摘"要：“傳感器及自動檢測技術(shù)”是融合多學(xué)科知識的理工科相關(guān)專業(yè)的重要課程。在教學(xué)中，為更好地培養(yǎng)學(xué)生的綜合能力，在分析課程內(nèi)容特點(diǎn)、學(xué)生學(xué)習(xí)特點(diǎn)和教學(xué)要求的基礎(chǔ)上，本文提出融合多科知識的仿真實(shí)驗項目設(shè)計教學(xué)策略。以文丘里管和孔板流量傳感器為例，介紹計量原理、機(jī)械結(jié)構(gòu)和流動方程，借助軟件進(jìn)行幾何建模和數(shù)值模擬，比較分析兩種流量傳感器的流場仿真結(jié)果。所做工作有助于學(xué)生直觀理解所學(xué)知識，提升學(xué)生綜合能力，為理工科的專業(yè)課教學(xué)提供參考。

關(guān)鍵詞：流量；傳感器；仿真；項目；設(shè)計

“傳感器及自動檢測技術(shù)”課程（以下簡稱傳感器課程）是機(jī)電類和電子信息類等相關(guān)專業(yè)的核心課程，是多學(xué)科知識相融合的專業(yè)基礎(chǔ)課程。為使教師更好地講授，學(xué)生更好地掌握這門課程，需要在分析課程、學(xué)生和教學(xué)特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，提出適當(dāng)?shù)慕虒W(xué)策略?；诖耍疚奶岢鋈诤隙嗫浦R的仿真實(shí)驗項目設(shè)計教學(xué)策略，并以差壓式流量計為例，進(jìn)行仿真項目的設(shè)計和實(shí)施。

1"課程教學(xué)分析

（1）課程內(nèi)容特點(diǎn)。傳感器是將非電量轉(zhuǎn)換成電量，完成這一轉(zhuǎn)換過程的器件。傳感器課程是機(jī)電類和電子信息類等相關(guān)專業(yè)的核心課程，通常在大三開設(shè)。傳感器課程主要包含電阻、電感、電容、壓電、超聲、霍爾、光學(xué)和位置等傳感器的基礎(chǔ)理論、電路設(shè)計、工程應(yīng)用和計算機(jī)輔助測試等。傳感器課程內(nèi)容涉及電學(xué)、力學(xué)、光學(xué)、熱學(xué)、聲學(xué)和機(jī)械等眾多學(xué)科領(lǐng)域，知識覆蓋面相對較廣；密切相關(guān)的課程有“高等數(shù)學(xué)”“大學(xué)物理”“電工學(xué)”“單片機(jī)”“程序設(shè)計”“化學(xué)”和“力學(xué)”等。傳感器課程具有很強(qiáng)的實(shí)踐性，需要密切聯(lián)系實(shí)際，加強(qiáng)實(shí)驗，注重概念理解［12］。

（2）學(xué)生學(xué)習(xí)課程的特點(diǎn)。多數(shù)學(xué)生重視并認(rèn)真學(xué)習(xí)該課程，但也存在一些問題。與某些考研初試課程相比，部分學(xué)生不夠重視傳感器課程，學(xué)習(xí)興趣和積極性不高。此外，部分學(xué)生存在學(xué)科基礎(chǔ)不扎實(shí)、不善于思考、主觀能動性和動手實(shí)踐能力較差等現(xiàn)象，使得傳感器方面的工程意識和創(chuàng)新意識薄弱，不善于發(fā)現(xiàn)工程問題，較難做到學(xué)以致用。

（3）教學(xué)要求。在工程專業(yè)認(rèn)證和應(yīng)用型本科專業(yè)創(chuàng)建的背景下，對專業(yè)課程的教學(xué)提出了新要求。工程專業(yè)認(rèn)證的要點(diǎn)是以學(xué)生為中心，以產(chǎn)出為導(dǎo)向和持續(xù)的教學(xué)質(zhì)量改進(jìn)，使學(xué)生能夠針對專業(yè)領(lǐng)域的復(fù)雜工程問題，開發(fā)、選擇與使用恰當(dāng)?shù)募夹g(shù)、資源、現(xiàn)代工程工具和信息技術(shù)工具，對復(fù)雜工程問題進(jìn)行預(yù)測與模擬，并理解其局限性。工程專業(yè)認(rèn)證能促進(jìn)應(yīng)用型本科專業(yè)的創(chuàng)建，能促使學(xué)生所學(xué)專業(yè)知識與工程應(yīng)用緊密結(jié)合，提升學(xué)生的工程實(shí)踐能力。

（4）教學(xué)策略。在傳感器課程教學(xué)中，針對存在的理論教學(xué)內(nèi)容枯燥和實(shí)踐教學(xué)效果欠佳，學(xué)生創(chuàng)新意識及工程應(yīng)用能力與教學(xué)要求存在差距，以及學(xué)生興趣不足和學(xué)習(xí)積極性低等問題，在教學(xué)方法及形式方面，將講授知識轉(zhuǎn)變?yōu)橐龑?dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)。采用理論與工程實(shí)踐項目相結(jié)合的方式，利用軟件進(jìn)行生產(chǎn)及生活中典型傳感器的仿真實(shí)驗。引導(dǎo)學(xué)生主動參與、協(xié)同合作和探索創(chuàng)新，從而提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣和主動參與意識。加深理解和掌握傳感器理論知識，增強(qiáng)動手實(shí)踐能力，提升傳感器課程的教學(xué)效果。

（5）仿真實(shí)驗項目設(shè)計。根據(jù)以上分析，提出工程實(shí)踐教學(xué)仿真實(shí)驗項目設(shè)計的教學(xué)策略。在項目設(shè)計中，選擇適當(dāng)?shù)膫鞲衅?，綜合應(yīng)用多學(xué)科知識，分析原理和結(jié)構(gòu)，借助合適的軟件進(jìn)行建模和結(jié)果分析。傳感器仿真的優(yōu)點(diǎn)是將傳感器的測量原理、測量過程和測量結(jié)果等，以圖形、動畫和視頻的方式清晰直觀地表達(dá)出來，彌補(bǔ)實(shí)物實(shí)驗教學(xué)的不足，提高感性認(rèn)識，提升學(xué)習(xí)興趣。傳感器仿真的更重要優(yōu)點(diǎn)是引導(dǎo)學(xué)生綜合使用數(shù)理化、電工電子、機(jī)械等多學(xué)科知識，進(jìn)行建模仿真和數(shù)據(jù)分析，促進(jìn)理論知識的理解，提升學(xué)生融會貫通、綜合應(yīng)用創(chuàng)新能力，為學(xué)生的創(chuàng)新項目、學(xué)科競賽和畢業(yè)論文服務(wù)。基于此，本文以差壓型流量傳感器為例，借助COMSOL軟件進(jìn)行傳感器的仿真實(shí)驗項目設(shè)計（見圖1）。

2"項目實(shí)例設(shè)計與分析

2.1"設(shè)計方案

差壓式流量傳感器作為經(jīng)典流量計，在國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T2624中，對文丘里管、孔板和噴嘴等流量計的幾何結(jié)構(gòu)、適用介質(zhì)和雷諾數(shù)等，進(jìn)行了指定范圍內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)化［3，4］。因此，采用差壓式流量傳感器類別中的文丘里管和孔板流量傳感器作為項目的研究對象。

（1）幾何模型。依據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)，確定文丘里管和孔板流量傳感器的幾何模型。為便于比較，兩種流量傳感器的所在管道直徑、直徑比、上游直管段、下游直管段等參數(shù)均相同，依次為50mm、0.6mm、750mm、500mm。此外，對于文丘里管，圓錐收縮段角度21°、圓錐擴(kuò)散段角度8°、上游取壓口直徑4mm、下游喉部取壓口直徑3.3mm。對于孔板，孔板厚度1.5mm、節(jié)流孔厚度0.5mm、孔板斜角45°，上游和下游的取壓口直徑均為5mm。采用1∶1比例，建立三維模型（見圖2）。

（2）網(wǎng)格及求解設(shè)置。網(wǎng)格類型為四面體網(wǎng)格，為提高微小結(jié)構(gòu)處如曲面交界處等的網(wǎng)格質(zhì)量，提高計算結(jié)果的準(zhǔn)確度，適當(dāng)減小了網(wǎng)格的最小單元尺寸。文丘里管和孔板的網(wǎng)格單元數(shù)分別為5.8萬和11.8萬。求解時，流體為水，入口和出口的邊界條件分別為速度和壓力，用穩(wěn)態(tài)求解器進(jìn)行求解。

（3）計算理論。在湍流模型中，二方程模型是最重要的湍流模型。二方程模型包括標(biāo)準(zhǔn)kε、kω和RNG"kε等湍流模型。二方程模型中，kε模型使用較廣泛，定常狀態(tài)的表達(dá)式如下。

ujuixj=xj1ρ（μ+μt）uixj－1ρpxi（1）

ujkxj=xj1ρμ+μtσkkxj+Gk－ε（2）

ujεxj=xj1ρμ+μtσεεxj+εkCε1Gk－Cε2ε（3）

式（1）—式（3）中k、ε、p、u、ρ和μ依次為湍動能、耗散率、壓力、速度、密度和黏度，σk、σε、Cε1、Cε2和Cμ為湍流模型常數(shù)，其值依次為1.0、1.3、1.44、1.92和0.09，μt為動力黏度，μt=ρCμ（k2/ε），Gk為湍動能生成項，Gk=（μt/ρ）S2，S為平均流剪應(yīng)變率幅值［5］。kε模型計算量和數(shù)據(jù)儲存量較小，計算資源耗費(fèi)低，雷諾數(shù)計算范圍寬，廣泛用于數(shù)值模擬領(lǐng)域。

（4）結(jié)果驗證。選擇流出系數(shù)進(jìn)行仿真結(jié)果驗證。首先，在上游和下游的取壓口處，分別提取靜壓的表面平均值，得到壓差。其次，根據(jù)流出系數(shù)公式，計算得到仿真的流出系數(shù)值。最后，以GB/T"2624給出的流出系數(shù)值為基準(zhǔn)，并將其與仿真的流出系數(shù)值相比較，得到仿真的相對誤差［3，4］。在雷諾數(shù)范圍為0.5萬至50萬時，文丘里管和孔板分別取5個和8個雷諾數(shù)（見圖4），根據(jù)計算結(jié)果可知，文丘里管和孔板仿真的流出系數(shù)相對誤差分別為095%和1.18%，與GB/T2624給出的流出系數(shù)不確定度接近，計算方案得到驗證。

2.2"結(jié)果分析

在經(jīng)過管道軸向中心線的截面上，管道入口雷諾數(shù)相同時，文丘里管和孔板的流速和壓力分布見圖3。（1）流速分布見圖3（a）和圖3（c）。對于文丘里管和孔板，在經(jīng)過節(jié)流件時，流速突然增大，在喉部或節(jié)流孔增至最大，離開節(jié)流件后，流速開始降低。對于文丘里管和孔板，與管道中心相比，管道壁面附近的流體速度明顯降低。在流場形態(tài)方面，與文丘里管相比，孔板節(jié)流件附近的下游存在較明顯的漩渦。（2）壓力分布見圖3（b）和圖3（d）。對于文丘里管和孔板，流體在經(jīng)過節(jié)流件時，壓力突然下降，在喉部或節(jié)流孔降至最低，離開節(jié)流件后，壓力開始升高。對于文丘里管和孔板，在節(jié)流件處，流體速度與流體壓力的變化趨勢呈現(xiàn)相反的特征。

在管道軸向中心線上，管道入口雷諾數(shù)相同時，文丘里管和孔板的流速和壓力變化，見圖4（a），分析如下。在節(jié)流件處，文丘里管和孔板的流速變化特征類似，均呈現(xiàn)先升后降的現(xiàn)象。在節(jié)流件處，文丘里管和孔板的壓力變化特征也類似，均呈現(xiàn)先降后升的現(xiàn)象。在節(jié)流件處，文丘里管的流速和壓力變化劇烈程度小于孔板。此外，在遠(yuǎn)離節(jié)流件的下游，文丘里管和孔板的流速和壓力值呈現(xiàn)出接近的現(xiàn)象。

在管道上游和下游的取壓口處，管道入口雷諾數(shù)不相同時，文丘里管和孔板的流速、上游取壓口壓力、下游取壓口壓力和上下游取壓口壓差等的變化，分別見圖4（b）和圖4（c）。對于文丘里管和孔板，上游和下游的取壓口壓力值分別為正值和負(fù)值，隨雷諾數(shù)增加，流速值、上游壓力值、下游壓力絕對值和壓差值均呈現(xiàn)增加的趨勢。當(dāng)雷諾數(shù)相同時，文丘里管和孔板的入口流速相同，而文丘里管的上游壓力值、下游壓力絕對值和壓差值均小于孔板。

綜上所述，文丘里管和孔板均屬于差壓式流量計，其流場形態(tài)既相似，也存在差異。流場形態(tài)相似是因為兩者均屬于節(jié)流件，遵循節(jié)流原理。而流場形態(tài)存在差異源于節(jié)流件結(jié)構(gòu)特征的差異。文丘里管的節(jié)流件包含收縮段、喉部和擴(kuò)散段三部分，而孔板的節(jié)流件主要含節(jié)流孔，兩者結(jié)構(gòu)特征存在差異。

結(jié)語

在傳感器課程教學(xué)中，為培養(yǎng)學(xué)生的綜合能力，在分析課程、學(xué)生和教學(xué)特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，以文丘里管和孔板流量傳感器為例，融合多科目知識，進(jìn)行仿真實(shí)驗項目設(shè)計。本文介紹了基本結(jié)構(gòu)、計量原理和所用的湍流模型方程，用數(shù)值模擬方法，進(jìn)行幾何建模、網(wǎng)格劃分和計算設(shè)置。依據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)，用流出系數(shù)驗證仿真準(zhǔn)確度，比較了幾何形狀和流動條件引起的流場特征及其差異。所進(jìn)行的仿真實(shí)驗項目設(shè)計，培養(yǎng)了學(xué)生綜合應(yīng)用所學(xué)的多科目知識，解決了復(fù)雜工程問題的能力，有助于學(xué)生加深對課程知識的理解和應(yīng)用，提升學(xué)生綜合能力，為理工科的專業(yè)課教學(xué)提供了參考。

參考文獻(xiàn)：

［1］梁森.自動檢測技術(shù)及應(yīng)用［M］.3版.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2018.

［2］朱紅霞.傳感器實(shí)驗課程教學(xué)創(chuàng)新性改革初探［J］.科技風(fēng)，2019（13）：8，12.

［3］用安裝在圓形截面管道中的差壓裝置測量滿管流體流量.第4部分：文丘里管，GB/T"2624.42006［S］.北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2007.

［4］用安裝在圓形截面管道中的差壓裝置測量滿管流體流量.第2部分：孔板，GB/T"2624.22006［S］.北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2007.

［5］張建，楊慶山.基于標(biāo)準(zhǔn)kε模型的平衡大氣邊界層模擬［J］.空氣動力學(xué)學(xué)報，2009，27（6）：729735.

基金項目：湖北文理學(xué)院2023年教學(xué)研究類項目工程實(shí)踐專項（JY2023060）；湖北文理學(xué)院博士科研啟動基金（2059055）

通信作者：孫彥招（1984—"），男，漢族，河南平頂山人，博士研究生，講師，研究方向：傳感檢測。