多物理場虛擬仿真的現代檢測技術實驗課程探索

崔 勇, 富 立, 劉穎異， 王秋生

(北京航空航天大學 a.自動化科學與電氣工程學院; b.機械與控制工程國家級虛擬仿真實驗教學中心，北京 100191)

0 引 言

多物理場虛擬仿真技術的興起和高速發展，為高校實驗教學工作帶來了巨大的變革[1]。在一些實驗環節，甚至完全無需進行物理實驗，就可以將實驗內容進行準確的模擬和預測。這種實驗方式的革新不僅可以大幅縮短冗長的實驗周期，同時能夠節省大量制作實驗樣機的費用。同時，多物理場虛擬仿真實驗教學具備“學科交叉融合”的典型特征。而當前“雙一流”建設和“新工科”建設的重要目標之一是為我國產業發展和國際競爭提供多樣化、創新復合型卓越工程科技人才[2-6]。多物理場虛擬仿真實驗可為創新復合型“雙一流”和“新工科”人才培養提供重要保障，實驗的開展可以使學生既能運用所掌握的知識去解決現有學科的問題，還有能力學習其他學科的知識、新技術，從而有能力去解決未來發展出現的新問題[7-15]。

現代檢測技術實驗課程是我校面向研究生開設的校級實驗課程，共32學時。其主要任務是通過該課程的學習，使學生進一步加深對典型物理對象檢測原理的理解。但是，已有的實驗內容仍然圍繞應變、電壓、電流、溫度、濕度等傳統檢測對象以及傳統的檢測方法。這些實驗內容的設置，在當前 “雙一流”和“新工科”建設背景下，已經不能滿足創新復合型人才的培養，落后于當前科技發展的趨勢。因此，非常需要增加新的實驗內容幫助學生建立多學科交叉的意識，養成在多學科空間觀察、思考問題的習慣。

本文的教學研究工作依托國家級虛擬仿真實驗教學中心(機械與控制工程虛擬仿真實驗教學中心)開展，設計并開發了3種虛擬仿真實驗。所設計的虛擬仿真實驗能夠使得學生直觀地從多個角度理解典型檢測系統工作原理。同時，由于實驗耦合了材料學、電子學以及機械學等多學科背景知識，對幫助學生建立多學科交叉融合的意識，養成在多學科空間觀察、思考問題的習慣起到了重要作用。

1 PVDF微執行器虛擬仿真實驗設計

微執行器是微型檢測系統和微型無人系統的關鍵部分，微執行器的實現牽涉到材料、機械、電等多個學科，是典型的多學科交叉應用。因此，以微執行器為典型研究對象，將其引入到課程中，實現多學科交叉的實驗內容設計。但是，傳統的微執行器實驗教學由于需要復雜昂貴的微機械設計、微機械材料、微細加工、微裝配與封裝、集成技術以及微測量等環節，因此較難面向學生廣泛開展。本文設計了一種基于有限元軟件的PVDF納米薄膜微執行器虛擬仿真實驗(見圖1)。利用該有限元虛擬仿真模型，學生可以任意調整壓電材料特性(密度，相對介電矩陣，壓電應變矩陣、柔度矩陣等)、壓電材料的尺寸(長度、寬度和高度)、壓電電壓以及壓電結構(單層、串聯、并聯、混合等),從而使得學生具有非常高的靈活性去自主實現不同材料特性、不同機械結構的微執行器。

圖1 基于PVDF材料的微執行器實驗設計

2 直流電場傳感器虛擬仿真實驗設計

基于場磨結構的直流電場傳感器廣泛應用于當前智能電網的電磁環境檢測中。針對原有實驗存在的直流電場檢測機理理解較為抽象、傳感器標定復雜且具有一定的危險性的問題(標定用直流電壓0～50 kV)。本文基于有限元軟件開發了面向直流電場檢測的多物理場(機械-電磁場)虛擬仿真模型(見圖2)。學生可以利用該虛擬仿真模型完成直流電場傳感器的機械結構優化設計(葉片瓣數、葉片間距等參數)以及電場傳感器的虛擬標定、虛擬裝配等實驗內容。同時可將虛擬仿真的結果與傳感器所測量的真實結果進行比對，加深對直流電場檢測原理的理解。

(a) 實驗所用場磨結構直流電場傳感器

(b) 所開發的虛擬仿真實驗部分結果(改變傳感器葉片瓣數)

3 電暈電流檢測裝置的虛擬仿真實驗設計

電暈電流是表征特高壓輸電工程線路電暈放電情況最直接的參數，其精確的檢測方法對于特高壓輸電電磁環境、外絕緣和電暈特性的研究具有重要意義。但是,一方面，電暈電流檢測裝置需要安裝在±800 kV等級以上的特高壓輸電線路中，屬于高危或極端環境，所以高校實驗場地無法開展此類實驗教學；另一方面，電暈電流監測裝置價格昂貴、精密、易損壞,裝置臺套數少, 所以在實際教學中無法保證每個學生動手進行實際操作,很難達到滿意的教學效果。因此本文基于有限元軟件開發了面向電暈電流檢測傳感器的虛擬仿真模型(見圖3)。學生可以利用該虛擬仿真模型實現傳感器的均壓環尺寸、子導線分裂數、子導線半徑等參數的優化設計，并虛擬觀測該虛擬檢測裝置的耐壓能力以及電場分布參數數值。

1.絕緣法蘭，2.屏蔽環，3.子分裂電阻，4.金屬法蘭，5.均壓環，6.管母線

(d) 部分虛擬仿真結果(傳感器的固定桿間距對檢測結果的影響分析)

圖3 電暈電流檢測實驗設計

4 結 語

面向我校多個學科的研究生(控制科學、電子信息、儀器、航空宇航等)，經過7年多的實驗內容持續迭代建設和實踐教學環節驗證，所開發構建的多物理場實驗環境和實驗對象充分發揮了虛擬仿真實驗教學獨特、不可替代的作用，極大地增加了學生對多學科學習的熱情和積極性，培養了學生從多尺度、多場角度考慮問題的科學習慣。同時，學生通過完成虛擬仿真實驗進一步培養了自己獨立思考的能力 ,非常有利于培養學生的創新實踐能力。最后，通過虛擬仿真實驗手段,進行虛實結合的實驗訓練,極大地提高了學生解決科研問題的興趣,為學生未來從事科研活動打下堅實的基礎。