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第1篇

關(guān)鍵詞：光纖傳感；軍隊(duì)人才培養(yǎng)；課程建設(shè)與改革

中圖分類號：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1674-9324（2016）09-0065-04

一、引言

光纖傳感技術(shù)是一門基礎(chǔ)理論與工程應(yīng)用緊密結(jié)合、理論與實(shí)踐能力并重的系統(tǒng)學(xué)科，既要求學(xué)員有扎實(shí)的光學(xué)、電學(xué)基礎(chǔ)，又要求學(xué)員能夠擺脫課本的束縛、根據(jù)實(shí)際工程應(yīng)用靈活運(yùn)用已學(xué)到的知識。為適應(yīng)這一形勢，2006年以來，我們針對技術(shù)類本科生、軍事指揮類本科生、碩士研究生和博士研究生的不同特點(diǎn)和未來適應(yīng)部隊(duì)工作的不同要求，建立了光纖傳感技術(shù)系列課程。

作為一門應(yīng)用學(xué)科，“學(xué)以致用”是光纖傳感技術(shù)系列課程的特色之一。為此，課程建設(shè)非常注重學(xué)員對課程知識的實(shí)踐應(yīng)用能力培養(yǎng)，在教學(xué)實(shí)踐中，結(jié)合課程特點(diǎn)和授課對象的學(xué)習(xí)特點(diǎn)，大力推進(jìn)教學(xué)方法與手段的研究改革，在多層次一體化課程體系建設(shè)、教學(xué)方法與手段改革、創(chuàng)新人才培養(yǎng)、教師隊(duì)伍建設(shè)等方面取得了較大成績，下面分別進(jìn)行介紹。

二、光纖傳感技術(shù)多層次一體化課程建設(shè)

我校早在上世紀(jì)90年代就開設(shè)了《光纖傳感技術(shù)》課程，并作為光纖傳感專業(yè)研究生的必修專業(yè)基礎(chǔ)課，為培養(yǎng)光纖傳感技術(shù)人才起到了不可替代的作用。然而隨著光纖傳感技術(shù)在現(xiàn)代化信息戰(zhàn)爭中的應(yīng)用越來越廣泛，部隊(duì)對光纖傳感專業(yè)的人才數(shù)量和質(zhì)量要求越來越高。我校原有的只針對研究生展開的《光纖傳感技術(shù)》課程已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能適應(yīng)培養(yǎng)部隊(duì)所需人才的緊迫要求。從2004年開始我院開始醞釀對光纖傳感技術(shù)課程進(jìn)行深入改革，將授課對象拓展到全校本科生和本院研究生，并從2006年開始實(shí)行。經(jīng)過6年多的系統(tǒng)建設(shè)，最終建立起了完備的多層次光纖傳感系列課程。

由于本科生和研究生、本專業(yè)和非本專業(yè)學(xué)員、技術(shù)類和軍事指揮類學(xué)員的知識基礎(chǔ)和應(yīng)用方向差異太大，如何科學(xué)劃分課程層次、清晰明確課程內(nèi)容、準(zhǔn)確定位課程目標(biāo)是光纖傳感系列課程建設(shè)的重點(diǎn)和難點(diǎn)。

在廣泛調(diào)研軍隊(duì)需求、不同類別學(xué)員的知識積累和興趣及國內(nèi)外學(xué)校同專業(yè)的課程設(shè)置基礎(chǔ)上，我們建立起了分別面向本科生和研究生、技術(shù)類和軍事指揮類、本院專業(yè)和全校學(xué)員的光纖傳感系列課程。新增了技術(shù)類《光纖傳感技術(shù)》、軍事指揮類《光纖傳感技術(shù)》，面向全校本科生專題研討課《基于虛擬儀器的光纖傳感技術(shù)》三門課程，原有針對研究生的《光纖傳感技術(shù)》則改為《光纖傳感系統(tǒng)》[1，2]。

（一）建立起針對本院技術(shù)類本科生的《光纖傳感技術(shù)》課程內(nèi)容體系，以“扎實(shí)廣泛的技術(shù)基礎(chǔ)為核心，典型的系統(tǒng)應(yīng)用為亮點(diǎn)”

考慮到授課學(xué)員在學(xué)習(xí)本課程之前已經(jīng)在《光纖通信》、《光電檢測技術(shù)》等課程中對光纖和光纖器件等有初步了解，在本課程中首先介紹光纖傳感技術(shù)的概念和內(nèi)涵，然后針對光纖傳感系統(tǒng)的特點(diǎn)，介紹光纖、光纖器件、光纖傳感原理和光纖傳感信號解調(diào)原理。這四部分內(nèi)容涵蓋了強(qiáng)度型、偏振型、波長型、相位型和分布式光纖傳感的系統(tǒng)構(gòu)成、傳感原理和關(guān)鍵技術(shù)，為光纖傳感基礎(chǔ)知識，具有信息量大、知識點(diǎn)多、覆蓋范圍廣泛的特點(diǎn)；最后以2-3種典型的光纖傳感系統(tǒng)為例，向?qū)W員示范在系統(tǒng)中如何對基礎(chǔ)知識進(jìn)行靈活應(yīng)用，啟發(fā)學(xué)員根據(jù)學(xué)到的基礎(chǔ)知識來分析理解新型光纖傳感系統(tǒng)。

（二）研究生的《光纖傳感系統(tǒng)》課程以“系統(tǒng)應(yīng)用技術(shù)為核心，系統(tǒng)設(shè)計(jì)為亮點(diǎn)”

與原有的研究生《光纖傳感技術(shù)》相比，新的課程內(nèi)容和標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了大幅度的改革，突出“系統(tǒng)應(yīng)用”，大幅度削減了光纖傳感基礎(chǔ)知識，而是以四大類典型光纖傳感系統(tǒng)為授課重點(diǎn)。課程中的四大類典型光纖傳感系統(tǒng)選取了目前應(yīng)用最為廣泛或技術(shù)難度較高的光纖水聽器系統(tǒng)、光纖陀螺系統(tǒng)、分布式光纖傳感系統(tǒng)和光纖光柵傳感系統(tǒng)，針對每一類對其應(yīng)用背景、系統(tǒng)組成、系統(tǒng)指標(biāo)和關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行詳細(xì)分析，構(gòu)建課本知識到實(shí)際工程應(yīng)用的技術(shù)橋梁。在講解完每一類典型光纖傳感系統(tǒng)后，特別設(shè)計(jì)了光纖傳感系統(tǒng)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，要求學(xué)員以分組的形式，根據(jù)特定應(yīng)用背景設(shè)計(jì)出光纖傳感系統(tǒng)，闡明系統(tǒng)特色和關(guān)鍵技術(shù)。

課程調(diào)整所面臨的最大難題在于：學(xué)習(xí)本課程的研究生既包括本校本專業(yè)的學(xué)員，也包括來自于外院和外校的本科非光信息專業(yè)的學(xué)員。對于前者，通過本科生階段的《光纖傳感技術(shù)》學(xué)習(xí)已經(jīng)具備了良好的基礎(chǔ)，在新課程學(xué)習(xí)中應(yīng)盡量避免內(nèi)容重復(fù)；對于后者，直接學(xué)習(xí)典型光纖傳感系統(tǒng)中的關(guān)鍵技術(shù)存在一定難度，需要對光纖傳感基礎(chǔ)知識進(jìn)行介紹。為此，在研究生的《光纖傳感系統(tǒng)》課程中，首先設(shè)定了3個(gè)課時(shí)對光纖傳感基礎(chǔ)知識進(jìn)行回顧和總結(jié)，并點(diǎn)明各部分基礎(chǔ)知識所涉及的參考書。同時(shí)由于使用了與本科生《光纖傳感技術(shù)》課程同一系列的教材，為解決學(xué)員基礎(chǔ)參差不齊的難題提供了有效的解決辦法，而面向全校的《基于虛擬儀器的光纖傳感技術(shù)》則為畢業(yè)于本校其他專業(yè)的研究生學(xué)員提供了學(xué)習(xí)本課程的基礎(chǔ)。

（三）軍事指揮類本科生的《光纖傳感技術(shù)》課程以“完善學(xué)員知識結(jié)構(gòu)為重點(diǎn)，突出軍事應(yīng)用特色為亮點(diǎn)”，為學(xué)員提供裝備相關(guān)知識基礎(chǔ)

課程針對軍事指揮類本科學(xué)員培訓(xùn)的主要目標(biāo)，將軍事指揮類本科生《光纖傳感技術(shù)》課程的主要任務(wù)確定為拓展軍事指揮類學(xué)員的知識面，完善知識結(jié)構(gòu)，了解最新軍用傳感器技術(shù)，一方面可以充分發(fā)揮我軍現(xiàn)有裝備的作戰(zhàn)效能，另一方面可以掌握外軍作戰(zhàn)手段，有效克敵制勝。課程簡化了基礎(chǔ)知識部分內(nèi)容，擴(kuò)充了典型光纖傳感部分，特別是注重光纖水聽器、光纖陀螺和分布式光纖傳感器在軍事中的應(yīng)用，并拓展光纖水聽器在聲納系統(tǒng)應(yīng)用中的相關(guān)知識，讓學(xué)員在進(jìn)行工作崗位后可以更快的掌握相關(guān)裝備的使用和維護(hù)。

（四）面向研究生的《虛擬光纖傳感技術(shù)》以“引導(dǎo)學(xué)員自主學(xué)習(xí)為核心，激發(fā)學(xué)員獨(dú)立思考為亮點(diǎn)”

課程以光纖傳感技術(shù)中相干檢測技術(shù)為背景，以虛擬儀器技術(shù)為手段，通過一個(gè)具體實(shí)例為研討對象，讓學(xué)員一邊學(xué)習(xí)新知識，一邊動手做實(shí)驗(yàn)，一邊學(xué)會自主學(xué)習(xí)。課程首先在學(xué)員高中已經(jīng)具備的光學(xué)知識基礎(chǔ)上講解干涉型光纖傳感的基本內(nèi)容，然后引導(dǎo)學(xué)員自習(xí)LabVIEW虛擬儀器語言，通過研討學(xué)習(xí)心得讓學(xué)員掌握LabVIEW基本知識，最后要求學(xué)員利用所學(xué)知識和工具完成光纖傳感中一個(gè)典型信號處理問題。整個(gè)課程以學(xué)員自己動手動腦為主，精選了一門易學(xué)好用的虛擬儀器語言LabVIEW，使學(xué)員可以在四到五次課的時(shí)間內(nèi)學(xué)會，并結(jié)合光纖傳感技術(shù)系列課程的建設(shè)成果，讓學(xué)員可以在課程上針對典型的干涉型光纖傳感系統(tǒng)進(jìn)行信號處理實(shí)驗(yàn)，一方面提升了學(xué)員的學(xué)習(xí)的積極性，另一方面加強(qiáng)了學(xué)員的自信心，并為學(xué)員以后的創(chuàng)新實(shí)踐奠定了基礎(chǔ)。

三、教學(xué)方法與手段改革

在教學(xué)過程中，在教學(xué)方法和教學(xué)手段上也進(jìn)行了一系列的改革，使用了大量的新技術(shù)、新手段、和新的教學(xué)方式。主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

（一）充分運(yùn)用科研成果和虛擬儀器技術(shù)的特點(diǎn)，增加了大量的課堂演示實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)

在光纖傳感技術(shù)系列課程中引入堂演示實(shí)驗(yàn)，對于加深學(xué)員對知識的理解效果最為明顯。在課程建設(shè)中，充分利用所在實(shí)驗(yàn)室在光纖傳感技術(shù)研究上的優(yōu)勢，在每門課程講授中都加入了1～2個(gè)課堂演示實(shí)驗(yàn)。

與專門的實(shí)驗(yàn)課不同，課堂演示實(shí)驗(yàn)的側(cè)重點(diǎn)在實(shí)驗(yàn)效果上，通常都是完整的光纖系統(tǒng)，包括光源、光傳輸鏈路、光接收模塊、顯示模塊等等，并注重演示效果。以往的光纖系統(tǒng)雖然功能性明顯，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜。近年來，課題組所在的實(shí)驗(yàn)室在光纖傳感系統(tǒng)的工程可靠性研究上投入了大量精力，一些便攜式高可靠性的光纖傳感集成模塊在科研項(xiàng)目中得到廣泛應(yīng)用；這些科研成果的突破使得在課堂上演示一些復(fù)雜的光纖傳感系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)成為可能[5]。另一方面，由于虛擬儀器技術(shù)在光纖傳感技術(shù)中的廣泛應(yīng)用，復(fù)雜的信號解調(diào)可以通過電腦直觀的顯示在課堂多媒體系統(tǒng)中，“所見即所得”的方式使得課堂演示實(shí)驗(yàn)的效果非常直觀和可信。以研究生的《光纖傳感系統(tǒng)》課程為例，我們選取了光纖光柵應(yīng)變系統(tǒng)作為課堂演示實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。在硬件上，這套系統(tǒng)的光收發(fā)模塊為集成化的便攜式光纖光柵解調(diào)儀，采用法蘭盤對接可串接起多個(gè)光纖傳感陣列；而復(fù)雜的信號解調(diào)系統(tǒng)則全部通過虛擬儀器技術(shù)在電腦上軟件實(shí)現(xiàn)，解調(diào)結(jié)果直接顯示在電腦程序界面中。通過這套系統(tǒng)，我們完整地演示了光纖傳感器設(shè)計(jì)、光纖傳輸鏈路構(gòu)成、復(fù)用光纖傳感網(wǎng)絡(luò)、和光纖傳感信號解調(diào)等多項(xiàng)知識內(nèi)容，學(xué)員普遍反映通過這一演示實(shí)驗(yàn)對光纖傳感系統(tǒng)有了清晰深刻的了解。

（二）借鑒國外大學(xué)相關(guān)專業(yè)的教學(xué)模式，在考核中引入小型綜合設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，充分考察學(xué)員的綜合素質(zhì)

課題組的兩位教員具有國外留學(xué)的經(jīng)歷，在課程建設(shè)中充分參考國外大學(xué)在光纖傳感技術(shù)課程的教學(xué)方法，在作業(yè)環(huán)節(jié)引入小型光纖傳感綜合設(shè)計(jì)內(nèi)容，并將其作為課程考核評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的一部分，實(shí)現(xiàn)對學(xué)員綜合素質(zhì)的培養(yǎng)和考核評價(jià)。

光纖傳感綜合設(shè)計(jì)參考了香港理工大學(xué)和英國南安普頓大學(xué)的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，以對知識的綜合運(yùn)用為主要考察目標(biāo)。本科生光纖傳感技術(shù)采用適當(dāng)?shù)木C合設(shè)計(jì)題目難度，重視對知識融會貫通和綜合應(yīng)用能力的考察，一般在授課過程中只進(jìn)行1次；研究生除了要求基礎(chǔ)知識綜合應(yīng)用能力，更注重對實(shí)際工程應(yīng)用系統(tǒng)的完整性和前沿問題的拓展性考察[6]，一般則開設(shè)2～3次。綜合設(shè)計(jì)作業(yè)由學(xué)員分組完成，小組內(nèi)成員根據(jù)資料調(diào)研、方案設(shè)計(jì)、報(bào)告撰寫等工作內(nèi)容的不同進(jìn)行明確分工，并推選一位組員參加課堂專門設(shè)置答辯環(huán)節(jié)。

（三）針對授課內(nèi)容的層次劃分和授課對象的學(xué)習(xí)特點(diǎn)，科學(xué)合理設(shè)置研討專題

研討式教學(xué)我校近年來大力推廣的教學(xué)方式之一。由于光纖傳感技術(shù)具有經(jīng)典與前沿相結(jié)合、理論與工程應(yīng)用相結(jié)合的特點(diǎn)，在系列課程建設(shè)中，課題組在原有研究生《光纖傳感技術(shù)》的研討式專題內(nèi)容基礎(chǔ)上，進(jìn)行了深入的思考和大膽的拓展，將課程中的研討專題劃分為三大類：經(jīng)典理論知識的研討、前沿研究的研討和學(xué)位論文研究方法的研討。

經(jīng)典理論知識的研討要求學(xué)員在授課之前對相關(guān)內(nèi)容進(jìn)行預(yù)習(xí)，并在課堂上對全體學(xué)員講解自己對該問題的理解。如在進(jìn)行“光纖干涉儀傳感系統(tǒng)”的授課時(shí)，要求學(xué)員預(yù)習(xí)時(shí)弄明白兩個(gè)問題：什么是隨機(jī)相位衰落？什么是偏振誘導(dǎo)信號衰落？進(jìn)行研討時(shí)不要求學(xué)員對這兩個(gè)問題進(jìn)行深入剖析，但要求學(xué)員用精煉的語言闡明問題的物理含義。學(xué)員普遍認(rèn)為這種研討專題不是特別復(fù)雜，通過預(yù)習(xí)教材即可，但大部分學(xué)員會準(zhǔn)備PPT課件，且自愿上講臺講述的學(xué)員一般在以往的學(xué)習(xí)過程中接觸過與該專題相關(guān)的研究工作，因此在其課件上還會加入自己以往的工作、自己對該問題的擴(kuò)展認(rèn)知及自己尚未弄明白的問題等。這種教學(xué)效果是在深入了解學(xué)員的知識積累基礎(chǔ)上，通過巧妙設(shè)置研討專題取得的。

前沿研究的研討要求學(xué)員進(jìn)行大量的資料查閱，特別是光纖傳感前沿研究課題的查閱。對于某一個(gè)問題，由于課堂講授的時(shí)間受限或者教材中沒有系統(tǒng)的描述，對該問題的課堂講授可能不夠全面，在這種情況下，教師會提供相關(guān)信息，要求學(xué)員查閱該文獻(xiàn)并進(jìn)行精讀，然后在課堂上進(jìn)行研討。這種研討專題分為兩種：一種是教師提供明確的檢索信息，由學(xué)員查閱到該文獻(xiàn)后精度文獻(xiàn)，分析文獻(xiàn)的精華及不足；另一種則是教師提供所要解決的問題，由學(xué)員對該問題進(jìn)行解讀，提煉關(guān)鍵檢索信息，進(jìn)行檢索后，對檢索文獻(xiàn)進(jìn)行初步分析，總結(jié)該問題的研究現(xiàn)狀。學(xué)員反映這種研討專題的難度稍大于第一種，但一般稍花時(shí)間都能解決。

學(xué)位論文研究方法的研討目的在于：無論是本科生還是研究生，在學(xué)習(xí)完相應(yīng)的光纖傳感技術(shù)課程后馬上就要投入到學(xué)位論文工作中。通過對這類問題的研討，學(xué)員逐漸掌握了在未來從事學(xué)位論文研究中必須具備的研究方法，這類的研討主要培養(yǎng)學(xué)員的仿真計(jì)算能力和光纖傳感系統(tǒng)的設(shè)計(jì)能力。例如在講授完光纖光柵的基本理論之后，學(xué)員反映耦合模理論的公式很繁瑣，難以一眼看出其中的物理特性，為此，我們安排了相關(guān)理論的仿真計(jì)算研討，要求學(xué)員根據(jù)課堂講授的公式進(jìn)行理論仿真，計(jì)算光纖光柵反射光譜，并繪制帶寬、反射率等關(guān)鍵參數(shù)隨著光柵參數(shù)的變化曲線。學(xué)員在課堂研討時(shí)要講述自己的關(guān)鍵參數(shù)設(shè)置和仿真結(jié)果。通過這種研討方式，學(xué)員對光纖光柵的反射譜特性建立了深入的了解，效果遠(yuǎn)遠(yuǎn)好于課堂直接講授相關(guān)結(jié)論。

根據(jù)光纖傳感課程層次劃分，不同的光纖傳感技術(shù)課程對三種研討專題的應(yīng)用程度也不相同，本科生的光纖傳感技術(shù)課程以經(jīng)典理論知識的研討為主，并設(shè)置1～2次前沿研究的研討；研究生的光纖傳感技術(shù)課程則以前沿研究的研討專題和學(xué)位論文研究方法的研討專題為主，對特別重要的概念設(shè)置少量經(jīng)典理論知識的研討專題。

四、以光纖傳感技術(shù)課程為支撐的創(chuàng)新型人才培養(yǎng)

光纖傳感技術(shù)的應(yīng)用范圍極廣，一套實(shí)用的光纖傳感系統(tǒng)可以很龐大很復(fù)雜，也可以很小巧靈活。針對這一特點(diǎn)，課題組教師在學(xué)院本科生和研究生的各項(xiàng)教學(xué)活動中，積極開展與光纖傳感技術(shù)相關(guān)的各項(xiàng)活動。

針對本科生的光纖傳感技術(shù)系列課程，在授課結(jié)束后，在光電設(shè)計(jì)大賽、畢業(yè)設(shè)計(jì)等教學(xué)活動中開設(shè)了大量關(guān)于光纖傳感技術(shù)應(yīng)用的課題，引起學(xué)員濃厚的興趣和廣泛的參與熱情。一方面，參與光纖傳感技術(shù)相關(guān)的本科畢業(yè)設(shè)計(jì)學(xué)員數(shù)量大幅度提高。以技術(shù)類本科畢業(yè)設(shè)計(jì)為例，2013、2014年參與光纖傳感技術(shù)相關(guān)課題的學(xué)生均達(dá)到光信息專業(yè)學(xué)員總數(shù)的50%以上。另一方面，學(xué)員完成課題的質(zhì)量也得到大幅度提升，近年來有8名本科生獲得學(xué)校創(chuàng)新資助，從側(cè)面反映出光纖傳感技術(shù)課程教學(xué)效果的日漸提高。這些競賽成果也作為評價(jià)授課效果的標(biāo)準(zhǔn)之一，并將學(xué)員在課外延拓活動中的效果和意見及時(shí)反饋到教學(xué)過程中[3，4]。

針對研究生的光纖傳感技術(shù)系列課程，一方面鼓勵(lì)學(xué)員在課程學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)上努力拓展研究深度，在光纖傳感研究領(lǐng)域不斷創(chuàng)新。在課題組所在實(shí)驗(yàn)室所培養(yǎng)的研究生中，有3名研究生獲得學(xué)校創(chuàng)新資助，1名研究生獲得湖南省創(chuàng)新資助，其課題都是光纖傳感領(lǐng)域的研究重點(diǎn)和難點(diǎn)。此外還有5項(xiàng)研究生參與申請的光纖傳感技術(shù)相關(guān)專利；另一方面，鼓勵(lì)學(xué)員積極參與到與光纖傳感技術(shù)相關(guān)的科研項(xiàng)目中，在實(shí)際工程環(huán)境中對課程知識進(jìn)行融會貫通。目前在光纖信息專業(yè)的畢業(yè)研究生中，參加過光纖傳感相關(guān)的湖上或海上試驗(yàn)的學(xué)員達(dá)到95%以上，為其真正走向工作崗位后充分適應(yīng)部隊(duì)對光纖傳感技術(shù)人才的需要積累了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。

五、高素質(zhì)教師隊(duì)伍建設(shè)

作為教育的重要媒介，教師是活動中的主要因素。教員整體素質(zhì)的高低，直接影響著教學(xué)質(zhì)量的高低。因此，建立一支教學(xué)水平高、結(jié)構(gòu)合理的高素質(zhì)師資隊(duì)伍顯得尤為重要。

（一）從教學(xué)和科研兩個(gè)方面錘煉教師隊(duì)伍，使教師的教學(xué)水平和科研能力相互促進(jìn)共同提高

科學(xué)研究是教師工作的重要組成部分，是提高教學(xué)水平的重要手段，也是提高自身素質(zhì)的重要途徑。對于光纖傳感技術(shù)系列課程而言，學(xué)即能致用是其重要特點(diǎn)之一，教學(xué)和科研的相互促進(jìn)作用尤為明顯。課題組全部教員均參加了多個(gè)重大科研項(xiàng)目。通過重大科研項(xiàng)目的歷練，教員的學(xué)術(shù)水平得到很大的提高，一方面教員接觸了學(xué)術(shù)前沿，開拓了學(xué)術(shù)視野，經(jīng)歷了科研實(shí)踐，在課堂教學(xué)中自然會將科研最新成果、專業(yè)發(fā)展動向帶進(jìn)課堂，另一方面，教員在參與重大科研項(xiàng)目時(shí)對光纖傳感的技術(shù)內(nèi)容有了更加深刻的認(rèn)知，對于在課堂上清楚明白的講好各個(gè)知識點(diǎn)至關(guān)重要。同時(shí)，通過教學(xué)活動中對課程內(nèi)容的反復(fù)推敲及與學(xué)員之間展開的研討交流，可以加深教員對技術(shù)環(huán)節(jié)的領(lǐng)悟，甚至激發(fā)教員的靈感。通過在科研和教學(xué)兩個(gè)方面同時(shí)錘煉，促進(jìn)教師知識更新和自身進(jìn)步，提高教師的創(chuàng)新能力和教學(xué)質(zhì)量，將真正做到科研教學(xué)一體化。

（二）鼓勵(lì)教員進(jìn)行對外交流，充分借鑒國內(nèi)外同類專業(yè)課程的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)

課題組有兩名教員具有國（境）外留學(xué)經(jīng)歷，其他教員也多次參加國內(nèi)外的學(xué)術(shù)活動和教學(xué)活動交流，在課程建設(shè)過程中充分利用了這一優(yōu)勢。在教員已經(jīng)帶回的國外大學(xué)教學(xué)經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，鼓勵(lì)教員在回到學(xué)校后仍然定期與留學(xué)單位交流，及時(shí)獲取留學(xué)單位最新的課程設(shè)置和教學(xué)安排信息，并通過交流，不斷補(bǔ)充自身的不足，更新課程內(nèi)容，豐富教學(xué)手段，提高自身教學(xué)水平。在對外學(xué)術(shù)活動交流中，有意識的了解其他院校同類專業(yè)課程的教學(xué)情況，對于感興趣的單位積極主動與對方聯(lián)系進(jìn)行實(shí)際考察。活躍的對外交流活動極大地激發(fā)了教師的教學(xué)熱情，并不斷提高其教學(xué)水平。

（三）加強(qiáng)青年教師的教學(xué)技能培訓(xùn)

目前，課題組教員是一支相對年輕化的隊(duì)伍，很多才剛剛博士畢業(yè)，青年教師充滿熱情，思想活躍，比較了解學(xué)員的思想，與學(xué)員進(jìn)行交流方面具有優(yōu)勢。但是，他們大多沒有經(jīng)過系統(tǒng)的教學(xué)技能訓(xùn)練，普遍缺乏教學(xué)經(jīng)驗(yàn)。為了使青年教師盡快掌握教學(xué)技能，提高業(yè)務(wù)能力與水平，課題組指定認(rèn)真負(fù)責(zé)、教學(xué)經(jīng)驗(yàn)豐富的老教師擔(dān)當(dāng)青年教師的導(dǎo)師，對青年教師實(shí)行“一對一”的“傳、幫、帶”指導(dǎo)，指導(dǎo)青年教師備課、編寫教案；采取措施督促教員投入足夠的精力。教員上崗前，必須經(jīng)過教研室、系所、學(xué)院三級試講，每次授課必須重新編寫教案、編寫課件、編制教學(xué)日歷；在教學(xué)過程中，教學(xué)指導(dǎo)委員會、督導(dǎo)組、院系領(lǐng)導(dǎo)經(jīng)常性聽查課，督促教學(xué)水平的提高。

通過從科研和教學(xué)兩方面錘煉教學(xué)隊(duì)伍，課題組教員自身水平得到了大大提高，多次在全軍和全校獲得教學(xué)優(yōu)秀獎(jiǎng)，其中獲軍隊(duì)院校育才獎(jiǎng)1人次，優(yōu)秀研究生導(dǎo)師獎(jiǎng)3次，校本科“研究型”教學(xué)比賽三等獎(jiǎng)1人次，校研究生教學(xué)優(yōu)秀三等獎(jiǎng)1人次，教員在國內(nèi)教學(xué)期刊上發(fā)表高水平教學(xué)論文10篇，課題組已經(jīng)成為了一支能獨(dú)立承擔(dān)授課任務(wù)的高水平教師隊(duì)伍。

參考文獻(xiàn)：

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第2篇

【關(guān)鍵詞】 FBG；高應(yīng)變；樁基檢測；預(yù)制樁

【中圖分類號】TU196+.1 【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】 B

Study on high strain detection of precast pile using FBG sensing technology

Qiu Zhenhong

(Shanghai jiangnan architectural design institute co,. ltd ShangHai 201800)

【Abstract】 FBG which has the advantage of high precision, strong ability of anti-electromagnetic, strong adaptive capacity to environment, long service life, etc has become a new advanced detection way in the field of pile foundation and bridge. This paper introduces the measure principle of FBG sensing technology and the implantation process of fiber grating into precast pile. Combined with the specific project, the traditional high strain data and FBG strain data is compared. The results showed that FBG data is suitable for high strain detection.

【Keywords】 FBG; high strain; detection of pile foundation; precast pile

0 引言

樁基檢測中高應(yīng)變檢測是一項(xiàng)重要檢測內(nèi)容，通過分析應(yīng)力應(yīng)變隨樁身變化情況分析樁身完整性和樁的承載性狀[1-2]。由于采用高應(yīng)變進(jìn)行承載力檢測具有工期短、成本低、效率高等特點(diǎn)，促進(jìn)了高應(yīng)變檢測法的推廣，但是高應(yīng)變檢測的精度很大程度上與測試傳感器有關(guān)。傳統(tǒng)的電阻式、鋼弦式、電感式傳感器普遍存在靈敏度差、精度低、抗電磁干擾能力弱，受水腐蝕失真或失效等缺點(diǎn)，難以適應(yīng)現(xiàn)代工程精確檢測的要求。而近年來興起的光纖光柵傳感器則具有精度高、抗電磁干擾、防水防潮、抗腐蝕和耐久性長等特點(diǎn)[3-6]，其體積小、重量輕，便于鋪設(shè)安裝，且不存與監(jiān)測對象不匹配的問題，對監(jiān)測對象的材料性能和力學(xué)參數(shù)等影響較小。另外，光纖光柵傳感技術(shù)采用光纖進(jìn)行信號傳輸，傳輸損耗小，容易實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離信號傳輸，正好彌補(bǔ)了傳統(tǒng)檢測技術(shù)的不足。本文結(jié)合具體的工程實(shí)例，將FBG傳感器植入檢測的預(yù)制樁中，同時(shí)采集傳統(tǒng)

的高應(yīng)變檢測應(yīng)變數(shù)據(jù)和FBG應(yīng)變數(shù)據(jù)，并進(jìn)行對比研究。結(jié)果表明：FBG測量數(shù)據(jù)可靠，具有較好的適用性。

1 FBG傳感技術(shù)測量原理

光纖布拉格光柵（Fiber Bragg Grating,簡稱FBG）是利用光纖材料的光敏性在纖芯內(nèi)形成空間相位,光柵其作用的實(shí)質(zhì)是在纖芯內(nèi)形成一個(gè)窄帶的濾波器或反射鏡，使得光在其中的傳播行為得以改變和控制[7]。

圖1 光纖光柵傳感器的構(gòu)造

如圖1所示，F(xiàn)BG傳感器分布在光纖纖芯的一小段范圍內(nèi)，它的折射率沿光纖軸線發(fā)生周期性變

作者簡介：邱正紅，1982年出生，男，漢族，重慶潼南縣人，工學(xué)學(xué)士，助理工程師，主要從事巖土工程勘察和基坑設(shè)計(jì)工作。E-mail：qzh@live.it

化，圖中纖芯的明暗變化代表了折射率的周期變化。光纖布拉格光柵是光纖纖芯折射率沿光纖軸向呈周期性變化的一種光柵。目前已有的基于光纖布拉格光柵的各種傳感器的工作原理都可以歸結(jié)為對布拉格光柵中心波長的測量[8-9]，即通過對由外界擾動引起的布拉格光柵中心波長漂移量的測量，得到被測參數(shù)；布拉格光柵中心波長與光纖纖芯有效折射率以及光纖光柵長度周期Λ相關(guān)[10]即：

(1)

其中：為布喇格光柵的中心波長；為光纖纖芯的有效折射率；為布喇格傳感器光柵的柵距。

圖2FBG傳感器工作原理圖

顯然，寬帶光源的輸入光譜在通過FBG傳感器1后，形成了波谷峰值為的凹陷，而反射光譜則具有波峰。當(dāng)光柵所在處的光纖產(chǎn)生軸向應(yīng)變時(shí)，柵距變?yōu)椋?/p>

(2)

此時(shí)布喇格波長產(chǎn)生相應(yīng)的變化，它滿足：

(3)

其中：為有效光彈系數(shù),它的值約為0.22。

另外，溫度變化會引起光纖折射率的變化，同時(shí)也會引起柵距的變化，當(dāng)溫度變化為時(shí)，將引起布拉格波長產(chǎn)生移動，可以表示為：

(4)

其中：為光纖的熱膨脹系數(shù)，；為光纖的熱光系數(shù)，。

由(3)、(4)兩式得到同時(shí)考慮應(yīng)變與溫度變化時(shí)，所引起的波長移動：

(5)

由此可知，只要測出布喇格波長的變化，就可以得到外界的應(yīng)變或溫度擾動。

2 預(yù)制樁FBG植入工藝

預(yù)制樁一般是在工廠制作而成的，特別是預(yù)應(yīng)力預(yù)制樁是在預(yù)制廠經(jīng)過先張預(yù)應(yīng)力，離心成型及高壓蒸養(yǎng)等工藝生產(chǎn)而成的高強(qiáng)預(yù)制混凝土構(gòu)件[11]，無法將光纖光柵澆注到其中。在打樁的過程中，由于預(yù)制樁管壁與土體的摩擦力很大，將光纖光柵貼在預(yù)制樁表面時(shí)，很容易造成打樁時(shí)光纖光柵被刮斷[12]。本文采用在預(yù)制樁表面刻槽后放入光纖光柵再用高強(qiáng)度膠進(jìn)行密封，這樣既成能保證光纖光柵的成活率，又能保證光纖光柵與預(yù)裝樁身變形的一致性。預(yù)制樁的FBG植入工藝主要包括以下四個(gè)工序。

（1）光纖熔接

在FBG傳感技術(shù)測量中，光纖只是進(jìn)行光信號的傳輸，真正起到測量作用的是光柵的那部分。所以要根據(jù)樁長截取相應(yīng)長度的傳輸光纖與FBG傳感器進(jìn)行熔接。

（2）刻槽布纖

用開槽機(jī)在預(yù)制樁身表面沿著布纖路線刻槽，槽寬和槽深以能放入光纖為準(zhǔn)(太深容易破壞樁身強(qiáng)度)，光纖放入槽內(nèi)用502膠水進(jìn)行定點(diǎn)固定，刻槽布纖如圖3所示。

圖3 刻槽布纖

（3）光纖保護(hù)

用高強(qiáng)膠（環(huán)氧樹脂）填充槽內(nèi)進(jìn)行光柵粘貼和光纖線路保護(hù)，在樁端出露的光纖用套管進(jìn)行保護(hù)，將多余的光纖盤繞在樁頭并用緩沖材料進(jìn)行包裹保護(hù)，光纖保護(hù)如圖4所示。

圖4 線路保護(hù)

（4）打樁對接

將布好光纖的樁按順序進(jìn)行打入，在樁對接時(shí)進(jìn)行上下兩樁光纖的對接，并將多余光纖盤繞在接頭地方進(jìn)行強(qiáng)化處理，打樁對接如圖5所示。

圖5 打樁對接

3 工程實(shí)例

3.1 工程背景

嘉定區(qū)城北大型經(jīng)濟(jì)適用房（南塊）位于上海市嘉定區(qū)，住宅樓和配套商業(yè)擬采用樁基礎(chǔ)，地下車庫、地下P型站和地下水泵房擬采用抗拔樁。工程主要負(fù)責(zé)樁基設(shè)計(jì)參數(shù)可行性研究工作。根據(jù)設(shè)計(jì)需要，結(jié)合勘察資料，進(jìn)行現(xiàn)場原位測試，包括：模型樁單樁豎向抗壓、單樁豎向抗拔靜載，錘擊樁高應(yīng)變跟蹤監(jiān)測及樁身應(yīng)力分析，獲得各層土設(shè)計(jì)參數(shù)。

3.2 測試方法

本文主要研究該工程中管樁（管樁樁長13.0m，內(nèi)徑0.22m，外徑0.4m）的高應(yīng)變檢測。通過光纖光柵測得應(yīng)變數(shù)據(jù)分別與高應(yīng)變測樁儀導(dǎo)出數(shù)據(jù)進(jìn)行對比。樁身應(yīng)力測量采用光纖光柵應(yīng)變傳感器。光纖光柵應(yīng)變傳感器布設(shè)：在樁頂以下1m處（-1m)布設(shè)一個(gè)；在土層交界處6.5m處（-6.5m)布設(shè)1個(gè)，在樁底以上50cm處（-12.5m)布設(shè)1個(gè)，F(xiàn)BG傳感器布設(shè)如圖6所示。

圖6 FBG傳感器布設(shè)圖

高應(yīng)變初打跟蹤監(jiān)測試驗(yàn)按照《建筑基樁檢測技術(shù)規(guī)范》（JGJ 106-2003）進(jìn)行，測試方法見圖7。

圖7 高應(yīng)變測試圖

3.3 檢測數(shù)據(jù)分析

本文選取了一根測試樁，對樁的錘擊高應(yīng)變數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。通過預(yù)埋在樁身上的光纖光柵測得應(yīng)變數(shù)據(jù)分別與高應(yīng)變測樁儀輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行對比研究，F(xiàn)BG傳感器測試出的數(shù)據(jù)曲線如圖8所示。曲線中第一個(gè)峰值的出現(xiàn)表示在擊打過程中樁身產(chǎn)生的最大應(yīng)變，其余峰值是由于擊打過程中余震產(chǎn)生。圖形顯示在-1m處峰值最高，其次-6.5m處，-12.5m處峰值最小。這表明：在被擊打過程中，離測試樁由樁頂至樁底，樁身應(yīng)變逐漸減小，在樁頂處會產(chǎn)生最大應(yīng)變，所以在錘擊過程中要加強(qiáng)對樁頂?shù)谋Ｗo(hù)。

圖8高應(yīng)變時(shí)光纖測得應(yīng)變曲線圖

由于-1m處安裝的FBG傳感器與高應(yīng)變檢測中的應(yīng)變片安裝位置接近（檢測傳感器的安裝用膨脹螺栓安裝在距樁頂約2倍樁徑處），將-1m處的FBG測試數(shù)據(jù)與應(yīng)變片的數(shù)據(jù)進(jìn)行了對比，光纖應(yīng)變曲線與高應(yīng)變儀導(dǎo)出應(yīng)變曲線對比圖如圖9所示。從圖9中可以看出，兩者的曲線較為吻合，這說明FBG傳感技術(shù)適用于高應(yīng)變檢測。

圖9 高應(yīng)變時(shí)光纖曲線與高應(yīng)變儀導(dǎo)出曲線對比圖

4 結(jié)論

（1）本文將FBG傳感監(jiān)測技術(shù)應(yīng)用于樁基檢測中，將光纖光柵測得應(yīng)變數(shù)據(jù)與高應(yīng)變測樁儀輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行比較研究。結(jié)果表明：FBG傳感數(shù)據(jù)能較好地適用于高應(yīng)變檢測，但也存在不足，由于高應(yīng)變檢測同時(shí)需要應(yīng)變數(shù)據(jù)和加速度數(shù)據(jù)，而此次測試只采集了樁身FBG應(yīng)變數(shù)據(jù)，如果在樁身相應(yīng)的位置能安裝FBG加速度傳感，同時(shí)采集FBG應(yīng)變和加速度數(shù)據(jù)，擬合樁基的承載力與傳統(tǒng)高應(yīng)變測樁儀測出的樁基承載力進(jìn)行對比，將是本論文需要深入研究的一個(gè)方向。

（2）FBG傳感器可以安裝在樁體的任何位置，如果將FBG傳感技術(shù)運(yùn)用于高應(yīng)變檢測中，就可以

測得樁體任何位置的應(yīng)變，而不僅僅局限于樁頂附近。

（3）檢測數(shù)據(jù)的精確度不但與測試方法有關(guān)，還與傳感器的性能有關(guān)，F(xiàn)BG傳感器正是由于其高精度、抗電磁干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)得到了工程界廣泛的關(guān)注。但是，由于其比較高的價(jià)格也限制著它的發(fā)展。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，F(xiàn)BG傳感技術(shù)將會得到廣泛發(fā)展。

參 考 文 獻(xiàn)

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第3篇

關(guān)鍵詞：光纖測溫裝置，原理，應(yīng)用，效果

 

一 引言

電纜是變電站的重要組成部分。。由于電纜分布廣、易燃、著火后危害大且影響相關(guān)供電單位生產(chǎn)，對經(jīng)濟(jì)造成巨大損失。因此電纜的防火歷來為電力部門所重視。但是電纜事故還是頻繁發(fā)生。隨著光纖技術(shù)的發(fā)展光纖傳感技術(shù)在電力設(shè)備故障檢測中的應(yīng)用得到了逐步推廣，其中光纖測溫技術(shù)徹底解決了困擾電纜運(yùn)行中過熱監(jiān)測的難題，可以實(shí)現(xiàn)對電力電纜發(fā)熱敏感部位溫度的準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)在線監(jiān)測和故障預(yù)警、精確定位。

二 系統(tǒng)簡介

AT810分布式光纖溫度傳感器系統(tǒng)是集光、機(jī)、電、計(jì)算機(jī)、光纖光纜和弱信號檢測等技術(shù)為一體的高科技產(chǎn)品，主要依據(jù)激光耦合到光纖中，利用光纖的光時(shí)域反射（OTDR ）和光纖的背向喇曼散射溫度效應(yīng)。將感溫光纜敷設(shè)于待測空間，可連續(xù)測量、準(zhǔn)確定位整條光纖或光纜所處空間的溫度，還具有不帶電、抗射瀕和電磁干擾、抗腐蝕、耐高溫和使用壽命長等優(yōu)點(diǎn)。

本系統(tǒng)主要由測溫主機(jī)、應(yīng)用軟件、感溫光纜及其他周邊設(shè)備配置而成，對電纜橋架、電纜夾層、溫油罐和變壓器等設(shè)備的溫度進(jìn)行連續(xù)線型實(shí)時(shí)在線監(jiān)測，在被監(jiān)測設(shè)備發(fā)生火災(zāi)前即發(fā)出預(yù)警，使用戶及時(shí)采取措施，排除隱患。整套監(jiān)測系統(tǒng)通過其測溫控制主機(jī)通訊接口或干接點(diǎn)繼電器端子與火災(zāi)報(bào)警主控制器相連，并向其提供火災(zāi)報(bào)警區(qū)的報(bào)警信息及運(yùn)行和故障信號。

三 光纖測溫原理

激光脈沖在光纖中傳輸時(shí)，由于激光和光纖分子的相互物理作用，會產(chǎn)生三種散射光：瑞利散射、拉曼散射和布里淵散射，其光譜分布如下圖所示：

其中拉曼散射僅對溫度敏感，因此最適合用來測量溫度。AT810 光纖測溫主機(jī)就是采用拉曼散射（RAMAN）和OTDR 技術(shù)研發(fā)的分布式光纖溫度探測處理器（DTS），其工作原理如下：

1、激光器發(fā)出一束激光，通過耦合器調(diào)制后射入感溫光纖中；

2、光纖中反射回的拉曼散射光通過光譜分離模塊分解成不同波長的Stokes散射光和Antistokes 散射光。其中Stokes 散射光的強(qiáng)度與溫度弱相關(guān)；而Antistokes散射光的強(qiáng)度與溫度強(qiáng)相關(guān)；

3、通過對兩束光信號進(jìn)行處理和對比計(jì)算得出溫度沿光纖的分布曲線；

4、利用光時(shí)域反射技術(shù)（OTDR），通過計(jì)算光波的傳輸速度和回波時(shí)間實(shí)現(xiàn)對所有溫度點(diǎn)的定位；

四 AT810光纖測溫預(yù)警系統(tǒng)在電纜線路中的應(yīng)用

AT810光纖測溫預(yù)警系統(tǒng)硬件組成如下:

應(yīng)用中把特制的感溫光纜鋪設(shè)在待測電纜上方，讓二者緊密接觸。為提高監(jiān)測的精度，以準(zhǔn)確地獲得被測電纜上各點(diǎn)的溫度情況，須將傳感光纜梆扎在電纜上。

下圖為“分區(qū)溫度顯示”界面：

每個(gè)分區(qū)為一回電纜饋線，分區(qū)溫度顯示的是分區(qū)內(nèi)所有溫度里的最高值。

雙擊分區(qū)溫度畫面上的分獲圖塊即可打開分區(qū)的實(shí)時(shí)曲線圖：

從中可以清楚地看到當(dāng)時(shí)整條電纜的溫度分布情況。

五 應(yīng)用效果

目前光纖測溫系統(tǒng)已經(jīng)全面應(yīng)用在我變電站電纜回路中，在運(yùn)行中曾多次對過熱點(diǎn)準(zhǔn)確報(bào)警，使事故隱患得到及時(shí)消除并能夠在電纜突發(fā)性故障中準(zhǔn)確判斷出故障位置，大大節(jié)省了故障處理時(shí)間，使故障線路迅速恢復(fù)供電。下圖為某饋線電纜絕緣擊穿發(fā)生單相接地事故時(shí)的溫度曲線：

通過曲線可以判斷出故障發(fā)生在250米。

六 應(yīng)用注意事項(xiàng)

1、輸入電流為交流220伏市電；

2、嚴(yán)禁帶電插拔光纖測溫主機(jī)與報(bào)警輸出箱之間的連接線；

3、主機(jī)光纜輸入接頭要保持清潔，平時(shí)用端蓋保護(hù)；當(dāng)與監(jiān)測機(jī)連接時(shí)，端部要用無水酒精清洗干凈后可靠連接。。

4、系統(tǒng)在工作時(shí)，禁止觀察傳感光纜尾端、連接處或者光纜的損壞處，激光會損害眼睛；

5、傳感光纜最小彎曲半徑不小于5cm，不能用硬或銳利物體擠、壓和沖擊傳感光纜，并應(yīng)遠(yuǎn)離熱源；

6、由于上位監(jiān)控系統(tǒng)后臺服務(wù)程序啟動需要一段時(shí)間（約2分鐘），當(dāng)上位監(jiān)控軟件打開時(shí)可能會提示無法連接，等待兩三分鐘后按F5刷新屏幕即可；

7、在光纖測溫系統(tǒng)剛剛啟動的幾分鐘里，上位機(jī)監(jiān)控畫面上的溫度可能是不準(zhǔn)確的，這是因?yàn)楣饫w測溫系統(tǒng)主機(jī)內(nèi)的恒溫槽還沒有達(dá)到穩(wěn)定的工作狀態(tài)，其預(yù)熱的時(shí)間大約需30分鐘；

8、歷史溫度曲線查看時(shí)，選擇的時(shí)間段長不要超過4 小時(shí)，不然系統(tǒng)查詢數(shù)據(jù)會很慢；

9、系統(tǒng)投入正常運(yùn)行后要定期（至少一年一次）對系統(tǒng)功能進(jìn)行測試，以測試和檢驗(yàn)系統(tǒng)的火災(zāi)探測和報(bào)警能力。。

七 結(jié)束語

通過我變電站的實(shí)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明光纖測溫預(yù)警系統(tǒng)不僅能夠得到電纜的實(shí)時(shí)溫度分布，及時(shí)發(fā)現(xiàn)薄弱環(huán)節(jié)，還能超溫報(bào)警、升溫速率報(bào)警及準(zhǔn)確判斷故障地點(diǎn)。使運(yùn)行人員能及時(shí)了解運(yùn)行情況、消除故障隱患，防止惡性事故的發(fā)生。因此光纖測溫預(yù)警系統(tǒng)是一種理想的電纜過熱監(jiān)控系統(tǒng)，不僅可廣泛應(yīng)用于發(fā)電廠和變電站的電纜過熱監(jiān)控中，也可以應(yīng)用于地鐵、船舶、石油平臺、銀行和大型圖書館等重要場合的電纜過熱監(jiān)控中。

八 參考文獻(xiàn)

[1]彭超，趙健康，苗付貴．分布式光纖測溫技術(shù)在線監(jiān)測電纜溫度[J]．高電壓技術(shù)，2006，32（8）．

[2]韓浩江．分布式光纖溫度故障預(yù)警檢測系統(tǒng)原理及應(yīng)用[J]．上海電力，2007，（5）．

第4篇

【關(guān)鍵詞】 布里淵 分布式 光纖傳感

隨著社會發(fā)展，安防已經(jīng)變得越來越重要，及時(shí)發(fā)現(xiàn)入侵對我國安防建設(shè)有種重要的意義，別的安防系統(tǒng)監(jiān)測距離短且容易受到電磁的擾動，而本文中敘述的安防系統(tǒng)不僅監(jiān)測距離長而且不容易受到電磁的干擾，對安防領(lǐng)域具有重要意義。光纖傳感入侵定位監(jiān)測系統(tǒng)可以通過監(jiān)測光纖應(yīng)變或震動等確定事件發(fā)生的位置，已有傳感定位系統(tǒng)多采用Sagnac干涉環(huán)結(jié)構(gòu)或者馬赫-增得干涉結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)定位，但無法同時(shí)滿足高精度和長距離探測。這樣的話就必須采用BOTDR原理，利用自制的光纖縱模分布反饋激光器，結(jié)合邊緣濾波調(diào)解技術(shù)，建立一套分布式光纖傳感入侵定位系統(tǒng)監(jiān)測，實(shí)現(xiàn)了對入侵事件的實(shí)施快速定位監(jiān)測，空間分辨率也相應(yīng)高了起來。

一、布里淵散射傳感原理

布里淵散射原理是基于光纖中光波與聲波在傳播過程的相互作用，這兩者的相互作用會使光產(chǎn)生頻移，該頻移的產(chǎn)生相當(dāng)于入射波被一個(gè)聲光柵散射產(chǎn)生了反射光子，我們利用這個(gè)頻移，通過測得其頻移方向和大小，來實(shí)現(xiàn)傳感物理量的轉(zhuǎn)換。光纖所處溫度、所受應(yīng)變皆可通過布里淵頻移間接計(jì)算得出。在實(shí)際工程使用中，由于入侵事件都是不確定的，所以需要一套具有實(shí)時(shí)監(jiān)控能力且無盲點(diǎn)的監(jiān)測系統(tǒng)才能完全監(jiān)測到入侵、避免出現(xiàn)遺漏，而光纖作為傳感原件是沿線路連續(xù)分布的，這就避免了線路中產(chǎn)生盲點(diǎn)。通過對光纖中布里淵散射頻移量大小的監(jiān)控，可以分析得出被入侵點(diǎn)的準(zhǔn)確位置，以及被入侵程度，這就是目前布里淵散射在光纖傳感入侵定位監(jiān)測系統(tǒng)中最有效的應(yīng)用方式，達(dá)到了兼?zhèn)涓呔取o盲點(diǎn)、長距離、實(shí)時(shí)性等諸多優(yōu)異性能。

二、實(shí)驗(yàn)與分析

由于本項(xiàng)研究處于早期階段，所以此次試驗(yàn)都是采用自制的激光器、自制傳感光纜以及其他自制光信號解調(diào)器。并參考了各類中外文獻(xiàn)，以及前輩所寫的論文，保證本次試驗(yàn)和分析能夠得出更為準(zhǔn)確的結(jié)論，更好的為國家安防事業(yè)做出貢獻(xiàn)。我們將激光輸出進(jìn)行一定的比例分束，然后小比例的一束作為本振光，另外一個(gè)大比例的經(jīng)偏振控制器調(diào)整偏振態(tài)，通過電光調(diào)制器進(jìn)行脈沖的調(diào)制，經(jīng)過摻鉺光纖放大器1放大之后，波分復(fù)用器濾過自發(fā)輻射噪聲通過擾偏器和環(huán)形器，輸入到單模傳感光纖里面去。散射回的信號此時(shí)變得非常非常弱，必須得通過摻鉺放大器2來放大，然后再經(jīng)過一個(gè)環(huán)形器，通過自己制造的窄帶可調(diào)諧光纖光柵濾波器之后的布里淵反射光和本振光相干，通過高速光電探測器的監(jiān)測，然后得到了實(shí)驗(yàn)的最終結(jié)果---后向布里淵散射信號。

在實(shí)驗(yàn)中，波分復(fù)用器濾波的通道為1550nm，帶寬30nm，隔離度大于20dB，損耗小于0.15dB，和本振光相比，相對有一定的偏移量，能滿足實(shí)驗(yàn)的要求并且監(jiān)測到相干信號。放大之后的布里淵信號只有um量級，采用高速光電探測器前置放大濾波電路對信號再次放大濾波，然后通過邊緣濾波，將布里淵信號的平移變化轉(zhuǎn)換成強(qiáng)度變化，并通過累加平均處理，平均2的12次方次后，得到最K監(jiān)測結(jié)果。其中前置放大濾波電路實(shí)現(xiàn)對微弱電信號的放大并抑制信號頻帶以外的噪聲，其濾波中心頻率為11GHz，3dB快帶為1Hz，插入損耗小于0.1dB。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)采用50ns脈寬的光脈沖，重復(fù)頻率為10KHz，傳感光纖長度為10km。因此，完成2的12次方次累計(jì)平均處理所需時(shí)間小于1s，即系統(tǒng)的監(jiān)測周期小于1s，可滿足快速監(jiān)測入侵事件的要求。

經(jīng)過實(shí)驗(yàn)分析表明。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)在室溫25度環(huán)境下且光纖不受外力時(shí)，布里淵信號的中心頻率在10.9GHz左右。因此當(dāng)應(yīng)變和溫度引起的頻移總和超過初始中心頻率100MHz時(shí)，信號將越過帶通濾波器的單邊上升沿的邊界，導(dǎo)致信號幅值減小，從而引起錯(cuò)誤判斷，限制了系統(tǒng)的監(jiān)測范圍。采用更大帶寬的帶通濾波器并合理的選擇其中心頻率，可以擴(kuò)大系統(tǒng)監(jiān)測的動態(tài)范圍。

至于如何消除緩變溫度的影響，適應(yīng)野外環(huán)境下的應(yīng)用，以及進(jìn)一步提高系統(tǒng)的應(yīng)變分辨率，將在后續(xù)的工作中研究。

結(jié)論：在BOTDER原理中用單縱模光纖光柵到帶通濾波器理論結(jié)合實(shí)際的實(shí)驗(yàn)中表明，系統(tǒng)可以在1s對10km范圍的傳感器進(jìn)行測量，并達(dá)到5m的空間分辨率和200uε的應(yīng)變分辨率。這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)表明本系統(tǒng)在監(jiān)測入侵領(lǐng)域的能力，即便現(xiàn)在所處階段并不成熟，也能對國家安防領(lǐng)域起到很重要的積極意義，而且經(jīng)分析判斷和實(shí)驗(yàn)結(jié)論，基于布里淵散射的分布式光纖傳感入侵定位監(jiān)測系統(tǒng)在長距離入侵定位方面有著良好的前景。

參 考 文 獻(xiàn)

第5篇

【關(guān)鍵詞】光電測試技術(shù) 教學(xué)內(nèi)容研究 電力特色

《光電測試技術(shù)》是上海電力學(xué)院測控技術(shù)及儀器專業(yè)的重要專業(yè)選修課。它是一門綜合性很強(qiáng)的課程，涉及了光學(xué)、電子和計(jì)算機(jī)等多門學(xué)科，也是現(xiàn)代檢測技術(shù)重要的發(fā)展方向，對培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用專業(yè)知識及創(chuàng)新能力起著非常重要的作用。如何在有限的學(xué)時(shí)內(nèi)，通過該課程的學(xué)習(xí)，培養(yǎng)學(xué)生達(dá)到教學(xué)目標(biāo)，這對教師提出了挑戰(zhàn)。筆者從教學(xué)內(nèi)容的選取和組織安排等方面進(jìn)行了一定的探索和研究。

一、優(yōu)選教學(xué)內(nèi)容

光電測試技術(shù)課程包涵的知識點(diǎn)很多，并且隨著科技的進(jìn)步，新的測試技術(shù)不斷地出現(xiàn)，需要進(jìn)一步擴(kuò)充教學(xué)內(nèi)容。而不同的院校有又不同的背景，在不同的領(lǐng)域上有所側(cè)重，需要量體裁衣，合理選擇教學(xué)內(nèi)容。

（一）突出電力特色

上海電力學(xué)院的辦學(xué)定位與培養(yǎng)目標(biāo)是主要為社會培養(yǎng)和輸出所需要的應(yīng)用型技術(shù)人才，特別要為電力行業(yè)的科技進(jìn)步服務(wù)，培養(yǎng)電力行業(yè)所需的第一線的應(yīng)用型技術(shù)人才。為了突出本校的電力特色，尤其考慮到測控技術(shù)與儀器專業(yè)的部分學(xué)生在畢業(yè)后會進(jìn)入電廠等相關(guān)電力領(lǐng)域工作，所以在教授內(nèi)容中加入最新的電力知識是很有必要的。

近年來，光電測試技術(shù)的發(fā)展可以說是日新月異，新的科技成果不斷涌現(xiàn)，在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

1.火焰圖像檢測器

光學(xué)成像技術(shù)在燃煤火電廠煤粉爐爐膛火焰視頻監(jiān)視上的應(yīng)用，可以直接地反映爐膛內(nèi)的燃燒情況，給運(yùn)行人員提供相對直觀的判斷依據(jù)，對鍋爐的安全運(yùn)行和操作起到及時(shí)的指導(dǎo)作用。安裝好、調(diào)試好、使用好爐膛火焰電視設(shè)備，對鍋爐的安全和節(jié)能經(jīng)濟(jì)運(yùn)行都有著非常重要的意義。這部分內(nèi)容可以和書本教材中的固體成像器件配合起來教學(xué)。

2.激光盤煤技術(shù)

傳統(tǒng)的煤場存煤量測量方法不僅需要耗費(fèi)大量的人力和物力，其測量結(jié)果也極不準(zhǔn)確，嚴(yán)重制約了電廠現(xiàn)代化管理水平的提高。目前新型的自動盤煤方法為激光盤煤儀，采用二維高頻率激光掃描儀對料場的表面進(jìn)行高頻率斷面掃描獲得高密度的斷面數(shù)據(jù)，結(jié)合行程測量器獲得的料場長度和回程測量器獲得的掃描儀偏轉(zhuǎn)角度數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)料場體積的計(jì)算、料場三維模型的顯示。在盤煤的實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性方面都有顯著的改善，取得了比較滿意的結(jié)果。[1]該部分內(nèi)容可以和書本教材中紅外輻射與紅外探測器配合起來教學(xué)，還可結(jié)合數(shù)字信號處理、數(shù)字圖像處理等課程對圖像恢復(fù)重建等展開探討。

3.光纖傳感技術(shù)

光纖傳感技術(shù)具有細(xì)而柔軟、抗電磁干擾、絕緣性能好、防爆性能好、 耐腐蝕、導(dǎo)光性能好、信號衰減小等特點(diǎn)，可以解決常規(guī)檢測技術(shù)難以完全勝任的測量問題。分布式光纖傳感技術(shù)是隨著“智能結(jié)構(gòu)和智能材料”的需要而發(fā)展起來的一項(xiàng)新技術(shù)，集傳感與信息傳輸于一體，廣泛應(yīng)用在電力行業(yè)中：電纜狀態(tài)監(jiān)測，如電力電纜的表面溫度檢測監(jiān)控、事故點(diǎn)定位、電纜隧道、夾層的火情監(jiān)測等；變電站監(jiān)測，如母排、橋袈、變壓器、電動機(jī)、發(fā)電機(jī)、配電盤的溫度分布、測量及故障點(diǎn)檢測等；水電站、發(fā)電廠監(jiān)測，如加熱系統(tǒng)、蒸汽、輸油管道；送煤系統(tǒng)的溫度監(jiān)測和故障點(diǎn)的檢測等等。

光纖傳感技術(shù)正好和書本教材的光導(dǎo)纖維與光纖傳感器匹配，在了解光導(dǎo)纖維與光纖傳感器的基本原理后，引入大量的光纖傳感技術(shù)在電力系統(tǒng)中應(yīng)用的工程實(shí)例，更好地貫徹了理論聯(lián)系實(shí)際這一原則，可以使學(xué)生思考如何學(xué)以致用。

（二）適應(yīng)科技發(fā)展

光電測試技術(shù)內(nèi)容多，知識面廣，又是多學(xué)科交互融合、互相滲透的前沿科學(xué)。通常情況下，教材對基礎(chǔ)知識、基本原理和基礎(chǔ)效應(yīng)介紹較多，對具體應(yīng)用和設(shè)計(jì)方面則較少；對經(jīng)典的光電器件介紹較多，新型光電器件較少；傳統(tǒng)技術(shù)敘述較多，尖端技術(shù)和綜合應(yīng)用較少。由于種種限制，不可能找到一本非常完美、各方面都滿意的書本教材，我們只能選擇較合適的，在講授基本內(nèi)容的同時(shí)，一定要補(bǔ)充最新的相關(guān)內(nèi)容，將新型的光電檢測器件、新型的光電測試技術(shù)和手段、各種光電檢測器件的最新進(jìn)展和應(yīng)用等最新相關(guān)科研成果融合在教學(xué)過程之中，不斷進(jìn)行教學(xué)內(nèi)容的完善和改進(jìn)，有效的引導(dǎo)學(xué)生了解最新的、最先進(jìn)的科學(xué)內(nèi)容。比如在中國第一個(gè)目標(biāo)飛行器和空間實(shí)驗(yàn)室——天宮一號與神舟十號飛船實(shí)現(xiàn)對接時(shí)，激勵(lì)學(xué)生關(guān)注其中所采用的最新光電測試技術(shù)。

以上的內(nèi)容是書本教材所無法包括的，所以我們要結(jié)合時(shí)代科技的進(jìn)步，與時(shí)俱進(jìn)，不斷深化教學(xué)內(nèi)容，注意學(xué)校的行業(yè)特色，關(guān)注火電廠及電力設(shè)備等的光電測試技術(shù)，對于教材上沒有提到的但是有益的內(nèi)容，一定要在課堂上提出，或者給出相關(guān)概念引導(dǎo)學(xué)生自己查找所需資料，不斷的通過自制多媒體課件、課外資料等來添加教學(xué)內(nèi)容，給《光電測試技術(shù)》注入新的血液，來激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

二、 精心組織教學(xué)內(nèi)容

上海電力學(xué)院將該課程核定為32學(xué)時(shí)，在短課時(shí)內(nèi)，面對如此多的教學(xué)內(nèi)容，需要根據(jù)本專業(yè)的特點(diǎn)精心組織安排，否則會使得內(nèi)容雜亂無章，缺少完整性和系統(tǒng)性，讓學(xué)生無所適從。

（一）課程認(rèn)識和章節(jié)聯(lián)系

首先講解課程的主要內(nèi)容、結(jié)構(gòu)和各章節(jié)的之間的聯(lián)系，讓學(xué)生對該課程有一個(gè)整體性的認(rèn)識，然后具體到每一個(gè)章節(jié)。在開始學(xué)習(xí)前都列出教學(xué)要求，學(xué)完一章后都有復(fù)結(jié)，讓學(xué)生清楚自己應(yīng)該達(dá)到的標(biāo)準(zhǔn)，也方便期末考試。第一部分光電測試技術(shù)的理論基礎(chǔ)是最基礎(chǔ)的內(nèi)容，尤其是我校未開設(shè)《物理光學(xué)》《應(yīng)用光學(xué)》等相關(guān)課程，學(xué)生只是在《大學(xué)物理》中接觸過有關(guān)光的知識，這部分必須詳細(xì)講解。第二部分是常用的光輻射光源，只有這一章是講如何產(chǎn)生光信號的，其中光電測試用主要的光源發(fā)光二極管和半導(dǎo)體激光器都是從電信號轉(zhuǎn)換成光信號，正好與第三部分光電檢測器件是如何進(jìn)行將光信號轉(zhuǎn)換成電信號相對應(yīng)，可以讓學(xué)生更換地理解光電轉(zhuǎn)換。第三部分是各種光電檢測器件的結(jié)構(gòu)原理及應(yīng)用，要結(jié)合它們各自典型的應(yīng)用系統(tǒng)的分析和設(shè)計(jì)，使學(xué)生對整個(gè)知識體系有個(gè)更全面、更深刻的理解。

（二）注意知識點(diǎn)的聯(lián)會貫通

光電測試技術(shù)涉及光、機(jī)、電、自動控制等許多領(lǐng)域。如在講到光電器件和集成運(yùn)算放大器連接時(shí)，模擬電子技術(shù)中運(yùn)算放大器的三大特點(diǎn)：“虛短”“虛斷”和“虛地”，如何運(yùn)用它們來完成電壓放大、電流放大和阻抗變換，而這牽涉深度負(fù)反饋的概念，又與自動控制相關(guān)。所以在教授新課程的時(shí)候，不斷地回顧先前學(xué)習(xí)過的課程，可以較好地調(diào)動學(xué)生的參與積極性，不會覺得什么都是新的，都要從頭開始學(xué)，能夠溫故知新。

（三）重視實(shí)踐教學(xué)

《光電測試技術(shù)》又是一門實(shí)踐性很強(qiáng)的學(xué)科，我們積極鼓勵(lì)學(xué)生參加大學(xué)生科技創(chuàng)新活動，堅(jiān)持課堂教學(xué)與課外創(chuàng)新實(shí)踐活動相結(jié)合，提高學(xué)生的設(shè)計(jì)與綜合分析能力。

例如講解光敏電阻后，先采用浙江英聯(lián)科技開發(fā)有限公司的YL系列傳感器實(shí)驗(yàn)儀及系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)臺開設(shè)光敏電阻的特性測試實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生先了解光敏電阻的光電特性、伏安特性和光譜響應(yīng)特性，對書本知識深入掌握后，再鼓勵(lì)學(xué)生從光敏電阻特點(diǎn)出發(fā)自己設(shè)計(jì)路燈自動點(diǎn)熄電路，通過查找閱讀資料并與實(shí)際應(yīng)用電路比較，能否進(jìn)一步改進(jìn)，使其更加智能化、自動化等，最后以小論文的形式提交。這樣不僅加深了學(xué)生對基礎(chǔ)知識的理解，拓寬了知識面，更是鍛煉了學(xué)生獨(dú)立思考和自主創(chuàng)新的能力。

在教學(xué)過程中，注意提出在日常生活中的一些光電檢測系統(tǒng)應(yīng)用實(shí)例，可以提高學(xué)生學(xué)習(xí)的熱情。如講到光電開關(guān)，就會提到在洗手時(shí)，是如何實(shí)現(xiàn)手到水出的？除了光電開關(guān)外，還有什么器件能夠達(dá)到這種效果的？熱釋電器件可不可以？

三、結(jié)論

對《光電測試技術(shù)》的教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行了探討，通過合理選擇教學(xué)內(nèi)容、注重結(jié)合我校電力特色、重視實(shí)踐教學(xué)，將學(xué)生獨(dú)立思考能力、動手能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)融合到專業(yè)課教學(xué)中，培養(yǎng)適應(yīng)21世紀(jì)全面發(fā)展的高素質(zhì)人才。

【參考文獻(xiàn)】

第6篇

[關(guān)鍵詞]傳感技術(shù)；實(shí)驗(yàn)教學(xué)：改革；創(chuàng)新思維

[中圖分類號]G40―057

[文獻(xiàn)標(biāo)識碼]A

[論文編號]1009―8097(2009)13―0307―02

引言

高等學(xué)校是培養(yǎng)高素質(zhì)創(chuàng)新人才的基地，如何培養(yǎng)出培養(yǎng)高層次高素質(zhì)技能型人才以滿足社會需要，已經(jīng)成為當(dāng)代高校教育的核心問題。實(shí)驗(yàn)教學(xué)是高等院校教學(xué)體系的重要組成部分，是實(shí)現(xiàn)素質(zhì)教育和創(chuàng)新人才培養(yǎng)目標(biāo)的重要教學(xué)環(huán)節(jié)，相對理論教學(xué)，更具有直觀性、實(shí)踐性、綜合性、探索性和啟發(fā)性，對啟迪學(xué)生的思維，加強(qiáng)學(xué)生對理論知識的理解，培養(yǎng)學(xué)生掌握科學(xué)的實(shí)驗(yàn)方法與技能。提高學(xué)生綜合素質(zhì)、動手能力與創(chuàng)新能力起著關(guān)鍵性的作用。傳感器技術(shù)是一門實(shí)踐性很強(qiáng)的學(xué)科，其教學(xué)過程中實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)的重要性也就尤為突出。

一　傳感技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)現(xiàn)狀

近年來隨著社會發(fā)展對人才要求的進(jìn)一步提高，實(shí)驗(yàn)教學(xué)工作已越來越引起人們的普遍關(guān)注，但是其現(xiàn)狀仍不樂觀。《傳感器技術(shù)》作為自動化、測控技術(shù)及儀器等專業(yè)的一門專業(yè)基礎(chǔ)課，其實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)仍然存在如下現(xiàn)象：實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式仍是應(yīng)試教育模式，比如實(shí)驗(yàn)教學(xué)本身沒有完全擺脫以驗(yàn)證理論為主、學(xué)生“照著做”的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ剑婚L期的應(yīng)試教育，養(yǎng)成了學(xué)生重視理論課學(xué)習(xí)而輕視實(shí)驗(yàn)課學(xué)習(xí)，學(xué)生對實(shí)驗(yàn)課是敷衍了事。整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中學(xué)生處在一種被動盲目的狀態(tài)，學(xué)生只動手而很少動腦，缺少參與實(shí)驗(yàn)的主動性和積極性。實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法方面，注重程序化訓(xùn)練模式多，發(fā)揮學(xué)生主動性不夠；重知識傳授多，培養(yǎng)學(xué)生動手操作力不夠；注重灌輸式教學(xué)方法多，采用啟發(fā)式、研討式教學(xué)方法少。實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容方面，偏重于傳統(tǒng)驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，內(nèi)容單一、陳舊，方式單調(diào)枯燥，學(xué)生對綜合性、設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)的興趣和動手能力沒有得到提高；學(xué)生的創(chuàng)新心理得不到滿足，創(chuàng)造能力得不到培養(yǎng)，個(gè)性得不到充分發(fā)揮。另外實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備條件相對比較薄弱，可能也是學(xué)生不重視實(shí)驗(yàn)課的原因之一。正是此類種種原因使得實(shí)驗(yàn)教學(xué)沒有達(dá)到其真正目的，根據(jù)我校檢測技術(shù)實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)狀提出一點(diǎn)個(gè)人見解，旨在提高學(xué)生的動手能力，培養(yǎng)創(chuàng)新型人才。

二　傳感技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革探討

1　提高學(xué)生對實(shí)驗(yàn)課重要性的認(rèn)識

要搞好實(shí)驗(yàn)教學(xué)和改革，必須要轉(zhuǎn)變理論教學(xué)高于實(shí)踐教學(xué)的這種輕視實(shí)驗(yàn)教學(xué)的傳統(tǒng)思想觀念。教學(xué)效果優(yōu)秀與否在于教師，而學(xué)生的學(xué)習(xí)效果在很大程度上取決于他們對這門課程的重視程度。通常情況下，學(xué)生認(rèn)為實(shí)驗(yàn)課是理論教學(xué)的輔助和補(bǔ)充，因此對其不夠重視，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)做完后只是學(xué)會了一些簡單的操作和儀器的基本使用方法，而忽略了實(shí)驗(yàn)過程中對問題的的分析和解決。所以必須提高學(xué)生對實(shí)驗(yàn)課的重視程度，變被動學(xué)習(xí)為主動學(xué)習(xí)，培養(yǎng)調(diào)動學(xué)生的積極性，最終實(shí)現(xiàn)學(xué)生自主創(chuàng)新能力的培養(yǎng)與提高。針對這些問題，我們將實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)列入計(jì)劃學(xué)時(shí)之內(nèi)，并且體現(xiàn)在教學(xué)課表中，使實(shí)驗(yàn)教學(xué)與理論教學(xué)同步，且實(shí)驗(yàn)成績作為該課程成績的一部分：在采取了這些措施之后，學(xué)生對實(shí)驗(yàn)課程的重視程度有了明顯的提高。

2　加強(qiáng)對實(shí)驗(yàn)課的考核

學(xué)生最關(guān)心的就是成績，因此成績評定方式對于實(shí)驗(yàn)教學(xué)十分重要，要充分利用這一特點(diǎn)來設(shè)計(jì)合理的考核方案，在達(dá)到考察目的的同時(shí)，使學(xué)生通過實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蛏钊肜斫饫碚撝R，進(jìn)而培養(yǎng)學(xué)生的動手、創(chuàng)新能力，為此，我們設(shè)計(jì)了較為合理的實(shí)驗(yàn)成績評定公式：實(shí)驗(yàn)總成績=紀(jì)律成績(30％)+操作成績(40％)+報(bào)告成績(30％)。成績評定的重點(diǎn)在于學(xué)生是否理解并靈活應(yīng)用了所學(xué)知識，同時(shí)鼓勵(lì)創(chuàng)新思想和創(chuàng)新實(shí)踐過程，而不僅僅是實(shí)驗(yàn)結(jié)果的正確與否。成績評定重視實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理過程而不僅僅是實(shí)驗(yàn)報(bào)告的形式。另外，對于設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)，考核公式中的操作成績以當(dāng)面驗(yàn)收為考核依據(jù)，通過演示和口頭介紹展示實(shí)驗(yàn)過程及實(shí)驗(yàn)結(jié)果。雖然在實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)及考核過程中，指導(dǎo)教師的工作量有所增加，但這種約束體制有利于培養(yǎng)學(xué)生的動手及創(chuàng)新能力。

3　實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容的改革

為了突出實(shí)踐教學(xué)在培養(yǎng)學(xué)生應(yīng)用意識與工程實(shí)踐能力方面的作用，達(dá)到使學(xué)生消化理論、提高能力的目的，對傳感技術(shù)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行了一系列改革。

其一，保留一些基礎(chǔ)驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，如電阻應(yīng)變、電渦流特性、光纖傳感器特性實(shí)驗(yàn)等，使學(xué)生通過這些實(shí)驗(yàn)，理解傳感器的基本原理和特性，消化并吸收理論教學(xué)內(nèi)容。

其二，增加一些綜合性實(shí)驗(yàn)，包括原理上的綜合、方法上的綜合以及傳感器特性的綜合；如利用電阻應(yīng)變片設(shè)計(jì)數(shù)字電子秤，利用霍爾傳感器設(shè)計(jì)測速電路等：也有方法上的綜合，如可以利用多種傳感器完成轉(zhuǎn)速、位移、重量等被參數(shù)的測量。這類實(shí)驗(yàn)基本上都是在現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)設(shè)備基礎(chǔ)上能夠完成的實(shí)驗(yàn)，目的是讓學(xué)生在實(shí)驗(yàn)的過程中理解和吸收理論教學(xué)中的原理型知識，并加以簡單應(yīng)用。初學(xué)這門課程的學(xué)生對于這類實(shí)驗(yàn)很感興趣，甚至由此對該課程產(chǎn)生好奇，極大的激發(fā)了學(xué)生深入探究傳感器技術(shù)的欲望。

其三，開設(shè)一些簡單的設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)，利用實(shí)驗(yàn)臺上的某一部分，與學(xué)生自行設(shè)計(jì)的內(nèi)容連接，來實(shí)現(xiàn)對某一信號的檢測。如在直線霍爾式位移傳感器實(shí)驗(yàn)中，讓學(xué)生自己設(shè)計(jì)一個(gè)信號轉(zhuǎn)換電路來替代實(shí)驗(yàn)臺配套的處理模塊，并將其測量的實(shí)驗(yàn)結(jié)果與原來的結(jié)果進(jìn)行比較，分析差異的原因，并在其基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)。這類實(shí)驗(yàn)主要是一些設(shè)計(jì)量小、費(fèi)時(shí)少、需要另加元件也較少的項(xiàng)目。目的是在加深理解理論教學(xué)中轉(zhuǎn)換電路作用的同時(shí)，鍛煉學(xué)生的實(shí)際動手與設(shè)計(jì)能力。

其四，開設(shè)綜合設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)，該類實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目主要是實(shí)驗(yàn)教師根據(jù)課程及實(shí)驗(yàn)大綱要求，設(shè)置情景，提供材料，提出問題，在此基礎(chǔ)上，讓學(xué)生通過分析問題、資料收集、理論驗(yàn)證，最后提出解決問題的方法；使學(xué)生進(jìn)一步認(rèn)識到傳感器在控制過程中的實(shí)際作用，使其在解決問題中獲取知識、應(yīng)用知識，以培養(yǎng)其創(chuàng)新精神、提高其綜合素質(zhì)和實(shí)踐能力。例如，針對目前家用天然氣設(shè)備增多的同時(shí)，天然氣安全隱患也隨之增長的現(xiàn)象，讓學(xué)生利用傳感器設(shè)計(jì)一個(gè)簡單的天然氣安全報(bào)警器，要求實(shí)現(xiàn)的功能是檢測空氣中甲烷(CH4)濃度的含量(天然氣主要成分是CH4，濃度介于4～16％時(shí)會發(fā)生爆炸)，當(dāng)超出安全限時(shí)可以實(shí)現(xiàn)聲光報(bào)警：設(shè)計(jì)中所必需的元器件由實(shí)驗(yàn)室提供。對于這類實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，需要學(xué)生自己查找資料設(shè)計(jì)天然氣安全報(bào)警器的檢測電路，并通過實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。在此實(shí)驗(yàn)過程中學(xué)生不僅領(lǐng)會了傳感器的作用，還了解了傳感器在生活中的應(yīng)用，更重要的是鍛煉了學(xué)生的動手和實(shí)踐能力。再比如可以讓學(xué)生自己制作一些小產(chǎn)品模型，如自動避障小車、恒溫控制儀、濕度檢測儀等與生活息息相關(guān)的各種小儀器，讓學(xué)生在做實(shí)驗(yàn)的同時(shí)，也真正的體

會到傳感技術(shù)在生活中的無處不在。通過一屆學(xué)生的試驗(yàn)我們發(fā)現(xiàn)學(xué)生對這類實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的興趣非常高，而且有很多其他班級、年級的同學(xué)都期待能夠早日步入檢測技術(shù)實(shí)驗(yàn)室，來體驗(yàn)生活中的傳感技術(shù)。因?yàn)閷?shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)所限。該類實(shí)驗(yàn)只局限在一些較簡單的設(shè)計(jì)項(xiàng)目上，起到拋磚引玉的作用。

其五，研究型實(shí)驗(yàn)。研究型實(shí)驗(yàn)的目的是培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立分析問題、解決問題的能力。對于該類實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)室提供進(jìn)行開發(fā)的各種儀器設(shè)備，如計(jì)算機(jī)、示波器、仿真器、開發(fā)板、傳感器等，學(xué)生自擬題目，自由組隊(duì)，分工合作。在實(shí)驗(yàn)進(jìn)行之前要求學(xué)生進(jìn)行方案論證、可行性分析以及設(shè)計(jì)‘結(jié)果預(yù)期，由主要指導(dǎo)教師對報(bào)告進(jìn)行審核，通過后學(xué)生方可進(jìn)入實(shí)驗(yàn)階段，在實(shí)驗(yàn)過程中指導(dǎo)老師及實(shí)驗(yàn)室老師應(yīng)給予必要的技術(shù)指導(dǎo)。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后由主要完成人并提交實(shí)驗(yàn)報(bào)告及相關(guān)研究論文，并進(jìn)行匯報(bào)。該類實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目設(shè)為全校公開實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，或定位為面向全校開放檢測技術(shù)實(shí)驗(yàn)室。目前此項(xiàng)工作正在運(yùn)行并計(jì)劃長期堅(jiān)持下去，我們期待它的成功，并堅(jiān)信一定能培養(yǎng)出具有更強(qiáng)競爭力的人才。

4　實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法的改革

實(shí)驗(yàn)課是驗(yàn)證理論、應(yīng)用理論以及鍛煉學(xué)生動手能力的重要環(huán)節(jié)。在實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)的方法上，應(yīng)改變傳統(tǒng)的灌入式實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法，采用多種方式同步進(jìn)行。例如：啟發(fā)式教學(xué)方法，以問題為中心，讓學(xué)生發(fā)現(xiàn)并提出問題，或教師提出問題，或師生共同提出問題，在此基礎(chǔ)上，通過分析、資料證明、理論驗(yàn)證，提出解決問題的方法，讓學(xué)生在問題的提出與解決中獲取知識、應(yīng)用知識，培養(yǎng)創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力：實(shí)驗(yàn)探討教學(xué)模式，主要是教師和學(xué)生共同設(shè)置實(shí)驗(yàn)?zāi)康模懻搶?shí)驗(yàn)要求，分析實(shí)驗(yàn)對象、條件，預(yù)測實(shí)驗(yàn)結(jié)果，讓學(xué)生手、眼、腦并用，廣泛參與實(shí)驗(yàn)操作，動手實(shí)驗(yàn)，觀察實(shí)驗(yàn)，記載實(shí)驗(yàn)，分析實(shí)驗(yàn)等。對于實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)方法要因人而異。有時(shí)還要具體問題具體分析。

如今多媒體教學(xué)和網(wǎng)絡(luò)教學(xué)已經(jīng)成為現(xiàn)代教學(xué)的發(fā)展主流，利用圖文并茂、生動形象的多媒體教學(xué)，可以激發(fā)學(xué)生的積極性與創(chuàng)造性、變被動為主動學(xué)習(xí)。網(wǎng)絡(luò)教學(xué)可以實(shí)現(xiàn)資源共享，而且可以不只是單一的學(xué)生或者老師搜集信息，很多學(xué)生和老師可以共同收集信息，很多人都可以參與進(jìn)來，把一個(gè)在學(xué)校里的平臺，拿到了全世界，同時(shí)又可以隨時(shí)享用別人的成果。將多媒體和網(wǎng)絡(luò)教學(xué)引入到實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)，豐富了教學(xué)內(nèi)容，拓展了教學(xué)情景，推進(jìn)了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的信息化，構(gòu)建起了自主學(xué)習(xí)的新型教學(xué)模式。同時(shí)使用多媒體實(shí)驗(yàn)教學(xué)可以降低實(shí)驗(yàn)消耗，提高教學(xué)效率。當(dāng)然這就要求教師制作出高水平的多媒體課件，不僅要集中各項(xiàng)教學(xué)信息，而且要題材新穎、方式獨(dú)特，互動性好，能夠直接用于課堂教學(xué)及網(wǎng)絡(luò)教學(xué)。此外，設(shè)計(jì)并開發(fā)基于網(wǎng)絡(luò)的虛擬傳感器實(shí)驗(yàn)室也是我們實(shí)驗(yàn)室建設(shè)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的又一發(fā)展方向。

第7篇

[關(guān)鍵詞]分布式光纖振動傳感器；馬赫-曾德（M-Z）干涉儀；相位

中圖分類號：TN818 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-914X（2015）15-0122-02

0 引言

廠區(qū)安全，逐漸變成人們關(guān)注的焦點(diǎn)。為了保證一個(gè)廠區(qū)的周邊安全，往往需要安排大量的安防人員進(jìn)行定時(shí)定期的巡檢，此種方法不但復(fù)雜而且消耗大量的人力物力，無法實(shí)時(shí)監(jiān)測廠區(qū)安全狀態(tài)和及時(shí)發(fā)現(xiàn)廠區(qū)的入侵破壞行為。而隨著科技的發(fā)展，人們開始將光纖傳感技術(shù)應(yīng)用于廠區(qū)周界的安全防護(hù)上，由此一些公司開始研發(fā)周界安防產(chǎn)品，與其它周界防護(hù)方法來說該系統(tǒng)有著無法比擬的優(yōu)勢。

振動光纜周界防護(hù)系統(tǒng)是新一代信息化安全預(yù)警系統(tǒng)，采用光纜作為傳感器件，無論是通過對光纖的直接接觸，還是通過承載物間接接觸，都將引起光纜的擾動。當(dāng)光纜產(chǎn)生振動后，系統(tǒng)從光纜中采集擾動數(shù)據(jù)，進(jìn)行分析處理，處理后交給后端服務(wù)程序進(jìn)行智能識別（智能識別可以判斷出不同的外部干擾類型，報(bào)警程序可根據(jù)智能識別結(jié)果實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)預(yù)警或?qū)崟r(shí)告警功能，從而達(dá)到對設(shè)防區(qū)域進(jìn)行入侵監(jiān)測的目的。該系統(tǒng)以光纖作為傳感單元，可實(shí)現(xiàn)高靈敏、長距離，大范圍的周界防護(hù)，非常適合于廠區(qū)周邊的入侵防范應(yīng)用。

本文采用M-Z干涉技術(shù)，結(jié)合實(shí)際應(yīng)用條件，實(shí)現(xiàn)了一種振動光纜周界防護(hù)系統(tǒng)。系統(tǒng)結(jié)合廠區(qū)周界防護(hù)環(huán)境和綜合信息平臺，實(shí)現(xiàn)對廠區(qū)的實(shí)時(shí)監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)廠區(qū)安全的監(jiān)測預(yù)警，避免惡意入侵行為的發(fā)生。

1 系統(tǒng)原理

系統(tǒng)采用在監(jiān)測區(qū)域鋪設(shè)光纜作為振動光纜的探測設(shè)備，對監(jiān)測區(qū)域環(huán)境的振動信息進(jìn)行連續(xù)的分布式的監(jiān)測，并根據(jù)振動信息的異常點(diǎn)處激光信息正反向傳輸達(dá)到振動設(shè)備主機(jī)的時(shí)間差值，進(jìn)行振動異常點(diǎn)定位。

振動光纜周界防護(hù)系統(tǒng)是基于M-Z干涉技術(shù)為基礎(chǔ)進(jìn)行設(shè)計(jì)。由激光器發(fā)出連續(xù)激光，經(jīng)過耦合器1分為兩束，分別進(jìn)行順時(shí)針方向傳輸和逆時(shí)針方向傳輸。順時(shí)針方向直接進(jìn)入到耦合器2和耦合器4搭建的M-Z干涉儀中感受外界振動信息，經(jīng)耦合器3輸出被探測器2探測到；逆時(shí)針方向經(jīng)過耦合器3，進(jìn)入到耦合器4和耦合器2搭建的M-Z干涉儀中感受外界振動信息，耦合器2直接輸出被探測器1探測到。

M-Z干涉儀分為信號臂和參考臂，信號臂主要用于感受外界振動信息，參考臂提供相位參考值作為相位變換對比。由干涉原理可知同頻率同振動方向的兩束光波發(fā)生干涉時(shí)，該點(diǎn)干涉的光強(qiáng)為：

式中，、分別為發(fā)生干涉的兩束光的初始光強(qiáng)，為兩束光之間的初始相位差。光通過耦合器進(jìn)入干涉儀兩臂傳輸后再發(fā)生干涉。此時(shí)發(fā)生干涉的兩束光的相位差可以看作是由于兩條光纖臂本身光程不對稱等原因造成的初始相位差，壓力作用造成的相位差，以及應(yīng)變導(dǎo)致光纖長度變化產(chǎn)生的相位差三者的迭加。即：

由于通過光電探測器可以探測到光強(qiáng)，而初始相位差是一個(gè)定值，因此光強(qiáng)的變化只與后面兩項(xiàng)所表示的相位差和的變化有關(guān)，所以在測得光強(qiáng)的變化后可以得出兩束光的相位差的變化。通過對相位差的分析，就能得到作用在干涉臂上的振動壓力的情況。

系統(tǒng)的定位算法，是通過檢測兩路攜帶相同振動信息的干涉信號分別被兩個(gè)探測器探測的時(shí)延差而進(jìn)行定位的，其計(jì)算公式如下：

其中X為振動信號到達(dá)監(jiān)測主機(jī)的光纜長度；L為3芯傳感光纜的長度；ν為光在光纖中傳輸?shù)乃俣龋沪為兩個(gè)探測器探測到信號的時(shí)延差。

時(shí)延的計(jì)算可通過正反兩個(gè)光路的光信號的互相關(guān)函數(shù)求取。假設(shè)兩端信號為：

其中，分別為兩個(gè)探測器檢測到的信號，為管道的振動信號，為噪聲，為比例系數(shù)，為兩個(gè)信號之間的時(shí)延。

通常是互不相關(guān)的平穩(wěn)隨即過程，則兩探測器信號的互相關(guān)函數(shù)為：

互相關(guān)函數(shù)中，時(shí)，會出現(xiàn)峰值。確定獲得最大值所對應(yīng)的值，可確定兩個(gè)測試信號之間的時(shí)間差。

2 系統(tǒng)架構(gòu)和功能

振動光纜周界防護(hù)系統(tǒng)根據(jù)設(shè)備安裝和使用環(huán)境分為中央控制室和工業(yè)園區(qū)兩部分。整個(gè)系統(tǒng)架構(gòu)如圖2所示。

中央控制室主要包含主機(jī)、報(bào)警器、中心數(shù)據(jù)庫和監(jiān)控顯示端；工業(yè)園區(qū)主要包括傳感光纜和光模塊。

系統(tǒng)主要通過傳感光纜感受到外部振動信息，并將信息傳送給主機(jī)進(jìn)行分析判斷，主機(jī)針對探測信息進(jìn)行相位信息變化判斷。當(dāng)有非法入侵產(chǎn)生時(shí)，相位信息會產(chǎn)生特殊變化，結(jié)合智能識別算法進(jìn)行相位信息變化判斷，排除環(huán)境干擾信號影響因素，確定出非法入侵的特性并確定出準(zhǔn)確位置。

系統(tǒng)探測到非法入侵的報(bào)警信息，通過局域網(wǎng)傳輸給綜合信息平臺進(jìn)行報(bào)警界面顯示和報(bào)警器、攝像頭等設(shè)備聯(lián)動；同時(shí)也將報(bào)警信息存儲到中心數(shù)據(jù)庫，用于報(bào)警信息查詢、分析和處理。

振動光纜周界防護(hù)系統(tǒng)根據(jù)組網(wǎng)可包含如下軟件平臺，分別為監(jiān)控平臺、控制平臺和數(shù)據(jù)處理平臺，三個(gè)平臺相互連接形成三級管理體系。

信號處理平臺主要實(shí)現(xiàn)對探測區(qū)域的振動信號進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測，并實(shí)現(xiàn)光信號到微弱電流信號、微弱電流信號到電壓信號的轉(zhuǎn)換，完成信號的提取，并對轉(zhuǎn)換后的信號進(jìn)行預(yù)處理；對采集的不同振動信號濾除環(huán)境干擾信號，進(jìn)行特征向量提取，根據(jù)信號持續(xù)的時(shí)間長度、振動強(qiáng)度、光學(xué)相位變化趨勢和信號的頻譜等特征進(jìn)行分類學(xué)習(xí)；對非法入侵事件根據(jù)時(shí)延差進(jìn)行定位計(jì)算。

控制平臺起到連接信號處理平臺和監(jiān)控平臺的橋梁，將信號處理平臺的報(bào)警信息數(shù)據(jù)上傳給監(jiān)控平臺；同時(shí)能夠?qū)?shù)據(jù)處理參數(shù)和區(qū)域進(jìn)行調(diào)整，保證報(bào)警信息真實(shí)有效。

監(jiān)控平臺根據(jù)現(xiàn)場情況自主定制圖形化操作界面，便于用戶操作和報(bào)警查看，以生動的圖像形式向用戶展現(xiàn)報(bào)警信息；支持報(bào)警歷史記錄管理、記錄、查詢，提供短信、郵件報(bào)警通知，提供脅迫密碼報(bào)警功能；可提供聯(lián)動視頻、聲光報(bào)警器等外部報(bào)警器等功能。

3 應(yīng)用研究

在某工業(yè)園進(jìn)行應(yīng)用，工業(yè)園總長度約為7050米，為保證人為入侵能夠準(zhǔn)確被測量到，采用振幅為1米的正弦波光纜鋪設(shè)方式，該方式鋪設(shè)，光纜使用長度約為工業(yè)園總長度的2倍，同時(shí)為了維修方便，在部分位置留有預(yù)留光纜，鋪設(shè)光纜總長度為20000米。采用光纜為4芯直埋光纜，留有1芯作為備用芯。

振動光纜鋪設(shè)一共分為4層，自底層往上依次為底層土工布、格柵（光纜固定于格柵上）、上層土工布、草坪。其鋪設(shè)示意圖如圖3所示。

圖3 鋪設(shè)示意圖

底層土工布為可滲水土工布，位于最底層，深度約為5厘米，土工布上擺放格柵，選用尼龍?jiān)鷰⒐饫|綁扎在格柵上，每30厘米作為一共綁扎點(diǎn)，正弦鋪設(shè)寬度約為1米，放置好格柵和光纜后，鋪設(shè)上層可滲水土工布，并覆蓋上約為3厘米土壤，最后將綠化草坪鋪設(shè)于上部，進(jìn)行隱蔽布置。

在該種鋪設(shè)條件下，進(jìn)行不同體重的人為走動、翻墻跳躍等不同方式的模擬入侵，系統(tǒng)能夠及時(shí)探測到，并聯(lián)動聲光報(bào)警器進(jìn)行報(bào)警提示，同時(shí)監(jiān)控端構(gòu)圖界面對應(yīng)位置顏色發(fā)生變化，且顯示報(bào)警信息；經(jīng)過幾百次模擬入侵，系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確報(bào)警定位，定位平均誤差小于15米；系統(tǒng)誤報(bào)率極低，完全可以滿足需求，可有效實(shí)現(xiàn)周界安全的防護(hù)和監(jiān)控。

4 結(jié)論

振動光纜周界防護(hù)系統(tǒng)可以有效的監(jiān)測廠區(qū)周圍的各種入侵行為，并且可以聯(lián)動視頻對現(xiàn)場的情況進(jìn)行拍照取證。警務(wù)人員接到報(bào)警后立即出警，避免的復(fù)雜的巡檢工作，節(jié)省了人力物力。

目前該系統(tǒng)已經(jīng)應(yīng)用于安全防護(hù)項(xiàng)目中，根據(jù)現(xiàn)場使用情況來看，該系統(tǒng)具有較高的靈敏度和定位精度，系統(tǒng)通過與人防的緊密結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了人防聯(lián)動，防護(hù)廠區(qū)安全等方面發(fā)揮了舉足輕重的作用，有效地保護(hù)了廠區(qū)的安全，保證了生產(chǎn)工作的順利進(jìn)行，為廠區(qū)的發(fā)展做出了貢獻(xiàn)。

參考文獻(xiàn)

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第8篇

關(guān)鍵詞：智能結(jié)構(gòu)；應(yīng)用現(xiàn)狀；現(xiàn)代建筑；

中圖分類號：B83文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A

經(jīng)濟(jì)的快速增長，人民生活水平的不斷提高，在推動建筑行業(yè)的發(fā)展的同時(shí)，也對其發(fā)展提出了更高的標(biāo)準(zhǔn)。目前在我國大型建筑物日益重要，像高層建筑、大型水壩、地下工程等都需要有一個(gè)高強(qiáng)度的骨架作為支撐，才能使建筑物的安全性、實(shí)用性得到保障，此時(shí)智能土木結(jié)構(gòu)應(yīng)運(yùn)而生，并擔(dān)當(dāng)了“土木工程界的知識經(jīng)濟(jì)”。現(xiàn)今，智能土木結(jié)構(gòu)在現(xiàn)代建筑中發(fā)揮重要作用的同時(shí)，也開辟了土木工程快速發(fā)展的新天地。

一、智能結(jié)構(gòu)簡介

在社會高速發(fā)展的信息時(shí)代，土木工程師把視野轉(zhuǎn)入信息材料上，開始了將傳感器、驅(qū)動材料應(yīng)用于建筑結(jié)構(gòu)中的探索，以求建筑結(jié)構(gòu)本身穩(wěn)固性的同時(shí)，還能對建筑結(jié)構(gòu)內(nèi)部進(jìn)行及時(shí)的感知，使人們能及時(shí)對建筑物的安全性與穩(wěn)固性做出更確切的分析，從而做出對該建筑物是維修還是報(bào)廢的判斷，這也是人們對智能結(jié)構(gòu)最初的嘗試。現(xiàn)在書籍中對智能結(jié)構(gòu)進(jìn)行了定義，是指在基體材料中融入具有仿生功能的材料，是最終的材料或者構(gòu)件滿足人們對其智能化的需要，這種結(jié)構(gòu)就是智能結(jié)構(gòu)。智能土木結(jié)構(gòu)按其材料可分嵌入式智能土木結(jié)構(gòu)和基體、智能材料耦合結(jié)構(gòu)兩種類型。現(xiàn)在建筑工程對智能架構(gòu)的應(yīng)用是十分廣泛的，建筑結(jié)構(gòu)中安裝使用智能結(jié)構(gòu)，使建筑物能準(zhǔn)確應(yīng)對外界環(huán)境的變化并對自身作出及時(shí)的內(nèi)部調(diào)整，特別在遭遇強(qiáng)風(fēng)或地震時(shí)，智能結(jié)構(gòu)對整個(gè)建筑物尤其重要。在地震幅度不是很明顯時(shí)智能結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)控制一體化的優(yōu)勢更能充分發(fā)揮其作用，此外，智能結(jié)構(gòu)對提高建筑結(jié)構(gòu)的抗震性也發(fā)揮著很重要的作用，智能結(jié)構(gòu)在建筑領(lǐng)域的應(yīng)用對建筑設(shè)計(jì)、建筑施工及建筑檢測都起著至關(guān)重要的作用，智能土木結(jié)構(gòu)保障建筑物的穩(wěn)固的同時(shí)，也保證了人民的生命財(cái)產(chǎn)安全。

二、智能結(jié)構(gòu)應(yīng)用現(xiàn)狀

智能建筑與我國可持續(xù)發(fā)展觀中生態(tài)和諧理念高度契合，所以和其他國家相比，目前我國智能建筑主要功能更加凸顯了環(huán)保、節(jié)約、可持續(xù)發(fā)展利用等特點(diǎn)，在運(yùn)用智能化結(jié)構(gòu)對建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)更加注重節(jié)能減排以及高效低碳能否實(shí)現(xiàn)。智能建筑隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展已經(jīng)成為未來建筑的主要發(fā)展趨勢，智能結(jié)構(gòu)作為智能建筑的重要支撐在建筑智能化發(fā)展中被廣泛應(yīng)用，智能結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)的建筑結(jié)構(gòu)有著密切的聯(lián)系，智能土木結(jié)構(gòu)以傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，并以此為依據(jù)對傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)做了改進(jìn)，因此對智能結(jié)構(gòu)的應(yīng)用離不開對傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的理解與掌握。目前，建筑工程中對智能結(jié)構(gòu)的研究有建筑結(jié)構(gòu)的檢測與監(jiān)控、建筑結(jié)構(gòu)抗震抗風(fēng)降噪的自控制等，利用智能結(jié)構(gòu)使建筑設(shè)備自動化、辦公化，最終實(shí)現(xiàn)建筑物全面的擬智能生命化也是今后智能結(jié)構(gòu)在建筑領(lǐng)域的發(fā)展方向。

（一）智能傳感元件的應(yīng)用

土木工程中對建筑物健康檢測時(shí)常將傳感元件埋入或粘貼在建筑結(jié)構(gòu)中，在保證檢測結(jié)果的準(zhǔn)確性的同時(shí)，對建筑物的安全性與穩(wěn)固性作出更確切的評價(jià)，得到最精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)，從而決定建筑物是維修還是報(bào)廢。對于重大土木工程建筑結(jié)構(gòu)，由于修建時(shí)間較長，設(shè)備一般比較陳舊，傳統(tǒng)的傳感器不能適應(yīng)此種建筑物的內(nèi)部環(huán)境，這時(shí)就需要采用性能較高傳感器對其進(jìn)行結(jié)構(gòu)及健康的監(jiān)測。利用光纖、智能材料等制成的傳感器的應(yīng)用在土木工程發(fā)展史上具有劃時(shí)代的意義，開辟了土木工程發(fā)展史的新篇章。

（二）建筑工程的健康檢測

智能結(jié)構(gòu)在建筑工程結(jié)構(gòu)損傷及健康檢測方面也發(fā)揮著重要作用。在土木工程中對建筑物檢測通常采用目測法，此外還常利用超聲波、聲發(fā)射、x 射線等技術(shù)進(jìn)行無損檢測，利用這種方法檢測是有很多弊端的，如建筑物內(nèi)部結(jié)構(gòu)的破損情況、建筑物的實(shí)時(shí)動態(tài)等都不能準(zhǔn)確的被監(jiān)測，不能滿足人們了解建筑物整體狀況的需求，檢測結(jié)果往往會失真、檢測效率也低，甚至?xí)霈F(xiàn)完全錯(cuò)誤的檢測結(jié)果。現(xiàn)在利用光導(dǎo)纖維、壓電材料、半導(dǎo)體材料等制成的檢測器材，在建筑物內(nèi)部的傳感器能及時(shí)感知建筑物自身狀況，檢測損傷并根據(jù)建筑結(jié)構(gòu)損壞過程進(jìn)行損傷定位，例如建筑物發(fā)生損傷，內(nèi)部出現(xiàn)裂紋，裂紋在外界作用力作用下?lián)p傷力度加大，并以聲速失穩(wěn)擴(kuò)展，這些都會被由這些特殊材料制成的傳感元件所感知，使人類能準(zhǔn)確及時(shí)的了解建筑物內(nèi)部狀況，及時(shí)對建筑物進(jìn)行整體規(guī)劃、采取必要措施避免事故發(fā)生。

三、智能結(jié)構(gòu)關(guān)鍵問題總結(jié)及建議

（一）提高智能傳感技術(shù)

傳感元件在建筑工程中的應(yīng)用離不開純熟的傳感技術(shù)，因此提高智能傳感技術(shù)勢在必行。從仿生學(xué)來看，傳感器相當(dāng)于建筑物的感覺器官，提高智能傳感技術(shù)必須增強(qiáng)傳感技術(shù)的系統(tǒng)性，提高傳感器感知、處理與識別能力，在此基礎(chǔ)上提高傳感系統(tǒng)的可靠性和靈敏度實(shí)現(xiàn)傳感技術(shù)的智能化。在建筑工程中要求傳感元件不影響建筑物的結(jié)構(gòu)外形，與建筑材料具有很好的相容性，使對建筑結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度影響降到最低，此外還應(yīng)具有對信號的抗干擾能力，在此基礎(chǔ)上對建筑物的整體狀況能準(zhǔn)確感知。

（二）提高智能傳感技術(shù)

智能結(jié)構(gòu)系統(tǒng)中主要有傳感元件、驅(qū)動元件及乙級控制元件，它們在對整個(gè)建筑物內(nèi)部損傷情況進(jìn)行定位時(shí)常會有一個(gè)計(jì)算的過程，在計(jì)算過程中常采用小波分析技術(shù)、時(shí)間有限元模型等對連接網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)總線進(jìn)行定位，最終使傳感器的信息處理和數(shù)據(jù)傳輸融合。

（三）發(fā)展智能控制集成

智能控制系統(tǒng)相當(dāng)于人類的中樞神經(jīng)系統(tǒng)的最高級部分大腦，不僅決定著運(yùn)動系統(tǒng)、感覺系統(tǒng)的有序運(yùn)行，還擔(dān)負(fù)著整個(gè)腦神經(jīng)高級功能的運(yùn)轉(zhuǎn)。在土木工程內(nèi)部安裝智能控制集成系統(tǒng)，能使建筑物在遭遇風(fēng)暴、強(qiáng)降雨等惡劣自然災(zāi)害情況下，迅速采取應(yīng)急措施，使損失降低到最小，因此發(fā)展智能控制集成技術(shù)也是十分重要的。

（四）發(fā)展智能驅(qū)動技術(shù)

驅(qū)動在計(jì)算機(jī)中的應(yīng)用十分廣泛，所有的硬件設(shè)備都需要安裝相應(yīng)的驅(qū)動程序才能正常工作。智能驅(qū)動技術(shù)能夠?qū)χ悄芙Y(jié)構(gòu)的形狀和力學(xué)原理加以控制，便于對智能結(jié)構(gòu)的管理與規(guī)劃。驅(qū)動相當(dāng)于一個(gè)入口，只有通過這個(gè)入口操作系統(tǒng)才能實(shí)現(xiàn)對整個(gè)部件的控制，在土木工程中驅(qū)動技術(shù)發(fā)揮著不可小覷的作用，發(fā)展智能的驅(qū)動技術(shù)，才能實(shí)現(xiàn)建筑物整體的控制，才能使建筑物的性能更加穩(wěn)固。在建筑工程中要求所使用的驅(qū)動系統(tǒng)材料自身機(jī)械性能要高，保障其具有很強(qiáng)的抗沖擊性；再次，驅(qū)動材料與建筑材料本身要有很好的兼容性；最后，還應(yīng)提高驅(qū)動速度，便于及時(shí)掌握建筑物的狀況。

四、結(jié)束語

我國建筑業(yè)產(chǎn)值的持續(xù)增長推動了建筑智能化行業(yè)的發(fā)展，目前我國處于智能建筑行業(yè)的快速發(fā)展期。科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，經(jīng)濟(jì)水平的不斷提高，人們對建筑安全性、舒適性、便利性等有了更高層次的要求，者為智能建筑的發(fā)展提供契機(jī)的同時(shí)，也給智能建筑的發(fā)展提出了新的挑戰(zhàn)。

土木工程智能建筑結(jié)構(gòu)作為智能建筑的靈魂與支撐，在未來智能建筑的發(fā)展中不可或缺，因此，我們在今后智能結(jié)構(gòu)的發(fā)展道路上必須用發(fā)展的眼光、科學(xué)的手段，與時(shí)俱進(jìn)，開拓創(chuàng)新。

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第9篇

【關(guān)鍵詞】新型；環(huán)保；小便池；傳感器；報(bào)警系統(tǒng)

在公共男廁所，我們經(jīng)常會看到人們在使用小便池時(shí)，有尿液滴濺在地上，造成便跡難以清洗和增加細(xì)菌流動很不衛(wèi)生，而且我國人口眾多，如果這一問題不處理好，就會造成很大的環(huán)境污染。根據(jù)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，造成這一現(xiàn)象的主要原因是因?yàn)槿藗冊谑褂眠^程中，站立的位置不對，這就要求我們設(shè)計(jì)一種新型小便池，可以規(guī)范人們在使用時(shí)的站立位置，防止尿液滴濺，保護(hù)環(huán)境，提高國民素質(zhì)。

1 現(xiàn)有環(huán)保小便池及其缺陷

目前市場上的環(huán)保小便池，主要有以下三種功能：

（一）在便池的設(shè)計(jì)上可以分別收集小便和大便，并且在使用時(shí)通過排氣扇把意味向下排放，不用時(shí)有擋板自動隔離，去出臭味；此外，還把洗手池的下水管與小便收集桶相連，起到節(jié)水作用。

（二）在設(shè)計(jì)上將洗手池和小便池一體化，充分利用洗手水清潔小便池，起到節(jié)水作用。

（三）將便池與各種醫(yī)療檢測裝置相連，使便池具有健康檢測功能。

綜上所述，我國在便池節(jié)水、除臭、便于收集肥料以及結(jié)合醫(yī)療設(shè)備進(jìn)行健康檢測方面已有相關(guān)研究報(bào)道。但并未解決因人們使用小便池時(shí)，站立位置不對，有尿液滴濺在地上，造成便跡難以清洗，并增加細(xì)菌流動，造成細(xì)菌流動污染環(huán)境這一問題。這就要求我們設(shè)計(jì)一款新型環(huán)保小便池，可以規(guī)范人們在使用時(shí)的站立位置，如果站立位置符合要求則可以使用小便池，不符合要求則不能使用小便池，起到防止尿液滴濺，保護(hù)環(huán)境的作用。

2 新型環(huán)保小便池的總體設(shè)計(jì)

根據(jù)上述缺陷，這就要求我們設(shè)計(jì)一種新型環(huán)保小便池，解決因人們使用小便池時(shí)，站立位置不對，有尿液滴濺在地上，造成便跡難以清洗，并增加細(xì)菌流動，造成細(xì)菌流動污染環(huán)境這一問題。本項(xiàng)目的設(shè)計(jì)在于在小便池的外側(cè)增加一塊可收縮的擋板，當(dāng)人們需要上廁所時(shí)，站到規(guī)定位置時(shí)傳感器感應(yīng)到，發(fā)出信號，控制電動機(jī)正轉(zhuǎn)，帶動蓋板自動收縮，人們就可以使用；當(dāng)使用結(jié)束人離開后，傳感器感應(yīng)消失，撤消信號，控制電動機(jī)反轉(zhuǎn)控制蓋板自動放下。

2.1 功能說明

1）當(dāng)需要使用時(shí)，人們站到劃線規(guī)定位置，雙腳下兩個(gè)傳感器感應(yīng)到，發(fā)出信號，控制電動機(jī)正轉(zhuǎn)，收起蓋板。不會影響人們正常使用，又能防止尿液濺出或直接滴在地上，造成便跡難以清掃，并產(chǎn)生細(xì)菌流動的現(xiàn)象。

2）當(dāng)使用結(jié)束時(shí)，人們離開劃線位置，雙腳下兩個(gè)傳感器無感應(yīng)，撤消信號，控制電動機(jī)反轉(zhuǎn)，放下蓋板。

通過這套系統(tǒng)，就可以很直觀的告訴使用者，他該站立的位置，防止使用小便池時(shí)尿液滴濺，減少細(xì)菌流動，起到保護(hù)環(huán)境的作用。

2.2 原理圖（圖1、圖2）及各部件作用說明

1）傳感器：檢測使用者雙腳站立位置是否正確，正確傳感器發(fā)出信號控制電動機(jī)正轉(zhuǎn)；站立位置不正確，傳感器則無信號發(fā)出。

2）電動機(jī)：系統(tǒng)動力源裝置，帶動轉(zhuǎn)動桿。

3）轉(zhuǎn)動桿：帶動蓋板收起和放下。

4）蓋板：限制使用者的站立位置，未在規(guī)定位置，不得使用小便池，遮擋異味。

3 傳感器的選用

傳感器用于檢測是否有物體存在于傳感器的感應(yīng)范圍內(nèi)，并以此作為判斷使用者雙腳是否站立到位。

3.1 性能比較

1）磁性開關(guān)，在實(shí)際應(yīng)用中，主要用于檢測氣缸中活塞的運(yùn)動位置，可在被測物體（如在氣缸的活塞或活塞桿）上安裝磁性物質(zhì)，在氣缸缸筒外面的兩端各安裝一個(gè)磁感應(yīng)式接近開關(guān)，就可以用這兩個(gè)傳感器分別標(biāo)識氣缸運(yùn)動的兩個(gè)極限位置。故不適用于此設(shè)備中。

2）光電接近開關(guān)（本文中簡稱光電開關(guān)），通常在環(huán)境條件比較好、無粉塵污染上的場合下使用。光電開關(guān)工作時(shí)對被測對象幾乎無任何影響。因此，在生產(chǎn)線上被廣泛地使用。通常用于生產(chǎn)線設(shè)備中，用以檢測是否有物料存在，光電開關(guān)就會感應(yīng)到，發(fā)出信號，通過控制程序，就可以利用該信號狀態(tài)來判斷出傳送帶或送料機(jī)構(gòu)中有無物料，從而判斷是否驅(qū)動下一機(jī)構(gòu)動作。而本文所設(shè)計(jì)的新型環(huán)保小便池工作原理，當(dāng)人們需要上廁所時(shí)，站到規(guī)定位置時(shí)傳感器感應(yīng)到，發(fā)出信號，控制電動機(jī)正轉(zhuǎn)，帶動蓋板自動收縮，人們就可以使用；當(dāng)使用結(jié)束人離開后，傳感器感應(yīng)消失，撤消信號，控制電動機(jī)反轉(zhuǎn)控制蓋板自動放下。所以光電傳感器完全可以滿足以上功能要求。

3）光纖式光電接近開關(guān)，光纖式光電開關(guān)由光纖檢測頭、光纖放大器兩部分組成，光纖放大器和光纖檢測頭是分離的兩部分，光纖檢測頭的尾端部分分成兩條光纖，使用時(shí)分別插入放大器的兩個(gè)光纖孔。光纖式光電開關(guān)的輸出連接至PLC。光纖式光電開關(guān)也是光纖傳感器的一種，光纖傳感器傳感部分沒有電路連接，不產(chǎn)生熱量，只利用很少的光能，這些特點(diǎn)使光纖傳感器成為危險(xiǎn)環(huán)境下的理想選擇。光纖傳感器還可以用于關(guān)鍵生產(chǎn)設(shè)備的長期高可靠性和穩(wěn)定性的監(jiān)視。相對于傳統(tǒng)傳感器，光纖傳感器具有下述優(yōu)點(diǎn)：抗電磁干擾、可工作于惡劣環(huán)境，傳輸距離遠(yuǎn)，使用壽命長，此外，由于光纖頭具有較小的體積，所以可以安裝在空間很小的地方。光纖放大器根據(jù)需要來放置。比如有些生產(chǎn)過程中煙火、電火花等可能引起爆炸和火災(zāi)，而光能不會成為火源，不會引起爆炸和火災(zāi)，所以可以將光纖檢測頭設(shè)置在危險(xiǎn)場所，將放大器單元設(shè)置在非危險(xiǎn)場所進(jìn)行使用。根據(jù)調(diào)節(jié)的強(qiáng)度，光纖傳感器可以檢測不同的物品或者檢測距離，所以光纖傳感器完全可以滿足新型環(huán)保小便池的功能要求。

3.2 價(jià)格比較

1）磁性開關(guān)的價(jià)格比較便宜，售價(jià)大概在20-200元之間，常用的大概在30元左右。

2）光電接近開關(guān)的價(jià)格，相對于磁性開關(guān)的價(jià)格略高一點(diǎn)，相對于光纖式光電接近開關(guān)的價(jià)格便宜很多。售價(jià)大概在80-300元之間，常用的大概在100元左右。

3）光纖式光電接近開關(guān)的價(jià)格最高，售價(jià)大概在300-1800元之間，常用的大概在800元左右。

綜上所述，根據(jù)各類傳感器的性能和價(jià)格的比較，選用光電接近開關(guān)（光電式傳感器），首先光電式傳感器完全可以滿足新型環(huán)保小便池設(shè)計(jì)的功能要求，而且價(jià)格相對比較便宜，適合批量組裝使用。本設(shè)備選用上海通爾生產(chǎn)型號為G012-MDNA-A的光電式傳感器，檢測距離0-200cm。

4 程序設(shè)計(jì)

4.1 PLC可編程邏輯控制器

在機(jī)電一體化設(shè)備中，有一個(gè)可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，簡稱PLC）模塊，PLC種類有三菱系列、西門子系列、歐姆龍系列、松下系列，本論文僅以三菱PLC為例來講解。

圖3 三菱FX2N-48MR結(jié)構(gòu)圖

三菱FX2N-48MR結(jié)構(gòu)圖3所示。它有X0-X7、X10-X17、X20-X27共24個(gè)輸入，Y0-Y7、Y10-Y17、Y20-Y27共24個(gè)輸出組成。三菱FX2N-48MRPLC主要由CPU模塊、輸入模塊、輸出模塊和編程器組成。

4.2 PLC程序設(shè)計(jì)

1）電氣控制原理圖（圖4）

圖4 電氣控制原理圖

2）I/O分配表（表1）

表1 新型環(huán)保小便池I/O分配

3）PLC程序設(shè)計(jì)（圖5）

圖5 PLC程序設(shè)計(jì)

本文所設(shè)計(jì)的新型環(huán)保便池，當(dāng)人們需要上廁所時(shí)，站到規(guī)定位置時(shí)傳感器感應(yīng)到，發(fā)出信號，控制電動機(jī)正轉(zhuǎn)，帶動擋板自動收縮，人們就可以使用；當(dāng)使用結(jié)束人離開后，傳感器感應(yīng)消失，撤消信號，控制電動機(jī)反轉(zhuǎn)控制擋板自動放下。此套裝置可以解決因人們使用小便池時(shí)，站立位置不對，有尿液滴濺在地上，造成便跡難以清洗，并增加細(xì)菌流動，造成細(xì)菌流動污染環(huán)境這一問題。本設(shè)計(jì)可以起到提高國民素質(zhì)，規(guī)范國民行為習(xí)慣，保護(hù)環(huán)境的作用。

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