實驗簡介：
（1）實驗的必要性及實用性
1）該實驗旨在服務于制造強國、質量強國、航天強國建設，培養(yǎng)新時代具有家國情懷和國際視野的航空航天領域高層次儀器儀表專業(yè)人才，加快傳感器關鍵核心技術攻關，突破技術裝備瓶頸，實現(xiàn)高端傳感設備的自主可控。
黨的二十大報告提出，推進新型工業(yè)化，加快建設制造強國、質量強國、航天強國、交通強國、網(wǎng)絡強國、數(shù)字中國；推動戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)融合集群發(fā)展，構建新一代信息技術、人工智能、生物技術、新能源、新材料、高端裝備、綠色環(huán)保等一批新的增長引擎。儀器儀表領域傳感器技術對于推動制造強國、質量強國、航天強國建設，促進新一代信息技術、人工智能及高端裝備發(fā)展，具有十分重要的作用。但是，國產(chǎn)高端儀器儀表裝備及先進傳感器的發(fā)展存在一定的技術瓶頸和高端人才短缺的問題。本虛擬仿真實驗將前沿航空用法-珀型光纖壓力傳感器科研成果反哺于實驗教學，堅持全員、全過程、全方位“三全育人”，將思想政治工作融入人才培養(yǎng)各環(huán)節(jié)，推動價值塑造、知識教育與能力培養(yǎng)“三位一體”有機結合。旨在培養(yǎng)未來能夠在航空航天行業(yè)儀器儀表及傳感器領域從事科學研究、技術開發(fā)和管理等高層次工作，有志為國家重大儀器設備及傳感器國產(chǎn)化做出杰出貢獻，具有家國情懷和國際視野，并可擔當引領未來和造福人類使命的儀器儀表行業(yè)一流領軍人才。
2）該實驗有效解決了教學實驗室環(huán)境下航空用法-珀型光纖壓力傳感器難以制備、航空器飛行時真實壓力環(huán)境難以復現(xiàn)等難題，成功將航空用法-珀型光纖壓力傳感器的設計與制備引入實驗教學，是傳感器原理課堂實驗教學的新嘗試。
一方面，法-珀型光纖壓力傳感器的工作原理非常抽象與復雜，其設計與制備原理涉及光學、化學、材料、電學、信號處理等多門學科，其制備設備成本較高、工藝復雜，在教學實驗室極難實現(xiàn)法-珀型光纖壓力傳感器的制備；另一方面，航空用法-珀型光纖壓力傳感器主要用于測量航空器飛行時真實的壓力參數(shù)，而航空器飛行時真實壓力環(huán)境在教學實驗中難以復現(xiàn)。因此，迫切需要一種能夠實現(xiàn)法-珀型光纖壓力傳感器制備及其在航空器壓力參數(shù)測量的虛擬仿真實驗教學系統(tǒng)，彌補傳統(tǒng)課堂教學中“紙上談兵”的不足之處。
3）該實驗是測控技術與儀器專業(yè)核心課程《傳感器原理》的重要支撐，將前沿航空用法-珀型光纖壓力傳感器科研成果反哺于實驗教學，以全新的方式培養(yǎng)學生分析和解決航空航天領域傳感器設計與制備等復雜工程問題的綜合能力。
《傳感器原理》是南京航空航天大學測控技術與儀器專業(yè)的主干核心課程，其中航空器壓力傳感和光纖傳感器設計制備分別是課程的重點和難點。因此本實驗將課程的重點及難點進行有機融合，采用“項目式教學”和“以學生為中心”的教學形式，圍繞航空用法-珀型光纖壓力傳感器設計與制備主題開展虛擬仿真實驗教學。實驗過程中學生根據(jù)不同的航空用壓力傳感器設計任務，將所學理論知識運用于法-珀型光纖傳感器的設計，鍛煉學生將傳感器理論與具體應用實踐相結合的能力，培養(yǎng)學生分析和解決航空航天領域傳感器設計與制備等復雜工程問題的綜合能力。
（2）教學設計的合理性
本項目秉承以學生為中心、以立德樹人為根本的教學理念，采取任務驅動式、交互體驗式、容錯探究式教學方法，采用以學生自主探究為主、教師指導為輔的教學方式，引導學生在高度仿真場景下開展航空用法-珀式光纖壓力傳感器設計、制備及應用。教學設計合理，內容嚴謹詳實，教學過程由易到難、由理論到實踐，遵循學生學習規(guī)律，具體情況如下：
1）教學內容從法-珀型光纖傳感器原理到航空用法-珀型光纖壓力傳感器設計與應用，兼具高階性、創(chuàng)新性和挑戰(zhàn)度
實驗項目設置了“實驗背景與傳感器原理認知”、“傳感器結構與解調系統(tǒng)設計”、“傳感器制備與標定”和“傳感器應用示例”四個實驗環(huán)節(jié)及相關子環(huán)節(jié)。教學內容除了包括法-珀干涉的基本原理、法-珀式光纖傳感器的壓力測量原理、法-珀式光纖壓力傳感器的制備等基礎理論知識，還要求學生根據(jù)航空器高度測量、飛行速度測量等不同應用場景下的壓力測量需求，有針對性地開展具有不同性能要求的航空用法-珀式光纖壓力傳感器的結構設計、解調方法設計、傳感器制備、性能測試及應用等一系列高階性、創(chuàng)新性實驗內容，具有較大的挑戰(zhàn)度。實驗教學內容設計重視理論知識與實驗應用相結合，實驗應用內容全面真實，致力于培養(yǎng)學生分析和解決航空航天領域傳感器設計與制備等復雜工程問題的綜合能力。
2）教學環(huán)節(jié)層層遞進，從法-珀型光纖傳感器的基本原理、核心知識到應用方法，遵循學生學習規(guī)律
教學環(huán)節(jié)設計由易到難，由知識理解到實踐應用，遵循學生的學習規(guī)律。包含4個環(huán)環(huán)相扣的實驗教學環(huán)節(jié)：“實驗背景與傳感器原理認知”、“傳感器結構與解調系統(tǒng)設計”、“傳感器制備與標定”和“傳感器應用示例”?！皩嶒灡尘芭c傳感器原理認知”環(huán)節(jié)，學生需要學習壓力測量對飛機飛行的重要性，并且了解傳統(tǒng)航空氣壓傳感器的不足及法-珀傳感器的優(yōu)越性；“傳感器結構與解調系統(tǒng)設計”環(huán)節(jié)，學生在理解法-珀干涉基本原理的基礎上，初步掌握法-珀型光纖壓力傳感器的感壓原理并完成傳感器結構設計，并在在系統(tǒng)了解對法-珀解調系統(tǒng)的原理的基礎上，根據(jù)需求選擇合適的解調方案，并初步搭建解調系統(tǒng)的光路；“傳感器制備與標定”環(huán)節(jié)，學生在掌握飛秒激光加工工藝操作流程的基礎上，完成傳感器加工和制備并對制備的傳感器的性能進行驗證，以保證傳感器的性能與工作穩(wěn)定性；“傳感器應用示例”環(huán)節(jié)，學生將制備的傳感器應用在真實航線上，觀察在飛機起飛、巡航及降落等飛行狀態(tài)下，傳感器是否滿足實際測量需求。學生可以在虛擬仿真實驗環(huán)境中，循序漸進學習航空用法-珀式光纖壓力傳感器的基本原理、核心知識和應用方法。
3）學生為中心的教學理念與項目式的教學方法相結合，培養(yǎng)學生自主探索、獨立思考的能力
打破傳統(tǒng)單一的教學方式，創(chuàng)新教學方法。本實驗以貼近工程實踐為宗旨，以虛擬仿真實驗的方式把航空用法-珀式光纖壓力傳感器的結構設計、加工工藝、標定及應用案例進行展現(xiàn)。以學生為中心的理念貫穿課程全過程，將研討式、任務驅動式、交互式、沉浸式及探索式教學方法應用于實驗教學，將學習的主動權交給學生，調動學生學習興趣，激發(fā)學生的學習潛力；把法-珀式光纖壓力傳感器的飛秒激光加工工藝引入到測控技術與儀器專業(yè)的本科實踐教學中，使學生們及時了解到現(xiàn)代傳感器復雜的工藝流程、先進的加工設備與使用；通過本實驗，將我國高端儀器儀表及先進傳感器技術面臨的卡脖子問題展現(xiàn)出來，積極引導當代學生樹立正確的國家觀、民族觀、歷史觀，鼓勵學生們進行原創(chuàng)性、開拓性、引領性研究。
（3）實驗系統(tǒng)的先進性
此虛擬仿真系統(tǒng)采用C#開發(fā)語言，基于Unity開發(fā)引擎發(fā)布的webgl版本的應用，主要采用websocket協(xié)議實現(xiàn)與服務器的通信和數(shù)據(jù)傳輸，3DMAX和Maya 實現(xiàn)3D圖形可視化。系統(tǒng)運行平臺：Windows 8/Windows 10，火狐瀏覽器、谷歌瀏覽器（64位）。用戶使用輕便化，無需下載安裝應用，直接打開網(wǎng)頁即可運行該虛擬仿真系統(tǒng)。
實驗背景：
本實驗的主要目的是為制造強國、質量強國和航天強國的建設服務，旨在培養(yǎng)新時代具有家國情懷和國際視野的航空航天領域高層次儀器儀表專業(yè)人才。通過加快傳感器關鍵核心技術的攻關，突破技術裝備的瓶頸，實驗著力于實現(xiàn)高端傳感設備的自主可控。此外，實驗在教學實驗室環(huán)境下有效解決了航空用法-珀型光纖壓力傳感器難以制備、航空器飛行時真實壓力環(huán)境難以復現(xiàn)等難題，并成功將其設計與制備引入實驗教學中，為傳感器原理課堂實驗教學開辟了新的路徑。此實驗不僅是測控技術與儀器專業(yè)核心課程《傳感器原理》的重要支撐，也利用前沿的航空用法-珀型光纖壓力傳感器科研成果反哺于實驗教學，以一種全新的方式培養(yǎng)學生分析和解決航空航天領域傳感器設計與制備等復雜工程問題的綜合能力。
空速和高度是飛行中最重要的參數(shù)，對飛機安全飛行至關重要。空速，即飛機相對周圍空氣的速度，是維持飛機升力以避免失速的關鍵。它通常通過皮托管來測量，這一設備測量動態(tài)壓力和靜態(tài)壓力的差值。而高度測量則是確定飛機相對海平面的垂直距離，通過高度表實現(xiàn)，該儀器測量周圍大氣壓力。測量不準確會導致嚴重后果，如美國航空965號班機事故和法國航空447號班機事故所示。
傳統(tǒng)測量方式如皮托管和高度表基于靜態(tài)和動態(tài)氣壓差原理，雖簡單、耐用，但易受環(huán)境因素影響，如冰堵、污染，增加飛行安全風險。它們在迅速變化的飛行環(huán)境中的響應可能不夠靈敏。
相比之下，法布里-珀羅（F-P）壓力傳感器采用先進光纖技術中的干涉原理測量壓力變化。其高精度、快速響應時間對快速機動的飛行器尤為重要。F-P傳感器對環(huán)境變化的敏感度低，不易受溫度、濕度或化學影響干擾，提供更可靠數(shù)據(jù)?；诜菣C械部件的工作原理，F-P傳感器具有更好的耐用性和穩(wěn)定性，減少維護需求和故障率，顯著提升飛行安全和運營效率。其小型化特點也便于集成到現(xiàn)代飛行器系統(tǒng)，助力設計更緊湊、輕量化飛行器。
設計原則：
本實驗項目通過改革測控專業(yè)課程教學理念、教學內容、教學方法，實行基于任務驅動式、探討式實驗教學，利用文字、圖片、3D模型、視頻等多種新媒體，虛實結合，通過學生線上航空用法-珀式光纖壓力傳感器設計的虛擬仿真實驗及課程課堂教學等混合式學習，突破時間與空間限制，讓學生對測量系統(tǒng)中的每個環(huán)節(jié)有一個全面的認識，培養(yǎng)學生具有自主設計創(chuàng)新型測控系統(tǒng)的能力。
（1）通過多媒體技術、虛擬現(xiàn)實技術構建了高度逼真的航空用法-珀式光纖壓力傳感器設計、校準及應用的教學環(huán)境，并對法-珀式光纖壓力傳感器的原理、結構、工藝、解調、校準等進行詳細地認知說明；同時構建了典型的法-珀式光纖傳感器的三維模型，根據(jù)任務驅動，學生根據(jù)性能指標設計結構參數(shù)，直觀地了解傳感器結構組成、加工工藝流程、校準過程及應用特點。
（2）利用虛擬仿真實驗展示法-珀式光纖壓力傳感器制作工藝流程，通過交互式操作加強學生對飛秒激光加工工藝以及法-珀式光纖壓力傳感器制造流程的理解，包括：準備工作、加工過程、清理過程、膜片加工及靜態(tài)壓力測試等多個環(huán)節(jié)，全面向學生展示了傳感器加工的具體過程。加工過程中的每一個參數(shù)設置都對應工藝中的關鍵要素，同時實驗以動畫的方式，再現(xiàn)了飛秒激光加工工藝環(huán)境。通過該實驗，學生可以了解和掌握基于飛秒激光加工工藝的法-珀式光纖傳感器的加工方式以及基本流程。
（3）構建法-珀干涉解調系統(tǒng)的設計實驗場景，學生根據(jù)總體任務和分項任務，從解調系統(tǒng)的元件庫中選擇并拖動元件，自行選擇解調系統(tǒng)設計的相應參數(shù)，完成不同結構解調系統(tǒng)的搭建，獲取解調系統(tǒng)的性能參數(shù)，引導學生根據(jù)解調系統(tǒng)輸出信號特征，分析解調系統(tǒng)是否滿足任務要求。
（4）構建法-珀式光纖壓力傳感器的靜動態(tài)標定環(huán)境，包括標準壓力源等標定設備、傳感器安裝要求及位置和方向等，形象地揭示不同因素對傳感器的靜動態(tài)特性影響的規(guī)律，并利用數(shù)據(jù)處理方法求出靜動態(tài)特性指標，加深同學們對計量校準中抽象概念的理解，提高學生數(shù)據(jù)處理、分析與推斷能力。
（5）搭建虛擬仿真環(huán)境，利用學生自己設計的航空用法-珀式光纖壓力傳感器，對典型的飛機高度測量系統(tǒng)、飛機空速測量系統(tǒng)中的壓力參數(shù)進行測量，并根據(jù)不同應用場景下的應力的不同測量精度、動態(tài)性能要求、量程等需求，幫助學生了解和掌握法-珀式光纖壓力傳感器的設計指標與具體應用場景之間的相互關系，分析誤差源及其影響因素，評估測量不確定度。最后通過傳感器在仿真航線中的應用示例來判斷學生所設計的傳感器是否可以勝任飛機狀態(tài)監(jiān)測的目標。
實驗目標：
本實驗項目通過改革測控專業(yè)課程教學理念、教學內容、教學方法，實行基于任務驅動式、探討式實驗教學，利用文字、圖片、3D模型、視頻等多種新媒體，虛實結合，通過學生線上航空用法-珀式光纖壓力傳感器設計的虛擬仿真實驗及課程課堂教學等混合式學習，突破時間與空間限制，讓學生對測量系統(tǒng)中的每個環(huán)節(jié)有一個全面的認識，培養(yǎng)學生具有自主設計創(chuàng)新型測控系統(tǒng)的能力。
（1）通過多媒體技術、虛擬現(xiàn)實技術構建了高度逼真的航空用法-珀式光纖壓力傳感器設計、校準及應用的教學環(huán)境，并對法-珀式光纖壓力傳感器的原理、結構、工藝、解調、校準等進行詳細地認知說明；同時構建了典型的法-珀式光纖傳感器的三維模型，根據(jù)任務驅動，學生根據(jù)性能指標設計結構參數(shù)，直觀地了解傳感器結構組成、加工工藝流程、校準過程及應用特點。
（2）利用虛擬仿真實驗展示法-珀式光纖壓力傳感器制作工藝流程，通過交互式操作加強學生對飛秒激光加工工藝以及法-珀式光纖壓力傳感器制造流程的理解，包括：準備工作、加工過程、清理過程、膜片加工及靜態(tài)壓力測試等多個環(huán)節(jié)，全面向學生展示了傳感器加工的具體過程。加工過程中的每一個參數(shù)設置都對應工藝中的關鍵要素，同時實驗以動畫的方式，再現(xiàn)了飛秒激光加工工藝環(huán)境。通過該實驗，學生可以了解和掌握基于飛秒激光加工工藝的法-珀式光纖傳感器的加工方式以及基本流程。
（3）構建法-珀干涉解調系統(tǒng)的設計實驗場景，學生根據(jù)總體任務和分項任務，從解調系統(tǒng)的元件庫中選擇并拖動元件，自行選擇解調系統(tǒng)設計的相應參數(shù)，完成不同結構解調系統(tǒng)的搭建，獲取解調系統(tǒng)的性能參數(shù)，引導學生根據(jù)解調系統(tǒng)輸出信號特征，分析解調系統(tǒng)是否滿足任務要求。
（4）構建法-珀式光纖壓力傳感器的靜動態(tài)標定環(huán)境，包括標準壓力源等標定設備、傳感器安裝要求及位置和方向等，形象地揭示不同因素對傳感器的靜動態(tài)特性影響的規(guī)律，并利用數(shù)據(jù)處理方法求出靜動態(tài)特性指標，加深同學們對計量校準中抽象概念的理解，提高學生數(shù)據(jù)處理、分析與推斷能力。
（5）搭建虛擬仿真環(huán)境，利用學生自己設計的航空用法-珀式光纖壓力傳感器，對典型的飛機高度測量系統(tǒng)、飛機空速測量系統(tǒng)中的壓力參數(shù)進行測量，并根據(jù)不同應用場景下的應力的不同測量精度、動態(tài)性能要求、量程等需求，幫助學生了解和掌握法-珀式光纖壓力傳感器的設計指標與具體應用場景之間的相互關系，分析誤差源及其影響因素，評估測量不確定度。最后通過傳感器在仿真航線中的應用示例來判斷學生所設計的傳感器是否可以勝任飛機狀態(tài)監(jiān)測的目標。
實驗要求：
氣壓傳感器及其應用認知：
理解航空領域對壓力檢測的新要求及傳統(tǒng)技術的不足。
學習F-P傳感器在航空壓力測量領域的優(yōu)勢和應用案例。
掌握傳感器的功能、類別、結構及工作原理。
航空用F-P型氣壓傳感器結構及解調方式設計：
了解不同航空測量目標（如高度、速度）的傳感器設計要求。
在虛擬環(huán)境中模擬傳感器結構設計和解調系統(tǒng)搭建。
根據(jù)設計目標和應用需求，選擇合適的傳感器性能參數(shù)和解調方案。
制備與標定：
理解并模擬F-P傳感器的加工工藝，特別是飛秒激光加工技術。
在仿真環(huán)境中完成傳感器的組裝、調試和標定。
進行靜態(tài)壓力測試，計算并評估傳感器的靈敏度、重復性誤差和回滯特性。
性能測試與實驗分析：
完成傳感器的性能測試實驗，記錄并分析數(shù)據(jù)。
根據(jù)實驗結果計算傳感器的關鍵性能指標。
對傳感器進行最終標定，并模擬其在飛行器中的應用。
課程交付物：
提交一份完整的實驗報告，包括設計方案、實驗過程、數(shù)據(jù)分析和結論。
完成課程中的所有互動環(huán)節(jié)和測試。
評估標準：
實驗報告的完整性和準確性。
互動環(huán)節(jié)和測試的完成情況及質量。
對F-P傳感器設計、制備和測試過程的理解程度。
先決條件：
學生應具有一定的光學、物理或工程背景，理解基本的光學原理和傳感器技術，最好已完成相關基礎課程。
