導(dǎo)語(yǔ)：如何才能寫(xiě)好一篇微元法的基本原理，這就需要搜集整理更多的資料和文獻(xiàn)，歡迎閱讀由公文云整理的十篇范文，供你借鑒。

篇1

【關(guān)鍵詞】 長(zhǎng)期股權(quán)投資;疑難問(wèn)題;處理原則;題例解析

成本法轉(zhuǎn)為權(quán)益法的會(huì)計(jì)處理,是長(zhǎng)期股權(quán)投資核算中的重點(diǎn)、難點(diǎn)問(wèn)題,注會(huì)考生學(xué)習(xí)此部分內(nèi)容時(shí),普遍認(rèn)為其教材所寫(xiě)的賬務(wù)處理原則不易理解,教材實(shí)例缺少代表性,難以全面準(zhǔn)確地解釋教材所寫(xiě)的賬務(wù)處理原則?；诖朔N原因,筆者精選了以下較為典型的題例來(lái)解析由于持股比例由低變高而將成本法轉(zhuǎn)為權(quán)益法的會(huì)計(jì)處理原則,以啟迪注會(huì)考生更通俗易懂地理解和把握這一處理原則。

例題:甲公司于2008年1月1日以銀行存款900萬(wàn)元取得乙公司10%的股權(quán),投資時(shí)乙公司可辨認(rèn)凈資產(chǎn)公允價(jià)值總額為8 400萬(wàn)元(假定公允價(jià)值與賬面價(jià)值相同),因?qū)Ρ煌顿Y企業(yè)不具有重大影響且無(wú)法可靠確定該項(xiàng)投資的公允價(jià)值,甲公司對(duì)該項(xiàng)長(zhǎng)期股權(quán)投資采用成本法核算,甲公司按凈利潤(rùn)的10%提取盈余公積。2009年7月1日,甲公司又以銀行存款1 410萬(wàn)元取得乙公司12%的股權(quán),追加投資當(dāng)日乙公司可辨認(rèn)凈資產(chǎn)公允價(jià)值總額為12 000萬(wàn)元,取得該部分股權(quán)投資后,按照乙公司章程規(guī)定,甲公司能夠派人參與乙公司的生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)決策,對(duì)乙公司具有重大影響,甲公司對(duì)該項(xiàng)股權(quán)投資改按權(quán)益法核算。假定甲公司在取得對(duì)乙公司10%的股權(quán)后,雙方未發(fā)生任何內(nèi)部交易。乙公司通過(guò)生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)活動(dòng)實(shí)現(xiàn)的凈利潤(rùn)為900萬(wàn)元,其中2009年1月1日至2009年7月1日實(shí)現(xiàn)的凈利潤(rùn)為260萬(wàn)元,2008年2月15日乙公司宣告分派2007年度的現(xiàn)金股利1 000萬(wàn)元,乙公司除實(shí)現(xiàn)凈利潤(rùn)外,未發(fā)生其他計(jì)入資本公積的交易和事項(xiàng)。要求根據(jù)上述資料進(jìn)行甲公司與該項(xiàng)長(zhǎng)期股權(quán)投資有關(guān)的賬務(wù)處理。

解析過(guò)程:

一、圖1所示分析

二、會(huì)計(jì)處理

(1)2009年7月1日追加投資時(shí):

借:長(zhǎng)期股權(quán)投資 1 410

貸:銀行存款1 410

(2)原差額的會(huì)計(jì)處理:

①初始投資成本=900(萬(wàn)元)

②由于清算性股利沖銷的成本=100(萬(wàn)元)

③原持有長(zhǎng)期股權(quán)投資的賬面余額=900-100=800(萬(wàn)元)

④原差額(X)=800-8 400×10%=-40

借:長(zhǎng)期股權(quán)投資 40

貸:盈余公積4

利潤(rùn)分配――未分配利潤(rùn) 36

【處理原則】原持有長(zhǎng)期股權(quán)投資的賬面余額與按照原持股比例計(jì)算確定應(yīng)享有原取得投資時(shí)被投資單位可辨認(rèn)凈資產(chǎn)公允價(jià)值份額之間的差額,屬于通過(guò)投資作價(jià)體現(xiàn)的商譽(yù)(X>0時(shí))部分,不調(diào)整長(zhǎng)期股權(quán)投資的賬面價(jià)值。屬于取得投資時(shí)因投資成本小于應(yīng)享有被投資企業(yè)可辨認(rèn)凈資產(chǎn)公允價(jià)值份額的差額,一方面應(yīng)調(diào)整長(zhǎng)期股權(quán)投資的賬面價(jià)值,另一方面應(yīng)同時(shí)調(diào)整留存收益(包括盈余公積和未分配利潤(rùn))。

(3)新差額的會(huì)計(jì)處理

新差額(Y)=追加投資成本-追加投資時(shí)被投資企業(yè)可辨認(rèn)凈資產(chǎn)公允價(jià)值×追加持股比例=1 410-12 000×12%=-30

借:長(zhǎng)期股權(quán)投資 30

貸:營(yíng)業(yè)外收入30

【處理原則】對(duì)于新取得的股權(quán)部分,應(yīng)比較新增投資的成本與取得該部分投資時(shí)應(yīng)享有被投資單位可辨凈資產(chǎn)公允價(jià)值的份額,其中投資成本大于投資時(shí)應(yīng)享有被投資單位可辨認(rèn)凈資產(chǎn)公允價(jià)值份額的(Y>0),不調(diào)整長(zhǎng)期股權(quán)投資的成本;對(duì)于投資成本小于應(yīng)享有被投資單位可辨認(rèn)凈資產(chǎn)公允價(jià)值份額的,應(yīng)調(diào)整增加長(zhǎng)期股權(quán)投資的成本,同時(shí)計(jì)入取得當(dāng)期的營(yíng)業(yè)外收入。

(4)兩投資時(shí)點(diǎn)公允價(jià)值差額的會(huì)計(jì)處理

①兩時(shí)點(diǎn)差額=12 000-8 400=3 600(萬(wàn)元)

②相對(duì)于原持股比例的部分=3 600×10%=360(萬(wàn)元)

③屬于凈利潤(rùn)影響的部分=900×10%=90(萬(wàn)元)

其中:2008年凈利潤(rùn)影響的部分=640×10%=64(萬(wàn)元)

2009年凈利潤(rùn)影響的部分=260×10%=26(萬(wàn)元)

④屬于其他原因影響的部分=360-90=270(萬(wàn)元)

借:長(zhǎng)期股權(quán)投資360

貸:盈余公積6.4

利潤(rùn)分配――未分配利潤(rùn) 57.6

投資收益 26

篇2

關(guān)鍵詞：以學(xué)生為中心；基本原理概論；教學(xué)方法改革

長(zhǎng)期以來(lái)，在我們的教學(xué)活動(dòng)中，由于思想觀念及教學(xué)觀念所限，整個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié)中教師總是作為主體來(lái)組織教學(xué)，學(xué)生則是被動(dòng)接受教師的教學(xué)內(nèi)容，很少直接和主動(dòng)地參與課堂教學(xué)活動(dòng)，而且很少表達(dá)他們對(duì)于所學(xué)內(nèi)容的理解和接受程度如何，積極性和創(chuàng)造性受到一定程度的壓抑，教師在實(shí)際接觸學(xué)生過(guò)程中也切實(shí)感受到迫切需要對(duì)傳統(tǒng)的教學(xué)方法進(jìn)行改革?！耙詫W(xué)生為中心”的《基本原理概論》教學(xué)方法，是將“以學(xué)生為中心”理念滲透到整個(gè)教學(xué)中，教師則成為學(xué)生學(xué)習(xí)的引導(dǎo)者和學(xué)習(xí)伙伴，一切從學(xué)生的角度出發(fā)，充分考慮學(xué)生的興趣、需要、思維和行為方式，關(guān)注學(xué)生的思想和心理特點(diǎn)及學(xué)生普遍關(guān)心的社會(huì)問(wèn)題，激發(fā)學(xué)生主動(dòng)參與學(xué)習(xí)的精神。

一、了解學(xué)生、關(guān)注學(xué)生是“以學(xué)生為中心”教學(xué)方法改革的基礎(chǔ)

現(xiàn)在的世界正處于社會(huì)主義低潮時(shí)期，大量西方文化思潮、價(jià)值觀念和某些腐朽沒(méi)落的生活方式?jīng)_擊著新時(shí)期大學(xué)生的價(jià)值觀，大學(xué)生接受著社會(huì)主義價(jià)值觀和西方價(jià)值觀的雙重影響，導(dǎo)致大學(xué)生世界觀、人生觀、價(jià)值觀趨向多元化。筆者在教學(xué)開(kāi)始前和教學(xué)過(guò)程中采用師生交流等教學(xué)方法，或問(wèn)卷調(diào)查，讓每位學(xué)生寫(xiě)出自己的思想困惑和理論疑難；或通過(guò)主題談話，師生之間各抒己見(jiàn)，進(jìn)行各種思想的交流；或課后利用網(wǎng)絡(luò)論壇、郵件和QQ等形式，師生雙向討論交流，及時(shí)反饋課堂教學(xué)效果，摸清學(xué)生所思所想。通過(guò)了解發(fā)現(xiàn)新時(shí)期大學(xué)生有以下特點(diǎn)：一方面，他們思想積極敏銳、健康向上、崇尚奮斗、崇尚科學(xué)、尊重知識(shí)；有較強(qiáng)的自尊心、自我表現(xiàn)欲、獨(dú)立意識(shí)和競(jìng)爭(zhēng)意識(shí)；有較強(qiáng)的自學(xué)和思考能力、理解能力；喜歡關(guān)注國(guó)際國(guó)內(nèi)政治經(jīng)濟(jì)形勢(shì)，對(duì)在社會(huì)主義初級(jí)階段所碰到的許多重大理論問(wèn)題和社會(huì)現(xiàn)實(shí)問(wèn)題，他們均有一定思考，能夠試著去分析和理解；只要理論具有說(shuō)服力，他們?cè)敢馊W(xué)習(xí)和接受，也就是說(shuō)不存在與之間的天然隔閡。而另一方面，我們也發(fā)現(xiàn)大學(xué)生理想信念淡薄，集體主義觀念淡化，法制、紀(jì)律、誠(chéng)信觀念不強(qiáng)；價(jià)值目標(biāo)取向錯(cuò)位，趨實(shí)用化、短期化、直觀表面化，個(gè)人主義、功利主義抬頭；學(xué)習(xí)態(tài)度不端正，學(xué)習(xí)動(dòng)力不足，不少大學(xué)生對(duì)基本原理課有厭學(xué)和抵觸情緒。

二、“以學(xué)生為中心”進(jìn)行教學(xué)改革，最大限度培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)的能力

“以學(xué)生為中心”的《基本原理概論》教學(xué)方法是在摸清學(xué)生所思所想基礎(chǔ)上，從學(xué)生思想實(shí)際出發(fā)，將傳統(tǒng)講授法、案例教學(xué)法和“小老師”講堂教學(xué)法、專題討論教學(xué)法、課程辯論賽教學(xué)法、實(shí)踐教學(xué)法等結(jié)合起來(lái)，有選擇地加以運(yùn)用，盡可能給學(xué)生創(chuàng)設(shè)一個(gè)自由發(fā)揮與思維參與的空間，讓學(xué)生愉快地思考，大膽質(zhì)疑，鼓勵(lì)學(xué)生間的合作學(xué)習(xí)，營(yíng)造生動(dòng)活潑的氣氛，變“要我學(xué)”為“我要學(xué)”，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)思想政治理論的興趣和積極性，引導(dǎo)學(xué)生總結(jié)學(xué)習(xí)經(jīng)驗(yàn)，在群體學(xué)習(xí)過(guò)程中培養(yǎng)自主學(xué)習(xí)能力、獨(dú)立思考能力和口頭表達(dá)能力，最大限度調(diào)動(dòng)和發(fā)揮學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性，促進(jìn)教師與學(xué)生之間的交流，從而真正達(dá)到預(yù)期的教學(xué)目的。

1.“小老師”講堂教學(xué)法

此教學(xué)法為學(xué)生提供了一個(gè)盡情在三尺講臺(tái)上分享見(jiàn)解和感悟的平臺(tái)，學(xué)生不再是被動(dòng)的受教者，而是教學(xué)活動(dòng)的主體；教師不再是知識(shí)的灌輸者，而是教學(xué)活動(dòng)的引導(dǎo)者。在學(xué)生講堂開(kāi)始之前，筆者從教材中挑出一些相對(duì)而言比較淺顯的內(nèi)容讓學(xué)生選擇，并對(duì)主講人進(jìn)行了培訓(xùn)指導(dǎo)，引導(dǎo)學(xué)生自學(xué)，進(jìn)行大量閱讀，查找資料，完成知識(shí)重構(gòu)，提前準(zhǔn)備好講稿內(nèi)容和多媒體制作，在保證其基本內(nèi)容的前提下，訂正錯(cuò)誤的知識(shí)點(diǎn)，增加準(zhǔn)確度和趣味性，保證內(nèi)容的可接受性，體現(xiàn)學(xué)生的中心作用。制作和使用多媒體教學(xué)時(shí)，引導(dǎo)學(xué)生從熟知的事例及所學(xué)專業(yè)出發(fā)，運(yùn)用適量典型的影視資料，使教學(xué)內(nèi)容生動(dòng)形象，多媒體的展示時(shí)機(jī)一般是在突破難點(diǎn)、闡釋重點(diǎn)的時(shí)候，以及學(xué)生學(xué)習(xí)興趣淡化和思維抑制的時(shí)候。在“講堂”中，主講人不是純粹地講授，他需要結(jié)合其它教學(xué)方法與教師、同學(xué)之間進(jìn)行相互討論、辯論，相互學(xué)習(xí)，雜取百家，互為補(bǔ)充。在此過(guò)程中，教師要做好引導(dǎo)作用?！靶±蠋煛敝v堂因主講人是學(xué)生，所講內(nèi)容大多為學(xué)生感興趣的話題，通俗易懂，所以學(xué)生很愛(ài)聽(tīng)，也能開(kāi)闊學(xué)生視野，引發(fā)學(xué)生探索和思考，有效激發(fā)學(xué)生的主體意識(shí)，推進(jìn)學(xué)生自我價(jià)值的實(shí)現(xiàn)。

2.專題討論教學(xué)法

筆者在運(yùn)用此教學(xué)法教學(xué)時(shí)，首先把基本原理某一部分的核心內(nèi)容按照內(nèi)在邏輯組成一個(gè)專題。然后提前一周把上課的所有學(xué)生分成若干個(gè)小組（每個(gè)小組10人左右），讓每個(gè)小組的所有成員圍繞專題閱讀文獻(xiàn)、準(zhǔn)備資料、寫(xiě)好發(fā)言提綱或講稿，制作好PPT。選舉一名代表到臺(tái)上進(jìn)行8分鐘左右演講，小組其他成員可以隨時(shí)補(bǔ)充，學(xué)生只要能自圓其說(shuō)或是能夠講得頭頭是道都是回答正確。對(duì)于抽象性和概括性強(qiáng)的內(nèi)容，為了讓學(xué)生“看得見(jiàn)，摸得著”，可引導(dǎo)同學(xué)們通過(guò)案例，讓學(xué)生聽(tīng)得懂，啟發(fā)學(xué)生深入思考。最后可讓小組外的同學(xué)為本小組同學(xué)打分，同學(xué)代表和教師分別點(diǎn)評(píng)。每個(gè)小組整個(gè)過(guò)程時(shí)間控制在20分鐘左右。教師作為引導(dǎo)者，要盡可能創(chuàng)造讓更多的學(xué)生廣泛參與的機(jī)會(huì)，鍛煉學(xué)生口頭表達(dá)能力，調(diào)動(dòng)學(xué)生思考問(wèn)題的積極性、主動(dòng)性，激發(fā)學(xué)生內(nèi)在的學(xué)習(xí)動(dòng)力和參與熱情，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)。

3.課程辯論賽教學(xué)法

課程辯論賽與通常意義上的辯論賽不同，它主要體現(xiàn)了課程和教學(xué)特點(diǎn)，內(nèi)容為主，形式為輔，所以我們將課程辯論賽簡(jiǎn)化為三個(gè)環(huán)節(jié)：立論陳詞、自由辯論、總結(jié)陳詞。每位辯手需遵守“重在辯”的精神，賽前做好充分準(zhǔn)備，辯論過(guò)程中要求每位辯手均發(fā)言，發(fā)言口齒清晰，思維敏捷，盡量脫稿。為了讓更多的學(xué)生參與進(jìn)來(lái)，課程辯論賽正式隊(duì)伍由六人組成，可以有兩名替補(bǔ)隊(duì)員，報(bào)名采取學(xué)生自愿的原則。教師鼓勵(lì)班級(jí)其他同學(xué)為自己所在“方”收集相關(guān)資料，依據(jù)提供資料的價(jià)值大小為學(xué)生打平時(shí)分，這樣可以讓班里所有的同學(xué)都參與進(jìn)來(lái)。為了更好地鍛煉學(xué)生各方面的能力，我們將整場(chǎng)課程辯論賽的組織服務(wù)工作交給班級(jí)學(xué)生自己承擔(dān)，由教師在班上指定一名班干部負(fù)責(zé)，其他同學(xué)協(xié)助，主要負(fù)責(zé)比賽計(jì)時(shí)計(jì)分統(tǒng)分以及比賽的影像資料留存、宣傳報(bào)道等工作。如果條件允許，教研室各位老師所帶班級(jí)之間也可以進(jìn)行課程辯論比賽，成為全校學(xué)生參與的活動(dòng)。實(shí)踐證明，課程辯論賽為學(xué)生營(yíng)造了自由探索、獨(dú)立思考、團(tuán)隊(duì)配合的教學(xué)氛圍，學(xué)生參與熱情很高，同時(shí)，鍛煉了大學(xué)生運(yùn)用基本原理分析、解決問(wèn)題的能力，增強(qiáng)了學(xué)生抵制各種錯(cuò)誤思潮的能力，提高了大學(xué)生的思想水平。

4.實(shí)踐教學(xué)法

此教學(xué)法是通過(guò)讀書(shū)小組、社會(huì)調(diào)查或與學(xué)生黨團(tuán)活動(dòng)結(jié)合等形式完成的。在教師指導(dǎo)下組建馬克思列寧主義理論學(xué)習(xí)讀書(shū)小組，給學(xué)生列一些相關(guān)的參考書(shū)，讓學(xué)生利用業(yè)余時(shí)間讀書(shū)，激發(fā)大學(xué)生學(xué)習(xí)理論的熱情，加強(qiáng)學(xué)生之間的思想溝通；或組織學(xué)生利用寒暑假、節(jié)假日、雙休日開(kāi)展社會(huì)實(shí)踐活動(dòng)，參觀訪問(wèn)或社會(huì)調(diào)查，低年級(jí)學(xué)生可以開(kāi)展一些參觀活動(dòng)、服務(wù)活動(dòng)，中高年級(jí)同學(xué)可以開(kāi)展一些社會(huì)調(diào)查、難點(diǎn)問(wèn)題調(diào)查等活動(dòng)；或把相關(guān)理論的學(xué)習(xí)與學(xué)生黨團(tuán)活動(dòng)的主題結(jié)合起來(lái)，實(shí)現(xiàn)課堂教學(xué)的延伸。實(shí)踐教學(xué)結(jié)束后，可讓學(xué)生寫(xiě)論文或?qū)嵺`報(bào)告，用理論聯(lián)系實(shí)際的方式強(qiáng)化學(xué)生對(duì)原理的學(xué)習(xí)。通過(guò)實(shí)踐教學(xué)法可以讓學(xué)生獲得直觀的感性認(rèn)識(shí)，讓學(xué)生從具體的問(wèn)題和事實(shí)的感性認(rèn)識(shí)上升到抽象理論，增加說(shuō)服力和吸引力，加深學(xué)生對(duì)基本原理的理解和學(xué)生對(duì)基本理論的認(rèn)同感；同時(shí)，可促進(jìn)學(xué)生深入認(rèn)識(shí)社會(huì)，將所學(xué)知識(shí)更好地服務(wù)于社會(huì)。

三、教師高超的教學(xué)水平和教學(xué)藝術(shù)是“以學(xué)生為中心”教學(xué)方法實(shí)施的保障

雖然提倡“以學(xué)生為中心”教學(xué)方法，但不能少了教師在整個(gè)教學(xué)過(guò)程中的主導(dǎo)地位。教師如何在潛移默化中讓學(xué)生接受“原理”知識(shí)并運(yùn)用于實(shí)際生活中，很重要的一個(gè)保障條件在于教師高超的教學(xué)水平和教學(xué)藝術(shù)。一是教師在堅(jiān)持正確政治方向前提下應(yīng)有系統(tǒng)的理論知識(shí)作支撐。新教材的課程內(nèi)容經(jīng)過(guò)了高度整合，其理論容量之龐大、任務(wù)之艱巨都是空前的，所以要求教師具有廣博而系統(tǒng)的知識(shí)儲(chǔ)備和良好的研究能力，一專多通，在吃透教材的基礎(chǔ)上，盡量脫稿講授，用大眾化、通俗化的語(yǔ)言表述深?yuàn)W的基本原理，熟練地把教學(xué)與當(dāng)前國(guó)際國(guó)內(nèi)關(guān)注的重大現(xiàn)實(shí)問(wèn)題結(jié)合起來(lái)；把教學(xué)與市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)條件下學(xué)生的人生觀、價(jià)值觀、道德觀教育結(jié)合起來(lái)。二是教師應(yīng)關(guān)注學(xué)生的情感需求。理論課教師與其他課程相比承載著更加重大的育人使命，在教學(xué)當(dāng)中更應(yīng)該關(guān)愛(ài)、體貼和幫助學(xué)生，建立一種平等、民主、互相尊重、互相學(xué)習(xí)的新型師生關(guān)系，創(chuàng)造一種情理交融的學(xué)習(xí)氛圍?！坝H其師”然后“信其道”，學(xué)生樂(lè)于接受教師所講的道理，就可以從學(xué)習(xí)中獲得積極的情感體驗(yàn)。三是教師要有一定的組織、協(xié)調(diào)能力和總結(jié)能力。教師組織、協(xié)調(diào)工作做得好，學(xué)生的興趣就會(huì)被激發(fā)，感覺(jué)很自信，就樂(lè)于參加教學(xué)。在教學(xué)活動(dòng)開(kāi)始前，教師要做好學(xué)期的整體準(zhǔn)備和每節(jié)課的準(zhǔn)備。在教學(xué)過(guò)程中，通過(guò)一定的激勵(lì)機(jī)制，如人格激勵(lì)、分?jǐn)?shù)激勵(lì)等，或把高年級(jí)較好的做法展示給他們，用好班干部，讓學(xué)生積極主動(dòng)參與教學(xué)活動(dòng)。另外，教師要善于總結(jié)，在每次課上完后總結(jié)，針對(duì)課堂講授后學(xué)生的反饋和教師的現(xiàn)場(chǎng)感受，找出不足之處，記錄下來(lái)，下次予以改正；一個(gè)學(xué)期結(jié)束后也要總結(jié)，對(duì)反響好的部分繼續(xù)保留，對(duì)教師講授時(shí)“底氣不足”、學(xué)生反饋平平的部分結(jié)合學(xué)生實(shí)際情況更換教學(xué)方法和內(nèi)容，重新修訂與完善。

“基本原理概論”的內(nèi)容是既定的，但其教學(xué)法的研究卻是無(wú)窮的、動(dòng)態(tài)的。不斷拓展、創(chuàng)新教學(xué)方法，最大限度調(diào)動(dòng)和發(fā)揮學(xué)生學(xué)習(xí)的主體性，讓學(xué)生學(xué)會(huì)熟練地運(yùn)用基本原理知識(shí)分析和解決思想、工作、學(xué)習(xí)和生活中遇到的各種困惑是我們不斷追求的目標(biāo)。

參考文獻(xiàn)：

［1］ 王國(guó)炎，等.中國(guó)化與大眾化［M］.南昌：江西人民出版社，2009.

［2］ 馮剛.高校大眾化研究報(bào)告（2009）［M］.北京：光明日?qǐng)?bào)出版社，2009.

［3］ 陳占安.搞好思想政治理論課教學(xué)必須堅(jiān)持以學(xué)生為中心［J］.教學(xué)與研究，2004，（11）：7-9.

篇3

ABAQUS是一套功能強(qiáng)大的工程模擬有限元軟件，其解決問(wèn)題的范圍從相對(duì)簡(jiǎn)單的線性分析到許多復(fù)雜的非線性問(wèn)題。被廣泛用于土木工程專業(yè)領(lǐng)域的科學(xué)研究和工程設(shè)計(jì)。許多高等院校也爭(zhēng)相開(kāi)設(shè)ABAQUS有限元課程，一些學(xué)者也將ABAQUS有限元軟件用于教學(xué)研究工作，得出了很多有益的成果［1-4］。將有限元ABAQUS軟件用于《混凝土結(jié)構(gòu)基本原理》課程的教學(xué)具有以下優(yōu)勢(shì):

1)直觀化教學(xué)，有利于學(xué)生對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)基本理論知識(shí)的理解。比如在講授混凝土材料的抗壓強(qiáng)度時(shí)，學(xué)生很難理解為什么混凝土抗壓強(qiáng)度遠(yuǎn)低于砂漿和骨料任一單一材料的強(qiáng)度。其原因可從混凝土受壓破壞的機(jī)理來(lái)分析。由于水泥、水、骨料組成的混凝土，在硬化過(guò)程中水泥和水形成的水泥石與骨料粘結(jié)在一起。凝結(jié)初期由于水泥石收縮、骨料下沉等原因，在水泥石和骨料之間的交界面上形成微裂縫。在外力作用下，微裂縫將有一個(gè)發(fā)展過(guò)程，混凝土的破壞過(guò)程就是裂縫不斷產(chǎn)生、擴(kuò)展和失穩(wěn)的過(guò)程。這些過(guò)程無(wú)法直觀觀測(cè)到，只能通過(guò)超聲波、X光、電子顯微鏡進(jìn)行直接或間接觀測(cè)。引入有限元軟件后，這些問(wèn)題就能得到解決。圖1就是通過(guò)有限元軟件數(shù)值模擬了混凝土材料內(nèi)部微裂縫在荷載作用下擴(kuò)展、貫通破壞的全過(guò)程，形象直觀，有利于學(xué)生們對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)抗壓強(qiáng)度概念的理解，也增強(qiáng)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣［5，6］，通過(guò)指導(dǎo)學(xué)生建立混凝土有限元模型和對(duì)模型進(jìn)行數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)，能夠提高學(xué)生的動(dòng)手能力，學(xué)習(xí)掌握有限元基本概念和軟件操作，為學(xué)生今后從事混凝土領(lǐng)域的科學(xué)研究工作打下基礎(chǔ)。

2)部分替代混凝土構(gòu)件承載力實(shí)驗(yàn)，具有一定的經(jīng)濟(jì)效益?！痘炷两Y(jié)構(gòu)基本原理》課程中軸心受力構(gòu)件承載力方程、受彎構(gòu)件正截面承載力方程、受彎構(gòu)件斜截面承載力方程等均是通過(guò)對(duì)鋼筋混凝土構(gòu)件的承載力實(shí)驗(yàn)破壞現(xiàn)象、特征規(guī)律和材料的破壞程度等進(jìn)行一定的理論分析得到，因此《混凝土結(jié)構(gòu)基本原理》課程的教學(xué)離不開(kāi)鋼筋混凝土構(gòu)件的承載力實(shí)驗(yàn)。通過(guò)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中鋼筋混凝土構(gòu)件的設(shè)計(jì)、制作和受力全過(guò)程的實(shí)驗(yàn)，對(duì)構(gòu)件承載力、剛度和裂縫進(jìn)行測(cè)定，并對(duì)破壞形態(tài)進(jìn)行觀測(cè)等工作，進(jìn)一步加強(qiáng)了學(xué)生對(duì)鋼筋混凝土構(gòu)件受力性能、承載力計(jì)算理論、裂縫及變形性能的理解，初步掌握結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)的整理和分析，提高了實(shí)驗(yàn)分析報(bào)告的撰寫(xiě)能力。根據(jù)筆者對(duì)多個(gè)大專院校《混凝土結(jié)構(gòu)基本原理》課程教學(xué)的調(diào)查分析，鑒于實(shí)驗(yàn)條件和學(xué)時(shí)限制，大多數(shù)院校所開(kāi)設(shè)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目較少，僅開(kāi)展了鋼筋混凝土適筋梁正截面破壞的受力全過(guò)程實(shí)驗(yàn)、鋼筋混凝土梁斜截面剪壓破壞的受力全過(guò)程實(shí)驗(yàn)和大偏心受壓構(gòu)件正截面破壞的受力全過(guò)程實(shí)驗(yàn)。對(duì)于鋼筋混凝土少筋梁、超筋梁正截面破壞的受力全過(guò)程實(shí)驗(yàn);鋼筋混凝土梁斜截面斜壓破壞、斜拉破壞的受力全過(guò)程實(shí)驗(yàn)以及小偏心受壓構(gòu)件正截面破壞的受力全過(guò)程實(shí)驗(yàn)并未開(kāi)設(shè)。個(gè)別院校未開(kāi)設(shè)任何混凝土構(gòu)件承載力破壞實(shí)驗(yàn)，僅通過(guò)觀看實(shí)驗(yàn)錄像了解混凝土承載力破壞現(xiàn)象。由于缺乏混凝土構(gòu)件承載力破壞實(shí)驗(yàn)，學(xué)生對(duì)混凝土構(gòu)件的承載力基本原理與鋼筋設(shè)計(jì)計(jì)算方法理解不透徹，教師在授課時(shí)也感覺(jué)底氣不足。然而如果大面積開(kāi)展混凝土構(gòu)件承載力實(shí)驗(yàn)又是不現(xiàn)實(shí)的。首先經(jīng)濟(jì)投入大，成本高?；炷翗?gòu)件承載力破壞實(shí)驗(yàn)需要有加載裝置、測(cè)試儀器及制作構(gòu)件等費(fèi)用，需要幾十萬(wàn)的經(jīng)費(fèi)投入，同時(shí)要有相關(guān)的場(chǎng)地及人工成本。另一方面，《混凝土結(jié)構(gòu)基本原理》課程的學(xué)時(shí)有限，目前課程普遍為64學(xué)時(shí)，如果在混凝土結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)方面投入太多學(xué)時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)《混凝土結(jié)構(gòu)基本原理》理論知識(shí)學(xué)時(shí)不夠的難處。因此采用有限元軟件對(duì)混凝土構(gòu)件破壞發(fā)展過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)，并且可以重復(fù)性觀看，使學(xué)生獲得更多的混凝土知識(shí)，取得較好的經(jīng)濟(jì)效益。數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)研究，在某些方面可以取代或優(yōu)于實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)研究［7，8］。

2ABAQUS有限元軟件在《混凝土結(jié)構(gòu)基本原理》課程教學(xué)中的應(yīng)用案例

混凝土材料的強(qiáng)度尺寸效應(yīng)是指混凝土強(qiáng)度隨著結(jié)構(gòu)體積的增大而降低的現(xiàn)象。該理論是《混凝土結(jié)構(gòu)基本原理》課程教學(xué)中的難點(diǎn)，學(xué)生往往很難理解混凝土材料的強(qiáng)度尺寸效應(yīng)現(xiàn)象。如果采用試驗(yàn)教學(xué)，經(jīng)濟(jì)投入高且占用學(xué)時(shí)。為此我們?cè)凇痘炷两Y(jié)構(gòu)基本原理》課程中引入新的教學(xué)手段。借助于ABAQUS有限元軟件，建立不同體積的混凝土立方體、棱柱體有限元仿真模型，開(kāi)展了直接拉伸和壓縮荷載作用下的混凝土強(qiáng)度尺寸效應(yīng)的數(shù)值模擬。圖2為邊長(zhǎng)150mm，250mm，350mm和450mm的立方體混凝土細(xì)觀力學(xué)模型，開(kāi)展立方體單軸拉伸數(shù)值實(shí)驗(yàn)，測(cè)得了不同體積混凝土試件模型的抗拉強(qiáng)度，如表1所示。

3結(jié)語(yǔ)

篇4

關(guān)鍵詞：聚合物分散液晶；微滴；雙折射；霧度；透光率

中圖分類號(hào)：TP391 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

引言

聚合物分散液晶（PDLC：Polymer Dispersed Liquid Crystal）膜是20世紀(jì)80年明的高科技產(chǎn)品，在調(diào)光玻璃，大屏幕顯示，全息光柵，可調(diào)濾波器，可調(diào)衰減器等很多領(lǐng)域已經(jīng)有實(shí)際應(yīng)用[1～10]。此外由于是固態(tài)膜，使液晶的防泄和膜厚的控制很方便，有利于制作大面積或可彎曲的柔性顯示器，因此在未來(lái)一代顯示器――電子紙的研制中也占有一席之地。

PDLC膜是把預(yù)聚物與向列相液晶及襯墊料以某個(gè)比例混合起來(lái)，夾在兩片柔性透明導(dǎo)電薄膜之間，經(jīng)過(guò)相分離法（Phase Separation Method）制得，一般為聚合相分離法（Polymerization Induced Phase Separation-PIPS）、熱致相分離法（Thermally Induced Phase Separation-TIPS）、溶劑蒸發(fā)引發(fā)相分離法等（Solvent Induced Phase Separation- SIPS）。液晶從聚合物中析出形成微滴，聚合物固化把液晶微滴包裹在其中的一種復(fù)合膜。其工作原理為：不加電場(chǎng)時(shí)，無(wú)規(guī)則分布于聚合物材料中的液晶微滴的指向矢自由取向，此時(shí)由于液晶的尋常光折射率no與聚合物的折射率np不匹配，所以微粒對(duì)光有較強(qiáng)的散射作用，PDLC外觀呈現(xiàn)不透明或半透明乳白狀，此時(shí)處于"off state"（關(guān)態(tài)）；當(dāng)施加外電場(chǎng)作用后，由于正介電各向異性，所以液晶微粒的指向矢將沿外電場(chǎng)方向排列，如果液晶的尋常光折射率no與聚合物的折射率匹配的話，光可以通過(guò)PDLC膜，從而PDLC膜將呈現(xiàn)透明狀，此時(shí)處于"on state"（開(kāi)態(tài)）。若撤去外電場(chǎng)作用，則膜又恢復(fù)到"off state"。

液晶微滴中液晶分子的排列形態(tài)對(duì)PDLC膜的性質(zhì)有很大影響，本文用光學(xué)基本原理來(lái)討論液晶微滴中液晶分子的不同排列方式和液晶微滴的折射率的關(guān)系，并介紹了表征PDLC膜散射本領(lǐng)的重要參數(shù)的霧度概念及其測(cè)試方法和表征透光本領(lǐng)的重要參數(shù)的透光率的概念及其測(cè)試方法。

1PDLC膜的光學(xué)特性

PDLC膜液晶微滴中液晶分子排列有幾種方式，如軸向平行排列（Axial），輻射狀徑向垂面排列（Radial），西瓜狀雙極沿面排列（Bipolar）以及其他一些可能排列，這三種構(gòu)形對(duì)應(yīng)著不同的雙折射率，如圖1所示。

PDLC膜的原理是不加電場(chǎng)時(shí)聚合物與液晶微滴的折射率不匹配，造成光散射；施加電場(chǎng)時(shí)聚合物與液晶微滴的折射率相匹配，造成光透射。要使散射增強(qiáng)，聚合物與液晶微滴的平均折射率相差越大越好，液晶微滴尺寸越小越好，微滴中液晶分子排列在輻射狀徑向垂面排列或西瓜狀雙極沿面排列。要使透射態(tài)更亮，聚合物折射率np與液晶微滴的折射率no相差越小越好，液晶分子轉(zhuǎn)向電場(chǎng)方向，一定是處在軸向平行排列的方式。

2結(jié)論

影響PDLC膜光學(xué)性質(zhì)的因素諸多,其關(guān)斷散射態(tài)的霧度與膜的薄厚、液晶與聚合物的混合比、制備工藝過(guò)程、液晶微滴中液晶分子排列方式等因素密切相關(guān)；開(kāi)通透光態(tài)的透光率與液晶折射率和聚合物折射率的匹配程度、聚合物與液晶微滴界面相互作用，即錨定強(qiáng)度，及驅(qū)動(dòng)電壓等因素密切相關(guān)。充分認(rèn)識(shí)上述PDLC膜液晶微滴中液晶分子排列方式與液晶折射率的關(guān)系的光學(xué)特性，對(duì)于制備出關(guān)斷散射態(tài)很白而開(kāi)通透明態(tài)很透亮高對(duì)比度的PDLC膜具有一定的理論指導(dǎo)意義。表征PDLC膜關(guān)斷態(tài)散射本領(lǐng)的重要參數(shù)是霧度，一般PDLC膜關(guān)斷態(tài)的霧度值H(%)＞75；表征PDLC膜開(kāi)通態(tài)透光本領(lǐng)的參數(shù)是透光率，一般PDLC膜開(kāi)通態(tài)的透光率T(%)＞75。

參考文獻(xiàn)

[1] B.G. Wu, J.H. Erdmann, J.W. Doane, Liq. Cryst. 5 (1989) 1453.

[2] 王新久.液晶光學(xué)和液晶顯示[M].北京:科學(xué)出版社，2006:150-152, 182-184, 297-305.

[3] 任洪文，黃錫珉，王慶兵.PDLC的電光特性及其顯示特性改善的實(shí)驗(yàn)研究，液晶通訊，1995(9):170-184.

[4] 王慶兵,田顏青,高巖,孫睿鵬,黃錫珉.聚合物分散型液晶薄膜中折射率匹配的優(yōu)化[J].現(xiàn)代顯示，1997(2):15-17.

[5] 曾勃.聚合物分散液晶的制備及電光特性研究[R].電子科技大學(xué)碩士學(xué)位論文，2006(1).

[6] 王鳴哲，白如科，鄒應(yīng)芳等.聚合物網(wǎng)絡(luò)分散液晶復(fù)合膜的制備與性能研究[J].功能高分子學(xué)報(bào)，1997(12):449-455.

[7] 周慧琳，潘才元.環(huán)氧樹(shù)脂基PDLC膜的制備及其電光性能研究[J].功能高分子學(xué)報(bào)，1998(12):488-492.

[8] 任烘文，黃錫珉，凌志華等.聚合物分散液晶膜中液晶分子的電場(chǎng)取向效應(yīng)[J].液晶與顯示，1998(3):33-39.

[9] 錢祥忠.PDLC膜電學(xué)特性的研究[J].液晶與顯示 [J].2001(3)，16(1):22-25.

[10] 于天池，范志新，張翠云，李婧.聚合物分散液晶增強(qiáng)散射理想模型[J].光學(xué)學(xué)報(bào)，2008(9):1757-1760.

篇5

化工單元操作是實(shí)踐生產(chǎn)過(guò)程的總結(jié)和提煉，在教學(xué)過(guò)程中，注意聯(lián)系生產(chǎn)、科研中的成功或失敗的案例，同時(shí)穿插日常生活中的豐富、生動(dòng)的流體流動(dòng)、傳熱及傳質(zhì)的實(shí)例，加深對(duì)基本理論的理解，并靈活應(yīng)用所學(xué)知識(shí)，分析和處理工程問(wèn)題，以具體的實(shí)例和逼真的動(dòng)畫(huà)素材貫穿于各單元操作的介紹；把抽象的內(nèi)容轉(zhuǎn)化為形象的信息，激發(fā)他們的學(xué)習(xí)興趣，將豐富的實(shí)踐案例滲透在理論教學(xué)中，適時(shí)開(kāi)展“啟發(fā)式”和“討論式”教學(xué)，加深學(xué)生對(duì)化工單元的理解，提高他們的理論聯(lián)系實(shí)際分析問(wèn)題的能力，使學(xué)生在潛移默化中樹(shù)立工程觀點(diǎn)。

2對(duì)比、歸納教學(xué)方法

《化工原理》不同于理論基礎(chǔ)學(xué)科分析和邏輯推理，它注重于工程實(shí)際應(yīng)用，掌握好各單元操作知識(shí)和理論，有助于更好解決生產(chǎn)和生活中實(shí)際問(wèn)題，教學(xué)中抓住“傳遞過(guò)程原理”和“處理工程問(wèn)題的方法論”兩條主線，引導(dǎo)學(xué)生掌握和運(yùn)用對(duì)比、歸納等學(xué)習(xí)方法，加深對(duì)知識(shí)的理解和融會(huì)貫通。在動(dòng)量傳遞、傳熱和傳質(zhì)三傳過(guò)程中，微觀上是流體分子運(yùn)動(dòng)的結(jié)果，流體分子之間存在作用力，直接影響流體分子運(yùn)動(dòng)效果。宏觀上根據(jù)流體形態(tài)，把流體傳遞劃分為層流傳遞和渦流傳遞，采用相同微元平衡法來(lái)研究動(dòng)量，熱量和質(zhì)量的傳輸過(guò)程。對(duì)于層流傳遞，大都采用解析方法；而渦流傳遞則采用實(shí)驗(yàn)方法(量綱分析)。比較吸收中的最小液氣比與精餾中的最小回流比，我們發(fā)現(xiàn)它們都是操作線與相平衡線相交，通過(guò)解出操作線的斜率，求解得到最小液氣(或回流)比，在實(shí)際化工生產(chǎn)過(guò)程，采用液氣(或回流)比都是最小液氣(或回流)比1.1~2.0倍。再比較傳熱的對(duì)數(shù)平均溫差與吸收的對(duì)數(shù)平均推動(dòng)力，我們也發(fā)現(xiàn)它們都是兩種不同狀態(tài)流體采用逆流進(jìn)行傳熱或者傳質(zhì)，因?yàn)椴捎媚媪鞣绞竭M(jìn)行傳熱或傳質(zhì)推動(dòng)力最大，在干燥單元操作中，物料與空氣接觸也是通過(guò)這種逆流方式進(jìn)行傳熱和傳質(zhì)。在講解單元操作過(guò)程中時(shí)，通過(guò)對(duì)比的不同單元操作的知識(shí)點(diǎn)，學(xué)生容易抓住了實(shí)際工程問(wèn)題內(nèi)在因素相互聯(lián)系和統(tǒng)一，把復(fù)雜問(wèn)題簡(jiǎn)單化，能啟發(fā)學(xué)生運(yùn)用理論解決工程類似問(wèn)題。

通過(guò)歸納總結(jié)，各單元操作根據(jù)現(xiàn)象和過(guò)程的物理機(jī)理，以能量平衡(或相平衡)、物料衡算為起點(diǎn)，逐次展開(kāi)原理和公式、操作性和設(shè)計(jì)性計(jì)算、設(shè)備構(gòu)造以及影響因素分析等內(nèi)容，計(jì)算、設(shè)備構(gòu)造、影響因素又以基本原理和公式方程為依據(jù)，環(huán)環(huán)相扣，層層推進(jìn)，顯示出相似的研究方法。但三傳各單元操作之間并不是簡(jiǎn)單的重復(fù)，而是各操作單元重點(diǎn)特點(diǎn)各異。要求學(xué)生每學(xué)完一章(或一個(gè)單元操作)之后，要運(yùn)用簡(jiǎn)練的文字和公式，把該章節(jié)的基本理論、主要公式及設(shè)備和工程應(yīng)用等主要內(nèi)容聯(lián)系起來(lái)，使知識(shí)系統(tǒng)化。如流體流動(dòng)可通過(guò)連續(xù)性方程、機(jī)械能衡算方程和阻力方程三個(gè)主要關(guān)系式把流體流動(dòng)的基本原理及相關(guān)的計(jì)算公式有機(jī)地構(gòu)成一個(gè)知識(shí)網(wǎng)絡(luò)。同樣地，傳熱章節(jié)內(nèi)容可通過(guò)總傳熱速率方程和熱平衡方程有機(jī)地貫聯(lián)起來(lái)。教學(xué)過(guò)程中除了教授學(xué)生掌握化工原理知識(shí)方法，更要引導(dǎo)和啟發(fā)學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)理論知識(shí)分析解決實(shí)際化工問(wèn)題能力培養(yǎng)。例如，在離心泵理論壓頭公式推導(dǎo)過(guò)程中，葉輪前彎利于得到高的理論壓頭，流體可以獲得較高動(dòng)能，動(dòng)能所占比例增大，但在轉(zhuǎn)化為靜壓能過(guò)程中，會(huì)有比較大的機(jī)械能損失，使泵的效率降低，所以離心泵采用后彎葉片，而風(fēng)機(jī)主要要求送氣量大，不追求效率，用前彎葉片利于減少葉輪和風(fēng)機(jī)的直徑。

3通過(guò)課程設(shè)計(jì)，增強(qiáng)學(xué)生工程觀念

化工原理課程設(shè)計(jì)是培養(yǎng)學(xué)生的運(yùn)用有限的理論解決實(shí)際工程問(wèn)題的教學(xué)環(huán)節(jié)，在設(shè)計(jì)時(shí)首先要從操作基本原理考慮可能性，知道解決工程問(wèn)題的方法有多種，其次運(yùn)用公式方程進(jìn)行設(shè)計(jì)性計(jì)算來(lái)分析技術(shù)上的可行性，在運(yùn)用書(shū)上的公式中，進(jìn)一步加深學(xué)生對(duì)公式出處和用途的理解，計(jì)算過(guò)程中對(duì)有些數(shù)據(jù)的選取，只能依據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)值范圍和趨勢(shì)去判斷，結(jié)果肯定有一定程度的誤差，這些又直接影響后續(xù)具體設(shè)備的選型。這就需要學(xué)生進(jìn)一步從運(yùn)行效益上考慮操作費(fèi)和設(shè)備費(fèi)的合理性，最后還需學(xué)生從安全和環(huán)保方面來(lái)考慮具體設(shè)備的選型。這些都要求學(xué)生對(duì)所學(xué)知識(shí)充分理解，對(duì)實(shí)際工程問(wèn)題的要深層次了解，方方面面進(jìn)行分析，從多方面考慮中篩選出最佳方案。通過(guò)課程設(shè)計(jì)的訓(xùn)練使學(xué)生進(jìn)一步完善和加深理解所掌握的理論知識(shí)，培養(yǎng)學(xué)生在實(shí)際中研究、分析、解決問(wèn)題的能力，鞏固學(xué)生全面分析和解決工程問(wèn)題觀念，達(dá)到化工原理課程設(shè)計(jì)創(chuàng)造性和工程性的教學(xué)目的，為學(xué)生綜合和創(chuàng)新解決實(shí)際問(wèn)題能力的培養(yǎng)打下了基礎(chǔ)。如精餾塔設(shè)計(jì)中，適宜回流比確定是個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題，需要從操作原理，技術(shù)、經(jīng)濟(jì)等方面來(lái)考慮影響因素，才能優(yōu)化精餾塔設(shè)計(jì)方案。

4結(jié)語(yǔ)

篇6

Energy Autonomous Micro and Nano Systems

2012，384p

Hardcover

ISBN9781848213579

Marc Belleville等

自給能量系統(tǒng)指的是在無(wú)外接電源情況下，依靠自身獲取的外界能量可以正常運(yùn)行的系統(tǒng)，通常包括傳感器或執(zhí)行器、能量收集和轉(zhuǎn)換器件、信息存儲(chǔ)與處理以及無(wú)線通訊單元。自給能量微納系統(tǒng)是指可以自己供給能量的微納系統(tǒng)。美國(guó)伯克利大學(xué)研究的著名的“智能塵?！本褪瞧渲械囊粋€(gè)典范。隨著微電子技術(shù)迅速發(fā)展，各種芯片的功耗不斷降低，能量收集、轉(zhuǎn)換和存儲(chǔ)技術(shù)的不斷提高，使得自給能量微納系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)變成可能。

本書(shū)介紹了自給能量微納系統(tǒng)面臨的挑戰(zhàn)和最新的技術(shù)，前三章主要引入自給能量系統(tǒng)的應(yīng)用前景，為引入后續(xù)的技術(shù)章節(jié)做了很好的鋪墊，技術(shù)章節(jié)幾乎涵蓋了所有與自主系統(tǒng)相關(guān)的內(nèi)容，并且講述了與電子學(xué)相關(guān)的物理、材料和技術(shù)，共包括13章：引言，介紹自給能量微納系統(tǒng)和本書(shū)的內(nèi)容框架；1.建筑物控制核心的傳感器，主要講述了建筑物控制中傳感器類別和新需求，并介紹了應(yīng)用案例；2.面向自給能量醫(yī)學(xué)植入器件，主要講述了自給能量醫(yī)學(xué)植入器件現(xiàn)在以及潛在的應(yīng)用；3.航天領(lǐng)域中的自給能量系統(tǒng)，主要說(shuō)明了航天領(lǐng)域中自給能量系統(tǒng)的特征，并從無(wú)線系統(tǒng)和生存系統(tǒng)方面進(jìn)行分析；4.基于光伏效應(yīng)能量收集，主要講述了基于光伏效應(yīng)的能量收集技術(shù)—光伏電池；5.機(jī)械能量收集，講述了機(jī)械能量收集的能源來(lái)源以及各種原理，并對(duì)機(jī)械能量收集的未來(lái)進(jìn)行展望；6.熱能收集，講述了熱能收集原理、發(fā)展趨勢(shì)以及實(shí)現(xiàn)限制和優(yōu)化；7.鋰微電池，鋰微電池發(fā)展現(xiàn)狀以及小型化的發(fā)展趨勢(shì)，并講述了鋰微電池在自主系統(tǒng)中的應(yīng)用；8.超低功耗傳感器，講述了電路一些基本概念，詳述了電容傳感器檢測(cè)電路最新進(jìn)展，討論了電阻傳感器超低功耗檢測(cè)的實(shí)現(xiàn)方法；9.自主系統(tǒng)的超低功耗信號(hào)處理，講述了自主系統(tǒng)的超低功耗信號(hào)處理方法，處理器的構(gòu)架和性能，以及長(zhǎng)期休眠自主系統(tǒng)的基本挑戰(zhàn)；10.超低功耗射頻通訊及協(xié)議，講述了超低功耗射頻通訊及相關(guān)通訊協(xié)議，并對(duì)目前處于研究階段的解決方案進(jìn)行分析；11.自主微系統(tǒng)中的能量管理，講述了自主微系統(tǒng)中能量管理的實(shí)現(xiàn)方法，并討論了能量?jī)?yōu)化管理技術(shù)；12.傳感器網(wǎng)絡(luò)能量效率優(yōu)化，從軟硬件兩個(gè)方面講述傳感器網(wǎng)絡(luò)中能量效率優(yōu)化的實(shí)現(xiàn)方法。

本書(shū)詳細(xì)綜述了自給能量微納系統(tǒng)領(lǐng)域中的基本原理和最新進(jìn)展，深入研究了自給能量微納系統(tǒng)在航空健康和使用監(jiān)測(cè)、醫(yī)療植入器件以及家庭自動(dòng)化中的應(yīng)用，介紹了光伏、熱和機(jī)械能量收集與存儲(chǔ)技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀以及最新成果；綜述了超低功耗傳感器接口，數(shù)字信號(hào)處理和無(wú)線通信的最新研究狀況，并討論了傳感器節(jié)點(diǎn)和傳感器網(wǎng)絡(luò)層次上的能源優(yōu)化技術(shù)，適合從事自給能量微納系統(tǒng)研究的研究生、研究人員以及專業(yè)人士閱讀使用。

作者M(jìn)arc Belleville教授于1980年獲得格勒諾布爾國(guó)立理工學(xué)院博士學(xué)位，1985年加入CEALETI，現(xiàn)在是微納米技術(shù)創(chuàng)新中心（MINATEC）的體系結(jié)構(gòu)、IC設(shè)計(jì)和嵌入式軟件事業(yè)部的研究總監(jiān)和首席科學(xué)家，研究興趣集中在設(shè)計(jì)和先進(jìn)技術(shù)（例如SOI、異構(gòu)或3D設(shè)計(jì)）之間的相互作用，是CARTENE科學(xué)委員會(huì)兩個(gè)工作組：“能量自治系統(tǒng)：設(shè)備、技術(shù)和系統(tǒng)未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)”和“面向超越2015：技術(shù)、設(shè)備、電路和系統(tǒng)” 的活躍成員。

杜利東，助理研究員

（中國(guó)科學(xué)院電子學(xué)研究所）

篇7

關(guān)鍵詞： MEMS； 海洋湍流傳感器； 惠斯通電橋； 風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)

中圖分類號(hào)： TN61?34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2016）01?0137?03

海洋湍流[1?2]對(duì)整個(gè)海洋系統(tǒng)是非常重要的，影響著海洋生產(chǎn)力、生物種群的分布和海洋能量傳遞[3?5]。目前常使用的海洋湍流傳感器是加拿大SPM系列和德國(guó)的PNS系列剪切流傳感器，它們主要由壓電陶瓷作為主要的傳感器元件[6]。隨著人們對(duì)海洋觀測(cè)技術(shù)的不斷發(fā)展，MEMS技術(shù)也逐漸進(jìn)入海洋觀測(cè)技術(shù)研究領(lǐng)域[7]。MEMS傳感器是采用微機(jī)械加工技術(shù)制造的新型傳感器，隨著微電子技術(shù)、集成電路技術(shù)和加工工藝的發(fā)展，MEMS傳感器以體積小、重量輕、功耗低、可靠性高、易于集成等特點(diǎn)，迅速在消費(fèi)電子產(chǎn)品、汽車工業(yè)、機(jī)械和化工等各領(lǐng)域得到應(yīng)用[8]。海洋湍流也是物理海洋的重要研究方向，對(duì)海洋湍流的觀測(cè)離不開(kāi)傳感器的應(yīng)用，因此，應(yīng)用MEMS的優(yōu)點(diǎn)設(shè)計(jì)MEMS海洋湍流傳感器。本文介紹了MEMS海洋湍流傳感器芯片測(cè)量基本原理，重點(diǎn)對(duì)傳感器芯片進(jìn)行試驗(yàn)研究。

1 傳感器芯片的基本原理

傳感器芯片采用壓阻式的設(shè)計(jì)，基本結(jié)構(gòu)如圖1所示，它由中央硅膜、敏感梁和支撐基構(gòu)成梁膜結(jié)構(gòu)。敏感梁作為主要敏感部位，上面布置一個(gè)惠斯通電橋[9]。當(dāng)外界響應(yīng)作用于中央硅膜時(shí)，使中央硅膜產(chǎn)生形變，從而帶動(dòng)敏感梁發(fā)生形變。這種形變使得布置在敏感梁上的惠斯通電橋的電阻變形從而發(fā)生電阻變化，打破惠斯通電橋的平衡狀態(tài)，輸出電壓信號(hào)。圖2是由MEMS傳感器芯片制作的實(shí)物。

2 傳感器芯片的測(cè)試實(shí)驗(yàn)

2.1 風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)的主要設(shè)備有供電電源、傳感器、萬(wàn)用表、鼓風(fēng)機(jī)以及傳感器的采集電壓設(shè)備，采集設(shè)備使用的是National Instruments 公司的PXle?6368采集卡，分辨率為16位，輸入阻抗是100 GΩ。圖3是實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)的照片，可以清楚地看到實(shí)驗(yàn)設(shè)備的放置。風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)中采取兩種測(cè)試方式：第一種是有風(fēng)無(wú)風(fēng)交替時(shí)對(duì)MEMS傳感器和剪切流傳感器作用的實(shí)驗(yàn)；第二種是不同風(fēng)速下對(duì)MEMS傳感器作用的實(shí)驗(yàn)。

第一種有風(fēng)無(wú)風(fēng)交替時(shí)對(duì)MEMS傳感器和剪切流傳感器作用的實(shí)驗(yàn)步驟：

（1） 設(shè)置NI采樣頻率為1 kHz，采集30 s（30 000個(gè)電壓值）。

（2） 在30 s內(nèi)，開(kāi)始先堵住出風(fēng)口，讓風(fēng)無(wú)法通過(guò)剪切流傳感器和MEMS傳感器的時(shí)間為5 s。

（3） 然后打開(kāi)出風(fēng)口5 s，讓剪切流傳感器和MEMS傳感器有風(fēng)通過(guò)。

（4） 剪切流傳感器和MEMS傳感器無(wú)風(fēng)通過(guò)5 s后再讓剪切流傳感器和MEMS傳感器有風(fēng)通過(guò)5 s。

（5） 30 s后記錄完整輸出電壓。

圖4是MEMS傳感器與剪切流傳感器有風(fēng)無(wú)風(fēng)時(shí)交替實(shí)驗(yàn)對(duì)比結(jié)果，圖中上方是剪切流傳感器，下方是MEMS傳感器。從圖中可以明顯看到有風(fēng)和無(wú)風(fēng)時(shí)兩種傳感器輸出電壓的變化。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出MEMS傳感器有著良好的特性，當(dāng)外界激勵(lì)作用于傳感器時(shí)，傳感器輸出響應(yīng)有著明顯變化。

第二種是不同風(fēng)速下對(duì)MEMS傳感器作用的實(shí)驗(yàn)步驟：

（1） 實(shí)驗(yàn)器材放置與圖3相同，設(shè)置NI采樣頻率為1 kHz，采集3 000個(gè)電壓值。

（2） 調(diào)節(jié)不同風(fēng)速的大小，用NI采集不同風(fēng)速下MEMS傳感器的輸出電壓值。

（3） 將記錄的數(shù)據(jù)畫(huà)成橫軸為風(fēng)速，縱軸為電壓的圖像。

在每一種風(fēng)速下MEMS傳感器輸出電壓值有3 000個(gè)值，把3 000個(gè)值用下式的方法擬合成一個(gè)值。其中[U1，U2，…，Un]代表3 000個(gè)電壓值的每一個(gè)電壓值，[U]代表3 000個(gè)電壓值最后的計(jì)算結(jié)果。

[U=U21+U22+…+U2nn，， n=1，2，…，3 000]

每一種風(fēng)速下3 000個(gè)電壓值使用上式計(jì)算得到的電壓值與風(fēng)速畫(huà)成的曲線如圖5所示，并對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)做了三次多項(xiàng)式擬合[10]，把實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合成曲線。從圖中可以得知擬合的曲線平滑而且比較線性。

2.2 水下實(shí)驗(yàn)

為了測(cè)試MEMS傳感器水下的性能，設(shè)計(jì)了在恒流速水槽中的實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)主要設(shè)備有供電電源、傳感器、萬(wàn)用表、恒流速水槽、流速計(jì)以及傳感器的采集電壓設(shè)備，采集電壓設(shè)備使用的是National Instruments公司的PXle?6368采集卡，采集卡的分辨率為16位，輸入阻抗是100 GΩ。圖6是MEMS傳感器在恒流速水槽中的實(shí)驗(yàn)照片。在水下實(shí)驗(yàn)中水中靜態(tài)實(shí)驗(yàn)即在0 m/s流速下MEMS傳感器的輸出響應(yīng)和動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)。

動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)步驟為：

（1） 調(diào)整流速，設(shè)置NI采樣頻率為1 kHz，采集30 s（30 000個(gè)電壓值）。

（2） 在30 s內(nèi)，開(kāi)始先讓MEMS傳感器不放入水中的時(shí)間是5 s。

（3） 然后把MEMS傳感器放入恒流速水槽，使水流對(duì)傳感器產(chǎn)生的響應(yīng)時(shí)間是5 s。

（4） MEMS傳感器拿出恒流速水槽的時(shí)間是5 s。

（5） 30 s后記錄完整的輸出電壓。

圖7是MEMS傳感器在流速為0 m/s與0.192 m/s下傳感器的輸出電壓對(duì)比，兩種流速下電壓幅值的差值很明顯，用式（1）的計(jì)算方法對(duì)兩種電壓進(jìn)行計(jì)算可以得出兩者差值是75.6 mV。從圖8中可以明顯得知在有水流和沒(méi)有水流對(duì)MEMS傳感器輸出電壓的響應(yīng)，并且在0.219 m/s時(shí)的電壓峰峰值大于0.192 m/s時(shí)的峰峰值。因此，MEMS傳感器在水中性能良好，設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)方案能夠得到預(yù)期的結(jié)果。

3 結(jié) 語(yǔ)

MEMS傳感器通過(guò)梁膜的結(jié)構(gòu)運(yùn)用壓阻的方式實(shí)現(xiàn)外界對(duì)傳感器的響應(yīng)變化。通過(guò)在風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)中有風(fēng)無(wú)風(fēng)交替對(duì)MEMS傳感器和剪切流傳感器作用的實(shí)驗(yàn)和不同風(fēng)速下對(duì)MEMS傳感器作用的實(shí)驗(yàn)，很好地驗(yàn)證了傳感器的性能，并且在恒流速水槽中進(jìn)行水下實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證MEMS傳感器的水下性能。通過(guò)以上實(shí)驗(yàn)證明了MEMS傳感器具有良好的基本性能。

參考文獻(xiàn)

[1] THORPE S A. An introduction to ocean turbulence [M]. Cambridge： Cambridge University Press， 2007.

[2] LUECK R G， WOLK F， YAMAZAKI F. Oceanic velocity microstructure measurements in the 20th century [J]. Journal of Oceanography， 2002， 58（1）： 153?174.

[3] MACOUNT P， LUECK R. Modeling the spatial response of the airfoil shear probe using different sized probes [J]. Journal of Atmospheric and Oceanic Technology， 2004， 21： 284?297.

[4] 魏皓，武建平，張平.海洋湍流模式應(yīng)用研究[J].青島海洋大學(xué)學(xué)報(bào)，2001，31（1）：7?13.

[5] 趙亮，魏皓.渤海垂直湍流混合強(qiáng)度季節(jié)變化的數(shù)值模擬[J].青島海洋大學(xué)學(xué)報(bào)，2001，31（3）：313?318.

[6] 董葉梓，張鵬，張鎖平.MEMS傳感器技術(shù)及其在海洋觀測(cè)中的應(yīng)用[J].信息技術(shù)，2013（4）：141?144.

[7] 谷磊.海洋微結(jié)構(gòu)剪切流傳感器及其載體設(shè)計(jì)方法與實(shí)驗(yàn)研究[D].天津：天津大學(xué)，2011.

[8] 王淑華.MEMS傳感器現(xiàn)狀及應(yīng)用[J].微納電子技術(shù)，2011，48（8）：516?522.

篇8

關(guān)鍵詞:ADCP技術(shù)；水文測(cè)驗(yàn)；基本原理；結(jié)果分析

中圖分類號(hào)：P331 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：

1引言

水文流量測(cè)驗(yàn)作為城市水文工作的重要內(nèi)容，是我國(guó)城市一項(xiàng)重要的基礎(chǔ)性工作，在促進(jìn)水利規(guī)劃、防汛抗洪和水資源合理利用等方面發(fā)揮著不可替代的作用，與此同時(shí)業(yè)界人士對(duì)于城市水文流量測(cè)驗(yàn)工作的質(zhì)量也提出了更高的要求。目前，傳統(tǒng)的流速儀由于存在測(cè)量效率較低、測(cè)量結(jié)構(gòu)不準(zhǔn)確等缺點(diǎn)，在發(fā)生特殊水情的情況下，無(wú)法滿足城市水文流量測(cè)驗(yàn)的要求，在一定程度上制約了水文站管理人員決策的可靠性。而ADCP技術(shù)作為近年來(lái)發(fā)展速度較快的一種新型技術(shù)，具有測(cè)驗(yàn)歷時(shí)短、效率高、精度高和成本低等優(yōu)點(diǎn)，能夠較好彌補(bǔ)流速儀的不足之處，降低水文站工作人員的測(cè)量壓力，并解決水文流量測(cè)驗(yàn)中存在的一些工作難點(diǎn)。本文通過(guò)探討ADCP在水文流量測(cè)驗(yàn)工作中的比測(cè)研究，以期確保ADCP測(cè)驗(yàn)的水深、流速和流量等指標(biāo)能夠滿足水文站的要求。

2 ADCP基本原理

ADCP測(cè)量水流速度是采用多普勒聲學(xué)原理，基于兩個(gè)基本假定:①浮游物是隨水流運(yùn)動(dòng)且流速相同;②四個(gè)波束測(cè)同一個(gè)流速矢量。

測(cè)量時(shí)ADCP向水中發(fā)射固定頻率的聲波短脈沖，這些脈沖波碰到水中的散射體(浮游生物、泥沙等)將發(fā)生散射，根據(jù)散射體返回的聲波頻率變化計(jì)算出流速、流向。數(shù)據(jù)采集模式為底部跟蹤。當(dāng)?shù)撞苛魃碀舛容^大而造成底部不穩(wěn)定時(shí)，可用GPS校正底部移動(dòng)，外部羅經(jīng)校正流向。流量計(jì)算分五大部分，即中層(實(shí)測(cè)區(qū))、表層、底層、左岸邊和右岸邊(盲區(qū))的流量推算，其流量計(jì)算公式分別為:

式中:

Qt、Qm、Qr、Qb、Qd、Qσ一分別表示總流量和中層流量、表層流量、底層流量、左岸邊流量、右岸邊流量;

Vxm和Vym一中層平均流速的X和Y方向分量;

Vbx和瑪Vby一X和Y方向的測(cè)船速度分量;

Vxt和Vyt一表層平均流速X和Y方向分量;

Vxb和Vyb一底層平均流速X和Y方向分量;

Z2和Z1一河底至最后一個(gè)有效單元下邊界的高度和河底至第一個(gè)有效單元上邊界的高度;

t一呼集合(對(duì)應(yīng)于微斷面測(cè)驗(yàn)采樣)時(shí)間平均步長(zhǎng);

H和m一微斷面處水深和微斷面總數(shù);

Aal、Aar;左、右岸邊區(qū)域面積;

al、ar;一左、右岸邊流速系數(shù);

Vml和Vmr一起點(diǎn)微斷面和終點(diǎn)微斷面平均流速。

ADCP法的測(cè)驗(yàn)方式與傳統(tǒng)的流速儀法不同，它是隨作業(yè)船運(yùn)動(dòng)過(guò)程中進(jìn)行測(cè)驗(yàn)，且作業(yè)船航行的軌跡可以是斜線或曲線。ADCP測(cè)流軟件不是直接根據(jù)面積和流速來(lái)計(jì)算河道流量，而是先計(jì)算每個(gè)測(cè)流水深單元的水流速度和船速矢量叉乘積，再對(duì)每個(gè)測(cè)流單元的流量沿河寬累加。

3比測(cè)情況

3.1比測(cè)斷面概況

某水文站流域面積為1523041kmZ，測(cè)驗(yàn)河段上、下游均較順直，左岸堤邊有淺灘，右岸為石砌護(hù)岸防洪墻。流速儀測(cè)流斷面河床大部分為沙土組成，在中低水期主亂在800～1300m之間，流速橫向分布與斷面形狀基本相應(yīng)，高洪水期在起點(diǎn)距15Om～510m之間流速較大，使斷面流速橫向分布呈馬鞍型，形成兩個(gè)主亂，汛期出現(xiàn)大洪水后，斷面沖淤變化較大。

3.2采用設(shè)備

因水文站的河床組成導(dǎo)致左岸沖淤變化大，ADCP“動(dòng)底”現(xiàn)象嚴(yán)重，底跟蹤施測(cè)流量明顯出現(xiàn)偏小現(xiàn)象，而且是鐵質(zhì)測(cè)船，在比測(cè)時(shí)采用高精度差分GPS和外部羅徑的GGA組合方式來(lái)解決測(cè)船運(yùn)動(dòng)速度和流量計(jì)算，解決了因“動(dòng)底”(底跟蹤施測(cè)船速不正確)引起的流量偏小。根據(jù)ADCP安裝環(huán)境和斷面實(shí)際情況，采用ADCP、差分GPS和GPS羅經(jīng)構(gòu)成ADCP測(cè)流系統(tǒng)。

(l) ADCP

測(cè)驗(yàn)使用聲學(xué)多普勒流速剖面儀是RD Instruments公司研究和制造的駿馬系列瑞江牌600kz的ADCP，測(cè)流軟件采用Win River Version1.04。

(2)GPS

GPS選用的是美國(guó)SDS公司生產(chǎn)的NAV-COMSF-2O5OG雙頻星站差分GPS，單臺(tái)定位精度優(yōu)于15cm，l0HZ GGA數(shù)據(jù)格式輸出。

(3)羅經(jīng)

外部羅經(jīng)采用的是泰雷茲導(dǎo)航定位公司的3011 GPS羅經(jīng)儀，是一種擁有2個(gè)GPS天線，同時(shí)從每個(gè)天線接受多達(dá)12顆衛(wèi)星的信號(hào)來(lái)快速計(jì)算出一個(gè)天線相對(duì)于另一個(gè)天線的位置，提供0.5度定向精度(分辨率為0.5度、10HZ數(shù)據(jù)輸出)的數(shù)字化羅經(jīng)。

3.3比測(cè)方法

3.3.1斷面流量

在各水位(流量)級(jí)和不同的來(lái)水來(lái)沙條件下進(jìn)行比測(cè)試驗(yàn)，以確定ADCP在該站適用的水位(流量)級(jí)范圍。并與轉(zhuǎn)子式流速儀法流量進(jìn)行比較。分析ADCP與轉(zhuǎn)子式流速儀法兩種資料系列間的誤差。由流速儀法實(shí)測(cè)流量與ADCP 計(jì)算的斷面平均流量進(jìn)行對(duì)比，按照《水文資料整編規(guī)范》要求進(jìn)行精度分析、3種檢驗(yàn)，分析成果見(jiàn)表3，結(jié)果顯示，系統(tǒng)誤差達(dá)標(biāo)，3 種檢驗(yàn)均通過(guò)。流量比測(cè)統(tǒng)計(jì)如表1所示。

表1 流量比測(cè)統(tǒng)計(jì)

ADCP 在水文流量測(cè)驗(yàn)中， 充分顯示了該儀器的先進(jìn)性， 有著與常規(guī)流速儀無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)。

3.3.2測(cè)點(diǎn)流速

在垂線上按測(cè)點(diǎn)方式對(duì)將ADCP與轉(zhuǎn)子式流速儀(流速流向儀)比測(cè)，推求確定不同流量級(jí)垂線流速分布與推求插補(bǔ)模型(冪指數(shù)或常數(shù))，并且分析摘錄測(cè)點(diǎn)流速的精度。

3.3.3特征值比較

最大流速、最大水深、邊界流量等特征值的比較。

3.4比測(cè)范圍

該水文站采用走航式ADCP與常規(guī)流速儀法共進(jìn)行了40次斷面流量、96條線垂線和480點(diǎn)測(cè)點(diǎn)流速比測(cè)。各要素比測(cè)范圍見(jiàn)表2。

表2 ADCP與轉(zhuǎn)子流速儀比測(cè)范圍表

4精度分析

考慮轉(zhuǎn)子式流速儀已經(jīng)形成了較長(zhǎng)系列的水文資料，所以本次ADCP比測(cè)的誤差統(tǒng)計(jì)以常規(guī)流速儀法測(cè)驗(yàn)成果為“真值”，利用數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法和公式，統(tǒng)計(jì)或估算各項(xiàng)比測(cè)誤差。

首先, 用現(xiàn)流量測(cè)驗(yàn)規(guī)范的方法, 在水文測(cè)驗(yàn)斷面根據(jù)事先布設(shè)好的流量測(cè)速垂線借助水文纜道, 采用常用的流速儀一點(diǎn)法( 0.6) 進(jìn)行流量測(cè)驗(yàn), 作為已知真值以便和ADCP的測(cè)驗(yàn)值進(jìn)行比較； 然后在水位無(wú)變化的情況下借用水文纜道, 運(yùn)用雙測(cè)回的方式, 并根據(jù)規(guī)范規(guī)定剔除單次測(cè)驗(yàn)超出 +5% 儀器測(cè)驗(yàn)誤差的測(cè)回流量, 剔除后追加測(cè)回, 取其平均值作為一個(gè)樣本。比測(cè)實(shí)驗(yàn)提取了不同水位情況下33 份同步流量測(cè)驗(yàn)資料, 點(diǎn)繪相關(guān)關(guān)系圖(見(jiàn)圖1 ), 相關(guān)關(guān)系達(dá)0.9867, 率定出走航式ADCP 與流速儀法(真值) 之間的折算系數(shù)1.0007。參照單次流量測(cè)驗(yàn)允許誤差, 依照規(guī)范二類精度的站, 高水控制在6% , 中水控制在7% , 低水控制在10% 的范圍內(nèi)。該比測(cè)的系統(tǒng)誤差為-1.36%, 在-2% ～1%范圍內(nèi), 允許誤差指標(biāo)應(yīng)滿足GB50179- 93的規(guī)定, 誤差符合測(cè)驗(yàn)精度的要求, 其折算系數(shù)可以作為選用斷面處ADCP進(jìn)行流量測(cè)驗(yàn)時(shí)使用。

圖1 ADCP與流速儀測(cè)驗(yàn)流量相關(guān)關(guān)系圖

4.1流量

斷面流量比測(cè)40次，其各項(xiàng)特征值統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表3。

表3流且測(cè)驗(yàn)特征值精度統(tǒng)計(jì)表

從表2中可看出采用BTM模式的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)差為8.83%，系統(tǒng)誤差-7.26%;GGA模式相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)差為1.47%，系統(tǒng)誤差1.46%。

4.2測(cè)點(diǎn)流速

測(cè)點(diǎn)流速比測(cè)32次，共比測(cè)480點(diǎn)，將ADCP的BTM、GGA流速分別與流速儀法流速單獨(dú)進(jìn)行誤差統(tǒng)計(jì)，見(jiàn)表4。在GGA模式下相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)差為7.86%，系統(tǒng)誤差-0.70%。但在BTM模式下相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)差為15.62%，系統(tǒng)誤差-12.28%，隨著流量增大BTM模式下施測(cè)的流速偏小越來(lái)越大，其誤差隨著增大。

表4測(cè)點(diǎn)流速精度統(tǒng)計(jì)表

4.3最大流速

將ADCP的摘錄最大流速與轉(zhuǎn)子式流速儀法進(jìn)行誤差統(tǒng)計(jì)，見(jiàn)表5。ADCP的最大流速與流速儀法相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)差為6.87%，系統(tǒng)誤差20.86%，偏大的原因是ADCP挑選的最大流速不在流速儀法的垂線位置上，比較沒(méi)有可比性。但ADCP四次的最大流速與其平均值統(tǒng)計(jì)，相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)差為3.52%，系統(tǒng)誤差-0.05%，說(shuō)明四次挑選結(jié)果基本是一致的。

表5斷面最大流速精度統(tǒng)計(jì)表

4.4平均水深和最大水深

通過(guò)對(duì)32次ADCP流量測(cè)驗(yàn)的平均水深和最大水深統(tǒng)計(jì)比較，平均水深相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)差為1.8%，系統(tǒng)誤差1.1%，最大水深相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)差為1.2%，系統(tǒng)誤差0.2%。

5結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)探討ADCP在水文流量測(cè)驗(yàn)工作中的比測(cè)研究可知，水文站流量斷面在超過(guò)20000m3/S時(shí)，來(lái)自河底床面泥沙運(yùn)動(dòng)的速度會(huì)導(dǎo)致水文流量測(cè)驗(yàn)結(jié)果不準(zhǔn)確。因此，水文站需要配備高精度的星站差分GPS和GPS羅經(jīng)，以解決因“動(dòng)底”產(chǎn)生的船速失真，從而確保水文流量測(cè)量的準(zhǔn)確性，為水文站的決策提供科學(xué)的指導(dǎo)。

參考文獻(xiàn)

篇9

QCM（Quartz Crystal Microbalance）是由AT切石英晶體片和鍍?cè)谄渖舷卤砻娴慕饘匐姌O構(gòu)成的一種諧振式傳感器。其結(jié)構(gòu)如圖1所示。QCM作為微質(zhì)量傳感器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、振動(dòng)Q值大、靈敏度高、測(cè)量精度可以達(dá)到納克量級(jí)的優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于化學(xué)、物理、生物、醫(yī)學(xué)和表面科學(xué)等領(lǐng)域中，用以進(jìn)行氣體、液體的成分分析以及微質(zhì)量的測(cè)量、薄膜厚度的檢測(cè)等。根據(jù)需要，還可以在金屬電極上有選擇地鍍膜，進(jìn)一步拓寬其應(yīng)用。例如，若在電極表面加一層具有選擇性的吸附膜，可用來(lái)探測(cè)氣體的化學(xué)成分或監(jiān)測(cè)化學(xué)反應(yīng)的進(jìn)行情況。因傳感器等。隨著生物科學(xué)的蓬勃發(fā)展，QCM作為基因傳感器在生物領(lǐng)域的應(yīng)用有著廣闊前景。

在國(guó)外，QCM在氣相中的應(yīng)用已經(jīng)相當(dāng)成熟，近幾年，對(duì)液相中的QCM應(yīng)用的研究也取得了很大進(jìn)步，并且已經(jīng)出現(xiàn)了很多商品化的產(chǎn)品，但是它們的價(jià)格非常昂貴。國(guó)內(nèi)的相關(guān)研究相對(duì)較少。本文提出了一種基于DSP的QCM信號(hào)在線采集系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要由高頻信號(hào)發(fā)生器、QCM傳感器和信號(hào)采集處理部分組成，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低。借助DSP強(qiáng)大的數(shù)字信號(hào)處理功能，實(shí)現(xiàn)了在線測(cè)量，并且保證了較高的測(cè)量精度。

1 QCM測(cè)量原理

石英是具有壓電性質(zhì)的物質(zhì)之一，當(dāng)外加交變電壓的頻率為某一特定頻率時(shí)，石英晶片振幅會(huì)急劇增加，這就是壓電諧振。

1959年Sauerbrey在假定外加持量均勻剛性地附著于QCM的金電極表面的條件下，得出了QCM的諧振頻率變化與外加質(zhì)量成正比的結(jié)論。即：

式中，Δf為QCM諧振頻率的變化；f0o QCM的基頻；c66為石英的辰電強(qiáng)化剪切模量；pq為石英的密度：2.65lg/cm3；A為金電極的面積；Sf為傳感器的靈敏度；Δm為電極表面的質(zhì)量變化。通過(guò)（1）式可得到QCM電極表面的質(zhì)量變化。由于QCM的靈敏度很高，可以達(dá)到納克級(jí)，并且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，因此一問(wèn)世就得到了廣泛的應(yīng)用，如用于真實(shí)或空氣中膜的厚度檢測(cè)等。

20世紀(jì)90年代以來(lái)，隨著研究的深入，QCM在液相中也取得了廣泛的應(yīng)用，主要用于生物、化學(xué)等領(lǐng)域的檢測(cè)中。1982年Monura和Okuhara最先提出了可以在液相中驅(qū)動(dòng)QCM振動(dòng)的電路，將QCM的應(yīng)用擴(kuò)大到了液相。1985年Kanazawa和Gordon推出了QCM在牛頓流體中振蕩時(shí)其諧振頻率變化與液體的粘度和密度的關(guān)系式，即：

從式（1）、（2）可以看出，QCM諧振頻率的變化量Δf是關(guān)鍵的待測(cè)量。

2 系統(tǒng)方案

目前驅(qū)動(dòng)QCM振動(dòng)并采集其輸出信號(hào)的方法主要有兩種：（1）振蕩電路法；（2）頻譜分析法。振蕩電路法的基本原理為：將QCM接入自激振蕩電路中，使其構(gòu)成選頻元件，電路的振蕩頻率等于QCM的諧振頻率。通過(guò)電路振蕩頻率的變化可得到QCM諧振頻率的變化，從而可推測(cè)出待測(cè)物質(zhì)性質(zhì)的變化。頻譜分析法的基本原理為：掃描QCM在其諧振頻率附近的一段頻率范圍內(nèi)的頻譜（幅頻和相頻特性），通過(guò)該頻譜可得到QCM的諧振頻率、Q值等參數(shù)。與振蕩電路的方法相比，頻譜分析的主要優(yōu)點(diǎn)有：在大阻尼介質(zhì)中不會(huì)停振、測(cè)量結(jié)果信息量大、形象直觀、計(jì)算解釋容易。本設(shè)計(jì)給出了一種基本頻譜分析法的QCM信號(hào)采集系統(tǒng)。

3 系統(tǒng)分析

電路的正弦信號(hào)產(chǎn)生部分由直接數(shù)字信號(hào)合成（DDS）芯片、自動(dòng)增益控制（AGC）和運(yùn)放（AMP）等組成。DDS接收DSP的控制信號(hào)，產(chǎn)生頻率可控的正弦信號(hào)；AGC調(diào)整DDS的輸出信號(hào)，使其峰-峰值始終保持為一個(gè)已知的定值；AMP則完成信號(hào)的放大和阻抗轉(zhuǎn)換。由于信號(hào)產(chǎn)生部分增加了自動(dòng)增益控制使其產(chǎn)生的信號(hào)的信號(hào)的峰-峰值保持恒定，從而減少了待測(cè)信號(hào)的數(shù)目，簡(jiǎn)化了測(cè)量和處理的過(guò)程。

信號(hào)產(chǎn)生器部分產(chǎn)生的正弦信號(hào)作用在如圖2中所示的兩個(gè)反相比例電路上，反相比例電路的輸出信號(hào)包含QCM在相應(yīng)頻率下的等效阻抗的幅值和相角信息。根據(jù)反相比例電路虛地的原理，作用在QCM上的電壓始終保持為信號(hào)產(chǎn)生部分的輸出電壓與地之間的電壓差。采用這種結(jié)構(gòu)的好處是：（1）使作用在QCM上的電壓保持恒定，簡(jiǎn)化了處理過(guò)程。（2）只通過(guò)一個(gè)反相比例電路的輸出信號(hào)即可單獨(dú)得到QCM等效阻抗的幅值（通過(guò)后面的計(jì)算將會(huì)得到此結(jié)論）。

反相比例電路輸出信號(hào)的采集和處理部分的核心是兩個(gè)乘法器和低通濾波器。設(shè)信號(hào)產(chǎn)生部分的輸出信號(hào)電壓為：u=u0coswt，用相量表示為：u。則含有QCM的反相比例電路的輸出為：

式中，R1為參考電阻|Z|和φ為其對(duì)應(yīng)的幅值和相角。另一個(gè)反相比例電路的輸出為：

式中，R2、R3分別為參考電阻R2、R3的阻值。u1、u2作為兩個(gè)模擬乘法器的輸入。乘法器1的輸出為：

兩路輸出信號(hào)經(jīng)低通濾波（LPF）后的輸出為：

這兩個(gè)直流信號(hào)經(jīng)過(guò)放大器放大后由ADC芯片采集，所采集的數(shù)字信號(hào)經(jīng)DSP處理后送往PC機(jī)供分析、顯示之用。為保證采集的精度，此處的放大器選用AD620芯片。AD620具有高精度、低漂移和低哭聲的優(yōu)點(diǎn)，另外AD620可以通過(guò)一個(gè)外接電阻方便地調(diào)節(jié)放大倍數(shù)。ADC芯片采用雙通道的高精度轉(zhuǎn)換芯片。

整理（3）、（4）兩式可得QCM等效阻抗的幅值為：

上面各式中R1、R2、R3和u0均為與電路參數(shù)有關(guān)的已知值，所以由采集的信號(hào)uf1和uf2，通過(guò)（5）、（6）式即可分別計(jì)算出QCM等效阻抗的幅值和相角。通過(guò)DDS改變產(chǎn)生信號(hào)的頻率，即可得到不同頻率下QCM等效阻抗的幅值和相角。對(duì)QCM諧振頻率附件的頻率段進(jìn)行掃描，記錄每個(gè)頻率測(cè)量點(diǎn)對(duì)應(yīng)的幅值和相角，即可給出QCM的頻譜。由頻譜可以得出QCM諧振頻率的變化量Δf。

由（5）式可知，通過(guò)uf1即可單獨(dú)求出QCM等效阻抗的幅值，得到QCM的幅頻率特性曲線。因此本電路可以設(shè)定兩種工作模式：（1）使電路僅采集信號(hào)uf1，從而得到QCM的幅頻特性曲線，由該曲線可以得到QCM的諧振頻率（對(duì)應(yīng)于阻抗值最低點(diǎn)處的頻率）、帶寬、Q值等參數(shù)。采用此模式得到的信號(hào)雖不全面，但它足以得到諧振頻率的變化量Δf，且由于這種模式只采集、處理一路信號(hào)，因此工作速度較快。（2）同時(shí)采集信號(hào)uf1和uf2，從而可得到QCM的幅頻特性和相頻特性曲線。采用此模式可以得到QCM的最全面的信息，但它的工作速度與模式（1）相比較慢。

篇10

【關(guān)鍵詞】ADCP技術(shù)；流量測(cè)驗(yàn)；基本原理；應(yīng)用前景

河道流量測(cè)驗(yàn)是城市水文工作的重要組成部分，流量資料的獲取對(duì)水資源的合理利用和城鄉(xiāng)防汛抗旱工作具有重要的意義，這也使得業(yè)界人士對(duì)于河道流量側(cè)測(cè)驗(yàn)技術(shù)提出了更高的要求。目前，傳統(tǒng)的流速儀由于具有成本費(fèi)用高、測(cè)量效率低和測(cè)量結(jié)果不準(zhǔn)確等不足，在發(fā)生特殊水情的情況下，無(wú)法滿足城鄉(xiāng)防汛抗旱工作的需要，在一定程度上制約了防汛指揮部門相關(guān)工作的開(kāi)展。而ADCP技術(shù)作為一種先進(jìn)的測(cè)流方法，具有測(cè)驗(yàn)歷時(shí)短、效率高、精度高和成本低等優(yōu)點(diǎn)，能夠有效降低測(cè)驗(yàn)人員的工作強(qiáng)度，解決水位流量測(cè)量存在的一些難題。

1.流量計(jì)算方法

ADCP采用矢量差乘積和微斷面的深度平均流速矢量來(lái)進(jìn)行流量計(jì)算，其計(jì)算公式為：

（1）

式中：Q──流量；

S———河流某斷面面積；

u———河流斷面某點(diǎn)處流速矢量；

ξ———作業(yè)船航跡上的單位法線矢量；

dS──河流斷面上微元面積。

1.1 中部平均流速和流量

中部平均流速由ADCP直接測(cè)出，其值為所有有效單元所測(cè)流速之平均，其公式為：

（2）

式中：vxM──中部平均流速（x向分量）；

uxj──單元j中所測(cè)的x向流速分量。

中部流量公式為：

（3）

式中：QM———中部流量；

Z1──河底至最后一個(gè)有效單元的高度；

Z2──河底至第一個(gè)有效單元的高度；

vyM──中部平均流速（y向分量）。

1.2 表層、底層平均流速和流量

表層平均流速公式為：

（4）

底層流速平均流速計(jì)算公式為：

（5）

表層流量由下式確定：

（6）

式中：Δt──相應(yīng)于微斷面的測(cè)量時(shí)間平均步長(zhǎng)；

m──斷面內(nèi)總的微斷面數(shù)目；

vx、vy──分別為x、y方向的深度平均流速；

vbx、vby──分別為x、y方向的船速。

底層流量由下式確定：

（7）

1.3 岸邊流量估算

對(duì)于岸邊區(qū)域，ADCP不能測(cè)出其流速和流量，可以利用經(jīng)驗(yàn)方法估算。岸邊區(qū)域平均流速計(jì)算公式為：

va=αvm （8）

式中：va──岸邊區(qū)域平均流速；

vm——起點(diǎn)微斷面（或終點(diǎn)微斷面）內(nèi)的深度平均流速；

α──岸邊流速系數(shù)，通常取用0.707。

岸邊流量由下式估算：

QNB=αAavm （9）

式中：QNB──岸邊流量；

Aa──岸邊區(qū)域面積。

根據(jù)ADCP流量計(jì)算原理，斷面流量等于中部、表層、底層流量與岸邊估算流量之和。

2.比測(cè)分析

測(cè)驗(yàn)斷面距某水庫(kù)大壩1000m，河寬在100～120m，為卵石河床，正常水流狀態(tài)下河床穩(wěn)定，沖淤變化較小。通常情況下，除水庫(kù)沖沙外，全年大部分時(shí)間水流含沙量較小或是清水水流。受水庫(kù)調(diào)蓄變化的影響，水位變化頻繁，日變幅較大，穩(wěn)定時(shí)間短，這使流速儀測(cè)驗(yàn)的測(cè)次布設(shè)和測(cè)驗(yàn)控制很困難，也不能滿足水情報(bào)汛需求，為此，2009年該站采用ADCP測(cè)流，并與傳統(tǒng)的流速儀進(jìn)行比測(cè)，經(jīng)過(guò)比測(cè)分析，ADCP在該站取得了較好的效果。

（1）水深比測(cè)

將ADCP與纜道同步測(cè)深，取ADCP實(shí)測(cè)水深與纜道實(shí)測(cè)水深比較，共收集92個(gè)樣本進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，比測(cè)分析成果見(jiàn)表1。

表1 水深比測(cè)統(tǒng)計(jì)

（2）垂線平均流速比測(cè)

將ADCP與纜道同步測(cè)速，取ADCP二個(gè)來(lái)回平均垂線流速值與流速儀法垂線平均流速比較，共收集了87個(gè)垂線平均流速比測(cè)樣本，比測(cè)分析成果見(jiàn)表2。

表2 垂線平均流速比測(cè)統(tǒng)計(jì)

（3）流量比測(cè)

2009年采用流速儀精測(cè)法測(cè)驗(yàn)，系統(tǒng)地將ADCP流量資料與流速儀法資料進(jìn)行了對(duì)比分析。共收集了48個(gè)樣本，全部參加相關(guān)線檢驗(yàn)。由流速儀法實(shí)測(cè)流量與ADCP計(jì)算的斷面平均流量進(jìn)行對(duì)比，按照《水文資料整編規(guī)范》要求進(jìn)行精度分析、3種檢驗(yàn)，分析成果見(jiàn)表3，結(jié)果顯示，系統(tǒng)誤差達(dá)標(biāo)，3種檢驗(yàn)均通過(guò)。

ADCP在水文流量測(cè)驗(yàn)中，充分顯示了該儀器的先進(jìn)性，有著與常規(guī)流速儀無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)。目前在水文流量測(cè)驗(yàn)中，已基本普及了ADCP測(cè)流技術(shù)，為掌握水電站防洪調(diào)度、合理開(kāi)發(fā)利用水資源、江河流域的科學(xué)治理和規(guī)劃提供了基礎(chǔ)資料。

表3 流量比測(cè)統(tǒng)計(jì)

3.ADCP測(cè)流中需注意的幾個(gè)問(wèn)題

3.1 高含沙水流對(duì)ADCP流量測(cè)驗(yàn)的影響

對(duì)于大部分河流，高含沙量的影響可能使底跟蹤和水深測(cè)量失效，因此對(duì)于高含沙量的河流，應(yīng)選頻率較低的ADCP，可是通常低頻率系統(tǒng)分辨率較低，不適合較淺的河流，這時(shí)寬帶ADCP比窄帶ADCP有較大的優(yōu)越性，例如600kHz，深淺河流均可使用。如果ADCP在高含沙量水流中不能正常進(jìn)行底跟蹤和水深測(cè)量，只有采用差分GPS測(cè)量船速，采用測(cè)深儀測(cè)量水深。