仿真实验

关键词： 成像仪 谐振 散射 等离子体

仿真实验（精选十篇）

仿真实验 篇1

极紫外成像仪通过对于30.4 nm的He+谐振散射分布进行成像, 从而实现对于地球等离子体层的冷等离子体分布进行研究的目的。由于30.4 nm的He+谐振散射是较弱的, 极紫外成像仪采用了单光子成像技术, 通过记录到达像平面的每个光子的位置, 经过一定时间的积累达到总体成像的目的, 目前成像仪原理样机已经基本研制完成, 进入了实验室仿真实验验证阶段。

1 成像仪工作原理介绍

如图1所示, 极紫外成像仪基本工作原理[1,2]来自光学系统的像面呈在第一块MCP的阴极涂层上, 该阴极涂层被特定波段的光线激发产生光电子, 光电子进入并通过MCP得到连续倍增, 经MCP倍增后形成的电子云被WSZ阳极收集于W、S、Z三个电荷收集区 (如图2所示) 。在阳极W、S、Z三个电极引线后分别输入到信号处理电子学系统中, 经过电荷灵敏放大器、前置放大器的放大及对信号的整形保持后被数模转换处理单元接收并进行数据处理, 通过计算输出电荷比例决定电子云在阳极面板上的质心位置。

位置计算理论模型为:

$x=\frac{Q{}_S-X{}_{\text{t}\text{a}\text{l}\text{k}}Q{}_{{\rm Z}}}{Q{}_W+Q{}_S+Q{}_{{\rm Z}}}$ (1)

$y=\frac{Q{}_W-X{}_{\text{t}\text{a}\text{l}\text{k}}Q{}_{{\rm Z}}}{Q{}_W+Q{}_S+Q{}_{{\rm Z}}}$ (2)

Xtalk是串扰的修正系数, 它和电子收集区之间的电容耦合相关。

由图1的成像仪工作原理示意图可以看出, 极紫外成像仪主要分为4个部分[2]:光学系统、WSZ探测器、信号处理系统电子学箱以及地面成像检测设备。除WSZ探测器外, 其余三部分均已由中国科学院空间科学与应用研究中心设计完成, 并已完成原理样机的研制;WSZ探测器部分由中国科学院西安光学精密机械研究所设计并研制。图3所示为由中国科学院空间科学与应用研究中心研制的极紫外成像仪信号处理系统电子学箱原理样机实物图。

2 实验室仿真实验介绍

极紫外成像仪仿真实验主要分为两个部分:其一, 波形发生器仿真成像, 由波形发生器产生模拟输入信号, 经过信号处理系统采集分析处理后进行图像成像。波形发生器可以方便调节输入信号的脉冲幅度与频率, 可对信号处理系统的工作稳定性和采样精确度进行检验;其二, 由光源、WSZ探测器与成像仪电子学箱组成的光源-探测器仿真实验环境成像, 通过在WSZ探测器前添加不同形式的掩膜板, 得出不同形式的图像, 根据图像结果对成像仪系统的实际工作情况及分辨率情况做出分析。

2.1 波形发生器仿真成像实验

由波形发生器产生的方波信号经过RC振荡电路输出电荷脉冲信号, 作为信号处理系统的仿真输入信号。将此电荷脉冲信号并行输入信号处理系统的WSZ三路信号处理通道进行信号的采集分析处理, 并最终成像。由于在成像过程中, 波形发生器产生的信号幅值与频率是稳定的, 因此并行接出的WSZ三路被采样信号的幅值与频率是相同的, 因此按照成像仪系统内部成像算法设定, 其理想成像灰度图应为一个点。图4所示为波形发生器仿真实验原理图。

当信号处理系统接收到一次脉冲信号后, 会将采集的脉冲信号经过放大及峰值保持, 然后才能被AD采集并进行后续数据处理, 因此峰值保持后的信号应保持稳定, 不应出现峰值变化及短时间内峰值下降的问题。图5所示为波形发生器仿真实验中某次峰值保持后波形示波器截图, 图5中1、2、3通道为W、S、Z三个通道AD采样的实际波形情况, 4通道为经过处理后满足AD工作要求的启动AD转换信号波形。由AD芯片的性能, AD采样的值为在4通道启动转换信号下降沿来临前100 ns时间内寄存在AD模拟信号输入端的模拟电压值, 由示波器截图可以看出, 被采样信号在AD采样时波形保持稳定, 噪声控制较好。

当信号处理系统工作时, 为保证采样速度与精度, 在每次脉冲采集结束后都会对该峰值保持波形进行峰值泄放, 保证在下次峰值到达时, 不受前次峰值保持的影响, 波形图如6所示, 每次脉冲事件, 从信号峰值保持到结束数据处理, 时间控制在10 μs内, 以保证设计要求中对于最大132 kHz频率的采样要求。

在信号处理系统按照程序设计完成一次累积成像后, 会通过异步通信接口将采集到的数据全部传送给地检设备进行成像, 如图7所示。该成像结果为通过波形发生器模拟产生脉冲信号被信号处理系统接收并处理后生成的图像, 实验中由波形发生器产生的脉冲频率为1 kHz左右, 采样时间30 s, 成像仪电子学系统实际采集到的点数为30 380, 从图中可以看到, 成像情况基本为一个亮点, 这与理想情况下的成像结果较符合, 也可以证明成像仪电子学系统工作较稳定, 系统噪声影响较小。

2.2 光源-探测器仿真成像实验

经过波形发生器仿真实验的测试, 为进一步进行光源-探测器仿真实验提供了基础, 由波形发生器仿真实验图像可看出成像仪电子学系统噪声较小, 因此光源-探测器仿真实验结果能较真实的反应出极紫外成像仪实际的成像情况。

在中国科学院西安光学精密机械研究所光电子学室的大力帮助和支持下利用其研制的WSZ探测器, 开展了多次极紫外成像仪光源-探测器实验室仿真成像实验, 取得了较为理想的实验图像。如图8所示为光源-探测器实验室仿真实验过程示意图, 由紫外灯管发出的光线经过滤光片、减光片的衰减产生弱光源, 模拟产生单光子成像效应, 弱光源首先经过掩膜板后被WSZ探测器接收, 产生W、S、Z三路电荷量, 经过信号处理电子学系统的采集处理后生成对应光子的坐标值并记录, 经过一段时间的成像积累后, 将采集到的所有成像数据发回地检设备生成图像。掩膜板形状可以根据实验内容进行更换, 以便对成像仪成像情况有直观的了解。

在实验中使用的掩膜板主要为9×9圆孔掩膜板以及分辨率板。9×9圆孔掩膜板实物图如图9所示, 小圆孔的直径为1 mm, 理论成像结果应与实物图形状相同为9×9亮点图。如图10与图11所示的为实验中某次经过成像仪电子学系统获得的仿真成像图, 采样时间15 min, 采样点数464 484, 成像分辨率200×200。图10为由采集的数据生成的二值图像, 即凡是被WSZ探测器采集到的点都呈亮点显示;图11为对应数据生成的16位灰度图。

由于MCP与WSZ阳极探测器机械结构均为圆形, 因此从图10所示的二值图中可以看出, 成像结果整体呈圆形结构, 除图像右侧发生较为明显的S形失真。且从图11得到的16位灰度图可以看出成像结果与图9所示的掩膜板实物图相吻合, 呈9×9正方形亮点排列。从成像效果看, 16位灰度结果除边缘有较小失真外, 其余亮点成像结果均较为理想, 成像图能较为真实的反映出掩膜板形状。

通过改变掩膜板形状, 极紫外成像仪还进行了分辨率板成像实验, 如图12所示为分辨率板16位灰度成像图, 采样时间15 min, 采样点数369 622, 成像分辨率200×200。从成像结果图中看出分辨率板分为四个区域, 按照图中象限划分, 分辨率板实物图中第一第二象限分六组不同间隔的条纹, 各组条纹间的间隔也为1 mm, 每组中三个条纹间的间距从最宽到最窄依次为550 μm、450 μm、350 μm、250 μm、150 μm、75 μm;第三第四象限分五组不同间隔的条纹, 各组条纹之间的间隔为1 mm, 每组中有三个条纹, 每组条纹之件的间隔距离不同, 从最宽到最窄依次为500 μm、400 μm、300 μm、200 μm、100 μm。由于WSZ阳极尺寸为直径45 mm左右的圆形, 而图像分辨率为200×200像素, 因此, 成像结果理论的最高分辨率为225 μm左右, 从实际成像图中可以看出, 成像效果较好的第四象限已经基本达到最高分辨率, 由于成像仿真实验存在一些环境噪声的干扰, 其他象限成像结果也基本在300 μm左右, 还有待于进一步改善条件, 提高成像质量。

2.3 目前存在的问题

经过分析认为, 造成成像结果边缘失真及分辨率较差的原因主要包括:

(1) 由于初始设计的MCP与WSZ阳极的尺寸相同, 当射入MCP边缘的电子被MCP连续倍增后得到的电子云打在WSZ阳极边缘, 会造成电子云一部分电子未射到阳极板上而缺失, 此时W、S、Z三个电极收集到得电荷量并不能真正的反映出电子云的实际质心位置, 而是有所偏离, 因此会造成成像结果中边缘部分产生形变;

(2) 在装配过程中可能会存在MCP与WSZ阳极板不完全平行的情况, 若WSZ阳极与MCP平面在安装时存在小角度, 也会造成成像结果边缘产生较大的变形失真;

(3) 由于WSZ阳极捕获的是电子云, 当电子云运动时会受到地球磁场的作用, 使其运动方向发生改变, 虽然目前MCP与WSZ阳极板之间的距离仅为15 mm左右, 但是仍不能完全忽视磁场对于电子云运动的影响;

(4) 由于地面实验室仿真实验系统较为复杂, 经过实验发现各系统之间如果地线连接不当, 会在系统中引入不同程度的噪声干扰, WSZ阳极输出的信号本身较小, 因此系统噪声必然会对成像结果产生影响。

3 意义

通过运用极紫外成像仪对地球等离子体30.4 nm的He+谐振散射分布进行成像, 可实现对于地球等离子体层的冷等离子体分布进行研究的目的。这为进行地球空间磁层空间暴的触发机制和物理模型等研究提供了重要手段, 是进行精确磁暴预测、地球空间环境研究、空间天气预报、自然灾害预测等研究的重要途径。在我国, 目前还没有卫星利用EUV成像仪对地球等离子体层进行成像, 因此积极地开展地球等离子体层成像实验具有极其重要的意义。

参考文献

[1]程炳钧, 孙越强, 李磊, 等.EUV成像仪信号处理与实现.科学技术与工程, 2008;8 (9) :2381—2384

虚拟实验现象仿真研究 篇2

关键词：粒子系统；虚拟现实；沉浸感

中图分类号：TP391文献标识码：A文章编号：1009-3044(2007)12-21677-02

Research of Virtual Experimental Phenomenon Simulation

YANG Wei-ping, ZANG Wei, ZHAI Yong, YU Liang

(Shandong University of Science and Technology, Qingdao 266510, China)

Abstract:Take that particle system in virtual experiment, special efficiency simulating in virtual training as an example, the article mainly discussed the important effect of the particle system which incorporating flexibility, randomness and suitable into an integral whole in virtual teaching.

Key words:particle system; virtual reality; immersion

1 引言

随着计算机技术、图形学技术、光电子技术、仿真技术等的飞速发展，综合运用上述技术，高度逼真地模拟仿真人在现实世界中视、听、触等行为的人机界面的虚拟现实技术也日趋完善。在虚拟现实技术构建的接近真实的虚拟环境中，人可以通过形体动作与其它仿真实体交互并达到一种沉浸的感觉。主动地交互学习比被动地接受说教更具折服力，因而基于具有强大交互能力的虚拟现实技术的虚拟教学，如雨后春笋迅速发展起来。目前，大多数虚拟教学局限于简单的二维仿真与演示，或者是操作的简单交互，缺乏对特殊现象及过程的三维动态仿真，使得现有的虚拟教学在生动性、逼真性上与理想意义上的“灵境”交互教学有很大差距，粒子系统的引入恰好能弥补上述不足。本文通过研究粒子系统在虚拟实验、虚拟教学中特效仿真，进一步探讨了它在虚拟教学中的重要作用。

2 虚拟教学发展现状

在高校连年扩招造成的资金严重不足、实验设备的折损严重、高精度昂贵设备误操作易导致重大损失、高危险性实验对初学者人身安全存在的潜在威胁等因素影响下，又有综合了计算机技术、图形学技术、仿真技术等的虚拟现实技术的日趋成熟的外界动力下，虚拟教学出现并在虚拟实验、虚拟培训等很多方面得到成功运用。虚拟教学比传统教学更能充分调动学习者的感官及学习激情，利用虚拟现实技术营造自主学习的环境，学习者由传统的“以听而学”的学习方式变为以通过自身与虚拟环境的相互交互获取知识、技能的“以动而学”。本文简单介绍虚拟教学的以下几方面：

2.1 虚拟课堂

虚拟现实技术与课堂教学的完美结合打破了教学活动的时空局限性，学习者可在虚拟教室根据自身基础与爱好自主进行课程内容选择，避免了传统课堂的“同时、同地、同内容”的授课形式与学习者基础参差不齐之间的矛盾，使得教与学更人性化。

2.2 虚拟实验

在传统实验中由于受设备、经费、危险性、时空限制等外因所限，许多实验无法开设，而利用虚拟现实技术建立的物理、化学等各种虚拟实验环境中，学生可以安全操作各种虚拟实验，并可获得与真实实验相近的体验。虚拟实验能彻底打破时空限制，在虚拟环境中学习者只需花费几分钟时间便可观测到现实中需要几天甚至几年才能完成的过程，并且不会产生误操作带来的人身伤害和财产损失，使得知识的获取更高效、更安全。

2.3 虚拟培训

针对职工岗前培训，特别是高危行业的岗前安全培训，传统培训方式中通常采用文字形式或简单二维形式，缺乏生动性及真实性，学员在接受完培训后仅在短期内对培训内容有二维的记忆，遇到突发事件由于现场实景与各自对培训内容的理解相去甚远，往往无法快速运用所学知识解决生产实际问题。虚拟培训使受训者在培训过程中感触现场，在接受培训后，对培训内容有三维、逼真的系统理解，能够将所学知识准确应用于生产实际，当真正经历事故时能迅速反应，安全逃生。

3 粒子系统

3.1 粒子系统基本原理

粒子系统算法是Reeve于1983年提出，它通过采用大量形状简单且具有一定属性的基本粒子作为基础元素来表示不规则模糊物体，这些基本粒子都有一定的生命周期，基于它们不断改变形状、不断运动，所以粒子系统能充分体现模糊物体的动态性与随机性。粒子系统不是静态的系统，而是一个动态表现过程，是随时间变化处在不断运动中的粒子群，粒子群的分布状态可以随机改变，动力学性质决定各粒子位置的移动方式，新粒子的不断产生同时可以伴随着旧粒子的消亡。

3.2 粒子系统绘制的基本步骤

Step1 由粒子源產生新的粒子并加入系统中；

Step2 给每一个新粒子分配一定的静态属性；

Step3 删除系统中已存在且超过其生存期的所有粒子；

Step4 根据系统中剩余粒子的动态属性对粒子进行移动和变换；

Step5 绘制并显示由有生命的粒子组成的图象。

可将粒子系统与所描述物体的自身特征与运动模型结合，进行相应的模型建立。为体现系统的随机特性，常采用随机过程进行粒子形状、运动等的控制。每个粒子都有各自的变化范围，该范围内随机给数以确定它的大小，而变化范围则由即定的期望与方差来确定，基本表达式为：Para=MeanPara+Rand()'VarPara，其中Para代表需随机确定的参数；Rand()为[-1，1]中的均匀分布的随机函数；MeanPara为该参数的期望值；VarPara为其方差值。

4 粒子系统与虚拟教学

因在虚拟实验与虚拟培训环节中需进行大量特效模拟，因此本文仅以粒子系统在这两方面的应用来介绍并说明它在虚拟教学中的重要地位。

4.1 虚拟实验现象仿真

实验教学对于提高学生对知识的理解掌握程度、培养学生分析、解决问题的能力具有重要的作用。由于实验设备昂贵、实验自身危险性等许多因素的存在，使得大量实验在现实中不易操作，虚拟实验在此情况下应运而生。虚拟实验通过利用计算机编程工具模仿真实的实验环境从而营造一个虚拟的实验环境，实验者可操作虚拟实验系统来完成各种预定的实验项目。实验过程中反应现象将在屏幕上显示给实验者，但大多虚拟实验系统局限于简单交互与二维演示，缺乏对实验现象的三维动态仿真，因而虚拟实验的沉浸感方面将大大折扣，实验者也不会对实验内容与结果有较深的理解与记忆。在某种意义上，实验现象动态仿真的逼真程度直接影响到虚拟实验系统的实用性。因此良好的虚拟实验系统离不开逼真的三维效果仿真，而动态仿真的关键又是粒子系统，换句话说一套好的虚拟实验系统离不开粒子系统。以虚拟化学实验为例简单介绍通过粒子系统实现气泡、烟雾、沉淀等，实现实验现象的动态模拟。

图1 气泡仿真过程图

粒子系统模拟气泡运动也是以气泡粒子的产生、运动、消亡的基本过程建模的。首先定义粒子源的位置，即为气泡粒子群产生的初始位置，并分配粒子的静态属性；然后受力分析，因气泡受压力、浮力的双重作用，需根据初始位置、與水平方向倾角、初始速度等进行粒子运动轨迹的数学模型的建立；定义气泡运动至液体表面时为其消亡时刻，删除超出生命周期的粒子，根据活粒子的动态属性对其进行相应变换，实时渲染显示活气泡粒子群。

粒子系统进行化学反应沉淀现象的模拟类似与气泡的仿真过程，只是粒子群运动模型及粒子“消亡”的判断不同。认为粒子运动至容器底部时为粒子的“消亡”时刻，即“消亡”的粒子为处于静止状态的粒子。要求对全部粒子进行实时绘制，完成沉淀现象的动态仿真。

4.2 虚拟培训中特效仿真

对于从事高危行业的人员来说，安全教育与避灾训练显得尤为重要。根据虚拟现实技术的特点，可以针对某些事故及一定区域建造事故模拟和训练的虚拟系统，让人们在真实的环境中接受事故预防的教育及安全避险训练。逼真地对事故发生现场的过程与发展趋势进行动态展示是虚拟培训沉浸感的一个重要指标，真实的再现、高效的交互使受训者以当事人的身份主动接受培训，在近乎逼真的环境中，受训者在感官被高度调动的情况下更能锻炼他们在真实灾害现场中的反应与应措，而不是以旁观者的身份观看培训。

如何对灾害场景进行逼真模拟呢？粒子系统在特效仿真中发挥着重要的作用。例如在排爆训练、矿井灾害（瓦斯爆炸、火灾、水灾等）逃生训练等，特效仿真的优劣直接影响受训者对事故的反应，缺乏逼真度的模拟使得受训者易将虚拟环境中模拟的事故与现实环境中真实事故一分为二，在模拟训练中毫无紧迫感，以致达不到受训目的，更甚至于将起到与训练目的背道而驰的效果。因而粒子系统在培训系统特殊效果仿真中的引入，增强了虚拟培训沉浸感。

以矿井火灾事故中的逃生训练为例简要介绍粒子系统在特效仿真中所发挥的神奇作用。虚拟矿井火灾模拟需要对火灾的发生、发展过程做实时分析与动态模拟，需要选择合适的粒子系统模型，建立逼真场景，使受训者能真实感受到火烤烟熏，真正将自己置身于“现场”，进行逃生训练。因为虚拟仪器较为昂贵，因而我们需要在桌面虚拟现实中实现“火烤烟熏”，只能靠视觉上的高度满足来调动其它感官的想象而进入半虚拟的环境进行交互。我们利用粒子系统在模拟不规则物体上的强大优势，动态逼真实现火焰及烟尘的模拟。在建模过程中需充分考虑风向、气流、巷道坡度等对火焰与烟尘粒子团中各粒子运动轨迹的影响，通过引入气流速度与巷道坡度矢量修正因子而得到较精确的模型，达到更高效的场景模拟。

图2 烟尘仿真过程图

烟尘运动碰撞检测、二次运动轨迹的定义是动态烟尘仿真的关键。本文将火灾发生区域中巷道壁作为碰撞检测的外围边界，当烟尘粒子运动到此边界时，根据气流速度与矢量修正因子重建运动模型。此步骤的加入增强了烟尘效果仿真的逼真性，更有助于增强虚拟环境的沉浸感。

5 结论

本文以粒子系统在虚拟实验与虚拟培训中特效仿真中的应用为例，讨论了粒子系统在虚拟教学中的重要地位。用粒子系统进行效果仿真具有以下优点：图像生成真实感、实时性较强；粒子结构设置简单，易于修改，绘制方法灵活；粒子系统造型方法具有普适性，可根据不同需要进行不同设计，以获得不同的模拟效果。粒子系统的灵活性、普适性及随机性它为实时仿真中不规则模糊物体的绘制提供了较为理想的思路，有较高的应用性与研究价值。

参考文献：

[1] 刘金鹏. 虚拟现实系统中的物理建模和行为属性问题研究[D]. 武汉理工大学, 2004.

[2] 许敏，张永生，郑战辉. 粒子系统在战场环境仿真中对飞机尾焰的模拟. 测量学院学报，2004.

[3] 周洁琼. 基于粒子系统的实时火焰模拟技术研究与实现[D]. 湖南大学, 2005.

[4] 徐大敏，于兆勤，郭钟宁. 虚拟现实技术及其应用与展望. 机床与液压，2006,(7).

[5] 胡欢, 徐士进, 赵连泽, 尹坤, 董少春, 郑意春. 虚拟现实语言X3D在晶体结构建模中的应用[J]. 计算机与应用化学, 2006,(4).

网络虚拟实验室仿真实验平台的设计 篇3

所谓虚拟仪器, 就是在通用计算机平台上, 用户根据需求来定义和设计仪器的测试功能, 其实质是充分利用计算机的最新技术来实现和扩展传统仪器的功能[1]。虚拟仪器系统的构成有多种方式, 主要取决于系统所采用的硬件和接口方式, 其基本构成如图1所示[2]。

虚拟仪器包括硬件和软件两个基本要素。硬件的主要功能是获取真实世界中的被测信号, 可分为两类[3]:一类是满足一般科学研究与工程领域测试任务要求的虚拟仪器, 最简单的是基于PC总线的插卡式仪器, 也包括带GPIB接口和串行接口的仪器;另一类是用于高可靠性的关键任务, 如航空、航天、国防等应用的高端VXI仪器。

Lab VIEW是美国国家仪器公司 (NI) 的产品, 是一种基于图形编程语言的开发环境G语言, 主要用于仪器控制、数据采集、数据分析、数据显示等领域[6]。Lab VIEW是一个开放式的开发环境, 用户可以将其与任何测量硬件轻松连接。

虚拟实验就是指利用计算机技术与网络通讯技术, 以Web为实现平台, 将一系列软件和硬件有机结合起来, 通过鼠标的点击、拖动和键盘操作等, 按照实验要求和实验过程组装成一个完整的实验系统。

2. 网络虚拟实验系统

网络虚拟实验系统是基于网络的仿真现实中现场操作实验的计算机应用系统, 它实现的基础是计算机技术、网络技术与仪器技术的结合。网络虚拟实验系统降低了科研成本, 节省了研究经费并且提高了使用效率。它突破了传统教学模式受时间、地点的限制, 提高教学效率。

2.1 网络虚拟实验系统的体系结构

基于网络的虚拟实验室一般采用C/S (Client/Server) 结构式构建, 其主要分为两类———基于Internet的C/S结构以及基于Web的C/S结构。

针对虚拟实验室应用于高校教育上的特点, 我们采用了基于Web的分布式C/S结构。Web的C/S模式, 也即通常意义上的B/S (Browser/Server) 模式, 客户机上无需安装专门的客户端软件, 只要有标准的Web浏览器就可以实现对虚拟实验室的访问, 不过其缺点在于不适合大量数据的传输。由于将实验系统的主体部分集中到了服务器端, 对系统的维护以及实验项目的增加也只需在服务器端进行。这样不仅使系统的维护工作大大减轻, 而且当实验项目增加时, 只需要对服务器端进行更新, 使系统具有高扩展性和适应性[3]。

2.2 Remote Panels技术

从Lab VIEW 6.1开始, Lab VIEW集成了Remote Panels技术, 允许用户直接在客户端计算机上打开并操作位于服务器端计算机上的VI的前面板, 甚至可以将Lab VIEW VIs的前面板窗口嵌入到一个网页中并在网页中直接操作它, 这是一种软件操作界面共享方式。

Lab VIEW的Remote Panels不仅可以观看, 而且可以在Lab VIEW的环境中或浏览器上加以控制。这个强大的功能让开发人员可以轻松地创建远程应用程序, 使用户在周末的时候坐在家中的计算机前轻松地监控办公室、实验室甚至生产线上的各种情况。

2.3 远程访问原理

网络实验室仿真实验平台, 主要针对大学物理、数字电子, 模拟电子、电学、磁学、传感器原理等方面。学生利用网络登陆本仿真实验平台, 可以在线做理工类仿真实验。在网络仿真平台上, 学生自己动手设置实验参数, 运行在服务器端的平台仿真程序根据实验原理进行仿真, 并实时返回仿真结果。主要原理图如图2:

实验者可以通过浏览器观察模拟实验过程, 通过鼠标的点击以及拖曳动作来操作和控制虚拟的实验过程。在本文所介绍的过程控制虚拟实验室系统中, 学生通过浏览器就可以观察到参数的调节对控制过程产生的各种影响, 使得他们很方便的观察到不同的控制效果并很容易地掌握控制原理, 极大地提高了他们的学习兴趣和效率。本系统的开发为用户访问远程虚拟实验室提供了技术支持, 通过计算机网络把实验过程、方法, 以及实验结果迅速而直观的展示给远程用户。

下面以磁化曲线为例介绍仿真实验平台的设计。

3. 磁化曲线

3.1 基本原理

如果在由电流产生的磁场中放入铁磁物质, 则磁场将明显增强, 此时铁磁物质中的磁感应强度比没放入铁磁物质时电流产生的磁感应强度增大百倍, 甚至在千倍以上。铁磁物质内部的磁场强度H与磁感应强度B有如下的关系:B=μH

对于铁磁物质而言, 磁导率μ并非常数, 而是随的变化而变化的物理量, 即μ=f (H) , 为非线性函数。所以B与H也是非线性关系, 如图3所示:

铁磁材料的磁化过程为:其未被磁化时的状态称为去磁状态, 这时若在铁磁材料上加一由小到大变化的磁化场, 则铁磁材料内部的磁场强度H与磁感应强度B也随之变大。但当H增加到一定值 (Hs) 后, B几乎不再随着H的增加而增加, 说明磁化达到饱和, 如图3中的OS段曲线所示。从未磁化到饱和磁化的这段磁化曲线称为材料的起始磁化曲线。可以看出, 铁磁材料的B和H不是直线, 即铁磁材料的磁导率μ=B/H不是常数。

3.2 设计思想及实现

当U=0, 0.2, 0.4, 0.6...3.0 V时, 根据前面板中的电路图计算出Ux, Uy, H和B, 作出B-H曲线即磁化曲线, 如图4。

由磁化曲线的程序框图, 即图5可知, 本设计主要是由两个公式节点、各种运算控件, Build XY Graph控件和图形控件XY Graph组成。与Waveform Graph一样, XY Graph也是一次性完成波形显示刷新。不同的是, XY波形记录控件在波形显示的同时还反映测量点X、Y值的变化, 所以它的输入数据结构是由两组数据大包 (bundle) 构成的簇, 簇的每一对数据都对应一个显示数据点的X坐标和Y坐标[4]。

由数组控件得到一串数组U, 经过公式节点中运算处理后得到B的一串数组以及H的一串数组。经Build XY Graph捆绑后由XY Graph输出波形。

4. 基于Web的交互型虚拟实验室设计

4.1 Web服务器设置

发布一个站点基本上是将站点上的文件提制到一个目的地, 让其他人可以访问站点[5]。在发布站点之前, 应该测试站点的各项操作都能正常工作, 来确认站点已准备好发布。有一个好的方法可以确认您的站点已准备就绪, 那就是在Web浏览器上进行预览并且浏览站点, 检查所有文件的状态。这就需要通过配置IIS服务器来构建测试Web应用程序的环境。最后, 将测试成功的Web应用程序发布到Internet上[6]。

IIS默认的Web文件存放于系统根目录中的%system%%Inetpubwwroot中, 如果主页就放在这个目录下, 出于安全考虑, 微软建议用NTFS格式化使用IIS的驱动器。

4.2 主页及仿真实验页面设计

主页界面如下图6所示, 页面右下角是在线聊天程序。访问此张页面的人都可以进行相互地聊天, 教师也可以在线指导学生更好地完成实验以及在线答疑, 使网络虚拟实验室的交互性有了很大的提高。

在各个实验网页中也可加入另一些美化框图或程序来完善页面, 具体方法与设计网页一样。

教师要介绍虚拟实验室在网络部分的构建方法, 包括Web服务器和Lab VIEW服务器的设置, 以及VI的嵌套实现和网页设计。

5. 结语

本文设计主要分为两个部分:一部分是仿真平台的设计, 另一部分是通过Web的网页形式来调用此仿真平台。

虚拟实验室虽然能很大程度地辅助教学, 但并不代表可以代替真的实验室。若学生要有真实的控制仪器的经验, 便需要在真实的实验室里做实验。如果某项实验只是集中于设计、解决问题的过程, 而不是要求学生对仪器的亲自控制, 这时就可以利用虚拟实验室。

参考文献

[1]李莉玲, 方康玲, 周波.LabVIEW在远程虚拟平台中的应用[J].武汉科技大学学报, 2004, (7) :34-36.

[2]马宏斌, 杨波.虚拟实验室管理系统实现技术.信息技术报[J].2005, (2) :78-81.

[3]蒋英.对虚拟现实技术构建虚拟实验室的初浅认识.实验室科学[J].2006, (3) :67.

[4]吴晓男.高校虚拟实验室的构建[J].国外电子测量技术, 2006, (10) :23-25.

[5]袁太文, 罗世勇, 李迅波.Web分布式虚拟实验室的研究与实现[J].中国测试技术, 2005, (6) :34.

物理仿真实验报告 篇4

良导体热导率的动态法测量

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实验简介：

在测量热导率的实验中，最普遍采用的方法是稳态法，即在保持被测样品各点温度不随时间变化的情况下测量热流，然后求出热导率，这种方法实验条件要求严格不易测准．而动态法就将难于测准的热学量的测量转变为容易测准的长度测量，从而显著降低测量误差．

实验原理：

实验采用热波法测量铜、铝等良导体的热导率。简化问题，令热量沿一维传播，周边隔热,如图1所示。根据热传导定律，单位时间内流过某垂直于传播方向上面积A的热量，即热流为为截面积，文中TxptkATx(1)，其中K为待测材料的热导率，A是温度对坐标x的梯度,负号表示热量流动方向与温度变化

qtqtTx22方向相反．dt时间内通过面积A流入的热量dq=[()x()xdx]dtkAdxdt

若没有其他热量来源或损耗，据能量守恒定律，dt时间内流入面积A的热量等于温度升高需要的热量。dq=(cAdxTt)dt,其中C，ρ分别为材料的比热容与密度。所以任一时刻棒元热TtkTx22平衡方程为Cdxdx(2)由此可得热流方程

Tt=D

Tx22(3)其中D=

kC称为热扩散系数．式（3）的解将把各点的温度随时间的变化表示出来，具体形式取决于边界条件，若令热端的温度按简谐变化，即T=T0Tmsint(4)其中Tm是热端最高温度，为热端温度变化的角频率。另一端用冷水冷却，保持恒定低温，则式（3）的解也就是棒中各点的温度为2DT=T0xTmexsin(t2Dx)(5), 其中T0是直流成分，是线性成分的斜率，从式（5）中可以看出：

1)热端(x=0)处温度按简谐方式变化时，这种变化将以衰减波的形式在棒内向冷端传播，称为热波．

2)热波波速：V=2D(6)3)热波波长：22D(7)因此在热端温度变化的角频率已知的情况下，只要测出波速或波长就可以计算出 D．然后再由D=2kC2计算出材料的热导率K．本实验采用.式（6）可得V22kC则k=VC4fVC4T(8)其中，f、T分别为热端温度按简谐变化的频率和周期．实现上述测量的关键是：1)热量在样品中一维传播．2)热端温度按简谐变化．

实验仪器：实验仪器结构框图见图2(a)，该仪器包括样品单元，控制单元和记录单元三大部分．实际仪器由两种工作方式：手动和程控．他们都含样品单元和控制单元，不同的只是记录单元．前者用高精度x-y记录仪，后者用微机实现对整个系统的控制、数据的采集、记录和绘图，仪器主机由用绝热材料紧裹侧表面的园棒状样品（实验取铜和铝两种样品）、热电偶列阵（传感器）、实现边界条件的脉动热源及冷却装置组成。

实验操作：

1． 打开水源，从出水口观察流量，要求水流稳定。2． 打开电源开关，主机进入工作状态。3． “程控”工作方式。

实验数据：

铜样品：铜的比热C：385

K 密度：8.92×103 Kg/m3

铝样品：铝的比热C：906J/KgK 密度:2.702×103Kg/m3

思考题：

1．如果想知道某一时刻t时材料棒上的热波，即T~t曲线，将如何做？请画出大概形状。答：观察测量状态显示中的运行时间，到待测时间，恩下操作栏中的暂停键即可得到某时刻材料棒上的热波。

2．为什么较后面测量点的T~t曲线振幅越来越小？

仿真实验 篇5

【摘要】在我国的工科学业类当中，机械原理则是作为一门基础专业课，它也是一门重要的衔接课程，在学习的过程当中，理论与实践学习是非常紧密的。在这门专业课当中，它会涉及到很多方面的课程，是需要应用贯通的，同时在学习时也要让学生从工程建设的理论角度来应用和理解这方面的知识，从而来培养他们应用机器设计理论知识来解决实际问题，并且也能够更为深入的研究其中的仿真实验设计，来提高学生的实践能力。

【关键词】机械原理 虚拟仿真实验 教学设计

【中图分类号】G71 【文献标识码】A 【文章编号】2095-3089（2015）08-0184-02

在机械原理课程当中，最重要的一个学习环节就是课程设计，是通过在实验过程中学习完成的。在我国的高等院校中，它是作为工科类学生必修的一门课程，属于机械设计类的，也是一门主要的技术课程，占有主导地位，所以，如果要不断的提高对这类人才的培养，就必须要注重学习质量，建设在机械原理实验中的教学实验，把虚拟仿真设计融入其中，注重对这方面的培养学习，有效的分析研究在这门课程当中存在的问题以及实验设计的方法，把虚拟仿真实验充分的引入机械原理教学当中，从而提高教学效率，达到教学目标。

一、什么是虚拟实验

在我国高等教学当中，由于虚拟实验的发展起步较晚，因此，在高校的教学当中也比较匮乏在这方面的经验，并且在教学内容以及在模式当中都会存在一定的问题。我们都知道，虚拟仿真实验这门技术是非常先进的，虽然其发展是短暂的，然而在使用范围当中却是非常广泛的，在虚拟仿真实验的过程当中，可以让学生充分的了解和选择实验模型，并且更为深入的分析虚拟仿真技术的重要意义，应用在机械原理当中它的主要目的是什么，在分析机械原理的教学内容当中，更为有效的求证机械的综合创新，设计，金属材料，液压气压以及热处理等方面的技术问题，并且有着很大的帮助，通过虚拟仿真实验来达到教学的目的，在这个过程当中，一般学校会设立相应的实验机构，从而把所需要的实验设备进行集中管理，在这种模式下，它不仅丰富了实验性，同时也满足了教学的要求。对此，我们也可以看出，在虚拟教学中应用仿真技术，不仅提高了教学的视觉性，也更清晰的学习到机械原理的设计和工作效率。

二、当前实验教学的重要性以及问题

在机械原理的课堂教学当中由于会有很多的理论分析讨论，也会存在一些有关设计的问题，所以在进行机械原理教学时就必须要掌握好课程的理论知识，这也是最重要的基础环节，同时在基础教学中，我们不仅要掌握好这些基本概念，也是掌握好一些有关动力学和分析机构的相应功能性，通过在实践教学中，在设计课程实践的环节当中，这不仅可以提高学生设计实践能力，也可以完成一些较为复杂的综合设计，这对于全面培养复合型人才有着至关重要的意义，也是对实验教学提出了一个新的挑战，对此，改革实践教学是非常必要的。

1.在机械原理教学当中，通常进行实验时，主要是以示范和讲解为主，而学生只是以听为主，很难参与到实验当中，所以在这个过程当中学生并没有积极创新性，更没有机会参与到设计实验当中，而我们都知道，实验教学的目的就是为了有效的达到动手设计能力，并且让学生有认识和了解该门课程的具体操作实验，然而却受到了实验的限制，在一些教学中，学生没有机会对机械进行拆装研究，从而也就降低了学生在这其中的原理认识。

2.在机械原理的教学当中，一般是以课堂教学为主，而讲解理论知识时却占用一定部分的时间，对于学生来讲又难全部消化，所以并没有达到良好的教学目的，从而也就导致学生对这门课程的积极性越少。我们了解在机械原理学习过程当中一般主要是对其内部機构进行分析研究，其中的很多原理都是具体的理论化以及更为抽象的描述，这对于初学者来讲是非常困难的，如果不通过有效的实验来讲解其中的原理知识，学生不能有良好的衔接也就达不到理想的教学成效。

3.我们在为学生设计该门课程的思路时必须要有新奇的想法，从而来提高学生求知的积极性，一方面我们可以设计题目，把单一的题目有趣化，可以让学生通过题目要求来进行组合设计。另一方面我们也可以通过图解的方法来设计实验，但是由于设计的工作量较大，所以不能很好的训练学生在这方面的能力。通过课程设计可以有效的来升华机械原理实验的过程，也可以总结在这门课当中所遇到的问题以及难点，让学生通过实验来解决和认识机械原理理论知识，提高他们在工程实践方面的综合能力。对此我们可以看出，在机械原理教学过程当中，必须要把综合设计与理念有效的相结合，并且把理念知识与实践密切的融入到其中，可以更为直观的分析出机构综合性能，解决教学中的问题。

三、在教学当中的具体应用

1.在机械原理的教学过程当中，制图是最基本的一门应掌握的技能。在过去的学习模式当中，学生一般是通过手工进行绘图的，并且在这个过程当中，可以逐渐的了解机械机构的组成以及它的部分构造.从而可以充分的了解和掌握机构功能。然而在现如今的教学模式中，已经发生了很大的改变，可以应用计算机进行测绘实验了，可以不再应用手工绘画，通过计算机软件可以进行操作，并可以达到理想的效果，在这种教学过程当中，与时代同步，学生不仅融入了一些先进的应用方法，同时也掌握了虚拟仿真技术这门较为先进的应用方法，只是应用计算机便可描绘动态的机械制图，让学生在提高机械原理知识，还可以精算出机械的自由度，可谓一举两得。

2.在虚拟实验当中，机械机构组成是作为最重要的一个认知实验，在实验过程当中学生通过观察它的空间、平面以及齿轮结构，从而有效的确定设备是否在正常情况下进行有效的运行，而我们所应用的虚拟仿真实验恰恰就可以把它的组成变为一种图像，此外，也可以把它制作成动画的效果进行演示，更为立体的表现出它效果。由于在机械设备当中，基础的装置机构一般是用来维持机械运行重要元件，而它的原理与状态也是非常有影响意义的，对此，如果让学生更为充分具体的掌握机械原理的实验，就必须要了解虚拟仿真技术，因为它的作用是非常明显的，这也是有助于提高教学目的的重要手段。

3.在近些年以来，通过在机械原理教学当中，老师为了提高学生的四杆运动原理知识，便研发了一种新型的运动技术，在这个实验当中我们可以发现两方面特点，第一，可以让学生充分了解运动规律以及机构类型，也让学生掌握了机械的运行特点，怎样有效的研究机构在运动时的规律以及各种类型特点。第二，在设计四杆机构时，设计合理的四杆机构是有助于学生掌握专业知识以及操作的，由于系统在运行当中会存在很多问题，所以在进行设计时就必须要考虑到它的稳定性，安全性，具有牢固的理论基础。

四、结论

机械原理则是作为一门基础专业课，它也是一门重要的衔接课程，在学习的过程当中，理论与实践学习是非常紧密的。在这门专业课当中，它会涉及到很多方面的课程，是需要应用贯通的，对此，在学习当中就必须要提高其质量，建设在机械原理实验中的教学实验，把虚拟仿真设计融入其中，有效的分析研究在这门课程当中存在的问题以及实验设计的方法，把虚拟仿真实验充分的引入机械原理教学当中，从而提高教学效率。

参考文献：

[1]万朝燕.雷蕾.刘彦奎等《机械原理课程设计》改革的探索与实践[J].教育教学论坛.2013（2）

[2]姚智华.易勇.陈丰等.应用型本科院校机械原理课程改革与实践[J].安徽工业大学学报.2013（1）

[3]顾文斌.王怡.庄曙东.基于卓越工程师计划的机械原理课程改革与创新[J]. 中国电力教育.2013（16）

[4]孙志宏.单洪波.庄幼敏等.提高学生创新能力改革机械原理课程设计[J].实验室研究与探索.2007（11）

自由落体运动实验仿真 篇6

幸运的是, 现在随着计算机技术的飞速发展, 这种曾经的遗憾, 已有望通过现代多媒体技术手段加以弥补, 把物理教学中的实验过程, 运用软件制作进行仿真成为了可能, 而且高效。我想以自由落体运动实验仿真为例, 抛砖引玉。

一、程序的选择、结构和组织方案

Flash是一款动画制作软件。它几乎可以将自然界大部分事物都仿真成动画画面, 而且用Flash制作的课件常令人耳目一新。具体分析“自由落体运动”实验的特点与要求, 可以发现其中最难解决的问题便是实验步骤的减慢以及特定时刻的定格, Flash软件完全能胜任课件的制作。

自由落体运动实验的仿真程序主要包括实验简介、实验原理、实验演示、数据处理四大部分, 实验演示是本程序的核心, 它有三个部分:仪器调整、演示过程、记录数据。

二、程序各主要部分设计

本程序共分两个场景设计, 分别用来导入标题、实现初速度为零的实验过程。设置场景属性, 背景色为黑色, 其他值默认。

1.“场景1”层设计

本场景用来产生一个实验标题、实验分组的仿真效果, 共分2层。

第1层, 命名为“yingyue”, 第一帧为关键帧, 在这一帧导入一段背景音乐。

第2层, 命名为“bj”, 第一帧为关键帧, 制作标题、课题, 放到适当位置, 新建两个按钮, 用来实现分支到初速度为零的实验过程和初始速度不为零的实验过程。

场景的Action script:

(1) 在第2层第一帧添加stop () ;

(2) 按钮“初速度为零”添加on (press) {gotoAndStop ("场景2", 1) ;}

(3) 按钮“初速度不为零”添加on (press) {gotoAndStop ("场景3", 1) ;}

2.“场景2”设计过程

本场景用来实现初速度为零的自由落体运动的仿真过程, 本场景共13层。每层的第一帧用来显示进入状态, 2、3帧分别用来显示实验简介、实验原理, 4到6帧用来实现实验演示循环过程, 7到13帧用来实现数据处理过程。

第1层, 命名为“biaogetest”, 第1、4、6、7a、12a、13a帧为关键帧, 在第4帧、第5帧、第6帧加入如下的15个动态文本框。 (7a表示第7帧加入了Actionscript)

第12帧除加入第4帧动态文本框外, 另加入9个动态文本框。

第13帧, 在12帧的动态文本框基础上加入一个动态文本框textg。

它们用来记录小球到A门的高度h、小球下落时间、小球在B门处下落时间以及记录数据处理结果。

第2层, 命名为“biaoge”, 第1、4、6、12、13帧为关键帧, 用来框架第一层的动态文本。

第3层, 命名为“ball”, 制作一个小球电影短片拖放到舞台上, 第1、4a、5a、6a帧为关键帧。

第4层, 命名为“weizhi”, 第1、4帧为关键帧。加入test1、test2、test3这3个动态文本, 分别用来记录B门到顶部的高度h、小球运动时间, 以及小球在B门时的下落时间, 制作3个按钮, 用来控制记录高度h、时间t、控制再实验一次, 制作记录时间的计时器背景图形。

第5层, 命名为“zhezhaochen”, 第1、4帧为关键帧, 用来控制B门在拖动时上部不会显示, 遮蔽第6层和第7层。

第6层, 命名为“button”, 第1、4帧为关键帧, 先制作一个隐形按钮, 为在拖动B门区域内显示手势图形。

第7层, 命名为“Bm”, 第1、4、6帧为关键帧, 制作一个B门的电影短片, 拖到舞台命名为“bm”, 用来仿真光电门。

第8层, 命名为“kjbutton”, 第1、4帧为关键帧。用来放置一个在K键处的隐形按钮, 按下时控制电影短片“kj”能旋转。

第9层, 命名为“kj”, 第1、4帧为关键帧, 制作一个电影短片仿真开关K键。

第10层, 命名为“pm”, 第1、4帧为关键帧, 制作一个电影短片仿真P门。

第11层, 命名为“Kuanjia”, 第1、2、3、4a帧为关键帧, 用来放入实验装置图示, 第2帧、第3帧分别用来放置“实验简介”“实验原理”。

第12层, 命名为“mulu”, 第1、2、3、4、5、6、7、13帧为关键帧。制作五个按钮:“实验简介”“实验原理”“实验演示”“数据处理”“返回主页”, 用来实现实验控制。

第13层, 命名为“bj”, 第1、2、4、6、7、13帧为关键帧, 用来显示背景颜色。

场景的Action script:

三、结束语

通过分析自由落体运动实验存在的困难和不足, 采用Flash工具, 设计和编制了一套该实验的CAI仿真程序。使用表明, 本软件界面友好, 动画逼真、生动, 实验过程交互功能强, 内容丰富, 学生兴趣大, 有很大的实验辅助教学价值。不足处是立体感不是很强。

摘要：笔者分析了自由落体实验不易观察的困难, 采用Flash工具软件, 成功地设计和编制了一套测量物体自由落体过程的仿真程序。使用表明, 软件界面友好, 仿真度高, 互动功能强, 实验内容丰富, 可用于辅助教学。

关键词：自由落体运动,仿真,实验,多媒体,Flash

参考文献

[1]黄笃之, 等.普通物理实验[M].长沙:湖南科学技术出版社, 1994.

[2]郑佰鸿.Flash Action script语法参考辞典[M].北京:中国铁道出版社, 2001.

[3]杨述武.普通物理实验[M].北京:高等教育出版社, 1993.

QAM系统的仿真实验 篇7

正交振幅调制采用振幅和相位联合键控, 可以改善在多进制相移键控 (MPSK) 体制中, 随着M的增大, 噪声容量随之减小, 误码率难以保证的缺点[1]。在QAM体制中, 信号的振幅和相位同时受到调制。这样信号的一个码元可以表示为:

式中:k=整数;Ak和 θk分别可以取多个离散值。式 (1.1) 可以展开为:

式中Xk和Yk分别可取多个离散值。从式 (1.3) 中可以看出, Skt可看作是两个正交的振幅键控信号之和。

在式 (1.1) 中若 θK值仅可取π/4 和-π/4, Ak值仅可以取+A和-A, 则此QAM信号就成为QPSK信号如图1 所示。在矢量图中, 每个点表示码元的位置, 它是由两个正交矢量合成的16QAM信号矢量图, 如图1 所示。

2 QAM调制原理

所谓调制, 就是把信号转换成适合在信道中传输形式的一种过程。广义的调制分为基带调制和带通调制 (也称载波调制) 。载波调制, 就是用调制信号去控制载波参数的过程, 即使载波的某一个或某几个参数暗中调制信号的规律而变化。对于QAM系统调制采用正交调幅法。它是由2 路正交的四电平振幅键控信号叠加而成;n QAM代表n个状态的正交调幅, 一般有二进制 (4QAM) 、四进制 (16QAM) 、八进制 (64QAM) 。我们需要得到多进制的QAM信号, 需将二进制信号转换为m电平的多进制信号, 然后进行正交调制, 最后相加输出。16QAM是用两路独立的正交4ASK信号叠加而成, 4ASK是用多电平信号去键控载波而得到的信号。

3 QAM解调原理

解调 (也称检波) 则是调制的逆过程, 其作用是将已调信号中的调制信号恢复出来。解调的方法可分为两类:相干解调和非相干解调 (包络检波) 。相干解调时, 为了无失真地恢复原基带信号, 接收端必须提供一个与接收的已调载波严格同步 (同频同相) 的本地载波。本课题中16QAM信号用正交相干解调方法进行解调, 通过解调器将QAM信号进行正交相干解调后, 用低通滤波器LPF滤除乘法器产生的高频分量, 输出抽样判决后可恢复出的两路独立电平信号, 最后将多电平码元与二进制码元间的关系进行转换, 将电平信号转换为二进制信号, 经并/串变换后恢复出原二进制基带信号[2]。

4 结果分析

仿真系统参数设置完成后, 开始仿真模拟, 得到仿真结果如下:

信号经QAM调制模块的信号矢量图、经过高斯白噪声信道后的信号矢量图以及信号解调后的信号矢量图。

系统仿真运行后, 随机整数发生器产生的调制信号波形、经过QAM调制模块后的已调信号波形、经过加性高斯白噪声信道后的传输信号波形以及经过QAM解调模块后的解调信号波形, 第一组波形为输入系统随机产生的整形信号, 第四组波形为信号经过QAM调制解调模块后恢复出的解调信号, 有图可以看出QAM系统可以完整无失真的传输输入的调制信号。第二组波形为QAM调制模块输出的已调信号, 第三组波形为经过噪声信号传输后的已调信号, 可看出信号在传输过程中存在误码错误。

根据仿真系统的误码率图可知, 该QAM系统在传输1024 个码元时, 会产生8 个错误码元, 误码率为0.007815, 故此可知QAM系统的在提高频带利用率的同时依旧保证较低误码率。

摘要：随着通信技术的飞速发展, 由于频谱资源的限制, 传统的通信系统容量逐渐不能满足需求, 因此为了提高频带利用率的同时保证误码率, 在MPSK和MDPSK基础上发展出了QAM体制。QAM即正交振幅调制采用振幅和相位联合键控的方式, 将两种调幅信号 (2ASK和2PSK) 汇合到一个信道, 从而双倍扩展有效带宽。本文主要研究16QAM系统的仿真, 即16QAM系统调制、解调的实现。首先对QAM的工作原理进行介绍, 对QAM调制解调原理作详细介绍, 设置调整系统模块参数进而实现系统仿真, 并对仿真结果的进行分析, 进而明确QAM系统传输的优点。

关键词：正交振幅调制,QAM,调制解调,仿真实验

参考文献

[1]戴岚, 罗武忠, 王珏.短波16QAM信号数字解调算法的仿真[J].计算机仿真, 2006, 23 (3) :74-77+116.

仿真实验 篇8

“电工电子”是一门理论与实践紧密结合的电类专业的基础课程。通过本课程的学习, 学生能够获得电工和电子技术必要的基本理论知识及实验技能, 为从事与本专业有关的工程技术工作打下基础。传统的教学方法, 教师授课时只能对电路原理和运行结果进行讲解和描述, 由于很多学生在此之前没有接触过电子元器件, 在这样的前提下教学, 学生很难理解电路的原理和实际功能, 教学的预期效果难以达到。同时电工电子实验不是在课堂进行, 理论教学和实践教学会脱节严重。借助计算机仿真技术, 我们可以通过一些专业软件 (Multisim、Pspice、Protel等) , 虚拟一所功能强大的电子实验室, 将实验的理论模型和构成这些模型的硬件电路清晰地展现在学生眼前, 学生可以在这个仿真平台里任意调节参数、调整电路、观察参数对模型的影响。这对于传统硬件实验, 有一个较大的突破。

2 仿真在电工电子实验中的应用

传统的电工电子实验的主要分为基础性验证实验和综合性设计实验两大类。基础性验证实验内容比较基础, 主要针对刚接触电工电子的学生, 完成起来相对简单, 实验时间也比较简短, 整个实验课程内容的覆盖面比较宽泛。多年教学实践表明, 基础性验证实验不利于调动学生实验的积极性与主动性, 学生的独立设计能力难以提高。然而, 基础性验证实验对掌握和理解理论知识有其重要的作用, 所以至今许多专业实验课程还是以基础验证性实验为主体。针对基础性验证实验的弊端, 近几年来, 综合性设计实验获得了广大教学者的实践与认同, 在培养学生能力的上也取得了显著的效果。然而, 综合性设计实验的实验周期长, 对实验课程的内容、学时、范围需求量大, 相应地对实验室场地、实验室的硬件配置、实验授课人员的需求高。我们将仿真软件的虚拟实验功能引进教学, 在理论讲解的同时, 利用多媒体同步演示, 显示实验的过程、结果, 使一些抽象的概念直观化、具体化、简单化, 弥补了理论上的抽象性。如在电工基础课程中要讲解仪器仪表的使用, 比如示波器、信号发生器、晶体管毫伏的使用, 由于实验要涉及的仪器仪表较多, 学生在做实验时经常出错, 实验效果很差。但在做实验之前, 先在课程上用仿真软件演示一遍实验要做的内容, 强调实验过程中容易出现的错误, 这样学生在真正做实验时就比较熟悉, 达到了举一反三的效果。

3 仿真虚拟实验的定位

本人认为电工电子仿真软件只是一个辅助的教学工具, 在学生学习的初始阶段, 不宜介绍, 更不宜在此阶段用仿真软件进行实验。应该按循序渐进的步骤, 从基础性实验、设计性实验和创新性实验三个层次展开, 来提高学生的综合素质。目前这种形式, 已然成为很多电工电子实验老师的共识。在第一层次基础性实验阶段, 学生因掌握电工电子实验中正确测量数值、正确使用仪器设备、正确记录实验数据的方法, 并能够分析和处理实验数据, 得到实验结果。第二层次的设计性实验应该安排在电子电路课程设计中。这个层次开始时, 我们向学生介绍虚拟实验的基本原理和方法, 特别是用Protel制作印刷电路板PCB的方法。在这个层次, 可以大力的鼓励学生多接触电工电子仿真虚拟实验, 跳出传统硬件的束缚, 学生可以自由选择题目, 用EWB和Protel工具研究电路、制图, 并制作出一个电路板, 焊接电路元件, 进行测量和完成实验数据处理, 最后上交论文进行答辩。第三层次的创新性实验是在前两个层次的基础上, 综合利用电工电子的仿真虚拟实验和传统硬件实验。学生应用开阔的思路, 在仿真虚拟实验中大胆进行创新、研究。有了思路后, 要根据传统硬件实验的严谨性, 结合所学的了EDA技术以及单片机等电子技术综合设计进行实验。不能只会用计算机进行电路研究, 而实际动手能力更不上。这个层次中也要求学生制作电路板, 焊接电路, 做出一个成品, 然后进行论文答辩, 进行改进。只有经过实际检验的成品, 才能谈到应用。

4 结束语

利用仿真虚拟实验, 教学者可以很好的弥补传统硬件实验中的弊端, 同时减少学生的硬件束缚, 开阔学生的思维能力。同时, 结合传统硬件实验的实际动手能力, 用最有效的方式, 来锻炼学生的综合素质能力, 培养电工电子类实用、好用的工程师。

参考文献

[1]张永生.电子设计自动化技术[M].机械工业出版社, 2008, 7.

[2]李立, 刘国繁, 李淑敏, 等.高等工程教育实践教学模式的研究与实践[J].湖南工程学院学报, 2004, 14 (1) :85-87.

[3]刘志军.实验改革和实施开放实验模式的创新实践[J].实验技术与管理, 2006, 23 (1) :17-19.

仿真实验 篇9

关键词：仿真,实验,传统,电工

电工电子教学过程中重要环节就是电工电子实验教学, 它的重要作用就是深化学生对所学知识的了解和掌握以及培养学生分析问题和解决问题的能力, 这样不仅训练了学生基本实验操作的技术和技能, 也提高了他们实验动手能力和综合创新能力。但是传统的电工电子实验出现了费用高而使实验元件不足仪器不足的状况, 但是科技发达的今天计算机中的电工电子实验虚拟仿真实验出现了。

1 虚拟仿真实验的介绍

1.1 登上实验舞台的开始

随着电子计算机科技不断发展, 其中的信息化和数字化进程的发展更是不容忽视, 再加上计算机技术的普遍适用。虚拟仿真实验也被大部分人接受, 因为传统硬件实验已经出现很多局限性和不足, 所以虚拟仿真实验在逐步的取代着传统硬件登上了实验的舞台。

1.2 虚拟仿真实验的特点

作为Windows下运行的个人桌面电子设计工具, Multisim软件是专门进行电子电路仿真与设计的EDA (电子设计自动化) 工具软件, Multisim是一个完整的集成化设计环境。Multisim计算机仿真与虚拟仪器技术能够很容易地破解抽象的理论教学与实践动手实验相背离的矛盾。高职院校学生能够很容易地把从书本上学到的抽象理论知识通过计算机仿真实验真实的再现出来, 而且能够通过虚拟仪器技术创造出真正属于自己的仪表。所以, 从某种意义上来看, Multisim软件是高职院校进行电子学教学的必备软件工具。

(1) 电工电子实验的元件和仪器充足, 可以完成受条件限制而无法完成的传统硬件实验的电路设计和实验。

(2) 虚拟仿真实验的成本低, 不用使用实物, 所以元件与仪器不用购买就可有, 相同的元件和仪器, 还没有种类和数量的限制。传统硬件实验中会出现设备价格高, 使用复杂等问题, 而让学生使用的机会少, 但是在虚拟实验中完全就可解决了, 学生可以随便用各种元件和仪器等设备了。突破了传统实验经费不够对实验的局限了。

(3) 实验效率高。实验中不会出现损坏, 接触不良而影响实验的进程, 可以准备的反应出实验的过程而且便捷。

使用Multisim软件进行虚拟仿真实验, 也解决了理论教学与实际实验脱节的问题, 学生可以轻松的把所学理论用实验来验证, 大大提高了学生的理论基础也提高了他们学习的热情让他们在学习中充满激情。

1.3 虚拟仿真实验的局限性

虽然虚拟仿真实验中设备齐全, 做实验的效率高而且准备, 但是它也有本身的不足性。

(1) 使学生认识元件和仪器的机会减少, 在软件中的元器件和现实生活中是有很大的出入的, 使学生认知度减低。而且学生所见的元器件没有“实物感”, 只局限于鼠标和键盘的操作。

(2) 在虚拟实验中, 学生动手能力降低, 虽然可以完成理论性的实验, 但是对各种元器件掌握是少之甚少的。所以在实际生活中学生解决实验所出现的问题会很难。

(3) 会减少学生对实验的真正体会, 很多学生在传统实验中会出现各种故障问题, 老师会亲自帮忙解决, 从而加强学生对实验的认真行, 但是仿真实验是无法完全的虚拟出各种实验所出现的障碍问题。

2 传统硬件实验与虚拟仿真实验的结合

2.1 真实实验与仿真实验结合步骤

正因为电工电子实验中虚拟仿真实验有其自身的局限性, 所以在取代传统硬件实验的地位比较难行, 而在传统硬件实验中, 又不可忽视仿真实验教学的实用性, 所以应该把传统的电工电子实验与仿真虚拟实验有机的结合在一起。起初应该让学生在传统硬件实验中学习实验, 来培养他们的综合素质, 逐步的完成实验。首先让学生在基本简单的实验中认识元器件, 和体验实验的步骤, 正确的使用实验的设备来测量、分析和处理实验数据, 学会基本的实验步骤和方法。然后学生在熟悉了基本传统实验时, 带领他们学习计算机软件进入仿真实验的进行让他们在实际中接触实验室所不能提供材料的实验, 从而巩固理论学习的缺陷, 不仅提高了学生的认知度.动手能力.还提高了学生的学习能力和综合素质。当然在使用仿真实验之初要教给学生基本的实验方法。不然误了学生不会软件的时间。最后让学生自己通过软件设计电路和电路板, 来巩固仿真实验, 后来也可展开对传统硬件实验的应用。

2.2 真实实验与仿真实验的关系

电工电子实验时一种实践性极强的教学, 所以必须把传统硬件实验与仿真实验有机的结合, 达到一种度, 维持他们之间的关系。电工电子专业技术在培养机械制造、数控、模具和汽车专业等人才具有重要地位, 所以不可忽视实验带给广大学员的影响。作为一名实验者必须让学生克服理论性强, 他们不愿学的心理, 带领他们在实验在获取有效信息, 为他们的将来打下更好的基础。要重视实验教学, 打好基础, 加强实践, 提高他们实验动手能力和综合创新能力。

3 小结

在了解了电工电子实验中的虚拟仿真实验后, 它的优势不可忽视它的缺点也应该结合传统硬件实验。这样才能促进教学水平的提高, 实验更加的准确。在关系转换的情况下, 解放思想, 用高科技做实验转换观念, 使虚拟仿真实验也能解决实际问题, 让虚拟仿真实验经验更加丰富。

参考文献

[1]姜凤利, 吴仕宏.电工电子实验教学改革的探讨与实践[J].实验室科学, 2008 (05) .

[2]化晓茜, 王紫婷.改革电工电子实验教学培养学生的创新能力[J].实验室研究与探索, 2011 (06) .

[3]周小平.电路仿真软件在电工基础中的应用[J].中国现代教育装备, 2009 (14) .

对旋风机性能数值仿真与实验对比 篇10

摘要：为了研究对旋风机建模对其性能影响，依据流体力学理论，采用3D激光扫描技术，对FBD5.0/2×7.5型号对旋式轴流风机叶轮叶片进行逆向建模，运用软件，建立了风机整体模型，并给出了流体场计算结果，对风机内部流场进行数值模拟并通过风管式实验装置对风机进行实验。验证了建模准确。结果表明，对对旋式轴流风机叶轮逆向建模，建模快速，模型准确，仿真数值结果与实验数据进行对比分析，仿真计算可行。为对旋风机建模提供了新的方法，提高了风机设计的精确度。

关键词：对旋风机；3D激光扫描法；数值模拟；实验数据；性能影响

中图分类号：TH432.1 文献标志码：A 文章编号：1007-2683（2015）06-0054-05

0 引言

随着对旋风机被广泛地采用于煤矿、船舶和隧道掘进等领域，人们对风机的性能有了更高的要求，进而对风机设计的准确度提出了更高的要求。早期风机的设计都是采用近似公式进行设计，再通过实验获取样机的具体性能参数，设计周期长，人力物力耗量大。20世纪90年代，CFD（computational fluid dynam-ics）数值分析被用于对旋风机流场特性研究。国外研究人员使用CFD数值模拟技术对对旋风机内部流体流动、两级叶轮转速比、两级叶轮间距、叶顶间隙等问题进行了大量的科学研究，国内的研究人员利用fluent软件对对旋风机的气动性能、两级叶轮的匹配情况、稳态情况进行了分析研究。随着CFD技术在网格划分、湍流模型、数值算法等方面的不断完善，CFD数值模拟成为分析流体机械不可或缺的一种方法。然而，数值仿真的准确性依赖于模型的准确，而这其中更关键的是叶轮叶片的建模。

以往对旋风机的叶轮建模，都是运用Solid。Works软件与fluent软件的前处理gambit进行建模，运用此方法建模，需要风机叶轮叶片的数据参数，然而这些参数不易获得，因此叶轮建模费时费力，且精度不易保证。3D激光扫描法是运用三维激光扫描仪对实物进行扫描，得出数据，建立模型。采用非接触的测量方法，直接得到真实物体表面的采样点，即点云数据，利用点云数据即可以重构出任意曲面。3D激光扫描法是一种逆向建模，可以把实物还原为模型文件。此扫描法适用于扫描外形固定的物体，且能达到很高的重构精度，因此三维扫描及相关数据建模技术近十几年来发展迅速，在文物保护、3D打印、3D游戏等领域被广泛应用。

本文以FBD5.0/2×7.5型号轴流对旋风机为研究对象，采用3D激光扫描法对叶轮建模，并运用SolidWorks软件对风机整体建模，借助fluent软件对FBD5.0/2×7.5型号轴流对旋风机进行数值仿真，并对此型号风机进行实验，将实验数据与仿真结果进行对比分析。

1 模型的建立

1.1 物理模型

1.1.1 叶轮建模

运用3D激光扫描法对样机叶轮叶片进行建模。使用了加拿大Creaform公司生产的Handyscan3D激光扫描仪。扫描前，对仪器进行校正，保证扫描的精确度，如图1所示。

校对之后，在叶轮表面贴上定位感应片（定位靶），由此可以定位被测叶轮的空间坐标点，如图2所示。扫描系统通过捕捉这些定位感应片的反射，来实现精确地相对定位。

通过点云扫描，得出叶轮部分叶片和轮毂面的部分结构。一级叶轮的三角形数为153568个，二级叶轮的三角形数为49264个，结果如图3所示。

反复多次扫描，增多记录点云，成像的过程中可自动拼接，逐步成像，利用后处理软件VXmodel进行处理，最后将扫描得到的模型导人UG中进行优化处理，再由SolidWorks中进行轮毂和其余叶片的绘制，生成的两级叶轮三维几何模型，如图4所示。

1.1.2 风机整体建模

对旋风机的其余部分，即集流器、一级风筒、二级风筒和扩散器共同组成的对旋风机流道，利用软件SolidWorks和fluent的前处理gambit对其进行建模。最后将叶轮与流道的模型整合，得到风机的整体模型。图5（a）为此型号风机入口处模型，图中右侧所示为一级叶轮，旋转方向为顺时针方向，图5（b）为此型号风机出口处模型，图中右侧所示为二级叶轮，其旋转方向为顺时针方向。

1.2 数学模型

采用SIMPLE算法对流体场进行速度与压力的计算，其运用速度修正方程和压力修正方程如下：

1）速度修正方程式中：P^*为压力场；u^*和v^*为相应的速度分量；A为控制体积的界面面积；b为动量方程源项部分；a为系数。

2）压力修正方程式中，p′为压力修正值。

1.3 基本假设和边界条件假设如下：

1）计算过程在标准大气压下进行，忽略重力及气体浮力；

2）流体均匀且连续的；

3）风机内部流体属于湍流流动，采用湍流模型求解风机内部流体场；

4）风机内部流体为不可压缩流体，忽略温度影响。

对计算模型进行边界定义：给定人口速度大小和方向以及定湍流强度和水利直径；给定出口压力大小为相对标准大气压0Pa，设定回流湍流密度和水利直径；一、二级叶轮定义为旋转壁面，其他为静止壁面，采用多重旋转坐标系MRF（multiple refer-enee frame）方法解决旋转运动问题，旋转域之间和旋转域与静止域之间使用interface交界面，壁面处设为无滑移边界。

2 数值仿真

2.1 网格划分