虛擬仿真在傳感器線上線下教學中的應用

楊 琛, 陳 忠, 金光哲, 張 錚, 霍海波

（上海海洋大學工程學院, 上海 201306）

《傳感器與現代檢測技術》（簡稱傳感器）是電氣專業、測控專業、機器人專業以及機械自動化專業的必修課程和核心課程。該課程綜合了物理學、電學、化學、材料學等多學科知識和技術, 是一門涉及內容廣、學科交叉、實驗學時多、實踐應用要求高的課程。以電氣專業為例, 傳感器課程共48學時, 其中理論與實驗各24學時, 主要講授傳感器的一般分析方法、各類傳感器的工作原理、特性和應用以及非電量檢測方法, 除了介紹常見的傳感器基本知識外, 還涉及大量的檢測電路及信號調理內容。

目前, 傳感器課程采用線上線下混合式教學模式, 很大程度上解決了知識點多、信息量大與教學學時少的矛盾。然而實驗教學過程中, 傳統教學模式相對不足, 主要問題表現在：

（1）課程教學過程中涉及大量檢測電路知識, 不但需要掌握電路的工作原理, 還需要了解應用場景和特點。但是可用教學學時較少, 一般很難深入開展教學。

（2）實驗教學過程中, 驗證性項目較多, 開放性、綜合性項目較少, 學生的學習能動性受限。

（3）傳感器型號繁多, 不同類型傳感器的工作原理、工作方式各異, 實驗室提供的傳感器種類有限。由于傳感器是精密儀器, 實驗設備元器件很容易損壞, 現場實驗有時無法滿足, 效果較差。

（4）在實際工程應用中, 傳感器是檢測系統的信號采集部分, 通常需要配合采集卡、單片機、顯示器、存儲器等其他設備才能實現。在有限實驗條件下, 實驗內容單一, 操作簡單。同時, 綜合型實驗在實驗室很難部署, 難以充分鍛煉學生的實踐綜合能力, 理論與實踐相結合的效果差。

實驗在傳感器課程中占據了十分重要的地位, 除了完成實驗教學中各種實驗外, 在理論教學過程中同樣涉及大量的演示實驗和綜合設計實踐環節。如何有效開展傳感器課程的實驗環節, 采用合理的實驗教學模式, 從而促進學生更好地掌握傳感器課程知識, 并能靈活應用于工程實踐十分關鍵。

1 混合式虛擬仿真教學模式

隨著虛擬仿真技術的發展, 教學過程中引入虛擬仿真輔助教學的案例越來越多[1-4］。針對上述提到的教學問題, 結合傳感器課程特點, 提出了線上線下混合式虛擬仿真實驗教學模式。通過構建“實驗過程虛擬仿真—Multisim檢測電路虛擬仿真—LabVIEW/Proteus綜合實踐虛擬仿真”分層混合式虛擬仿真教學模式, 將不同類型的虛擬仿真實驗穿插進教學各環節, 在理論教學過程中激發學生能動性、創造性, 提高教學質量, 高質量完成教學目標。具體混合式虛擬仿真實驗教學模式如圖1所示。

圖1 混合式虛擬仿真實驗教學模式Fig.1 Teaching mode of hybrid virtual simulation experiment

1.1 實驗過程虛擬仿真輔助驗證性實驗預習

實驗教學環節共包含7個驗證性實驗, 實驗過程包括傳感器的選擇、安裝、測試、觀察、記錄等操作。為了提高課內實驗效率, 利用THSRZ-2型傳感器系統虛擬仿真軟件設計了實驗操作過程的虛擬仿真實驗。通過軟件仿真模擬實驗全過程, 讓學生通過虛擬仿真進行實驗預習, 提前熟悉實驗內容和實驗過程, 提高線下實驗效率和效果。

1.2 Multisim虛擬演示仿真輔助課內檢測電路教學

傳感器使用過程中可根據工程需要對信號進行調節, 因此教學中包括多種常見的檢測電路, 例如放大電路、濾波電路和調制解調電路等。這些電路知識貫穿于“電路”“模擬電子技術”和“數字電子技術”三門基礎課。檢測電路常常是模數混合電路, 結構復雜, 知識點綜合, 理論抽象, 學生對該類電路難以掌握和理解。為了便于學生學習, 利用Multisim構建了常見的檢測電路仿真模塊, 通過課堂上對檢測電路的仿真演示, 使得抽象的電路教學更為具體和生動, 增加學生對電路原理、應用及性能的理解和掌握。

1.3 LabVIEW/Proteus虛擬設計仿真輔助綜合設計性教學

實驗教學過程中, 除了常規的驗證性實驗外, 課程項目式教學過程中還增加了綜合設計。要求學生根據傳感器與現代檢測技術的理論方法, 設計完整的傳感器或檢測系統, 觀察并進行性能分析。由于實驗時間和條件的限制, 將這些拓展性設計通過LabVIEW/Proteus進行虛擬仿真實現, 通過觀察和分析仿真結果輔助綜合設計性教學。

2 實驗過程虛擬仿真

在教學過程中, 為了進一步加強學生對傳感器工作原理、性能、檢測方法與應用等的了解和掌握, 實驗教學環節開設了7個驗證性實驗, 分別是金屬箔式應變片性能實驗、電容式傳感器實驗、差動變壓器實驗、電渦流傳感器實驗、壓電式傳感器實驗、霍爾式傳感器實驗、熱電偶測溫實驗。

完成這些實驗需要進行傳感器選擇、檢測模塊選擇、檢測系統搭建、現象觀察記錄以及數據分析。為了在有限的實驗時間內完成所有的實驗操作, 更好地去觀察實驗現象, 在教學環節中引入了7個對應的虛擬仿真操作實驗, 通過虛擬仿真完成實驗預習環節。

7個虛擬仿真實驗是基于THSRZ-2型傳感器系統虛擬仿真軟件設計的, 該軟件是傳感器實驗設備自帶的虛擬仿真軟件, 涵蓋了實驗所需的所有傳感器模塊、檢測電路模塊、虛擬檢測儀表模塊, 通過虛擬仿真平臺完成檢測系統的模擬搭建, 并進行虛擬仿真。部分虛擬仿真案例如圖2所示。

圖2 驗證性實驗過程虛擬仿真案例Fig.2 Virtual simulation case of confirmatory experimental process

圖2展示了金屬箔式應變片性能實驗和霍爾傳感器轉速測試2個實驗。學生進入實驗室前, 在軟件平臺上仿真, 進行實驗仿真操作預習, 通過連線、數據觀察等仿真環節, 熟悉實驗內容、過程、接線步驟, 并通過仿真實驗現象加深對實驗目的及知識點的理解和掌握。

3 檢測電路演示虛擬仿真

在理論教學過程中涉及大量檢測電路的應用, 通過各類信號處理電路實現檢測信號的放大、濾波、轉換和調制解調等。因此熟練掌握檢測電路的原理、功能和性能指標對檢測技術的學習和應用至關重要。

Multisim是美國國家儀器（NI）公司推出的以Windows為基礎的仿真工具, 適用于板級的模擬/數字電路板的設計工作。根據課程內容, 利用Multisim對傳感器進行建模, 并對檢測電路進行仿真[7］。通過課堂仿真呈現檢測信號波形、轉換過程等, 加深學生對傳感器機理、檢測電路性能及功能的理解。

針對各類傳感器建立了電路仿真模型, 如：應變片傳感器、電容式傳感器、壓電式傳感器等虛擬仿真電路模型。同時針對常用檢測電路制作了虛擬仿真案例, 如橋式電路、脈沖寬度調制電路、相敏檢波電路等。

圖3為檢測電路仿真模型, 即電容式傳感器的檢測電路——脈沖寬度調制電路仿真。其中C1、C2表示差動電容, 通過調節C1、C2參數模擬差動電容器的工作過程, 并通過示波器觀察各關鍵點的輸出波形。利用虛擬仿真, 使教學更加生動具體, 讓學生對檢測電路的工作原理理解得更加深刻。

圖3 檢測電路仿真模型Fig.3 Simulation model case of detection circuit

4 綜合設計性實驗虛擬仿真

為了提高學生的綜合實踐能力, 除了驗證性實驗外, 教學過程中還涉及多個綜合性實驗和設計性實驗。在該環節中, 設計了綜合仿真案例, 在完成綜合實驗前, 可以通過仿真軟件搭建仿真原型, 驗證綜合性檢測系統設計的合理性, 找出潛在的問題加以修改和完善。

LabVIEW是由NI公司研制開發的程序開發環境, 包含許多測試模塊和控制模塊。Proteus軟件是英國Lab Center Electronics公司出版的EDA工具軟件, 可以進行電子線路仿真和設計, 以及單片機系統仿真[8］。這兩個仿真軟件都是教學過程中常用的仿真軟件。在綜合實踐環節中可以利用LabVIEW/Proteus仿真軟件對綜合性設計項目進行仿真設計, 完成基于傳感器的綜合檢測系統的電路設計、軟件編程。

圖4展示的是利用LabVIEW完成的溫度控制綜合實驗仿真案例。通過前面板和后面板的設置, 展示了溫度檢測、顯示及閉環控制過程。將學生的綜合設計在仿真軟件中虛擬實現, 解決了綜合實驗環節實驗條件及實驗時間不足的問題。學生在仿真過程中驗證并檢查自己的檢測方案, 增強檢測系統設計的能力。

圖4 溫度控制綜合實驗仿真案例Fig.4 Simulation case of temperature control comprehensive experiment

5 結 論

在理論課堂和實踐教學過程中引入虛擬仿真技術, 構建分層的混合式虛擬仿真教學模式, 可以將傳感器及檢測技術中抽象的理論教學形象、直觀地展示。學生可以通過仿真結果、波形、現象等形式深刻了解到傳感器及檢測電路的工作機理、性能指標及功能, 使課程的教學內容形象化, 能夠讓學生更好地理解和掌握課程中的知識點, 激發學生的學習興趣, 增強學生的綜合應用能力, 提高課堂教學效果。