实验简介：
（1）实验的必要性及实用性
1）该实验旨在服务于制造强国、质量强国、航天强国建设，培养新时代具有家国情怀和国际视野的航空航天领域高层次仪器仪表专业人才，加快传感器关键核心技术攻关，突破技术装备瓶颈，实现高端传感设备的自主可控。
党的二十大报告提出，推进新型工业化，加快建设制造强国、质量强国、航天强国、交通强国、网络强国、数字中国；推动战略性新兴产业融合集群发展，构建新一代信息技术、人工智能、生物技术、新能源、新材料、高端装备、绿色环保等一批新的增长引擎。仪器仪表领域传感器技术对于推动制造强国、质量强国、航天强国建设，促进新一代信息技术、人工智能及高端装备发展，具有十分重要的作用。但是，国产高端仪器仪表装备及先进传感器的发展存在一定的技术瓶颈和高端人才短缺的问题。本虚拟仿真实验将前沿航空用法-珀型光纤压力传感器科研成果反哺于实验教学，坚持全员、全过程、全方位“三全育人”，将思想政治工作融入人才培养各环节，推动价值塑造、知识教育与能力培养“三位一体”有机结合。旨在培养未来能够在航空航天行业仪器仪表及传感器领域从事科学研究、技术开发和管理等高层次工作，有志为国家重大仪器设备及传感器国产化做出杰出贡献，具有家国情怀和国际视野，并可担当引领未来和造福人类使命的仪器仪表行业一流领军人才。
2）该实验有效解决了教学实验室环境下航空用法-珀型光纤压力传感器难以制备、航空器飞行时真实压力环境难以复现等难题，成功将航空用法-珀型光纤压力传感器的设计与制备引入实验教学，是传感器原理课堂实验教学的新尝试。
一方面，法-珀型光纤压力传感器的工作原理非常抽象与复杂，其设计与制备原理涉及光学、化学、材料、电学、信号处理等多门学科，其制备设备成本较高、工艺复杂，在教学实验室极难实现法-珀型光纤压力传感器的制备；另一方面，航空用法-珀型光纤压力传感器主要用于测量航空器飞行时真实的压力参数，而航空器飞行时真实压力环境在教学实验中难以复现。因此，迫切需要一种能够实现法-珀型光纤压力传感器制备及其在航空器压力参数测量的虚拟仿真实验教学系统，弥补传统课堂教学中“纸上谈兵”的不足之处。
3）该实验是测控技术与仪器专业核心课程《传感器原理》的重要支撑，将前沿航空用法-珀型光纤压力传感器科研成果反哺于实验教学，以全新的方式培养学生分析和解决航空航天领域传感器设计与制备等复杂工程问题的综合能力。
《传感器原理》是南京航空航天大学测控技术与仪器专业的主干核心课程，其中航空器压力传感和光纤传感器设计制备分别是课程的重点和难点。因此本实验将课程的重点及难点进行有机融合，采用“项目式教学”和“以学生为中心”的教学形式，围绕航空用法-珀型光纤压力传感器设计与制备主题开展虚拟仿真实验教学。实验过程中学生根据不同的航空用压力传感器设计任务，将所学理论知识运用于法-珀型光纤传感器的设计，锻炼学生将传感器理论与具体应用实践相结合的能力，培养学生分析和解决航空航天领域传感器设计与制备等复杂工程问题的综合能力。
（2）教学设计的合理性
本项目秉承以学生为中心、以立德树人为根本的教学理念，采取任务驱动式、交互体验式、容错探究式教学方法，采用以学生自主探究为主、教师指导为辅的教学方式，引导学生在高度仿真场景下开展航空用法-珀式光纤压力传感器设计、制备及应用。教学设计合理，内容严谨详实，教学过程由易到难、由理论到实践，遵循学生学习规律，具体情况如下：
1）教学内容从法-珀型光纤传感器原理到航空用法-珀型光纤压力传感器设计与应用，兼具高阶性、创新性和挑战度
实验项目设置了“实验背景与传感器原理认知”、“传感器结构与解调系统设计”、“传感器制备与标定”和“传感器应用示例”四个实验环节及相关子环节。教学内容除了包括法-珀干涉的基本原理、法-珀式光纤传感器的压力测量原理、法-珀式光纤压力传感器的制备等基础理论知识，还要求学生根据航空器高度测量、飞行速度测量等不同应用场景下的压力测量需求，有针对性地开展具有不同性能要求的航空用法-珀式光纤压力传感器的结构设计、解调方法设计、传感器制备、性能测试及应用等一系列高阶性、创新性实验内容，具有较大的挑战度。实验教学内容设计重视理论知识与实验应用相结合，实验应用内容全面真实，致力于培养学生分析和解决航空航天领域传感器设计与制备等复杂工程问题的综合能力。
2）教学环节层层递进，从法-珀型光纤传感器的基本原理、核心知识到应用方法，遵循学生学习规律
教学环节设计由易到难，由知识理解到实践应用，遵循学生的学习规律。包含4个环环相扣的实验教学环节：“实验背景与传感器原理认知”、“传感器结构与解调系统设计”、“传感器制备与标定”和“传感器应用示例”。“实验背景与传感器原理认知”环节，学生需要学习压力测量对飞机飞行的重要性，并且了解传统航空气压传感器的不足及法-珀传感器的优越性；“传感器结构与解调系统设计”环节，学生在理解法-珀干涉基本原理的基础上，初步掌握法-珀型光纤压力传感器的感压原理并完成传感器结构设计，并在在系统了解对法-珀解调系统的原理的基础上，根据需求选择合适的解调方案，并初步搭建解调系统的光路；“传感器制备与标定”环节，学生在掌握飞秒激光加工工艺操作流程的基础上，完成传感器加工和制备并对制备的传感器的性能进行验证，以保证传感器的性能与工作稳定性；“传感器应用示例”环节，学生将制备的传感器应用在真实航线上，观察在飞机起飞、巡航及降落等飞行状态下，传感器是否满足实际测量需求。学生可以在虚拟仿真实验环境中，循序渐进学习航空用法-珀式光纤压力传感器的基本原理、核心知识和应用方法。
3）学生为中心的教学理念与项目式的教学方法相结合，培养学生自主探索、独立思考的能力
打破传统单一的教学方式，创新教学方法。本实验以贴近工程实践为宗旨，以虚拟仿真实验的方式把航空用法-珀式光纤压力传感器的结构设计、加工工艺、标定及应用案例进行展现。以学生为中心的理念贯穿课程全过程，将研讨式、任务驱动式、交互式、沉浸式及探索式教学方法应用于实验教学，将学习的主动权交给学生，调动学生学习兴趣，激发学生的学习潜力；把法-珀式光纤压力传感器的飞秒激光加工工艺引入到测控技术与仪器专业的本科实践教学中，使学生们及时了解到现代传感器复杂的工艺流程、先进的加工设备与使用；通过本实验，将我国高端仪器仪表及先进传感器技术面临的卡脖子问题展现出来，积极引导当代学生树立正确的国家观、民族观、历史观，鼓励学生们进行原创性、开拓性、引领性研究。
（3）实验系统的先进性
此虚拟仿真系统采用C#开发语言，基于Unity开发引擎发布的webgl版本的应用，主要采用websocket协议实现与服务器的通信和数据传输，3DMAX和Maya 实现3D图形可视化。系统运行平台：Windows 8/Windows 10，火狐浏览器、谷歌浏览器（64位）。用户使用轻便化，无需下载安装应用，直接打开网页即可运行该虚拟仿真系统。
实验背景：
本实验的主要目的是为制造强国、质量强国和航天强国的建设服务，旨在培养新时代具有家国情怀和国际视野的航空航天领域高层次仪器仪表专业人才。通过加快传感器关键核心技术的攻关，突破技术装备的瓶颈，实验着力于实现高端传感设备的自主可控。此外，实验在教学实验室环境下有效解决了航空用法-珀型光纤压力传感器难以制备、航空器飞行时真实压力环境难以复现等难题，并成功将其设计与制备引入实验教学中，为传感器原理课堂实验教学开辟了新的路径。此实验不仅是测控技术与仪器专业核心课程《传感器原理》的重要支撑，也利用前沿的航空用法-珀型光纤压力传感器科研成果反哺于实验教学，以一种全新的方式培养学生分析和解决航空航天领域传感器设计与制备等复杂工程问题的综合能力。
空速和高度是飞行中最重要的参数，对飞机安全飞行至关重要。空速，即飞机相对周围空气的速度，是维持飞机升力以避免失速的关键。它通常通过皮托管来测量，这一设备测量动态压力和静态压力的差值。而高度测量则是确定飞机相对海平面的垂直距离，通过高度表实现，该仪器测量周围大气压力。测量不准确会导致严重后果，如美国航空965号班机事故和法国航空447号班机事故所示。
传统测量方式如皮托管和高度表基于静态和动态气压差原理，虽简单、耐用，但易受环境因素影响，如冰堵、污染，增加飞行安全风险。它们在迅速变化的飞行环境中的响应可能不够灵敏。
相比之下，法布里-珀罗（F-P）压力传感器采用先进光纤技术中的干涉原理测量压力变化。其高精度、快速响应时间对快速机动的飞行器尤为重要。F-P传感器对环境变化的敏感度低，不易受温度、湿度或化学影响干扰，提供更可靠数据。基于非机械部件的工作原理，F-P传感器具有更好的耐用性和稳定性，减少维护需求和故障率，显著提升飞行安全和运营效率。其小型化特点也便于集成到现代飞行器系统，助力设计更紧凑、轻量化飞行器。
设计原则：
本实验项目通过改革测控专业课程教学理念、教学内容、教学方法，实行基于任务驱动式、探讨式实验教学，利用文字、图片、3D模型、视频等多种新媒体，虚实结合，通过学生线上航空用法-珀式光纤压力传感器设计的虚拟仿真实验及课程课堂教学等混合式学习，突破时间与空间限制，让学生对测量系统中的每个环节有一个全面的认识，培养学生具有自主设计创新型测控系统的能力。
（1）通过多媒体技术、虚拟现实技术构建了高度逼真的航空用法-珀式光纤压力传感器设计、校准及应用的教学环境，并对法-珀式光纤压力传感器的原理、结构、工艺、解调、校准等进行详细地认知说明；同时构建了典型的法-珀式光纤传感器的三维模型，根据任务驱动，学生根据性能指标设计结构参数，直观地了解传感器结构组成、加工工艺流程、校准过程及应用特点。
（2）利用虚拟仿真实验展示法-珀式光纤压力传感器制作工艺流程，通过交互式操作加强学生对飞秒激光加工工艺以及法-珀式光纤压力传感器制造流程的理解，包括：准备工作、加工过程、清理过程、膜片加工及静态压力测试等多个环节，全面向学生展示了传感器加工的具体过程。加工过程中的每一个参数设置都对应工艺中的关键要素，同时实验以动画的方式，再现了飞秒激光加工工艺环境。通过该实验，学生可以了解和掌握基于飞秒激光加工工艺的法-珀式光纤传感器的加工方式以及基本流程。
（3）构建法-珀干涉解调系统的设计实验场景，学生根据总体任务和分项任务，从解调系统的元件库中选择并拖动元件，自行选择解调系统设计的相应参数，完成不同结构解调系统的搭建，获取解调系统的性能参数，引导学生根据解调系统输出信号特征，分析解调系统是否满足任务要求。
（4）构建法-珀式光纤压力传感器的静动态标定环境，包括标准压力源等标定设备、传感器安装要求及位置和方向等，形象地揭示不同因素对传感器的静动态特性影响的规律，并利用数据处理方法求出静动态特性指标，加深同学们对计量校准中抽象概念的理解，提高学生数据处理、分析与推断能力。
（5）搭建虚拟仿真环境，利用学生自己设计的航空用法-珀式光纤压力传感器，对典型的飞机高度测量系统、飞机空速测量系统中的压力参数进行测量，并根据不同应用场景下的应力的不同测量精度、动态性能要求、量程等需求，帮助学生了解和掌握法-珀式光纤压力传感器的设计指标与具体应用场景之间的相互关系，分析误差源及其影响因素，评估测量不确定度。最后通过传感器在仿真航线中的应用示例来判断学生所设计的传感器是否可以胜任飞机状态监测的目标。
实验目标：
本实验项目通过改革测控专业课程教学理念、教学内容、教学方法，实行基于任务驱动式、探讨式实验教学，利用文字、图片、3D模型、视频等多种新媒体，虚实结合，通过学生线上航空用法-珀式光纤压力传感器设计的虚拟仿真实验及课程课堂教学等混合式学习，突破时间与空间限制，让学生对测量系统中的每个环节有一个全面的认识，培养学生具有自主设计创新型测控系统的能力。
（1）通过多媒体技术、虚拟现实技术构建了高度逼真的航空用法-珀式光纤压力传感器设计、校准及应用的教学环境，并对法-珀式光纤压力传感器的原理、结构、工艺、解调、校准等进行详细地认知说明；同时构建了典型的法-珀式光纤传感器的三维模型，根据任务驱动，学生根据性能指标设计结构参数，直观地了解传感器结构组成、加工工艺流程、校准过程及应用特点。
（2）利用虚拟仿真实验展示法-珀式光纤压力传感器制作工艺流程，通过交互式操作加强学生对飞秒激光加工工艺以及法-珀式光纤压力传感器制造流程的理解，包括：准备工作、加工过程、清理过程、膜片加工及静态压力测试等多个环节，全面向学生展示了传感器加工的具体过程。加工过程中的每一个参数设置都对应工艺中的关键要素，同时实验以动画的方式，再现了飞秒激光加工工艺环境。通过该实验，学生可以了解和掌握基于飞秒激光加工工艺的法-珀式光纤传感器的加工方式以及基本流程。
（3）构建法-珀干涉解调系统的设计实验场景，学生根据总体任务和分项任务，从解调系统的元件库中选择并拖动元件，自行选择解调系统设计的相应参数，完成不同结构解调系统的搭建，获取解调系统的性能参数，引导学生根据解调系统输出信号特征，分析解调系统是否满足任务要求。
（4）构建法-珀式光纤压力传感器的静动态标定环境，包括标准压力源等标定设备、传感器安装要求及位置和方向等，形象地揭示不同因素对传感器的静动态特性影响的规律，并利用数据处理方法求出静动态特性指标，加深同学们对计量校准中抽象概念的理解，提高学生数据处理、分析与推断能力。
（5）搭建虚拟仿真环境，利用学生自己设计的航空用法-珀式光纤压力传感器，对典型的飞机高度测量系统、飞机空速测量系统中的压力参数进行测量，并根据不同应用场景下的应力的不同测量精度、动态性能要求、量程等需求，帮助学生了解和掌握法-珀式光纤压力传感器的设计指标与具体应用场景之间的相互关系，分析误差源及其影响因素，评估测量不确定度。最后通过传感器在仿真航线中的应用示例来判断学生所设计的传感器是否可以胜任飞机状态监测的目标。
实验要求：
气压传感器及其应用认知：
理解航空领域对压力检测的新要求及传统技术的不足。
学习F-P传感器在航空压力测量领域的优势和应用案例。
掌握传感器的功能、类别、结构及工作原理。
航空用F-P型气压传感器结构及解调方式设计：
了解不同航空测量目标（如高度、速度）的传感器设计要求。
在虚拟环境中模拟传感器结构设计和解调系统搭建。
根据设计目标和应用需求，选择合适的传感器性能参数和解调方案。
制备与标定：
理解并模拟F-P传感器的加工工艺，特别是飞秒激光加工技术。
在仿真环境中完成传感器的组装、调试和标定。
进行静态压力测试，计算并评估传感器的灵敏度、重复性误差和回滞特性。
性能测试与实验分析：
完成传感器的性能测试实验，记录并分析数据。
根据实验结果计算传感器的关键性能指标。
对传感器进行最终标定，并模拟其在飞行器中的应用。
课程交付物：
提交一份完整的实验报告，包括设计方案、实验过程、数据分析和结论。
完成课程中的所有互动环节和测试。
评估标准：
实验报告的完整性和准确性。
互动环节和测试的完成情况及质量。
对F-P传感器设计、制备和测试过程的理解程度。
先决条件：
学生应具有一定的光学、物理或工程背景，理解基本的光学原理和传感器技术，最好已完成相关基础课程。
