虛擬仿真在傳感器與檢測技術課程教學中的應用探索

朱 勇 李彥林 許 勝

（泰州學院船舶與機電工程學院，江蘇 泰州 225300）

0 引言

信息技術由三類組成：感知，傳輸和處理，即傳感器技術、通信技術和計算機技術。傳感器是信息和數據采集的來源，在當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，還是智能設備和大數據分析，其系統體系都必須從傳感和檢測開始。因此傳感器與檢測技術成為工科院校電類專業的核心課程之一，課程主要目標是使學生了解檢測系統與傳感器的靜、動態特性和主要性能指標，掌握常用傳感器的工作原理和常見非電量參數的檢測方法以及檢測系統中常用的信號處理電路。該課程綜合了物理學、電子學、測試計量學、化學、材料科學、計算機、自動控制和機械學等多方面的知識和技術，整體體現出知識的密集性、內容的離散性、傳感器類型的龐雜性、功能的智能性、工藝的復雜性和應用的廣泛性。

1 傳統教學模式存在的問題

傳感器與檢測技術涉及多學科知識點的交叉和融合，包括彈性敏感元件、電阻應變式傳感器、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圖示和煩瑣的公式推導進行，顯得枯燥無味，難以激發學生學習的興趣和主動性。其結果是學生只能建立抽象的基本概念，而對這些現象背后的本質機理無法形成深入的理解。

傳感器與檢測技術是一門與工程應用密切結合實踐性很強的課程，而且技術發展和知識更新的速度較快，更加要注意理論聯系實際，通過強化實踐教學的手段來提升教學效果，培養學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期最多不會超過16學時，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，筆者所在學校采用CSY型傳感器實驗箱進行實驗教學，實驗箱的結構與線路雖然具備一定的工業應用基礎，但是其整體是一個嵌入式的結構，將各種信號源、傳感器、調理電路、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構狀態。學生的實驗操作僅僅局限于按照實驗指導書面對匹配的元器件進行簡單的電路連線，再根據儀表顯示數據記錄實驗結果。這種實驗模式很難讓學生真正理解傳感器的組成結構、工作原理和測量電路，建立不起理論與實踐的有效關聯。此外，還缺乏針對工程實際應用場景的設計性和綜合性實驗，不能培養學生的創新創造能力。

2 虛擬仿真技術簡介

伴隨著計算機軟硬件技術的發展，虛擬仿真技術應運而生。虛擬仿真技術以實際系統為對象，以信息技術、系統技術和專業理論為基礎，基于各種物理效應構建模型，并通過相應的數學運算，模擬系統的實際運轉過程，從而達成對研究對象認識和優化的目的。通過計算機進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險性而難以進行的實體實驗進行高度還原的模擬，具備靈活性、經濟性和安全性的優勢。

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

為克服傳統教學模式中理論講解的晦澀和抽象，打破實驗室實踐教學的局限性，筆者將虛擬仿真技術導入到傳感器課程的教學環節，進行了一系列的探索和應用。動態變化和導體體表電流的生成以及兩者之間的交互關系，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，難以讓學生真正理解其過程機理。

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

3 虛擬仿真技術的實施案例

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

4 虛擬仿真技術的教學應用探索

4.1 交互式的課堂設計

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

4.2 虛實結合的實驗模式

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

4.3 面向工程應用的課程設計

以培養高水平應用型人才為目標，傳感器與檢測技術作為工科電類專業的核心課程，是必須要面向工程實際應用的，而課程設計則是最好的體現形式。真正貼近實際的課題往往是面向復雜工程的，涉及多種設備和多個系統的組合，很難構建實際場景。將虛擬仿真技術導入課程設計中，就可以有效地解決這一問題。學生在調研應用需求，明確性能指標后，就可以在虛擬環境中設計元器件外形結構，選擇匹配材料，設定激勵參數，通過多物理場的耦合分析輸出初步結果。在此基礎上再進行參數的優化迭代，直至獲得最優的設計成果。經過這一過程的歷練，學生面向工程應用的實踐能力得到顯著提升。

5 結語

通過對傳感器與檢測技術課程傳統教學模式的分析，總結了存在的問題，進而提出了將虛擬仿真技術導入到課程教學的思路。通過虛擬仿真技術在課堂教學、實驗實踐以及課程設計等方面的應用，為學生帶來了交互式、沉浸式和實景式的體驗，使得學生在深刻理解基礎理論知識的基礎上，顯著提升了面向工程應用的實踐能力和創新能力，為今后從事相關專業技術領域的工作奠定了良好的基礎。