课程名称： 法布里-珀罗型航空气压传感器设计与制备虚拟仿真实验

课程目标：

本课程旨在通过虚拟仿真实验的形式，深入理解和掌握法布里-珀罗（F-P）型气压传感器在航空领域的设计、制备和应用。学生将通过一系列互动环节，从理论到实践，全面了解F-P传感器的工作原理、结构设计、加工技术、性能测试以及在航空测试系统中的应用。

课程要求：

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。

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。

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。

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。