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公司新闻

仪器仪表技艺带进勘测技艺研讨的探讨及践行

1引入虚拟仪器的意义
　　测试技术课程比较难学是众所周知的，这主要是由于课程本身的性质所决定的。由于其概念较为抽象，采用传统的教学方式很难将问题的实质用浅显、直观的形式形象地表达清楚。虽然大量地采用了多媒体教学，也只能反映其表面现象，无法揭示其本质。虽然可以通过课程实验对理论进行验证，但遗憾的是由于多方因素的制约使得传统的实验手段存在着很大的局限性，并不能满足教学要求。虚拟仪器技术的出现为上述问题提供了较为理想的解决方案。所谓虚拟仪器是以计算机为基础，以应用软件为核心的仪器系统。通过编制不同的应用软件便可构成具有不同功能的仪器系统。尤其是虚拟仪器可以实现对硬件功能的仿真，从而可以摆脱硬件的制约而将虚拟仪器直接引入课堂，极大地提高了课堂教学的灵活性和多样性，使得诸如信号合成与分解、信号时域及频域分析、信号调制与解调、信号滤波等教学内容可以通过虚拟仪器技术在特定的教学过程中实现**的演绎。显而易见，这些功能的实现，对课程内容的理解将具有重要的现实意义。这不仅揭示了概念的本质、实现原理，而且较为形象直观，还可以让学生亲自参与到虚拟仪器的设计实践中。因此，采用虚拟仪器技术辅助测试技术课程的教学不但直观、形象，易于理解，而且还可激发学生对课程的兴趣，达到事半功倍的效果。
　　2基于LabVIEW的虚拟仪器
　　LabVIEW是美国NI公司推出的一种基于图形化编程语言的虚拟仪器软件开发工具，是目前国际上应用*广的虚拟仪器开发环境之一。主要应用于仪器控制、数据采集、数据分析、数据显示等领域。其主要特点是采用图形化语言编程，编程方便，人机界面直观友好，设计者可以象搭积木一样轻松组建一个测量系统和构造自己的仪器前面板，而无需任何繁琐的计算机代码编写。使用LabVIEW构建虚拟仪器，只需安装有LabVIEW的计算机即可满足仿真教学要求。
　　如需实际采集数据，则需配置相应的数据采集卡和必要的信号调理设备即可构成*基本的PC-DAQ型虚拟仪器系统。
　　3教学过程的虚拟仪器实现
　　如何实现教学过程的虚拟仿真是虚拟仪器能否引入课程教学的关键。此时的虚拟仪器已经不是通常意义上的仪器，它不但承载了仪器的功能，更需要实现过程的演化。传统方式教学过程中，一般采用语言、文字、挂图或教具等手段进行授课。
　　为了将一个概念讲清楚，通常是从概念的产生、原理及物理意义等方面进行讲解。这种授课方式的弊端也是显而易见的。而对于抽象的概念如何用浅显、直观、形象的方式表达清楚，是任课教师必须要面对的难题。通过采用虚拟仪器技术则可以得到较好的解决。
　　3.1信号合成与分解的实现
　　信号是测试技术课程研究的主要内容之一，是课程的重点和难点。通过测试所得到的信号往往都是比较复杂的，其通常都包含了多种不同的频率成分，即是由一些不同频率成分的信号而合成的。问题是这些信号是如何进行合成的，合成之后的信号是什么波形，它们之间是什么关系。例如通过数学推导可以得出周期性方波是由无穷多个频率成整倍数的正弦信号叠加而成的。这一概念虽然简单，但且很抽象。抽象的概念采用抽象的数学方法进行分析，学生理解起来较为困难。如果采用虚拟仪器技术，则可以将信号合成的过程一步一步地展现在学生面前，可以很清楚的看到周期性方波是如何由正弦信号叠加而成的。通过该过程，也可以了解到信号频谱的概念。
　　为了实现这一过程，一方面需要产生相应的满足频率和幅值之间特定比例关系的各次谐波，还应该能够对叠加过程进行控制，以实现过程的演化。所示即为基于LabVIEW的虚拟仪器所实现的周期方波的合成过程。程序中设置了一系列的信号发生器来产生相应的正弦波，并且采用了CaseStructure结构来控制叠加的过程。只要根据要求选择相应谐波的叠加次数逐一进行叠加就可以合成出不同逼近程度的方波。从图中可清楚地看到，随着谐波次数的增加，叠加结果越接近于理想的方波。当谐波次数达到一定程度后，高次谐波对信号合成的影响已经极其微弱，从而验证了谐波幅值随频率的增加而衰减的特点。如果各谐波的频率及幅值不满足特定的比例关系，则无法合成为方波。
　　信号分解是信号合成的逆过程，但本质没变。根据数学理论可知，如果将信号展开成傅立叶级数，就可以将一个复杂的信号分解成无穷多个频率成整倍数的正弦波。这一过程可以通过滤波的方法实现，即设置一系列的带通滤波器构成滤波器组，并根据信号波形的频率对各滤波器的截止频率进行控制，使滤波器的工作频带沿频率轴从低到高等间隔排列，即可达到对信号进行分解的目的。同样可控制谐波的分解次数以实现逐一分解的过程。
　　3.2信号调制与解调的实现
　　调制与解调是测试信号在传输过程中常用的信号调理方法，其主要作用是解决微弱缓变信号的放大和传输问题。根据调制原理，调幅是将被测信号（调制信号）与一个高频振荡波（载波）相乘，其结果将是一个携带被测信号幅值信息而频率为载波频率的高频信号（调幅波）。如果将其与前述载波再一次相乘，即进行同步解调，便可将调幅波中反映被测信号的低频成分分离出来，再通过低通滤波器将高频成分滤除，就可以恢复原被测信号的波形。根据这一原理分别用信号发生器模拟产生出被测信号和高频载波，即可实现幅值调制及解调。图2所示为信号调幅与解调的实现过程。
　　为了避免信号产生失真，应使载波频率高于被测信号中的*高频率，否则将会产生重叠现象。可以通过调整载波频率来观察其对调幅波所产生的影响。整个过程通过虚拟仪器清晰地反映出来，既直观又明了，学生很容易理解。
　　3.3信号滤波的实现
　　滤波是信号调理中的一个重要环节。滤波的作用是滤除信号中的噪声干扰，提高信噪比。工程上所遇到的被测信号一般都属于中低频信号，但这些信号在测试过程中常常会受到高频噪声的干扰，这应的信号一般是不能满足测试要求的，因此需要对信号进行低通滤波处理。LabVIEW提供了丰富的各种不同类型的滤波器，在设计虚拟仪器时可根据需要选择相应的类型并进行相应的设置即可满足使用要求。为了反映滤波的过程和效果，在实现过程中采用了多种含有噪声的典型信号，并采用低通滤波器对信号进行滤波，同时可以通过调整滤波器的截止频率来观察滤波的效果，进而理解截止频率对滤波性能的影响，其实现过程如所示。由于通过虚拟仪器可以清晰地看到滤波的整个过程，因此采用虚拟仪器来演示滤波过程非常适合于教学。此外，还可以通过滤波的方法对信号进行频谱分析或筛选某一频段上感兴趣的频率成分。
　　4结语
　　传统的教学方式及手段已经无法适应新世纪对人才培养模式的要求，因此研究探讨新的教学理念、方法及手段，已经是摆在每一位教育工作者面前的研究课题。虚拟仪器技术的引入对目前这种状况的改善将会起到至关重要的作用。在测试技术教学过程中，采用虚拟仪器技术可以轻松地实现抽象的概念形象化、直观化等，不但可使学生更好理解和掌握课程内容，也激发了学生对课程的兴趣。实践表明，这种教学方式是提高教学质量、增强学习兴趣和信心的有效手段，是传统教学方式所无法达到的。
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