基于虛擬仿真技術(shù)的光電測量實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革研究

蔣曲博++秦祖軍++張麗娟++甘永進(jìn)++寧維蓮

摘 要：光電測量技術(shù)是一門較抽象的學(xué)科，為了更直觀、形象地展示光電測量技術(shù)中的一些物理原理和實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，該文搭建了基于虛擬仿真思想的光電測量實(shí)驗(yàn)平臺，從實(shí)驗(yàn)平臺的搭建、調(diào)試方法和效果、測量的結(jié)果等介紹了該實(shí)驗(yàn)仿真平臺的整體構(gòu)思和具體功能，將相關(guān)實(shí)驗(yàn)步驟通過動畫的形式進(jìn)行演示，使學(xué)生在課程與實(shí)驗(yàn)的學(xué)習(xí)中獲得更直觀的教學(xué)感受。

關(guān)鍵詞：光電測量 虛擬仿真 實(shí)驗(yàn)平臺

中圖分類號：O4-33 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2017）05（c）-0098-03

Teaching Reform on Photoelectric Detection Experiment Based on Virtual Simulation

Jiang Qubo1 Qin Zujun1 Zhang Lijuan1 Gan Yongjin2 Ning Weilian2

（1.School of Electronic Engineering and Automation， Guilin University of Electronic Technology， Guilin Guangxi， 541004， China；

2.School of electronics and Communication Engineering， Yulin Normal University， Yulin Guangxi， 537000， China）

Abstract：Photoelectric measurement technology is an abstract subject. For physical principles and experimental phenomena is showed visually and vividly， the photoelectric detection experiment platform based on virtual simulation concept is introduced in this paper. The platform`s general idea and specific functions are introduced from construction of experimental facilities， method and effect of debugging， measurement result and so on. The practical application of the platform in the teaching activities also is introduced.

Key Words：Photoelectric measurement；Virtual simulation；Experiment platform

1 光電檢測教學(xué)內(nèi)容與特點(diǎn)

作為電子信息科學(xué)的一個(gè)重要分支，光電檢測技術(shù)將電子技術(shù)和檢測技術(shù)、控制技術(shù)等進(jìn)行結(jié)合，具有比傳統(tǒng)純電子測量技術(shù)測量精度更高、速度更快、檢測無損壞、自動化程度更高等特點(diǎn)，所以光電檢測技術(shù)的發(fā)展非常迅速，許多高等工科院校的“測控技術(shù)與儀器、光電信息科學(xué)與工程”和“電子信息工程”等專業(yè)已將光電檢測相關(guān)課程列為必修或重要選修課程。

光電檢測技術(shù)以激光、紅外光以及光電傳感器等為基礎(chǔ)，是一種非接觸式的測量方法，通過光電傳感器將接收到的光輻射轉(zhuǎn)換為電信號[1]，再由輸入電路、放大濾波等檢測電路提取有用信息，再由A/D模塊進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換后輸入PC機(jī)進(jìn)行信號處理以實(shí)現(xiàn)相關(guān)信息被測量的功能。作為一項(xiàng)面向?qū)嶋H測量與控制的學(xué)科，其應(yīng)用性極強(qiáng)，但是，實(shí)際教學(xué)經(jīng)驗(yàn)中，一些現(xiàn)實(shí)問題表現(xiàn)十分明顯，主要集中在以下幾個(gè)方面。

（1）由于光電測量技術(shù)的實(shí)驗(yàn)通常要用到前級光學(xué)系統(tǒng)，如激光器、光路中的各種光學(xué)零散元件、光電傳感器等，這些光學(xué)系統(tǒng)及零配件普遍易碎而又價(jià)錢昂貴。實(shí)踐教學(xué)過程中，盡管實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)老師都會一再強(qiáng)調(diào)實(shí)驗(yàn)操作的規(guī)范性與安全性，但是學(xué)生數(shù)量眾多、實(shí)驗(yàn)平臺使用頻繁，終歸還是免不了有實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)和零配件的損壞，造成了財(cái)物損失。

（2）光電測量系統(tǒng)以及相關(guān)實(shí)驗(yàn)平臺價(jià)格較高，占用資源大。為了讓學(xué)生更好地掌握光電檢測技術(shù)的相關(guān)內(nèi)容，光學(xué)系統(tǒng)一般是開放的擺放在面積和重量都很大的光學(xué)平臺上，并且激光作為光電測量最常用測量載波，需要一定的傳輸距離，所以需要相關(guān)實(shí)驗(yàn)室有足夠的空間。加之光學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺相關(guān)設(shè)備價(jià)格高購買有限，所以，光電檢測技術(shù)實(shí)驗(yàn)相關(guān)的儀器設(shè)備數(shù)量較少，但是學(xué)生的人數(shù)日益增長以及學(xué)?！耙詫W(xué)生為本”對實(shí)踐教學(xué)越來越重視，實(shí)驗(yàn)平臺數(shù)量的缺乏和學(xué)生人數(shù)增加的矛盾日益突出[2]。

（3）光電檢測技術(shù)實(shí)際操作的調(diào)試抽象性和危險(xiǎn)性使實(shí)驗(yàn)教學(xué)面臨困難。由于光電測量技術(shù)中必須用到精確的相關(guān)光路或光學(xué)系統(tǒng)來體現(xiàn)和保證最終光電測量技術(shù)的精度，而這些光路和光學(xué)系統(tǒng)的精確度，需要有相當(dāng)復(fù)雜的調(diào)試過程：一方面需要人眼非常細(xì)致的觀察光路中一些只能容納一只人眼來看的小孔徑內(nèi)部的情況來保證調(diào)試的精度，這使得實(shí)驗(yàn)教師的講解和學(xué)生的理解都有相當(dāng)?shù)某橄笮?，通常雙方都需要花費(fèi)大量的實(shí)驗(yàn)課時(shí)間來互相理解基本的現(xiàn)象，造成實(shí)際實(shí)踐操作時(shí)間減少；另一方面鑒于激光對人眼和人體的一定傷害性，調(diào)試過程又不能全程都用人眼直接觀察激光的傳輸過程，這使得光路的調(diào)試更多時(shí)候需要花費(fèi)更多的時(shí)間和精力來獲得足夠的調(diào)試經(jīng)驗(yàn)才能更好地獲得實(shí)驗(yàn)效果，也直接造成了實(shí)際實(shí)踐操作時(shí)間的減少。

因此，希望建立一個(gè)光電測量虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺，能夠?qū)ΜF(xiàn)有的光電檢測技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)，如光電檢測技術(shù)及應(yīng)用、光電儀器原理與設(shè)計(jì)、光纖通信原理與技術(shù)、常用光電儀器及應(yīng)用、激光技術(shù)等課程實(shí)驗(yàn)的教學(xué)進(jìn)行一次較大的教學(xué)改革[3]，使得相關(guān)課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)能夠更好更有效地開展，提高學(xué)生的動手和創(chuàng)新能力。

2 光電測量實(shí)驗(yàn)仿真平臺結(jié)構(gòu)及功能

光電測量虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺的建立[4-5]，將可為光電測量技術(shù)、光電儀器原理與設(shè)計(jì)、光纖通信原理與技術(shù)、常用光電儀器及應(yīng)用、激光技術(shù)等多門光電類實(shí)驗(yàn)課程的多個(gè)實(shí)驗(yàn)提供虛擬仿真的實(shí)驗(yàn)平臺，如HE-NE激光器的設(shè)計(jì)搭建及調(diào)試實(shí)驗(yàn)，電子散斑技術(shù)測量物體的微位移實(shí)驗(yàn)，光交叉連接模擬實(shí)驗(yàn)等。

由光電測量實(shí)驗(yàn)教學(xué)的具體要求，該文初步設(shè)計(jì)的光電測量實(shí)驗(yàn)虛擬仿真平臺總界面如圖1所示。其中，點(diǎn)擊左側(cè)圖標(biāo)進(jìn)入HE-NE激光器的設(shè)計(jì)搭建及調(diào)試實(shí)驗(yàn)，點(diǎn)擊右側(cè)圖標(biāo)進(jìn)入電子散斑技術(shù)測量物體的微位移實(shí)驗(yàn)。

以HE-NE激光器的設(shè)計(jì)搭建及調(diào)試實(shí)驗(yàn)為例進(jìn)行介紹，項(xiàng)目完成后，以軟件仿真的界面，將整個(gè)實(shí)驗(yàn)較為抽象和危險(xiǎn)的設(shè)計(jì)過程、調(diào)試過程和測量過程，以人機(jī)交互和動畫的形式，展示可設(shè)計(jì)性、不同設(shè)計(jì)的效果、激光器的搭建、調(diào)試的方法和效果、測量的結(jié)果等。具體過程框圖如圖2所示。

當(dāng)以正確的方法觀察到正確的觀察對象、正確的調(diào)節(jié)調(diào)試旋鈕看到正確的實(shí)時(shí)觀察效果后，就能得到最終正確的整個(gè)激光器系統(tǒng)的出光效果，由此來虛擬仿真整個(gè)調(diào)試過程。學(xué)生在經(jīng)過了虛擬仿真平臺的操作之后，更好地理解和掌握了實(shí)驗(yàn)原理、操作方法后，再到實(shí)際操作平臺中，選擇實(shí)際元件，完成搭建實(shí)際激光器并調(diào)試出光及后續(xù)測量的實(shí)驗(yàn)步驟。該實(shí)驗(yàn)平臺部分操作圖3如下所示。

此虛擬仿真平臺的建立，能很好地解決在這個(gè)實(shí)驗(yàn)中的如下幾個(gè)問題。

（1）設(shè)計(jì)方法、方案抽象。

（2）搭建激光器系統(tǒng)的步驟、細(xì)節(jié)繁多，一旦出現(xiàn)搭建的錯(cuò)誤，輕則最終不能調(diào)出激光，重則燒毀實(shí)際激光泵浦源或激光管，更嚴(yán)重的可能因?yàn)榻渝e(cuò)電極線而導(dǎo)致學(xué)生人身傷害。

（3）調(diào)試時(shí)觀察的對象、內(nèi)容和效果的口頭講解抽象性，以及實(shí)際操作時(shí)用人眼直接觀察的時(shí)機(jī)不正確導(dǎo)致的危險(xiǎn)性。

3 結(jié)語

該光電測量實(shí)驗(yàn)仿真平臺功能雖還未十分完善，但穩(wěn)定性好、使用靈活、有較大的發(fā)展和開發(fā)潛力。該實(shí)驗(yàn)仿真平臺的研制對光電測量實(shí)驗(yàn)教學(xué)及其相關(guān)課程的教學(xué)有一定的推動和促進(jìn)作用。在實(shí)際教學(xué)中，該平臺的使用不僅可以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)主動性，使學(xué)生獲得更直觀的物理體驗(yàn)，提高學(xué)生動手能力，還能在一定程度上減少實(shí)驗(yàn)教師相應(yīng)的工作。

參考文獻(xiàn)

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