多场耦合输运测试系统在本科生实践创新能力培养中的应用

章喆

摘 要

依托科研实验室设备，指导本科生完成磁电耦合响应复合材料的制备、多场耦合输运测试系统整体框架的搭建、探针台的配置和LabVIEW图形用户界面的设计等实践过程，实现了复合材料磁电耦合性能的测试和分析。实践表明，该测试系统的开发和应用培养了学生的科研探索思维，动手动脑能力，从而在实践教学中，提高了本科生创新能力。

关键词

创新能力;多场耦合输运测试系统;磁电耦合

中图分类号： G 642.0                 文献标识码： A

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457 . 2020 . 14 . 29

Abstract

Based on the scientific research laboratory equipment， the construction and application of multi-field coupled transport test system and its application in materials research were taken as an example to carry out the training and exploration of the undergraduates' engineering practical innovation ability. The students were guided to set up the multi-field coupled transport test system， to design the LabVIEW graphical user interface and also to design a magnetoelectric coupling composite material. The magnetoelectric coupling properties of the designed material were tested using the above system. Based on this， the system improves the students' ability of innovation and comprehensive quality.

Key words

Innovation ability; Multi-field coupling transportation test system; Magnetoelectric coupling

0 引言

在“新工科”和工程教育专业认证背景下，对工科专业本科生的实践创新能力提出了更高的要求[1]。传统实践能力的培养通常是通过实验课程来实现的，实验教学对象简单、方案单一，实验结果显而易见，属于验证性实验，学生只是按照操作步骤机械重复，缺少思考问题、探索方法、设计方案的机会;并且实验教学内容的设置主要以单科课程为主，缺乏学科、知识的交叉，学生综合应用、融会贯通进行解决问题的能力得不到锻炼;此外，实验教学内容与实际工程问题结合不紧密，学生缺乏把所学知识应用于工程实践的能力，走出校园即感到茫然无所适从。因此很难激发学生的兴趣与积极性，创新能力的培养效果甚微[2]。

根据教育部提出的一流本科教育实施方案3.0的任务要求，强化科教协同育人，推动学校科研实验室逐步向本科生开放，为更多大学生加入科研团队创造条件。依托各级科研平台和重大项目，建立科教融合、相互促进的协同培养机制，选取最新科研成果设置为实验案例，以现代化科研手段支撑高质量本科人才培养[3]。科教融合有利于加强科学研究与高等教育更加紧密结合，有利于创新型人才培养，建立教研一体化新模式是创新型人才培养的本质要求[4]。因此，高校中老师们丰富多样的科研项目可以作为本科生综合型、设计性实验项目的来源，立足于学科发展前沿，以跨年级小团队探索为主，使得学生的实验学习从探索性研究变为相对系统性训练，培养了学生实践创新能力。

磁电功能材料以其电、磁、光、热、力及其耦合的机电、磁电、光电等丰富多样的功能和优良的“电-磁-力”转换功能以及快速响应速度等优点而被广泛应用于高灵敏度传感器、存储器、换能器、声纳等各种功能器件中，在深化工程教育改革方面有着极其重要的作用[5]。特别是利用磁电材料的磁电耦合效应，实现磁电转换，为设计新型信息功能器件提供了新颖的思路[6]。为了让学生在实验室亲手操作和理解多场耦合输运测试系统四大模块的基本原理，通过多场耦合输运测试实验平台搭建和多场耦合输运测试系统LabVIEW软件的原理和操作，磁电耦合功能材料的设计和制备及其多场耦合测试分析，使学生不但掌握了磁电耦合材料多功能的原理及应用前景，同时对材料在光、电、温度、微波以及磁场等多物理场耦合中的响应有了更深的理解，培养了学生解决复杂工程问题的能力，激发了学生探索知识的极大兴趣和科研创新思维，在提出问题、解决问题中提高学生的实践创新能力。

1 多场耦合输运测试实验平台搭建

1.1 多场耦合输运测试系统整体框架与配置

多场耦合输运测试系统包含四大模块，即：磁电耦合激励信号加载及其控制、探针台及其辅助设备、磁电耦合信号探测、通信以及数据采集分析存储等四大模块。在模块集成和联机设计过程中始终遵循从整体到部分、可扩展性、经济合理、安全可靠、操作性好的原则进行设计。激励信号产生设备和加载控制仪器都通过通用接口总线（GPIB）与主控计算机相连，对外场的控制通过主控计算机发出指令进行空间、强度及加载时间的控制，具体连接如圖1所示。

1.2 多场耦合输运测试系统软件及流程图

磁电耦合效应测量涉及磁场、电场控制与测量，微弱电压、电荷测量，激光信号采集，配合磁场的介电、铁电测量以及变温、真空系统的获取与控制，配合相应的传感器、测试仪器、控制仪表可实现以上功能。测试设备通过GPIB总线与总控计算机通信，测试信号采集、存储通过总控计算机实现。

测试系统的软件由LabVIEW实现。LabVIEW使用RS232（标准串行接口总线）硬件标准控制外加磁场、温度场等，使用GPIB硬件标准控制测试源表和锁相放大器。外场串口利用串口转USB转换线连入电脑，测试源表和锁相放大器则利用GPIB通信线及GPIB转USB转换器连入电脑。磁电电压信号随外加偏置磁场变化的软件流程图如图2所示。

2 磁电功能材料设计及其多场耦合测试

引导学生以压电和铁磁材料为基础，设计具有磁电耦合响应的复合材料，利用上述系统测试该材料体系的磁电耦合性能。在实验中为学生们提供Terfenol-D和Ni两种铁磁性材料和Pb（Zr，Ti）O3（PZT）压电材料，通过不同的复合方式得到不同振动模式的磁电耦合方式。通过设计具有不同磁致伸缩特性的非对称层状磁电复合材料，探究磁致伸缩材料（Terfenol-D与Ni）厚度比在不同磁场与频率条件下对磁电耦合特性的影响。在本文实验实例中，PZT的尺寸为20mm×5mm×1mm，极化沿厚度方向，Terfenol-D的尺寸为15mm×5mm×0.5mm，磁致伸缩沿长度方向，Ni的尺寸为15mm×5mm×0.2mm。Terfenol-D和Ni薄片用环氧树脂粘接在PZT的上下表面就形成了复合磁电耦合材料。利用上述搭建的平台测试其磁电耦合性能，通过LabVIEW控制测试界面输入测试条件并输出测试结果。测试结果如图3所示。

由磁电耦合系数随频率变化关系可以看到，复合材料的磁电耦合响应出现了三个振动峰，分别为一阶弯曲振动，一阶长度振动，二阶长度振动[7]，振动频率分别为13.5kHz、36.2kHz和78.5kHz。在400 Oe磁场下，获得了最大的磁电耦合系数153mV/cm·Oe。针对这些测量结果，学生们进一步查找相关资料，研究产生共振的物理机制并应用连续介质力学理论结合压电、压磁本构方程计算共振峰出现的频率，并与实验结果进行对比。

3 结语

在多场耦合测试系统的开发和应用的科研实践活动中，整个过程都由学生自主查阅文献资料，制定实验方案，分析数据，总结规律，探究数据背后的物理事实和相关机制，揭示材料在多场耦合激励下的响应机制。通过这一系统研究过程的全面训练，培养了学生发现问题、解决问题的能力，并且整个研究解决问题的过程有趣且有挑战性，好奇心激励学生们自发的去解决问题，提升了学生自主解决复杂工程问题的能力。此外，还启发学生开展相关的研究工作，如针对磁电耦合共振频率产生的物理机制，设计出实验调控不同振动模式的共振频率，应用于不同的场合;通过相关结构和材料的设计来提升磁电耦合系数等。因此，依托科研课题和相关科研设备，设计综合实践类、探究性的研究课题，践行本科生科教融合，打造一流本科教育，对于培养具有行业背景知识的创新型人才具有深远意义。

参考文献

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