基于电涡流传感器的综合创新实验探索与实践

曹丙花 淦方鑫

摘  要  以《工程教育认证标准》为指导思想，结合电子信息类专业培养方案对学生实践能力培养的要求，开展电涡流传感器的综合创新实验教学，探索如何将科研项目融入综合创新实验。分别介绍综合实验的内容、开展方式以及考核方式等，教学结果表明，该模式对提高学生实践能力具有推动作用，对新形势下工程教育改革具有一定的借鉴作用。

关键词  电涡流传感器;综合创新实验;单片机;电导率

检测仪

中图分类号：G642.0    文献标识码：B

文章编号：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

习近平总书记关于教育的重要论述中指出：“科技创新从未像今天这样深刻影响世界经济政治力量对比，且已成为国际竞争力的关键。”高等教育在科技创新培养中的作用不言而喻，专业课的学习更是高等教育的重中之重。因此，如何培养具有创新能力的人才，让学生更好地应用所学知识解决实际问题，是高等教育必须思考的首要问题。如何培养专业基础扎实、科研能力强、综合素质高的创新型人才，已经成为当前高等教育教学改革和可持续发展面临的一个迫切需要解决的问题[1]。

目前，中国矿业大学电子信息类专业开设了很多课程，比如微机原理与应用、传感器与检测技术、电子综合设计等，这些课程都要求培养学生动手实践的能力。但是，教学现状是每门课独立开展实践教学，而且限于课时数，各门课程的实验均是功能单一的实验，与实际应用严重脱轨。学生在开展实验学习过程中，只知其一，不知其二，只知如何完成实验获得成绩，不知道如何将所学内容切实地应用到实际中去。在教学中积极推广接地气的案例教学，引导学生了解实际需求，应用所学知识解决实际问题，已经成为当务之急。

鉴于以上问题，结合课题组在基于电涡流传感器的无损检测方面积累的科研成果，围绕“传感器应用”“单片机应用设计”与“数字信号处理方法在实际中的应用”等方面相结合的思路，在学生学习这些专业课的同时，以课堂综合实验与课后兴趣小组相结合的模式开展一系列的综合实验教学，丰富和拓展本科生实践教学内容，增强实践教学内容效果，取得一些相应的研究成果。

1  实验任务与目标

科研项目中的很多问题是紧密联系实际的，尤其是与企业合作的横向项目中，主要目标就是解决实际碰到的工程问题。本文以“基于电涡流传感器的电导率检测仪的开发与设计”为例，闡述开设综合创新实验的模式与实践方法。电导率是金属材料重要的物理参数，与金属的纯度、合金成分、热处理状态、硬度大小和金属的微观结构等密切相关。因此，通过检测金属的电导率，可以识别合金的成分，也可以判断金属所受的热处理状态等，在实际中具有非常广泛的应用领域。

涡流检测是五大常用的无损检测技术之一，近年来，以其无损、非接触、低成本等优势，在无损检测领域得到广泛应用，如金属导体材料的厚度检测、缺陷与损伤识别、电导率测量等[4]。目前限于课时数，中国矿业大学传感器与检测技术课程开设的实验中并未涉及相关内容。但是基于所学理论知识，结合微机原理与应用课程中所学的单片机应用电路设计知识，学生完全具有自行开发和设计电涡流检测装置的能力。

如图1所示，基于因材施教的原则，综合实验的内容分为三个层次：基本要求、扩展要求和高阶要求。其中，基本要求中要求学生开发基于电涡流传感器的电导率检测装置，主要包含四个部分：

1）基于单片机控制DDS信号发生电路设计;

2）功率放大电路设计;

3）交流电桥与差分放大电路设计;

4）信号调理与采集电路设计。

2  教学模式探索

针对目前中国矿业大学相关课程教学中存在的问题，结合课题组在这一研究领域多年的研究工作，指导学生开展基于电涡流传感器检测装置的开发及其应用的研究，开设一系列项目引领式综合创新实验。这一部分的内容主要作为电子综合设计课程的课题，供学生选择。拟开设的系列综合实验主要综合传感器与检测技术、微机原理与应用、嵌入式系统原理及应用、数字信号处理等课程的相关知识。这类结合实际项目的综合性实验能让学生在实验过程中深刻理解这些课程所学的晦涩难懂的知识，融会贯通，并让他们掌握如何将所学知识应用于解决实际问题。

3  综合创新实验内容及其体系

本节以便携式电涡流检测装置的开发与应用研究为例，介绍中国矿业大学在综合创新实验开设方面做的一些工作。这个综合实验要求学生设计一套电涡流检测装置并探索电涡流传感器在实际中的应用方法。这一系列的综合实验主要涉及单片机应用电路设计、信号调理电路设计、信号采集及处理、先进信号处理方法的应用等。

3.1  综合实验内容

本文的综合实验要求学生应用所学知识，设计并开发一款电涡流检测装置，主要内容包括基于DDS的信号发生器设计、基于STM32的电涡流检测电路设计、交流电桥信号采集电路设计、基于电涡流传感器的位移检测、基于电涡流传感器的缺陷识别、基于电涡流传感器的裂纹成像检测等[5]，具体内容见表1。在以往的课程设计中，这些实验内容有的也让学生做过，教师在此基础上让学生综合起来实现电涡流检测装置的设计，从难度上来讲并不是太大。开设这个综合创新实验的主要目的在于：针对检测电导率这一实际问题，让学生综合运用所学知识来解决。这一综合实验主要从以下几个方面考虑。

1）针对这一问题选择电涡流传感器作为核心传感器。根据电涡流传感器的工作原理，需要给电涡流传感器提供正弦激励，因此应用基于DDS的方法设计正弦信号发生器，产生正弦信号。

2）电涡流传感器的测量电路选择交流电桥电路，为了提高检测灵敏度，减小非线性，采用两个电涡流线圈，其中一个为检测线圈，一个为参考线圈，在电桥电路中接在相邻的两个桥臂中。

3）为了提高信号的检测精度，采用差分放大器对电桥输出信号进行放大。

4）采用相敏检波电路，实现交流信号的检测，并应用AD转换芯片实现信号采集。

5）基于设计好的电涡流检测装置，实现电导率检测或位移检测。

让学生在解决实际问题的过程中理解和消化所学知识并应用。

3.2  开展方式

在综合创新实验模式的具体实施过程中，学生根据自己的兴趣自由組队，选择想参与的综合实验项目并制订相应的解决方案。在这一过程中，教师会根据项目设计的理论知识对学生进行有针对性的指导，可以采用现场讲述或者发布视频课程等方式。在项目开展过程中，学生以小组的形式进行，通过分工合作完成相应内容。在开展过程中，国家级示范中心的实验室对学生免费开放，学生可以在实验室中完成相应的设计。教师随时随地介入，可以让学生的问题得到及时解答。在实验室中，值班教师可以进行现场指导。学生不在实验室时，还可以通过QQ群、微信群等方式，随时向教师提问并得到解答。这样操作的目的是全方位保证学生在项目开展和实施过程中得到及时指导，更有利于项目的顺利开展。

3.3  考核方式

课程考核是检测学生学习效果的手段和标准，具有很好的反馈、导向和指引作用。综合创新实验考核采用多元化方式，主要包括平时表现（20%）、参与情况（30%）、项目答辩（20%）以及课程论文撰写（30%）等方面。其中，平时表现和参与情况在综合实验开展过程中会实时反馈给学生，让学生了解自己的表现，并在平时学习中进行合理调整，目的在于督促学生更好地完成相关任务。往年项目答辩的过程都录制有视频，可以供学生在答辩阶段进行观摩学习。课程论文的撰写给出撰写标准，让学生在撰写论文过程中有章可循，这样可以很好地学习科技类论文撰写的规范，更好地呈现自己所做的工作。

3.4  综合创新实验项目的延伸

综合创新实验结束后，教师会根据项目完成情况，对完成情况优异的作品做进一步介入，指导学生做更深入的科研训练，如指导学生撰写科技论文或申请专利等，让学生学习开展科研工作和撰写科研论文的方法，有利于让他们树立“本科生也可以搞科研”的信心。这样的训练能让学生更深入地理解所做内容，并对学生后续保研、考研复试以及找工作等有很好的助力作用。

4  结语

教学为科研奠基，科研反哺于教学，科研教学相长。本文立足于科研项目中电涡流检测装置的开发与应用研究，在本科教学中开展综合创新实验。基于该模式的综合创新实验教学取得显著成效：获得各级大学生创新训练项目10余项，其中国家级项目两项，省级项目三项;指导学生申请发明专利10余件（已授权八件）;指导毕业设计论文近10项，并获得校级优秀毕业设计论文四项;申请教改项目两项，并获得校级教学成果一项。学生参与实际项目并发表学术论文和撰写专利等科研经历，对他们未来从事相关工作或继续深造均有积极影响，是一种可持续性好的教学模式，对培养学生的创新能力和思维具有很好的作用。■

参考文献

[1] 董桂伟，赵国群，王桂龙，等.科研成果转化为实验教学资源的探索[J].实验技术与管理，2019，36（4）：114-117，124.

[2] 周一恒，严家明，吴新忠，等.融合科研成果的综合创新实验教学探讨[J].实验技术与管理，2020，37（11）：230-234.

[3] 欧阳新萍，秦洁.科研案例融入能源动力类课程的研究生教学实践[J].高教学刊，2020（33）：133-136.

[4] 王翠苹.金属电导率电涡流检测方法研究[D].江苏：中国矿业大学，2019.

[5] 杨盼盼，曹丙花，范孟豹，等.脉冲涡流厚度检测仿真与实验研究[J].传感技术学报，2016，29（6）：821-825.

*基金项目：中国矿业大学教改项目“基于产出导向OBE的《传感器与检测技术》阶梯式教学研究与探索”（2019YB12）;中国矿业大学实验技术研究与开发项目“基于科研驱动的电子类人才培养的实验课程改革与探索”（S2020Y008）。

作者：曹丙花，中国矿业大学信息与控制工程学院，副教授，博士，主要研究方向电磁无损检测技术及应用;淦方鑫，中国矿业大学机电工程学院，主要研究方向电磁无损检测技术及应用（221116）。