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摘要：为开展钢筋混凝土结构实验演示教学，自主研发基于虚拟仪器的实验教学演示系统。采用NI cDAQ搭建混合信号采集系统，以实验演示教学为目标设计信号采集和数据处理软件，实现数据清零、数据修正和数据记录、画图等功能。实践表明，该演示系统为推动立体化启发式实验教学和互动式实验教学奠定了坚实基础。
关键词：虚拟仪器；钢筋混凝土；演示系统；LabVIEW
中图分类号：G642.423；TU528.571文献标志码：A文章编号：10052909（2012）06013904钢筋混凝土结构是现代土木工程最重要的组成部分，钢筋混凝土结构课程则是结构工程专业本科教学中最重要的专业课程之一。由于钢筋混凝土结构课程实践性强，实验教学成为影响教学质量的重要环节，随着本科教学实验投入日益加大，传统的钢筋混凝土实验教学方法已不能满足知识、能力、素质并重的新型工程设计人才的培养要求，钢筋混凝土实验的教学改革迫在眉睫。以钢筋混凝土集约分层式教学改革为代表的系列实验教学改革为钢筋混凝土结构实验教学改革搭建了总体框架，符合现阶段本科实验教学改革方向［1］。以钢筋混凝土结构综合加载装置为基础的具有自主知识产权的硬件设施为实现基本型—提高型—自主创新型实验教学提供保障［2-3］。目前该装置仅实现构件支撑体系的多功能目标，可完成多种试验构件的加载，而测试系统仍沿用机械读表式仪器设备。机械读表式仪器设备尽管可提高学生动手能力，但在一定程度上限制了学生视野，降低了实验效率，特别是演示教学环节时，读表记录无法让学生实时了解实验进程，缺点非常明显。文献［6］基于虚拟仪器开发了新的实验模拟系统，采用模拟实验展示梁加载至破坏的过程，然而结果毕竟是模拟的，相比真实的实验演示还有所欠缺；因此，针对实际构件加载试验引入自动化数据采集和分析系统对实验教学特别是演示环节的教学非常必要。文章基于虚拟仪器技术，研发钢筋混凝土结构实验教学演示系统。实践证明，应用该演示系统取得了良好的教学效果。一、虚拟仪器技术
虚拟仪器［7］（Virtual Instruments，简称VI）是美国国家仪器公司（National Instruments Corporation 简称NI）基于“软件即是仪器”的理念于1986 年提出的全新概念，即在以计算机为核心的硬件平台上，测试功能由用户自定义并通过测试软件实现的一种计算机仪器系统。其实质是利用计算机显示器的显示功能来模拟传统仪器的控制面板，以多种形式表达输出结果，利用I/O 接口设备完成信号的采集与控制，利用计算机强大的软件功能实现信号数据的运算、分析和处理，从而完成各种测试功能的计算机测试系统。虚拟仪器技术是融合电子测量、计算机和网络技术的新型测量技术，在降低仪器成本的同时，提高仪器的灵活性和数据处理能力，是传统仪器概念的重大突破。“虚拟”主要包含两方面含义：第一，虚拟仪器面板是虚拟的。传统仪器面板上的各种“器件”所完成的功能由虚拟仪器面板上的各种“控件”来实现；第二，虚拟仪器测量功能由软件编程实现。在以计算机为核心的硬件平台支持下，通过软件编程实现仪器的测试功能，而且可组合不同测试功能的软件模块实现多种测试功能。可见，采用虚拟仪器技术开发实验教学演示系统有无法比拟的优势。
12高等建筑教育2012年第21卷第6期
余世策，等钢筋混凝土结构实验教学演示系统的开发和应用
二、 钢筋混凝土结构实验教学演示系统的设计
钢筋混凝土受弯构件正截面破坏实验是钢筋混凝土结构实验课程中最为重要的一个实验，学生观察实验现象、分析实验结果、比较理论计算，通过结构实验中获得的感性认识，巩固并深化所学理论知识。
（一）系统目标设定
图1为钢筋混凝土受弯构件加载测试简图，受弯构件采用简支安装，以千斤顶通过分配梁对试验梁加载，千斤顶荷载通过力传感器测量。试验加载过程中实时测量试验梁的挠度、受拉主筋的应变、混凝土受压区的应变，对每级荷载作用下的加载力、挠度、应变等数据修正、整理，绘制跨中弯矩-挠度曲线图和跨中弯矩-应变曲线图。观察和分析这2个曲线图，理解钢筋混凝土构件受弯破坏的机理，掌握钢筋混凝土构件受弯破坏的3个阶段，以及钢筋混凝土在不同阶段的作用［8］。由于静载试验需要分级进行，每级荷载作用下需稳定一段时间才能记录数据，因此系统既要显示实时数据，又要具备人工干预数据记录和图形绘制的功能。
图1钢筋混凝土受弯构件加载测试简图
（二）硬件配置方案
根据系统目标设定，需要采集的信号有位移信号、力信号和应变信号。位移信号的采集设备选择高精度差压变压器式位移传感器，量程为30 mm，精度为0.1%，输电信号为0～5V电压，数据调理和采集选择了NI 9205电压采集模块，该模块具有16位测量精度，250 KS/s最高采样率，可实现32路单端模拟输入的信号采集。力信号的采集设备选用应变式压力传感器，以全桥电路接入。应变信号的采集设备为应变片，以1/4桥电路接入，数据调理和采集均选用NI 9237同步电桥模块，该模块具有24位测量精度，50 KS/s最高采样率，可同时驱动和测量4个电桥传感器所需的全部信号。最后将电压采集模块和同步电桥模块插入CompactDAQ机箱，组成混合信号数据采集系统。
（三）基于LabVIEW软件的设计
LabVIEW［9-15］是一个革命性的图形编程开发环境，以G编程语言为基础，用于数据采集、控制、数据分析和图形表示等，尤其适于虚拟仪器和虚拟实验的设计。
1.用户界面设计
根据系统目标设定的要求，软件界面主要分成参数输入区、原始数据区、修正数据区、操作区和图形显示区。参数输入区用于手工输入初始等效荷载，该参数考虑试验梁的自重对试验结果的修正；原始数据区显示传感器直接采集的实时数据，包括两根受拉主筋应变、混凝土受压区应变、千斤顶荷载、跨中位移、左支座位移和右支座位移共7个数据显示框；修正数据区显示经修正后的实时数据，包括修正后两根受拉主筋应变、混凝土受压区应变、跨中弯矩和跨中挠度5个数据显示框；操作区用于人工干预试验进程，包括数据清零按钮、数据修正按钮和数据记录画图按钮；图形显示区用于显示弯矩-应变曲线和弯矩-挠度曲线。采用LabVIEW定制的软件界面如图2所示，操作界面非常友好。
关键词：虚拟仪器；钢筋混凝土；演示系统；LabVIEW
中图分类号：G642.423；TU528.571文献标志码：A文章编号：10052909（2012）06013904钢筋混凝土结构是现代土木工程最重要的组成部分，钢筋混凝土结构课程则是结构工程专业本科教学中最重要的专业课程之一。由于钢筋混凝土结构课程实践性强，实验教学成为影响教学质量的重要环节，随着本科教学实验投入日益加大，传统的钢筋混凝土实验教学方法已不能满足知识、能力、素质并重的新型工程设计人才的培养要求，钢筋混凝土实验的教学改革迫在眉睫。以钢筋混凝土集约分层式教学改革为代表的系列实验教学改革为钢筋混凝土结构实验教学改革搭建了总体框架，符合现阶段本科实验教学改革方向［1］。以钢筋混凝土结构综合加载装置为基础的具有自主知识产权的硬件设施为实现基本型—提高型—自主创新型实验教学提供保障［2-3］。目前该装置仅实现构件支撑体系的多功能目标，可完成多种试验构件的加载，而测试系统仍沿用机械读表式仪器设备。机械读表式仪器设备尽管可提高学生动手能力，但在一定程度上限制了学生视野，降低了实验效率，特别是演示教学环节时，读表记录无法让学生实时了解实验进程，缺点非常明显。文献［6］基于虚拟仪器开发了新的实验模拟系统，采用模拟实验展示梁加载至破坏的过程，然而结果毕竟是模拟的，相比真实的实验演示还有所欠缺；因此，针对实际构件加载试验引入自动化数据采集和分析系统对实验教学特别是演示环节的教学非常必要。文章基于虚拟仪器技术，研发钢筋混凝土结构实验教学演示系统。实践证明，应用该演示系统取得了良好的教学效果。一、虚拟仪器技术
虚拟仪器［7］（Virtual Instruments，简称VI）是美国国家仪器公司（National Instruments Corporation 简称NI）基于“软件即是仪器”的理念于1986 年提出的全新概念，即在以计算机为核心的硬件平台上，测试功能由用户自定义并通过测试软件实现的一种计算机仪器系统。其实质是利用计算机显示器的显示功能来模拟传统仪器的控制面板，以多种形式表达输出结果，利用I/O 接口设备完成信号的采集与控制，利用计算机强大的软件功能实现信号数据的运算、分析和处理，从而完成各种测试功能的计算机测试系统。虚拟仪器技术是融合电子测量、计算机和网络技术的新型测量技术，在降低仪器成本的同时，提高仪器的灵活性和数据处理能力，是传统仪器概念的重大突破。“虚拟”主要包含两方面含义：第一，虚拟仪器面板是虚拟的。传统仪器面板上的各种“器件”所完成的功能由虚拟仪器面板上的各种“控件”来实现；第二，虚拟仪器测量功能由软件编程实现。在以计算机为核心的硬件平台支持下，通过软件编程实现仪器的测试功能，而且可组合不同测试功能的软件模块实现多种测试功能。可见，采用虚拟仪器技术开发实验教学演示系统有无法比拟的优势。
12高等建筑教育2012年第21卷第6期
余世策，等钢筋混凝土结构实验教学演示系统的开发和应用
二、 钢筋混凝土结构实验教学演示系统的设计
钢筋混凝土受弯构件正截面破坏实验是钢筋混凝土结构实验课程中最为重要的一个实验，学生观察实验现象、分析实验结果、比较理论计算，通过结构实验中获得的感性认识，巩固并深化所学理论知识。
（一）系统目标设定
图1为钢筋混凝土受弯构件加载测试简图，受弯构件采用简支安装，以千斤顶通过分配梁对试验梁加载，千斤顶荷载通过力传感器测量。试验加载过程中实时测量试验梁的挠度、受拉主筋的应变、混凝土受压区的应变，对每级荷载作用下的加载力、挠度、应变等数据修正、整理，绘制跨中弯矩-挠度曲线图和跨中弯矩-应变曲线图。观察和分析这2个曲线图，理解钢筋混凝土构件受弯破坏的机理，掌握钢筋混凝土构件受弯破坏的3个阶段，以及钢筋混凝土在不同阶段的作用［8］。由于静载试验需要分级进行，每级荷载作用下需稳定一段时间才能记录数据，因此系统既要显示实时数据，又要具备人工干预数据记录和图形绘制的功能。
图1钢筋混凝土受弯构件加载测试简图
（二）硬件配置方案
根据系统目标设定，需要采集的信号有位移信号、力信号和应变信号。位移信号的采集设备选择高精度差压变压器式位移传感器，量程为30 mm，精度为0.1%，输电信号为0～5V电压，数据调理和采集选择了NI 9205电压采集模块，该模块具有16位测量精度，250 KS/s最高采样率，可实现32路单端模拟输入的信号采集。力信号的采集设备选用应变式压力传感器，以全桥电路接入。应变信号的采集设备为应变片，以1/4桥电路接入，数据调理和采集均选用NI 9237同步电桥模块，该模块具有24位测量精度，50 KS/s最高采样率，可同时驱动和测量4个电桥传感器所需的全部信号。最后将电压采集模块和同步电桥模块插入CompactDAQ机箱，组成混合信号数据采集系统。
（三）基于LabVIEW软件的设计
LabVIEW［9-15］是一个革命性的图形编程开发环境，以G编程语言为基础，用于数据采集、控制、数据分析和图形表示等，尤其适于虚拟仪器和虚拟实验的设计。
1.用户界面设计
根据系统目标设定的要求，软件界面主要分成参数输入区、原始数据区、修正数据区、操作区和图形显示区。参数输入区用于手工输入初始等效荷载，该参数考虑试验梁的自重对试验结果的修正；原始数据区显示传感器直接采集的实时数据，包括两根受拉主筋应变、混凝土受压区应变、千斤顶荷载、跨中位移、左支座位移和右支座位移共7个数据显示框；修正数据区显示经修正后的实时数据，包括修正后两根受拉主筋应变、混凝土受压区应变、跨中弯矩和跨中挠度5个数据显示框；操作区用于人工干预试验进程，包括数据清零按钮、数据修正按钮和数据记录画图按钮；图形显示区用于显示弯矩-应变曲线和弯矩-挠度曲线。采用LabVIEW定制的软件界面如图2所示，操作界面非常友好。