“电气测试技术”教学中课程实验“微弱磁场测量”的设计

课程实验是本科人才培养体系中的课内实践教学环节之一，主要作用是辅助课堂教学，达到使学生掌握知识并具备知识应用能力的教学目的。目前，国家提倡加强工科大学生的实际动手能力和以之为基础的创新能力培养。如何使课程实验更好地培养学生的动手能力和创新能力，是当前实践教学改革的一个主要议题。

“电气测试技术”是电气工程及其自动化本科专业的专业课。笔者以该课程“微弱磁场测量”实验为例，介绍了在课程实验模式改革方面的尝试，说明了改革课程实验内容和过程，以提高学生实践能力的具体做法。

一、实验电路设计

传统的“电气测试技术”课程实验是在采购的测控技术实验台上进行的。基于实验台的实验，实验项目与课程实际授课内容之间存在不一致性。且随着教材的不断更新，实验与授课内容之间的差距不断加大。另外，实验台的机壳将测试电路等部件都封装起来，学生看不到、摸不着，得不到直观感受，使得通过课程实验来加深课堂知识理解、锻炼动手应用知识能力的目的难以真正实现。

针对传统实验方式存在的这些问题，“微弱磁场测量”实验以自制的“微弱磁场测量电路”为实验装置，实验内容贴合课堂讲授的知识点。实验从学生在电路板上手工焊电子元件开始，然后学生用自己焊的电路板完成实验。具体实验进程采用学生利用课余时间在开放实验室进行实验的方式，设定完成期限，不设定具体时间，以便为学生提供充分的研学空间，充分锻炼学生综合运用所学知识解决实际问题的能力。

1.实验项目的应用背景。“微弱磁场测量”实验中，被检测的对象为智能小车竞赛电磁组的赛道。智能小车竞赛分为电磁组、摄像头组、光电平衡组。比赛中，小车需从赛道起点开始，沿赛道跑完全程至终点，然后比赛结束。只有准确识别前方的赛道，智能小车才可能准确控制车身位置并沿赛道行驶。摄像头组、光电平衡组依靠摄像头来识别赛道，电磁组小车则是依靠对赛道磁场的检测来识别赛道。

电磁组比赛所用赛道中，用来指示赛道的“赛道导引线”为一条铺设在赛道上的漆包线，其中通有20kHz、100mA的交流电流；竞赛允许的频率波动范围为（20±1）kHz，电流量值范围为（100±20）mA。

按照电磁学原理，导线中通过交流电流，就会在导线周围产生交变磁场。因为电流值仅有100mA左右，所以其产生的磁场很微弱。本实验以准确检测上述电磁赛道为目的，通过实验研究如何解决这一微弱磁场检测问题，探究检测元件与赛道导引线之间的水平距离、垂直高度对测量值的影响。

2.如何检测赛道磁场。上述赛道磁场的特点有二：一是微弱，二是20kHz交变。因为磁场强度弱，一方面不易被检测，另一方面也容易与环境磁场混叠以至于被淹没。这里，环境磁场包括地球磁场、人体磁场、周围物体磁场等，尤其是驱动智能小车用的永磁直流电动机，其永磁体磁场对周围有较强的辐射作用。

那么，如何将赛道磁场与环境磁场区分开？这正是设置赛道磁场为20kHz交变磁场的原因。环境磁场中的各种磁源通常不会是20kHz交变的，这成为将赛道磁场与环境磁场区分开来的主要判据。现在，实验中的测量问题是“如何将20kHz交变的赛道磁场从所测得的磁场信号中筛选出来？”具有选频功能的LC谐振电路（学生在“电路”课程所学知识）是解决这一问题的一种可行方法。

同时，我们注意到，LC谐振电路中用到的电感器L是在磁芯上缠绕线圈制成的。通常，在磁芯材质相同的情况下，电感值越大，其线圈匝数越多。如果将这样一个线圈放置在交变磁场（例如上述赛道磁场）中，在线圈中会产生交变电势，这一感生电势的交变频率与磁场交变频率相同，电势的大小除与交变磁场量相关，还与线圈的匝数相关。线圈匝数越多，感生电势值越大。于是，设计一个LC串联谐振电路，使其谐振频率等于20kHz。并且，为使放置于赛道磁场中的电感器感生出较大电势，电感应取较大值。

由于赛道磁场过于微弱，即便采用LC谐振电路作为检测手段，所得电信号幅值仍然很小，需要进行幅值放大。于是，设计电磁赛道磁场检测电路如图1所示。图中，Tc、T0、T1为测试点，是为了便于在实验过程中连接示波器探头进行信号测试而额外加入的。图1中，插座J2用于连接放置于赛道磁场中的电感器，电容器C5与该电感器构成谐振电路。C5两端电压作为检测信号送入集成运算放大器U1ATLC2272构成的放大电路。对于U1A放大电路，有两点在实验过程中需要注意。一是考虑到LC谐振电路中的电信号微弱，为尽量避免电路连接带来的负载效应影响检测信号，C5端电压被直接连接至运算放大器的同相输入端。二是U1A的负电源引脚接地。C5端电压为交流电压信号，但U1A由于负电源引脚接地，其输出端不会出现低于地电位的电压值，于是在U1A输出端只对输入交流信号的正半波进行放大、输出，而没有负半波。也就是说，在放大信号幅值的同时实现了半波整流。这有利于后续的信号处理。

3.电感器的放置。上述LC谐振电路中的电感器应放置在赛道中漆包线所产生的磁场中。为增大电感器线圈感生电势的幅值，应尽量将线圈放置在磁场强度大的位置，并使线圈所在平面垂直于磁力线方向。考虑到漆包线中电流所产生的磁场是环绕漆包线的，且越靠近漆包线，磁场强度越大，磁力线越密集，所以电感器应垂直于赛道漆包线平行放置，且越靠近漆包线，检测信号幅值越大。

关于电感器如何放置，需要考虑的另一方面是智能小车对赛道检测信息的需求。先考虑人开车时看路的情况，司机开车时，需要目视前方的路况，看得越远，车速就可以越快一些；反之，如果司机只能看到车轮附近的路况，车速就必须慢一些，以免遇到弯道、障碍物来不及反应。智能小车也是一样，智能小车比赛是比谁跑得快，为了跑得快，就必须掌握车前方而不是车轮附近的赛道信息，掌握的赛道信息越远，就越可能跑得快。因此，用来检测赛道信息的电感器，通常利用支架放置在距离智能车一定距离的车前方。同时，考虑到赛道中包含坡道，从车身伸出去的电感器支架需要上倾一定角度，不能下倾而使电感器紧贴赛道。于是，电感器和赛道漆包线之间有了一个垂直距离，实验用智能小车的这个垂直距离是约12～16cm。

另外，智能小车在赛道上行驶时很可能偏离赛道中心的“赛道导引线”（漆包线），这时需要依靠赛道检测信息来纠偏。在这种跑偏的情况下，电感器与漆包线之间的水平距离非0，磁场检测电压值会减小。

针对这些实际工况，本实验内容中包含了不同垂直距离、不同水平距离情况下的赛道磁场检测实验。

4.如何通过模数转换器（ADC）和单片机来读取检测信号。智能小车的控制核心是单片机。上述检测得到的与赛道磁场信息相关的电压信号，需要通过ADC转换为数字量，然后由单片机读取并进行处理、产生对应的控制动作，使智能小车沿赛道顺利前行。ADC何时启动一次新的模数转换过程是由单片机设定并控制的。为便于ADC和单片机读取检测电压信息，需对图1（P114）所示U1A放大电路单元的输出信号做进一步处理。图1所示实验电路中，设计了由R4、R40和C6构成的一阶RC低通滤波器，将U1A输出端的半波信号变换为近似平直的电压信号，然后经U1B构成的电压跟随器输出。

二、实验内容设计

1.焊电路板。提供“电路原理图”和“电路板元件布局图”，要求学生严格按照原理图中给出的各个元件类型、型号、数值，参照元件布局图，在电路板上对应位置完成元件手工焊接。并提醒学生注意，元件焊接的顺序应该是按照元件高/矮、大/小，先焊矮的、小的元件，再焊高的、大的元件。有极性元件的极性，一定不要反接。完成元件焊接后，经指导教师检查合格，可以通电调试，按照信号流程从前到后的顺序，对照实验指导书给出的波形图，依次确认电路功能正常。

2.铺设模拟赛道。在教师指导下，使用绝缘胶布将线径0.3mm的漆包线环绕一圈贴在实验桌面上，漆包线两端置于桌面一侧，刮掉漆皮连接20kHz/200mA专用电源。专用电源通电，调节其电流控制旋钮至电流表指示100mA。专用电源断电备用。

3.微弱磁场信号测试与分析。电路板调试完成后，按照下列步骤进行信号测试与分析。

电感插头插入J2，将电感器垂直于赛道漆包线、平行放置在漆包线正上方；

连接示波器探头，观测测试点Tc、T0波形。赛道专用电源通电，电路板通电，观察示波器波形；

手持电感器，改变电感器与漆包线之间的垂直距离，观察示波器Tc、T0波形变化。使垂直距离为12～16cm，调节电位器R3，使T0波形峰值位于2V～4V之间某值；

电感器位置不变，用示波器观测测试点T0、T1波形；

电感器垂直位置不变，在-10cm～+10cm之间改变电感器与赛道漆包线的水平距离，观察示波器T0、T1波形变化，并记录电压值数据；

分析测量数据，考虑智能小车行驶过程中，如何根据类似的测量数据来确定小车与赛道之间的相对位置关系。

4.实验前讲解与实验中的指导。实验前，指导教师应讲解实验用电路的工作原理。另外，LC谐振电路是本实验中完成赛道磁场检测的关键单元。虽然学生之前在“电路”课程中学习过相关理论知识，但面对赛道磁场检测这一特定应用场合，如何使用、如何设计LC谐振电路，依然有着不小的困惑，所以指导教师也应在实验前细致讲解相关内容。

实验过程中，指导教师可根据学生实验进展情况，适时引领学生思路，使学生逐渐掌握运用所学知识探究问题的方法。

本文所述“微弱磁场测量”实验，在使实验内容贴合课堂讲授、加强学生知识运用能力培养方面进行了一些尝试。无论是采用自制电路板作为实验装置、学生手工焊接、自己分析问题探究解决方法，还是开放式的实验过程，其目的都是为了更好地发挥课程实验的作用，切实提高学生的动手能力和知识运用能力。

参考文献：

[1]王虹.电工学课程教学中学生能力的培养[J].新课程研究（中旬），2011，（2）：174-175.

[2]堵国樑，胡仁杰，等.以项目为导向的电子电路实验研究与改革[J].电气电子教学学报，2015，37（3）：98-100.