基于虚拟仿真技术的光电测量实验教学改革研究

蒋曲博++秦祖军++张丽娟++甘永进++宁维莲

摘 要：光电测量技术是一门较抽象的学科，为了更直观、形象地展示光电测量技术中的一些物理原理和实验现象，该文搭建了基于虚拟仿真思想的光电测量实验平台，从实验平台的搭建、调试方法和效果、测量的结果等介绍了该实验仿真平台的整体构思和具体功能，将相关实验步骤通过动画的形式进行演示，使学生在课程与实验的学习中获得更直观的教学感受。

关键词：光电测量 虚拟仿真 实验平台

中图分类号：O4-33 文献标识码：A 文章编号：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 光电检测教学内容与特点

作为电子信息科学的一个重要分支，光电检测技术将电子技术和检测技术、控制技术等进行结合，具有比传统纯电子测量技术测量精度更高、速度更快、检测无损坏、自动化程度更高等特点，所以光电检测技术的发展非常迅速，许多高等工科院校的“測控技术与仪器、光电信息科学与工程”和“电子信息工程”等专业已将光电检测相关课程列为必修或重要选修课程。

光电检测技术以激光、红外光以及光电传感器等为基础，是一种非接触式的测量方法，通过光电传感器将接收到的光辐射转换为电信号[1]，再由输入电路、放大滤波等检测电路提取有用信息，再由A/D模块进行模数转换后输入PC机进行信号处理以实现相关信息被测量的功能。作为一项面向实际测量与控制的学科，其应用性极强，但是，实际教学经验中，一些现实问题表现十分明显，主要集中在以下几个方面。

（1）由于光电测量技术的实验通常要用到前级光学系统，如激光器、光路中的各种光学零散元件、光电传感器等，这些光学系统及零配件普遍易碎而又价钱昂贵。实践教学过程中，尽管实验指导老师都会一再强调实验操作的规范性与安全性，但是学生数量众多、实验平台使用频繁，终归还是免不了有实验系统和零配件的损坏，造成了财物损失。

（2）光电测量系统以及相关实验平台价格较高，占用资源大。为了让学生更好地掌握光电检测技术的相关内容，光学系统一般是开放的摆放在面积和重量都很大的光学平台上，并且激光作为光电测量最常用测量载波，需要一定的传输距离，所以需要相关实验室有足够的空间。加之光学实验平台相关设备价格高购买有限，所以，光电检测技术实验相关的仪器设备数量较少，但是学生的人数日益增长以及学校“以学生为本”对实践教学越来越重视，实验平台数量的缺乏和学生人数增加的矛盾日益突出[2]。

（3）光电检测技术实际操作的调试抽象性和危险性使实验教学面临困难。由于光电测量技术中必须用到精确的相关光路或光学系统来体现和保证最终光电测量技术的精度，而这些光路和光学系统的精确度，需要有相当复杂的调试过程：一方面需要人眼非常细致的观察光路中一些只能容纳一只人眼来看的小孔径内部的情况来保证调试的精度，这使得实验教师的讲解和学生的理解都有相当的抽象性，通常双方都需要花费大量的实验课时间来互相理解基本的现象，造成实际实践操作时间减少；另一方面鉴于激光对人眼和人体的一定伤害性，调试过程又不能全程都用人眼直接观察激光的传输过程，这使得光路的调试更多时候需要花费更多的时间和精力来获得足够的调试经验才能更好地获得实验效果，也直接造成了实际实践操作时间的减少。

因此，希望建立一个光电测量虚拟仿真实验平台，能够对现有的光电检测技术实验教学，如光电检测技术及应用、光电仪器原理与设计、光纤通信原理与技术、常用光电仪器及应用、激光技术等课程实验的教学进行一次较大的教学改革[3]，使得相关课程的实验教学能够更好更有效地开展，提高学生的动手和创新能力。

2 光电测量实验仿真平台结构及功能

光电测量虚拟仿真实验平台的建立[4-5]，将可为光电测量技术、光电仪器原理与设计、光纤通信原理与技术、常用光电仪器及应用、激光技术等多门光电类实验课程的多个实验提供虚拟仿真的实验平台，如HE-NE激光器的设计搭建及调试实验，电子散斑技术测量物体的微位移实验，光交叉连接模拟实验等。

由光电测量实验教学的具体要求，该文初步设计的光电测量实验虚拟仿真平台总界面如图1所示。其中，点击左侧图标进入HE-NE激光器的设计搭建及调试实验，点击右侧图标进入电子散斑技术测量物体的微位移实验。

以HE-NE激光器的设计搭建及调试实验为例进行介绍，项目完成后，以软件仿真的界面，将整个实验较为抽象和危险的设计过程、调试过程和测量过程，以人机交互和动画的形式，展示可设计性、不同设计的效果、激光器的搭建、调试的方法和效果、测量的结果等。具体过程框图如图2所示。

当以正确的方法观察到正确的观察对象、正确的调节调试旋钮看到正确的实时观察效果后，就能得到最终正确的整个激光器系统的出光效果，由此来虚拟仿真整个调试过程。学生在经过了虚拟仿真平台的操作之后，更好地理解和掌握了实验原理、操作方法后，再到实际操作平台中，选择实际元件，完成搭建实际激光器并调试出光及后续测量的实验步骤。该实验平台部分操作图3如下所示。

此虚拟仿真平台的建立，能很好地解决在这个实验中的如下几个问题。

（1）设计方法、方案抽象。

（2）搭建激光器系统的步骤、细节繁多，一旦出现搭建的错误，轻则最终不能调出激光，重则烧毁实际激光泵浦源或激光管，更严重的可能因為接错电极线而导致学生人身伤害。

（3）调试时观察的对象、内容和效果的口头讲解抽象性，以及实际操作时用人眼直接观察的时机不正确导致的危险性。

3 结语

该光电测量实验仿真平台功能虽还未十分完善，但稳定性好、使用灵活、有较大的发展和开发潜力。该实验仿真平台的研制对光电测量实验教学及其相关课程的教学有一定的推动和促进作用。在实际教学中，该平台的使用不仅可以激发学生的学习主动性，使学生获得更直观的物理体验，提高学生动手能力，还能在一定程度上减少实验教师相应的工作。

参考文献

[1] 张维梁.以光纤位移传感器实现的多通道雷管填药量在线监测系统[D].北京交通大学，2008.

[2] 张淑林，裴旭.高校集约性学科平台建设的探索与思考[J].学位与研究生教育，2004（6）：16-20.

[3] 张文涛，蒋曲博，汪杰君，等.《光学设计》课程教学方法改革初探[J].科技创新导报，2011（2）：179，181.

[4] 王小曼，宋路，刘智.基于虚拟仪器的光电检测实验台的研制[J].实验技术与管理，2002（6）：56-59.

[5] 吕旗.基于虚拟仪器的光电检测实验台的研究[D].长春理工大学，2005.