COMSOL Multiphysics仿真软件在“传感器技术”教学中的应用

摘要：在本科教学中如何采用现代化的教学方法解决教学难点，加强课本中的知识点与实践之间的联系，是高校教师面临的挑战，也是亟须解决的难题。本文以“传感器技术”课程为例，该课程的学习需要使用大量的数学工具建立传感器的物理模型，并深刻理解传感器的感知原理。因此，学生在学习本课程时会出现较多困难点，难以高效理解吸收课本知识，以至于教师无法实现高质量的教学。借助Comsol仿真软件强大的功能，笔者尝试将其运用到教学中，利用仿真软件建立传感器物理模型，求解相对应的物理参数。仿真软件的可视化功能激发了学生的学习兴趣，使得授课内容更加直观化、简单化，大大减少了学生对复杂数学计算问题的担忧，提升了课堂教学质量。

关键词：传感器技术；物理模型；感知原理；Comsol仿真软件

1概述

我国提出“双一流”建设的国家战略旨在推动高等教育的“内涵式发展”，进而整体提升高等教育的水平。在此背景下，对于本科教育的高质量建设是必然要求［1］。因此，在本科教学中如何采用现代化的教学方法解决教学难点，加强课本中的知识点与实践之间的联系，是高校教师面临的挑战，也是亟须解决的难题。以“传感器技术”这门课程为例，它是测控技术、电子信息工程、自动化、机电工程等专业的一门重要专业技术课程，其主要研究传感器的基本原理、基本特性及性能指标，传感器设计、标定及校准方法，各类传感器的转换原理、实际应用及未来发展趋势。通过本课程的讲授，使学生在学习模电、数电、物理学部分的基础上，能够运用所学的定律和定理来分析掌握传感器系统的数学模型的建立与求解，为学生在工程实际中传感器系统的设计打下一个良好的基础。

然而，该课程的学习需要使用大量的数学工具建立传感器的物理模型，并深刻理解传感器的感知原理，以丰富的理论为基础设计传感器，进而解决实际的复杂工程问题。因此，学生在学习本课程时会出现较多困难点，难以高效地理解吸收课本知识，以至于教师无法实现高质量的教学。如何激发学生学习本课程的积极主动性，是授课教师亟待解决的教学难题。当前教学模式存在一系列的问题，比如单一的讲授方式导致授课内容枯燥乏味，启发式教学不足，难以让学生所学的理论知识与实际工程应用有效结合，使得学习效果大打折扣。为了调动学生学习的兴趣、克服传统授课方式的弊端、提高授课质量，众多教师探索了大量的有效授课途径，比如课堂教学引入手机APP、多媒体动画展示、翻转课堂等。基于大量的教学案例表明，将新型多媒体技术与传统的教学方式有机结合可以激发学生的学习兴趣，提高对所学知识的理解能力，进而增加了学生的自信心［2］。

在众多的教学媒体中，针对实物采用计算机仿真软件建立模型，探究物理模型中各个参量的相互作用会提高学生的兴趣与对复杂知识的理解力。ComsolMultiphysics仿真软件在操作的便捷性方面更具有优势，无需编写代码，直接在操作界面选择几何结构、设置参数，其界面交互友好、处理功能强大。该仿真软件针对不同应用领域有力学、电磁场、流体、传热、化工、MEMS、声学等模块，能实现多物理场、多参数耦合，以及具有CAD、MATLAB和Excel等软件的第三方接口。众多授课教师把ComsolMultiphysics仿真软件应用到教学实践中，比如，吴宏伟等［3］借助该软件在光纤技术与应用课程中实现弯曲阶跃光纤模式的仿真分析；孔为等［4］在节能技术课程中以固体氧化物燃料电池为实例，借助该软件求解课程中所涉及的复杂的偏微分方程；李卫平等［5］采用Comsol仿真软件建立物理模型模拟材料的整个腐蚀过程，有效解决了实际操作过程中材料腐蚀时间长难以实时监测的难题，提高了学生利用仿真手段解决实际复杂工程问题的能力。借助于Comsol仿真软件强大的功能，笔者尝试将其运用到“传感器技术”教学中，利用仿真软件建立传感器物理模型，求解相对应的物理参数。仿真软件的可视化功能给学生较大的感官刺激，激发了学生的想象力，使得授课内容更加直观化、简单化，大大减少了学生对复杂数学计算问题的担忧，提升了课堂教学质量。本文以柔性位移传感器为例，展示利用该仿真软件在课堂教学中的效果。

2柔性位移传感器工作原理介绍

2.1传感器介绍

如图1所示，柔性位移传感器一般是以防水防潮、弯曲性能良好的柔性材料为基底，采用表贴或者内嵌的方式，把应变片或者FBG（光纤光栅）与柔性材料相结合。传感器工作时，其一端固定，其余为自由端，基于应变片或者FBG采集的应变信息利用位移重构算法即可计算柔性传感器所有检测单元末端测量点的位移，进而得到被测物体的位移场的变化。

2.2重构算法介绍

将柔性传位移感器视作由许多梁单元（检测单元）组成，应变片或者FBG布置于梁单元中点，传感器受到外力作用而发生形变时，可通过应变片或者FBG测量到的应变信息推出梁单元末端（测量点）的挠度，从而求出梁单元末端的位移，每个分解梁都可以此类推，图2为上述推导过程原理图。

重构算法推导过程：由材料力学相关理论，距离固定端长度为l的应力为：

σ=F（L-l）RI（1）

式中：F为使梁单元产生弯曲的力，L为梁长度，R为梁表面到中性轴的距离，I为惯性矩。因为σ=E·ε，其中E为材料的弹性模量，所以有：

在应变片或者FBG处，即当l=L/2时：

εL/2=F（L-L/2）REI=FLR2EI（2）

梁单元末端的挠度ω及梁末端的旋转角θ公式可得：

ω=FL33EI=2L23RεL/2

θ=FL22EI=LRεL/2（3）

如图2所示，以垂直于第一个梁单元固定端为y轴建立坐标系，定义xi为第i个梁单元末端的水平位移，xiθ为第i-1个梁单元旋转角所对应的水平位移，xiω为第i个梁单元挠度所对应的水平位移。因此有

x1=ω1i=1

xi=xi-1+L·sin∑i-1n=1θn+ωi·cos∑i-1n=1θni＞1（4）

3仿真步骤及分析

（1）几何构建：新建空模型文件，在模型开发器中添加三维“组件1”，选择“几何1”分类添加“圆柱体1”，设置圆柱体参数，半径为2.5mm，高度为900mm，并在模型表面分别添加指定不同位移点，如图3所示。

（2）赋予材料：选用POM（聚甲醛）材料。选择添加材料库中“Acrylicplastic”，具体参数按照表1所示。

（3）添加物理场：添加物理场接口，选择结构力学模块下的固体力学。按照在“初始值1”分类中设定初始端面中心坐标O（0，0，0），沿x轴方向在模型不同位置处设置位移点，在坐标（300，0，-2.5）处沿z轴方向施加30.7mm位移，在坐标（500，0，-2.5）处沿z轴方向施加11mm位移，在坐标（700，0，-2.5）处沿z轴方向施加38mm位移，在坐标（900，0，-2.5）处沿z轴方向施加18.2mm位移。

（4）网格设置：计算机运算需要对模型进行网格化，在“组件1”添加网格，选择自由四面体网格，考虑到使用设备的计算性能，单元质量优化中选择“基本”优化级别，在“尺寸”的单元大小下预定义中选择“较细化”，网格化后效果如图4所示。

（5）添加研究：选择“稳态”，在研究设置内勾选“包含几何非线性”，配置物理场和变量选择，最后点击计算按钮。

（6）仿真结果导出（见图5）。

（7）不同测量点的位移如表2所示。

上述仿真过程可知：在“传感器技术”这门课程教学中，基于Comsol的仿真软件对传感器建模仿真分析，既丰富了授课方式，又使复杂的问题更加形象具体化，进而提高学生对传感器感知原理的理解。

4结论

本文是以“传感器技术”这门课程中柔性位移传感器为例，介绍了利用Comsol仿真软件对传感器进行建模与仿真分析。与之前复杂的文字和枯燥的公式表达相比较，仿真软件的可视化使得教学更加形象生动。通过层次分明、直观化的软件仿真技术与传统的授课方式相结合，激发了学生学习知识的兴趣，夯实了自身理论基础；通过建模仿真传感器的感知原理，让学生学会独立思考、解决问题的同时提高了自身的创新能力。下一步，笔者尝试将这一教学手段应用到其他课程教学中，通过不断完善可视化的仿真教学演示，使之成为提升专业教学质量的重要抓手，并且有助于培养应用型人才。

参考文献：

［1］蒋观丽，刘志民.外嵌与内生：“双一流”建设背景下高校学科组织发展的内在机理与行动逻辑［J］.江苏高教，2023（08）：7078.

［2］乐建华，王睿勇.“以学生为中心”的多元化课堂教学环境构建——以“传感器与检测技术”课程为例［J］.高等理科教育，2021（02）：8994.

［3］吴宏伟，程淑玲.“光纤技术及应用”课程中可视化仿真软件的应用——以COMSOLMultiphysics仿真光纤模式分析为例［J］.科技风，2022（30）：101103.

［4］孔为，肖建昆，陈代芬.ComsolMultiphysics在“节能技术”教学中的应用［J］.科技资讯，2013（06）：209.

［5］李卫平，刘慧丛，陈海宁，等.基于COMSOL软件的腐蚀仿真实验教学方法［J］.实验室研究与探索，2021，40（10）：8285.

项目基金：山东省自然科学基金项目（ZR2021QD066）

作者简介：田长彬（1990—），男，汉族，山东汶上人，博士研究生，讲师，主要研究方向为光纤传感理论及其应用。