導(dǎo)語：如何才能寫好一篇光學(xué)傳感技術(shù)，這就需要搜集整理更多的資料和文獻(xiàn)，歡迎閱讀由公務(wù)員之家整理的十篇范文，供你借鑒。

篇1

賽普拉斯.產(chǎn)品營銷副總裁/張朔

在過去5年，光學(xué)導(dǎo)航傳感器已逐步取代計算機(jī)鼠標(biāo)的機(jī)械式軌跡球傳感器。雷射導(dǎo)航傳感器技術(shù)具備優(yōu)異的表面追蹤效能加上更高的精確度，進(jìn)一步提升計算機(jī)鼠標(biāo)的效能。隨著業(yè)界持續(xù)追求更好的效能、更低的功耗、以及更容易組裝的制程，賽普拉斯半導(dǎo)體特地推出OvationONS 光學(xué)導(dǎo)航傳感器(如圖1)，采用全新的OptiCheck專利技術(shù)。此項技術(shù)采用的方法，完全有別于影像擷取與校正的傳感器，能完全針對導(dǎo)航感測帶來許多實際的效益，并能支持計算機(jī)鼠標(biāo)以外的其他應(yīng)用。

OptiCheck 技術(shù)

賽普拉斯的OptiCheck專利技術(shù)采用有別以往的全新導(dǎo)航方式。OptiCheck技術(shù)舍棄影像擷取與校正的方式，改采一種“光學(xué)棋盤”式技術(shù)，即一種連結(jié)一個具專利2D梳形偵測器組態(tài)的感光組件數(shù)組。偵測器的輸出信號，透過在一個獨(dú)特配置中的放大與整合，能產(chǎn)生4個輸出信號，以完整描述傳感器的動作。這4個輸出信號經(jīng)過數(shù)字化之后，傳送到小型數(shù)字信號處理器，可在此產(chǎn)生x與y的動態(tài)數(shù)據(jù)。如圖2所示，顯示梳形偵測器各組件之間的互連，以及所產(chǎn)生的4個輸出結(jié)果。

OptiCheck方法有下列幾項重點(diǎn)值得一提。第一，OptiCheck技術(shù)的設(shè)計出發(fā)點(diǎn)，是提供高精準(zhǔn)且高分辨率的追蹤功能。用戶可以1 dpi為遞增單位，自行設(shè)定分辨率，提供最高的精確度。第二，OptiCheck僅需4個數(shù)據(jù)輸入，就能計算出x與y軸的偏移，提供更高的數(shù)據(jù)處理效率。效率提高，意謂傳感器能在各種高速追蹤應(yīng)用上發(fā)揮效率與精確度。高處理效率則意謂信號處理模塊在功耗方面的改變不大，所以系統(tǒng)所耗用的電流值幾乎不會受到速度與表面追蹤的效能影響。此外，OptiCheck的處理需求，不受傳感器分辨率所影響。這讓用戶能以更簡單且更低廉的方式來擴(kuò)充產(chǎn)品，這些產(chǎn)品需要高速與高分辨率的追蹤效能。

為精準(zhǔn)擷取傳感器的追蹤性能，并提供流暢運(yùn)作的使用經(jīng)驗，最近推出第二代OvationONS II雷射導(dǎo)航傳感器即整合了一個可編程微控制器，內(nèi)含OptiCheck傳感器技術(shù)。此傳感器是一個完全整合的系統(tǒng)，包括鏈接至USB的數(shù)據(jù)輸出信道。作為速度達(dá)1000Hz的真正硬件式USB接口，傳感器能提供準(zhǔn)確的感測動作解釋功能，并提供最直覺化的用戶接口經(jīng)驗。

OptiCheck技術(shù)的表面追蹤機(jī)制

對于雷射導(dǎo)航傳感器的大多數(shù)應(yīng)用而言，其中一項主要使用者要求，就是能在幾乎絕大多數(shù)的表面上追蹤動作，并為使用者的手部動作提供精準(zhǔn)的反應(yīng)。運(yùn)用雷射光點(diǎn)作為表面?zhèn)蓽y圖案，讓OvationONS II傳感器能在各種表面上偵測到清晰的信號包括一般木質(zhì)桌面、花崗石柜臺、以及高反射率的工作長臺，都能輕易使用鼠標(biāo)；在醫(yī)療應(yīng)用方面，則能偵測各種人類皮膚；并且在工業(yè)應(yīng)用方面能支持各種形狀的表面(圓弧、平面等)。OvationONS II傳感器的特殊光學(xué)信道設(shè)計，亦能有效率地運(yùn)用雷射功率來追蹤反射率不佳的表面。此技術(shù)的這項特性，除了讓裝置能有效追蹤人類皮膚，也讓各種裝置能搭載手指導(dǎo)航功能，像是手機(jī)、游樂器、以及遙控器等。

OptiCheck技術(shù)的追蹤速度與分辨率

OptiCheck技術(shù)獨(dú)特的光學(xué)導(dǎo)航模式，帶給鼠標(biāo)與其他追蹤裝置許多直接的好處。其中兩項效益就是把每秒追蹤次數(shù)增加到最高，以及把對動作變動的反應(yīng)延遲降至最低。OptiCheck技術(shù)輸出的4個信號，完整定義了傳感器的動作。這些輸出信號之后會經(jīng)過一個數(shù)字信號處理器，該處理器采用一個和傳感器速度或分辨率無關(guān)的算法。因此，OptiCheck能同時支持全速動作(每秒/英)與全分辨率(每/次數(shù))模式。由于許多影像校正傳感器在速度提高時，其分辨率會下降，因為其處理器的速度無法及時處理大量的影像數(shù)據(jù)。而在全速模式下降低分辨率，則會降低鼠標(biāo)光標(biāo)移動的速度，這會讓計算機(jī)游戲玩家立即發(fā)現(xiàn)并且感到厭煩。搭載OptiCheck的鼠標(biāo)具備極高的每秒量測速度，且完全不會出現(xiàn)延遲的現(xiàn)象。下圖3顯示比較采用OptiCheck技術(shù)以及一般市面上采用影像校正技術(shù)的鼠標(biāo)，其分辨率的量測數(shù)據(jù)和速度呈函數(shù)關(guān)系。

OptiCheck技術(shù)對動作變化的反應(yīng)速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)勝過影像校正傳感器，其畫面更新率通常為10 kHz。由于縮短反應(yīng)的延遲，可以創(chuàng)造出更流暢、靈敏更高的循跡效果。OptiCheck技術(shù)的此項特性，讓像是游戲鼠標(biāo)、打印機(jī)、掃瞄器等，需要極高的循跡精確度與速度的應(yīng)用產(chǎn)品獲益良多。

OptiCheck的高效率電源管理

OptiCheck技術(shù)所減少的信號處理需求，讓雷射鼠標(biāo)的功耗大幅降低，提供一個高效率的內(nèi)建可編程電源管理系統(tǒng)。光學(xué)功率管理與占空系數(shù)亦可自行調(diào)整，以配合各種特殊應(yīng)用，達(dá)到優(yōu)化的效能與功耗。在無線鼠標(biāo)應(yīng)用方面，OvationONS傳感器能讓游戲鼠標(biāo)的效能達(dá)到桌上型鼠標(biāo)功耗的水平。

運(yùn)用可編程系統(tǒng)單芯片進(jìn)行研發(fā)

OvationONS II 是一款可編程的系統(tǒng)單芯片解決方案。此組件結(jié)合了一個OptiCheck傳感器以及一個可編程M8C處理器，內(nèi)含全速USB功能。其精心設(shè)計的智能型電源管理系統(tǒng)，能為無線鼠標(biāo)與其他無線應(yīng)用提供所需電源，并且還能整合一個可用來支持觸控接口，包括按鈕、滑桿、以及開機(jī)啟動功能的電容傳感器。

此組件將垂直共振腔表面放射雷射功能(Vertical Cavity Surface Emitting Laser ；VCSEL)整合至同一封裝。雷射與雷射驅(qū)動器的整合設(shè)計，為鼠標(biāo)制造商帶來可觀的利益。由于不需要外部雷射組件，故能降低組裝時間、復(fù)雜度、以及因故障雷射組件所產(chǎn)生的良率損失。雷射組件的輸出功率可在出廠前就調(diào)整至眼睛安全防護(hù)的標(biāo)準(zhǔn)，系統(tǒng)制造商將不必進(jìn)行任何調(diào)整。如此不但節(jié)省制造時間，亦讓制造商省下光學(xué)功率測試與制造設(shè)備的成本。其內(nèi)部的雷射組件讓整個制程立達(dá)到2000V ESD的功率水平。獨(dú)立的雷射組件通常為50V至200V，廠房則需要特殊的防護(hù)設(shè)施。

OvationONS II 組件提供充裕的彈性，能整合額外的功能。例如，可把微控制器加入到芯片，用來讀取鼠標(biāo)按鈕與滾輪的動作、控制LED燈號、以及建構(gòu)報告封包以傳至PC主控端。亦可加入USB收發(fā)器與串行接口引擎，以提供鏈接主控端的鏈路，并可加入無線電組件，以設(shè)計出無線鼠標(biāo)。透過整合，為開發(fā)高效能有線與無線鼠標(biāo)的單芯片廠商，留下更多可供發(fā)揮的空間。

篇2

關(guān)鍵詞：光纖傳感；軍隊人才培養(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、理論與實踐能力并重的系統(tǒng)學(xué)科，既要求學(xué)員有扎實的光學(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)員對課程知識的實踐應(yīng)用能力培養(yǎng)，在教學(xué)實踐中，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)計了光纖傳感系統(tǒng)設(shè)計環(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個課時對光纖傳感基礎(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，通過一個具體實例為研討對象，讓學(xué)員一邊學(xué)習(xí)新知識，一邊動手做實驗，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典型信號處理問題。整個課程以學(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)行信號處理實驗，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驗環(huán)節(jié)

在光纖傳感技術(shù)系列課程中引入堂演示實驗，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，充分利用所在實驗室在光纖傳感技術(shù)研究上的優(yōu)勢，在每門課程講授中都加入了1～2個課堂演示實驗。

與專門的實驗課不同，課堂演示實驗的側(cè)重點(diǎn)在實驗效果上，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，課題組所在的實驗室在光纖傳感系統(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)實驗成為可能[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驗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)作為課堂演示實驗內(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、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)等多項知識內(nèi)容，學(xué)員普遍反映通過這一演示實驗對光纖傳感系統(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)計內(nèi)容，并將其作為課程考核評價標(biāo)準(zhǔn)的一部分，實現(xiàn)對學(xué)員綜合素質(zhì)的培養(yǎng)和考核評價。

光纖傳感綜合設(shè)計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，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、報告撰寫等工作內(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，要求學(xué)員預(yù)習(xí)時弄明白兩個問題：什么是隨機(jī)相位衰落？什么是偏振誘導(dǎo)信號衰落？進(jìn)行研討時不要求學(xué)員對這兩個問題進(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。對于某一個問題，由于課堂講授的時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)員的仿真計算能力和光纖傳感系統(tǒng)的設(shè)計能力。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教學(xué)活動中，積極開展與光纖傳感技術(shù)相關(guān)的各項活動。

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)計大賽、畢業(yè)設(shè)計等教學(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)計學(xué)員數(shù)量大幅度提高。以技術(shù)類本科畢業(yè)設(shè)計為例，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。在課題組所在實驗室所培養(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，鼓勵學(xué)員積極參與到與光纖傳感技術(shù)相關(guān)的科研項目中，在實際工程環(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)部隊對光纖傳感技術(shù)人才的需要積累了寶貴的經(jīng)驗。

五、高素質(zhì)教師隊伍建設(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)師資隊伍顯得尤為重要。

（一）從教學(xué)和科研兩個方面錘煉教師隊伍，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重大科研項目。通過重大科研項目的歷練，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目時對光纖傳感的技術(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知識點(diǎn)至關(guān)重要。同時，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)兩個方面同時錘煉，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

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)驗的基礎(chǔ)上，鼓勵教員在回到學(xué)校后仍然定期與留學(xué)單位交流，及時獲取留學(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)行實際考察?；钴S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。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)驗豐富的老教師擔(dān)當(dāng)青年教師的導(dǎo)師，對青年教師實行“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，其中獲軍隊院校育才獎1人次，優(yōu)秀研究生導(dǎo)師獎3次，校本科“研究型”教學(xué)比賽三等獎1人次，校研究生教學(xué)優(yōu)秀三等獎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)的高水平教師隊伍。

參考文獻(xiàn)：

[1]孟洲，胡永明，姚瓊，宋章啟.《光纖傳感技術(shù)》研究生課程改革探討[J].中北大學(xué)學(xué)報（社會科學(xué)版），2007，23（2）：98-100.

[2]孟洲，姚瓊，曹春燕，梁迅，張學(xué)亮.光纖信息技術(shù)本碩博系列課程體系研究與實踐探索[J].高等教育研究學(xué)報，2012，35（1）：50-53.

[3]周建華，邱琪，周曉軍，光纖通信實驗教學(xué)改革探討[J].電子科技大學(xué)學(xué)報社科版，2003，5（2）：89-91.

[4]胡昌奎，楊應(yīng)平，黎敏，劉辛，易迎彥，光電信息類專業(yè)光纖系列課程教學(xué)內(nèi)容與課程體系的改革[J].高等理科教育，2008，（2）：16-18.

篇3

【摘要】 生物傳感器涉及多個研究領(lǐng)域，在醫(yī)學(xué)中有著廣泛的運(yùn)用，在現(xiàn)代醫(yī)學(xué)中有著舉足輕重的作用，尤其是在基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)研究和臨床診斷運(yùn)用中相當(dāng)廣泛。本文作者系統(tǒng)的闡述了生物傳感器在醫(yī)學(xué)中的運(yùn)用。

【關(guān)鍵字】 生物傳感器 醫(yī)學(xué)

生物傳感器是一種新型的高科技產(chǎn)品，它涉及到多個研究領(lǐng)域。其中包括微電子學(xué)、化學(xué)、現(xiàn)代生物技術(shù)。生物傳感器在發(fā)酵工程、環(huán)境監(jiān)測、食品檢驗、醫(yī)學(xué)工程這一系列領(lǐng)域中都有廣泛的應(yīng)用。特別是在醫(yī)學(xué)工程，生物傳感器的應(yīng)用更加廣泛，在醫(yī)學(xué)發(fā)展中有著重要的作用。生物傳感技術(shù)在基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)研究和臨床診斷有著巨大的優(yōu)勢，近年來醫(yī)學(xué)界越來越重視生物傳感技術(shù)發(fā)展，生物傳感技術(shù)已經(jīng)成為醫(yī)學(xué)研究領(lǐng)域的一個熱點(diǎn)。

生物傳感器是利用酶、抗體、微生物等生物活性物質(zhì)，來檢測與識別生物體內(nèi)的化學(xué)成分，生物傳感器主要是由生物敏感膜和信號轉(zhuǎn)換器兩部分構(gòu)成，生物敏感膜在與被檢測物質(zhì)接觸的時候會與其發(fā)生物理或者是化學(xué)反應(yīng)，從而進(jìn)行分子識別。信號轉(zhuǎn)化器就是將發(fā)生在生物化學(xué)反應(yīng)中的化學(xué)信號轉(zhuǎn)換成為可以檢測到的光信號或者是電信號。

生物傳感器只會與特殊的物質(zhì)發(fā)生生物化學(xué)反應(yīng)，因而生物傳感器具有較強(qiáng)的專一性。在發(fā)生生物化學(xué)反應(yīng)時，將捕捉到的反應(yīng)物與敏感膜的反映強(qiáng)烈程度通過信號轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成可檢測的電信號或者是光信號，再根據(jù)一定的分析就可以得出被檢測物質(zhì)樣品的濃度。

根據(jù)生物傳感器的工作原理的不同，可以將生物傳感器分為光學(xué)生物傳感器、電化學(xué)生物傳感器、壓電生物傳感器。根據(jù)生物活性物質(zhì)的不同，可以將生物傳感器分為酶傳感器、微生物傳感器、組織傳感器、細(xì)胞器傳感器、免疫傳感器。

光學(xué)生物傳感器是將光信號通過信號轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成為可以檢測到的電信號，光學(xué)轉(zhuǎn)換器在使用的時候，速度比較快，靈敏度也很高，抗干預(yù)能力較強(qiáng)，因而具有較高的可靠性，在醫(yī)學(xué)中廣泛使用，熒光光纖傳感器以及消失波生物傳感器是光學(xué)生物傳感器的兩個重要的分支。

熒光光纖傳感器主要是用于臨床生化檢驗。熒光光纖傳感器在無機(jī)物的測定方面可以用于pH值的測定、氧的測定、電解質(zhì)的測定。通過測定熒光劑與質(zhì)子發(fā)生可逆反應(yīng)時，熒光強(qiáng)度的變化來測定pH值，經(jīng)常使用的熒光劑主要有7 - 羥基三羧基香豆素、4 - 甲基- 7 - 羥基香豆素及四溴熒光素等。熒光光纖傳感器還可以用于葡萄糖測定，膽固醇測定。膽固醇氧化酶與膽固醇作用時會導(dǎo)致氧的消耗，通過光纖檢測氧的消耗引起對氧敏感的熒光劑的熒光猝滅。當(dāng)pH=7.25的時候，這種光纖傳感器對膽固醇濃度的檢測范圍是0.2~3nmol/L，穩(wěn)定時間長達(dá)7~12分鐘，檢測時間更長，因而準(zhǔn)確度更高。熒光光纖傳感器還可以用于檢測土霉素，維生素和蛋白C等。消失波光纖傳感器一方面用于DNA雜交技術(shù)分析，目前消失波光纖傳感器已經(jīng)用于分析基因突變、DNA三倍體、基因表達(dá)等領(lǐng)域中。消失波光纖傳感器采用集束光束光纖進(jìn)行檢測，利用DNA探針技術(shù)來檢測不同的DNA分子，可以大大提高DNA分析效率。另一方面用于免疫分析，可以檢測鼠疫抗原，檢測內(nèi)毒素，以及檢測肉毒桿菌毒素，消失波光纖傳感器為的檢測提供了新的方法。

電化學(xué)生物傳感器由于精度不高，因而在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中運(yùn)用不是十分廣泛。主要是用于檢測DNA的雜交識別，測定DNA序列，還可以用于檢測基因突變以及損傷。

壓電生物傳感器，在操作時簡便，制作成本低，容易攜帶，因而在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域有較大的發(fā)展?jié)摿?，尤其是方便醫(yī)學(xué)檢驗工作，將會不斷地取代繁瑣的操作、龐大的儀器和眾多的實驗室。壓電生物傳感器在病原體檢測方面可以用于艾滋病病毒的檢測、白色念珠菌的檢測、腸道菌的檢測。艾滋病是當(dāng)前人類面臨的一個重大威脅，將HIV合成多肽物質(zhì)，如果被檢測樣品中好友HIV抗體兩者進(jìn)行反應(yīng)將會導(dǎo)致晶體頻率發(fā)生改變。除此之外壓電生物傳感器還可以用于血沉及凝血時間的檢測、基因檢測、激素免疫球蛋白等蛋白物質(zhì)的定性定量檢測，比如說壓電生物傳感器就廣泛用于胰島素的檢測，免疫球蛋白的檢測。用3 - APTES、PEI 和SPA方法固定抗胰島素抗體,使用SPA固定法在檢測胰島素的濃度時具有更好的敏感性和穩(wěn)定性，最低的檢測濃度為1ug/L。壓電石英晶體阻抗傳感器能夠用來檢測紅細(xì)胞的凝集時間和沉降速率，并且使用這種生物傳感器操作起來簡便，還可以排除熱效應(yīng)的干擾。

在臨床醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，生物傳感器可以用來檢測各種化學(xué)成分，監(jiān)測許多種細(xì)菌、病毒以及毒素?？贵w是生物傳感器中最常使用的一種生物活性物質(zhì)。因為抗體具有較強(qiáng)的選擇性，只會與相應(yīng)的抗原發(fā)生反應(yīng)。就是利用抗原與抗體的特異性反應(yīng)來進(jìn)行微量物質(zhì)的檢測。SPR免疫傳感器主要是用于糖尿病以及腎病的監(jiān)測，在疾病早期進(jìn)行檢測可以做到提前治療，防止病情的進(jìn)一步惡化。HCG免疫傳感器就是用于診斷早期妊娠，通過檢測尿液中的HCG的含量可用于妊娠診斷，操作簡單快捷，大大提高醫(yī)務(wù)人員的工作效率。生物傳感器還用于藥物分析，預(yù)知疾病發(fā)作。生物傳感器在癌癥藥物研究方面有著舉足輕重的作用。將癌癥患者的癌細(xì)胞提取出來進(jìn)行培養(yǎng)，利用生物傳感器可以準(zhǔn)確的檢測出治療癌癥的物質(zhì)對于這種癌細(xì)胞的作用效果，最終篩選出效果最好的治療癌癥的藥物。

生物傳感器在醫(yī)學(xué)中的運(yùn)用是越來越廣泛，傳感器產(chǎn)業(yè)是一個具有較大發(fā)展?jié)摿Φ漠a(chǎn)業(yè)，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，生物傳感器的研發(fā)運(yùn)用要不斷的向前邁進(jìn)，使生物傳感器趨于小型化、智能化、功能多樣化。但是要使生物傳感器成為一種廣泛普及的常規(guī)檢測分析工具，還有很長的一段路要走。

參考文獻(xiàn)

［1］ 謝國明.臨床檢驗中的生物傳感器［J］.現(xiàn)代醫(yī)學(xué)與儀器與應(yīng)用.2005

［2］ 佟巍.生物傳感器在醫(yī)藥領(lǐng)域中的應(yīng)用研究［J］.中國臨床康復(fù).2006,2

［3］ 霍希琴.王柯敏.基于熒光內(nèi)濾效應(yīng)的熒光增強(qiáng)型納光子光纖維傳感器［J］.高等學(xué)?；瘜W(xué)學(xué)報，1995,16（4）：518

篇4

關(guān)鍵詞： 《檢測與傳感技術(shù)》 教學(xué)改革 教學(xué)實踐

1.課程性質(zhì)

《檢測與傳感技術(shù)》是高等院校電氣測控類專業(yè)本科生必修專業(yè)基礎(chǔ)課程。傳感技術(shù)是一門邊緣學(xué)科。主要講授把各種非電量轉(zhuǎn)換成電信號的裝置和手段，通過教學(xué)掌握與傳感技術(shù)有關(guān)的基礎(chǔ)理論，掌握各種傳感器的工作原理、主要性能及特點(diǎn)，并在以后的工作中合理選擇與使用傳感器，了解傳感器的發(fā)展方向。通過學(xué)習(xí)，對檢測與傳感技術(shù)有整體的了解，為未來的工作打下扎實的基礎(chǔ)。在測控技術(shù)領(lǐng)域，《檢測與傳感技術(shù)》課程教學(xué)受到了普遍重視。我校測控專業(yè)于2006年起開設(shè)的本課程作為本科三年級學(xué)生的專業(yè)必修課程。

2.課程教學(xué)現(xiàn)狀

《檢測與傳感技術(shù)》涉及材料、機(jī)械、電子、光學(xué)、聲學(xué)等多學(xué)科，內(nèi)容相對獨(dú)立分散，每一類傳感器自成章節(jié)，缺乏連續(xù)性和系統(tǒng)性，多數(shù)教材注重理論而不實用。導(dǎo)致教學(xué)內(nèi)容中理論居多，實踐環(huán)節(jié)偏少，理論與實踐嚴(yán)重脫節(jié)，學(xué)生對過多的理論知識不感興趣，覺得枯燥而缺乏學(xué)習(xí)主動性和積極性。因此，學(xué)好這門課程需付出更大更多的努力。

課時與內(nèi)容的矛盾比較突出。我校電氣與測控類專業(yè)開設(shè)該課程學(xué)時較少的40課時?！稒z測與傳感技術(shù)》主要研究自動檢測系統(tǒng)中的信息獲取、信號轉(zhuǎn)換和信息處理的技術(shù)方法。要使學(xué)生根據(jù)工程測試的具體要求進(jìn)行傳感器的選用、測量線路的設(shè)計與實現(xiàn)。如何充分利用較少課時講授好這些內(nèi)容，無疑給檢測與傳感技術(shù)課程教學(xué)帶來了挑戰(zhàn)。

3.教學(xué)環(huán)節(jié)的改革與實踐

雖然我校電氣測控類專業(yè)開設(shè)《檢測與傳感技術(shù)》面臨諸多困難與挑戰(zhàn)，但是通過多年不懈的努力，結(jié)合我校的實際情況與時俱進(jìn)地對教學(xué)環(huán)節(jié)進(jìn)行了改革，并取得了較好的教學(xué)效果。

（1）教學(xué)理念的改變。

隨著社會的發(fā)展，工廠企業(yè)對大學(xué)生的創(chuàng)新和技術(shù)應(yīng)用實踐能力的要求越來越高。傳統(tǒng)的填鴨式教學(xué)已經(jīng)不適合現(xiàn)代的培養(yǎng)目標(biāo)。樹立“以人為本”的思想必須遵循“學(xué)生為主，教師引導(dǎo)”的教學(xué)理念。學(xué)生作為知識傳承的主體，在教師的引導(dǎo)下積極參與到課程教學(xué)實踐中，真正做到學(xué)有所用，學(xué)有所長，實現(xiàn)活力的“動”，體現(xiàn)真實的“用”。教師在教學(xué)過程中是導(dǎo)航者、指導(dǎo)者和幫助者，解決學(xué)生在實踐中碰到的難題。無論課內(nèi)、課外，教師要引導(dǎo)學(xué)生自主思考、自我挖掘、自主創(chuàng)新、相互探討、協(xié)作學(xué)習(xí)，調(diào)動學(xué)生的主動性、積極性，培養(yǎng)創(chuàng)新能力，將理論知識和創(chuàng)新應(yīng)用能力融入學(xué)生的思維和工程實踐中。目前我校本科生《檢測與傳感技術(shù)》課程教學(xué)采用的教材是中南大學(xué)出版社出版的周繼明主編的。該教材內(nèi)容豐富，面面俱到。因此，在教學(xué)過程中，教師根據(jù)學(xué)生對本專業(yè)知識點(diǎn)和重復(fù)內(nèi)容的掌握狀況及時篩選并精簡內(nèi)容，剔除偏難的內(nèi)容和過時的陳舊知識點(diǎn)，加入最新檢測與傳感技術(shù)的發(fā)展及工程應(yīng)用實例。在介紹新檢測與傳感技術(shù)的同時增加近五年來國際上最新的檢測技術(shù)、傳感技術(shù)的運(yùn)用。將檢測與傳感新技術(shù)、新方法融入原有教學(xué)內(nèi)容中，密切聯(lián)系高速發(fā)展的科技技術(shù)，保持課程與時俱進(jìn)。

（2）課程內(nèi)容的教學(xué)設(shè)計與優(yōu)化。

現(xiàn)代信息技術(shù)的三大基礎(chǔ)是傳感技術(shù)、通信技術(shù)和計算機(jī)技術(shù)。傳感技術(shù)位于信息技術(shù)之首，是信息技術(shù)的源頭?！稒z測與傳感技術(shù)》所涉及的專業(yè)學(xué)科較多，不同的專業(yè)有不同的專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)，因此，在教材的選取、教學(xué)的內(nèi)容安排、重點(diǎn)內(nèi)容和重點(diǎn)章節(jié)的學(xué)習(xí)上側(cè)重點(diǎn)會有所區(qū)別。避免知識點(diǎn)過多過雜而使學(xué)生出現(xiàn)抵觸情緒。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，課程教學(xué)必須緊跟時代的步伐，在新原理、新技術(shù)、新材料、新工藝不斷涌現(xiàn)的今天，及時把新知識補(bǔ)充進(jìn)來，把最新的科學(xué)技術(shù)成果包括最新的傳感器類型和檢測技術(shù)、檢測手段及工程應(yīng)用、生產(chǎn)和科研實踐中遇到的各種檢測問題作為教學(xué)案例加入課堂內(nèi)容。同時在課堂教學(xué)中，教師應(yīng)考慮不同層次的學(xué)生對基礎(chǔ)知識掌握情況的差異，做到因材施教，將講課內(nèi)容按照側(cè)重點(diǎn)不同分為講授課和復(fù)習(xí)課兩種，《檢測與傳感技術(shù)》很多章節(jié)內(nèi)容需要用到前序課程知識點(diǎn)，在講課之前教師應(yīng)提前復(fù)習(xí)授課將涉及的知識點(diǎn)或者要求學(xué)生課前復(fù)習(xí)相關(guān)知識，比如在第5章壓電傳感器中要求學(xué)生對大學(xué)物理中的晶格、電偶極矩、電疇、極化等概念必須理解，復(fù)習(xí)好相關(guān)知識才有助于學(xué)生理解壓電效應(yīng)的工作原理。

優(yōu)化課程體系，建立課程架構(gòu)。針對每一類傳感器，基本的知識點(diǎn)包括傳感器的基本結(jié)構(gòu)、工作原理、主要的特性參數(shù)、典型的測量電路、典型工程應(yīng)用。這些也是每一類傳感器或者每一章節(jié)中最核心的內(nèi)容。授課時，根據(jù)專業(yè)特點(diǎn)讓學(xué)生析具體的學(xué)習(xí)思路、合理的學(xué)習(xí)重點(diǎn)。加上對實際應(yīng)用案例的討論，通過典型應(yīng)用案例的分析，讓學(xué)生將理論知識與實踐應(yīng)用有效結(jié)合起來，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)習(xí)主動性和積極性，從而取得良好的教學(xué)效果，優(yōu)化課程教學(xué)。

（3）教學(xué)手段與方法探討。

在課堂教學(xué)中，采用多媒體教學(xué)與板書相結(jié)合的授課方式，且以多媒體為主，板書為輔。只對基本原理的講解和基本方法的應(yīng)用證明采用板書的授課方式，這樣不會過多依靠電腦，也不會像放電影一樣，既易控、靈活、互動性強(qiáng)，又可以使學(xué)生跟隨教師的思路深入理解；利用Flas、視頻、聲音、圖像等多種形式生動形象地模擬和展示各類傳感器的結(jié)構(gòu)、工作原理、相關(guān)測量電路與應(yīng)用演示那些需要形象理解、圖示舉例說明的內(nèi)容，在多媒體教學(xué)的基礎(chǔ)上，充分利用學(xué)校的網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺，學(xué)生可以通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行遠(yuǎn)程的自主輔助學(xué)習(xí)，可以瀏覽更多的教學(xué)資源，包括多媒體課件、課程論壇、實踐教學(xué)、網(wǎng)上答疑、自測試題、課后習(xí)題等，進(jìn)行有效師生互動的同時又不受時間與空間的限制。教師根據(jù)課程知識點(diǎn)新增的微課課件放在相應(yīng)網(wǎng)站上供學(xué)生下載學(xué)習(xí)，提高學(xué)生的積極性和主動性，使學(xué)生輕松愉快地學(xué)習(xí)知識，達(dá)到良好的教學(xué)效果。

（4）實踐教學(xué)的改進(jìn)。

實踐教學(xué)是《檢測與傳感技術(shù)》教學(xué)中十分重要的環(huán)節(jié)。傳統(tǒng)的實驗大多是驗證性的，學(xué)生自主設(shè)計、研究的空間非常小，教學(xué)效果并不理想。為此我校在《檢測與傳感技術(shù)》課程實踐教學(xué)進(jìn)行改革：a.新購浙江天煌公司的檢測與傳感技術(shù)試驗臺10臺，測控技術(shù)綜合實驗平臺8臺，硬件設(shè)備與軟件配置完整覆蓋本課程主要教學(xué)內(nèi)容，并且可以開設(shè)創(chuàng)新型的綜合性、設(shè)計性實驗項目。b.加大了設(shè)計型、綜合型實驗的比重。對驗證性實驗項目的要求是常規(guī)的測量手段，我們增加對傳感器的實物裝置進(jìn)行分解、拆裝，讓學(xué)生感性認(rèn)識各部件在傳感器中的作用，以及如何合理選定、確定參數(shù)值；對設(shè)計、綜合性實驗的要求，要求學(xué)生在拆裝的基礎(chǔ)上自己設(shè)計相應(yīng)的電路裝置來進(jìn)行檢測。c.通過加強(qiáng)課程設(shè)計環(huán)節(jié)、開展實訓(xùn)項目等提高學(xué)生的動手操作能力。并根據(jù)不同學(xué)生的興趣、愛好和就業(yè)方向，適當(dāng)安排不同難度系數(shù)和不同種類的工程實訓(xùn)項目。在現(xiàn)代檢測與傳感技術(shù)課程實訓(xùn)中，如智能小車項目、紅外測距項目等，增加PCB板的設(shè)計、制作、焊接、調(diào)試。同時，學(xué)生熟悉了傳感器信號與測控電路信號之間傳輸過程與控制過程，靈活地使用各類傳感器。d.參加各類競賽，提高學(xué)生興趣，提高創(chuàng)新能力。創(chuàng)新實驗室是我系在學(xué)校的亮點(diǎn)，自2008年建立創(chuàng)新實驗室以來，已經(jīng)獲得校級獎多項、省部級一等獎、二等獎共6項、國家級三等獎1項；鼓勵能力強(qiáng)的學(xué)生積極參與各類競賽，如兩年一度的全國大學(xué)生電子設(shè)計大賽、建模競賽、學(xué)校舉行的技能比賽等，鍛煉學(xué)生的實踐操作能力，開闊學(xué)生的眼界、拓展學(xué)生的知識，提高學(xué)生的專業(yè)興趣，加強(qiáng)實驗室建設(shè)；教師組織學(xué)生參加競賽，將學(xué)生獲獎的設(shè)計作品作為課堂教學(xué)實例，能起到模范、榜樣的作用，同時提高學(xué)生的工程實踐和創(chuàng)新能力。

（5）網(wǎng)上評教，良性互動。

教師在《檢測與傳感技術(shù)》每一堂課后都和學(xué)生進(jìn)行有效的交流和溝通。全面細(xì)致地了解教學(xué)中可能出現(xiàn)的問題，譬如板書內(nèi)容是否清楚，書寫是否規(guī)范、合理，語音、語速大小是否合適，語言是否精簡，講授是否精準(zhǔn)無誤，重點(diǎn)、難點(diǎn)是否突出，邏輯思維是否嚴(yán)謹(jǐn)?shù)?。課后學(xué)校安排學(xué)生進(jìn)行反饋式網(wǎng)上評教活動，教師根據(jù)學(xué)校提供的學(xué)生反饋意見適時調(diào)整，改進(jìn)授課方式方法，及時把準(zhǔn)教學(xué)方向，師生間進(jìn)行良性互動，靈活多樣，從而獲得較好的教學(xué)效果。

多年的教學(xué)實踐證明了教學(xué)改革具有良好的教學(xué)效果。教師和學(xué)生的每次授課后交流，對師生雙方都有益，學(xué)生可以更好地理解知識內(nèi)容，教師依據(jù)學(xué)生的反饋意見與建議及時調(diào)整、完善授課方案；對不同的學(xué)生采用不同的答疑方式，包括不定期、定期集中答疑和一對一答疑的形式，課堂上課程內(nèi)容講完，及時批改完學(xué)生作業(yè)，有目的性、針對性地給學(xué)生上輔導(dǎo)課、習(xí)題課，對過程中出現(xiàn)的典型問題進(jìn)行全面細(xì)致的分析、講解，既培養(yǎng)了學(xué)生的學(xué)習(xí)能力，又提高了教學(xué)質(zhì)量。

4.結(jié)語

雖然在電氣測控類專業(yè)開設(shè)《檢測與傳感技術(shù)》面臨很多問題與挑戰(zhàn)，但是我們根據(jù)地方本科院校的特點(diǎn)、本校專業(yè)建設(shè)的實際情況對教學(xué)理念、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法、實踐教學(xué)、學(xué)生網(wǎng)上評教等方面進(jìn)行了教學(xué)改革探索。多年的實踐表明，在教學(xué)過程能始終把握方向并注重培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力。學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、專業(yè)能力就會有大幅提高。

參考文獻(xiàn)：

[1]周玲.《傳感原理與檢測技術(shù)》課程教學(xué)改革的探討[J].黑龍江科技信息，2015，（23）：134.

[2]秦瑤.《檢測與傳感技術(shù)》課程教學(xué)改革探索[J].教育教學(xué)論壇，2015，（48）：101-102.

[3]劉保軍.傳感檢測技術(shù)課程的教學(xué)改革與實踐[J].中國現(xiàn)代教育裝備，2010，（7）：98-100.

篇5

關(guān)鍵詞： 光纖傳感器； 宏彎損耗； 溫度變化； 光斑旋轉(zhuǎn)角度

中圖分類號： TP212.1 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A doi： 10.3969/j.issn.1005-5630.2016.03.002

文章編號： 1005-5630（2016）03-0200-05

Abstract： In order to research the temperature sensitivity of optical fiber sensor based on two faculae rotation，a new optical fiber sensor system based on the monitoring of facula rotation angle is designed.Firstly，one fiber is coiled into two fiber loops （Loop 1 and Loop 2）.Then the radius of the Loop 1 is changed to incur macros bending loss and two faculae is realized.Meanwhile，Loop 2 is put into water temperature monitor box and temperature changes are observed relate to facula rotation angles.The experiment also shows how temperature changes relate to three faculae rotation angles for comparison.Finally，the principle of optical fiber macros bending loss and fiber optic ring coupling is analyzed.MATLAB is used to process the collected data of the experiments and the result shows that two faculae optical sensor is thermally stable.

Keywords： optical fiber sensor； bending loss； temperature change； facula rotation angle

引 言

光纖傳感技術(shù)是20世紀(jì)70年代伴隨著光纖通信技術(shù)的發(fā)展而迅速發(fā)展起來的新型傳感技術(shù)。光纖傳感器以其高靈敏度、抗電磁干擾、耐腐蝕、可彎曲、體積小、結(jié)構(gòu)簡單以及與光纖傳輸線路相容等獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)受到世界各國的廣泛關(guān)注[1]。如今，光纖傳感技術(shù)日益成熟和完善，可傳感角速度、壓力、溫度、電場、振動等物理量，被廣泛地應(yīng)用于遠(yuǎn)程控制以及醫(yī)療、生物、化學(xué)、電力檢測等方面。其中，利用光纖傳感技術(shù)的溫度測量也越來越受到人們的重視[2]。

光纖傳感器可以分為非功能型（傳光型或強(qiáng)度調(diào)制型光纖傳感器）和功能型（傳感型光纖傳感器）2類，光纖溫度傳感器是一種新型的溫度傳感器，目前主要的光纖溫度傳感器有分布式光纖溫度傳感器、光纖光柵溫度傳感器、光纖熒光溫度傳感器、干涉型光纖溫度傳感器等[3-4]。

本文介紹一種基于光斑旋轉(zhuǎn)角度調(diào)制的光纖傳感系統(tǒng)，光纖所在環(huán)境的溫度變化會導(dǎo)致光斑旋轉(zhuǎn)，從而改變出射端的光斑的角度。所以通過一個簡單的CCD獲得光斑圖像，再經(jīng)過MATLAB處理獲得所得圖像中的光斑角度，達(dá)到間接測量的目的。

1 基本原理及系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

光纖的宏彎損耗主要來源于光纖彎曲產(chǎn)生的空間濾波、模式泄露及模式耦合[5]，其中以空間濾波效應(yīng)造成的損耗為主。光纖不同程度的彎曲將伴隨著不同程度的空間濾波。受到光纖彎曲的影響，光纖中的全反射的條件受到破壞，高階模將折射到包層中，較高階模式進(jìn)入截止?fàn)顟B(tài)，導(dǎo)致纖芯傳導(dǎo)模式減少。光纖的宏彎損耗主要包括輻射損耗和過渡損耗[6]，可以表示為：

經(jīng)式（1）、式（2）大量計算可得，由曲率半徑的改變而引起的過度損耗遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于輻射損耗[7]。由式（1）可以看出，光纖彎曲程度（R/a）越大，空間濾波效應(yīng)越明顯，輻射損耗也大，纖芯傳輸?shù)哪Ｊ綌?shù)就越少，導(dǎo)致出射光斑數(shù)量的減少。

實驗裝置如圖1所示，激光器（DH-HN250P）發(fā)出的光經(jīng)過聚焦透鏡耦合進(jìn)單模傳感光纖中，激光先經(jīng)過光纖環(huán)1（光纖環(huán)1為單模光纖繞制的一定半徑的單圈光纖環(huán)，起空間濾波作用），再通過光纖環(huán)2（光纖環(huán)2為單模光纖緊密繞制在一定半徑的圓柱海綿體上形成的光纖環(huán)，作為傳感光纖環(huán)，并放在水溫控制箱中），CCD接收光纖輸出端的激光光斑，最終將光斑圖像傳至PC。

2 實驗現(xiàn)象

2.1 光斑數(shù)變化

2個級聯(lián)的光纖環(huán)：光纖環(huán)1的直徑為20 mm；光纖環(huán)2直徑為20 mm，有6圈且緊密繞在圓柱形海綿體上。初始光斑為4個，減小光纖環(huán)1的直徑到16 mm后，光斑減少為3個，繼續(xù)減少光纖環(huán)1的直徑到10 mm，光斑變?yōu)?個。經(jīng)實驗觀察得到，縮小光纖環(huán)1的直徑，由于壓縮使光纖結(jié)構(gòu)和光纖傳播常數(shù)發(fā)生變化，導(dǎo)致光波模式的耦合、損耗變大，進(jìn)而減少了出射光斑的數(shù)量。

2.2 光斑旋轉(zhuǎn)

2個級聯(lián)的光纖環(huán)：光纖環(huán)1直徑為10 mm；光纖環(huán)2緊密繞著圓柱形海綿體6圈，直徑為20 mm。實驗中逐漸降低水溫控制箱的溫度，獲得圖2所示的光斑圖（圖2中的（a）至（h）分別表示從90℃每隔10 ℃依次降到20 ℃時兩光斑角度變化的光斑效果圖），改變水溫控制箱的溫度，兩光斑繞整體中心點(diǎn)旋轉(zhuǎn)的角度基本不變。另一組對比實驗中，改變光纖環(huán)1的直徑為16 mm，光纖環(huán)2緊密繞著圓柱體海綿6圈，直徑仍為20 mm，PC中顯示3個光斑。利用實驗裝置獲得圖3所示的光斑圖（圖3中的（a）至（h）分別表示從90 ℃每隔10 ℃依次降到20 ℃時三光斑角度變化的光斑效果圖），改變水溫控制箱的溫度，三光斑繞整體中心點(diǎn)旋轉(zhuǎn)的角度發(fā)生了一定的變化。此現(xiàn)象為下面的兩光斑位移傳感器具有溫度穩(wěn)定性的實驗提供了依據(jù)。

3 實驗結(jié)果分析

3.1 光斑圖處理

將攝像頭CCD讀取到的視頻轉(zhuǎn)化為圖片，接著就用MATLAB進(jìn)行處理。具體過程是先進(jìn)行灰度化和壓縮處理，再對光斑均勻化，接著計算出各光斑的中心點(diǎn)和整個光斑圖的中心點(diǎn)，最后再計算光斑的旋轉(zhuǎn)角[8]。對圖2、圖3各光斑圖進(jìn)行灰度化、壓縮和光斑均勻化處理，得到如圖4、圖5所示的光斑圖。

3.2 光斑旋轉(zhuǎn)角度的計算及分析

通過MATLAB處理分別獲得2個光斑的特征點(diǎn)質(zhì)心，再通過變換坐標(biāo)方式可以方便快捷地測出2個光斑質(zhì)心相連線與水平位置的角度，從而獲得溫度變化與特定直徑傳感光纖環(huán)光斑旋轉(zhuǎn)角度的關(guān)系，測得數(shù)據(jù)如表1所示。三光斑角度的計算與兩光斑不同，因為三光斑中心點(diǎn)組成的等邊三角形的結(jié)構(gòu)是穩(wěn)定的，而且三角形中心點(diǎn)是相對固定不動的，通過MATLAB處理分別獲得3個光斑的特征點(diǎn)質(zhì)心，取其中兩光斑連線的中心點(diǎn)坐標(biāo)值，再計算該點(diǎn)和第3個光斑中心點(diǎn)的連線與水平位置的角度，從而獲得三光斑旋轉(zhuǎn)角度與傳感光纖所處環(huán)境溫度變化的關(guān)系，測得數(shù)據(jù)如表2所示。

實驗獲得的數(shù)據(jù)經(jīng)過MATLAB最小二乘法處理，得到圖6所示的兩光斑旋轉(zhuǎn)角度與溫度變化的關(guān)系圖，對應(yīng)于表1中的數(shù)據(jù)；圖7所示的是三光斑旋轉(zhuǎn)角度與溫度變化的關(guān)系圖，對應(yīng)于表2中的數(shù)據(jù)。

通過圖6與圖7的比較得出，改變傳感光纖所處環(huán)境的溫度，三光斑的旋轉(zhuǎn)角度隨著溫度的變化而改變，且存在很好的線性關(guān)系：θ=0.852 6T，線性度為-3.613 2。然而在一定的誤差范圍內(nèi)，改變傳感光纖所處環(huán)境的溫度，兩光斑旋轉(zhuǎn)角度基本保持不變，即外界溫度參量并不影響兩光斑彎曲線性實驗的靈敏度，從而證實了基于兩光斑旋轉(zhuǎn)的光纖傳感器具有溫度穩(wěn)定性。

4 結(jié) 論

本文提出了測量溫度變化的光纖傳感系統(tǒng)，通過實驗獲得了兩光斑旋轉(zhuǎn)角度與傳感光纖所處環(huán)境變化的關(guān)系，得出了基于兩光斑旋轉(zhuǎn)角度的光纖傳感器具有溫度穩(wěn)定性的結(jié)論。此外根據(jù)耦合模理論，也可以從理論上分析出兩光斑與三光斑低階模的受溫旋轉(zhuǎn)性。此傳感系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、使用方便，還具有很好的重復(fù)性。由于光斑旋轉(zhuǎn)方向的特定性，此系統(tǒng)可以用來做溫度的測量，此外還可以拓展至頻率、重量等多種變量的測量。

參考文獻(xiàn)：

[1] 郭培源， 付揚(yáng). 光電檢測技術(shù)與應(yīng)用[M]. 北京： 北京航空航天大學(xué)出版社， 2006： 105-113.

[2] 周順斌， 劉瑩. 光纖位移傳感器的研究進(jìn)展及其應(yīng)用[J]. 煤礦機(jī)械，2008， 29（6）： 10-11.

[3] YUAN Y F， WU G， LI X， et al. Effects of twisting and bending on LP21 mode propagation in optical fiber[J]. Optics Letters， 2011， 36（21）： 4248-4250.

[4] FAN Y Q， WU G， WEI W T， et al. Fiber-optic bend sensor using LP21 mode operation[J]. Optics Express，2012， 20（24）： 26127-26134.

[5] 王華， 隨攏 吳俊， 等. 基于光斑旋轉(zhuǎn)的光纖溫度傳感器[J]. 光學(xué)儀器， 2014， 36（4）： 311-314.

[6] 何國財. 多模光纖的彎曲損耗實驗研究[D]. 吉首：吉首大學(xué)，2011： 9-18.

篇6

關(guān)鍵詞：機(jī)電一體化;應(yīng)用領(lǐng)域;發(fā)展方向

中圖分類號：TH-39 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

一、機(jī)電一體化概述

機(jī)電一體化技術(shù)是將機(jī)械技術(shù)、電工電子技術(shù)、微電子技術(shù)、信息傳感器技術(shù)、接口技術(shù)、信號變換技術(shù)等多種技術(shù)進(jìn)行有機(jī)地結(jié)合，并綜合應(yīng)用到實際中去的綜合技術(shù)。它是基于上述群體技術(shù)有機(jī)融合的一種綜合技術(shù)，而不是機(jī)械技術(shù)、微電子技術(shù)以及其它新技術(shù)的簡單組合、拼湊。這是機(jī)電一體化與機(jī)械加電氣所形成的機(jī)械電氣化在概念上的根本區(qū)別。機(jī)電一體化”涵蓋“技術(shù)”和“產(chǎn)品”兩個方面。機(jī)電一體化產(chǎn)品不僅是人的手與肢體的延伸還是人的感官與頭腦的延伸，具有智能化的特征。現(xiàn)代化的自動生產(chǎn)設(shè)備幾乎可以說都是機(jī)電一體化設(shè)備。

二、機(jī)電一體化技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域

1.數(shù)控機(jī)床

我國機(jī)床擁有量高居全球之首，2010年產(chǎn)值達(dá)1260億元人民幣，超過意大利排名世界第三。數(shù)控機(jī)床代表了一個國家機(jī)床生產(chǎn)的水平。目前，我國生產(chǎn)的數(shù)控機(jī)床約占國內(nèi)市場份額的31 %，其余從境外進(jìn)口。時下我國中高端數(shù)控機(jī)床市場的絕大部分被境外產(chǎn)品占領(lǐng)，其中高端數(shù)控機(jī)床國內(nèi)產(chǎn)品的市場占有率僅4%左右。經(jīng)過多年發(fā)展，我國機(jī)床生產(chǎn)雖然取

得了很大成績，但就技術(shù)水平和整體實力而言，在世界上僅處于第二梯隊的中前位置，美歐日排在第一梯隊。數(shù)控機(jī)床具有一臺機(jī)床同時完成多個獨(dú)立加工任務(wù)或控制多臺和多種機(jī)床的能力，并將刀具破損檢測、物料搬運(yùn)、機(jī)械手等控制都集成到系統(tǒng)中去。

2.自動機(jī)與自動生產(chǎn)線

在國民經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)和生活中廣泛使用的各種自動機(jī)械、自動生產(chǎn)線及各種自動化設(shè)備，是當(dāng)前機(jī)電一體化技術(shù)應(yīng)用的又一具體體現(xiàn)。如:2000一80000瓶/h的啤酒自動生產(chǎn)線;18000一120000瓶/h的易拉罐灌裝生產(chǎn)線;各種高速香煙生產(chǎn)線;各種印刷包裝生產(chǎn)線;由B政信函

自動分撿處理生產(chǎn)線;易拉罐自動生產(chǎn)線;FEBOPP型三層共擠雙向拉伸聚丙烯薄膜生產(chǎn)線等等，這些自動機(jī)或生產(chǎn)線中廣泛應(yīng)用了現(xiàn)代電子技術(shù)與傳感技術(shù)。如可編程序控制器，變頻調(diào)速器，人機(jī)界面控制裝置與光電控制系統(tǒng)等。

3.機(jī)器人

機(jī)器人是20世紀(jì)人類最偉大的發(fā)明之一。從某種意義上講，一個國家機(jī)器人技術(shù)水平的高低反映了這個國家綜合技術(shù)實力的高低。機(jī)器人已在工業(yè)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，而且正以驚人的速度不斷向軍事、醫(yī)療、服務(wù)、娛樂等非工業(yè)領(lǐng)域擴(kuò)展。毋庸質(zhì)疑，21世紀(jì)機(jī)器人技術(shù)必將得到更大的發(fā)展，成為各國必爭的知識經(jīng)濟(jì)至高點(diǎn)。

在計算機(jī)技術(shù)和人工智能科學(xué)發(fā)展的基礎(chǔ)上，產(chǎn)生了具有感知、思維和行動功能的智能機(jī)器人，是機(jī)構(gòu)學(xué)、自動控制、計算機(jī)、人工智能、微電子學(xué)、光學(xué)、通訊技術(shù)、傳感技術(shù)、仿生學(xué)等多種學(xué)科和技術(shù)的綜合成果。智能機(jī)器人可獲取、處理和識別多種信息，自主地

完成較為復(fù)雜的操作任務(wù)，比一般的工業(yè)機(jī)器人具有更大的靈活性、機(jī)動性和更廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域。智能機(jī)器人作為新一代生產(chǎn)和服務(wù)工具，在制造領(lǐng)域和非制造領(lǐng)域具有更廣泛、更重要的位置，如核工業(yè)、水下、空間、農(nóng)業(yè)、工程機(jī)械(地上和地下)、建筑、醫(yī)用、救災(zāi)、排驗、軍事、服務(wù)、娛樂等方面，可代替人完成各種工作。同時，智能機(jī)器人作為自動化、信息化的裝置與設(shè)備，完全可以進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)世界，發(fā)揮更多、更大的作用，這對人類開辟新的產(chǎn)

業(yè)，提高生產(chǎn)水平與生活水平具有十分現(xiàn)實的意義。

4. 汽車電子化產(chǎn)品

汽車上比較常用的一般有5種儀表和3種相應(yīng)的傳惑器，即電流表、機(jī)油壓力表、水溫表、燃油表、車速里程表等指示儀表和機(jī)油壓力傳感器、水溫傳感器和油量傳感器。

目前，電子化儀表已經(jīng)取代機(jī)械式儀表。這是由于機(jī)械式儀表一旦出現(xiàn)故障將很難處理，而電子化儀表則不同。采用電子化儀表不僅可以改進(jìn)駕駛員的目視性，還有助于汽車儀表的多樣化。

三、機(jī)電一體化技術(shù)的發(fā)展方向

1.光、機(jī)、電一體化

一般的機(jī)電一體化系統(tǒng)是由傳感系統(tǒng)、能源系統(tǒng)、信息處理系統(tǒng)、機(jī)械結(jié)構(gòu)等部件組成的。因此，引進(jìn)光學(xué)技術(shù)，實現(xiàn)光學(xué)技術(shù)的先天優(yōu)點(diǎn)能有效地改進(jìn)機(jī)電一體化系統(tǒng)的傳感系統(tǒng)、能源(動力)系統(tǒng)和信息處理系統(tǒng)。光機(jī)電一體化是機(jī)電產(chǎn)品發(fā)展的重要趨勢。

2.自律分配系統(tǒng)化(柔性化)

今后的機(jī)電一體化產(chǎn)品，控制和執(zhí)行系統(tǒng)有足夠的“冗余”，更“靈活”，能更好地應(yīng)付突發(fā)事件，被設(shè)計為“自律分配系統(tǒng)”。在自律分配系統(tǒng)中，各系統(tǒng)相互獨(dú)立工作，子系統(tǒng)為總系統(tǒng)服務(wù)，有其自身的“自律性”。根據(jù)不同的環(huán)境條件的不同反應(yīng)。它的特點(diǎn)是，系統(tǒng)可以生成自己的信息和附加信息，在總的前提下，可以改變的“行動”。在這種方式中，顯著提高了系統(tǒng)的適應(yīng)性，靈活的，而不是因為對整個系統(tǒng)的一個子系統(tǒng)的故障。

3.全息系統(tǒng)化(智能化)

機(jī)電產(chǎn)品的“全息”功能將越來越明顯，智能化程度也越來越高。這主要是由于模糊技術(shù)，信息技術(shù)，特別是軟件和芯片技術(shù)的發(fā)展。此外，從簡單的“自上而下”系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)的情況已經(jīng)變成了一個復(fù)雜的，有更多的雙向鏈路冗余。

系統(tǒng)化的表現(xiàn)特征之一就是系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)進(jìn)一步采用開放式和模式化的總線結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)可以進(jìn)行任意剪裁和組合，同時尋求實現(xiàn)多子系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制和綜合管理。表現(xiàn)特征之二是通信功能的大大加強(qiáng)，一般除RS232外，還有RS485,DCS人格化。未來的機(jī)電一體化更加注重產(chǎn)品與人的關(guān)系，機(jī)電一體化的人格化有兩層含義:一是機(jī)電一體化產(chǎn)品的最終使用對象是人，如何賦予機(jī)電一體化產(chǎn)品人的智能、情感、人性顯得越來越重要，特別是對家用機(jī)器人，其最高境界就是人機(jī)一體化。二是模仿生物機(jī)理，研制各種機(jī)電一體化產(chǎn)品。事實上，許多機(jī)電一體化產(chǎn)品都是受動物的啟發(fā)研制出來的。

4.微型機(jī)電化

目前，利用半導(dǎo)體器件制造過程中的蝕刻技術(shù)，，在實驗室中產(chǎn)生的亞微米的機(jī)械部件。當(dāng)我們把這個結(jié)果用于實際產(chǎn)品，沒有必要區(qū)分機(jī)械部分和控制器。將機(jī)械和電子的“融合”在一起，機(jī)體、執(zhí)行器、傳感器等CPU可以集成在一起，體積很小，一個自我調(diào)控元件的形成的微觀機(jī)制是機(jī)電一體化的重要發(fā)展方向。

四、機(jī)電一體化技術(shù)的發(fā)展策略

一是機(jī)械本體技術(shù)的改善。

改善機(jī)械本體必須分別從性能的改善和質(zhì)量的減輕以及精度的提升等方面著手，當(dāng)前很多機(jī)械產(chǎn)品的原材料是鋼鐵，為減輕本體質(zhì)量應(yīng)改進(jìn)本體結(jié)構(gòu)，并適當(dāng)考慮應(yīng)用非金屬復(fù)合型的材料，減輕本體重量是實現(xiàn)小型化的驅(qū)動系統(tǒng)的關(guān)鍵。

二是注重傳感技術(shù)的提升。

提升傳感技術(shù)必須從靈敏度、可靠性和精確度等方面的提高著手，尤其是可靠性和抗干擾性的高低，直接關(guān)系到傳感技術(shù)水平的高低。因而為預(yù)防電干擾，當(dāng)前大都采用較為先進(jìn)的光纖電聯(lián)傳感器，而如果是外部信息傳感器，那么則主要采用發(fā)展中的非接觸性的檢測技術(shù)。

三是信息處理技術(shù)水平的提升

機(jī)電一體化技術(shù)水平的提升與微電子學(xué)的進(jìn)度、微型設(shè)備的普及和應(yīng)用密不可分，為促進(jìn)機(jī)電一體化的發(fā)展，就必須著力提升信息處理技術(shù)水平，提升處理速率的同時解決諸如抗干擾性能低和標(biāo)準(zhǔn)化程度不一的問題。

四是驅(qū)動技術(shù)的提升

電機(jī)的響應(yīng)速率方面尚存諸多不足。值得期待的是當(dāng)前電機(jī)內(nèi)部裝備編碼和專用控制組件、傳感器以及電機(jī)三位一體化的伺服驅(qū)動單元正在積極地發(fā)展且日臻成熟當(dāng)中，相信在不久的將來，驅(qū)動技術(shù)水平就能得到有效的提升

結(jié)束語

機(jī)電一體化是許多科學(xué)技術(shù)發(fā)展的結(jié)晶，是社會生產(chǎn)力發(fā)展到一定階段的必然要求。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，各種技術(shù)相互融合的趨勢將越來越明顯，是機(jī)械工業(yè)發(fā)展的必然趨勢。是21世紀(jì)機(jī)械工業(yè)的主角，在各方面均可帶來顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益，具有廣闊的發(fā)展前景。

參考文獻(xiàn)

篇7

金屬絲微結(jié)構(gòu)光纖的研究進(jìn)展

隨機(jī)分布反饋光纖激光器研究進(jìn)展

利用多波長放大抑制窄線寬光纖放大器中受激布里淵散射效應(yīng)的研究進(jìn)展

高分辨率投影光刻機(jī)光瞳整形技術(shù)

熒光壽命成像技術(shù)及其研究進(jìn)展

硫系玻璃光波導(dǎo)研究進(jìn)展

中紅外光纖激光器的研究進(jìn)展

基于光學(xué)成像技術(shù)的針灸鎮(zhèn)痛機(jī)理研究

低雙折射均勻光纖布拉格光柵斯托克斯參量的研究

基于擴(kuò)展二次同余碼/單重合序列的二維光碼分多址系統(tǒng)仿真

光纖參數(shù)對弱導(dǎo)階躍光纖線偏振模式特性的影響

矩形晶格微結(jié)構(gòu)光纖偏振拍長穩(wěn)定性的優(yōu)化

基于綜合灰度梯度法的數(shù)字全息焦平面定位研究

基于數(shù)字散斑的彎管殘余應(yīng)力測量系統(tǒng)的誤差分析

基于激光散斑照相術(shù)的三維變形測試

激光熔覆綠色再制造快速工藝規(guī)劃技術(shù)研究

大能量窄脈寬高平均功率綠光激光器

脈沖式半導(dǎo)體激光器端面抽運(yùn)主振蕩-功率放大器及腔外倍頻系統(tǒng)

高能量激光二極管側(cè)面抽運(yùn)風(fēng)冷Nd∶YAG脈沖激光器

基于聚合物納米光纖的微光子學(xué)器件及其應(yīng)用

高亮度窄線寬的激光二極管陣列研究進(jìn)展

高功率半導(dǎo)體激光器光束非相干合成技術(shù)進(jìn)展

高功率摻銩光纖激光的研究進(jìn)展

埋入式光纖智能金屬結(jié)構(gòu)研究進(jìn)展

貓眼效應(yīng)用于激光主動探測技術(shù)的研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢

大數(shù)值孔徑聚焦的特性研究

多點(diǎn)光纖瓦斯傳感技術(shù)

圓柱霧屏承載相息圖光電再現(xiàn)三維影像的實驗研究

圖像融合算法性能分析與評價效果研究

空域中基于Rudin-Osher-Fatemi模型的小波圖像修補(bǔ)方法

人造衛(wèi)星光學(xué)可見期實時預(yù)測方法

激光熔覆過程殘余應(yīng)力的數(shù)值模擬

“神光Ⅱ”裝置三倍頻離線調(diào)試系統(tǒng)設(shè)計與測試精度分析

激光表面處理對NiAl/納米Al_2O_3復(fù)合鍍層組織及其耐磨性的影響

礦物發(fā)光材料Ca_3(Zr,Ti)Si_2O_9的合成與光學(xué)性能研究

綠輝石玉的光譜學(xué)特征

基于光學(xué)相干層析成像技術(shù)的光老化皮膚嫩膚實驗觀察

篇8

關(guān)鍵詞：光纖在線監(jiān)測；隧道；效益

1 概述

鋼鐵工業(yè)是在上個世紀(jì)二十年代隨著鐵礦的開采和煉制等工業(yè)的發(fā)展而形成的一項工業(yè)，在現(xiàn)在的生活中隨著社會和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，鋼鐵工業(yè)系統(tǒng)對國家的經(jīng)濟(jì)和人民群眾的日常生活中的地位就顯得更加的重要。在鋼鐵工業(yè)系統(tǒng)的穩(wěn)定、安全、可靠的運(yùn)行維護(hù)工作中，電氣設(shè)備安全運(yùn)行的可靠性是首要考慮的問題[1]。

這些年來隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展以及供電用電部門使用要求的提高，鋼鐵行業(yè)系統(tǒng)向高電壓、大規(guī)模、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)信息化方面的發(fā)展，傳統(tǒng)檢修維護(hù)方法己不太適用于當(dāng)今迅速發(fā)展的大型鋼鐵企業(yè)，其主要原因在于：（1）某些重要裝置設(shè)備的檢修和維護(hù)工作需要停電操作，而很多情況下為了能夠使生產(chǎn)生活安全平穩(wěn)可靠的連續(xù)運(yùn)行，重要電氣設(shè)備退出運(yùn)行狀態(tài)非常困難；（2）停電后檢查電氣設(shè)備時，設(shè)備試驗檢查狀態(tài)往往與電氣設(shè)備單獨(dú)運(yùn)行時狀態(tài)不一致，如設(shè)備運(yùn)行電流、振動值、溫度等物理量，都會在一定程度上影響對設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的準(zhǔn)確判斷；（3）受到檢修S護(hù)周期的影響，有一些并不是連續(xù)運(yùn)行的電氣設(shè)備的檢修維護(hù)工作主要由我維修人員憑經(jīng)驗來進(jìn)行判斷，由于業(yè)務(wù)能力和經(jīng)驗上的差別，檢修維護(hù)時間選擇無法做到準(zhǔn)確可靠，使得相鄰兩次檢修期間發(fā)生的電氣設(shè)備問題沒有很好的解決方法[2]。

鋼鐵企業(yè)電氣設(shè)備涵蓋廣泛，包括各種變壓器、高低壓開關(guān)設(shè)備、高低壓發(fā)電機(jī)、電動機(jī)、高低壓電容器、電抗器、UPS不間斷電源、高低壓變頻器、電流電壓互感器和高低壓電力電纜等。由于這些電氣設(shè)備經(jīng)常處于大電壓、大電流和強(qiáng)磁場工作環(huán)境中，在實際監(jiān)控中要求狀態(tài)監(jiān)測儀器與監(jiān)控對象之間進(jìn)行適當(dāng)隔離，在某些場合傳統(tǒng)監(jiān)測技術(shù)手段往往會受到一定限制[3]，而先進(jìn)光纖傳感技術(shù)能夠廣泛適應(yīng)于高電壓環(huán)境、抗電磁干擾、耐腐蝕和實現(xiàn)實時在線監(jiān)測電氣設(shè)備特征物理量（如電流電壓波動、設(shè)備溫度和應(yīng)變等）的系統(tǒng)。

2 系統(tǒng)概述

分布式光纖在線溫度監(jiān)測系統(tǒng)是針對研發(fā)的基于分布式光纖傳感技術(shù)的新型溫度監(jiān)測及火災(zāi)報警系統(tǒng)，通過實時檢測測溫光纜中反射光信號隨溫度的變化情況，實現(xiàn)分布式光纖在線溫度監(jiān)測系統(tǒng)是根據(jù)電纜夾層、電纜隧道、電纜橋架、高壓電氣設(shè)備內(nèi)部多個測點(diǎn)的溫度在線監(jiān)測和火災(zāi)報警。

測溫光纜具有體積小、重量輕、無源檢測、防電磁干擾、阻燃防爆、易于遠(yuǎn)程監(jiān)測等優(yōu)點(diǎn)，采用測溫光纜的火災(zāi)監(jiān)測系統(tǒng)具備以下獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)：（1）將測點(diǎn)的溫度變化轉(zhuǎn)換成測溫光纜中拉曼散射光信號的變化，通過對兩個拉曼散射光信號的差分檢測，從本質(zhì)上消除了系統(tǒng)光功率波動、傳輸鏈路損耗變化對測量精度的影響。（2）測溫光纜的每一點(diǎn)都是溫度傳感器，真正實現(xiàn)了分布式溫度測量，整個測溫范圍無盲區(qū)。（3）測量精度高，響應(yīng)時間短。測溫精度可達(dá)±1℃，對5Km測溫光纜的檢測時間不超過5秒。（4）傳感器不受環(huán)境濕度、應(yīng)力應(yīng)變的影響，測量結(jié)果具有良好的重復(fù)性，長期穩(wěn)定性好。

分布式光纖在線溫度漸監(jiān)測主機(jī)通過以太網(wǎng)絡(luò)與監(jiān)控計算機(jī)進(jìn)行通信，可實現(xiàn)遠(yuǎn)程集中監(jiān)控；通過RS232/RS485接口與報警控制器相連，實現(xiàn)分區(qū)過溫報警；通過多級可配置報警溫度設(shè)置，實現(xiàn)火災(zāi)預(yù)警與報警。另外，系統(tǒng)的調(diào)試、區(qū)域設(shè)置、報警參數(shù)設(shè)置等操作均可在測溫主機(jī)或遠(yuǎn)程監(jiān)控計算機(jī)上完成，操作、維護(hù)方便。

3 工作原理

分布式光纖在線溫度監(jiān)測系統(tǒng)基于分布式光纖傳感技術(shù)，利用光纖中拉曼散射光信號對溫度的敏感特性，實現(xiàn)對溫度變化的精確測量。

分布式光纖溫度傳感是將整條傳輸光纖作為傳感器，光纖（光纜）上的每一點(diǎn)都兼具“傳”和“感”的功能。在分布式光纖溫度傳感系統(tǒng)中，一束較強(qiáng)的脈沖激光信號在光纖（光纜）中傳輸時，光纖中的每一點(diǎn)都會對激光信號產(chǎn)生極其微弱的散射，散射光信號的特性與該點(diǎn)所處位置的溫度有關(guān)，通過檢測每一點(diǎn)散射光信號的光學(xué)特性，獲得改點(diǎn)的溫度信息，進(jìn)而得到整條光纖（光纜）上的溫度分布。

根據(jù)所檢測的反射光信號的不同，分布式光纖溫度傳感系統(tǒng)可分為瑞利（Rayleigh）散射系統(tǒng)、拉曼（Raman）散射系統(tǒng)和布里淵（Brillouin）散射系統(tǒng)。激光脈沖信號在光纖中傳輸時，由于激光與光纖材料的相互作用，會產(chǎn)生三種不同的散射光：瑞利散射、拉曼散射和布里淵散射，其中瑞利散射光對溫度變化較不敏感，拉曼散射光對溫度變化較為敏感，布里淵散射光對溫度和應(yīng)變都敏感，因此拉曼散射和布里淵散射都可以用來測量溫度。另一方面，由于布里淵散射和瑞利散射在頻譜上靠的非常近，很難通過濾波器分開，同時布里淵散射受應(yīng)力、應(yīng)變的影響也較大，因此應(yīng)用最多的還是采用拉曼散射實現(xiàn)溫度傳感。

4 系統(tǒng)組成

光纖光柵隧道火災(zāi)監(jiān)測系統(tǒng)主要由以下五部分組成：

測溫光纜；測溫主機(jī)；監(jiān)控軟件；火災(zāi)報警控制器（可選）；光纖通信模塊（可選）。

5 系統(tǒng)軟件功能

系統(tǒng)軟件包括13個主要功能：數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)顯示、數(shù)據(jù)交換、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)備份、用戶管理、報警輸出、分區(qū)設(shè)置、日志記錄、曲線圖保存、短信報警、歷史溫度查詢，顯示火災(zāi)蔓延方向。

6 運(yùn)行管理

6.1 安全事項

使用光纖在線監(jiān)測系統(tǒng)時，為了人身安全以及減少火災(zāi)、觸電或人員傷害的危險起見，請遵守以下安全規(guī)則：（1）仔細(xì)閱讀并理解光纖傳感器全部說明，按照說明書操作相應(yīng)儀器；（2）請勿將眼睛直接對準(zhǔn)機(jī)箱光纖出口處；（3）請使用接地良好的插座供電；（4）請將儀器放在通風(fēng)處，請勿在儀器的通風(fēng)口堆放物品，以免散熱不良造成機(jī)器過熱，損壞儀器；（5）為了防止觸電或火災(zāi)，請勿將儀器暴露在雨水中；（6）應(yīng)使儀器避開灰塵、高溫和振動；（7）請勿將儀器直接暴露在陽光照射下；（8）勿在儀器上放置重物；（9）勿用濕手觸摸插頭；（10）如果要搬運(yùn)儀器，務(wù)必小心輕放，請勿受壓，避免潮濕，避免劇烈振動。

6.2 儀器維護(hù)

產(chǎn)品屬于貴重精密光學(xué)儀器，請妥善使用。請勿用手指或其它物品直接接觸光纖接頭端面。平時要注意儀器的維護(hù)，主要包括以下幾個方面：（1）光纖頭的清潔。清潔光纖頭時要謹(jǐn)慎小心，采用無水酒精浸泡的棉花球或光纖端面專用清潔器，輕輕擦拭APC光纖接頭上的灰塵，注意要沿一個方向，不可來回擦拭，以免損壞光纖端面，且每次光纖頭和酒精棉（或?qū)Ｓ们鍧嵠鳎┑慕佑|位置都不能相同，以免二次污染。（2）外殼清洗。儀器運(yùn)行一段時間后需要外殼清洗，清洗時請拔下本機(jī)的電源插頭。不要使用液體或者噴霧清潔器。使用濕布進(jìn)行清潔。（3）儀器供電采用220V交流供電，切勿亂動機(jī)柜內(nèi)部走線，以防漏電造成的傷害。

7 結(jié)束語

光纖在線監(jiān)測技術(shù)大大減少了人工成本，電纜維護(hù)避免事故，起到了不可估量的作用。

參考文獻(xiàn)

[1]黃雅羅，黃樹紅.發(fā)電設(shè)備狀態(tài)檢修[M].北京：中國電力出版社，2000.

篇9

關(guān)鍵詞： 石油生產(chǎn)； 流量； 光纖； 湍流； 振動

中圖分類號： TN 253文獻(xiàn)標(biāo)志碼： Adoi： 10.3969/j.issn.10055630.2015.02.003

Study of optical fiber fluid flow monitoring system

using pipe vibration frequency characteristic

LIU Xiaohui1， LIU Suxiang2， SHANG Ying1， WANG Chang1

（1.Key Laboratory of Optical Fiber Sensing Technology of Shandong Province，

Laser Institute of Shandong Academy of Sciences， Jinan 250014， China；

2.Shandong Academy of Sciences， Jinan 250014， China）

Abstract： Fluid flow is an extremely important parameter in the oil production field. Realtime monitoring of fluid flow parameter provides a scientific basis for increasing reservoir recovery. An optical fiber fluid flow monitoring system based on pipe vibration frequency characteristic is proposed. The vibration of the pipe is induced by turbulent flow when fluid flow passes through the pipe. The fiber optic sensors wrapped around the pipe outside the wall are used to detect the vibration information. The frequency characteristics of the vibration of the pipe are summarized. Then the relationship between mean flow rate and standard deviation of the vibration of the pipe induced by turbulence is determined.

Keywords： oil production； fluid flow； fiber optic； turbulent flow； vibration

引言石油生產(chǎn)中，流量是油氣井下的重要物理量，實時流量監(jiān)測能夠為提高原油采收率提供可靠的科學(xué)依據(jù)。石油工業(yè)中被測流體的成分復(fù)雜，流態(tài)多種多樣，工作現(xiàn)場的條件十分惡劣，傳統(tǒng)電子傳感器在井下惡劣環(huán)境諸如高壓、高溫、腐蝕、電磁干擾下無法正常工作。與傳統(tǒng)電子傳感器比較，光纖流量傳感器具有如下優(yōu)點(diǎn)：（1）靈敏度高，動態(tài)范圍廣，準(zhǔn)確性高；（2）易于遠(yuǎn)距離測量；（3）耐高壓高溫，電氣絕緣性好，抗電磁干擾，安全可靠；（4）體積小，質(zhì)量輕，集傳感與傳輸于一體[15]。本文利用湍流誘發(fā)振動特性以及光的相位特性，提出了一種光纖流量監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)的光信號在光纖傳輸?shù)倪^程中會受到管壁振動信號調(diào)制，采用相位載波（phase generated carrier，PGC）調(diào)制解調(diào)技術(shù)完成流量信號的提取。光纖作為感知流量信號的傳感器，結(jié)構(gòu)簡單可靠，靈敏度高，在石油測試儀器中具有廣闊的應(yīng)用前景。1光纖流量監(jiān)測系統(tǒng)原理

1.1管壁振動測試原理研究表明，流體分子到達(dá)管壁時具有的動能有90%以上轉(zhuǎn)化為壓力的形式，故壓力是流體與管壁傳遞能量的主要形式[6]。關(guān)于圓管湍流的研究表明，壓力脈動和流速脈動成正比[7]，即p∝u―v―（1）式中：u―為軸向平均速度；v―為徑向平均速度。充滿液體的油管可以簡化為一維梁，具有關(guān)系p′（x）=d2Mdx2=dVdx（2）式中：V為剪切力；M為彎矩；x為軸向位移；p′（x）為單位長度載荷函數(shù)。光學(xué)儀器第37卷

第2期劉小會，等：基于管壁振動頻率特性的光纖流量監(jiān)測系統(tǒng)

由工程力學(xué)可知p′（x）=EId4ydx4（3）式中：y為徑向位移；EI為抗彎強(qiáng)度。由梁的振動式可以得出2yt2=-gAγEI4yx4（4）式中：t為時間；g為重力加速度；A為截面積；γ為比重。結(jié)合式（3）和式（4）得出p′（x）∝2yt2（5）式（5）表明管壁振動的加速度和壓力脈動成正比。根據(jù)文獻(xiàn)[8]中湍流強(qiáng)度的推導(dǎo)可以得出1N-1∑Ni=1ui（t）-u―2∝u―（6）式中N為采樣點(diǎn)數(shù)。由式（6）可以看出管道振動的標(biāo)準(zhǔn)方差和平均流速成正比。由于平均流量和平均流速成正比，故管道振動的標(biāo)準(zhǔn)方差和平均流量成正比。由以上公式的推導(dǎo)可以得出平均流量與振動加速度標(biāo)準(zhǔn)方差有定量關(guān)系，這是光纖流量測量系統(tǒng)的理論基礎(chǔ)。

1.2光纖相位調(diào)制原理光相位信息由光纖波導(dǎo)的總物理長度、折射率及其分布、光纖波導(dǎo)的橫向幾何尺寸決定。假定光纖波導(dǎo)折射率分布保持恒定，并已知施加在光纖上的擾動（外界信號），光通過長度為L的光纖后，出射光波相位延遲為[9]φ=2πnLvc（7）圖1光纖流量傳感單元

Fig.1Optical flow sensing unit式中：n為光纖纖芯折射率；c為真空中光速；v為光頻。由此得出光相位的變化式為Δφ=2πnLvcΔnn+ΔLL+Δvv（8）引起相位變化的因素可分為溫度效應(yīng)和應(yīng)力應(yīng)變效應(yīng)。溫度效應(yīng)所引起的相位變化較為緩慢，可采用信號處理的辦法消除其引起的相位變化，因此本文的光纖流量監(jiān)測系統(tǒng)主要采用應(yīng)力應(yīng)變效應(yīng)。光纖流量傳感單元如圖1所示，在油管外壁選擇流量監(jiān)測點(diǎn)，在流量監(jiān)測點(diǎn)處纏繞特定長度的高靈敏傳感光纖，并在傳感光纖末端焊接光纖光柵組成光纖流量傳感單元。當(dāng)流體經(jīng)過油管時，光纖流量傳感單元感應(yīng)湍流引起的壓力脈動，經(jīng)過PGC技術(shù)解調(diào)出相應(yīng)的流量信息。

1.3相位載波調(diào)制解調(diào)原理邁克爾遜干涉儀干涉信號可表示為I=A+BcosΦ（t）（9）式中：A為平均光功率；B=κA，κ≤1為干涉條紋可見度；Φ（t）為干涉儀的相位差。設(shè)Φ（t）=Ccos（ω0t）+φ（t），則式（9）可寫為[10]I=A+Bcos[Ccos（ω0t）+φ（t）]（10）式中：C為調(diào)制深度；ω0為相位載波角頻率；φ（t）=Dcos（ωst）+Ψ（t），其中，D為傳感器信號幅值，ωs為傳感器信號的角頻率，Ψ（t）是擾動信號等引起初始相位的緩慢變化。根據(jù)Bessel函數(shù)，式（10）可表示為I=A+BJ0（C）+2∑∞k=0（-1）kJ2k（C）cos（2kω0t）cosφ（t）-

2∑∞k=0（-1）kJ2k+1（C）cos（（2k+1）ω0t）sinφ（t）（11）圖2PGC解調(diào)原理圖

Fig.2Diagram of PGC圖2是PGC解調(diào)原理圖，邁克爾遜干涉儀的輸出信號I分別與二倍頻、基頻相乘，為了克服信號畸變和消隱現(xiàn)象，分別對兩路相乘后的信號進(jìn)行了微分交叉相乘（DCM），微分交叉相乘后的信號經(jīng)過差分放大、積分運(yùn)算后變換為信號S1，即S1=B2GHJ1（C）J2（C）φ（t）（12）式中：G為基頻系數(shù)；H為倍頻系數(shù)。將φ（t）=Dcos（ωst）+Ψ（t）代入式（12）可以得出信號S2，即S2=B2GHJ1（C）J2（C）[Dcos（ωst）+Ψ（t）]（13）由式（13）可以看出，積分后得到的信號包含傳感信號Dcos（ωst）和外部干擾信號，后者通常是慢變信號，通過高通濾波器（HPF）消除外部干擾信號，光纖流量監(jiān)測系統(tǒng)的最后輸出信號S為S=B2GHJ1（C）J2（C）Dcos（ωst）（14）2新型光纖干涉流量計實驗系統(tǒng)

2.1光路設(shè)計連續(xù)穩(wěn)定的激光被聲波調(diào)制器調(diào)制為重復(fù)頻率為100 Hz、脈寬為1 μs的脈沖激光，脈沖激光信號在經(jīng)過馬赫曾德爾干涉儀后形成兩個脈沖激光信號，如圖3所示，兩個脈沖激光信號依次注入光纖流量傳感器，經(jīng)過一系列光纖光柵反射，在接收端信號形成含有傳感信號的脈沖序列。

2.2實驗系統(tǒng)設(shè)計液體循環(huán)系統(tǒng)如圖4所示，系統(tǒng)主要由油管、閥門、注水口、出水口、水泵、光纖流量傳感器以及電磁流量計組成。首先通過注水口往油管內(nèi)注入液體，使得液體充滿整個循環(huán)系統(tǒng)，然后開動水泵，使得液體在油管內(nèi)循環(huán)流動起來，通過調(diào)節(jié)閥門A和閥門B控制流過光纖流量傳感器的流量，在光纖流量傳感器附近安裝一個電磁式流量計用于標(biāo)定光纖流量傳感器。本系統(tǒng)為了能夠檢測到0～40 kHz的傳感信號，在實驗中采用了頻率為80 kHz的載波頻率。通過分析解調(diào)油管中傳感信號的頻率特性，確定流體振動信號頻率范圍主要集中于10～30 kHz，實驗結(jié)果如圖5所示，在此頻率范圍內(nèi)光纖流量監(jiān)測系統(tǒng)能較好地完成流量監(jiān)測。圖3光纖流量監(jiān)測系統(tǒng)光路圖

Fig.3Schematic diagram of the fluid flow monitoring system

圖4流量測試實驗系統(tǒng)

Fig.4Schematic diagram of the

experimental system圖5頻率范圍10～30 kHz下的光強(qiáng)與流量關(guān)系圖

Fig.5Relationship between light intensity and

flow in the frequency range between 10 kHz and 30 kHz

3結(jié)論采用光纖傳感技術(shù)將湍流振動產(chǎn)生的動態(tài)壓力信號轉(zhuǎn)化為光相位信號，確立了光相位信號與流量的二次曲線關(guān)系。通過研究流體流過管道時湍流引起的振動信號的頻率特性，提出了一種光纖流量監(jiān)測系統(tǒng)，成功實現(xiàn)了非浸入式測量范圍為5～50 m3/h流量的在線測量。通過實驗發(fā)現(xiàn)，在大流量的情況下測量精度較高，測量精度為±5%，為進(jìn)一步實施油井實地實驗提供了參考。 參考文獻(xiàn)：

[1]楊斌，田杰，江健武，等.分布式光纖載流量/溫度安全監(jiān)測系統(tǒng)的研究[J].光學(xué)儀器，2013，35（1）：7579.

[2]吳紅艷，肖倩，吳媛，等.基于載波調(diào)制的光纖振動傳感復(fù)用系統(tǒng)[J].光學(xué)儀器，2014，36（1）：4045.

[3]周正仙，段紹輝，田杰，等.分布式光纖振動傳感器及振動信號模式識別技術(shù)研究[J].光學(xué)儀器，2013，35（6）：1115.

[4]胡玉瑞，唐源宏，李川.光纖Bragg光柵流量傳感器[J].傳感技術(shù)學(xué)報，2010，23（4）：472474.

[5]唐璜，繆璇，趙棟.基于微分干涉原理的全光纖水下偵聽技術(shù)[J].光學(xué)儀器，2014，36（2）：107110.

[6]EVANS R P，BLOTTER J D，STEPHENS A G.Flow rate measurements using flow induced pipe vibration[J].Journal of Fluids Engineering.2004，126（2）：280285.

[7]李昆，湯榮銘，許宏慶.基于振動原理的無接觸流量測量實驗及模擬研究[J].實驗流體力學(xué)，2007，21（1）：7781.

[8]PITTARD M T，EVANS R P，MAYNES R D，et al.Experimental and numerical investigation of turbulent flow induced pipe vibration in fully developed flow[J].Review of Scientific Instruments，2004，75（7）：23932041.

篇10

關(guān)鍵詞：光電互感器；羅夫斯基線圈；泡克而斯效應(yīng)；法拉第效應(yīng)

中圖分類號：TP183文獻(xiàn)標(biāo)識碼：Adoi:10.3969/j.issn.1003-6970.2010.10.006

The Analysis of Optical Transformer Technology

Lv PengHuang YuanliangJin Zhuoyun

(Electric automatization institute of Jinan University, Zhuhai,519070)

Abstract：Optical Transformer bases on Photonics technology and optical fiber sensing technology, it is fit for the constantly developing and progressing of the voltage degree and current quality in electrical industry due to its perfect performance. In addition, it will take the place of traditional transformer gradually. Optical transformer is constituted of Optical Current Transformer, Optical Voltage Transformer and the Combined Optical Transformer. This paper mainly introduces the principle, current problems, solutions and the usage of Optical Transformer, and prospecting the future develop trend.

Key words: Optical Transformer; Rogowski coil; Pockels effect; Faraday effect

1．引 言

光電互感器是利用光電子技術(shù)和光纖傳感技術(shù)來實現(xiàn)電力系統(tǒng)電壓、電流測量的新型互感器它是光學(xué)電壓互感器、光學(xué)電流互感器、組合式光學(xué)互感器等各種光學(xué)互感器的通稱。隨著電力工業(yè)的不斷發(fā)展，電網(wǎng)電壓等級的不斷提高，電力工業(yè)對電壓、電流的測量要求也在不斷提高。互感器作為輸電線路中最基本最重要的檢測設(shè)備，其暴露出來的一系列缺點(diǎn)迫使一種安全、可靠、理論完善性能優(yōu)越的新方法來實現(xiàn)高電壓和高電流的測量?；诠鈱W(xué)傳感技術(shù)的光學(xué)電流互感器（Optical Current Transformer, OCT)和光學(xué)電壓互感器（Optical Voltage Transformer, OVT)能有效地克服傳統(tǒng)電磁式互感器所固有的缺點(diǎn)，同時更適應(yīng)電力系統(tǒng)的智能化，并為計算機(jī)高速網(wǎng)絡(luò)在實時系統(tǒng)中的開發(fā)利用，為變電站信息的采集、傳輸實現(xiàn)數(shù)字化處理提供了條件。光電互感器的諸多優(yōu)點(diǎn)，近三十年來引起了世界各國的關(guān)注，尤其美國、法國、日本和中國的學(xué)者和工程技術(shù)人員都進(jìn)行了深入的研究。

2.光電互感器的產(chǎn)生與歷史

早在20世紀(jì)60十年代，國外的諸多電氣公司就開始了對光電互感器的相互研究，最早研制成功的是美國的西屋電氣公司。但當(dāng)時研制的基于法拉第光效應(yīng)（電流互感器）和電光效應(yīng)（電壓互感器）的光電互感器還僅僅是純光學(xué)式的光電元件，他受到溫度限制無法達(dá)到戶外環(huán)境下0.2級精度的要求。到了60年代，在世界范圍內(nèi)興起了對光電式電流互感器應(yīng)用的研究，70年代一度形成，但當(dāng)時仍處于初級階段，溫度等影響仍未得到較好的解決，精度比較低。直到上世紀(jì)80年代，隨著電子技術(shù)的飛速發(fā)展，光電子技術(shù)、PC微機(jī)、單片機(jī)及數(shù)字處理器技術(shù)的興起與成熟，為研制出高性能的光電互感器奠定了堅實的基礎(chǔ)，電子式光電互感器得以研制成功，并逐漸開始投入使用。

1992年ABB公司的光電互感器在巴西電力系統(tǒng)投入應(yīng)用，至今運(yùn)行良好。SIMENS、ALSTOM等公司也相繼研制成功并投入運(yùn)行。到2000年，ABB公司已經(jīng)研制出可用于69kV到765kV電壓等級的光電電流互感器，測量電流范圍為5A~2000A，準(zhǔn)確度達(dá)到±0.2%。同時，他們研制了用于GIS中的復(fù)合電子式電壓、電流互感器，電流測量范圍為5A~2000A，電壓測量范圍為69~500kV，準(zhǔn)確度都達(dá)到±0.2%，電壓測量是直接使用電容環(huán)測量，不用分壓器。法國的Alstom公司利用Faraday效應(yīng)研制了一套電子式電流互感器，在-30~50℃的范圍內(nèi)準(zhǔn)確度達(dá)到±0.2%。

我國最早對光電互感器的研究是在20世紀(jì)80年代的一些大學(xué)進(jìn)行的，當(dāng)時也是以光學(xué)式的光電互感器為研究方向，目前已改為主攻電子式的光電互感器。盡管一些高科技公司的某些產(chǎn)品已經(jīng)進(jìn)入掛網(wǎng)試運(yùn)階段，但是對光電互感器的研究仍處于初級階段，與國外還有一定的距離。國內(nèi)許多科研機(jī)構(gòu)和大專院校的研究人員也正致力于新型光電互感器的研究，從事這方面的主要研究單位有清華大學(xué)、華中科技大學(xué)、上海大學(xué)、西安同維公司、廣州偉鈺光電科技有限公司等，經(jīng)過幾年的努力，研制工作已逐步向?qū)嵱没A段發(fā)展。光電互感器的高壓以及電氣絕緣特性使得它更加適合我國電力工業(yè)的發(fā)展，在將來的超高壓以及特高壓系統(tǒng)中將發(fā)揮巨大的作用。

3. 光電互感器的工作原理及其分類[1]

簡單的來說OCT工作原理是Faraday磁光效應(yīng)，OVT工作原理是Pockels線性電光效應(yīng)，光學(xué)電流傳感頭和光學(xué)電壓傳感頭位于絕緣套管的高壓區(qū)，控制室內(nèi)的發(fā)光二極管發(fā)出光信號經(jīng)絕緣材料制成的光纜傳輸至兩個傳感頭，經(jīng)高壓母線和電壓調(diào)制后，光信號又經(jīng)光纜從高壓區(qū)傳輸回主控室，最后經(jīng)光電轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)采集和信號處理系統(tǒng)得出被測電流、電壓信號。根據(jù)高壓部分是否采用有源器件將光電互感器分為兩類：高壓部分不采用有源器件的稱為無源型光電電流（電壓）互感器，采用有源器件的稱為有源型光電電流（電壓）互感器。

3.1 有源型OCT工作原理[2]

有源型OCT又稱混合式光學(xué)電流互感器，它的原理是利用有源器件調(diào)制技術(shù),把羅夫斯基線圈測量出的信號經(jīng)過積分運(yùn)算得出電流模擬信號,模/數(shù)轉(zhuǎn)換(A/D)電路將積分器輸出的信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號,然后通過電一光轉(zhuǎn)換裝置將電信號轉(zhuǎn)換成光信號,再通過光纖傳輸。到互感器低壓側(cè)信號處理電路,有源型OCT原理示意圖如圖1所示。

有源型OCT的關(guān)鍵部件為羅夫斯基線圈及積分器。羅夫斯基線圈是一種繞制在非磁性骨架上的空心線圈,具有精度高、穩(wěn)定性好、抗干擾能力強(qiáng)、動態(tài)范圍寬、體積小、重量輕、造價低廉、線性度好等一系列優(yōu)點(diǎn)。其工作原理如圖2所示。

羅夫斯基線圈直接套在被測量的導(dǎo)體上,從而導(dǎo)體中流過的交流電流在導(dǎo)體周圍產(chǎn)生一個交替變化的磁場,從而在線圈兩端感應(yīng)出一個與電流變化成比例的交流電壓信號e(t):

其中,di/dt則是電流的變化率, 而L為線圈的電感,i(t)為還原電流,通過對交流電壓信號積分并運(yùn)算得出所要測量的電流值,其數(shù)學(xué)表達(dá)式為:

有源型OCT的傳感器和A/D轉(zhuǎn)換部件是需要電源供電的,目前常用的供能方式主要有利用特制電流互感器(CT)或電容分壓器從母線上取電能,激光供能,太陽能供電及蓄電池供電等。

3.2 無源型OCT的工作原理

無源型OCT與有源型OCT不同,其傳感器部分無需電源供電。無源型OCT以法拉第磁光效應(yīng)理論為基礎(chǔ),其實質(zhì)是光波在通過磁光材料時,電流產(chǎn)生的磁場使光波在通過磁光材料時其偏振面會發(fā)生旋轉(zhuǎn),測量其旋轉(zhuǎn)角度的大小即可確定被測電流。法拉第旋轉(zhuǎn)角θF的表達(dá)式為：

其中,V為代表光纖材料特性的維爾德常數(shù)；H為光傳播方向上的磁場強(qiáng)度；L為光路長度線；μ0為磁導(dǎo)率；N為繞載流體的光圈數(shù)；I為被測電流。

無源型電流互感器的存在問題是其本身的光學(xué)系統(tǒng)折射效應(yīng)隨環(huán)境因素而變化,光學(xué)傳感頭中存在著各種形式的雙折射,影響了整個系統(tǒng)的精度和穩(wěn)定性。

3.3 有源型OVT工作原理

有源型OVT的傳感頭部分仍采用傳統(tǒng)的傳感技術(shù),即電容分壓技術(shù)。如圖3所示,被測對象通過電容分壓測量單元后形成一較低的電壓,刀轉(zhuǎn)換單元對電容分壓測量單元的輸出信號進(jìn)行模擬量與數(shù)字量的轉(zhuǎn)換,形成光電信號,由于電容分壓測量單元和A/D轉(zhuǎn)換單元都需要供電模塊提供工作電源,有源型OVT的名稱由此而來。

有源型是當(dāng)前掛網(wǎng)運(yùn)行時間最長而且最為常見的光電電壓互感器,一方面其原理相對簡單,與傳統(tǒng)的電壓互感器結(jié)構(gòu)相近,容易實現(xiàn)另一方面其生產(chǎn)成本較低,便于制造。但是這種型式的光電互感器只是把傳感器的模擬信號轉(zhuǎn)換為光電信號,不是真正意義上的光電化產(chǎn)品,它一方面沒有充分體現(xiàn)光學(xué)傳感的優(yōu)越性,另一方面電容分壓器的長期運(yùn)行會引進(jìn)額外的測量誤差,因此具有一定的局限性,是一種為了實現(xiàn)光電信號傳輸?shù)倪^渡性產(chǎn)品。

3.4 無源型OVT

無源型的原理是將高電壓直接加在電光晶體上,應(yīng)用先進(jìn)的光學(xué)傳感原理一效應(yīng)來測量電壓的全光纖型光電電壓互感器“泡克爾斯效應(yīng)”是描述電場對透明晶體影響的電光效應(yīng),某些透明的光學(xué)介質(zhì)也稱壓電晶體在外加電場作用下,晶體將變?yōu)楦飨虍愋缘碾p軸晶體,從而導(dǎo)致其折射率和通過晶體的偏振光特性發(fā)生變化,產(chǎn)生雙折射,使一束光變?yōu)閮墒辔徊煌闹本€偏振光。圖4為無源型的原理圖,一束線性偏振光照射到壓電晶體表面時分裂成振動方向相互垂直的兩束光,其相位差大小與所加電壓和材料有關(guān)。

雙折射后兩束偏振光的相位差可用以下公式計算：

其中：U=Usinωt,λ為入射光波波長；n0為晶體的折射率孔, γ41為晶體(BGO)線性電光系數(shù)口為被測電壓是電壓幅值。ω是角頻率。

通常利用偏光干涉的方法將轉(zhuǎn)變?yōu)檩敵龉鈴?qiáng)的變化來檢測它,利用1/4波片使兩束光的相位差增加90°,總的相位差為δ+π/2。出射光強(qiáng)可以表示為：

其中,I0是入射光強(qiáng),U0為半波電壓。

可見,利用出射光強(qiáng)和電壓的關(guān)系,通過光電變換和信號處理就能得到被測電壓。

3.5 光學(xué)組合式互感器工作原理

光學(xué)組合式互感器是基于電光晶體的Pockels效應(yīng)和磁光玻璃的Faraday效應(yīng)研制出的可以同時測量高壓輸電線電流及電壓的組合式互感器。它絕緣結(jié)構(gòu)簡單，電壓測量與電流測量間無相互干擾。非線性誤差小于0.3%，在24～33℃溫度范圍電壓傳感器24h內(nèi)的波動在±0.3%內(nèi)。

4.光電互感器的優(yōu)點(diǎn)[3]

與常規(guī)的電磁式互感器相比較,光電互感器的突出優(yōu)點(diǎn)是：

(1)高低壓完全隔離,安全性高,具有優(yōu)良的絕緣性能和優(yōu)越的性價比

由于光電互感器是通過由絕緣材料制成的光導(dǎo)纖維將高壓信號傳輸?shù)蕉卧O(shè)備，巧妙的避開了傳統(tǒng)互感器絕緣性能差的缺點(diǎn)，大大簡化了絕緣結(jié)構(gòu)，節(jié)省資源的同時，提高了互感器電氣絕緣性能。它的適合高壓的特性使它在不斷提高電壓的電力工業(yè)中顯示出越來越高的性價比。利用光纜代替電纜作為信號傳輸工具,又實現(xiàn)了高低壓的徹底隔離,不存在電壓互感器二次回路短路或電流互感器二次開路給設(shè)備和人身造成的危害,安全性和可靠性也大大地提高。

(2)沒有鐵芯,不存在磁飽和鐵磁諧振等現(xiàn)象

光電互感器在原理上與傳統(tǒng)互感器有著本質(zhì)的區(qū)別,它一般不用鐵芯完成磁藕合,因此,不存在傳統(tǒng)互感器磁飽和及鐵磁諧振現(xiàn)象,使得互感器運(yùn)行暫態(tài)響應(yīng)好,穩(wěn)定性好,確保了系統(tǒng)運(yùn)行的高可靠性。

(3)功能齊全，可靠性高

光電互感器能不但可以用于電壓電流測量，還可以用作保護(hù)功能。不必使用多個不同用途的鐵芯線圈,便可同時滿足計量和繼電保護(hù)的需要,同時還可以將電壓、電流組合在一起,構(gòu)成組合式光電互感器。這些對于傳統(tǒng)互感器是無法達(dá)到的。目前,光電互感器的測量精度最高可以達(dá)到0.2級和0.2S級。

(4)頻率響應(yīng)寬，動態(tài)范圍大

光電互感器傳感頭部分的頻率響應(yīng)取決于光纖在傳感頭上的渡越時間,實際能測量的頻率范圍主要決定于電子線路部分。光學(xué)傳感部件已經(jīng)用于測量高壓電力線路上的諧波和脈沖暫態(tài)電壓。

(5)沒有因充油而潛在的易燃、易爆等危險

由于光電互感器的絕緣結(jié)構(gòu)相對簡單,一般不采用油作為絕緣介質(zhì),不會引起火災(zāi)、爆炸等危險.

(6)體積小、重量輕、減少占地面積

因無鐵芯及絕緣油等，光電互感器的重量一般只有電磁式CT、VT重量的1/10，且體積小，占地面積小，便于運(yùn)輸和安裝。

(7)無污染、無噪音，具有優(yōu)越的環(huán)保性能

由于光電互感器中信號是通過光來傳輸?shù)?因此不會產(chǎn)生噪音、電磁波等污染源,同時,可采用硅橡膠絕緣子和SF6氣體作為絕緣介質(zhì),替代傳統(tǒng)的磁套絕緣子和絕緣油,甚至可以做成無油無氣的OCT,這樣可大大降低這些配套設(shè)備生產(chǎn)過程中帶來的環(huán)境污染,具有優(yōu)越的環(huán)保性能。

(8)適應(yīng)了電力系統(tǒng)數(shù)字化、智能化和網(wǎng)絡(luò)化的需要

光電互感器可以根據(jù)需要輸出低壓模擬量和數(shù)字量,這可直接用于微機(jī)保護(hù)和電子式計量設(shè)備,而且能實現(xiàn)在線檢測和故障診斷,在變電站綜合自動化中具有明顯的應(yīng)用優(yōu)勢。綜上所述,光電互感器以其優(yōu)越的特性以及明顯的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益,使得它在電力工業(yè)中占據(jù)了一席之地，同時對于保證日益龐大和復(fù)雜的電力系統(tǒng)安全可靠運(yùn)行,并提高其自動化程度具有深遠(yuǎn)的意義。光電互感器是世紀(jì)電力系統(tǒng)的更新?lián)Q代產(chǎn)品,盡快使其實用化已經(jīng)成為電力系統(tǒng)發(fā)展的迫切需要。

5.光電互感器的缺點(diǎn)及目前的改進(jìn)方法

5.1OCT的缺點(diǎn)[4]

根據(jù)我國第一臺OCT掛網(wǎng)運(yùn)行數(shù)據(jù)顯示，在小電流時OCT輸出的讀數(shù)波動較大，線性度較差，準(zhǔn)確度也略超出計量要求。一方面是由于小電流引起的法拉第旋轉(zhuǎn)角非常小，有限的傳感器靈敏度導(dǎo)致被測信號被噪聲所淹沒；另一方面機(jī)械振動、溫度變化以及由于光纖偏振特性等因素使得輸出光強(qiáng)的變化，降低了檢測的靈敏度，不過可以通過檢測電路的交直流分離等辦法消除此影響。然而對于有兩種特殊情況會使光強(qiáng)發(fā)生很大的變化，因而會對測量產(chǎn)生很大的影響：1.光強(qiáng)波動較快時，直流通道的響應(yīng)時間遠(yuǎn)遠(yuǎn)慢于交流通道,采用交流除以直流的方法明顯存在不同步的問題2.當(dāng)光強(qiáng)急劇下降衰減而超過PIN光電管的探測靈敏度時,OCT無法正常工作。

5.2OCT的改進(jìn)方法

針對以上諸多影響光電互感器的不利因素，我國許多研究人員做了大量的工作，并取得了一定的成果。

降低溫度影響：為了克服溫度對互感器帶來的影響，清華大學(xué)對種8國產(chǎn)光學(xué)玻璃磁光系數(shù)和溫度特性進(jìn)行了深入的研究，ZF6在降低溫度影響方面最能滿足OCT的要求。

提高系統(tǒng)抗外場干擾能力：在提高系統(tǒng)抗外場干擾方面有幾種方法，改進(jìn)由Sato等人提出的雙正交反射方案，將原光路設(shè)計中的第三角上第一次反射由向上改為向下（見圖4），使傳感頭內(nèi)光路在小載流導(dǎo)體平行及垂直的兩個面上的投影形成閉合回路來改善系統(tǒng)抗外場干擾能力。相比而言，鍍膜技術(shù)在此方面具有的優(yōu)點(diǎn)是簡化傳感頭使之易于加工，同時光路在任何平面內(nèi)的投影均及接近完全閉合，傳感頭厚度比雙正交反射方案減小一半以上。目前的保偏膜有兩種：多層介質(zhì)膜和單層介質(zhì)膜，多層介質(zhì)膜可以有效的解決相移問題，但對傳感頭的加工與安裝需十分精細(xì)，單層介質(zhì)膜在具有鍍膜技術(shù)的共同有點(diǎn)之外，相比多層介質(zhì)膜，更節(jié)省膜材料和膜加工所需時間，但此方法對膜厚度的控制要求更高的鍍膜工藝。利用多模光纖的消偏與消除相干擾性能，同時結(jié)合選用低相干光源，可以有效的一直有振動引起的光線中的噪聲干擾。

Rogowski線圈在OCT中的應(yīng)用：Rogowski線圈能夠很好的解決以上由于溫度、外場以及振動引起的光電互感器靈敏度以及準(zhǔn)確度降低等問題。國內(nèi)外都已有0.2級Rogowski線圈，清華大學(xué)開發(fā)了以DSP為核心，集合光纖、通信、微機(jī)技術(shù)的實用化設(shè)計方案。OCT集電流測量和諧波分析于一體,同時還提供遠(yuǎn)程計算機(jī)接口和繼電保護(hù)接口。試驗表明,此種結(jié)構(gòu)簡單、安裝方便、抗干擾能力強(qiáng)和準(zhǔn)確度高（優(yōu)于0.5%）。

5.3OVT的缺點(diǎn)

光電電壓互感器晚于光電電流互感器，經(jīng)過各國的不斷努力，在理論上和技術(shù)上都取得了很大的進(jìn)展，與光電電流互感器類似，光電電壓互感器也遇到了溫度影響穩(wěn)定性問題，和長期運(yùn)行的可靠性問題。其中運(yùn)行環(huán)境的溫度變化是影響光電電壓互感器穩(wěn)定性和可靠性的重要因素。

5.4OVT的改進(jìn)方法

目前主要采用雙光路檢測技術(shù)來消除熱力效應(yīng)對光電電壓互感器的溫度穩(wěn)定性的影響，但是仍然存在無法改變晶體的熱光效應(yīng)。晶體的熱光效應(yīng)使得互感器在工作溫度范圍內(nèi)的準(zhǔn)確度只有2.1%，距離實用所需的1%要求還有一段距離。為了避免因晶體的旋光性和自然雙折射會直接對光波引入的附加相位差，目前一般選用立方晶體的BGO材料，它穩(wěn)定性好，無旋光性和自然雙折射。研究發(fā)現(xiàn)，BOG晶體的純度越高，光電電壓互感器的穩(wěn)定性越好。對于光源發(fā)射的光波波長由溫度影響而造成的系統(tǒng)穩(wěn)定性減弱情況，采用軟件補(bǔ)償技術(shù)消除波長變化的影響，明顯的提高了光電電壓互感器的穩(wěn)定性。通過對光線受到振動和其他機(jī)械擾動產(chǎn)生線性雙折射，且單模光纖產(chǎn)生噪聲更為嚴(yán)重的現(xiàn)象發(fā)現(xiàn)，光線的芯徑越大，噪聲越小，通過使用低相干光源和線偏振光沿光纖的偏振軸輸入，來達(dá)到有效抑制噪聲對系統(tǒng)穩(wěn)定性帶來的嚴(yán)重影響

6. 光電互感器在電力工業(yè)中的應(yīng)用[8]

基于西昌地區(qū)多高耗能用戶,該類用戶的電爐設(shè)備功率大,負(fù)荷波動大,產(chǎn)生大量大功率低次諧波污染,同時沖擊電流造成電磁式互感器鐵心飽和,有可能造成繼保誤動作,并使二次電流、電壓產(chǎn)生畸變,影響計量的準(zhǔn)確性等情況，2006年4月，安裝了35kV數(shù)字式光電互感器及其保護(hù)和計量裝置及其二次系統(tǒng)的設(shè)計、安裝、運(yùn)行和運(yùn)行效果的對比分析,來為西昌地區(qū)尋找一條可靠先進(jìn)的電網(wǎng)技術(shù)革新之路。將該組光電互感器安裝于一個對電鐵及高耗能工業(yè)園區(qū)供電的110kV變電站內(nèi)一條35kV出線間隔,該線路對冶煉企業(yè)供電,日均負(fù)荷為1.2萬KW。該線路原裝有電磁式電流互感器,準(zhǔn)確級0.2級。35kV母線電壓互感器亦采用JDJJ2-35型電磁式電壓互感器。在出線間隔安裝了一組組合式光電電流電壓互感器,并裝配一套線路保護(hù)和一塊具有光纖以太網(wǎng)接口的電能表,以便將光電互感器的采集數(shù)據(jù)與電磁式互感器采集的模擬量在數(shù)據(jù)采集、電量及所接保護(hù)功能等方面進(jìn)行對比。同時,南自廠在合并器報文讀取中加進(jìn)了諧波分析部分,采集了當(dāng)?shù)氐闹C波污染情況。截止2007年的數(shù)據(jù)顯示，該組光電互感器運(yùn)行狀況良好。

母線保護(hù)由于其保護(hù)特殊性,需要接入大量的交流量。基于OET700數(shù)字式光電互感器的母線保護(hù)采用光纖接入來自多個合并器的電流量、電壓量。開入量(接入母線保護(hù)的隔離刀閘輔助接點(diǎn)、失靈啟動開入節(jié)點(diǎn)等)和開出量(包括出口跳閘接點(diǎn)、信號接點(diǎn)等)則仍采用傳統(tǒng)的輸入輸出方案,如圖2所示。

若一次系統(tǒng)采用光TV,則電壓模擬量同電流輸入類似。若采用光TA與傳統(tǒng)電磁式混用則通過合并器進(jìn)行采集一并打包給保護(hù)。在技術(shù)成熟條件下,開關(guān)量輸入、開關(guān)量輸出也可通過光纖進(jìn)行傳輸,以實現(xiàn)整個變電站全部設(shè)備的數(shù)字化。

同傳統(tǒng)的微機(jī)母線保護(hù)一樣,基于光電互感的母線保護(hù)配置以下保護(hù):差動保護(hù)、母聯(lián)失靈保護(hù)、母聯(lián)死區(qū)保護(hù)、母聯(lián)充電保護(hù)、母聯(lián)過流保護(hù)、母聯(lián)非全相保護(hù)、斷路器失靈保護(hù)、復(fù)合電壓閉鎖等。所有保護(hù)功能均為邏輯圖設(shè)計,保護(hù)流程可視化、圖形化、模塊化。可根據(jù)系統(tǒng)接線要求進(jìn)行選擇配置,配置和維護(hù)方便靈活。

7. 光電互感器的發(fā)展趨勢

隨著電力系統(tǒng)智能化、數(shù)字化的產(chǎn)生和發(fā)展，人們對所采集數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度要求越來越高，新型的OCT都將向著靈敏度更高的方向發(fā)展，同時更簡單更節(jié)約能源。全反射結(jié)構(gòu)的OCT比相同尺寸的金屬膜結(jié)構(gòu)OCT的輸出響應(yīng)更加靈敏。全光纖結(jié)構(gòu)的OCT將是未來發(fā)展的方向，目前，日本已經(jīng)開發(fā)出0.3級的全光纖OCT。

光電電壓互感器的主要發(fā)展方向也是新型全光纖OVT，因為不論從穩(wěn)定性準(zhǔn)確性以及能源的節(jié)省和環(huán)境的保護(hù)方面，它都較傳統(tǒng)電壓互感器有很大的優(yōu)勢。采用石英晶體和光纖作為敏感元件，通過光纖來檢測和傳輸信號，生產(chǎn)工藝更為簡單，不再需要自動聚焦透鏡、起（檢）偏器、波片、電光晶體等光學(xué)元件，節(jié)省資源的同時提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。全光纖OVT的諸多有點(diǎn)引起了廣泛的關(guān)注，在光電互感器方面起領(lǐng)頭作用ABB公司已經(jīng)開發(fā)出類似的產(chǎn)品，我國很多高校也投入了積極的研究。

8. 結(jié) 語

經(jīng)過三十余年的發(fā)展，國內(nèi)的光電互感技術(shù)不斷進(jìn)步。但是相比于國外上世紀(jì)60年代就開始研究，90年代就開始掛網(wǎng)運(yùn)行并將產(chǎn)品推廣到市場還有很長的一段路要走。隨著現(xiàn)代電力工業(yè)對電壓級別、電流強(qiáng)度要求的不斷提高，光電互感技術(shù)作為一種新技術(shù)越來越引起研究人員的關(guān)注。電力系統(tǒng)的數(shù)字化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化也都促進(jìn)了光電互感技術(shù)的快速發(fā)展。當(dāng)然光電互感技術(shù)目前還存在著很多問題，但隨著測量要求逐步提高，測量技術(shù)的逐漸成熟，光電互感技術(shù)必定有著非常廣闊的發(fā)展空間。光電互感器將作為下一代互感器的主流產(chǎn)品，其不可替代的技術(shù)優(yōu)勢和價格優(yōu)勢已經(jīng)凸現(xiàn)出來，隨著當(dāng)前光電互感器的市場化進(jìn)程，必將帶來電力系統(tǒng)測量、保護(hù)和監(jiān)控的革命性變化。

參考文獻(xiàn)

[1] 崔文廣.光電式互感器的研究探討．中國科技信息廣東輸電與變電技術(shù)[J],2007,8（2）,2005,6（9）.

[2] 許斌斌．光電互感器的原理及應(yīng)用前景[J]．

[3] 葉妙元,肖霞．光電互感器(一)―21世紀(jì)電力系統(tǒng)電壓電流測量的基本設(shè)備[J]．

[4] 平紹勛,于波,黃仁山.光電互感器的現(xiàn)狀和發(fā)展[J].高電壓技術(shù),2003,29(1):21-23.

[5] 易本順.光電式互感器的研究和發(fā)展及其在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用[J]．武漢大學(xué)學(xué)報(信息科學(xué)版),2002, 27(2):57-63．

[6] 李旭光,秦松林,肖登明．光電互感器在特高壓電網(wǎng)

中的應(yīng)用技術(shù)分析[J]．高電壓技術(shù),2007,

6(33):13-15.

[7] 于蓬勃.光電互感器.天津電力技術(shù)[J]，

2005，1:30-32．

[8] 范壽寧,黃瓊輝．?dāng)?shù)字式光電互感器的應(yīng)用[J].四川電力技術(shù)，2008，31(3):60