“電氣測試技術”教學中課程實驗“微弱磁場測量”的設計

課程實驗是本科人才培養體系中的課內實踐教學環節之一，主要作用是輔助課堂教學，達到使學生掌握知識并具備知識應用能力的教學目的。目前，國家提倡加強工科大學生的實際動手能力和以之為基礎的創新能力培養。如何使課程實驗更好地培養學生的動手能力和創新能力，是當前實踐教學改革的一個主要議題。

“電氣測試技術”是電氣工程及其自動化本科專業的專業課。筆者以該課程“微弱磁場測量”實驗為例，介紹了在課程實驗模式改革方面的嘗試，說明了改革課程實驗內容和過程，以提高學生實踐能力的具體做法。

一、實驗電路設計

傳統的“電氣測試技術”課程實驗是在采購的測控技術實驗臺上進行的。基于實驗臺的實驗，實驗項目與課程實際授課內容之間存在不一致性。且隨著教材的不斷更新，實驗與授課內容之間的差距不斷加大。另外，實驗臺的機殼將測試電路等部件都封裝起來，學生看不到、摸不著，得不到直觀感受，使得通過課程實驗來加深課堂知識理解、鍛煉動手應用知識能力的目的難以真正實現。

針對傳統實驗方式存在的這些問題，“微弱磁場測量”實驗以自制的“微弱磁場測量電路”為實驗裝置，實驗內容貼合課堂講授的知識點。實驗從學生在電路板上手工焊電子元件開始，然后學生用自己焊的電路板完成實驗。具體實驗進程采用學生利用課余時間在開放實驗室進行實驗的方式，設定完成期限，不設定具體時間，以便為學生提供充分的研學空間，充分鍛煉學生綜合運用所學知識解決實際問題的能力。

1.實驗項目的應用背景。“微弱磁場測量”實驗中，被檢測的對象為智能小車競賽電磁組的賽道。智能小車競賽分為電磁組、攝像頭組、光電平衡組。比賽中，小車需從賽道起點開始，沿賽道跑完全程至終點，然后比賽結束。只有準確識別前方的賽道，智能小車才可能準確控制車身位置并沿賽道行駛。攝像頭組、光電平衡組依靠攝像頭來識別賽道，電磁組小車則是依靠對賽道磁場的檢測來識別賽道。

電磁組比賽所用賽道中，用來指示賽道的“賽道導引線”為一條鋪設在賽道上的漆包線，其中通有20kHz、100mA的交流電流；競賽允許的頻率波動范圍為（20±1）kHz，電流量值范圍為（100±20）mA。

按照電磁學原理，導線中通過交流電流，就會在導線周圍產生交變磁場。因為電流值僅有100mA左右，所以其產生的磁場很微弱。本實驗以準確檢測上述電磁賽道為目的，通過實驗研究如何解決這一微弱磁場檢測問題，探究檢測元件與賽道導引線之間的水平距離、垂直高度對測量值的影響。

2.如何檢測賽道磁場。上述賽道磁場的特點有二：一是微弱，二是20kHz交變。因為磁場強度弱，一方面不易被檢測，另一方面也容易與環境磁場混疊以至于被淹沒。這里，環境磁場包括地球磁場、人體磁場、周圍物體磁場等，尤其是驅動智能小車用的永磁直流電動機，其永磁體磁場對周圍有較強的輻射作用。

那么，如何將賽道磁場與環境磁場區分開？這正是設置賽道磁場為20kHz交變磁場的原因。環境磁場中的各種磁源通常不會是20kHz交變的，這成為將賽道磁場與環境磁場區分開來的主要判據。現在，實驗中的測量問題是“如何將20kHz交變的賽道磁場從所測得的磁場信號中篩選出來？”具有選頻功能的LC諧振電路（學生在“電路”課程所學知識）是解決這一問題的一種可行方法。

同時，我們注意到，LC諧振電路中用到的電感器L是在磁芯上纏繞線圈制成的。通常，在磁芯材質相同的情況下，電感值越大，其線圈匝數越多。如果將這樣一個線圈放置在交變磁場（例如上述賽道磁場）中，在線圈中會產生交變電勢，這一感生電勢的交變頻率與磁場交變頻率相同，電勢的大小除與交變磁場量相關，還與線圈的匝數相關。線圈匝數越多，感生電勢值越大。于是，設計一個LC串聯諧振電路，使其諧振頻率等于20kHz。并且，為使放置于賽道磁場中的電感器感生出較大電勢，電感應取較大值。

由于賽道磁場過于微弱，即便采用LC諧振電路作為檢測手段，所得電信號幅值仍然很小，需要進行幅值放大。于是，設計電磁賽道磁場檢測電路如圖1所示。圖中，Tc、T0、T1為測試點，是為了便于在實驗過程中連接示波器探頭進行信號測試而額外加入的。圖1中，插座J2用于連接放置于賽道磁場中的電感器，電容器C5與該電感器構成諧振電路。C5兩端電壓作為檢測信號送入集成運算放大器U1ATLC2272構成的放大電路。對于U1A放大電路，有兩點在實驗過程中需要注意。一是考慮到LC諧振電路中的電信號微弱，為盡量避免電路連接帶來的負載效應影響檢測信號，C5端電壓被直接連接至運算放大器的同相輸入端。二是U1A的負電源引腳接地。C5端電壓為交流電壓信號，但U1A由于負電源引腳接地，其輸出端不會出現低于地電位的電壓值，于是在U1A輸出端只對輸入交流信號的正半波進行放大、輸出，而沒有負半波。也就是說，在放大信號幅值的同時實現了半波整流。這有利于后續的信號處理。

3.電感器的放置。上述LC諧振電路中的電感器應放置在賽道中漆包線所產生的磁場中。為增大電感器線圈感生電勢的幅值，應盡量將線圈放置在磁場強度大的位置，并使線圈所在平面垂直于磁力線方向。考慮到漆包線中電流所產生的磁場是環繞漆包線的，且越靠近漆包線，磁場強度越大，磁力線越密集，所以電感器應垂直于賽道漆包線平行放置，且越靠近漆包線，檢測信號幅值越大。

關于電感器如何放置，需要考慮的另一方面是智能小車對賽道檢測信息的需求。先考慮人開車時看路的情況，司機開車時，需要目視前方的路況，看得越遠，車速就可以越快一些；反之，如果司機只能看到車輪附近的路況，車速就必須慢一些，以免遇到彎道、障礙物來不及反應。智能小車也是一樣，智能小車比賽是比誰跑得快，為了跑得快，就必須掌握車前方而不是車輪附近的賽道信息，掌握的賽道信息越遠，就越可能跑得快。因此，用來檢測賽道信息的電感器，通常利用支架放置在距離智能車一定距離的車前方。同時，考慮到賽道中包含坡道，從車身伸出去的電感器支架需要上傾一定角度，不能下傾而使電感器緊貼賽道。于是，電感器和賽道漆包線之間有了一個垂直距離，實驗用智能小車的這個垂直距離是約12～16cm。

另外，智能小車在賽道上行駛時很可能偏離賽道中心的“賽道導引線”（漆包線），這時需要依靠賽道檢測信息來糾偏。在這種跑偏的情況下，電感器與漆包線之間的水平距離非0，磁場檢測電壓值會減小。

針對這些實際工況，本實驗內容中包含了不同垂直距離、不同水平距離情況下的賽道磁場檢測實驗。

4.如何通過模數轉換器（ADC）和單片機來讀取檢測信號。智能小車的控制核心是單片機。上述檢測得到的與賽道磁場信息相關的電壓信號，需要通過ADC轉換為數字量，然后由單片機讀取并進行處理、產生對應的控制動作，使智能小車沿賽道順利前行。ADC何時啟動一次新的模數轉換過程是由單片機設定并控制的。為便于ADC和單片機讀取檢測電壓信息，需對圖1（P114）所示U1A放大電路單元的輸出信號做進一步處理。圖1所示實驗電路中，設計了由R4、R40和C6構成的一階RC低通濾波器，將U1A輸出端的半波信號變換為近似平直的電壓信號，然后經U1B構成的電壓跟隨器輸出。

二、實驗內容設計

1.焊電路板。提供“電路原理圖”和“電路板元件布局圖”，要求學生嚴格按照原理圖中給出的各個元件類型、型號、數值，參照元件布局圖，在電路板上對應位置完成元件手工焊接。并提醒學生注意，元件焊接的順序應該是按照元件高/矮、大/小，先焊矮的、小的元件，再焊高的、大的元件。有極性元件的極性，一定不要反接。完成元件焊接后，經指導教師檢查合格，可以通電調試，按照信號流程從前到后的順序，對照實驗指導書給出的波形圖，依次確認電路功能正常。

2.鋪設模擬賽道。在教師指導下，使用絕緣膠布將線徑0.3mm的漆包線環繞一圈貼在實驗桌面上，漆包線兩端置于桌面一側，刮掉漆皮連接20kHz/200mA專用電源。專用電源通電，調節其電流控制旋鈕至電流表指示100mA。專用電源斷電備用。

3.微弱磁場信號測試與分析。電路板調試完成后，按照下列步驟進行信號測試與分析。

電感插頭插入J2，將電感器垂直于賽道漆包線、平行放置在漆包線正上方；

連接示波器探頭，觀測測試點Tc、T0波形。賽道專用電源通電，電路板通電，觀察示波器波形；

手持電感器，改變電感器與漆包線之間的垂直距離，觀察示波器Tc、T0波形變化。使垂直距離為12～16cm，調節電位器R3，使T0波形峰值位于2V～4V之間某值；

電感器位置不變，用示波器觀測測試點T0、T1波形；

電感器垂直位置不變，在-10cm～+10cm之間改變電感器與賽道漆包線的水平距離，觀察示波器T0、T1波形變化，并記錄電壓值數據；

分析測量數據，考慮智能小車行駛過程中，如何根據類似的測量數據來確定小車與賽道之間的相對位置關系。

4.實驗前講解與實驗中的指導。實驗前，指導教師應講解實驗用電路的工作原理。另外，LC諧振電路是本實驗中完成賽道磁場檢測的關鍵單元。雖然學生之前在“電路”課程中學習過相關理論知識，但面對賽道磁場檢測這一特定應用場合，如何使用、如何設計LC諧振電路，依然有著不小的困惑，所以指導教師也應在實驗前細致講解相關內容。

實驗過程中，指導教師可根據學生實驗進展情況，適時引領學生思路，使學生逐漸掌握運用所學知識探究問題的方法。

本文所述“微弱磁場測量”實驗，在使實驗內容貼合課堂講授、加強學生知識運用能力培養方面進行了一些嘗試。無論是采用自制電路板作為實驗裝置、學生手工焊接、自己分析問題探究解決方法，還是開放式的實驗過程，其目的都是為了更好地發揮課程實驗的作用，切實提高學生的動手能力和知識運用能力。

參考文獻：

[1]王虹.電工學課程教學中學生能力的培養[J].新課程研究（中旬），2011，（2）：174-175.

[2]堵國樑，胡仁杰，等.以項目為導向的電子電路實驗研究與改革[J].電氣電子教學學報，2015，37（3）：98-100.