基于虚拟仪器的直流电桥和差特性仿真实验设计*

李贝贝，赵 巧，刘秀梅*

（1.中国矿业大学 机电工程学院，江苏 徐州221116；2.中国矿业大学 大学生创新训练中心，江苏 徐州221116）

测试技术是机械工程等相关专业学生的必修课，其课程内容包括了测试信号、测量装置、传感器、力学参数等。该课程的教学方法多是以理论教学为主、实验教学为辅。传统的理论教学是在比较抽象的前提下给学生讲授理论知识，不利于学生对理论知识的理解。为了增强学生对理论知识的理解和掌握，很多高校都开设了一些与课程内容相关的实验环节，如：电桥的和差特性、传感器特性等。但受实验条件限制，开设的实验环节只能配合少数几个课程知识点；另一方面，实验环节往往会滞后于理论教学环节，也导致了学生无法及时通过实验环节来促进理论知识的学习[1-3]。此外，电阻式传感器、电容式传感器、电感式传感器常在工程测试中用于测量力学参数、位移参数、振动等，而这类传感器经常采用电桥电路将被测量的变化转换为电压变化，还可以利用电桥的组桥方式实现复杂工况下的参数测量，因此，电桥及其和差特性的灵活运用是测试技术课程教学的重点内容之一。

针对传统实验不能及时开展导致学生不能及时通过实验验证来理解理论知识的问题，国内多所高校探索了将虚拟仪器技术应用于实践教学，将课堂教学和随堂的仿真实验相结合的方式，增加了课程教学的直观性和生动性，激发了学生的学习兴趣。南通大学的姚建南和中国矿业大学的蒋玉强基于虚拟仪器技术探讨开发了模块化测控实验系统，能使教师在理论教学过程中结合实验完成理论教学，促进了学生对问题的理解[4]。唐山学院的汤小娇等[1]、以及广东工业大学的邹大鹏等[5]人分别研究了虚拟仪器在测试技术教学活动中的应用，并建立了相应的实验平台，实现了教学内容的直观演示，提高了教学质量。刘瑞兰等[6]人设计了基于电阻应变片的远程虚拟实验，复现了传统实验的操作过程。王星等[7]、刘科等[8]人以大学物理实验中的直流单臂电桥测电阻为对象设计了基于LabVIEW的虚拟实验，并取得了良好的效果。杨铁柱、赖晓磊等[9]人分析了大学物理实验的单臂、双臂电流强度计算公式，设计了相应的仿真实验系统，有效提高了教学质量。

上述的研究工作主要针对实验室内的虚拟仿真实验和物理实验中电桥测电阻的仿真实验进行研究，相应的仿真实验操作相对复杂，不适合在课堂教学中用于演示实验教学。因此，文章分析了电桥在机械工程测试中的典型应用场景，设计了操作简单且可以灵活组桥的电桥和差特性的课堂教学仿真实验的实践环节。

1 直流电桥输出特性

采用直流供电的电桥称为直流电桥，典型的电桥电路如图1所示。为了分析直流电桥的输入输出特性，我们假设：桥臂1、桥臂2、桥臂3和桥臂4上的元件分别是电阻应变片R1、R2、R3和R4，则电桥的输出电压为

图1 直流电桥电路原理图

当电桥上应变片受力发生形变时，电阻应变片R1、R2、R3和R4的电阻值变量分别为△R1、△R2、△R3和△R4，并假设有△R1<

根据电阻式应变片电阻变化率与应变的关系，式（2）可以写成

2 仿真实验方案设计

根据直流电桥的工作原理及输出表达式，结合本专业测试技术课程教学的特点，本文设计了如图2所示的等强度悬臂梁的贴片方案，即：在等强度梁的上表面粘贴应变片R1、R2、R3和R4，在其下表面粘贴应变片R5、R6、R7和R8；此外，为了实现一些组桥方式中的温度补偿，在一个与等悬臂梁材料相同、温度相同且不受力的构件上粘贴应变片R9和R10。其中，R1、R2、R5和R6的粘贴方向为沿悬臂梁的轴线方向，R3、R4、R7和R8的粘贴方向与悬臂梁的轴线相垂直。

图2 等强度梁应变片贴片方案

假设等强度悬臂梁在力F的作用下，其上表面产生的纵向应变为ε，根据应变片贴片形式可以分别得出各个应变片测得应变。因此，在实验过程中可以通过选择不同的应变片组成不同结构的电桥，分析不同组桥形式下的电桥输出特性等参数，有助于学生对电桥及其对力学参数测量理论知识的理解。为了达到这一实验目标，本文设计了如图3所示的仿真实验程序的主界面和LabVIEW程序图。在程序的主界面给出了等强度悬臂梁上应变片贴片示意图和电桥结构示意图。为了降低随堂演示实验的复杂程度，本文采用了图1所示的电桥基本电路。此外，程序的主界面还给出了电桥供电电压us、应变ε的输入控件和电桥输出电压uo的显示控件。为了更加方便指定每个桥臂上的元件，本文在程序的主界面上分别为桥臂1、桥臂2、桥臂3和桥臂4罗列了所有的可选项。在进行仿真实验时，只需点选单选按钮就可以实现桥臂元件的指定。实现了电桥及其输出特性实验的简洁、清晰，方便地将仿真实验带入课堂教学。

图3 仿真实验程序

通过运行仿真实验程序，依次在桥臂1、桥臂2、桥臂3和桥臂4的元件选择列表中点选不同的元件，即可以组成不同组桥形式的电桥。然后，输入电桥供电电压和应变，最后点击“计算输出电压”就可以得出当前组桥形式下的输出电压，即：如图4所示的典型单臂电桥仿真实验可以通过指定桥臂1为应变片R1，其余桥臂为固定电阻方式实现。此外，分别指定桥臂1为应变片R1，桥臂2为应变片R5，其余桥臂指定为固定电阻构成单臂电桥，可以完成邻臂异号半桥的仿真实验；分别指定各桥臂1至桥臂4为应变片R1、R5、R2和R6，可以完成全桥的仿真实验。因此，在测试技术课程的理论教学过程中使用该仿真实验程序的直观演示，有助于学生对电桥的和差特性的理解。同时，通过该实验程序引导学生自行选择元件组成其他形式的电桥，验证所学的理论知识，可以很好地激发学生自主学习的兴趣。

图4 典型的单臂电桥的仿真实验

3 结论

本文分析了直流电桥的输出电压表达式，结合测试技术中关于电桥和差特性、力学参数测量的组桥和布片原则的课程教学内容，以典型的等强度梁的布片和组桥为对象，设计了组桥和电桥和差特性的仿真实验方案，开发了相应的仿真实验程序，且程序界面简洁、清晰。结果表明：一方面，通过仿真实验程序可以非常方便地选择不同应变片组成不同结构形式的电桥，并计算得出电桥的输出电压。另一方面，仿真实验程序操作简单快捷，有利于在课堂教学过程中开展随堂演示实验，让教师可以更加形象、直观地向学生讲授理论知识。