虚拟仪表在实践教学中的应用研究

张宝莉 陈智敏 孙文杰 张 雷

西安电力高等专科学校 陕西 西安 710032

0 引言

在现代科技发展的过程中，不断创新的计算机技术从各个侧面影响着不同领域技术的发展模式。在20世纪后期随着计算机硬件水平和软件技术的迅速提升而出现并发展起来了一个有别于传统仪器的崭新的概念——虚拟仪器，虚拟仪器技术突破了传统电子仪器以硬件为主体的模式，充分利用了最新的计算机技术来实现和扩展传统仪器的功能，将日益普及的计算机技术与传统的仪器仪表技术结合起来，使用户在操作计算机时，如同在操作自己定义的仪器，可以方便灵活地完成对被测量的采集、分析、判断、显示及数据存储等。

为了突出高职高专教育特点，就必须给学生提供先进的实验仪器。但由于种种原因，导致实验室建设规模严重滞后，实验仪器相对落后，阻碍了学生探索和认识世界的进程。如何在现有实验仪器的基础上提升实验仪器的性能，让先进的实验内容通过先进的实验仪器走进实验教学课堂是摆在教师面前的一个难题。为此我们在《热工测量及仪表》课程的实践教学中对虚拟仪器的使用做了一些探讨，以希望提高教师的工作效率并改进学生的学习方式。

1 基于LABVIEW对UJ-31手动电位差计的虚拟实现

传统的仪表实验室由各种不同功能的仪表组成，以满足不同实验项目的需求。以手动电位差计为例，仅型号就有十余种。尽管其使用方法大同小异，但对于从未接触过该仪表的学生来说，不仅其工作原理的掌握是一个难点，更为重要的是使用方法。本次通过对UJ-31型手动电位差计的虚拟实现，来说明其虚拟过程。

1.1 手动电位差计的工作原理

手动电位差计是根据平衡法（也称补偿法、零值法）将被测电势与已知的标准电势相比较，当两者的差值为零时，被测电势就等于已知的标准电势。其测量热电势的方法测得的结果极为准确。其原因如下：由于它是在全补偿时（亦即检流计中无电流通过时）进行测量、读数。因此，被测热电势本身引起的压降损失和导线上的压降损失就不存在了，对测量结果也无影响；测量结果的准确性是依赖于标准电池的电动势及测量回路电阻的精度，而标准电池及电阻一般可以得到较高的准确性；并应用了高灵敏度检流计作为检测工具。

1.2 UJ-31型手动电位差计的虚拟内容

1）UJ-31型手动电位差计的虚拟系统构成

UJ-31型手动电位差计的虚拟系统构成如图1所示。虚拟仪器是在以通用计算机为核心的硬件平台上，由用户设计定义，具有虚拟面板，测试功能由测试软件实现的一种计算机仪器系统。它是基于计算机的软硬件测试平台，利用现有的计算机，加上PCI数据采集卡以及信号调理模块和LABVIEW软件，形成既有手动电位差计的基本功能，又有一般仪器所没有的特殊功能的高档、低价的新型仪器。

图1 系统构成

本系统由计算机及其网络、应用软件和仪器硬件三部分构成，通过软件将计算机硬件资源与仪器硬件有机融合为一体，把计算机强大的数据处理能力和仪器硬件的测量、控制能力结合在一起。通过软件实现对数据的显示、存储以及分析处理。

2）数据采集与信号调理

（1）信号调理模块的作用

手动电位差计测量的是毫伏级信号，为了保证能够精确测量，增加了SCC-68信号调理模块。其主要作用有：

放大——放大器通过提高输入信号的幅度来更好的匹配输入电压范围，从而提高了小信号测量的精度和灵敏度，进而提高了测量的分辨率和灵敏度。许多传感器，例如热电偶，需要更多的放大，而不仅仅是一个数据采集设备单独可以提供的。使用信号调理来放大靠近信号源的信号也减少了测量中的环境噪声影响。

衰减——衰减降低输入信号的幅度，以落入采集卡输入范围，从而可以利用数据采集系统来测量高电压信号。

隔离——具有隔离的信号调理设备。通过使用转换器、光或电容性耦合技术而不是物理连接来将输入信号传输至测量设备，隔离切断了接地环路。利用隔离技术，可以测量带有较高的共模电压的信号，同时也防止了数据采集系统中昂贵的测量设备发生任何高电压涌流。

滤波——滤波通过从信号中去除不希望的频率分量来提高测量精度。除了从测量中去除噪声，滤波也防止了信号混叠。

激励——许多传感器，激励以电压或电流的形式提供电源，因此可以在数据采集系统中使用特殊类型的传感器。

校准——校准通过调整数据采集系统来补偿传感器中的不平衡，来提高测量精度。

冷端补偿——信号调理模块能够实时检测热电偶冷端所处温度，对热电偶具有冷端温度的自动补偿功能。

（2）数据采集

当采用PCI-6221卡测量模拟电压信号时，必须考虑下列因素：输入模式（单端输入或者差分输入）、分辨率、输入范围、采样速率，精度和噪声等。

DAQ卡提供了可选择的输入范围，它与分辨率、增益等配合，以获得最佳的测量精度。

对采样率的设置尤为重要。它决定了模/数变换的速率。采样率高，则在一定时间内采样点就多，对信号的数字表达就越精确。采样率必须保证一定的数值，如果太低，则精确度就很差。

滤波降噪也是一个必须考虑的问题。从测试现场采集到的信号中包含有对数据处理有用的信号、无用信号和噪声，滤波的目的是从信号中提取有用的信号。在本系统中，将信号采集到电脑中，还需要利用程序完成复杂的分析和信号处理工作。

3）程序设计

程序设计时主要考虑的因素有：与实际设备外观相似的程度、与实际设备功能相似程度、数据读取的准确程度以及数据共享等问题。在程序设计中，要做到虚拟仪表与实际设备的外观完全相同，在数据显示上尽可能也与实际设备相似。例如加入了随机函数，从而使得仪表指针按动，看起来更为逼真。其程序构架如图2所示，操作面板如图3所示。

图2 程序后面板

图3 程序前面板

为了扩大该虚拟仪表的使用范围，满足学生实践教学需要，采用了网络共享功能。方法是仅仅在一台计算机上进行数据采集，经由TCP-IP协议通讯并共享数据，其他计算机通过网络去读取共享数据。

2 虚拟仪器在教学上的应用

1）教学手段的改进：在实验教学中，首先通过观看多媒体录像等手段让学生对设备的基本操作有一个初步认识，然后把这些操作技术融入到实验的内容中进行操作练习，这样就可在较少的时间内融入较多的实验内容。

2）教学内容的更新：对于手动电位差计这种精密仪表，主要是作为标准仪表使用的。要求学生不仅要掌握其正确的使用方法，更为重要的是使学生掌握作为标准仪表，手动电位差计可以做哪些工作。于是在程序设计中又加入了动圈表、热电偶等虚拟仪表，让学生在学习手动电位差计的过程中了解作为标准器，在检定动圈表、热电偶中的应用。

3）教学方法的改革：以往的常规实验，由于实验组数较少，每组有很多同学，这样就使一部分学生不够积极主动。现在在实践中首先由信号发生器产生一个模拟电势，每人一台计算机，同时去读取这个电势。有时为调动学生的积极性，可以让同学竞赛，看谁能够更快、更准地读出数据。然后更换另一组学生，同时读取另外一个电势，通过实验取得了较好的效果。

3 结束语

通过对虚拟仪器实验的尝试，说明在高职院校建设虚拟仪器的实验室具有可行性，也是高职院校部分实验室建设与发展的一种趋势。以通用计算机为平台，加以模块化的数据采集卡，利用虚拟仪器软件开发平台LABVIEW改进教学手段，更新教学内容，改革教学方法并编制相应的虚拟仪器软件，就可以构建各种虚拟仪器，大大节约了实验室建设成本。学生通过友好的图形界面及图形化编程语言控制仪器运行，就象在使用一台专门设计的电子仪器，完成对被测试量的采集、分析、判断、显示、存储及数据生成等，因此非常适宜于实验教学。

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