器在“信号与线性系统分析”“传感器”等课程教学活动中的应用展开研究，并取得了积极的效果。

为了更加直观的将理论知识展示并传授给学生，本文分析了机械工程专业对测试技术的学习要求及相应先修课程情况，课程典型知识点的实践教学方法及手段，研究了虚拟仪器在课程典型知识点上的课堂教学仿真实验的实践环节设计。

一、测试技术典型知识点的仿真实验设计

（一）电桥和差特性的仿真实验设计

在工程测试中，常用电阻式传感器、电容式传感器、电感式传感器测量力学参数、位移参数、振动等，而这类传感器仅仅是将被测量转换为电路或磁路的参数变化。因此，此类传感器往往需要使用电桥电路将电路或磁路的参数变化转换为电压变化。此外，电桥具有结构简单、组桥形式灵活的特点，使得电桥在工程测试中得到了较广泛的应用。因此，电桥及其和差特性是“测试技术”课程教学的重点内容之一。

为了实现电桥和差特性的仿真实验，让学生掌握单臂电桥、邻臂同号/异号电桥、邻臂同号/异号电桥、全桥等不同组桥形式下的电桥输出、灵敏度等特性参数。同时，为了减小课堂演示实验的复杂程度，本文采用如图1所示的电路原理图及实验流程图，并使各桥臂上元件（R1、R2、R3、R4）可分别设置为固定电阻值、应变片，且不同桥臂上应变片的电阻变化率可以分别设置正负变化。因此，在课堂教学的演示实验中，可以按照设计组桥类型—指定各桥臂元件类型—指定应变片电阻变化率符号—指定输入电压—改变电阻变化率—计算输出电压的顺序进行。最后，根据得到的数据分析不同类型电桥的输出特性。其中，在指定各桥臂元件类型时，可以指定各个桥臂的元件为“固定电阻”或“应变片”；在指定应变片电阻变化率符号时，可以指定应变片的电阻变化率为正或负。

为了实现电桥和差特性的虚拟实验，本文设计了如图2所示的程序界面（程序运行时的典型界面）和LabVIEW程序图。运行仿真实验程序，我们可以分别进行单臂电桥、邻臂同号/异号电桥、对臂同号/异号电桥和全桥等六种不同类型组桥方式，在不同电阻变化率下的输出电压值仿真实验。根据实验得到的电桥输出特性，可以画出如图3所示的典型实验结果曲线。通过图3中曲线，引导学生分析不同组桥类型的电桥输出特性及其灵敏度关系。

（二）周期信号频谱的仿真实验设计

由课程知识点可知，任意满足狄里赫利条件的周期函数都可以分解成一个直流分量和无限多个正弦分量，且其频谱呈谐波性、离散性和收敛性。为了让学生更好地理解这一周期信号的频谱特性，采用对不同周期信号进行频谱分析实验，可以非常直观的展示这些特性。因此，本文应用快速傅立叶变换，设计了如图4所示的仿真实验流程及程序图，即：在仿真实验过程中，依次按照选择周期信号—指定周期信号的幅值、频率等—计算信号频谱—观测信号原始波形及幅值谱—测量各谱线对应的频率和幅值的顺序进行。其中，周期性信号的类型有正弦波、方波、锯齿波和方波。

根据所设计的仿真实验流程图，本文设计了如图5所示的程序界面（程序运行时的典型界面）。此外，图5给出了方波信号的原始波形和信号幅值谱。从图5可以看出：幅值谱在基频和奇次谐波分量上具有谱线且幅值逐渐减小，使用读数光标可以将幅值谱的各次谐波的幅值和频率读取出来。因此，在课堂教学过程，我们可以通过运行仿真实验程序，完成不同周期信号的频谱分析，并且可以非常直观的向学生展示周期信号频谱的特性。

二、结论

本文分析了虚拟仪器技术在“测试技术”课堂教学中的应用，并设计了基于虛拟仪器的电桥和差特性、周期信号频谱的仿真实验方案和仿真实验程序。结果表明：电桥和差特性的虚拟仿真实验可以完成不同组桥类型的电桥输出特性实验，分析其灵敏度；周期信号频谱的仿真实验可以完成多种典型周期信号的频谱分析，并直观的展示周期信号频谱的特性。通过虚拟仪器技术的演示实验，可以达到实践教学与理论教学相辅相成，让学生在实践中学习，从而更好地掌握本专业课程教学内容。

参考文献

[1]戴振松，葛康定，鈡瑞明.基于LabVIEW的“测试技术基础”教学研究与实践[J].现代测量与实验室管理，2014，22（5）：32-33+42.

[2]姚建南，蒋玉强.基于虚拟仪器仿真的测控课堂实验演示教学方法研究[J].教育教学论坛，2018（25）：276-278.

[3]尤丽华，周洋.基于虚拟仪器的测试技术实验教学系统建立[J].实验技术与管理，2011，28（2）：83-86+90.

[4]蔡共宣.虚拟仪器技术引入测试技术教学的研究与实践[J].装备制造技术，2009（2）：170-171+183.

[5]汤小娇，雷振山.虚拟仪器在测试、教学改革中的应用[J].理工高教研究，2004（1）：107-108.

[6]邹大鹏，吴百海，龙建军.基于虚拟仪器技术实现测试技术教学改革的研究[J].东工业大学学报（社会科学版），2007（S1）：104-107.

[7]谢丽华.基于虚拟仪器技术的信号检测课程演示和实验方法的研究[D].南京：南京理工大学，2010.

[8]王艳，于雯.基于Labview的《信号与线性系统分析》教学实现[J].当代教育实践与教学研究，2015（9）：54.

[9]王丽，苗凤娟，王艳春，等.虚拟仪器在传感器教学改革中的应用[J].高师理科学刊，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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