基于電渦流傳感器的綜合創新實驗探索與實踐

曹丙花 淦方鑫

摘? 要? 以《工程教育認證標準》為指導思想，結合電子信息類專業培養方案對學生實踐能力培養的要求，開展電渦流傳感器的綜合創新實驗教學，探索如何將科研項目融入綜合創新實驗。分別介紹綜合實驗的內容、開展方式以及考核方式等，教學結果表明，該模式對提高學生實踐能力具有推動作用，對新形勢下工程教育改革具有一定的借鑒作用。

關鍵詞? 電渦流傳感器;綜合創新實驗;單片機;電導率

檢測儀

中圖分類號：G642.0? ? 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2022）06-0146-04

Exploration and Practice of Comprehensive Innovation Experiment based on Eddy Current Sensor//CAO Binghua， GAN Fangxin

Abstract? Eddy current sensor comprehensive innovation ex-periments are explored based on the guiding ideology of Engi-neering Education Certification Standard and the requirements?of the training program of electronic information engineering to cultivate students’ practical ability. This paper introduces the content， development mode and assessment mode of com-prehensive experiment. The results show that this mode can promote the cultivation of students’ practical ability， and can be used for reference in the reform of Engineering Education under the new situation.

Key words? eddy current sensor; comprehensive innovation experiment; MCU; conductivity detector

0? 前言

習近平總書記關于教育的重要論述中指出：“科技創新從未像今天這樣深刻影響世界經濟政治力量對比，且已成為國際競爭力的關鍵。”高等教育在科技創新培養中的作用不言而喻，專業課的學習更是高等教育的重中之重。因此，如何培養具有創新能力的人才，讓學生更好地應用所學知識解決實際問題，是高等教育必須思考的首要問題。如何培養專業基礎扎實、科研能力強、綜合素質高的創新型人才，已經成為當前高等教育教學改革和可持續發展面臨的一個迫切需要解決的問題[1]。

目前，中國礦業大學電子信息類專業開設了很多課程，比如微機原理與應用、傳感器與檢測技術、電子綜合設計等，這些課程都要求培養學生動手實踐的能力。但是，教學現狀是每門課獨立開展實踐教學，而且限于課時數，各門課程的實驗均是功能單一的實驗，與實際應用嚴重脫軌。學生在開展實驗學習過程中，只知其一，不知其二，只知如何完成實驗獲得成績，不知道如何將所學內容切實地應用到實際中去。在教學中積極推廣接地氣的案例教學，引導學生了解實際需求，應用所學知識解決實際問題，已經成為當務之急。

鑒于以上問題，結合課題組在基于電渦流傳感器的無損檢測方面積累的科研成果，圍繞“傳感器應用”“單片機應用設計”與“數字信號處理方法在實際中的應用”等方面相結合的思路，在學生學習這些專業課的同時，以課堂綜合實驗與課后興趣小組相結合的模式開展一系列的綜合實驗教學，豐富和拓展本科生實踐教學內容，增強實踐教學內容效果，取得一些相應的研究成果。

1? 實驗任務與目標

科研項目中的很多問題是緊密聯系實際的，尤其是與企業合作的橫向項目中，主要目標就是解決實際碰到的工程問題。本文以“基于電渦流傳感器的電導率檢測儀的開發與設計”為例，闡述開設綜合創新實驗的模式與實踐方法。電導率是金屬材料重要的物理參數，與金屬的純度、合金成分、熱處理狀態、硬度大小和金屬的微觀結構等密切相關。因此，通過檢測金屬的電導率，可以識別合金的成分，也可以判斷金屬所受的熱處理狀態等，在實際中具有非常廣泛的應用領域。

渦流檢測是五大常用的無損檢測技術之一，近年來，以其無損、非接觸、低成本等優勢，在無損檢測領域得到廣泛應用，如金屬導體材料的厚度檢測、缺陷與損傷識別、電導率測量等[4]。目前限于課時數，中國礦業大學傳感器與檢測技術課程開設的實驗中并未涉及相關內容。但是基于所學理論知識，結合微機原理與應用課程中所學的單片機應用電路設計知識，學生完全具有自行開發和設計電渦流檢測裝置的能力。

如圖1所示，基于因材施教的原則，綜合實驗的內容分為三個層次：基本要求、擴展要求和高階要求。其中，基本要求中要求學生開發基于電渦流傳感器的電導率檢測裝置，主要包含四個部分：

1）基于單片機控制DDS信號發生電路設計;

2）功率放大電路設計;

3）交流電橋與差分放大電路設計;

4）信號調理與采集電路設計。

2? 教學模式探索

針對目前中國礦業大學相關課程教學中存在的問題，結合課題組在這一研究領域多年的研究工作，指導學生開展基于電渦流傳感器檢測裝置的開發及其應用的研究，開設一系列項目引領式綜合創新實驗。這一部分的內容主要作為電子綜合設計課程的課題，供學生選擇。擬開設的系列綜合實驗主要綜合傳感器與檢測技術、微機原理與應用、嵌入式系統原理及應用、數字信號處理等課程的相關知識。這類結合實際項目的綜合性實驗能讓學生在實驗過程中深刻理解這些課程所學的晦澀難懂的知識，融會貫通，并讓他們掌握如何將所學知識應用于解決實際問題。

3? 綜合創新實驗內容及其體系

本節以便攜式電渦流檢測裝置的開發與應用研究為例，介紹中國礦業大學在綜合創新實驗開設方面做的一些工作。這個綜合實驗要求學生設計一套電渦流檢測裝置并探索電渦流傳感器在實際中的應用方法。這一系列的綜合實驗主要涉及單片機應用電路設計、信號調理電路設計、信號采集及處理、先進信號處理方法的應用等。

3.1? 綜合實驗內容

本文的綜合實驗要求學生應用所學知識，設計并開發一款電渦流檢測裝置，主要內容包括基于DDS的信號發生器設計、基于STM32的電渦流檢測電路設計、交流電橋信號采集電路設計、基于電渦流傳感器的位移檢測、基于電渦流傳感器的缺陷識別、基于電渦流傳感器的裂紋成像檢測等[5]，具體內容見表1。在以往的課程設計中，這些實驗內容有的也讓學生做過，教師在此基礎上讓學生綜合起來實現電渦流檢測裝置的設計，從難度上來講并不是太大。開設這個綜合創新實驗的主要目的在于：針對檢測電導率這一實際問題，讓學生綜合運用所學知識來解決。這一綜合實驗主要從以下幾個方面考慮。

1）針對這一問題選擇電渦流傳感器作為核心傳感器。根據電渦流傳感器的工作原理，需要給電渦流傳感器提供正弦激勵，因此應用基于DDS的方法設計正弦信號發生器，產生正弦信號。

2）電渦流傳感器的測量電路選擇交流電橋電路，為了提高檢測靈敏度，減小非線性，采用兩個電渦流線圈，其中一個為檢測線圈，一個為參考線圈，在電橋電路中接在相鄰的兩個橋臂中。

3）為了提高信號的檢測精度，采用差分放大器對電橋輸出信號進行放大。

4）采用相敏檢波電路，實現交流信號的檢測，并應用AD轉換芯片實現信號采集。

5）基于設計好的電渦流檢測裝置，實現電導率檢測或位移檢測。

讓學生在解決實際問題的過程中理解和消化所學知識并應用。

3.2? 開展方式

在綜合創新實驗模式的具體實施過程中，學生根據自己的興趣自由組隊，選擇想參與的綜合實驗項目并制訂相應的解決方案。在這一過程中，教師會根據項目設計的理論知識對學生進行有針對性的指導，可以采用現場講述或者發布視頻課程等方式。在項目開展過程中，學生以小組的形式進行，通過分工合作完成相應內容。在開展過程中，國家級示范中心的實驗室對學生免費開放，學生可以在實驗室中完成相應的設計。教師隨時隨地介入，可以讓學生的問題得到及時解答。在實驗室中，值班教師可以進行現場指導。學生不在實驗室時，還可以通過QQ群、微信群等方式，隨時向教師提問并得到解答。這樣操作的目的是全方位保證學生在項目開展和實施過程中得到及時指導，更有利于項目的順利開展。

3.3? 考核方式

課程考核是檢測學生學習效果的手段和標準，具有很好的反饋、導向和指引作用。綜合創新實驗考核采用多元化方式，主要包括平時表現（20%）、參與情況（30%）、項目答辯（20%）以及課程論文撰寫（30%）等方面。其中，平時表現和參與情況在綜合實驗開展過程中會實時反饋給學生，讓學生了解自己的表現，并在平時學習中進行合理調整，目的在于督促學生更好地完成相關任務。往年項目答辯的過程都錄制有視頻，可以供學生在答辯階段進行觀摩學習。課程論文的撰寫給出撰寫標準，讓學生在撰寫論文過程中有章可循，這樣可以很好地學習科技類論文撰寫的規范，更好地呈現自己所做的工作。

3.4? 綜合創新實驗項目的延伸

綜合創新實驗結束后，教師會根據項目完成情況，對完成情況優異的作品做進一步介入，指導學生做更深入的科研訓練，如指導學生撰寫科技論文或申請專利等，讓學生學習開展科研工作和撰寫科研論文的方法，有利于讓他們樹立“本科生也可以搞科研”的信心。這樣的訓練能讓學生更深入地理解所做內容，并對學生后續保研、考研復試以及找工作等有很好的助力作用。

4? 結語

教學為科研奠基，科研反哺于教學，科研教學相長。本文立足于科研項目中電渦流檢測裝置的開發與應用研究，在本科教學中開展綜合創新實驗。基于該模式的綜合創新實驗教學取得顯著成效：獲得各級大學生創新訓練項目10余項，其中國家級項目兩項，省級項目三項;指導學生申請發明專利10余件（已授權八件）;指導畢業設計論文近10項，并獲得校級優秀畢業設計論文四項;申請教改項目兩項，并獲得校級教學成果一項。學生參與實際項目并發表學術論文和撰寫專利等科研經歷，對他們未來從事相關工作或繼續深造均有積極影響，是一種可持續性好的教學模式，對培養學生的創新能力和思維具有很好的作用。■

參考文獻

[1] 董桂偉，趙國群，王桂龍，等.科研成果轉化為實驗教學資源的探索[J].實驗技術與管理，2019，36（4）：114-117，124.

[2] 周一恒，嚴家明，吳新忠，等.融合科研成果的綜合創新實驗教學探討[J].實驗技術與管理，2020，37（11）：230-234.

[3] 歐陽新萍，秦潔.科研案例融入能源動力類課程的研究生教學實踐[J].高教學刊，2020（33）：133-136.

[4] 王翠蘋.金屬電導率電渦流檢測方法研究[D].江蘇：中國礦業大學，2019.

[5] 楊盼盼，曹丙花，范孟豹，等.脈沖渦流厚度檢測仿真與實驗研究[J].傳感技術學報，2016，29（6）：821-825.

*基金項目：中國礦業大學教改項目“基于產出導向OBE的《傳感器與檢測技術》階梯式教學研究與探索”（2019YB12）;中國礦業大學實驗技術研究與開發項目“基于科研驅動的電子類人才培養的實驗課程改革與探索”（S2020Y008）。

作者：曹丙花，中國礦業大學信息與控制工程學院，副教授，博士，主要研究方向電磁無損檢測技術及應用;淦方鑫，中國礦業大學機電工程學院，主要研究方向電磁無損檢測技術及應用（221116）。