基于虛擬仿真技術的光電測量實驗教學改革研究

蔣曲博++秦祖軍++張麗娟++甘永進++寧維蓮

摘 要：光電測量技術是一門較抽象的學科，為了更直觀、形象地展示光電測量技術中的一些物理原理和實驗現象，該文搭建了基于虛擬仿真思想的光電測量實驗平臺，從實驗平臺的搭建、調試方法和效果、測量的結果等介紹了該實驗仿真平臺的整體構思和具體功能，將相關實驗步驟通過動畫的形式進行演示，使學生在課程與實驗的學習中獲得更直觀的教學感受。

關鍵詞：光電測量 虛擬仿真 實驗平臺

中圖分類號：O4-33 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2017）05（c）-0098-03

Teaching Reform on Photoelectric Detection Experiment Based on Virtual Simulation

Jiang Qubo1 Qin Zujun1 Zhang Lijuan1 Gan Yongjin2 Ning Weilian2

（1.School of Electronic Engineering and Automation， Guilin University of Electronic Technology， Guilin Guangxi， 541004， China；

2.School of electronics and Communication Engineering， Yulin Normal University， Yulin Guangxi， 537000， China）

Abstract：Photoelectric measurement technology is an abstract subject. For physical principles and experimental phenomena is showed visually and vividly， the photoelectric detection experiment platform based on virtual simulation concept is introduced in this paper. The platform`s general idea and specific functions are introduced from construction of experimental facilities， method and effect of debugging， measurement result and so on. The practical application of the platform in the teaching activities also is introduced.

Key Words：Photoelectric measurement；Virtual simulation；Experiment platform

1 光電檢測教學內容與特點

作為電子信息科學的一個重要分支，光電檢測技術將電子技術和檢測技術、控制技術等進行結合，具有比傳統純電子測量技術測量精度更高、速度更快、檢測無損壞、自動化程度更高等特點，所以光電檢測技術的發展非常迅速，許多高等工科院校的“測控技術與儀器、光電信息科學與工程”和“電子信息工程”等專業已將光電檢測相關課程列為必修或重要選修課程。

光電檢測技術以激光、紅外光以及光電傳感器等為基礎，是一種非接觸式的測量方法，通過光電傳感器將接收到的光輻射轉換為電信號[1]，再由輸入電路、放大濾波等檢測電路提取有用信息，再由A/D模塊進行模數轉換后輸入PC機進行信號處理以實現相關信息被測量的功能。作為一項面向實際測量與控制的學科，其應用性極強，但是，實際教學經驗中，一些現實問題表現十分明顯，主要集中在以下幾個方面。

（1）由于光電測量技術的實驗通常要用到前級光學系統，如激光器、光路中的各種光學零散元件、光電傳感器等，這些光學系統及零配件普遍易碎而又價錢昂貴。實踐教學過程中，盡管實驗指導老師都會一再強調實驗操作的規范性與安全性，但是學生數量眾多、實驗平臺使用頻繁，終歸還是免不了有實驗系統和零配件的損壞，造成了財物損失。

（2）光電測量系統以及相關實驗平臺價格較高，占用資源大。為了讓學生更好地掌握光電檢測技術的相關內容，光學系統一般是開放的擺放在面積和重量都很大的光學平臺上，并且激光作為光電測量最常用測量載波，需要一定的傳輸距離，所以需要相關實驗室有足夠的空間。加之光學實驗平臺相關設備價格高購買有限，所以，光電檢測技術實驗相關的儀器設備數量較少，但是學生的人數日益增長以及學校“以學生為本”對實踐教學越來越重視，實驗平臺數量的缺乏和學生人數增加的矛盾日益突出[2]。

（3）光電檢測技術實際操作的調試抽象性和危險性使實驗教學面臨困難。由于光電測量技術中必須用到精確的相關光路或光學系統來體現和保證最終光電測量技術的精度，而這些光路和光學系統的精確度，需要有相當復雜的調試過程：一方面需要人眼非常細致的觀察光路中一些只能容納一只人眼來看的小孔徑內部的情況來保證調試的精度，這使得實驗教師的講解和學生的理解都有相當的抽象性，通常雙方都需要花費大量的實驗課時間來互相理解基本的現象，造成實際實踐操作時間減少；另一方面鑒于激光對人眼和人體的一定傷害性，調試過程又不能全程都用人眼直接觀察激光的傳輸過程，這使得光路的調試更多時候需要花費更多的時間和精力來獲得足夠的調試經驗才能更好地獲得實驗效果，也直接造成了實際實踐操作時間的減少。

因此，希望建立一個光電測量虛擬仿真實驗平臺，能夠對現有的光電檢測技術實驗教學，如光電檢測技術及應用、光電儀器原理與設計、光纖通信原理與技術、常用光電儀器及應用、激光技術等課程實驗的教學進行一次較大的教學改革[3]，使得相關課程的實驗教學能夠更好更有效地開展，提高學生的動手和創新能力。

2 光電測量實驗仿真平臺結構及功能

光電測量虛擬仿真實驗平臺的建立[4-5]，將可為光電測量技術、光電儀器原理與設計、光纖通信原理與技術、常用光電儀器及應用、激光技術等多門光電類實驗課程的多個實驗提供虛擬仿真的實驗平臺，如HE-NE激光器的設計搭建及調試實驗，電子散斑技術測量物體的微位移實驗，光交叉連接模擬實驗等。

由光電測量實驗教學的具體要求，該文初步設計的光電測量實驗虛擬仿真平臺總界面如圖1所示。其中，點擊左側圖標進入HE-NE激光器的設計搭建及調試實驗，點擊右側圖標進入電子散斑技術測量物體的微位移實驗。

以HE-NE激光器的設計搭建及調試實驗為例進行介紹，項目完成后，以軟件仿真的界面，將整個實驗較為抽象和危險的設計過程、調試過程和測量過程，以人機交互和動畫的形式，展示可設計性、不同設計的效果、激光器的搭建、調試的方法和效果、測量的結果等。具體過程框圖如圖2所示。

當以正確的方法觀察到正確的觀察對象、正確的調節調試旋鈕看到正確的實時觀察效果后，就能得到最終正確的整個激光器系統的出光效果，由此來虛擬仿真整個調試過程。學生在經過了虛擬仿真平臺的操作之后，更好地理解和掌握了實驗原理、操作方法后，再到實際操作平臺中，選擇實際元件，完成搭建實際激光器并調試出光及后續測量的實驗步驟。該實驗平臺部分操作圖3如下所示。

此虛擬仿真平臺的建立，能很好地解決在這個實驗中的如下幾個問題。

（1）設計方法、方案抽象。

（2）搭建激光器系統的步驟、細節繁多，一旦出現搭建的錯誤，輕則最終不能調出激光，重則燒毀實際激光泵浦源或激光管，更嚴重的可能因為接錯電極線而導致學生人身傷害。

（3）調試時觀察的對象、內容和效果的口頭講解抽象性，以及實際操作時用人眼直接觀察的時機不正確導致的危險性。

3 結語

該光電測量實驗仿真平臺功能雖還未十分完善，但穩定性好、使用靈活、有較大的發展和開發潛力。該實驗仿真平臺的研制對光電測量實驗教學及其相關課程的教學有一定的推動和促進作用。在實際教學中，該平臺的使用不僅可以激發學生的學習主動性，使學生獲得更直觀的物理體驗，提高學生動手能力，還能在一定程度上減少實驗教師相應的工作。

參考文獻

[1] 張維梁.以光纖位移傳感器實現的多通道雷管填藥量在線監測系統[D].北京交通大學，2008.

[2] 張淑林，裴旭.高校集約性學科平臺建設的探索與思考[J].學位與研究生教育，2004（6）：16-20.

[3] 張文濤，蔣曲博，汪杰君，等.《光學設計》課程教學方法改革初探[J].科技創新導報，2011（2）：179，181.

[4] 王小曼，宋路，劉智.基于虛擬儀器的光電檢測實驗臺的研制[J].實驗技術與管理，2002（6）：56-59.

[5] 呂旗.基于虛擬儀器的光電檢測實驗臺的研究[D].長春理工大學，2005.