磁電耦合振動科研應(yīng)用于綜合實驗教學(xué)的探索

丁本杰， 張明華， 陳劍斌， 杜建科

（寧波大學(xué)機(jī)械工程與力學(xué)學(xué)院，浙江寧波 315211）

0 引 言

教學(xué)和科研相結(jié)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(chuàng)辦柏林大學(xué)，辦學(xué)理念就是在國家保證教學(xué)自由的前提下與科學(xué)研究相結(jié)合，實現(xiàn)教的自由與學(xué)的自由，他認(rèn)為只有通過“塑造”才能達(dá)到“教養(yǎng)”，從此教學(xué)和科研成為高等學(xué)校的兩項基本職能，并且教學(xué)是科研的基礎(chǔ)，而科研是教學(xué)的發(fā)展與提升，兩者相輔相成，緊密聯(lián)系，共同為培養(yǎng)人才服務(wù)［1］。洪堡還認(rèn)為教師不是為了學(xué)生而存在，教師和學(xué)生共處于大學(xué)，是因為他們都為了科學(xué)和學(xué)術(shù)，因此在大學(xué)中教師不僅是知識的傳播者和維護(hù)者，還應(yīng)是文化與科學(xué)技術(shù)知識的創(chuàng)造者和更新者［2］。1987～1990年間，美國高等教育界研究的著名學(xué)者伯頓·克拉克與5個國家的高等教育專家就科研、教學(xué)、學(xué)習(xí)相結(jié)合的理想在各國實現(xiàn)情況進(jìn)行了合作研究，他們發(fā)現(xiàn)如果科研活動要和教授的教學(xué)活動和學(xué)生的學(xué)習(xí)活動有效聯(lián)系起來，需要具備堅強(qiáng)的組織，在大學(xué)內(nèi)部的系、實驗室和科研小組的操作層次，甚至更加需要堅強(qiáng)的組織［3］。教授和學(xué)生應(yīng)該聯(lián)手共同探索新的知識，在高等教育創(chuàng)新體系中，科研、教學(xué)和學(xué)習(xí)應(yīng)該實現(xiàn)統(tǒng)一。然而，目前大多數(shù)高校的教師考核體系不利于科研與教學(xué)相互促進(jìn)，使得科研與教學(xué)并未齊頭并進(jìn)［4］。如何將科研優(yōu)勢轉(zhuǎn)化為教學(xué)成果，同時在教學(xué)過程中實現(xiàn)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(yè)選修課程，課程中專業(yè)知識的概念多，結(jié)論抽象，學(xué)生理解困難，導(dǎo)致學(xué)生學(xué)習(xí)效果并不理想。在很多高校中，該課程相關(guān)的實驗課很少開設(shè)，即便開設(shè)實驗課也只是限于傳統(tǒng)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(xué)生了解相關(guān)專業(yè)的科學(xué)前沿。本著科研與教學(xué)相結(jié)合的理念，為使教學(xué)內(nèi)容緊跟科技發(fā)展，將振動與噪聲控制這門課作為改革對象，以理論基礎(chǔ)課為依據(jù)，重新設(shè)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(xué)的設(shè)想，基于該成果引導(dǎo)學(xué)生設(shè)計一款直流磁場傳感器，在多種模態(tài)下利用諧振頻率變化測試磁場強(qiáng)度大小?？紤]學(xué)生自身需求及個性發(fā)展，在自主選擇基礎(chǔ)上，實驗室對該課題感興趣的同學(xué)開展科研實驗指導(dǎo)。通過對實驗成果的總結(jié)與思考，發(fā)現(xiàn)教學(xué)與科研互長的重要價值。

1 研究型實驗的確定

隨著現(xiàn)代機(jī)械逐漸向高速度、輕量化、低能耗及高性能的方向發(fā)展，機(jī)械和結(jié)構(gòu)中的振動與噪聲問題也日益突出，因此在機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計與制造過程中，機(jī)械和結(jié)構(gòu)的振動特性分析更加重要，而對機(jī)械器件進(jìn)行振動模態(tài)分析成為檢測是否存在缺陷的重要環(huán)節(jié)。振動與噪聲控制是針對工科類專業(yè)開設(shè)的一門選修課程。本課程共37學(xué)時，包括實驗課程10學(xué)時，主要講授內(nèi)容是線性振動和實驗?zāi)B(tài)分析。模態(tài)分析的基礎(chǔ)是線性振動的經(jīng)典內(nèi)容，而模態(tài)分析主要講授頻響函數(shù)與模態(tài)參數(shù)的關(guān)系，包括固有頻率、固有振型、阻尼比，這也為后續(xù)的模態(tài)測試打下理論基礎(chǔ)。但是對實驗無感性認(rèn)識的學(xué)生而言，理論課程對他們較為枯燥，從學(xué)習(xí)效果來看也不夠理想。如果將模態(tài)測試這部分內(nèi)容作為實驗教學(xué)，使學(xué)生理解基礎(chǔ)概念的同時接觸先進(jìn)的科研設(shè)備并產(chǎn)出較好的科研成果，對于學(xué)生及學(xué)科發(fā)展將顯得事半功倍。

由壓電材料和壓磁材料制備的磁電復(fù)合結(jié)構(gòu)具有非常顯著的磁電耦合效應(yīng)［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(chǎn)品［14］。通過之前的研究已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，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(fù)合結(jié)構(gòu)，在交變磁場激勵下具有較大的磁電耦合系數(shù)，達(dá)到3.6 V／（cm·Oe），磁場敏感度達(dá)10μT。此類研究是在外界交變磁場作用下，磁電復(fù)合結(jié)構(gòu)主要發(fā)生長度方向的伸縮振動，通過壓磁相的振動應(yīng)變導(dǎo)致壓電相由于正壓電效應(yīng)而在上下表面厚度場的電極產(chǎn)生電荷，從而實現(xiàn)磁場信號轉(zhuǎn)化為電場信號。當(dāng)試件的固有頻率與交變磁場的頻率相重合時，試件會發(fā)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(chǎn)生影響，發(fā)現(xiàn)磁電耦合系數(shù)并非隨著偏置磁場增大而一直增大，最優(yōu)外界磁場使磁電復(fù)合結(jié)構(gòu)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(chǎn)生負(fù)面影響，尤其在外界磁場越高時，磁電復(fù)合結(jié)構(gòu)的厚度越小，此時要求復(fù)合結(jié)構(gòu)的厚度與電極的厚度相差越小，對于加工工藝產(chǎn)生極大的挑戰(zhàn)。

壓電相橫向場激勵模式可以根據(jù)電極位置實現(xiàn)多種振動模態(tài)［16］，并且正負(fù)激勵電極位于壓電材料的同一側(cè)，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(xué)內(nèi)容，指導(dǎo)學(xué)生設(shè)計橫向場激勵下的利用諧振頻率變化的磁場傳感器，讓學(xué)生真正進(jìn)入科研實驗室了解先進(jìn)的實驗設(shè)備，培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膽B(tài)度和科研興趣，提高綜合實驗?zāi)芰Γ瑫r通過學(xué)生的實驗結(jié)果揭示科研的應(yīng)用價值。

2 實驗的基本要求

2.1 實驗?zāi)康?/h3>

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(tài)測試的方法。

2.2 磁場測試原理及實驗步驟

利用信號發(fā)生器對壓電相提供穩(wěn)壓正弦激勵的掃頻信號，由于逆壓電效應(yīng)，壓電相產(chǎn)生機(jī)械變形。實驗裝置如圖1所示，其所使用的測試系統(tǒng)包括正弦信號發(fā)生器、信號幅度放大模塊、激光測振儀、NI采集卡，正弦信號發(fā)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(wěn)壓電源連接的電磁鐵可以產(chǎn)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(qiáng)度的原理為：正弦信號發(fā)生器產(chǎn)生的正弦電信號通過信號幅度放大模塊對磁場傳感器產(chǎn)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(yīng)而產(chǎn)生振動，從而帶動壓磁材料層振動，當(dāng)磁場傳感器的固有頻率和正弦信號發(fā)生器產(chǎn)生的頻率相同時，磁場傳感器就會產(chǎn)生諧振，此時的頻率為諧振頻率；當(dāng)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(fā)生伸長或縮短，磁場傳感器的諧振頻率會發(fā)生改變，從而通過諧振頻率的改變來測試直流磁場強(qiáng)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(qiáng)度的方法包括以下步驟：

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

（2）在步驟（1）所確定的掃頻頻率范圍內(nèi)，正弦信號發(fā)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(chǎn)生激勵，同時，正弦信號發(fā)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(fā)送給激光測振儀自帶的軟件。

（3）將處于一階彎曲振動模態(tài)下的磁場傳感器置于已知磁場強(qiáng)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(nèi)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(jīng)過NI采集卡發(fā)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(yīng)的頻響函數(shù)，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(xì)胞試驗。試驗分為無細(xì)胞對照組(只加不含細(xì)胞的培養(yǎng)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(xì)胞懸液，37 ℃ 5%CO2培養(yǎng)，當(dāng)細(xì)胞生長融合到70%～80%時，棄去原培養(yǎng)液，用藥組加入含藥培養(yǎng)液，正常對照組加入不含藥培養(yǎng)液。培養(yǎng)48 h后，每孔加入MTT溶液20 μL，繼續(xù)培養(yǎng)4 h后，棄培養(yǎng)液，每孔加入150 μL DMSO，避光振蕩10 min，酶標(biāo)儀490 nm處測定A，計算細(xì)胞增殖抑制率。

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

（5）調(diào)整磁場傳感器上的正電極與負(fù)電極之間的間距，并通過設(shè)置正弦信號發(fā)生器的輸出信號，使正弦信號發(fā)生器產(chǎn)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(nèi)，重復(fù)步驟（2）～（4）的操作，得到二階彎曲振動模態(tài)下的磁場傳感器的諧振頻率與直流磁場的磁場強(qiáng)度關(guān)系圖，并記下該關(guān)系圖上諧振頻率與磁場強(qiáng)度呈線性關(guān)系的一段所對應(yīng)的磁場強(qiáng)度的范圍。

（7）調(diào)整磁場傳感器上的正電極與負(fù)電極之間的間距，并通過設(shè)置正弦信號發(fā)生器的輸出信號，使正弦信號發(fā)生器產(chǎn)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(nèi)，重復(fù)步驟（2）～（4）的操作，得到厚度剪切振動模態(tài)下的磁場傳感器的諧振頻率與直流磁場的磁場強(qiáng)度關(guān)系圖，并記下該關(guān)系圖上諧振頻率與磁場強(qiáng)度呈線性關(guān)系的一段所對應(yīng)的磁場強(qiáng)度的范圍。

（9）根據(jù)所要測試的直流磁場的磁場強(qiáng)度所在的范圍，再對應(yīng)上述步驟（4）、（6）、（8）所得到的關(guān)系圖，選擇磁場強(qiáng)度所在的范圍內(nèi)諧振頻率與磁場強(qiáng)度呈線性關(guān)系所對應(yīng)的振動模態(tài)，然后將磁場傳感器調(diào)控至該振動模態(tài)，并將正弦信號發(fā)生器的輸出信號調(diào)節(jié)至相應(yīng)的頻率范圍，正弦信號發(fā)生器對磁場傳感器產(chǎn)生激勵，同時，正弦信號發(fā)生器將電信號作為實測參考信號經(jīng)NI采集卡發(fā)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(nèi)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(jīng)NI采集卡發(fā)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(yīng)的頻響函數(shù)，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(jù)該振動模態(tài)下的諧振頻率與磁場強(qiáng)度的關(guān)系圖，通過Matlab軟件分析得到準(zhǔn)確的所測直流磁場的磁場強(qiáng)度。

2.3 實驗內(nèi)容設(shè)定

實驗中采用壓電材料層的材料可以為具有逆壓電效應(yīng)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(xué)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(cè)制備正負(fù)銀電極兩個，利用黏結(jié)法制備磁電復(fù)合結(jié)構(gòu)，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(diào)整磁場傳感器上的正電極與負(fù)電極之間的間距，并通過設(shè)置正弦信號發(fā)生器的輸出信號，使正弦信號發(fā)生器產(chǎn)生掃頻，利用Comsol有限元模擬軟件確定相應(yīng)模態(tài)的頻率范圍，掃頻的頻率范圍為使磁場傳感器產(chǎn)生一階彎曲振動、二階彎曲振動等多種模態(tài)。

圖2 磁電復(fù)合結(jié)構(gòu)試件

圖3 不同振動模態(tài)頻率與磁場關(guān)系（1 Oe＝79.577 47 A／m）

2.4 實驗評價

通過將團(tuán)隊承擔(dān)的國家自然科學(xué)基金和省自然科學(xué)基金的一部分科學(xué)實驗用于本科生實驗教學(xué)，可以拓寬學(xué)生的知識面，提升學(xué)生自主創(chuàng)新水平以及解決問題的能力。在實驗前期，教師會提醒學(xué)生需要注意的關(guān)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(yīng)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(huán)境異常振動造成實驗誤差。學(xué)生在實驗中會遇到很多問題，需要他們獨立解決，實驗后學(xué)生需要將問題抽象、提煉、整理、總結(jié)出實驗大綱，教師在這個過程中不是幫助學(xué)生解決一兩個具體問題，而是啟發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新意識，逐漸使學(xué)生養(yǎng)成提出、分析、解決問題的能力。實驗結(jié)束時學(xué)生需要提交一份綜合性的實驗報告，報告應(yīng)包括實驗結(jié)果分析、誤差分析、實驗的創(chuàng)新性分析以及同類實驗需要注意的建議，以此作為學(xué)生培養(yǎng)的評價指標(biāo)以及科研向教學(xué)轉(zhuǎn)換的成效。

3 教學(xué)與科研相結(jié)合的優(yōu)勢

教學(xué)和科研是高等教育的兩大核心職能，處理好教學(xué)和科研的關(guān)系是高等學(xué)校發(fā)展和人才培養(yǎng)目標(biāo)的戰(zhàn)略性任務(wù)。教學(xué)和科研作為“流”與“源”的關(guān)系應(yīng)相輔相成，相互促進(jìn)。

3.1 科研對課程教學(xué)的促進(jìn)作用

(1)豐富和優(yōu)化實驗教學(xué)內(nèi)容。對于大部分開設(shè)振動模態(tài)分析實驗課的高校仍然采用傳統(tǒng)陳舊的試驗教學(xué)內(nèi)容，分別是正則振型試驗法（NMT）和頻響函數(shù)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(shù)和視覺多點測振技術(shù)于一身，可以實現(xiàn)振動的非接觸測量。通過這種教學(xué)方法實現(xiàn)跨學(xué)科的知識傳授，一方面使學(xué)生了解了不同學(xué)科領(lǐng)域測量振動的方法，拓寬眼界，培養(yǎng)復(fù)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(jìn)老師精通多學(xué)科的內(nèi)容，使得老師傳授給學(xué)生的知識、思維方式不只局限在本學(xué)科內(nèi)。

(2)有利于培養(yǎng)學(xué)生的綜合素質(zhì)。實際測量中，多普勒激光測振儀發(fā)射的激光聚焦于磁電復(fù)合結(jié)構(gòu)表面，物體振動引起激光的多普勒響應(yīng)，反射回來的反射光頻率發(fā)生變化，被光學(xué)頭接收到，只有當(dāng)足夠能量的反射光存在時才會準(zhǔn)確檢測到物體真實的振動，因此，對激光耐心細(xì)致的對焦可以培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度。通過親自動手操作實驗設(shè)備，得到多種模態(tài)振動的振型，實現(xiàn)抽象的理論到形象的結(jié)果的轉(zhuǎn)變，激發(fā)學(xué)生對科研探索的興趣，體會到科學(xué)的神奇魅力。

(3)充分發(fā)揮大型儀器設(shè)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(shè)備共享對于高校實驗教學(xué)、人才培養(yǎng)、服務(wù)地方等尤其重要。開展教學(xué)和科研相結(jié)合有利于將科研實驗室的大型儀器用于實驗教學(xué)，從而提高設(shè)備的利用率、政府財政資金的使用效益和科研與教學(xué)成果的轉(zhuǎn)化率。

3.2 課程教學(xué)對科研的促進(jìn)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(chǎn)出的主力軍。而對于一些專業(yè)，由于專業(yè)背景的特殊性，研究生的數(shù)量有限，從而限制了本專業(yè)的發(fā)展。在教學(xué)過程中讓本科生承擔(dān)必要的科研工作可以有效地壯大科研隊伍，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)造力的同時充分發(fā)揮本科生的作用。在磁電耦合振動實驗中，研究生擔(dān)任組長，本科生承擔(dān)了試件制備、設(shè)備校準(zhǔn)、軟件調(diào)試、磁場定位、數(shù)據(jù)處理等工作。在制備試件時，由于本科生經(jīng)驗不足導(dǎo)致連接導(dǎo)線的焊錫過量，從而使相應(yīng)模態(tài)下的諧振頻率產(chǎn)生偏差，經(jīng)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(yǎng)學(xué)生科學(xué)精神和動手能力。在本科階段讓學(xué)生進(jìn)入科研實驗室，對培養(yǎng)他們動手能力、科學(xué)思維、論文寫作、獨立創(chuàng)新有較大的幫助。本科教學(xué)中涉及相關(guān)專業(yè)的科學(xué)研究，有助于學(xué)生為研究生階段的學(xué)習(xí)打下堅實的基礎(chǔ)，實現(xiàn)本科階段中被動學(xué)習(xí)的狀態(tài)轉(zhuǎn)為研究生階段主動學(xué)習(xí)的狀態(tài)。

(3)研究性實驗教學(xué)有助于啟迪思考，發(fā)現(xiàn)新問題。本次兩組實驗，實驗數(shù)據(jù)表明兩組結(jié)果在不同模態(tài)下的諧振頻率均有較大差異，經(jīng)過排查各種影響因素，發(fā)現(xiàn)一組同學(xué)將試件直接放在實驗臺上進(jìn)行測試，改變了磁電復(fù)合結(jié)構(gòu)自由振動的邊界條件，這也啟發(fā)可進(jìn)一步深入探究邊界條件對磁電傳感器性能的影響。

4 結(jié) 語

20世紀(jì)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(yīng)該不斷變化，使一門課跟上科學(xué)發(fā)展的步伐。”只有將科研和教學(xué)相結(jié)合，才能使學(xué)生了解本課程的前沿知識，拓寬眼界，培養(yǎng)復(fù)合型人才。當(dāng)學(xué)生自主探索一個問題時，不僅能激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新意識，而且也能培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、解決問題的能力，可以有效提升本科生的培養(yǎng)質(zhì)量。因此，將教學(xué)和科研合理結(jié)合能有效促進(jìn)兩者的共同發(fā)展。