湯小嬌

（唐山學(xué)院，河北 唐山 063000）

虛擬儀器技術(shù)在機(jī)械工程教育改革中的應(yīng)用

湯小嬌

（唐山學(xué)院，河北 唐山 063000）

培養(yǎng)學(xué)生掌握機(jī)械工程領(lǐng)域中各種物理量的測(cè)量技術(shù)，是機(jī)械工程高等教育的一項(xiàng)重要內(nèi)容。虛擬儀器由于其良好的互動(dòng)性和靈活性，能夠使教學(xué)雙方擺脫功能單一、固定的傳統(tǒng)儀器的束縛，充分發(fā)揮師生的創(chuàng)新精神。深入研究虛擬儀器的教學(xué)方法和教學(xué)中的虛擬儀器系統(tǒng)配置方案，將虛擬儀器技術(shù)應(yīng)用于機(jī)械工程教育改革。實(shí)踐表明，基于虛擬儀器技術(shù)的教學(xué)改革不僅培養(yǎng)出了一大批機(jī)械工程測(cè)試領(lǐng)域的優(yōu)秀人才，同時(shí)促進(jìn)了機(jī)械工程中其他各學(xué)科的教育技術(shù)進(jìn)步和教學(xué)水平提高。

虛擬儀器；機(jī)械工程；教育改革

一、引言

虛擬儀器技術(shù)就是利用高性能的模塊化硬件，結(jié)合高效靈活的軟件來(lái)完成各種測(cè)試、測(cè)量和自動(dòng)化的應(yīng)用[1]。如同人類(lèi)科學(xué)技術(shù)的每一個(gè)進(jìn)步，虛擬儀器技術(shù)既對(duì)高等工程教育內(nèi)容的更新提出了要求，又為高等工程教育技術(shù)的進(jìn)步創(chuàng)造了條件。但是虛擬儀器對(duì)于高等工程教育改革的重要意義，遠(yuǎn)非只是簡(jiǎn)單地提供了一種諸如音像教材或多媒體課件那樣的教學(xué)工具，而是創(chuàng)造了一種全新的教學(xué)模式，開(kāi)拓一個(gè)嶄新的教學(xué)平臺(tái)[2]。在這個(gè)更高的層面上，教師和學(xué)生不再僅僅使用現(xiàn)成的教學(xué)工具去提高教學(xué)效率，而是讓自己應(yīng)用最新的技術(shù)手段去主動(dòng)地、創(chuàng)造性地教育和學(xué)習(xí)。

二、虛擬儀器教學(xué)與傳統(tǒng)儀器教學(xué)的比較

各種物理量的測(cè)量是工程實(shí)踐中一個(gè)普遍的問(wèn)題，傳統(tǒng)上解決的方法是針對(duì)某一種測(cè)試的要求購(gòu)置一種儀器，儀器的功能由廠家定義，它一般是單一、固定的[3]。近十幾年以來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，誕生了虛擬儀器這種新的測(cè)試技術(shù)。應(yīng)用虛擬儀器技術(shù)使一臺(tái)普通的計(jì)算機(jī)成為一個(gè)功能完備的個(gè)人實(shí)驗(yàn)室。面對(duì)工程實(shí)踐中可能遇到的各種物理量的測(cè)量與分析任務(wù)，不需要預(yù)先準(zhǔn)備許許多多儀器，也不必現(xiàn)去訂購(gòu)合用的設(shè)備，而是簡(jiǎn)單地修改一下軟件，就得到一臺(tái)新的儀器。虛擬儀器技術(shù)的方便靈活和計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速普及，使物理量測(cè)量不再需要去請(qǐng)專(zhuān)業(yè)的測(cè)試技術(shù)人員來(lái)完成，每一個(gè)工程師和科學(xué)家都可以應(yīng)用虛擬儀器技術(shù)完成自己遇到的測(cè)試任務(wù)，它是目前測(cè)試領(lǐng)域的一個(gè)技術(shù)熱點(diǎn)，也代表了未來(lái)儀器技術(shù)的發(fā)展方向。在機(jī)械工程專(zhuān)業(yè)中，傳統(tǒng)儀器教學(xué)主要是學(xué)習(xí)儀器的功能、原理、使用方法等[4]。虛擬儀器教學(xué)重點(diǎn)則是儀器的“制作”，即在一定的編程環(huán)境下，指導(dǎo)學(xué)生自己用計(jì)算機(jī)軟件開(kāi)發(fā)儀器。這樣更突出了學(xué)生在學(xué)習(xí)中的主體地位。由于虛擬儀器主要是利用計(jì)算機(jī)軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)儀器的功能，所以?xún)x器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)對(duì)學(xué)生是透明的，學(xué)生能夠構(gòu)造、修改和增加儀器的功能，更容易激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)造性思維和工程實(shí)踐能力。我們把虛擬儀器教學(xué)與機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)教學(xué)有機(jī)地結(jié)合在一起。機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)課程是高等學(xué)校機(jī)械類(lèi)專(zhuān)業(yè)一門(mén)重要的專(zhuān)業(yè)課，主要講授機(jī)械工程領(lǐng)域各種常見(jiàn)物理量的測(cè)試與分析方法?；谔摂M儀器的機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)教學(xué)，從整體上對(duì)傳統(tǒng)的教學(xué)模式進(jìn)行了改革，課堂教學(xué)主要突出測(cè)試技術(shù)的基礎(chǔ)理論，刪減了某些目前工程中已經(jīng)很少使用的傳統(tǒng)儀器的教學(xué)內(nèi)容，增加了虛擬儀器的教學(xué)內(nèi)容[5]。使學(xué)生能夠了解典型的虛擬儀器結(jié)構(gòu)，掌握虛擬儀器系統(tǒng)的構(gòu)成以及其中各個(gè)環(huán)節(jié)的作用。虛擬儀器的軟件教學(xué)是虛擬儀器教學(xué)的主要部分。我們選擇美國(guó)NI公司的LabVIEW作為虛擬儀器教學(xué)平臺(tái)。LabVIEW是當(dāng)前諸多虛擬儀器軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)中最流行的一個(gè)。它采用圖形語(yǔ)言，編程界面非常形象直觀，使用圖標(biāo)、連線(xiàn)來(lái)編寫(xiě)程序，代替?zhèn)鹘y(tǒng)編程語(yǔ)言的文本語(yǔ)句。它提供各種旋鈕、儀表盤(pán)、波形圖等控件，用于在計(jì)算機(jī)屏幕上創(chuàng)建虛擬儀器的軟面板，代替?zhèn)鹘y(tǒng)儀器的硬面板。提供了經(jīng)典的信號(hào)處理的幾乎全部功能模塊和大量常用的數(shù)學(xué)分析工具。

三、基于虛擬儀器的機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)

虛擬儀器的生命力就體現(xiàn)在使用者可以用軟件隨心所欲地構(gòu)造出自己需要的儀器，實(shí)現(xiàn)豐富與靈活的功能。應(yīng)用虛擬儀器進(jìn)行工程測(cè)試，是測(cè)試技術(shù)發(fā)展的必然趨勢(shì)，也有益于學(xué)生與未來(lái)的工程實(shí)踐接軌。通過(guò)虛擬儀器教學(xué)環(huán)節(jié)，學(xué)生能夠用自己開(kāi)發(fā)的虛擬儀器進(jìn)行機(jī)械工程測(cè)試實(shí)驗(yàn)，完成編寫(xiě)軟件、連接硬件，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的全部過(guò)程。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容包括國(guó)內(nèi)高等院校目前開(kāi)設(shè)比較普遍的各個(gè)機(jī)械工程測(cè)試實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目[6]。

1.應(yīng)變測(cè)試實(shí)驗(yàn)。在應(yīng)變梁上按不同形式粘貼好電阻式應(yīng)變片，用信號(hào)調(diào)理器完成組橋并供激勵(lì)電壓和進(jìn)行信號(hào)的放大、濾波，用LabVIEW提供的Convert Strain Gauge Reading函數(shù)將各種組橋方式的應(yīng)變電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成應(yīng)變值，根據(jù)Convert Strain Gauge Reading函數(shù)輸出的應(yīng)變值，描繪出各種形式應(yīng)變梁的撓曲軸，計(jì)算出梁的最大撓度值，構(gòu)成一臺(tái)高效的多功能數(shù)字式應(yīng)變儀，應(yīng)變測(cè)試系統(tǒng)前面板如圖1所示，通過(guò)實(shí)驗(yàn)，學(xué)生可以掌握應(yīng)變的測(cè)量方法和電橋特性。

圖1 應(yīng)變測(cè)試系統(tǒng)前面板

2.頻率響應(yīng)函數(shù)與數(shù)字濾波實(shí)驗(yàn)。頻率響應(yīng)函數(shù)是描述測(cè)試系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的重要參數(shù)。LabVIEW的Transfer Function計(jì)算頻率響應(yīng)函數(shù)并返回兩個(gè)參數(shù)，一個(gè)數(shù)組是頻率響應(yīng)函數(shù)的模（Frequency Response Mag），即被測(cè)系統(tǒng)的幅頻特性；另一個(gè)是頻率響應(yīng)函數(shù)的幅角（Frequency Response Phase），即被測(cè)系統(tǒng)的相頻特性。LabVIEW開(kāi)發(fā)環(huán)境內(nèi)有大量的數(shù)字濾波函數(shù)和數(shù)字濾波器開(kāi)發(fā)工具。我們選擇比較有典型意義的巴特沃斯（Butterworth）和切比雪夫（Chebyshev）濾波器作為測(cè)試系統(tǒng)，并根據(jù)選頻要求分別將它們?cè)O(shè)置為低通、高通、帶通和帶阻型濾波器。通過(guò)實(shí)驗(yàn)學(xué)生既掌握了頻率響應(yīng)函數(shù)的測(cè)試方法，又了解了各種數(shù)字濾波器的頻率響應(yīng)特性。該實(shí)驗(yàn)內(nèi)容也可以脫離硬件進(jìn)行，大大降低了實(shí)驗(yàn)成本。

圖2 位移測(cè)試系統(tǒng)前面板

3.位移測(cè)試實(shí)驗(yàn)。位移傳感器采用近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的導(dǎo)電塑料電位計(jì)，學(xué)生根據(jù)傳感器的電阻分壓電路，推導(dǎo)出位移與信號(hào)電壓的關(guān)系式，編寫(xiě)位移測(cè)試的程序。實(shí)驗(yàn)中用游標(biāo)卡尺測(cè)試位移傳感器的位移量，代替被測(cè)量實(shí)際值，作為測(cè)試裝置的輸入值，對(duì)位移傳感器進(jìn)行靜態(tài)標(biāo)定。計(jì)算系統(tǒng)線(xiàn)性度時(shí)，采用LabVIEW的Linear Fit函數(shù)擬合直線(xiàn)，不需要編程時(shí)進(jìn)行復(fù)雜的數(shù)學(xué)計(jì)算，就能取得高精度的結(jié)果，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)前面板如圖2所示。

圖3 振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)組成

4.基于DataSocket的網(wǎng)絡(luò)化振動(dòng)測(cè)試。振動(dòng)測(cè)試實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖3所示。實(shí)驗(yàn)中教師機(jī)產(chǎn)生一個(gè)頻率連續(xù)變化的正弦激勵(lì)信號(hào)，通過(guò)數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行D/A轉(zhuǎn)換后輸出，經(jīng)功率放大器送到激振器，使被測(cè)懸臂梁產(chǎn)生受迫振動(dòng)。壓電晶體加速度傳感器拾取被測(cè)梁的振動(dòng)信號(hào)。為了增加學(xué)生參與實(shí)驗(yàn)的機(jī)會(huì)而不過(guò)多增加設(shè)備投資，這個(gè)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)為基于計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的實(shí)驗(yàn)，采用LabVIEW的DataSocket技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。實(shí)驗(yàn)室計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)是校園網(wǎng)的一部分，邏輯上是一種總線(xiàn)型結(jié)構(gòu)，采用廣播網(wǎng)傳輸技術(shù)。實(shí)驗(yàn)室中任何一臺(tái)計(jì)算機(jī)發(fā)出的消息都能被所有計(jì)算機(jī)接收到。這樣，當(dāng)教師機(jī)運(yùn)行振動(dòng)測(cè)試服務(wù)器程序，采集被測(cè)對(duì)象加速度信號(hào)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)以后，同學(xué)只要在自己的振動(dòng)測(cè)試程序中準(zhǔn)確填寫(xiě)教師機(jī)的IP地址或網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識(shí)名，就可以像自己的機(jī)器采集數(shù)據(jù)一樣完成振動(dòng)測(cè)試實(shí)驗(yàn)。

四、虛擬儀器技術(shù)對(duì)其他學(xué)科教學(xué)的促進(jìn)

經(jīng)過(guò)這些實(shí)驗(yàn)教學(xué)訓(xùn)練，學(xué)生更好地掌握了機(jī)械工程測(cè)試的有關(guān)內(nèi)容和虛擬儀器編程技術(shù)。在這個(gè)基礎(chǔ)上可以根據(jù)各種專(zhuān)業(yè)課程上學(xué)到的知識(shí)，自己選擇實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，自行設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，在LabVIEW環(huán)境中進(jìn)行自己感興趣的實(shí)驗(yàn)。這樣生動(dòng)直觀地展示許多抽象概念的物理實(shí)質(zhì)，使它們更易于理解，達(dá)到課堂講授很難得到的效果。由于學(xué)生要自己“做”實(shí)驗(yàn)儀器，所以就必須透徹了解實(shí)驗(yàn)原理，合理地設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，真正參與到實(shí)驗(yàn)過(guò)程當(dāng)中。學(xué)生對(duì)這種實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式表現(xiàn)了極大的興趣，許多學(xué)生能夠用多種方法完成同一個(gè)實(shí)驗(yàn)。還有些學(xué)生為了驗(yàn)證專(zhuān)業(yè)課學(xué)的某些知識(shí)，除教師指定的實(shí)驗(yàn)題目之外，還自己設(shè)計(jì)了一些實(shí)驗(yàn)，在完成教師指定練習(xí)內(nèi)容的基礎(chǔ)上有所創(chuàng)新和突破。因此，虛擬儀器技術(shù)促進(jìn)了各學(xué)科教學(xué)質(zhì)量的提高。

五、虛擬儀器技術(shù)對(duì)提高學(xué)生工程素質(zhì)的作用

在LabVIEW平臺(tái)上進(jìn)行機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)教學(xué)，不僅能夠應(yīng)用虛擬儀器作為實(shí)驗(yàn)設(shè)備對(duì)理論教學(xué)進(jìn)行驗(yàn)證，而且能訓(xùn)練學(xué)生應(yīng)用虛擬儀器進(jìn)行實(shí)際工程測(cè)試的能力。由于我們的實(shí)驗(yàn)環(huán)境軟硬件完全是工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品，學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中開(kāi)發(fā)的許多虛擬儀器完全可以直接應(yīng)用到工程實(shí)踐中去。在虛擬儀器教學(xué)內(nèi)容上，我們安排了大量工程實(shí)例。學(xué)生學(xué)了這門(mén)課程以后，就知道所學(xué)的知識(shí)將來(lái)如何應(yīng)用。幾年來(lái)，我們還注意利用畢業(yè)設(shè)計(jì)這個(gè)最后的實(shí)踐性教學(xué)環(huán)節(jié)，綜合應(yīng)用虛擬儀器技術(shù)和各學(xué)科知識(shí)，指導(dǎo)學(xué)生完成了基于LabVIEW的機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)、旋轉(zhuǎn)機(jī)械狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷、網(wǎng)絡(luò)化機(jī)械參數(shù)測(cè)試、現(xiàn)代液壓測(cè)試技術(shù)等課題，其中有些獲得大學(xué)生科技創(chuàng)新競(jìng)賽獎(jiǎng)。這些課題來(lái)源于生產(chǎn)實(shí)踐，可以在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，學(xué)生工程素質(zhì)得到極大地提高。

六、結(jié)論

這套教學(xué)改革方案在我校試行以來(lái)取得了明顯的效果。根據(jù)對(duì)教學(xué)改革以來(lái)第一屆畢業(yè)生跟蹤調(diào)查，學(xué)生中有15%目前在工作崗位上或在完成研究生課題時(shí)，主要應(yīng)用虛擬儀器技術(shù)，得到用人單位和導(dǎo)師好評(píng)。我們的高等工程教育不再僅僅是讓學(xué)生掌握今天已有的科學(xué)技術(shù)，而是培養(yǎng)他們能夠在明天更好地去創(chuàng)造和發(fā)揮，它適應(yīng)了知識(shí)經(jīng)濟(jì)時(shí)代對(duì)于高素質(zhì)創(chuàng)新人才的呼喚，是工程教育教學(xué)必然的發(fā)展方向。

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G642.0

A

1674-9324（2014）33-0025-03

湯小嬌（1971-），女，河北唐山人，唐山學(xué)院副教授，碩士，主要從事先進(jìn)測(cè)控技術(shù)的教學(xué)與研究工作。