虛擬仿真在傳感器與檢測技術(shù)課程教學(xué)中的應(yīng)用探索

朱 勇 李彥林 許 勝

（泰州學(xué)院船舶與機(jī)電工程學(xué)院，江蘇 泰州 225300）

0 引言

信息技術(shù)由三類組成：感知，傳輸和處理，即傳感器技術(shù)、通信技術(shù)和計算機(jī)技術(shù)。傳感器是信息和數(shù)據(jù)采集的來源，在當(dāng)今智能社會無處不在。無論是智能制造、智慧城市、智慧交通等，還是智能設(shè)備和大數(shù)據(jù)分析，其系統(tǒng)體系都必須從傳感和檢測開始。因此傳感器與檢測技術(shù)成為工科院校電類專業(yè)的核心課程之一，課程主要目標(biāo)是使學(xué)生了解檢測系統(tǒng)與傳感器的靜、動態(tài)特性和主要性能指標(biāo)，掌握常用傳感器的工作原理和常見非電量參數(shù)的檢測方法以及檢測系統(tǒng)中常用的信號處理電路。該課程綜合了物理學(xué)、電子學(xué)、測試計量學(xué)、化學(xué)、材料科學(xué)、計算機(jī)、自動控制和機(jī)械學(xué)等多方面的知識和技術(shù)，整體體現(xiàn)出知識的密集性、內(nèi)容的離散性、傳感器類型的龐雜性、功能的智能性、工藝的復(fù)雜性和應(yīng)用的廣泛性。

1 傳統(tǒng)教學(xué)模式存在的問題

傳感器與檢測技術(shù)涉及多學(xué)科知識點的交叉和融合，包括彈性敏感元件、電阻應(yīng)變式傳感器、電容式傳感器、電感式傳感器、壓電式傳感器、磁電式傳感器、光電式傳感器、熱電式傳感器、氣敏傳感器、濕敏傳感器、紅外傳感器及超聲波傳感器等多種類，理論知識點比較繁雜。在課堂授課過程中，對于不同傳感器工作原理的講解，往往只能通過簡單的靜態(tài)圖示和煩瑣的公式推導(dǎo)進(jìn)行，顯得枯燥無味，難以激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣和主動性。其結(jié)果是學(xué)生只能建立抽象的基本概念，而對這些現(xiàn)象背后的本質(zhì)機(jī)理無法形成深入的理解。

傳感器與檢測技術(shù)是一門與工程應(yīng)用密切結(jié)合實踐性很強的課程，而且技術(shù)發(fā)展和知識更新的速度較快，更加要注意理論聯(lián)系實際，通過強化實踐教學(xué)的手段來提升教學(xué)效果，培養(yǎng)學(xué)生分析問題和解決問題的能力。目前，通常的課程實驗安排每學(xué)期最多不會超過16學(xué)時，面對如此種類繁多的傳感器，實驗時間肯定是不充分的。此外，筆者所在學(xué)校采用CSY型傳感器實驗箱進(jìn)行實驗教學(xué)，實驗箱的結(jié)構(gòu)與線路雖然具備一定的工業(yè)應(yīng)用基礎(chǔ)，但是其整體是一個嵌入式的結(jié)構(gòu)，將各種信號源、傳感器、調(diào)理電路、輸出單元和顯示儀表集于一體，而且各種類型的傳感器已處于封裝完畢的結(jié)構(gòu)狀態(tài)。學(xué)生的實驗操作僅僅局限于按照實驗指導(dǎo)書面對匹配的元器件進(jìn)行簡單的電路連線，再根據(jù)儀表顯示數(shù)據(jù)記錄實驗結(jié)果。這種實驗?zāi)Ｊ胶茈y讓學(xué)生真正理解傳感器的組成結(jié)構(gòu)、工作原理和測量電路，建立不起理論與實踐的有效關(guān)聯(lián)。此外，還缺乏針對工程實際應(yīng)用場景的設(shè)計性和綜合性實驗，不能培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新創(chuàng)造能力。

2 虛擬仿真技術(shù)簡介

伴隨著計算機(jī)軟硬件技術(shù)的發(fā)展，虛擬仿真技術(shù)應(yīng)運而生。虛擬仿真技術(shù)以實際系統(tǒng)為對象，以信息技術(shù)、系統(tǒng)技術(shù)和專業(yè)理論為基礎(chǔ)，基于各種物理效應(yīng)構(gòu)建模型，并通過相應(yīng)的數(shù)學(xué)運算，模擬系統(tǒng)的實際運轉(zhuǎn)過程，從而達(dá)成對研究對象認(rèn)識和優(yōu)化的目的。通過計算機(jī)進(jìn)行虛擬仿真可以不受時間和場地的限制，還可以對因條件苛刻、代價高昂或者存在高風(fēng)險性而難以進(jìn)行的實體實驗進(jìn)行高度還原的模擬，具備靈活性、經(jīng)濟(jì)性和安全性的優(yōu)勢。

有限元是目前虛擬仿真領(lǐng)域應(yīng)用最為廣泛的數(shù)值計算方法，其最大的優(yōu)點是能夠與研究對象的實體結(jié)構(gòu)密切結(jié)合，非常適用于對各類傳感器進(jìn)行建模分析。筆者所采用的Comsol Multiphysics仿真軟件正是基于有限元技術(shù)，通過定義研究對象的幾何結(jié)構(gòu)、材料屬性和相應(yīng)的物理場，求解模型并對結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)可視化的后處理，從而提供準(zhǔn)確可靠的分析結(jié)果。該仿真工具可以模擬電磁學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)、聲學(xué)、流體、傳熱和化工等眾多領(lǐng)域的實際工程問題，還可以對這些領(lǐng)域的物理現(xiàn)象進(jìn)行耦合分析。

為克服傳統(tǒng)教學(xué)模式中理論講解的晦澀和抽象，打破實驗室實踐教學(xué)的局限性，筆者將虛擬仿真技術(shù)導(dǎo)入到傳感器課程的教學(xué)環(huán)節(jié)，進(jìn)行了一系列的探索和應(yīng)用。動態(tài)變化和導(dǎo)體體表電流的生成以及兩者之間的交互關(guān)系，均是肉眼不可見的東西，概念非常抽象，授課過程中僅靠一些示意圖的輔助說明，難以讓學(xué)生真正理解其過程機(jī)理。

根據(jù)電渦流傳感器的結(jié)構(gòu)建立仿真模型，模擬了通入交流電的線圈位于金屬導(dǎo)體板上方時的形態(tài)，如圖1和圖2所示。從仿真結(jié)果中可以直觀地感受到線圈中電流的流向以及導(dǎo)體表面電渦流的分布情況。

3 虛擬仿真技術(shù)的實施案例

以一個教學(xué)案例為例，來說明虛擬仿真技術(shù)在傳感器教學(xué)中的應(yīng)用。電渦流傳感器的工作原理是基于法拉第電磁感應(yīng)定律，將塊狀金屬導(dǎo)體置于變化的磁場中或者在磁場中作切割磁力線運動時，通過導(dǎo)體的磁通將發(fā)生變化，產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，該電動勢在導(dǎo)體表面形成自行閉合的電流，即為電渦流。利用電渦流效應(yīng)可以對位移、厚度、表面溫度、應(yīng)力、材料損傷等進(jìn)行非接觸的連續(xù)測量。該案例中涉及空間電磁場的

4 虛擬仿真技術(shù)的教學(xué)應(yīng)用探索

4.1 交互式的課堂設(shè)計

根據(jù)課程教學(xué)大綱的要求，利用多物理場仿真軟件建立典型傳感器結(jié)構(gòu)和工作原理的仿真模型庫，構(gòu)建交互式的基礎(chǔ)教學(xué)體系。在課堂講授過程中將仿真模型嵌入到PPT中，以可視化的動態(tài)結(jié)果生動形象地演示傳感器的實際工作過程，以使學(xué)生建立有直觀的感受，從而形成對傳感器工作原理的準(zhǔn)確理解。同時各仿真模型設(shè)有靈活的參數(shù)設(shè)定接口，可以讓學(xué)生進(jìn)行思考和討論，如果傳感器的相關(guān)參數(shù)發(fā)生變化后，其工作特性又會隨之發(fā)生怎樣的改變？在學(xué)生形成自己的思考結(jié)論后，由其自己動手進(jìn)行參數(shù)設(shè)定，并分析仿真結(jié)果的變化，從而在交互的過程中充分地消化理論知識。

4.2 虛實結(jié)合的實驗?zāi)Ｊ?/h3>

針對目前實驗設(shè)備和儀器的局限性，將虛擬仿真實驗和實體實驗相結(jié)合。在學(xué)生進(jìn)入實驗室之前，先針對實驗項目建立相應(yīng)的虛擬仿真模型，進(jìn)行模擬演練，通過對仿真結(jié)果的深入分析充分理解實驗原理和過程變化機(jī)理。由于虛擬仿真實驗不受時間和空間的限制，而且結(jié)果呈現(xiàn)的方式更加生動具體，更容易給學(xué)生帶來沉浸式的實景體驗，奠定起牢固的感性認(rèn)知。在此基礎(chǔ)上，學(xué)生再進(jìn)入實驗室進(jìn)行實體實驗，可以將實驗結(jié)果與仿真結(jié)果比較驗證，從而真正做到理論引導(dǎo)實踐，全面提升動手解決實際問題的能力。

4.3 面向工程應(yīng)用的課程設(shè)計

以培養(yǎng)高水平應(yīng)用型人才為目標(biāo)，傳感器與檢測技術(shù)作為工科電類專業(yè)的核心課程，是必須要面向工程實際應(yīng)用的，而課程設(shè)計則是最好的體現(xiàn)形式。真正貼近實際的課題往往是面向復(fù)雜工程的，涉及多種設(shè)備和多個系統(tǒng)的組合，很難構(gòu)建實際場景。將虛擬仿真技術(shù)導(dǎo)入課程設(shè)計中，就可以有效地解決這一問題。學(xué)生在調(diào)研應(yīng)用需求，明確性能指標(biāo)后，就可以在虛擬環(huán)境中設(shè)計元器件外形結(jié)構(gòu)，選擇匹配材料，設(shè)定激勵參數(shù)，通過多物理場的耦合分析輸出初步結(jié)果。在此基礎(chǔ)上再進(jìn)行參數(shù)的優(yōu)化迭代，直至獲得最優(yōu)的設(shè)計成果。經(jīng)過這一過程的歷練，學(xué)生面向工程應(yīng)用的實踐能力得到顯著提升。

5 結(jié)語

通過對傳感器與檢測技術(shù)課程傳統(tǒng)教學(xué)模式的分析，總結(jié)了存在的問題，進(jìn)而提出了將虛擬仿真技術(shù)導(dǎo)入到課程教學(xué)的思路。通過虛擬仿真技術(shù)在課堂教學(xué)、實驗實踐以及課程設(shè)計等方面的應(yīng)用，為學(xué)生帶來了交互式、沉浸式和實景式的體驗，使得學(xué)生在深刻理解基礎(chǔ)理論知識的基礎(chǔ)上，顯著提升了面向工程應(yīng)用的實踐能力和創(chuàng)新能力，為今后從事相關(guān)專業(yè)技術(shù)領(lǐng)域的工作奠定了良好的基礎(chǔ)。