虚拟仿真在传感器与检测技术课程教学中的应用探索

朱 勇 李彦林 许 胜

（泰州学院船舶与机电工程学院，江苏 泰州 225300）

0 引言

信息技术由三类组成：感知，传输和处理，即传感器技术、通信技术和计算机技术。传感器是信息和数据采集的来源，在当今智能社会无处不在。无论是智能制造、智慧城市、智慧交通等，还是智能设备和大数据分析，其系统体系都必须从传感和检测开始。因此传感器与检测技术成为工科院校电类专业的核心课程之一，课程主要目标是使学生了解检测系统与传感器的静、动态特性和主要性能指标，掌握常用传感器的工作原理和常见非电量参数的检测方法以及检测系统中常用的信号处理电路。该课程综合了物理学、电子学、测试计量学、化学、材料科学、计算机、自动控制和机械学等多方面的知识和技术，整体体现出知识的密集性、内容的离散性、传感器类型的庞杂性、功能的智能性、工艺的复杂性和应用的广泛性。

1 传统教学模式存在的问题

传感器与检测技术涉及多学科知识点的交叉和融合，包括弹性敏感元件、电阻应变式传感器、电容式传感器、电感式传感器、压电式传感器、磁电式传感器、光电式传感器、热电式传感器、气敏传感器、湿敏传感器、红外传感器及超声波传感器等多种类，理论知识点比较繁杂。在课堂授课过程中，对于不同传感器工作原理的讲解，往往只能通过简单的静态图示和烦琐的公式推导进行，显得枯燥无味，难以激发学生学习的兴趣和主动性。其结果是学生只能建立抽象的基本概念，而对这些现象背后的本质机理无法形成深入的理解。

传感器与检测技术是一门与工程应用密切结合实践性很强的课程，而且技术发展和知识更新的速度较快，更加要注意理论联系实际，通过强化实践教学的手段来提升教学效果，培养学生分析问题和解决问题的能力。目前，通常的课程实验安排每学期最多不会超过16学时，面对如此种类繁多的传感器，实验时间肯定是不充分的。此外，笔者所在学校采用CSY型传感器实验箱进行实验教学，实验箱的结构与线路虽然具备一定的工业应用基础，但是其整体是一个嵌入式的结构，将各种信号源、传感器、调理电路、输出单元和显示仪表集于一体，而且各种类型的传感器已处于封装完毕的结构状态。学生的实验操作仅仅局限于按照实验指导书面对匹配的元器件进行简单的电路连线，再根据仪表显示数据记录实验结果。这种实验模式很难让学生真正理解传感器的组成结构、工作原理和测量电路，建立不起理论与实践的有效关联。此外，还缺乏针对工程实际应用场景的设计性和综合性实验，不能培养学生的创新创造能力。

2 虚拟仿真技术简介

伴随着计算机软硬件技术的发展，虚拟仿真技术应运而生。虚拟仿真技术以实际系统为对象，以信息技术、系统技术和专业理论为基础，基于各种物理效应构建模型，并通过相应的数学运算，模拟系统的实际运转过程，从而达成对研究对象认识和优化的目的。通过计算机进行虚拟仿真可以不受时间和场地的限制，还可以对因条件苛刻、代价高昂或者存在高风险性而难以进行的实体实验进行高度还原的模拟，具备灵活性、经济性和安全性的优势。

有限元是目前虚拟仿真领域应用最为广泛的数值计算方法，其最大的优点是能够与研究对象的实体结构密切结合，非常适用于对各类传感器进行建模分析。笔者所采用的Comsol Multiphysics仿真软件正是基于有限元技术，通过定义研究对象的几何结构、材料属性和相应的物理场，求解模型并对结果进行数据可视化的后处理，从而提供准确可靠的分析结果。该仿真工具可以模拟电磁学、结构力学、声学、流体、传热和化工等众多领域的实际工程问题，还可以对这些领域的物理现象进行耦合分析。

为克服传统教学模式中理论讲解的晦涩和抽象，打破实验室实践教学的局限性，笔者将虚拟仿真技术导入到传感器课程的教学环节，进行了一系列的探索和应用。动态变化和导体体表电流的生成以及两者之间的交互关系，均是肉眼不可见的东西，概念非常抽象，授课过程中仅靠一些示意图的辅助说明，难以让学生真正理解其过程机理。

根据电涡流传感器的结构建立仿真模型，模拟了通入交流电的线圈位于金属导体板上方时的形态，如图1和图2所示。从仿真结果中可以直观地感受到线圈中电流的流向以及导体表面电涡流的分布情况。

3 虚拟仿真技术的实施案例

以一个教学案例为例，来说明虚拟仿真技术在传感器教学中的应用。电涡流传感器的工作原理是基于法拉第电磁感应定律，将块状金属导体置于变化的磁场中或者在磁场中作切割磁力线运动时，通过导体的磁通将发生变化，产生感应电动势，该电动势在导体表面形成自行闭合的电流，即为电涡流。利用电涡流效应可以对位移、厚度、表面温度、应力、材料损伤等进行非接触的连续测量。该案例中涉及空间电磁场的

4 虚拟仿真技术的教学应用探索

4.1 交互式的课堂设计

根据课程教学大纲的要求，利用多物理场仿真软件建立典型传感器结构和工作原理的仿真模型库，构建交互式的基础教学体系。在课堂讲授过程中将仿真模型嵌入到PPT中，以可视化的动态结果生动形象地演示传感器的实际工作过程，以使学生建立有直观的感受，从而形成对传感器工作原理的准确理解。同时各仿真模型设有灵活的参数设定接口，可以让学生进行思考和讨论，如果传感器的相关参数发生变化后，其工作特性又会随之发生怎样的改变？在学生形成自己的思考结论后，由其自己动手进行参数设定，并分析仿真结果的变化，从而在交互的过程中充分地消化理论知识。

4.2 虚实结合的实验模式

针对目前实验设备和仪器的局限性，将虚拟仿真实验和实体实验相结合。在学生进入实验室之前，先针对实验项目建立相应的虚拟仿真模型，进行模拟演练，通过对仿真结果的深入分析充分理解实验原理和过程变化机理。由于虚拟仿真实验不受时间和空间的限制，而且结果呈现的方式更加生动具体，更容易给学生带来沉浸式的实景体验，奠定起牢固的感性认知。在此基础上，学生再进入实验室进行实体实验，可以将实验结果与仿真结果比较验证，从而真正做到理论引导实践，全面提升动手解决实际问题的能力。

4.3 面向工程应用的课程设计

以培养高水平应用型人才为目标，传感器与检测技术作为工科电类专业的核心课程，是必须要面向工程实际应用的，而课程设计则是最好的体现形式。真正贴近实际的课题往往是面向复杂工程的，涉及多种设备和多个系统的组合，很难构建实际场景。将虚拟仿真技术导入课程设计中，就可以有效地解决这一问题。学生在调研应用需求，明确性能指标后，就可以在虚拟环境中设计元器件外形结构，选择匹配材料，设定激励参数，通过多物理场的耦合分析输出初步结果。在此基础上再进行参数的优化迭代，直至获得最优的设计成果。经过这一过程的历练，学生面向工程应用的实践能力得到显著提升。

5 结语

通过对传感器与检测技术课程传统教学模式的分析，总结了存在的问题，进而提出了将虚拟仿真技术导入到课程教学的思路。通过虚拟仿真技术在课堂教学、实验实践以及课程设计等方面的应用，为学生带来了交互式、沉浸式和实景式的体验，使得学生在深刻理解基础理论知识的基础上，显著提升了面向工程应用的实践能力和创新能力，为今后从事相关专业技术领域的工作奠定了良好的基础。