“電氣測試技術(shù)”教學(xué)中課程實(shí)驗(yàn)“微弱磁場測量”的設(shè)計(jì)

摘 要：課程實(shí)驗(yàn)是專業(yè)課程教學(xué)的重要組成部分，對培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐創(chuàng)新能力具有重要作用。在課程實(shí)驗(yàn)“微弱磁場測量”中，采用與課堂教學(xué)內(nèi)容一致的自制電路板進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，學(xué)生自己在電路板上焊接電子元件，調(diào)試電路并進(jìn)行磁場信號測量與分析，有利于提高學(xué)生的實(shí)踐動(dòng)手能力和知識(shí)運(yùn)用能力。

關(guān)鍵詞：課程實(shí)驗(yàn)；實(shí)踐能力；創(chuàng)新能力；教學(xué)方法

作者簡介：史敬灼，工學(xué)博士，河南科技大學(xué)電氣工程學(xué)院教授，研究方向：電機(jī)智能控制等。（河南 洛陽 471023）

中圖分類號：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號：1671-0568（2018）08-0113-03

課程實(shí)驗(yàn)是本科人才培養(yǎng)體系中的課內(nèi)實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)之一，主要作用是輔助課堂教學(xué)，達(dá)到使學(xué)生掌握知識(shí)并具備知識(shí)應(yīng)用能力的教學(xué)目的。目前，國家提倡加強(qiáng)工科大學(xué)生的實(shí)際動(dòng)手能力和以之為基礎(chǔ)的創(chuàng)新能力培養(yǎng)。如何使課程實(shí)驗(yàn)更好地培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力和創(chuàng)新能力，是當(dāng)前實(shí)踐教學(xué)改革的一個(gè)主要議題。

“電氣測試技術(shù)”是電氣工程及其自動(dòng)化本科專業(yè)的專業(yè)課。筆者以該課程“微弱磁場測量”實(shí)驗(yàn)為例，介紹了在課程實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ礁母锓矫娴膰L試，說明了改革課程實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和過程，以提高學(xué)生實(shí)踐能力的具體做法。

一、實(shí)驗(yàn)電路設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)的“電氣測試技術(shù)”課程實(shí)驗(yàn)是在采購的測控技術(shù)實(shí)驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行的。基于實(shí)驗(yàn)臺(tái)的實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目與課程實(shí)際授課內(nèi)容之間存在不一致性。且隨著教材的不斷更新，實(shí)驗(yàn)與授課內(nèi)容之間的差距不斷加大。另外，實(shí)驗(yàn)臺(tái)的機(jī)殼將測試電路等部件都封裝起來，學(xué)生看不到、摸不著，得不到直觀感受，使得通過課程實(shí)驗(yàn)來加深課堂知識(shí)理解、鍛煉動(dòng)手應(yīng)用知識(shí)能力的目的難以真正實(shí)現(xiàn)。

針對傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)方式存在的這些問題，“微弱磁場測量”實(shí)驗(yàn)以自制的“微弱磁場測量電路”為實(shí)驗(yàn)裝置，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容貼合課堂講授的知識(shí)點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)從學(xué)生在電路板上手工焊電子元件開始，然后學(xué)生用自己焊的電路板完成實(shí)驗(yàn)。具體實(shí)驗(yàn)進(jìn)程采用學(xué)生利用課余時(shí)間在開放實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的方式，設(shè)定完成期限，不設(shè)定具體時(shí)間，以便為學(xué)生提供充分的研學(xué)空間，充分鍛煉學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí)解決實(shí)際問題的能力。

1.實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的應(yīng)用背景。“微弱磁場測量”實(shí)驗(yàn)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(diǎn)開始，沿賽道跑完全程至終點(diǎn)，然后比賽結(jié)束。只有準(zhǔn)確識(shí)別前方的賽道，智能小車才可能準(zhǔn)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(shí)別賽道，電磁組小車則是依靠對賽道磁場的檢測來識(shí)別賽道。

電磁組比賽所用賽道中，用來指示賽道的“賽道導(dǎo)引線”為一條鋪設(shè)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(dòng)范圍為（20±1）kHz，電流量值范圍為（100±20）mA。

按照電磁學(xué)原理，導(dǎo)線中通過交流電流，就會(huì)在導(dǎo)線周圍產(chǎn)生交變磁場。因?yàn)殡娏髦祪H有100mA左右，所以其產(chǎn)生的磁場很微弱。本實(shí)驗(yàn)以準(zhǔn)確檢測上述電磁賽道為目的，通過實(shí)驗(yàn)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(dǎo)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(diǎn)有二：一是微弱，二是20kHz交變。因?yàn)榇艌鰪?qiáng)度弱，一方面不易被檢測，另一方面也容易與環(huán)境磁場混疊以至于被淹沒。這里，環(huán)境磁場包括地球磁場、人體磁場、周圍物體磁場等，尤其是驅(qū)動(dòng)智能小車用的永磁直流電動(dòng)機(jī)，其永磁體磁場對周圍有較強(qiáng)的輻射作用。

那么，如何將賽道磁場與環(huán)境磁場區(qū)分開？這正是設(shè)置賽道磁場為20kHz交變磁場的原因。環(huán)境磁場中的各種磁源通常不會(huì)是20kHz交變的，這成為將賽道磁場與環(huán)境磁場區(qū)分開來的主要判據(jù)。現(xiàn)在，實(shí)驗(yàn)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(xué)生在“電路”課程所學(xué)知識(shí)）是解決這一問題的一種可行方法。

同時(shí)，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(zhì)相同的情況下，電感值越大，其線圈匝數(shù)越多。如果將這樣一個(gè)線圈放置在交變磁場（例如上述賽道磁場）中，在線圈中會(huì)產(chǎn)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(guān)，還與線圈的匝數(shù)相關(guān)。線圈匝數(shù)越多，感生電勢值越大。于是，設(shè)計(jì)一個(gè)LC串聯(lián)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(yīng)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(jìn)行幅值放大。于是，設(shè)計(jì)電磁賽道磁場檢測電路如圖1所示。圖中，Tc、T0、T1為測試點(diǎn)，是為了便于在實(shí)驗(yàn)過程中連接示波器探頭進(jìn)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(gòu)成諧振電路。C5兩端電壓作為檢測信號送入集成運(yùn)算放大器U1A-TLC2272構(gòu)成的放大電路。對于U1A放大電路，有兩點(diǎn)在實(shí)驗(yàn)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(fù)載效應(yīng)影響檢測信號，C5端電壓被直接連接至運(yùn)算放大器的同相輸入端。二是U1A的負(fù)電源引腳接地。C5端電壓為交流電壓信號，但U1A由于負(fù)電源引腳接地，其輸出端不會(huì)出現(xiàn)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(jìn)行放大、輸出，而沒有負(fù)半波。也就是說，在放大信號幅值的同時(shí)實(shí)現(xiàn)了半波整流。這有利于后續(xù)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(yīng)放置在賽道中漆包線所產(chǎn)生的磁場中。為增大電感器線圈感生電勢的幅值，應(yīng)盡量將線圈放置在磁場強(qiáng)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(chǎn)生的磁場是環(huán)繞漆包線的，且越靠近漆包線，磁場強(qiáng)度越大，磁力線越密集，所以電感器應(yīng)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(guān)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(shí)看路的情況，司機(jī)開車時(shí)，需要目視前方的路況，看得越遠(yuǎn)，車速就可以越快一些；反之，如果司機(jī)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(yīng)。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(yuǎn)，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(shí)，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(gè)垂直距離，實(shí)驗(yàn)用智能小車的這個(gè)垂直距離是約12～16cm。

另外，智能小車在賽道上行駛時(shí)很可能偏離賽道中心的“賽道導(dǎo)引線”（漆包線），這時(shí)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(huì)減小。

針對這些實(shí)際工況，本實(shí)驗(yàn)內(nèi)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(shí)驗(yàn)。

4.如何通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）和單片機(jī)來讀取檢測信號。智能小車的控制核心是單片機(jī)。上述檢測得到的與賽道磁場信息相關(guān)的電壓信號，需要通過ADC轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，然后由單片機(jī)讀取并進(jìn)行處理、產(chǎn)生對應(yīng)的控制動(dòng)作，使智能小車沿賽道順利前行。ADC何時(shí)啟動(dòng)一次新的模數(shù)轉(zhuǎn)換過程是由單片機(jī)設(shè)定并控制的。為便于ADC和單片機(jī)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(jìn)一步處理。圖1所示實(shí)驗(yàn)電路中，設(shè)計(jì)了由R4、R40和C6構(gòu)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(jīng)U1B構(gòu)成的電壓跟隨器輸出。

二、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容設(shè)計(jì)

1.焊電路板。提供“電路原理圖”和“電路板元件布局圖”，要求學(xué)生嚴(yán)格按照原理圖中給出的各個(gè)元件類型、型號、數(shù)值，參照元件布局圖，在電路板上對應(yīng)位置完成元件手工焊接。并提醒學(xué)生注意，元件焊接的順序應(yīng)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(jīng)指導(dǎo)教師檢查合格，可以通電調(diào)試，按照信號流程從前到后的順序，對照實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書給出的波形圖，依次確認(rèn)電路功能正常。

2.鋪設(shè)模擬賽道。在教師指導(dǎo)下，使用絕緣膠布將線徑0.3mm的漆包線環(huán)繞一圈貼在實(shí)驗(yàn)桌面上，漆包線兩端置于桌面一側(cè)，刮掉漆皮連接20kHz/200mA專用電源。專用電源通電，調(diào)節(jié)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(diào)試完成后，按照下列步驟進(jìn)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(diǎn)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(diào)節(jié)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(diǎn)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(shù)據(jù)；

分析測量數(shù)據(jù)，考慮智能小車行駛過程中，如何根據(jù)類似的測量數(shù)據(jù)來確定小車與賽道之間的相對位置關(guān)系。

4.實(shí)驗(yàn)前講解與實(shí)驗(yàn)中的指導(dǎo)。實(shí)驗(yàn)前，指導(dǎo)教師應(yīng)講解實(shí)驗(yàn)用電路的工作原理。另外，LC諧振電路是本實(shí)驗(yàn)中完成賽道磁場檢測的關(guān)鍵單元。雖然學(xué)生之前在“電路”課程中學(xué)習(xí)過相關(guān)理論知識(shí)，但面對賽道磁場檢測這一特定應(yīng)用場合，如何使用、如何設(shè)計(jì)LC諧振電路，依然有著不小的困惑，所以指導(dǎo)教師也應(yīng)在實(shí)驗(yàn)前細(xì)致講解相關(guān)內(nèi)容。

實(shí)驗(yàn)過程中，指導(dǎo)教師可根據(jù)學(xué)生實(shí)驗(yàn)進(jìn)展情況，適時(shí)引領(lǐng)學(xué)生思路，使學(xué)生逐漸掌握運(yùn)用所學(xué)知識(shí)探究問題的方法。

本文所述“微弱磁場測量”實(shí)驗(yàn)，在使實(shí)驗(yàn)內(nèi)容貼合課堂講授、加強(qiáng)學(xué)生知識(shí)運(yùn)用能力培養(yǎng)方面進(jìn)行了一些嘗試。無論是采用自制電路板作為實(shí)驗(yàn)裝置、學(xué)生手工焊接、自己分析問題探究解決方法，還是開放式的實(shí)驗(yàn)過程，其目的都是為了更好地發(fā)揮課程實(shí)驗(yàn)的作用，切實(shí)提高學(xué)生的動(dòng)手能力和知識(shí)運(yùn)用能力。

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責(zé)任編輯 秦俊嫄