摘要：为提升无损检测实验教学的灵活性、安全性与教学效果，本文设计并实现了一套基于虚拟仿真技术的无损检测实验教学系统。系统采用模块化设计思想，依托三维建模、人机交互、实时信号处理等关键技术，构建真实感强、交互性高的虚拟实验环境。各模块围绕检测原理、操作流程与故障判读设计教学任务，引入动态反馈与智能评估机制，以期为无损检测课程的信息化与智能化建设提供参考。

关键词：虚拟仿真技术；无损检测；实验教学系统；超声检测；声发射检测

1 引言

随着工业检测技术的发展，无损检测作为工业材料和工件结构可靠性的核心检测技术，其教学模式面临着传统教学和新型教学间的巨大冲突。一方面，检测技术中的超声检测、声发射检测等都需要有一定的物理原理解释，学生很难从理论学习中对波形的反射、信号的传播等进行较直观的了解；另一方面，虽然学校具备超声和声发射实验设备，但工业级检测场景复现（如大型压力容器检测、复合材料多缺陷耦合分析等）仍存在安全风险高、参数调整受限等问题， j^⋅m 重制约了操作量、检测场景等教学场景设置。新工科建设背景下，本文将基于无损检测实验教学的薄弱环节，研制了一套仿真度较高、交互性较强的虚拟仿真软件，建立基于物理引擎的超声检测波形仿真模拟软件，展示缺陷反射信号的变化。

2 虚拟仿真无损检测实验教学系统总体设计

虚拟仿真无损检测实验教学系统整体架构采用“前端交互—仿真内核—教学管理”三层体系，以保证实验教学的沉浸感、物理真实性以及可拓展性。前端交互层主要面向学生和教师，提供操作界面与实时反馈；仿真内核层则基于物理引擎与数值计算模块，完成检测过程的高精度模拟；教学管理层则与课程平台对接，负责实验进度跟踪、成绩评估和数据存档。

实验准备模块为学生提供实验前的环境与设备配置选择，界面设计为虚拟实验室主控面板，学生可在其中选择检测方法（如超声检测、声发射、射线检测等），并通过拖拽式操作配置试件材料（钢、铝、复合材料）、几何形状和缺陷类型[1]。软件界面类似于CAD 环境，左侧为参数选择栏，中间为三维试件预览区，右侧为实时物理属性窗口（显示密度、弹性模量、声速等），确保学生能在准备阶段形成清晰的实验认知。

物理仿真模块是系统的核心，由内置物理引擎驱动，基于有限元法与数值解算，实现超声波传播、射线衰减、磁场分布等物理过程的高精度再现。例如在超声检测中，学生启动探头扫查后，界面中会实时显示波形折射、反射轨迹，波速和衰减情况均与真实实验一致。该模块同时集成虚拟探头库和缺陷数据库，学生可通过拖动探头调整角度与位置，观察信号响应的变化。

操作训练模块采用“虚拟仪器+人机交互”的方式，界面右下角为虚拟检测仪表盘，包括增益旋钮、时间基准滑块、阈值设置按钮等，交互逻辑完全还原真实设备。学生通过鼠标拖拽或 VR 手柄进行操作，调整参数后系统立即反馈信号波形变化[2]。该模块支持错误操作提示，例如当探头耦合不良时，系统会自动弹出提示并显示信号异常波形，使学生在仿真环境中养成正确操作习惯。

实验任务与指导模块内置OBE 理念设计，教师可预设任务，如“识别焊缝裂纹位置”“完成三点扫查对比实验”。学生进入任务界面后，系统会分步提示，包括理论知识点、操作要求、目标信号特征。任务完成后自动打分并生成实验报告，内容包含操作过程记录、信号截图和结果分析。

故障诊断与案例库模块为提升学生综合能力，该模块集成典型缺陷库，如气孔、夹渣、裂纹、分层等。系统允许学生在不告知缺陷类型的条件下进行自由检测与诊断，通过对比信号特征（如超声波回波幅值变化、声发射事件计数等）完成缺陷识别。界面支持多窗口并行显示，即一边进行扫查操作，一边实时调用数据库进行信号比对。

教学管理与数据分析模块作为后台运行，教师通过管理端界面可查看学生实验时长、操作步骤正确率、错误频率和结果准确率。系统自动生成学习曲线与掌握度分析图表，便于教师评估学生的实验水平[3]。同时支持与学校在线教学平台对接，实现实验数据的长期归档与跨学期调用。

3 超声检测虚拟仿真模块设计

3.1 仿真实验场景构建

本模块围绕声发射检测原理，构建高精度三维仿真环境，涵盖金属焊缝、厚壁容器、复合材料等典型工业构件，还原标准几何结构与典型缺陷分布。

利用发射换能器向被测材料发射纵波，模拟临界折射纵波在声楔块与材料界面的传播过程，声楔块精准传递声波，使临界折射纵波沿材料表面下特定深度传播 。接收换能器捕捉纵波信号，超声波信号采集与处理模块对信号进行放大、滤波等操作，提取波形、幅值等特征参数[4]。场景中可灵活设置被测材料属性（如材质、厚度）、声波参数（频率、入射角度），还原不同工况下声波传播与信号响应，支持观察纵波入射、传播及接收全过程，助力精准掌握超声波检测中声波交互规律与缺陷检测逻辑。

3.2 人机交互与反馈机制设计

本系统构建“操作驱动+过程反馈+结果评估”三位一体交互机制，提升虚拟仿真实验的沉浸感与教学效果。界面采用三窗口融合设计：三维主视图用于探头平移、旋转、扫描等操作，实时呈现声束入射路径与探头姿态；波形分析窗口显示 A/B/C 扫图像，学生可调节频率、角度、增益等参数，系统自动标记缺陷回波并高亮显示；参数面板集中管理设置，支持滑动条与数值输入双模式。系统内置语义提示模块，实时监测操作异常（如角度过大、耦合不良、速度不均），并给出修正建议；若信噪比低于阈值，回波曲线自动标红并提示重复扫描。所有操作过程均被记录并与标准案例比对，生成包含检测路径、关键波形、缺陷分布及评估得分的报告，满分100分，依据识别准确率、轨迹合规性及参数合理性评分。平台提供三种模式：向导式任务、自主检测、挑战任务[5]。同时支持多轮次对比分析与后台教学跟踪，为个性化教学与技能提升提供数据支撑。

3 结语

本文设计并实现了基于虚拟仿真技术的无损检测实验教学系统，涵盖超声检测与声发射检测两大核心模块。系统通过高精度物理仿真和三维场景渲染，真实还原无损检测过程，强化了学生的实践操作能力和理论理解。教学应用结果表明，该系统有效提升了学生的实验积极性和学习效果，特别是在复杂缺陷识别与数据分析方面表现突出。未来，系统将进一步融合人工智能算法，实现智能辅助教学与自适应评估，推动无损检测教育的数字化转型和创新发展。

参考文献

[1]李春艳，邹龙江，林莉.无损检测可视化实验教学平台的设计——基于虚拟仿真技术[J].当代教育理论与实践，2015，7（11）：87-89.

[2]周峰，殷子明，张路，等.电磁无损检测实验设计与教学方法[J].实验室研究与探索，2024，43（07）：125-129+201.

[3] 覃晖， 耿铁锁， 谭岩斌， 等. 基于跨孔雷达的地下结构无损检测实验系统设计[J]. 实验技术与管理，2021，38（12）：33-37.

[4]徐长航，谢静，周乃望，等.新型超声红外热像无损检测实验系统研制[J].实验技术与管理，2016，33（10）：71-75.

[5] 唐建辉， 王玉锁， 周晓军. 锚杆质量无损检测教学实验平台设计及应用[J]. 实验室研究与探索，2025，44（05）：72-76+82.

作者简介：赵俊茹（1979.04-），女，汉族，山东德州人，博士副教授，硕导，研究方向：安全管理，安全评价等。