多物理场虚拟仿真的现代检测技术实验课程探索

崔 勇, 富 立, 刘颖异， 王秋生

(北京航空航天大学 a.自动化科学与电气工程学院; b.机械与控制工程国家级虚拟仿真实验教学中心，北京 100191)

0 引 言

多物理场虚拟仿真技术的兴起和高速发展，为高校实验教学工作带来了巨大的变革[1]。在一些实验环节，甚至完全无需进行物理实验，就可以将实验内容进行准确的模拟和预测。这种实验方式的革新不仅可以大幅缩短冗长的实验周期，同时能够节省大量制作实验样机的费用。同时，多物理场虚拟仿真实验教学具备“学科交叉融合”的典型特征。而当前“双一流”建设和“新工科”建设的重要目标之一是为我国产业发展和国际竞争提供多样化、创新复合型卓越工程科技人才[2-6]。多物理场虚拟仿真实验可为创新复合型“双一流”和“新工科”人才培养提供重要保障，实验的开展可以使学生既能运用所掌握的知识去解决现有学科的问题，还有能力学习其他学科的知识、新技术，从而有能力去解决未来发展出现的新问题[7-15]。

现代检测技术实验课程是我校面向研究生开设的校级实验课程，共32学时。其主要任务是通过该课程的学习，使学生进一步加深对典型物理对象检测原理的理解。但是，已有的实验内容仍然围绕应变、电压、电流、温度、湿度等传统检测对象以及传统的检测方法。这些实验内容的设置，在当前 “双一流”和“新工科”建设背景下，已经不能满足创新复合型人才的培养，落后于当前科技发展的趋势。因此，非常需要增加新的实验内容帮助学生建立多学科交叉的意识，养成在多学科空间观察、思考问题的习惯。

本文的教学研究工作依托国家级虚拟仿真实验教学中心(机械与控制工程虚拟仿真实验教学中心)开展，设计并开发了3种虚拟仿真实验。所设计的虚拟仿真实验能够使得学生直观地从多个角度理解典型检测系统工作原理。同时，由于实验耦合了材料学、电子学以及机械学等多学科背景知识，对帮助学生建立多学科交叉融合的意识，养成在多学科空间观察、思考问题的习惯起到了重要作用。

1 PVDF微执行器虚拟仿真实验设计

微执行器是微型检测系统和微型无人系统的关键部分，微执行器的实现牵涉到材料、机械、电等多个学科，是典型的多学科交叉应用。因此，以微执行器为典型研究对象，将其引入到课程中，实现多学科交叉的实验内容设计。但是，传统的微执行器实验教学由于需要复杂昂贵的微机械设计、微机械材料、微细加工、微装配与封装、集成技术以及微测量等环节，因此较难面向学生广泛开展。本文设计了一种基于有限元软件的PVDF纳米薄膜微执行器虚拟仿真实验(见图1)。利用该有限元虚拟仿真模型，学生可以任意调整压电材料特性(密度，相对介电矩阵，压电应变矩阵、柔度矩阵等)、压电材料的尺寸(长度、宽度和高度)、压电电压以及压电结构(单层、串联、并联、混合等),从而使得学生具有非常高的灵活性去自主实现不同材料特性、不同机械结构的微执行器。

图1 基于PVDF材料的微执行器实验设计

2 直流电场传感器虚拟仿真实验设计

基于场磨结构的直流电场传感器广泛应用于当前智能电网的电磁环境检测中。针对原有实验存在的直流电场检测机理理解较为抽象、传感器标定复杂且具有一定的危险性的问题(标定用直流电压0～50 kV)。本文基于有限元软件开发了面向直流电场检测的多物理场(机械-电磁场)虚拟仿真模型(见图2)。学生可以利用该虚拟仿真模型完成直流电场传感器的机械结构优化设计(叶片瓣数、叶片间距等参数)以及电场传感器的虚拟标定、虚拟装配等实验内容。同时可将虚拟仿真的结果与传感器所测量的真实结果进行比对，加深对直流电场检测原理的理解。

(a) 实验所用场磨结构直流电场传感器

(b) 所开发的虚拟仿真实验部分结果(改变传感器叶片瓣数)

3 电晕电流检测装置的虚拟仿真实验设计

电晕电流是表征特高压输电工程线路电晕放电情况最直接的参数，其精确的检测方法对于特高压输电电磁环境、外绝缘和电晕特性的研究具有重要意义。但是,一方面，电晕电流检测装置需要安装在±800 kV等级以上的特高压输电线路中，属于高危或极端环境，所以高校实验场地无法开展此类实验教学；另一方面，电晕电流监测装置价格昂贵、精密、易损坏,装置台套数少, 所以在实际教学中无法保证每个学生动手进行实际操作,很难达到满意的教学效果。因此本文基于有限元软件开发了面向电晕电流检测传感器的虚拟仿真模型(见图3)。学生可以利用该虚拟仿真模型实现传感器的均压环尺寸、子导线分裂数、子导线半径等参数的优化设计，并虚拟观测该虚拟检测装置的耐压能力以及电场分布参数数值。

1.绝缘法兰，2.屏蔽环，3.子分裂电阻，4.金属法兰，5.均压环，6.管母线

(d) 部分虚拟仿真结果(传感器的固定杆间距对检测结果的影响分析)

图3 电晕电流检测实验设计

4 结 语

面向我校多个学科的研究生(控制科学、电子信息、仪器、航空宇航等)，经过7年多的实验内容持续迭代建设和实践教学环节验证，所开发构建的多物理场实验环境和实验对象充分发挥了虚拟仿真实验教学独特、不可替代的作用，极大地增加了学生对多学科学习的热情和积极性，培养了学生从多尺度、多场角度考虑问题的科学习惯。同时，学生通过完成虚拟仿真实验进一步培养了自己独立思考的能力 ,非常有利于培养学生的创新实践能力。最后，通过虚拟仿真实验手段,进行虚实结合的实验训练,极大地提高了学生解决科研问题的兴趣,为学生未来从事科研活动打下坚实的基础。