虚拟仿真实验在现代测试技术课程教学中的应用

亢银霞，张振国，张 静

（新疆农业大学机械交通学院,新疆 乌鲁木齐 830052）

虚拟仿真实验在现代测试技术课程教学中的应用

亢银霞，张振国，张 静

（新疆农业大学机械交通学院,新疆 乌鲁木齐 830052）

本文探讨了虚拟实验对培养学生实践操作技能，提升创新能力的重要意义。利用虚拟仪器在信号处理分析及显示方面的强大功能，通过虚拟仿真实验将测试技术教学中的基本理论方便地用图形表达出来，并采用虚拟仪器设备代替传统物理仪器，弥补传统教育存在的弊端

测试技术；虚拟实验；应用

《现代测试技术》是机械类、机电类专业的必修课程，是本科生后续课程和研究生课程的基础,它在专业课程体系中占有重要的地位。这门课程实践性很强，要求学生既要学好理论知识，又要掌握实际操作技能，因此实验教学环节就显得非常重要。然而，在现代测试技术实验教学中，大多数高校仍沿用传统的教学模式，只注重书本内容的讲授，实验课时少、内容单一，设备人均使用率低。所开设的实验课是以基础性实验为主，整个实验中，所有的实验过程、操作步骤、程序设计等都是由教师事先规定好的，学生仅仅是做无需思考地重复劳动，死板的实验模式难以调动学生的主动性和创造性。这种重理论而轻实践的教学模式偏离了应用型人才培养的初衷，越来越不能适应当今科学技术飞速发展的需要。随着计算机技术和网络技术的不断发展，在教育领域提出了一种新的实验教学思路，即构建虚拟实验室的方法[1]。采用虚拟仪器设备代替传统物理仪器，弥补传统教育存在的弊端，不仅可以缓解经费不足导致实验资源缺乏等现象，还有利于实验的开放性、灵活性、内容的多样化，素质教育的开展提供了技术条件。为了有效地提高实验教学的效果和质量，填补实验条件的不足，学院购置了DSAP仿真软件，利用软件代替硬件的先进思想，我们开发了虚拟仿真实验平台。

1 虚拟测试技术实验教学系统组成

由于传统测控实验设备主要采用以元器件级传感器为核心的固化试验台或实验面板，偏向传感器原理方面的验证，而真正的测控系统是包含测试对象、传感器、信号调理、采集、软件处理显示等多个环节的综合系统，并非只是传感器原理这一个孤立的部分，因此传统测控实验模式不能够使学生建立起对测控系统的正确而全面的概念。为了让学生对测控系统有一个全面的认识，测试技术创新实验室由DASP快速可重组虚拟仪器实验平台、机电检测综合实验台架以及传感器、多通道数据采集仪、计算机终端等设备组成。图1为测试系统信号流程图

图1 测试系统信号流程图

被测控对象可以是运动机械对象，如转子，直线运动模块等运动参量，也可以是过程对象和参数，如温度、压力、流量等。

传感器安装在被测控对象上或对象附近，将需测量参数通过各种物理或化学等效应转化为电流或电压，这部分是传感器原理课程主要讲授的内容。

调理电路将传感器输出的原始信号进行滤波或放大等，转化为标准的电信号，以便数据采集卡或控制器接收，这部分既可作为传感器原理的一部分，也可作为信号处理的一部分。

数据采集卡将调理电路输出的标准测量信号转化为数字信号，传送给计算机便于计算机进行分析、处理、显示或用于控制。

计算机分析主要采用先进的DASP软件，接收数据采集输出的标准数字信号，对其进行分析、处理和显示。

2 虚拟仿真实验在教学中的应用

为了让学生充分认识及掌握机械测试系统的架构及应用，保证学生得到循序渐进的系统训练，整个虚拟实验系统的内容设计不仅要紧扣课本，而且要与工程应用相结合。针对课程的内容特点和教学目的，将整个虚拟仿真实验分为2部分，即以DASP软件为平台的信号仿真实验和以工程案例为背景的综合性实验。

2.1基于仿真软件的信号仿真实验

信号仿真实验是针对信号分析处理知识量身订做的实验，内容丰富，囊括了教材中所有信号分析的基础知识。学生通过调用不同的实验模块，可以自行选择实验项目，实验结果可以通过文字、图形、图像、声音等形式显示给学生。学生在实验过程中可以直观地看到信号处理前后的变化，产生直观的效果，使学生对抽象概念理解更容易、记忆更深刻。通过实验，扭转了老师一味地在黑板上讲解推导相关公式，学生接受枯燥理论知识的被动性，有助于学生学习兴趣和效果的提高。

信号仿真实验内容包括信号基本性质、时域分析、频域分析、滤波、调制、采样、加窗等模块。通过虚拟实验,可以了解信号的相关分析波形,学会利用各种形式的频谱分析对信号进行分析,并学会识别噪声信号。各个模块所包含的相关实验见表1

表1 信号仿真实验

下面以信号的相关分析实验为例说明实验的原理和方法。所谓“相关”是指两变量之间的线性关系，对于确定信号，两个变量之间可以用函数关系来描述，对于两个随机信号之间就不具有这样的确定关系，但是通过大量统计就可以发现它们之间是存在具有某种内涵的物理关系[2]。通常相关分析用于研究两个信号之间的相关性，如测定管道损伤位置、判定设备振动和噪声与其部件振动的关系等。在振动控制、故障源识别、雷达测距，运动物体的精确测速和声发射探伤等方面均有相关分析的应用。

实验过程中学生首先要设置信号的各种参数，如信号类型、幅值、频率、相位等。系统根据学生所选择的信息，自动产生相应的数据反映信号时域特性，如计算时域信号的最大值、最小值、均值、均方值、自相关函数波形等。若选择相关，进入相关分析模块，如果是双通道信号，可以进行互相关分析和各自的自相关分析。在选择本模块时，在下方将出现参数对话框，如图2所示，在图形显示区中显示的内容如图3所示，上面的为通道1的自相关曲线，下面的为通道2的自相关曲线。

图2 相关分析参数调节

图3 相关分析显示内容

2.2基于工程测量背景的仿真实验

因为条件限制，大多数学生关注理论知识的学习，缺乏现场实践经验。在掌握基础知识后，不知道所学知识要应用在什么地方。基于工程测量背景的仿真实验是让学生利用实验台（包括电机和转子等）、传感器、信号调理模块、数据采集卡和虚拟仪器平台等设备，自己设计实验方案，亲自动手搭配实验平台来完成实验。这类实验模拟了测试技术在实际工程中的应用，将书本知识与工程实际相结合，激发了学生的学习兴趣，培养了学生的动手能力。相关的实验见表2。

表2 综合创新性实验

下面以轴心运动轨迹分析仿真实验为例来说明实验的原理和方法。轴心轨迹是指轴颈旋转中心相对于轴承中心的运动轨迹。在旋转机械故障诊断中，轴心轨迹的形状与动态特性，包含了大量的故障信息，它能够形象、直观地表达旋转设备的运行情况[3]。

轴心轨迹测试系统是在转子实验台上安装2个相互垂直的电涡流传感器分别输出X-Y方向的位移信号，这两类信号都为模拟信号，经A/D卡采集之后，转换成数字信号，输入到PC机中，最后经DASP软件处理并显示。实验结果显示见图3，实验面板上显示有参数设置，数据回放，结果打印以及测试结果显示等。

图3 轴心轨迹分析

3 结束语

虚拟仿真实验为学生提供了大量的感性学习材料，使抽象的概念和理论直观化、形象化。在虚拟实验室中，实验的过程完全由实验者控制，学生可以通过计算机来操作自定义的仪器，对被测试量进行采集、分析、判断、显示、数据存储等。通过实验加强了学生对测试系统的架构及设计的认识、理解，同时充分锻炼了学生的独立构思和动手能力。通过教学实践证明,虚拟实验已经成为测试技术和传感器技术等课程教学的有效教学方法之一。

[1]刘成文．虚拟仪器在悬臂梁固有频率测量实验中的应用[J]．煤矿机械，2004（11）：34～35．

[2]李香萍．虚拟仪器在实验教学中的应用[J]．实验室科学，2009（10）:128～129．

[3]候跃谦．虚拟仪器在检测技术教学中的应用[J]．长春大学学报，2006（8）：29～31

[4]汪敏生．LabVIEW基础教程[M]．北京:电子工业出版社，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

本文系新疆农业大学实验室建设与管理改革项目“虚拟实验教学研究与实践—以现代测试技术课程为例”