虚拟仪器技术在机械工程教育改革中的应用

汤小娇

（唐山学院，河北 唐山 063000）

虚拟仪器技术在机械工程教育改革中的应用

汤小娇

（唐山学院，河北 唐山 063000）

培养学生掌握机械工程领域中各种物理量的测量技术，是机械工程高等教育的一项重要内容。虚拟仪器由于其良好的互动性和灵活性，能够使教学双方摆脱功能单一、固定的传统仪器的束缚，充分发挥师生的创新精神。深入研究虚拟仪器的教学方法和教学中的虚拟仪器系统配置方案，将虚拟仪器技术应用于机械工程教育改革。实践表明，基于虚拟仪器技术的教学改革不仅培养出了一大批机械工程测试领域的优秀人才，同时促进了机械工程中其他各学科的教育技术进步和教学水平提高。

虚拟仪器；机械工程；教育改革

一、引言

虚拟仪器技术就是利用高性能的模块化硬件，结合高效灵活的软件来完成各种测试、测量和自动化的应用[1]。如同人类科学技术的每一个进步，虚拟仪器技术既对高等工程教育内容的更新提出了要求，又为高等工程教育技术的进步创造了条件。但是虚拟仪器对于高等工程教育改革的重要意义，远非只是简单地提供了一种诸如音像教材或多媒体课件那样的教学工具，而是创造了一种全新的教学模式，开拓一个崭新的教学平台[2]。在这个更高的层面上，教师和学生不再仅仅使用现成的教学工具去提高教学效率，而是让自己应用最新的技术手段去主动地、创造性地教育和学习。

二、虚拟仪器教学与传统仪器教学的比较

各种物理量的测量是工程实践中一个普遍的问题，传统上解决的方法是针对某一种测试的要求购置一种仪器，仪器的功能由厂家定义，它一般是单一、固定的[3]。近十几年以来，随着计算机技术的飞速发展，诞生了虚拟仪器这种新的测试技术。应用虚拟仪器技术使一台普通的计算机成为一个功能完备的个人实验室。面对工程实践中可能遇到的各种物理量的测量与分析任务，不需要预先准备许许多多仪器，也不必现去订购合用的设备，而是简单地修改一下软件，就得到一台新的仪器。虚拟仪器技术的方便灵活和计算机技术的迅速普及，使物理量测量不再需要去请专业的测试技术人员来完成，每一个工程师和科学家都可以应用虚拟仪器技术完成自己遇到的测试任务，它是目前测试领域的一个技术热点，也代表了未来仪器技术的发展方向。在机械工程专业中，传统仪器教学主要是学习仪器的功能、原理、使用方法等[4]。虚拟仪器教学重点则是仪器的“制作”，即在一定的编程环境下，指导学生自己用计算机软件开发仪器。这样更突出了学生在学习中的主体地位。由于虚拟仪器主要是利用计算机软件来实现仪器的功能，所以仪器的内部结构对学生是透明的，学生能够构造、修改和增加仪器的功能，更容易激发学生的学习兴趣，培养学生的创造性思维和工程实践能力。我们把虚拟仪器教学与机械工程测试技术教学有机地结合在一起。机械工程测试技术课程是高等学校机械类专业一门重要的专业课，主要讲授机械工程领域各种常见物理量的测试与分析方法。基于虚拟仪器的机械工程测试技术教学，从整体上对传统的教学模式进行了改革，课堂教学主要突出测试技术的基础理论，删减了某些目前工程中已经很少使用的传统仪器的教学内容，增加了虚拟仪器的教学内容[5]。使学生能够了解典型的虚拟仪器结构，掌握虚拟仪器系统的构成以及其中各个环节的作用。虚拟仪器的软件教学是虚拟仪器教学的主要部分。我们选择美国NI公司的LabVIEW作为虚拟仪器教学平台。LabVIEW是当前诸多虚拟仪器软件开发平台中最流行的一个。它采用图形语言，编程界面非常形象直观，使用图标、连线来编写程序，代替传统编程语言的文本语句。它提供各种旋钮、仪表盘、波形图等控件，用于在计算机屏幕上创建虚拟仪器的软面板，代替传统仪器的硬面板。提供了经典的信号处理的几乎全部功能模块和大量常用的数学分析工具。

三、基于虚拟仪器的机械工程测试技术实验教学

虚拟仪器的生命力就体现在使用者可以用软件随心所欲地构造出自己需要的仪器，实现丰富与灵活的功能。应用虚拟仪器进行工程测试，是测试技术发展的必然趋势，也有益于学生与未来的工程实践接轨。通过虚拟仪器教学环节，学生能够用自己开发的虚拟仪器进行机械工程测试实验，完成编写软件、连接硬件，进行实验的全部过程。实验内容包括国内高等院校目前开设比较普遍的各个机械工程测试实验项目[6]。

1.应变测试实验。在应变梁上按不同形式粘贴好电阻式应变片，用信号调理器完成组桥并供激励电压和进行信号的放大、滤波，用LabVIEW提供的Convert Strain Gauge Reading函数将各种组桥方式的应变电压信号转换成应变值，根据Convert Strain Gauge Reading函数输出的应变值，描绘出各种形式应变梁的挠曲轴，计算出梁的最大挠度值，构成一台高效的多功能数字式应变仪，应变测试系统前面板如图1所示，通过实验，学生可以掌握应变的测量方法和电桥特性。

图1 应变测试系统前面板

2.频率响应函数与数字滤波实验。频率响应函数是描述测试系统动态特性的重要参数。LabVIEW的Transfer Function计算频率响应函数并返回两个参数，一个数组是频率响应函数的模（Frequency Response Mag），即被测系统的幅频特性；另一个是频率响应函数的幅角（Frequency Response Phase），即被测系统的相频特性。LabVIEW开发环境内有大量的数字滤波函数和数字滤波器开发工具。我们选择比较有典型意义的巴特沃斯（Butterworth）和切比雪夫（Chebyshev）滤波器作为测试系统，并根据选频要求分别将它们设置为低通、高通、带通和带阻型滤波器。通过实验学生既掌握了频率响应函数的测试方法，又了解了各种数字滤波器的频率响应特性。该实验内容也可以脱离硬件进行，大大降低了实验成本。

图2 位移测试系统前面板

3.位移测试实验。位移传感器采用近年来发展起来的导电塑料电位计，学生根据传感器的电阻分压电路，推导出位移与信号电压的关系式，编写位移测试的程序。实验中用游标卡尺测试位移传感器的位移量，代替被测量实际值，作为测试装置的输入值，对位移传感器进行静态标定。计算系统线性度时，采用LabVIEW的Linear Fit函数拟合直线，不需要编程时进行复杂的数学计算，就能取得高精度的结果，实验系统前面板如图2所示。

图3 振动测试系统组成

4.基于DataSocket的网络化振动测试。振动测试实验系统硬件结构如图3所示。实验中教师机产生一个频率连续变化的正弦激励信号，通过数据采集卡进行D/A转换后输出，经功率放大器送到激振器，使被测悬臂梁产生受迫振动。压电晶体加速度传感器拾取被测梁的振动信号。为了增加学生参与实验的机会而不过多增加设备投资，这个实验设计为基于计算机网络的实验，采用LabVIEW的DataSocket技术来实现的。实验室计算机网络是校园网的一部分，逻辑上是一种总线型结构，采用广播网传输技术。实验室中任何一台计算机发出的消息都能被所有计算机接收到。这样，当教师机运行振动测试服务器程序，采集被测对象加速度信号传输到计算机网络以后，同学只要在自己的振动测试程序中准确填写教师机的IP地址或网络标识名，就可以像自己的机器采集数据一样完成振动测试实验。

四、虚拟仪器技术对其他学科教学的促进

经过这些实验教学训练，学生更好地掌握了机械工程测试的有关内容和虚拟仪器编程技术。在这个基础上可以根据各种专业课程上学到的知识，自己选择实验内容，自行设计实验方案，在LabVIEW环境中进行自己感兴趣的实验。这样生动直观地展示许多抽象概念的物理实质，使它们更易于理解，达到课堂讲授很难得到的效果。由于学生要自己“做”实验仪器，所以就必须透彻了解实验原理，合理地设计实验方案，真正参与到实验过程当中。学生对这种实验教学方式表现了极大的兴趣，许多学生能够用多种方法完成同一个实验。还有些学生为了验证专业课学的某些知识，除教师指定的实验题目之外，还自己设计了一些实验，在完成教师指定练习内容的基础上有所创新和突破。因此，虚拟仪器技术促进了各学科教学质量的提高。

五、虚拟仪器技术对提高学生工程素质的作用

在LabVIEW平台上进行机械工程测试技术教学，不仅能够应用虚拟仪器作为实验设备对理论教学进行验证，而且能训练学生应用虚拟仪器进行实际工程测试的能力。由于我们的实验环境软硬件完全是工业标准的产品，学生在实验中开发的许多虚拟仪器完全可以直接应用到工程实践中去。在虚拟仪器教学内容上，我们安排了大量工程实例。学生学了这门课程以后，就知道所学的知识将来如何应用。几年来，我们还注意利用毕业设计这个最后的实践性教学环节，综合应用虚拟仪器技术和各学科知识，指导学生完成了基于LabVIEW的机器视觉系统、旋转机械状态监测与故障诊断、网络化机械参数测试、现代液压测试技术等课题，其中有些获得大学生科技创新竞赛奖。这些课题来源于生产实践，可以在工业现场应用，学生工程素质得到极大地提高。

六、结论

这套教学改革方案在我校试行以来取得了明显的效果。根据对教学改革以来第一届毕业生跟踪调查，学生中有15%目前在工作岗位上或在完成研究生课题时，主要应用虚拟仪器技术，得到用人单位和导师好评。我们的高等工程教育不再仅仅是让学生掌握今天已有的科学技术，而是培养他们能够在明天更好地去创造和发挥，它适应了知识经济时代对于高素质创新人才的呼唤，是工程教育教学必然的发展方向。

[1]S.Takayama，K.Kariya.User Interface of Measuring Instruments on Engineering Education[J].Proc.of XVI IMEKO W orld Congress，2000，（2）：123.

[2]T.Laopoulos.Teaching Instrumentation and Measurement in the Complex-Systems Era，IEEE Instrumentation&Measurement Magazine，1999，（2）：28.

[3]张敏良.基于CDIO工程教育理念探讨机械工程教育改革[J].上海工程技术大学教育研究，2009，（3）：26.

[4]郑光泽，姚英，等.重视工程实践训练推动机械工程基础实验教学改革[J].重庆工学院学报，2007，（12）：169.

[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]雷振山.LabVIEW 8.2基础教程[M].北京：中国铁道出版社，2008：256.

G642.0

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1674-9324（2014）33-0025-03

汤小娇（1971-），女，河北唐山人，唐山学院副教授，硕士，主要从事先进测控技术的教学与研究工作。