虛擬仿真技術(shù)在汽車傳感器課程教學(xué)中的研究

李海崗 白樹全 楊秀芳 于淑霞 賀桂敏

[摘要]針對目前高職院校汽車傳感器課程教學(xué)中遇到的檢測原理難以理解等的實(shí)際問題，課題組詳細(xì)探討了虛擬仿真技術(shù)在汽車傳感器教學(xué)中的應(yīng)用。以“空氣流量計(jì)的檢測”為例，嘗試在理論與實(shí)踐的中間增設(shè)虛擬仿真環(huán)節(jié)，通過創(chuàng)新理虛實(shí)一體化教學(xué)模式來闡述虛擬仿真技術(shù)的應(yīng)用過程。研究表明，憑借虛擬仿真技術(shù)可以將抽象的傳感器原理直觀化，幫助學(xué)生深入理解難點(diǎn)知識，為提高學(xué)生的汽車傳感器檢測能力打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，并激發(fā)了學(xué)生的創(chuàng)新思維。

[關(guān)鍵詞]高職院校;汽車傳感器;虛擬仿真技術(shù);空氣流量計(jì)

[中圖分類號]U462.2;G642 [文獻(xiàn)標(biāo)識碼]A [文章編號]2095-3437（2020）07-0082-03

汽車傳感器課程是高職院校汽車電子技術(shù)專業(yè)的核心課程，掌握好現(xiàn)代汽車傳感器檢測技術(shù)，可以幫助學(xué)生從容地面對“中國制造2025”的挑戰(zhàn)。汽車傳感器技術(shù)不僅涉及模擬電路、數(shù)字電路、機(jī)械設(shè)計(jì)、汽車材料、微機(jī)原理和信號處理等方面的學(xué)科知識，而且還需要掌握發(fā)動(dòng)機(jī)原理和汽車構(gòu)造等專業(yè)知識，是一門理論性、實(shí)踐性和綜合性都很強(qiáng)的技術(shù)。

很多職業(yè)院校積極進(jìn)行理實(shí)一體化教學(xué)模式研究，其與之前的傳統(tǒng)教學(xué)模式相比，通過大量實(shí)踐，很大程度上解決了理論教學(xué)和實(shí)訓(xùn)教學(xué)“兩張皮”的問題，一定程度上保障了教學(xué)目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。但由于汽車傳感器原理晦澀難懂，要想讓學(xué)生把“理論知識”內(nèi)化為“技術(shù)技能”，還需要十分漫長而艱難的過程。在汽車傳感器課程教學(xué)中引入虛擬仿真技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)理論教學(xué)與實(shí)踐教學(xué)的深度融合，進(jìn)而不斷改善教學(xué)質(zhì)量，提升學(xué)生的技能水平和創(chuàng)新能力。

一、汽車傳感器教學(xué)面臨的問題

（一）抽象的教學(xué)內(nèi)容難以解釋

要掌握傳感器的檢測方法，關(guān)鍵在于理解傳感器的工作原理。而原理性的內(nèi)容十分抽象，使得學(xué)生難以理解，課堂實(shí)例無法呈現(xiàn)動(dòng)態(tài)變化的電流方向、無法看到電子信號的傳輸過程以及傳感器波形變化的特點(diǎn)。即便在實(shí)踐環(huán)節(jié)，由于傳感器內(nèi)部的電子電路集成在一起，具有不可拆卸性，學(xué)生很難看到其內(nèi)部的構(gòu)造。而且，在實(shí)際的檢測中，也無法在汽車上真實(shí)地模擬傳感器線路短路等危險(xiǎn)的故障情況。這一系列的問題，導(dǎo)致學(xué)生不能很直觀地認(rèn)識所學(xué)傳感器，也就無法理解傳感器的工作原理，而檢測傳感器也僅僅停留在硬性的記憶層面上。

（二）實(shí)踐教學(xué)條件比較緊張

在目前的理實(shí)一體化教學(xué)模式下，汽車傳感器的實(shí)踐教學(xué)依然會(huì)受到經(jīng)費(fèi)緊張、師資不足、設(shè)備昂貴和場地有限等客觀條件的限制。因此，如何解決好實(shí)訓(xùn)設(shè)備與學(xué)生數(shù)量不匹配、最大限度地降低對教學(xué)設(shè)備的損壞程度等問題，需要教師尋找新的教學(xué)模式來解決。如果能夠在學(xué)生實(shí)際動(dòng)手前將虛擬仿真技術(shù)引入汽車傳感器課程的實(shí)踐教學(xué)中，可以讓學(xué)生在虛擬平臺上反復(fù)地進(jìn)行傳感器的檢測實(shí)驗(yàn)，不僅能夠幫助學(xué)生理解傳感器的測試原理，還能實(shí)現(xiàn)降低教學(xué)成本的目的。

（三）危險(xiǎn)系數(shù)高的檢測無法模擬

有關(guān)資料顯示，50%以上的汽車電子控制系統(tǒng)故障都與傳感器、ECU和執(zhí)行器相關(guān)的線路斷路、短路有關(guān)。特別是線路短路情況，由于電路里的電流很大，很容易出現(xiàn)導(dǎo)線過熱而使汽車電控系統(tǒng)無法正常工作的現(xiàn)象，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)l(fā)生汽車自燃現(xiàn)象。顯然，像短路這樣危險(xiǎn)系數(shù)較高的檢測，如果操作不當(dāng)，會(huì)對學(xué)生和汽車造成損傷。而虛擬教學(xué)可以為汽車傳感器的檢測提供安全的教學(xué)方法，同時(shí)讓學(xué)生能夠以直觀的方式認(rèn)識到因錯(cuò)誤檢測而導(dǎo)致的不良結(jié)果，提醒學(xué)生在進(jìn)行實(shí)車檢測的時(shí)候注意操作方法是否得當(dāng)。

二、虛擬仿真軟件的選用

（一）虛擬仿真技術(shù)內(nèi)涵

虛擬仿真技術(shù)是基于傳感器、人機(jī)交互、計(jì)算機(jī)仿真于一體的綜合性技術(shù)，通過電腦模擬產(chǎn)生逼真的虛擬環(huán)境，讓使用者依靠必要的設(shè)備和虛擬環(huán)境里的對象進(jìn)行人機(jī)交互，從而使其產(chǎn)生置身于虛擬世界的體驗(yàn)。這種技術(shù)的特性表現(xiàn)為交互性、沉浸性和構(gòu)想性。

虛擬仿真技術(shù)已經(jīng)在軍事、機(jī)械制造、航空航天、教育等多個(gè)領(lǐng)域被廣泛地應(yīng)用，為不同行業(yè)的發(fā)展提供了非常實(shí)用的解決方案。尤其是在教育方面，對于抽象的概念、檢測過程等教學(xué)內(nèi)容，可以借助虛擬仿真技術(shù)以更直觀的方式展現(xiàn)出來，有助于引導(dǎo)學(xué)生主動(dòng)探索知識;同時(shí)，還可以模擬汽車企業(yè)工作環(huán)境，讓學(xué)生身臨其境地感受真實(shí)的實(shí)踐氛圍，這為突破高職院校汽車傳感器等專業(yè)課程的教學(xué)難點(diǎn)提供了有力的技術(shù)支撐。

（二）汽車虛擬仿真軟件簡介

在汽車傳感器的教學(xué)過程中，能夠利用汽車虛擬仿真軟件建立傳感器虛擬檢測平臺，并應(yīng)用于傳感器的教學(xué)實(shí)踐。汽車虛擬仿真軟件主要是由景格公司與上海大學(xué)共同研制的一款用于汽車故障診斷、汽車維護(hù)、汽車檢測的專業(yè)仿真軟件，囊括了豐富的汽車資源，同時(shí)還提供了常用的各種虛擬檢測儀器，比如萬用表、示波器、專用診斷儀和燃油壓力表等，能夠用來進(jìn)行仿真和檢測各種汽車傳感器電路，對傳感器及其控制電路組成的發(fā)動(dòng)機(jī)電控系統(tǒng)進(jìn)行故障設(shè)置、故障模擬與故障排除。

依托虛擬仿真實(shí)訓(xùn)室，能夠讓學(xué)生很直觀地看到汽車傳感器的電子信號傳遞過程和內(nèi)部結(jié)構(gòu)，進(jìn)而加深對原理性知識的理解。同時(shí)，學(xué)生可以通過仿真軟件來對傳感器的各種電壓和波形進(jìn)行反復(fù)檢測，以驗(yàn)證理論知識的合理性，并根據(jù)軟件的錯(cuò)誤提示功能，及時(shí)調(diào)整自己的檢測方案，為后續(xù)在實(shí)車上檢測做好充分的技術(shù)準(zhǔn)備。以虛擬軟件為平臺的傳感器仿真教學(xué)，不僅有益于學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐能力的培養(yǎng)，而且不會(huì)產(chǎn)生電子元器件的大量損耗，有效地提高了教學(xué)效率。

三、空氣流量計(jì)的檢測教學(xué)實(shí)例

（一）測量原理

為了獲得各種工況下最佳濃度的混合氣，空氣流量計(jì)肩負(fù)著采集進(jìn)入到發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸的空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)的重要任務(wù)，根據(jù)空燃比的公式，電控單元計(jì)算對應(yīng)工況下的基本噴油量。一旦空氣流量計(jì)失效，便會(huì)產(chǎn)生怠速不穩(wěn)、容易熄火、冒黑煙、行駛無力等故障表現(xiàn)。那么，該如何準(zhǔn)確地鎖定空氣流量計(jì)的故障呢？需要進(jìn)行正確的檢測，而檢測的前提是理解空氣流量計(jì)的測量原理，如圖1所示。

這種傳感器的理論基礎(chǔ)是熱平衡原理，利用熱線電阻與流過的空氣之間進(jìn)行熱傳遞來測量進(jìn)氣質(zhì)量。將熱線電阻RH放置在進(jìn)氣通道里，當(dāng)空氣流經(jīng)傳感器時(shí)，由于熱線的熱量被帶走，溫度降低，根據(jù)正溫度系數(shù)的變化特點(diǎn)，對應(yīng)的電阻值變小，惠斯頓電橋開始失去平衡。這個(gè)時(shí)候，熱線中的電流會(huì)通過集成運(yùn)放控制功率晶體管的導(dǎo)通時(shí)間來實(shí)現(xiàn)自動(dòng)增加，從而讓熱線達(dá)到之前的電阻值和溫度，直至惠斯頓電橋達(dá)到平衡狀態(tài)。那么，如何實(shí)現(xiàn)“空氣質(zhì)量”非電信號轉(zhuǎn)變?yōu)槟軌虮籈CU識別的電壓信號？信號電壓和空氣質(zhì)量有怎樣的關(guān)系？空氣流量計(jì)采集到的電子信號長什么樣子呢？這些問題讓學(xué)生們很難理解，但恰恰又是原理的關(guān)鍵所在。如何將復(fù)雜的理論形象化地呈現(xiàn)出來，下一步教師可以考慮利用仿真軟件來突破類似的教學(xué)難點(diǎn)。

（二）虛擬仿真

為了有效地突破難點(diǎn)內(nèi)容，把虛擬仿真融入實(shí)際的教學(xué)中，可以幫助學(xué)生真正地理解空氣流量計(jì)的檢測原理。如圖2所示，為風(fēng)扇模擬空氣流速的過程。通過由右向左移動(dòng)風(fēng)扇的位置，來仿真流過傳感器的空氣質(zhì)量。那么，空氣質(zhì)量如何影響信號電壓的變化呢？信號電壓的波形是怎樣的？

信號電壓的波形如圖3所示，該波形的產(chǎn)生，是和風(fēng)扇移動(dòng)的位置（空氣質(zhì)量）同步動(dòng)態(tài)變化的。通過仿真模擬，學(xué)生能夠清楚地看到電子信號的模樣，然后再進(jìn)一步讓學(xué)生去理解空氣流量計(jì)的測量電路，包括惠斯頓電橋電路、反饋控制電路和信號輸出電路等。充分利用虛擬仿真的演示優(yōu)勢，可以將看不見摸不著的傳感器信號形象立體地予以呈現(xiàn)，讓學(xué)生對抽象的原理一目了然，這樣一來，學(xué)生的積極性就會(huì)被調(diào)動(dòng)起來，起到立竿見影的學(xué)習(xí)效果。

四、結(jié)語

針對汽車傳感器教學(xué)面臨的抽象教學(xué)內(nèi)容難以解釋、實(shí)踐教學(xué)條件比較緊張和危險(xiǎn)系數(shù)高的檢測無法模擬的現(xiàn)實(shí)問題，本文以汽車傳感器中常見的空氣流量計(jì)的檢測為實(shí)例，以景格虛擬軟件為平臺，探討了虛擬仿真技術(shù)在汽車電子技術(shù)專業(yè)課程中的具體應(yīng)用。

研究表明，虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用于汽車傳感器教學(xué)中，符合汽車傳感器課程的特點(diǎn)，創(chuàng)新了理虛實(shí)一體化教學(xué)模式。借助虛擬仿真技術(shù)可以將傳感器產(chǎn)生的電子信號以直觀的方式呈現(xiàn)出來，使得抽象難懂的原理變得形象生動(dòng)，從而調(diào)動(dòng)學(xué)生的各種感官主動(dòng)地去學(xué)習(xí)新技術(shù)，增強(qiáng)學(xué)生對原理的感性認(rèn)識，有效地突破了教學(xué)難點(diǎn)。同時(shí)，仿真實(shí)踐活動(dòng)有效地提升了學(xué)生的汽車電子技術(shù)檢測能力，讓學(xué)生形成了一定的創(chuàng)新想法，為高職學(xué)生今后從事汽車電子技術(shù)診斷工作打下了扎實(shí)的專業(yè)基礎(chǔ)。