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摘要：针对精密压力表标准装置检定教学中存在的理论教学过于抽象、多媒体视频教学缺乏互动、实验教学设备昂贵等问题，构建了精密压力表标准装置检定仿真教学系统。被设计。 利用3DMAX建模软件制作精密压力表标准设备检定设备模型，Photoshop软件处理设备图，Adobe After Effects软件制作教学视频，再利用Unity3D虚拟仿真引擎搭建虚拟仿真教学系统。 该系统包括结构原理展示、视频动画教学和虚拟仿真实操三种教学方式，实现了精密压力表标准装置检定的仿真教学功能。 交互设计可以提高学生的学习积极性和效率，弥补传统教学方式的不足。 不足的。 测试表明，该系统具有开发成本低、沉浸感强、教学效果好的特点。

关键词：压力表； 确认; 虚拟的; 模拟; 教学

0 前言

精密压力表是压力测量、检测、检验和检定以及其他压力参数相关领域最常用的测量标准[1]。 由于环境温湿度、介质气氛、弹簧管变形等因素的影响，其测量精度都会受到影响，因此必须定期进行校验。 国家计量检定规程JJ49-2013《弹性元件式精密压力表和真空表》强制规定精密压力表的检定周期不得超过1年[1-2]。 因此，精密压力表标准装置的检定方法被列为仪器仪表检测专业教学中的重要内容。

高校精密压力表标准装置检定教学以理论讲解为主，多媒体视频播放为辅。 理论讲解抽象难懂，缺乏实际操作的同学很难真正掌握验证方法。 采购大量精密压力表标准器件供学生练习，无疑是提高教学效果的有效途径，但由于设备价格昂贵，采购大量设备并不现实。

目前，精密压力表标准装置的检定仿真研究还处于起步阶段。 林卓凡研究的计算机验证记录数据处理程序，节省了计算时间，提高了计算结果的准确性[3]。 还有基于Visual Basic的压力表校验系统。 设计了计算机管理系统和数字压力表接口程序，省去了原始记录和证书打印过程中的大量数据录入工作[4]，但该系统只适用于数字压力表。 型压力表不适用于广泛使用的弹簧型压力表。 此外，还出现了基于PLC的压力表自动校准系统[5]。 虽然已经实现了压力表校验的全自动化，但由于系统硬件结构复杂，价格昂贵，所以没有得到广泛应用。

针对上述问题，研究了仿真教学系统设计的关键技术，设计了仿真加压过程的IK算法、压力表结构拆卸算法和射线投影碰撞检测方法，并设计了一种交互性强、经济实用的, 并开发了易于操作的方法。 便捷的精密压力表标准装置检定模拟教学系统。 该系统由结构原理展示、视频动画教学和虚拟仿真实践三部分组成。 结构原理的展示可以使学生对设备的外观和结构有一定的感性认识。 视频动画教学是通过3D视频详细讲解验证过程，虚拟仿真操作是对学习效果的实际练习和检验。

1 总体系统设计

1.1 功能需求分析

精密压力表标准装置检定模拟教学系统主要用于辅助高校仪器仪表相关专业的教学。 它利用虚拟仿真技术生动的特点，降低相关知识的理论深度，使抽象的理论解释成为一个可视化、交互式的学习过程[5-6]。 系统需要实现台式气动泵、台式水压泵和精密压力表三种设备的模拟示教功能，如图1所示。以台式气动泵为例，各设备需要实现以下功能：

图1 系统功能设计

(1)结构原理论证。 实现台式气动泵3D模型的显示，实验室环境的模拟，以及鼠标对模型的缩放和旋转控制。 设置产品概览、技术参数介绍、语音讲解等操作4个侧弹窗，通过按钮控制弹窗的显示和隐藏。 其中，技术参数应包括台式气泵的使用环境、压力范围、调节细度、压力传输介质和压力连接等。 更多的操作部分需要实现各组件名称的显示和隐藏，以及去除外壳部分内部结构返回主操作界面的功能。

(2)视频动画教学。 视频动画教学的目的是让学生对台式气动泵的结构和原理有一定的了解，然后用3D动画进一步讲解其技术指标和操作规范。 包括标准表的清零、单位换算、被检表的外观检查和零位检查，以及示值误差、回位误差、分接位移校验方法和收尾工作的三维视频讲解。

(3)虚拟仿真操作。 在虚拟仿真操作部分，为让学生进行实际操作练习，检验学习效果，系统应提供操作步骤提示，并根据学生正确操作情况决定是否进行下一步操作. 需要实现标准表和被测表表盘的紧密显示，以减少读数误差，提高检定精度[6-8]。 此外，学生应能将阅读材料填入核对记录表，生成核对记录文档，实现Word转pdf格式的功能[9-10]。

1.2 技术路线

系统开发分为准备工作和虚拟场景开发，如图2所示。

图 2 技术路线图

在前期准备工作中，首先使用3Dmax软件建立台式气动泵、台式液压泵、标准仪表、被测仪表、实验室和试验台的三维模型。 特别是像台式液压泵这样结构复杂的模型，减少面数的方法包括删除不可见的面和减少面的分段数以减轻硬件负担，从而减少场景加载时间。应用程序启动时间 [11]。 同时使用Photoshop图片处理软件制作模型的材质贴图、Unity3D中的材质贴图、特效贴图和UI贴图等，制作成需要尺寸和分辨率的图片，保存为.png格式的文件，存放在中间的Unity3D的asset文件中。 并使用Adobe After Effects图形和视频处理软件制作模型动画视频，包括在快速接头上安装标准仪表和检修仪表视频，在检修仪表上敲击视频，解释气泵和液压泵操作步骤的视频等。最后，给视频添加配音和字幕导出为.mov格式文件，放入Unity3D的asset文件夹，在Unity3D系统开发中使用。

虚拟场景的开发包括主要程序框架设计、模型交互特性和动画设计、角色控制、按钮触发事件设计、视频播放和摄像头切换控制、数据库连接等。 主程序框架设计将仿真系统分为六个场景：台式气泵、台式水压泵、标准仪表、被测仪表、实验室、主界面。 系统运行时，首先打开主界面场景，点击不同的按钮会触发相应的事件，加载相应的场景。 为了实现结构原理展示/视频动画教学和虚拟仿真操作三部分功能，模型交互特性和动画设计部分为每个场景创建操作对象，包括在3Dmax中创建的模型和自带的简单模型Unity3D。 Next 为对象添加材质、碰撞器、刚体、动画控制器、音频监听器和脚本等组件。 这些组件会使用前期制作的图片、视频等资源。 脚本组件是系统开发中的重要内容。 在系统中使用C#语言编写脚本实现视频播放控制、摄像机切换、模型交互、动画播放暂停控制、连接数据库等功能。 建立标准表数据库、测试表数据库和校验错误记录数据库，使用SQL访问数据库，实现数据的添加、查询和更新，生成校验记录表。

2 仿真关键技术

加压过程是加压手柄的升降，加压手柄连杆随加压手柄的运动，标准量规和被测量规的增加等一系列动作。 它是模拟的关键。 针对该问题，提出了一种基于IK算法的增压过程仿真方法。 为了实现压力表内部结构的显示，设计了压力表内部结构的拆解算法。 实现了基于射线投影碰撞检测方法的实验室门开启状态控制和实操进度。

2.1 模拟加压过程

在压力表检定过程中，需要稳定的供压源来实现加压和减压。 本仿真中的台式气泵是采用压力杆设计的气压源 [12-13]。 如图3所示，台式气动泵由两个标准M20×1.5快速接头、截止阀、增压手柄、微调手轮、压力-真空转换阀、泄压阀组成。 精密压力表的标准装置安装在左侧的快速接头上，被测压力表安装在右侧的快速接头上。 按下压力手柄可增加压力，微调手轮可实现压力的微调，压力和真空切换阀可实现真空表的检定和压力。 在仪表检定转换中，减压阀用于减压，截止阀用于接通和切断气路。

图3 台式气泵

1-M20×1.5快速接头； 2-泄压阀； 三通阀； 4-微调手轮； 5加压手柄

为了模拟加压手柄的加压过程，需要用到反向运动学（IK）算法，相应的正向运动学（FK）算法也用到。 首先，建立了它的数学模型。 压力手柄为handle0，与压力手柄连接的连杆为handle1，handle0与handle1的连接点为交点：

公共游戏对象句柄 0；

公共游戏对象句柄1；

公共游戏对象交集；

在前向动态中，handle1的位置变化会带动intersection和handle0位置的变化，即child level的移动是由parent level驱动的； 而在反向动力学中，intersection和handle1的位置是通过handle0的位置反转而改变的，即先确定子层的位置，然后反算出n层父层的位置。 算法中将handle0和handle1视为两个圆circle[0]和circle[1]的圆心，handle0和handle1到交点的距离分别为两个圆的半径：

for (int i = 0; i < circles.Length; i++)

{

圈子[i] = 新圈子();

点[i] = 新点（）；

}

圆[0].Radius=Vector3.Distance(handle0.transform.position,intersection.transform.position);

圆[1].Radius=Vector3.Distance(handle1.transform.position,intersection.transform.position);

圆[0].X= handle0.transform.position.x;

圆[0].Y= handle0.transform.position.y;

圆[1].X = handle1.transform.position.x;

圆[1].Y = handle1.transform.position.y;

根据加压手柄handle0的位置来确定连杆handle1的位置，相当于保持handle1的位置和两个圆的半径不变。 handle0的位置每变化一次，就会形成一个新的圆圈circle[0]。 CircleIntersection 类中定义的 Insect 函数确定两个圆的交点。 如果有交点，那么交点的位置就是交点移动后的位置。 算法中，point[0]是Insect函数中得到的交点，通过temp变量临时记录交点的位置，然后赋值给intersection变量。 如果有两个交点，与handle[0]同向移动的点代表交点移动后的位置。

Switch (CircleIntersection.Insect(circles, points))

{

...

案例 2：

Debug.Log("两个圆相交，有两个交点");

temp.x = (float)points[0].X;

temp.y = (float)points[0].Y;

temp.z = intersection.transform.position.z;

intersection.transform.position = temp;

休息;

}

通过上述算法，实现了移动加压手柄带动连杆移动的目的。 仿真效果如图4所示，图(a)和(b)分别表示加压手柄的抬起和放下状态。 躺下的状态，抬高和躺下的高度。

2.2 压力表结构拆解

精密压力表由弹簧管、表盘、指针、内胆、玻璃盖和表壳组成。 当压力变化时，弹簧管内的齿轮转动，带动指针转动，指向表盘上的某一刻度。

(a) 举起 (b) 放下

图4 控制加压手柄

该设计算法实现了压力表内部结构的拆解。 首先在StateHelper类中声明bool变量swtichDisassembly，代表是否显示压力表内部结构。 初始值为假。 当按下内部结构按钮时，swtichDisassembly 变为真。

public static bool swtichDisassembly = false;

当swtichDisassembly变为真时，即Press Disassembly类中的反汇编函数Disassembly中最外层if语句条件为真，然后执行内层语句。 当localX的值为true时，对象在1s内沿X轴移动到CordinateNum的位置，实现拆卸。 当再次按下内部结构按钮时，swtichDisassembly变为false，此时执行else语句，每个被拆解的部分在1s内返回到原来的位置。

控制压力表内部结构显示的算法如下：

如果（StateHelper.swtichDisassembly）

{

如果（本地X）

{

游戏对象.transform.DOLocalMove

X(坐标编号, 1.0f);

}

否则如果

...

}

别的

{

游戏对象.transform.DOLocalMove(

原点 alPostion, 1.0f);

}

图 5 显示了拆卸前后的压力表。

(a) 拆卸前 (b) 拆卸后

图5 压力表拆解

2.3 Raycasting碰撞检测方法

在精密压力表标准装置的虚拟仿真系统中，经常需要判断物体之间是否发生碰撞。 例如，当学生进入实验室时，一旦检测到与门发生碰撞，门就会打开。 碰撞后按F9键，会进入虚拟仿真操作流程。 Unity3D虚拟仿真引擎提供了三种碰撞检测方式，角色控制器碰撞检测/射线投射碰撞检测和触发器碰撞检测[14-16]。 角色控制器碰撞检测方法是指当角色控制器与其他物体的碰撞器发生碰撞时，会自动调用OnControllerColliderHit函数。 使用这种方法的缺点是角色必须离门很近，只有几乎贴在门上时门才会打开。 使用射线投射碰撞检测方法可以避免这个问题。

Physics.Raycast(gameObject.transform.position, gameObject.transform.forward, out hit, 2f)

其中精密压力表检定规程，gameObject.transform.position表示投射光的初始位置为角色位置，gameObject.transform.forward表示投射光的方向为角色面向的方向，out hit是一个变量存储碰撞信息的RaycastHit类型，2f表示射线的投影长度为2m，f表示float，是浮点型数据类型。 也就是说，当角色面向门且距离在两米以内时，门会自动打开，否则门会关闭。

3 系统测试

虚拟仿真系统开发完成后，将以.exe格式发布。 双击文件进入系统。 首先根据屏幕分辨率选择窗口大小，然后进入主界面。 学生可以选择学习台式气泵、台式液压泵或精密压力表。 结构原理、3D视频和实战练习，结构原理讲解和3D视频学习是掌握实战方法的基础。 学生只有认真学习了前两部分，才能顺利进行虚拟实操。 只有正确完成当前步骤，才能进行下一步。 例如，在校准台式气泵压力表的过程中，只有将标准表和被测表安装在相应的接头上，截止阀和泄压阀才可以进行。关闭。 加压操作。 在结构原理部分，不仅可以展示设备的外部结构，还可以展示设备的内部结构。 台式液压泵的外部结构和内部结构如图6所示。

4 结语

基于Unity3D虚拟仿真技术，结合3DMAX三维建模软件、Photoshop和Adobe After Effects软件，实现精密压力表标准器件检定仿真教学系统

(a) 外部结构 (b) 内部结构

图6 台式液压泵结构展示

密封压力表标准装置检定模拟示教功能。 该系统解决了传统教学枯燥乏味，不能用于实际操作的问题，节省了购买教学仪器的成本。 测试表明精密压力表检定规程，学生学习后不仅能理解压力表检定原理，还能快速掌握使用台式气泵、台式水压泵检定压力表的实际操作步骤，激发学生的学习积极性和积极性。提高学习效率。