磁電耦合振動科研應用于綜合實驗教學的探索

丁本杰， 張明華， 陳劍斌， 杜建科

（寧波大學機械工程與力學學院，浙江寧波 315211）

0 引 言

教學和科研相結合的理論最早由德國的著名教育家、思想家威廉·馮·洪堡提出，1809年他創辦柏林大學，辦學理念就是在國家保證教學自由的前提下與科學研究相結合，實現教的自由與學的自由，他認為只有通過“塑造”才能達到“教養”，從此教學和科研成為高等學校的兩項基本職能，并且教學是科研的基礎，而科研是教學的發展與提升，兩者相輔相成，緊密聯系，共同為培養人才服務［1］。洪堡還認為教師不是為了學生而存在，教師和學生共處于大學，是因為他們都為了科學和學術，因此在大學中教師不僅是知識的傳播者和維護者，還應是文化與科學技術知識的創造者和更新者［2］。1987～1990年間，美國高等教育界研究的著名學者伯頓·克拉克與5個國家的高等教育專家就科研、教學、學習相結合的理想在各國實現情況進行了合作研究，他們發現如果科研活動要和教授的教學活動和學生的學習活動有效聯系起來，需要具備堅強的組織，在大學內部的系、實驗室和科研小組的操作層次，甚至更加需要堅強的組織［3］。教授和學生應該聯手共同探索新的知識，在高等教育創新體系中，科研、教學和學習應該實現統一。然而，目前大多數高校的教師考核體系不利于科研與教學相互促進，使得科研與教學并未齊頭并進［4］。如何將科研優勢轉化為教學成果，同時在教學過程中實現一定的科研價值成為一個非常有價值的研究課題［5-8］。

振動與噪聲控制作為一門專業選修課程，課程中專業知識的概念多，結論抽象，學生理解困難，導致學生學習效果并不理想。在很多高校中，該課程相關的實驗課很少開設，即便開設實驗課也只是限于傳統實驗，例如頻率、振幅的測試及位移、速度、加速度的測試等［9］，通過這些實驗雖然可以理解書本的基本概念，但未使學生了解相關專業的科學前沿。本著科研與教學相結合的理念，為使教學內容緊跟科技發展，將振動與噪聲控制這門課作為改革對象，以理論基礎課為依據，重新設計實驗課程。提出將磁電耦合振動研究的科研成果引入實驗教學的設想，基于該成果引導學生設計一款直流磁場傳感器，在多種模態下利用諧振頻率變化測試磁場強度大小。考慮學生自身需求及個性發展，在自主選擇基礎上，實驗室對該課題感興趣的同學開展科研實驗指導。通過對實驗成果的總結與思考，發現教學與科研互長的重要價值。

1 研究型實驗的確定

隨著現代機械逐漸向高速度、輕量化、低能耗及高性能的方向發展，機械和結構中的振動與噪聲問題也日益突出，因此在機械結構的設計與制造過程中，機械和結構的振動特性分析更加重要，而對機械器件進行振動模態分析成為檢測是否存在缺陷的重要環節。振動與噪聲控制是針對工科類專業開設的一門選修課程。本課程共37學時，包括實驗課程10學時，主要講授內容是線性振動和實驗模態分析。模態分析的基礎是線性振動的經典內容，而模態分析主要講授頻響函數與模態參數的關系，包括固有頻率、固有振型、阻尼比，這也為后續的模態測試打下理論基礎。但是對實驗無感性認識的學生而言，理論課程對他們較為枯燥，從學習效果來看也不夠理想。如果將模態測試這部分內容作為實驗教學，使學生理解基礎概念的同時接觸先進的科研設備并產出較好的科研成果，對于學生及學科發展將顯得事半功倍。

由壓電材料和壓磁材料制備的磁電復合結構具有非常顯著的磁電耦合效應［10-13］，因而被廣泛用于傳感器、磁電控制裝置、微波器件和其他電子產品［14］。通過之前的研究已經發現，沿長度方向磁化的Terfenol-D和沿厚度方向極化的PMN-PT單晶組成的磁電復合結構，在交變磁場激勵下具有較大的磁電耦合系數，達到3.6 V／（cm·Oe），磁場敏感度達10μT。此類研究是在外界交變磁場作用下，磁電復合結構主要發生長度方向的伸縮振動，通過壓磁相的振動應變導致壓電相由于正壓電效應而在上下表面厚度場的電極產生電荷，從而實現磁場信號轉化為電場信號。當試件的固有頻率與交變磁場的頻率相重合時，試件會發生諧振，此時壓電相具有最大輸出。同時偏置磁場的大小也會對磁電耦合性能產生影響，發現磁電耦合系數并非隨著偏置磁場增大而一直增大，最優外界磁場使磁電復合結構具有最大能量的輸出。利用這種原理制成的傳感器主要是通過測量壓電相輸出的電壓信號來探測磁場大小，它很大程度上受制于鎖相放大器靈敏度的限制，并且傳感器性能會受到諧振頻率范圍的影響［15］。再者，厚度場方向上的電極不利于制備，對諧振頻率產生負面影響，尤其在外界磁場越高時，磁電復合結構的厚度越小，此時要求復合結構的厚度與電極的厚度相差越小，對于加工工藝產生極大的挑戰。

壓電相橫向場激勵模式可以根據電極位置實現多種振動模態［16］，并且正負激勵電極位于壓電材料的同一側，這樣可以使所有電極及引線置于傳感器后端，消除壓電材料電極層對磁場探測信號的干擾與衰減。因此，將此部分科研子課題作為教學內容，指導學生設計橫向場激勵下的利用諧振頻率變化的磁場傳感器，讓學生真正進入科研實驗室了解先進的實驗設備，培養學生科學嚴謹的態度和科研興趣，提高綜合實驗能力，同時通過學生的實驗結果揭示科研的應用價值。

2 實驗的基本要求

2.1 實驗目的

制備一種橫向場激勵下的利用諧振頻率變化的磁場傳感器，了解多普勒激光測振儀模態測試的方法。

2.2 磁場測試原理及實驗步驟

利用信號發生器對壓電相提供穩壓正弦激勵的掃頻信號，由于逆壓電效應，壓電相產生機械變形。實驗裝置如圖1所示，其所使用的測試系統包括正弦信號發生器、信號幅度放大模塊、激光測振儀、NI采集卡，正弦信號發生器分別與信號幅度放大模塊、NI采集卡電連接，信號幅度放大模塊和激光測振儀分別與磁場傳感器電連接，激光測振儀與NI采集卡電連接，與直流穩壓電源連接的電磁鐵可以產生偏置磁場。利用磁場傳感器的諧振頻率來測試直流磁場強度的原理為：正弦信號發生器產生的正弦電信號通過信號幅度放大模塊對磁場傳感器產生激勵，磁場傳感器中的壓電材料層受到正弦電信號的激勵，由于逆壓電效應而產生振動，從而帶動壓磁材料層振動，當磁場傳感器的固有頻率和正弦信號發生器產生的頻率相同時，磁場傳感器就會產生諧振，此時的頻率為諧振頻率；當磁場傳感器位于直流磁場中時，壓磁材料層受到磁場的影響，發生伸長或縮短，磁場傳感器的諧振頻率會發生改變，從而通過諧振頻率的改變來測試直流磁場強度的大小。

圖1 磁場傳感器測試裝置圖

新型磁場傳感器檢測直流磁場強度的方法包括以下步驟：

（1）調整磁場傳感器上的正電極與負電極之間的間距，并通過設置正弦信號發生器的輸出信號，使正弦信號發生器產生掃頻，掃頻的頻率范圍為使磁場傳感器產生一階彎曲振動。

（2）在步驟（1）所確定的掃頻頻率范圍內，正弦信號發生器將正弦電信號通過信號幅度放大模塊對磁場傳感器產生激勵，同時，正弦信號發生器將該正弦電信號作為參考信號傳輸給NI采集卡，通過NI采集卡發送給激光測振儀自帶的軟件。

（3）將處于一階彎曲振動模態下的磁場傳感器置于已知磁場強度的直流磁場中，并通過激光測振儀測得磁場傳感器在步驟（1）所確定的掃頻頻率范圍內的振動位移和振動頻率，此為采集信號，同時將該采集信號以電信號的形式經過NI采集卡發送給激光測振儀自帶的軟件，軟件對接收到的參考信號和采集信號作處理后得到對應的頻響函數，從而得到磁場傳感器在該直流磁場中的諧振頻率。

1.2.5 體外抗黑素瘤細胞試驗。試驗分為無細胞對照組(只加不含細胞的培養液)、正常對照組和用藥組(空白納米乳組、黨參總皂苷水溶液組、黨參總皂苷納米乳組)。96孔板中每孔接種200 μL B16黑素瘤細胞懸液，37 ℃ 5%CO2培養，當細胞生長融合到70%～80%時，棄去原培養液，用藥組加入含藥培養液，正常對照組加入不含藥培養液。培養48 h后，每孔加入MTT溶液20 μL，繼續培養4 h后，棄培養液，每孔加入150 μL DMSO，避光振蕩10 min，酶標儀490 nm處測定A，計算細胞增殖抑制率。

（4）將處于一階彎曲振動模態下的磁場傳感器依次置于不同磁場強度的直流磁場中，重復步驟（3），逐一通過NI采集卡和激光測振儀測得相應的磁場傳感器的諧振頻率，然后通過Origin軟件得到一階彎曲振動模態下的磁場傳感器的諧振頻率與直流磁場的磁場強度關系圖，并記下該關系圖上諧振頻率與磁場強度呈線性關系的一段所對應的磁場強度的范圍。

（5）調整磁場傳感器上的正電極與負電極之間的間距，并通過設置正弦信號發生器的輸出信號，使正弦信號發生器產生掃頻，掃頻的頻率范圍為使磁場傳感器處于二階彎曲振動。

（6）在步驟（5）所確定的掃頻頻率范圍內，重復步驟（2）～（4）的操作，得到二階彎曲振動模態下的磁場傳感器的諧振頻率與直流磁場的磁場強度關系圖，并記下該關系圖上諧振頻率與磁場強度呈線性關系的一段所對應的磁場強度的范圍。

（7）調整磁場傳感器上的正電極與負電極之間的間距，并通過設置正弦信號發生器的輸出信號，使正弦信號發生器產生掃頻，掃頻的頻率范圍為使磁場傳感器處于厚度剪切振動。

（8）在步驟（7）所確定的掃頻頻率范圍內，重復步驟（2）～（4）的操作，得到厚度剪切振動模態下的磁場傳感器的諧振頻率與直流磁場的磁場強度關系圖，并記下該關系圖上諧振頻率與磁場強度呈線性關系的一段所對應的磁場強度的范圍。

（9）根據所要測試的直流磁場的磁場強度所在的范圍，再對應上述步驟（4）、（6）、（8）所得到的關系圖，選擇磁場強度所在的范圍內諧振頻率與磁場強度呈線性關系所對應的振動模態，然后將磁場傳感器調控至該振動模態，并將正弦信號發生器的輸出信號調節至相應的頻率范圍，正弦信號發生器對磁場傳感器產生激勵，同時，正弦信號發生器將電信號作為實測參考信號經NI采集卡發送給激光測振儀自帶的軟件，然后將磁場傳感器放置于所要測試的直流磁場中，通過激光測振儀測得磁場傳感器在上述頻率范圍內的實測振動位移和實測振動頻率，此為實測采集信號，并將該實測采集信號以電信號的形式經NI采集卡發送給激光測振儀自帶的軟件，軟件對接收到的實測參考信號和實測采集信號作處理后得到對應的頻響函數，從而得到磁場傳感器在所要測試的直流磁場中的實測諧振頻率，最后根據該振動模態下的諧振頻率與磁場強度的關系圖，通過Matlab軟件分析得到準確的所測直流磁場的磁場強度。

2.3 實驗內容設定

實驗中采用壓電材料層的材料可以為具有逆壓電效應的壓電陶瓷、石英、鉭酸鎵鑭、鈮鎂酸鉛-鈦酸鉛、鉭酸鋰、鈮酸鋰或者鋯鈦酸鉛，壓磁材料層的材料為稀土類鐵磁材料。學生可以選用不同壓電材料制作磁電耦合試件，用于研究壓電材料對磁電耦合性能的影響。某次實驗壓電相材料選為PZT（壓電陶瓷），壓磁相材料為Terfenol-D，尺寸（長×寬×厚）均為12 mm×6 mm×1 mm，用電鍍法在壓電相同一側制備正負銀電極兩個，利用黏結法制備磁電復合結構，如圖2所示，圖中箭頭方向分別表示壓電相和壓磁相的極化方向和磁化方向。調整磁場傳感器上的正電極與負電極之間的間距，并通過設置正弦信號發生器的輸出信號，使正弦信號發生器產生掃頻，利用Comsol有限元模擬軟件確定相應模態的頻率范圍，掃頻的頻率范圍為使磁場傳感器產生一階彎曲振動、二階彎曲振動等多種模態。

圖2 磁電復合結構試件

圖3 不同振動模態頻率與磁場關系（1 Oe＝79.577 47 A／m）

2.4 實驗評價

通過將團隊承擔的國家自然科學基金和省自然科學基金的一部分科學實驗用于本科生實驗教學，可以拓寬學生的知識面，提升學生自主創新水平以及解決問題的能力。在實驗前期，教師會提醒學生需要注意的關鍵步驟，盡量避免人為誤差影響的措施，例如在測試試件某點的諧振頻率振動位移時，應將需要研究的所有偏置磁場一次測試完畢，防止由于周圍環境異常振動造成實驗誤差。學生在實驗中會遇到很多問題，需要他們獨立解決，實驗后學生需要將問題抽象、提煉、整理、總結出實驗大綱，教師在這個過程中不是幫助學生解決一兩個具體問題，而是啟發學生的創新意識，逐漸使學生養成提出、分析、解決問題的能力。實驗結束時學生需要提交一份綜合性的實驗報告，報告應包括實驗結果分析、誤差分析、實驗的創新性分析以及同類實驗需要注意的建議，以此作為學生培養的評價指標以及科研向教學轉換的成效。

3 教學與科研相結合的優勢

教學和科研是高等教育的兩大核心職能，處理好教學和科研的關系是高等學校發展和人才培養目標的戰略性任務。教學和科研作為“流”與“源”的關系應相輔相成，相互促進。

3.1 科研對課程教學的促進作用

(1)豐富和優化實驗教學內容。對于大部分開設振動模態分析實驗課的高校仍然采用傳統陳舊的試驗教學內容，分別是正則振型試驗法（NMT）和頻響函數法（FRF），這兩種試驗方法有一定的弊端，測試儀器龐大，費時長，成本高。多普勒激光測振儀集成了多普勒測振技術和視覺多點測振技術于一身，可以實現振動的非接觸測量。通過這種教學方法實現跨學科的知識傳授，一方面使學生了解了不同學科領域測量振動的方法，拓寬眼界，培養復合型人才。另一方面有利于拓寬教師的知識視野和能力，促進老師精通多學科的內容，使得老師傳授給學生的知識、思維方式不只局限在本學科內。

(2)有利于培養學生的綜合素質。實際測量中，多普勒激光測振儀發射的激光聚焦于磁電復合結構表面，物體振動引起激光的多普勒響應，反射回來的反射光頻率發生變化，被光學頭接收到，只有當足夠能量的反射光存在時才會準確檢測到物體真實的振動，因此，對激光耐心細致的對焦可以培養學生嚴謹的科學態度。通過親自動手操作實驗設備，得到多種模態振動的振型，實現抽象的理論到形象的結果的轉變，激發學生對科研探索的興趣，體會到科學的神奇魅力。

(3)充分發揮大型儀器設備的開放共享。大型儀器是高校的重要資源財富，如何提高大型儀器設備共享對于高校實驗教學、人才培養、服務地方等尤其重要。開展教學和科研相結合有利于將科研實驗室的大型儀器用于實驗教學，從而提高設備的利用率、政府財政資金的使用效益和科研與教學成果的轉化率。

3.2 課程教學對科研的促進作用

(1)壯大實驗室科研隊伍。在大部分高校及科研院所中，研究生是科研成果產出的主力軍。而對于一些專業，由于專業背景的特殊性，研究生的數量有限，從而限制了本專業的發展。在教學過程中讓本科生承擔必要的科研工作可以有效地壯大科研隊伍，培養學生創造力的同時充分發揮本科生的作用。在磁電耦合振動實驗中，研究生擔任組長，本科生承擔了試件制備、設備校準、軟件調試、磁場定位、數據處理等工作。在制備試件時，由于本科生經驗不足導致連接導線的焊錫過量，從而使相應模態下的諧振頻率產生偏差，經過糾正重新制備的磁場傳感器對磁場具有較好的線性度和靈敏度。

(2)有助于培養學生科學精神和動手能力。在本科階段讓學生進入科研實驗室，對培養他們動手能力、科學思維、論文寫作、獨立創新有較大的幫助。本科教學中涉及相關專業的科學研究，有助于學生為研究生階段的學習打下堅實的基礎，實現本科階段中被動學習的狀態轉為研究生階段主動學習的狀態。

(3)研究性實驗教學有助于啟迪思考，發現新問題。本次兩組實驗，實驗數據表明兩組結果在不同模態下的諧振頻率均有較大差異，經過排查各種影響因素，發現一組同學將試件直接放在實驗臺上進行測試，改變了磁電復合結構自由振動的邊界條件，這也啟發可進一步深入探究邊界條件對磁電傳感器性能的影響。

4 結 語

20世紀80年代，錢偉長［17］先生曾提出，“你不上課，就不是老師；你不搞科研就不是好老師。每年雖然講同一門課，但應該不斷變化，使一門課跟上科學發展的步伐。”只有將科研和教學相結合，才能使學生了解本課程的前沿知識，拓寬眼界，培養復合型人才。當學生自主探索一個問題時，不僅能激發學生的創新意識，而且也能培養學生發現問題、解決問題的能力，可以有效提升本科生的培養質量。因此，將教學和科研合理結合能有效促進兩者的共同發展。