基于虚拟仪器技术实现测试技术教学改革的研究

2007年6月 Journa l of Guangdong Un i versity of Technology(Soc i a l Sc i ences Ed iti on) Jun .2007

收稿日期:2006209210

作者简介:邹大鹏(19772),男,汉族,博士研究生;主要研究方向:机电工程、海洋工程。基于虚拟仪器技术实现测试技术教学改革的研究

邹大鹏　吴百海　龙建军

(广东工业大学机电工程学院,广东广州,510090)

摘　要:文章结合“机械工程测量与试验技术”课程实际章节内容,研究应用虚拟仪器技术,建立计算机辅助教学系

统,实现融合性教学,为测试技术教学的改革提供论证和实例。

关键词:虚拟技术　测试技术　虚拟仪器　教学改革　计算机辅助教学中图分类号:G 642 文献标识码:A 计算机辅助教学在高等院校理工科教育中已经开展多年,一方面,发展趋势是运用flash 、Power point 等制作课件或录制影片直观演示无法用语言较清楚解释的知识和要点以及具体的实例,这种称之为“演示教学”;另一方面,则是和所学课程融合,寓教学于计算机技术中,如C AD 软件教学融合在“机械制图”课程中,其称之为“融合性教学”。演示教学侧重的是演示,产生直观的效果,将抽象和未知清楚地展现出来,使得学生理解更容易、知识面更宽、记忆更深刻,但这种方法只是计算机技术引入教学的一个简单的应用,并不能产生课程教育质的变化;而融合性教学则是将知识和工具一起教会给学生,学生在直接操作的过程中同时掌握了知识和运用这门知识的计算机工具,知识与实践包容在一起,这种教学是计算机辅助教学的高级状态,也是现代教育发展的一个必然趋势。

本文基于“融合性教学”的思想,探讨“机械工程测量与

试验技术”(本科教材,以下针对这本教材展开探讨)、“机械

工程测试.信息.信号分析”

(研究生教材)等相关课程教学改革的优缺点和可行性。

一、“机械工程测量与试验技术”课程的难点

书中理论学习占1/3,传感器、常规量测量及实验技术的认知教学占2/3。对于初学这门课程的人,会面临着许多问题。首先,思维要从时域向着频域转变,这个过程非常复杂,许多学生学完了仍然对频域的概念模模糊糊;其次,信号的处理理论性较强,涉及到具体过程抽象;第三,测试装置的特性难点在于学生要学会如何选择工具和分析工具,而在过去的教育时间里都在学习应用工具;第四,学习传感器的原理及选择,对于绝大多数人都是首次接触到自动测试及测试手段,需要直观的操作才能深刻理解及应用。

通常采用实验教学解决以上问题,然而实验教学中存在问题:一是需要大量的硬件设备,投入大且灵活性及通用性差;二是学生操作容易损坏设备,维护及连续性运作困难。许多学者指出基于虚拟技术应用于实验教学解决以上诸多

问题。[1-3]

本文在教学和科研的工作基础上,提出运用虚拟技术改革测试课程的传统教学,引入融合性教学,解决教学难点的同时适应新时期教育的要求和发展。具备的优点如下:

计算机应用于教学,通用性、灵活性和功能增强,演示效果直观、便捷;提高学生的技能的同时可以掌握一门功能强大的实用工具;实验室的功能增强,投入降低,维护容易,改造和升级方便;通过网络进行操作,可实现互动教学和远程教育,扩大教学规模。

二、虚拟仪器技术的教学应用

虚拟仪器是指具有虚拟仪器面板的个人计算机仪器,可以认为是基于一定硬件基础上用软件模拟实现硬件功能的仪器。利用虚拟仪器软件开发平台在计算机屏幕上虚拟出仪器的面板,学生通过鼠标或键盘操作虚拟仪器面板上的旋钮、开关和按键,设置各种工作参数,启动、停止及控制仪器,并直接从虚拟仪器面板读出测量结果。通过这种方式在屏幕上通过虚拟仪器面板对仪器的操作如同在真实仪器上的操作一样直观、方便、灵活。

它同时实现两方面功能:一是由教师开发出教学用演示功能界面,将与课程直接相关的内容及抽象的内容直观的体现在动态的演示操作中;一方面提供给学生自己开发和模拟的实验操作,增强学生的理解性。

1.教学用虚拟仪器系统的组成

教学用虚拟仪器系统由教学实验台、局域网络、虚拟仪器软件及硬件组成,结构功能如图1

。

图1　教学用虚拟仪器系统

教学实验台是必要的硬件系统,它可以分成多个与教学内容配套的实验模块如速度测试模块、位移测试模块、振动

测试模块、流体参量测量模块和转矩测试模块等等,是能够产生与工程实际相同的检测参数的简单的系统模块。虚拟

4

01

仪器硬件主要是由传感器和采集卡及计算机组成,通过传感器检测出各个模块的运动参数,通过采集卡实现与计算机的通讯,在计算机中完成的显示和处理;虚拟仪器软件主要是一种能够以简单的方式实现信号测量、处理、分析、显示、储存及控制的编写软件。局域网络是实现学生与教师互动、学生远程操作实验台、多用户同时操作共用实验台上不同单元的远程教学系统。

2.基于虚拟仪器技术的理论教学

“静动态数据描述”中各种信号的区别、频率特性及谱分析;“测量装置的基本特性”中的动静态特性的分析及其对不同输入的响应,不失真测量的条件;“模拟信号调制、滤波和数模转换”中模拟信号的获取、调制及采集;“信号处理初步”的傅里叶变换、相关分析及谱分析。

以上理论教学内容的难点在于概念新、知识抽象,因此通过逐一的运用虚拟仪器演示现象及过程,则学习过程变得容易,加深了理解及认知。

3.基于虚拟仪器技术的实验教学

通过演示测试系统的测试过程实例,展开绪论教学,引出测试技术的作用和重要性;通过常规传感器的检测过程的实物和过程的显示,教会学生如何使用及操作传感器;通过信号的采集和处理,教会学生如何连接传感器、如何应用采集卡以及如何实现信号屏蔽等初步处理;同过位移、振动、流量、应变的测量,掌握了计算机辅助测量的过程和内涵。

而且更重要的是,虚拟仪器是可以方便地更改的,学会更改技巧和方法较为容易,因此学生在做实验中,可以自己更改一些检测参数和设计一些检测系统。

工程类教学中实验教学是最重要的,割裂开实验和教学,必会导致学生的浑浑噩噩,而没有很好的结合教学于实验,必然会导致学生的囫囵吞枣,而通过虚拟仪器技术的改革性教育,将两者有机的结合在一起,必然能够培养出活学活用的学生。

4.教改的内容

首先应用虚拟仪器技术进行课程理论教学,然后学习虚拟仪器设计软件的基础知识,指导学生运用虚拟仪器技术进行设计及实验。

三、基于Labvie w软件的教学实现

虚拟仪器技术中,实现软件可分为文本式(VC++等)和图形式(Labvie w等)两种编程语言来实现。在应用教学中,既要实现开发容易、界面通用化,又要实现学习、使用及修改容易,因此Lab V I E W成为首选。

Lab V I E W是虚拟仪器概念的首创者,是由美国Nati onal I nstru ment(简称N I)公司推出的图形化软件开发环境,其优势在于测控系统的开发,不仅提供了几乎所有经典的信号处理函数和大量现代的高级信号分析工具,而且还非常容易和各种信息采集硬件集成,可以和多种主流的工业现场总线通讯以及与大多数通用标准的实施数据库链接。它能够实现教学用虚拟仪器系统的快速、准确构建和学生使用中迅速入门及编程的需要。为此,按主要课程章节举出Labvie w实现教学的实例,展现直观性、可行性以及程序设计的简单性。

1.信号及其描述

信号分为确定信号和非确定信号,非确定信号包括随机信号(见图2(a)),确定信号分为周期信号和非周期信号,非周期信号分为准周期信号(见图2(b))和衰减振动信号(见图2(c)),此外信号可分为连续信号(见图2(b))和离散信号(见图2(d))。对于周期信号进行频谱分析,如周期性三角波(一周期内的表达式见式(1))的傅里叶变换,求出其频谱图(见图3)。

x(t)

A+(2A/T0)・t -T0/2≤t≤0

A-(2A/T0)・t　0≤t≤T0/

2

(1)

傅里叶级数展开为:

x(t)=

A

2

+

4A

π2

∑1

n=1

1

n2

cos nω0t　(n=1,3,5,…)(2

)

图2　信号的描述

图3　傅里叶变换(频率为10Hz)

2.信号调理、处理

在控制和检测领域,传统仪表精度和分辨率低,采用传感器及其二次仪表进行输出,数据需要手动纪录,当采用虚拟仪器后,精度提高,过程数据自动记录,可以实现自动测量和控制。图4所示为压力测量和液位测量。实验台上安装了压力、位移等传感器,采集到实际运行值经过数据采集卡采集进入虚拟仪器。

图4　虚拟仪表

电桥是将电阻、电感等量的变化变为电压或电流输出的一种测量电路。建立虚拟电桥电路,模拟输出,验证放大特

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