磁电耦合振动科研应用于综合实验教学的探索

丁本杰， 张明华， 陈剑斌， 杜建科

（宁波大学机械工程与力学学院，浙江宁波 315211）

0 引 言

教学和科研相结合的理论最早由德国的著名教育家、思想家威廉·冯·洪堡提出，1809年他创办柏林大学，办学理念就是在国家保证教学自由的前提下与科学研究相结合，实现教的自由与学的自由，他认为只有通过“塑造”才能达到“教养”，从此教学和科研成为高等学校的两项基本职能，并且教学是科研的基础，而科研是教学的发展与提升，两者相辅相成，紧密联系，共同为培养人才服务［1］。洪堡还认为教师不是为了学生而存在，教师和学生共处于大学，是因为他们都为了科学和学术，因此在大学中教师不仅是知识的传播者和维护者，还应是文化与科学技术知识的创造者和更新者［2］。1987～1990年间，美国高等教育界研究的著名学者伯顿·克拉克与5个国家的高等教育专家就科研、教学、学习相结合的理想在各国实现情况进行了合作研究，他们发现如果科研活动要和教授的教学活动和学生的学习活动有效联系起来，需要具备坚强的组织，在大学内部的系、实验室和科研小组的操作层次，甚至更加需要坚强的组织［3］。教授和学生应该联手共同探索新的知识，在高等教育创新体系中，科研、教学和学习应该实现统一。然而，目前大多数高校的教师考核体系不利于科研与教学相互促进，使得科研与教学并未齐头并进［4］。如何将科研优势转化为教学成果，同时在教学过程中实现一定的科研价值成为一个非常有价值的研究课题［5-8］。

振动与噪声控制作为一门专业选修课程，课程中专业知识的概念多，结论抽象，学生理解困难，导致学生学习效果并不理想。在很多高校中，该课程相关的实验课很少开设，即便开设实验课也只是限于传统实验，例如频率、振幅的测试及位移、速度、加速度的测试等［9］，通过这些实验虽然可以理解书本的基本概念，但未使学生了解相关专业的科学前沿。本着科研与教学相结合的理念，为使教学内容紧跟科技发展，将振动与噪声控制这门课作为改革对象，以理论基础课为依据，重新设计实验课程。提出将磁电耦合振动研究的科研成果引入实验教学的设想，基于该成果引导学生设计一款直流磁场传感器，在多种模态下利用谐振频率变化测试磁场强度大小。考虑学生自身需求及个性发展，在自主选择基础上，实验室对该课题感兴趣的同学开展科研实验指导。通过对实验成果的总结与思考，发现教学与科研互长的重要价值。

1 研究型实验的确定

随着现代机械逐渐向高速度、轻量化、低能耗及高性能的方向发展，机械和结构中的振动与噪声问题也日益突出，因此在机械结构的设计与制造过程中，机械和结构的振动特性分析更加重要，而对机械器件进行振动模态分析成为检测是否存在缺陷的重要环节。振动与噪声控制是针对工科类专业开设的一门选修课程。本课程共37学时，包括实验课程10学时，主要讲授内容是线性振动和实验模态分析。模态分析的基础是线性振动的经典内容，而模态分析主要讲授频响函数与模态参数的关系，包括固有频率、固有振型、阻尼比，这也为后续的模态测试打下理论基础。但是对实验无感性认识的学生而言，理论课程对他们较为枯燥，从学习效果来看也不够理想。如果将模态测试这部分内容作为实验教学，使学生理解基础概念的同时接触先进的科研设备并产出较好的科研成果，对于学生及学科发展将显得事半功倍。

由压电材料和压磁材料制备的磁电复合结构具有非常显著的磁电耦合效应［10-13］，因而被广泛用于传感器、磁电控制装置、微波器件和其他电子产品［14］。通过之前的研究已经发现，沿长度方向磁化的Terfenol-D和沿厚度方向极化的PMN-PT单晶组成的磁电复合结构，在交变磁场激励下具有较大的磁电耦合系数，达到3.6 V／（cm·Oe），磁场敏感度达10μT。此类研究是在外界交变磁场作用下，磁电复合结构主要发生长度方向的伸缩振动，通过压磁相的振动应变导致压电相由于正压电效应而在上下表面厚度场的电极产生电荷，从而实现磁场信号转化为电场信号。当试件的固有频率与交变磁场的频率相重合时，试件会发生谐振，此时压电相具有最大输出。同时偏置磁场的大小也会对磁电耦合性能产生影响，发现磁电耦合系数并非随着偏置磁场增大而一直增大，最优外界磁场使磁电复合结构具有最大能量的输出。利用这种原理制成的传感器主要是通过测量压电相输出的电压信号来探测磁场大小，它很大程度上受制于锁相放大器灵敏度的限制，并且传感器性能会受到谐振频率范围的影响［15］。再者，厚度场方向上的电极不利于制备，对谐振频率产生负面影响，尤其在外界磁场越高时，磁电复合结构的厚度越小，此时要求复合结构的厚度与电极的厚度相差越小，对于加工工艺产生极大的挑战。

压电相横向场激励模式可以根据电极位置实现多种振动模态［16］，并且正负激励电极位于压电材料的同一侧，这样可以使所有电极及引线置于传感器后端，消除压电材料电极层对磁场探测信号的干扰与衰减。因此，将此部分科研子课题作为教学内容，指导学生设计横向场激励下的利用谐振频率变化的磁场传感器，让学生真正进入科研实验室了解先进的实验设备，培养学生科学严谨的态度和科研兴趣，提高综合实验能力，同时通过学生的实验结果揭示科研的应用价值。

2 实验的基本要求

2.1 实验目的

制备一种横向场激励下的利用谐振频率变化的磁场传感器，了解多普勒激光测振仪模态测试的方法。

2.2 磁场测试原理及实验步骤

利用信号发生器对压电相提供稳压正弦激励的扫频信号，由于逆压电效应，压电相产生机械变形。实验装置如图1所示，其所使用的测试系统包括正弦信号发生器、信号幅度放大模块、激光测振仪、NI采集卡，正弦信号发生器分别与信号幅度放大模块、NI采集卡电连接，信号幅度放大模块和激光测振仪分别与磁场传感器电连接，激光测振仪与NI采集卡电连接，与直流稳压电源连接的电磁铁可以产生偏置磁场。利用磁场传感器的谐振频率来测试直流磁场强度的原理为：正弦信号发生器产生的正弦电信号通过信号幅度放大模块对磁场传感器产生激励，磁场传感器中的压电材料层受到正弦电信号的激励，由于逆压电效应而产生振动，从而带动压磁材料层振动，当磁场传感器的固有频率和正弦信号发生器产生的频率相同时，磁场传感器就会产生谐振，此时的频率为谐振频率；当磁场传感器位于直流磁场中时，压磁材料层受到磁场的影响，发生伸长或缩短，磁场传感器的谐振频率会发生改变，从而通过谐振频率的改变来测试直流磁场强度的大小。

图1 磁场传感器测试装置图

新型磁场传感器检测直流磁场强度的方法包括以下步骤：

（1）调整磁场传感器上的正电极与负电极之间的间距，并通过设置正弦信号发生器的输出信号，使正弦信号发生器产生扫频，扫频的频率范围为使磁场传感器产生一阶弯曲振动。

（2）在步骤（1）所确定的扫频频率范围内，正弦信号发生器将正弦电信号通过信号幅度放大模块对磁场传感器产生激励，同时，正弦信号发生器将该正弦电信号作为参考信号传输给NI采集卡，通过NI采集卡发送给激光测振仪自带的软件。

（3）将处于一阶弯曲振动模态下的磁场传感器置于已知磁场强度的直流磁场中，并通过激光测振仪测得磁场传感器在步骤（1）所确定的扫频频率范围内的振动位移和振动频率，此为采集信号，同时将该采集信号以电信号的形式经过NI采集卡发送给激光测振仪自带的软件，软件对接收到的参考信号和采集信号作处理后得到对应的频响函数，从而得到磁场传感器在该直流磁场中的谐振频率。

1.2.5 体外抗黑素瘤细胞试验。试验分为无细胞对照组(只加不含细胞的培养液)、正常对照组和用药组(空白纳米乳组、党参总皂苷水溶液组、党参总皂苷纳米乳组)。96孔板中每孔接种200 μL B16黑素瘤细胞悬液，37 ℃ 5%CO2培养，当细胞生长融合到70%～80%时，弃去原培养液，用药组加入含药培养液，正常对照组加入不含药培养液。培养48 h后，每孔加入MTT溶液20 μL，继续培养4 h后，弃培养液，每孔加入150 μL DMSO，避光振荡10 min，酶标仪490 nm处测定A，计算细胞增殖抑制率。

（4）将处于一阶弯曲振动模态下的磁场传感器依次置于不同磁场强度的直流磁场中，重复步骤（3），逐一通过NI采集卡和激光测振仪测得相应的磁场传感器的谐振频率，然后通过Origin软件得到一阶弯曲振动模态下的磁场传感器的谐振频率与直流磁场的磁场强度关系图，并记下该关系图上谐振频率与磁场强度呈线性关系的一段所对应的磁场强度的范围。

（5）调整磁场传感器上的正电极与负电极之间的间距，并通过设置正弦信号发生器的输出信号，使正弦信号发生器产生扫频，扫频的频率范围为使磁场传感器处于二阶弯曲振动。

（6）在步骤（5）所确定的扫频频率范围内，重复步骤（2）～（4）的操作，得到二阶弯曲振动模态下的磁场传感器的谐振频率与直流磁场的磁场强度关系图，并记下该关系图上谐振频率与磁场强度呈线性关系的一段所对应的磁场强度的范围。

（7）调整磁场传感器上的正电极与负电极之间的间距，并通过设置正弦信号发生器的输出信号，使正弦信号发生器产生扫频，扫频的频率范围为使磁场传感器处于厚度剪切振动。

（8）在步骤（7）所确定的扫频频率范围内，重复步骤（2）～（4）的操作，得到厚度剪切振动模态下的磁场传感器的谐振频率与直流磁场的磁场强度关系图，并记下该关系图上谐振频率与磁场强度呈线性关系的一段所对应的磁场强度的范围。

（9）根据所要测试的直流磁场的磁场强度所在的范围，再对应上述步骤（4）、（6）、（8）所得到的关系图，选择磁场强度所在的范围内谐振频率与磁场强度呈线性关系所对应的振动模态，然后将磁场传感器调控至该振动模态，并将正弦信号发生器的输出信号调节至相应的频率范围，正弦信号发生器对磁场传感器产生激励，同时，正弦信号发生器将电信号作为实测参考信号经NI采集卡发送给激光测振仪自带的软件，然后将磁场传感器放置于所要测试的直流磁场中，通过激光测振仪测得磁场传感器在上述频率范围内的实测振动位移和实测振动频率，此为实测采集信号，并将该实测采集信号以电信号的形式经NI采集卡发送给激光测振仪自带的软件，软件对接收到的实测参考信号和实测采集信号作处理后得到对应的频响函数，从而得到磁场传感器在所要测试的直流磁场中的实测谐振频率，最后根据该振动模态下的谐振频率与磁场强度的关系图，通过Matlab软件分析得到准确的所测直流磁场的磁场强度。

2.3 实验内容设定

实验中采用压电材料层的材料可以为具有逆压电效应的压电陶瓷、石英、钽酸镓镧、铌镁酸铅-钛酸铅、钽酸锂、铌酸锂或者锆钛酸铅，压磁材料层的材料为稀土类铁磁材料。学生可以选用不同压电材料制作磁电耦合试件，用于研究压电材料对磁电耦合性能的影响。某次实验压电相材料选为PZT（压电陶瓷），压磁相材料为Terfenol-D，尺寸（长×宽×厚）均为12 mm×6 mm×1 mm，用电镀法在压电相同一侧制备正负银电极两个，利用黏结法制备磁电复合结构，如图2所示，图中箭头方向分别表示压电相和压磁相的极化方向和磁化方向。调整磁场传感器上的正电极与负电极之间的间距，并通过设置正弦信号发生器的输出信号，使正弦信号发生器产生扫频，利用Comsol有限元模拟软件确定相应模态的频率范围，扫频的频率范围为使磁场传感器产生一阶弯曲振动、二阶弯曲振动等多种模态。

图2 磁电复合结构试件

图3 不同振动模态频率与磁场关系（1 Oe＝79.577 47 A／m）

2.4 实验评价

通过将团队承担的国家自然科学基金和省自然科学基金的一部分科学实验用于本科生实验教学，可以拓宽学生的知识面，提升学生自主创新水平以及解决问题的能力。在实验前期，教师会提醒学生需要注意的关键步骤，尽量避免人为误差影响的措施，例如在测试试件某点的谐振频率振动位移时，应将需要研究的所有偏置磁场一次测试完毕，防止由于周围环境异常振动造成实验误差。学生在实验中会遇到很多问题，需要他们独立解决，实验后学生需要将问题抽象、提炼、整理、总结出实验大纲，教师在这个过程中不是帮助学生解决一两个具体问题，而是启发学生的创新意识，逐渐使学生养成提出、分析、解决问题的能力。实验结束时学生需要提交一份综合性的实验报告，报告应包括实验结果分析、误差分析、实验的创新性分析以及同类实验需要注意的建议，以此作为学生培养的评价指标以及科研向教学转换的成效。

3 教学与科研相结合的优势

教学和科研是高等教育的两大核心职能，处理好教学和科研的关系是高等学校发展和人才培养目标的战略性任务。教学和科研作为“流”与“源”的关系应相辅相成，相互促进。

3.1 科研对课程教学的促进作用

(1)丰富和优化实验教学内容。对于大部分开设振动模态分析实验课的高校仍然采用传统陈旧的试验教学内容，分别是正则振型试验法（NMT）和频响函数法（FRF），这两种试验方法有一定的弊端，测试仪器庞大，费时长，成本高。多普勒激光测振仪集成了多普勒测振技术和视觉多点测振技术于一身，可以实现振动的非接触测量。通过这种教学方法实现跨学科的知识传授，一方面使学生了解了不同学科领域测量振动的方法，拓宽眼界，培养复合型人才。另一方面有利于拓宽教师的知识视野和能力，促进老师精通多学科的内容，使得老师传授给学生的知识、思维方式不只局限在本学科内。

(2)有利于培养学生的综合素质。实际测量中，多普勒激光测振仪发射的激光聚焦于磁电复合结构表面，物体振动引起激光的多普勒响应，反射回来的反射光频率发生变化，被光学头接收到，只有当足够能量的反射光存在时才会准确检测到物体真实的振动，因此，对激光耐心细致的对焦可以培养学生严谨的科学态度。通过亲自动手操作实验设备，得到多种模态振动的振型，实现抽象的理论到形象的结果的转变，激发学生对科研探索的兴趣，体会到科学的神奇魅力。

(3)充分发挥大型仪器设备的开放共享。大型仪器是高校的重要资源财富，如何提高大型仪器设备共享对于高校实验教学、人才培养、服务地方等尤其重要。开展教学和科研相结合有利于将科研实验室的大型仪器用于实验教学，从而提高设备的利用率、政府财政资金的使用效益和科研与教学成果的转化率。

3.2 课程教学对科研的促进作用

(1)壮大实验室科研队伍。在大部分高校及科研院所中，研究生是科研成果产出的主力军。而对于一些专业，由于专业背景的特殊性，研究生的数量有限，从而限制了本专业的发展。在教学过程中让本科生承担必要的科研工作可以有效地壮大科研队伍，培养学生创造力的同时充分发挥本科生的作用。在磁电耦合振动实验中，研究生担任组长，本科生承担了试件制备、设备校准、软件调试、磁场定位、数据处理等工作。在制备试件时，由于本科生经验不足导致连接导线的焊锡过量，从而使相应模态下的谐振频率产生偏差，经过纠正重新制备的磁场传感器对磁场具有较好的线性度和灵敏度。

(2)有助于培养学生科学精神和动手能力。在本科阶段让学生进入科研实验室，对培养他们动手能力、科学思维、论文写作、独立创新有较大的帮助。本科教学中涉及相关专业的科学研究，有助于学生为研究生阶段的学习打下坚实的基础，实现本科阶段中被动学习的状态转为研究生阶段主动学习的状态。

(3)研究性实验教学有助于启迪思考，发现新问题。本次两组实验，实验数据表明两组结果在不同模态下的谐振频率均有较大差异，经过排查各种影响因素，发现一组同学将试件直接放在实验台上进行测试，改变了磁电复合结构自由振动的边界条件，这也启发可进一步深入探究边界条件对磁电传感器性能的影响。

4 结 语

20世纪80年代，钱伟长［17］先生曾提出，“你不上课，就不是老师；你不搞科研就不是好老师。每年虽然讲同一门课，但应该不断变化，使一门课跟上科学发展的步伐。”只有将科研和教学相结合，才能使学生了解本课程的前沿知识，拓宽眼界，培养复合型人才。当学生自主探索一个问题时，不仅能激发学生的创新意识，而且也能培养学生发现问题、解决问题的能力，可以有效提升本科生的培养质量。因此，将教学和科研合理结合能有效促进两者的共同发展。