虚拟仪器简介如何与物理实验整合_哈工大物理实验虚拟仪器入门
时间：2018-12-23 19:50:29 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
摘 要： 文章介绍了虚拟仪器的特点及在物理实验中的运用，探讨了基于虚拟仪器实验的实施方法。 关键词：虚拟仪器 软件 实验 实施 随着计算机科学和微电子技术的迅速发展和普及，在测量仪器领域出现了具有划时代意义的仪器概念――虚拟仪器。虚拟仪器是计算机技术介入仪器领域所形成的一种新型的、富有生命力的仪器种类。从构成上来说，虚拟仪器以计算机为核心，配上相应的硬件和专用软件，形成既有普通仪器的基本功能，又有一般仪器所不具有的特殊功能的高档低价的新型仪器。在使用上来说，虚拟仪器利用PC机强大的处理能力，利用软硬件来建立友好界面的虚拟仪器面板（即软面板），操作人员通过友好的图形界面及图形化编程语言控制仪器运行，完成对被测试量的采集、分析、判断、显示、存储及数据生成。目前，虚拟仪器不仅在科学研究、产品开发等方面广泛应用，而且也正在步入学校的实验室。如何根据虚拟仪器的特点实施物理实验已成为教师共同探索的问题。
一、虚拟仪器
虚拟仪器就是利用高性能的模块化硬件，结合高效灵活的软件来完成各种测试、测量和自动化的应用，实质上是充分利用最新的计算机技术来实现和扩展传统仪器的功能。灵活高效的软件能帮助创建完全自定义的用户界面，模块化的硬件能方便地提供全方位的系统集成。在这里，硬件仅仅是为了解决信号的输入输出，软件才是整个系统的关键。正由于软件是虚拟仪器的关键，所以当基本硬件确定以后，就可以通过不同的软件来实现不同的功能。因此，从某种意义上可以说：软件就是仪器。用户可以根据自己的需要，灵活设计自己的仪器系统，满足多种多样的实验应用要求。
例如虚拟仪器能在计算机的声卡基础上不增加任何外部硬件，利用软件来测量音频范围的各种信号（声音、振波、心电、电话等）；可作为各种音频设备（喇叭、音箱、声卡、工业噪音）的专业测量工具，也可作为你在各种电子实验中不可或缺的测量实验工具，使你轻易拥有一台集数字存储、示波器、信号发生器、扫频仪等于一身的仪器。
二、虚拟仪器的优点
1．强调“软件就是仪器”的新概念，软件在仪器中充当了以往由硬件甚至整机实现的角色。由于充分利用计算机技术，完善了数据的传输、交换等性能，使得组建系统变得更加灵活、简单。
2．仪器中使用分立式模拟硬件少，基本不存在零点漂移和定期校准的问题，加上标准化总线的使用，使系统的测量精度、测量速度和可重复性都大大提高。
3．仪器由用户自己定义，系统的功能、规模等均可通过软件修改、增减，可方便地同外设、网络及其他应用连接。用户可以将仪器的设计、使用和管理统一到虚拟仪器标准，使资源的重复利用率提高。系统组建时间缩短，功能易于扩展，管理规范，使用简便，降低维护费用。
4．用基于软件体系结构的虚拟仪器系统代替基于硬件体系结构的传统仪器，还可以大大节省仪器购买、维护费用和占地空间。
三、虚拟仪器实验的实施方法
虚拟仪器在实验教学中最简单的应用就是替代常规的教学仪器，如函数发生器、示波器、万用表等。比如实验者在实验中采用虚拟仪器电压电流表，来实现电压电流数值的测量和采集，其数值的大小、精确度等完全能代替常规的仪器使用，可取得较好的效果。而用计算机虚拟出的示波器，不仅能收录、存储和打印多通道输入的波形，对存储的曲线还可通过“回放”功能显示在屏幕上。“回放”速度可调，可暂停波形扫描，以便能更清楚地观察波形的变化，所存储的曲线可以在任何时间打印输出，学生可以及时对数据进行处理，观察和分析实验结果，从而提高了学生的实验兴趣、实验效果和效率。各种仪器能通过窗口进行切换，仪器的功能、档位、波形、频率、占空比、幅值等都可用鼠标或按键进行设置，如同常规仪器一样使用。虚拟仪器不但具有更强的分析处理能力，而且在用户重新定义后，它又能变成数字万用表、温度计或频谱分析仪等不同的仪器仪表。
虚拟仪器的虚拟实验可分四个阶段予以实施。第一阶段，在充分利用现有的计算机资源的基础上，购买所需的仪器模块和软件（如LabVIEW），由教师编写程序，以实现现有仪器设备的模拟。这样能有效增加实验设备的数量，从根本上改善实验条件，保证实验教学质量。第二阶段，学生可以充分利用计算机软件对数据采集、储存、分析、处理、传输及控制的强大功能，在同一台PC机上虚拟出数十台仪器，如智能信号发生器、数字示波器、频谱及信号分析仪、数字电压表和噪声测试仪等。把这些虚拟仪器应用到实验教学中去，以取代常规仪器。学生还可根据实验实际需要，自行设计各种软控面板，定义仪器的功能，并以各种形式表达输出检测结果，进行实时分析。第三阶段，增加综合性实验项目，并鼓励学生选做设计型实验。要求学生自己选题，拟订方案，设计虚拟仪器检测系统。第四阶段，组织科研兴趣小组，在原有仪器模块上拓宽其应用范围，将其用于设备的监控，工业自动化等方面。
四、实例演示
用爱迪生“EDISON”软件演示虚拟实验二则
1. 演示欧姆定律电阻串联分压
本实验旨在从一实际串联电路出发，验证演示欧姆定律在两个灯泡串联分压电路中的具体应用。演示电路由一台模拟电源、一只模拟保险丝和两盏模拟灯泡构成。将上述部件拖放到模拟工作台上并连好线后，对两灯泡的参数作如下调整：双击一灯泡，在出现的BULB对话框中点选Voltage（电压）和Power（功率），在右下方的文本框中分别填入6/3，点OK键关闭；然后双击另一灯泡如上所示，在对话框中分别填入6/6，这样一灯泡变为3w/6v，另一灯泡变为6w/6v（参数选择便于计算）。据公式R=U2/P计算两灯泡的阻值分别为12欧和6欧，这样当电源输出电压为9V时，3W灯泡两端承载的电压为6V，发光亮度最亮，而6W灯泡两端承载的电压为3V，发光亮度最暗，直观效果明显。接下来，我们通过点击电源右边的调节旋钮使电源输出电压升高0.2V，结果随着“喀嚓”一声脆响，我们可看到3W灯泡的灯丝烧断了。不用担心，我们可以恢复：点击窗口的Repair命令，这时光标变为空心针形状，点击刚烧坏的灯泡便可修复。
功率一大一小的两盏灯泡相串联，哪一只发光亮度高呢？这是令很多初学者曾困惑的问题，而本实验生动直观地演示出正确答案。
2. 演示保险丝的作用
在上例中，我们很容易计算出3W灯泡的额定工作电流为0.5A，在此工作电流下保险丝不起保护作用即不会熔断。下面我们演示工作电流大于额定工作电流情况下保险丝的保护作用：双击图中的保险丝图标，在出现的FUSE对话框中分别将其MaxGurrent（最大电流）和NomGurrent（标称电流）填入一个小于0.5A的数值，如0.49A，这时我们会发现当电源输出电压大于8.9V的瞬间，保险丝“吱”地一声非常形象地熔断了，在灯泡烧坏前起到了保护负载的作用。该实验虚拟形象地演示保险丝对电路的安全保护作用。
利用虚拟仪器的自身优点、仿真人性化的操作界面及人机交互功能，让学生在计算机上完成物理实验的设计、分析和操作，应用虚拟仪器进行实际参数测量，测量结果实时存入计算机，并在计算机上完成实验分析报告。学生在进行实验探索时，就像在玩电脑游戏，充满了学习的乐趣。同时，在学习过程中，学生被置于一个虚拟的探索实验环境中，需要灵活科学地进行决策、分析和处理问题，其能力得到充分的锻炼和提高。
综合而言，虚拟实验具有高度的交互性、多样性、灵活性，要求学习者的积极参与。与传统仪器相比，虚拟实验有其自身的局限性，如它不可能对真实实验进行无差别的模拟，从虚拟环境中获得的经验与真实环境中获得的经验还存在一定差距。但虚拟仪器与实验教学的整合能更好地培养学生实验设计、分析和实际操作的能力，更重要的是，它代表了实验教学的最新发展方向和必然趋势。
