虛擬仿真在傳感器線上線下教學(xué)中的應(yīng)用

楊 琛, 陳 忠, 金光哲, 張 錚, 霍海波

（上海海洋大學(xué)工程學(xué)院, 上海 201306）

《傳感器與現(xiàn)代檢測技術(shù)》（簡稱傳感器）是電氣專業(yè)、測控專業(yè)、機(jī)器人專業(yè)以及機(jī)械自動化專業(yè)的必修課程和核心課程。該課程綜合了物理學(xué)、電學(xué)、化學(xué)、材料學(xué)等多學(xué)科知識和技術(shù), 是一門涉及內(nèi)容廣、學(xué)科交叉、實(shí)驗(yàn)學(xué)時多、實(shí)踐應(yīng)用要求高的課程。以電氣專業(yè)為例, 傳感器課程共48學(xué)時, 其中理論與實(shí)驗(yàn)各24學(xué)時, 主要講授傳感器的一般分析方法、各類傳感器的工作原理、特性和應(yīng)用以及非電量檢測方法, 除了介紹常見的傳感器基本知識外, 還涉及大量的檢測電路及信號調(diào)理內(nèi)容。

目前, 傳感器課程采用線上線下混合式教學(xué)模式, 很大程度上解決了知識點(diǎn)多、信息量大與教學(xué)學(xué)時少的矛盾。然而實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中, 傳統(tǒng)教學(xué)模式相對不足, 主要問題表現(xiàn)在：

（1）課程教學(xué)過程中涉及大量檢測電路知識, 不但需要掌握電路的工作原理, 還需要了解應(yīng)用場景和特點(diǎn)。但是可用教學(xué)學(xué)時較少, 一般很難深入開展教學(xué)。

（2）實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中, 驗(yàn)證性項(xiàng)目較多, 開放性、綜合性項(xiàng)目較少, 學(xué)生的學(xué)習(xí)能動性受限。

（3）傳感器型號繁多, 不同類型傳感器的工作原理、工作方式各異, 實(shí)驗(yàn)室提供的傳感器種類有限。由于傳感器是精密儀器, 實(shí)驗(yàn)設(shè)備元器件很容易損壞, 現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)有時無法滿足, 效果較差。

（4）在實(shí)際工程應(yīng)用中, 傳感器是檢測系統(tǒng)的信號采集部分, 通常需要配合采集卡、單片機(jī)、顯示器、存儲器等其他設(shè)備才能實(shí)現(xiàn)。在有限實(shí)驗(yàn)條件下, 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容單一, 操作簡單。同時, 綜合型實(shí)驗(yàn)在實(shí)驗(yàn)室很難部署, 難以充分鍛煉學(xué)生的實(shí)踐綜合能力, 理論與實(shí)踐相結(jié)合的效果差。

實(shí)驗(yàn)在傳感器課程中占據(jù)了十分重要的地位, 除了完成實(shí)驗(yàn)教學(xué)中各種實(shí)驗(yàn)外, 在理論教學(xué)過程中同樣涉及大量的演示實(shí)驗(yàn)和綜合設(shè)計(jì)實(shí)踐環(huán)節(jié)。如何有效開展傳感器課程的實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié), 采用合理的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式, 從而促進(jìn)學(xué)生更好地掌握傳感器課程知識, 并能靈活應(yīng)用于工程實(shí)踐十分關(guān)鍵。

1 混合式虛擬仿真教學(xué)模式

隨著虛擬仿真技術(shù)的發(fā)展, 教學(xué)過程中引入虛擬仿真輔助教學(xué)的案例越來越多[1-4］。針對上述提到的教學(xué)問題, 結(jié)合傳感器課程特點(diǎn), 提出了線上線下混合式虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式。通過構(gòu)建“實(shí)驗(yàn)過程虛擬仿真—Multisim檢測電路虛擬仿真—LabVIEW/Proteus綜合實(shí)踐虛擬仿真”分層混合式虛擬仿真教學(xué)模式, 將不同類型的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)穿插進(jìn)教學(xué)各環(huán)節(jié), 在理論教學(xué)過程中激發(fā)學(xué)生能動性、創(chuàng)造性, 提高教學(xué)質(zhì)量, 高質(zhì)量完成教學(xué)目標(biāo)。具體混合式虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式如圖1所示。

圖1 混合式虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式Fig.1 Teaching mode of hybrid virtual simulation experiment

1.1 實(shí)驗(yàn)過程虛擬仿真輔助驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)

實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)共包含7個驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn), 實(shí)驗(yàn)過程包括傳感器的選擇、安裝、測試、觀察、記錄等操作。為了提高課內(nèi)實(shí)驗(yàn)效率, 利用THSRZ-2型傳感器系統(tǒng)虛擬仿真軟件設(shè)計(jì)了實(shí)驗(yàn)操作過程的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)。通過軟件仿真模擬實(shí)驗(yàn)全過程, 讓學(xué)生通過虛擬仿真進(jìn)行實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí), 提前熟悉實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和實(shí)驗(yàn)過程, 提高線下實(shí)驗(yàn)效率和效果。

1.2 Multisim虛擬演示仿真輔助課內(nèi)檢測電路教學(xué)

傳感器使用過程中可根據(jù)工程需要對信號進(jìn)行調(diào)節(jié), 因此教學(xué)中包括多種常見的檢測電路, 例如放大電路、濾波電路和調(diào)制解調(diào)電路等。這些電路知識貫穿于“電路”“模擬電子技術(shù)”和“數(shù)字電子技術(shù)”三門基礎(chǔ)課。檢測電路常常是模數(shù)混合電路, 結(jié)構(gòu)復(fù)雜, 知識點(diǎn)綜合, 理論抽象, 學(xué)生對該類電路難以掌握和理解。為了便于學(xué)生學(xué)習(xí), 利用Multisim構(gòu)建了常見的檢測電路仿真模塊, 通過課堂上對檢測電路的仿真演示, 使得抽象的電路教學(xué)更為具體和生動, 增加學(xué)生對電路原理、應(yīng)用及性能的理解和掌握。

1.3 LabVIEW/Proteus虛擬設(shè)計(jì)仿真輔助綜合設(shè)計(jì)性教學(xué)

實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中, 除了常規(guī)的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)外, 課程項(xiàng)目式教學(xué)過程中還增加了綜合設(shè)計(jì)。要求學(xué)生根據(jù)傳感器與現(xiàn)代檢測技術(shù)的理論方法, 設(shè)計(jì)完整的傳感器或檢測系統(tǒng), 觀察并進(jìn)行性能分析。由于實(shí)驗(yàn)時間和條件的限制, 將這些拓展性設(shè)計(jì)通過LabVIEW/Proteus進(jìn)行虛擬仿真實(shí)現(xiàn), 通過觀察和分析仿真結(jié)果輔助綜合設(shè)計(jì)性教學(xué)。

2 實(shí)驗(yàn)過程虛擬仿真

在教學(xué)過程中, 為了進(jìn)一步加強(qiáng)學(xué)生對傳感器工作原理、性能、檢測方法與應(yīng)用等的了解和掌握, 實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)開設(shè)了7個驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn), 分別是金屬箔式應(yīng)變片性能實(shí)驗(yàn)、電容式傳感器實(shí)驗(yàn)、差動變壓器實(shí)驗(yàn)、電渦流傳感器實(shí)驗(yàn)、壓電式傳感器實(shí)驗(yàn)、霍爾式傳感器實(shí)驗(yàn)、熱電偶測溫實(shí)驗(yàn)。

完成這些實(shí)驗(yàn)需要進(jìn)行傳感器選擇、檢測模塊選擇、檢測系統(tǒng)搭建、現(xiàn)象觀察記錄以及數(shù)據(jù)分析。為了在有限的實(shí)驗(yàn)時間內(nèi)完成所有的實(shí)驗(yàn)操作, 更好地去觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象, 在教學(xué)環(huán)節(jié)中引入了7個對應(yīng)的虛擬仿真操作實(shí)驗(yàn), 通過虛擬仿真完成實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)環(huán)節(jié)。

7個虛擬仿真實(shí)驗(yàn)是基于THSRZ-2型傳感器系統(tǒng)虛擬仿真軟件設(shè)計(jì)的, 該軟件是傳感器實(shí)驗(yàn)設(shè)備自帶的虛擬仿真軟件, 涵蓋了實(shí)驗(yàn)所需的所有傳感器模塊、檢測電路模塊、虛擬檢測儀表模塊, 通過虛擬仿真平臺完成檢測系統(tǒng)的模擬搭建, 并進(jìn)行虛擬仿真。部分虛擬仿真案例如圖2所示。

圖2 驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)過程虛擬仿真案例Fig.2 Virtual simulation case of confirmatory experimental process

圖2展示了金屬箔式應(yīng)變片性能實(shí)驗(yàn)和霍爾傳感器轉(zhuǎn)速測試2個實(shí)驗(yàn)。學(xué)生進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室前, 在軟件平臺上仿真, 進(jìn)行實(shí)驗(yàn)仿真操作預(yù)習(xí), 通過連線、數(shù)據(jù)觀察等仿真環(huán)節(jié), 熟悉實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、過程、接線步驟, 并通過仿真實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象加深對實(shí)驗(yàn)?zāi)康募爸R點(diǎn)的理解和掌握。

3 檢測電路演示虛擬仿真

在理論教學(xué)過程中涉及大量檢測電路的應(yīng)用, 通過各類信號處理電路實(shí)現(xiàn)檢測信號的放大、濾波、轉(zhuǎn)換和調(diào)制解調(diào)等。因此熟練掌握檢測電路的原理、功能和性能指標(biāo)對檢測技術(shù)的學(xué)習(xí)和應(yīng)用至關(guān)重要。

Multisim是美國國家儀器（NI）公司推出的以Windows為基礎(chǔ)的仿真工具, 適用于板級的模擬/數(shù)字電路板的設(shè)計(jì)工作。根據(jù)課程內(nèi)容, 利用Multisim對傳感器進(jìn)行建模, 并對檢測電路進(jìn)行仿真[7］。通過課堂仿真呈現(xiàn)檢測信號波形、轉(zhuǎn)換過程等, 加深學(xué)生對傳感器機(jī)理、檢測電路性能及功能的理解。

針對各類傳感器建立了電路仿真模型, 如：應(yīng)變片傳感器、電容式傳感器、壓電式傳感器等虛擬仿真電路模型。同時針對常用檢測電路制作了虛擬仿真案例, 如橋式電路、脈沖寬度調(diào)制電路、相敏檢波電路等。

圖3為檢測電路仿真模型, 即電容式傳感器的檢測電路——脈沖寬度調(diào)制電路仿真。其中C1、C2表示差動電容, 通過調(diào)節(jié)C1、C2參數(shù)模擬差動電容器的工作過程, 并通過示波器觀察各關(guān)鍵點(diǎn)的輸出波形。利用虛擬仿真, 使教學(xué)更加生動具體, 讓學(xué)生對檢測電路的工作原理理解得更加深刻。

圖3 檢測電路仿真模型Fig.3 Simulation model case of detection circuit

4 綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)虛擬仿真

為了提高學(xué)生的綜合實(shí)踐能力, 除了驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)外, 教學(xué)過程中還涉及多個綜合性實(shí)驗(yàn)和設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)。在該環(huán)節(jié)中, 設(shè)計(jì)了綜合仿真案例, 在完成綜合實(shí)驗(yàn)前, 可以通過仿真軟件搭建仿真原型, 驗(yàn)證綜合性檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)的合理性, 找出潛在的問題加以修改和完善。

LabVIEW是由NI公司研制開發(fā)的程序開發(fā)環(huán)境, 包含許多測試模塊和控制模塊。Proteus軟件是英國Lab Center Electronics公司出版的EDA工具軟件, 可以進(jìn)行電子線路仿真和設(shè)計(jì), 以及單片機(jī)系統(tǒng)仿真[8］。這兩個仿真軟件都是教學(xué)過程中常用的仿真軟件。在綜合實(shí)踐環(huán)節(jié)中可以利用LabVIEW/Proteus仿真軟件對綜合性設(shè)計(jì)項(xiàng)目進(jìn)行仿真設(shè)計(jì), 完成基于傳感器的綜合檢測系統(tǒng)的電路設(shè)計(jì)、軟件編程。

圖4展示的是利用LabVIEW完成的溫度控制綜合實(shí)驗(yàn)仿真案例。通過前面板和后面板的設(shè)置, 展示了溫度檢測、顯示及閉環(huán)控制過程。將學(xué)生的綜合設(shè)計(jì)在仿真軟件中虛擬實(shí)現(xiàn), 解決了綜合實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)實(shí)驗(yàn)條件及實(shí)驗(yàn)時間不足的問題。學(xué)生在仿真過程中驗(yàn)證并檢查自己的檢測方案, 增強(qiáng)檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)的能力。

圖4 溫度控制綜合實(shí)驗(yàn)仿真案例Fig.4 Simulation case of temperature control comprehensive experiment

5 結(jié) 論

在理論課堂和實(shí)踐教學(xué)過程中引入虛擬仿真技術(shù), 構(gòu)建分層的混合式虛擬仿真教學(xué)模式, 可以將傳感器及檢測技術(shù)中抽象的理論教學(xué)形象、直觀地展示。學(xué)生可以通過仿真結(jié)果、波形、現(xiàn)象等形式深刻了解到傳感器及檢測電路的工作機(jī)理、性能指標(biāo)及功能, 使課程的教學(xué)內(nèi)容形象化, 能夠讓學(xué)生更好地理解和掌握課程中的知識點(diǎn), 激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣, 增強(qiáng)學(xué)生的綜合應(yīng)用能力, 提高課堂教學(xué)效果。