虚拟仿真在传感器线上线下教学中的应用

杨 琛, 陈 忠, 金光哲, 张 铮, 霍海波

（上海海洋大学工程学院, 上海 201306）

《传感器与现代检测技术》（简称传感器）是电气专业、测控专业、机器人专业以及机械自动化专业的必修课程和核心课程。该课程综合了物理学、电学、化学、材料学等多学科知识和技术, 是一门涉及内容广、学科交叉、实验学时多、实践应用要求高的课程。以电气专业为例, 传感器课程共48学时, 其中理论与实验各24学时, 主要讲授传感器的一般分析方法、各类传感器的工作原理、特性和应用以及非电量检测方法, 除了介绍常见的传感器基本知识外, 还涉及大量的检测电路及信号调理内容。

目前, 传感器课程采用线上线下混合式教学模式, 很大程度上解决了知识点多、信息量大与教学学时少的矛盾。然而实验教学过程中, 传统教学模式相对不足, 主要问题表现在：

（1）课程教学过程中涉及大量检测电路知识, 不但需要掌握电路的工作原理, 还需要了解应用场景和特点。但是可用教学学时较少, 一般很难深入开展教学。

（2）实验教学过程中, 验证性项目较多, 开放性、综合性项目较少, 学生的学习能动性受限。

（3）传感器型号繁多, 不同类型传感器的工作原理、工作方式各异, 实验室提供的传感器种类有限。由于传感器是精密仪器, 实验设备元器件很容易损坏, 现场实验有时无法满足, 效果较差。

（4）在实际工程应用中, 传感器是检测系统的信号采集部分, 通常需要配合采集卡、单片机、显示器、存储器等其他设备才能实现。在有限实验条件下, 实验内容单一, 操作简单。同时, 综合型实验在实验室很难部署, 难以充分锻炼学生的实践综合能力, 理论与实践相结合的效果差。

实验在传感器课程中占据了十分重要的地位, 除了完成实验教学中各种实验外, 在理论教学过程中同样涉及大量的演示实验和综合设计实践环节。如何有效开展传感器课程的实验环节, 采用合理的实验教学模式, 从而促进学生更好地掌握传感器课程知识, 并能灵活应用于工程实践十分关键。

1 混合式虚拟仿真教学模式

随着虚拟仿真技术的发展, 教学过程中引入虚拟仿真辅助教学的案例越来越多[1-4］。针对上述提到的教学问题, 结合传感器课程特点, 提出了线上线下混合式虚拟仿真实验教学模式。通过构建“实验过程虚拟仿真—Multisim检测电路虚拟仿真—LabVIEW/Proteus综合实践虚拟仿真”分层混合式虚拟仿真教学模式, 将不同类型的虚拟仿真实验穿插进教学各环节, 在理论教学过程中激发学生能动性、创造性, 提高教学质量, 高质量完成教学目标。具体混合式虚拟仿真实验教学模式如图1所示。

图1 混合式虚拟仿真实验教学模式Fig.1 Teaching mode of hybrid virtual simulation experiment

1.1 实验过程虚拟仿真辅助验证性实验预习

实验教学环节共包含7个验证性实验, 实验过程包括传感器的选择、安装、测试、观察、记录等操作。为了提高课内实验效率, 利用THSRZ-2型传感器系统虚拟仿真软件设计了实验操作过程的虚拟仿真实验。通过软件仿真模拟实验全过程, 让学生通过虚拟仿真进行实验预习, 提前熟悉实验内容和实验过程, 提高线下实验效率和效果。

1.2 Multisim虚拟演示仿真辅助课内检测电路教学

传感器使用过程中可根据工程需要对信号进行调节, 因此教学中包括多种常见的检测电路, 例如放大电路、滤波电路和调制解调电路等。这些电路知识贯穿于“电路”“模拟电子技术”和“数字电子技术”三门基础课。检测电路常常是模数混合电路, 结构复杂, 知识点综合, 理论抽象, 学生对该类电路难以掌握和理解。为了便于学生学习, 利用Multisim构建了常见的检测电路仿真模块, 通过课堂上对检测电路的仿真演示, 使得抽象的电路教学更为具体和生动, 增加学生对电路原理、应用及性能的理解和掌握。

1.3 LabVIEW/Proteus虚拟设计仿真辅助综合设计性教学

实验教学过程中, 除了常规的验证性实验外, 课程项目式教学过程中还增加了综合设计。要求学生根据传感器与现代检测技术的理论方法, 设计完整的传感器或检测系统, 观察并进行性能分析。由于实验时间和条件的限制, 将这些拓展性设计通过LabVIEW/Proteus进行虚拟仿真实现, 通过观察和分析仿真结果辅助综合设计性教学。

2 实验过程虚拟仿真

在教学过程中, 为了进一步加强学生对传感器工作原理、性能、检测方法与应用等的了解和掌握, 实验教学环节开设了7个验证性实验, 分别是金属箔式应变片性能实验、电容式传感器实验、差动变压器实验、电涡流传感器实验、压电式传感器实验、霍尔式传感器实验、热电偶测温实验。

完成这些实验需要进行传感器选择、检测模块选择、检测系统搭建、现象观察记录以及数据分析。为了在有限的实验时间内完成所有的实验操作, 更好地去观察实验现象, 在教学环节中引入了7个对应的虚拟仿真操作实验, 通过虚拟仿真完成实验预习环节。

7个虚拟仿真实验是基于THSRZ-2型传感器系统虚拟仿真软件设计的, 该软件是传感器实验设备自带的虚拟仿真软件, 涵盖了实验所需的所有传感器模块、检测电路模块、虚拟检测仪表模块, 通过虚拟仿真平台完成检测系统的模拟搭建, 并进行虚拟仿真。部分虚拟仿真案例如图2所示。

图2 验证性实验过程虚拟仿真案例Fig.2 Virtual simulation case of confirmatory experimental process

图2展示了金属箔式应变片性能实验和霍尔传感器转速测试2个实验。学生进入实验室前, 在软件平台上仿真, 进行实验仿真操作预习, 通过连线、数据观察等仿真环节, 熟悉实验内容、过程、接线步骤, 并通过仿真实验现象加深对实验目的及知识点的理解和掌握。

3 检测电路演示虚拟仿真

在理论教学过程中涉及大量检测电路的应用, 通过各类信号处理电路实现检测信号的放大、滤波、转换和调制解调等。因此熟练掌握检测电路的原理、功能和性能指标对检测技术的学习和应用至关重要。

Multisim是美国国家仪器（NI）公司推出的以Windows为基础的仿真工具, 适用于板级的模拟/数字电路板的设计工作。根据课程内容, 利用Multisim对传感器进行建模, 并对检测电路进行仿真[7］。通过课堂仿真呈现检测信号波形、转换过程等, 加深学生对传感器机理、检测电路性能及功能的理解。

针对各类传感器建立了电路仿真模型, 如：应变片传感器、电容式传感器、压电式传感器等虚拟仿真电路模型。同时针对常用检测电路制作了虚拟仿真案例, 如桥式电路、脉冲宽度调制电路、相敏检波电路等。

图3为检测电路仿真模型, 即电容式传感器的检测电路——脉冲宽度调制电路仿真。其中C1、C2表示差动电容, 通过调节C1、C2参数模拟差动电容器的工作过程, 并通过示波器观察各关键点的输出波形。利用虚拟仿真, 使教学更加生动具体, 让学生对检测电路的工作原理理解得更加深刻。

图3 检测电路仿真模型Fig.3 Simulation model case of detection circuit

4 综合设计性实验虚拟仿真

为了提高学生的综合实践能力, 除了验证性实验外, 教学过程中还涉及多个综合性实验和设计性实验。在该环节中, 设计了综合仿真案例, 在完成综合实验前, 可以通过仿真软件搭建仿真原型, 验证综合性检测系统设计的合理性, 找出潜在的问题加以修改和完善。

LabVIEW是由NI公司研制开发的程序开发环境, 包含许多测试模块和控制模块。Proteus软件是英国Lab Center Electronics公司出版的EDA工具软件, 可以进行电子线路仿真和设计, 以及单片机系统仿真[8］。这两个仿真软件都是教学过程中常用的仿真软件。在综合实践环节中可以利用LabVIEW/Proteus仿真软件对综合性设计项目进行仿真设计, 完成基于传感器的综合检测系统的电路设计、软件编程。

图4展示的是利用LabVIEW完成的温度控制综合实验仿真案例。通过前面板和后面板的设置, 展示了温度检测、显示及闭环控制过程。将学生的综合设计在仿真软件中虚拟实现, 解决了综合实验环节实验条件及实验时间不足的问题。学生在仿真过程中验证并检查自己的检测方案, 增强检测系统设计的能力。

图4 温度控制综合实验仿真案例Fig.4 Simulation case of temperature control comprehensive experiment

5 结 论

在理论课堂和实践教学过程中引入虚拟仿真技术, 构建分层的混合式虚拟仿真教学模式, 可以将传感器及检测技术中抽象的理论教学形象、直观地展示。学生可以通过仿真结果、波形、现象等形式深刻了解到传感器及检测电路的工作机理、性能指标及功能, 使课程的教学内容形象化, 能够让学生更好地理解和掌握课程中的知识点, 激发学生的学习兴趣, 增强学生的综合应用能力, 提高课堂教学效果。