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光纤传感技术论文范文1
【关键词】 FBG；高应变；桩基检测；预制桩
【中图分类号】TU196+.1 【文献标识码】 B
Study on high strain detection of precast pile using FBG sensing technology
Qiu Zhenhong
(Shanghai jiangnan architectural design institute co,. ltd ShangHai 201800)
【Abstract】 FBG which has the advantage of high precision, strong ability of anti-electromagnetic, strong adaptive capacity to environment, long service life, etc has become a new advanced detection way in the field of pile foundation and bridge. This paper introduces the measure principle of FBG sensing technology and the implantation process of fiber grating into precast pile. Combined with the specific project, the traditional high strain data and FBG strain data is compared. The results showed that FBG data is suitable for high strain detection.
【Keywords】 FBG; high strain; detection of pile foundation; precast pile
0 引言
桩基检测中高应变检测是一项重要检测内容，通过分析应力应变随桩身变化情况分析桩身完整性和桩的承载性状[1-2]。由于采用高应变进行承载力检测具有工期短、成本低、效率高等特点，促进了高应变检测法的推广，但是高应变检测的精度很大程度上与测试传感器有关。传统的电阻式、钢弦式、电感式传感器普遍存在灵敏度差、精度低、抗电磁干扰能力弱，受水腐蚀失真或失效等缺点，难以适应现代工程精确检测的要求。而近年来兴起的光纤光栅传感器则具有精度高、抗电磁干扰、防水防潮、抗腐蚀和耐久性长等特点[3-6]，其体积小、重量轻，便于铺设安装，且不存与监测对象不匹配的问题，对监测对象的材料性能和力学参数等影响较小。另外，光纤光栅传感技术采用光纤进行信号传输，传输损耗小，容易实现远距离信号传输，正好弥补了传统检测技术的不足。本文结合具体的工程实例，将FBG传感器植入检测的预制桩中，同时采集传统
的高应变检测应变数据和FBG应变数据，并进行对比研究。结果表明：FBG测量数据可靠，具有较好的适用性。
1 FBG传感技术测量原理
光纤布拉格光栅（Fiber Bragg Grating,简称FBG）是利用光纤材料的光敏性在纤芯内形成空间相位,光栅其作用的实质是在纤芯内形成一个窄带的滤波器或反射镜，使得光在其中的传播行为得以改变和控制[7]。
图1 光纤光栅传感器的构造
如图1所示，FBG传感器分布在光纤纤芯的一小段范围内，它的折射率沿光纤轴线发生周期性变
作者简介：邱正红，1982年出生，男，汉族，重庆潼南县人，工学学士，助理工程师，主要从事岩土工程勘察和基坑设计工作。E-mail：qzh@live.it
化，图中纤芯的明暗变化代表了折射率的周期变化。光纤布拉格光栅是光纤纤芯折射率沿光纤轴向呈周期性变化的一种光栅。目前已有的基于光纤布拉格光栅的各种传感器的工作原理都可以归结为对布拉格光栅中心波长的测量[8-9]，即通过对由外界扰动引起的布拉格光栅中心波长漂移量的测量，得到被测参数；布拉格光栅中心波长与光纤纤芯有效折射率以及光纤光栅长度周期Λ相关[10]即：
(1)
其中：为布喇格光栅的中心波长；为光纤纤芯的有效折射率；为布喇格传感器光栅的栅距。
图2FBG传感器工作原理图
显然，宽带光源的输入光谱在通过FBG传感器1后，形成了波谷峰值为的凹陷，而反射光谱则具有波峰。当光栅所在处的光纤产生轴向应变时，栅距变为：
(2)
此时布喇格波长产生相应的变化，它满足：
(3)
其中：为有效光弹系数,它的值约为0.22。
另外，温度变化会引起光纤折射率的变化，同时也会引起栅距的变化，当温度变化为时，将引起布拉格波长产生移动，可以表示为：
(4)
其中：为光纤的热膨胀系数，；为光纤的热光系数，。
由(3)、(4)两式得到同时考虑应变与温度变化时，所引起的波长移动：
(5)
由此可知，只要测出布喇格波长的变化，就可以得到外界的应变或温度扰动。
2 预制桩FBG植入工艺
预制桩一般是在工厂制作而成的，特别是预应力预制桩是在预制厂经过先张预应力，离心成型及高压蒸养等工艺生产而成的高强预制混凝土构件[11]，无法将光纤光栅浇注到其中。在打桩的过程中，由于预制桩管壁与土体的摩擦力很大，将光纤光栅贴在预制桩表面时，很容易造成打桩时光纤光栅被刮断[12]。本文采用在预制桩表面刻槽后放入光纤光栅再用高强度胶进行密封，这样既成能保证光纤光栅的成活率，又能保证光纤光栅与预装桩身变形的一致性。预制桩的FBG植入工艺主要包括以下四个工序。
（1）光纤熔接
在FBG传感技术测量中，光纤只是进行光信号的传输，真正起到测量作用的是光栅的那部分。所以要根据桩长截取相应长度的传输光纤与FBG传感器进行熔接。
（2）刻槽布纤
用开槽机在预制桩身表面沿着布纤路线刻槽，槽宽和槽深以能放入光纤为准(太深容易破坏桩身强度)，光纤放入槽内用502胶水进行定点固定，刻槽布纤如图3所示。
图3 刻槽布纤
（3）光纤保护
用高强胶（环氧树脂）填充槽内进行光栅粘贴和光纤线路保护，在桩端出露的光纤用套管进行保护，将多余的光纤盘绕在桩头并用缓冲材料进行包裹保护，光纤保护如图4所示。
图4 线路保护
（4）打桩对接
将布好光纤的桩按顺序进行打入，在桩对接时进行上下两桩光纤的对接，并将多余光纤盘绕在接头地方进行强化处理，打桩对接如图5所示。
图5 打桩对接
3 工程实例
3.1 工程背景
嘉定区城北大型经济适用房（南块）位于上海市嘉定区，住宅楼和配套商业拟采用桩基础，地下车库、地下P型站和地下水泵房拟采用抗拔桩。工程主要负责桩基设计参数可行性研究工作。根据设计需要，结合勘察资料，进行现场原位测试，包括：模型桩单桩竖向抗压、单桩竖向抗拔静载，锤击桩高应变跟踪监测及桩身应力分析，获得各层土设计参数。
3.2 测试方法
本文主要研究该工程中管桩（管桩桩长13.0m，内径0.22m，外径0.4m）的高应变检测。通过光纤光栅测得应变数据分别与高应变测桩仪导出数据进行对比。桩身应力测量采用光纤光栅应变传感器。光纤光栅应变传感器布设：在桩顶以下1m处（-1m)布设一个；在土层交界处6.5m处（-6.5m)布设1个，在桩底以上50cm处（-12.5m)布设1个，FBG传感器布设如图6所示。
图6 FBG传感器布设图
高应变初打跟踪监测试验按照《建筑基桩检测技术规范》（JGJ 106-2003）进行，测试方法见图7。
图7 高应变测试图
3.3 检测数据分析
本文选取了一根测试桩，对桩的锤击高应变数据进行分析。通过预埋在桩身上的光纤光栅测得应变数据分别与高应变测桩仪输出数据进行对比研究，FBG传感器测试出的数据曲线如图8所示。曲线中第一个峰值的出现表示在击打过程中桩身产生的最大应变，其余峰值是由于击打过程中余震产生。图形显示在-1m处峰值最高，其次-6.5m处，-12.5m处峰值最小。这表明：在被击打过程中，离测试桩由桩顶至桩底，桩身应变逐渐减小，在桩顶处会产生最大应变，所以在锤击过程中要加强对桩顶的保护。
图8高应变时光纤测得应变曲线图
由于-1m处安装的FBG传感器与高应变检测中的应变片安装位置接近（检测传感器的安装用膨胀螺栓安装在距桩顶约2倍桩径处），将-1m处的FBG测试数据与应变片的数据进行了对比，光纤应变曲线与高应变仪导出应变曲线对比图如图9所示。从图9中可以看出，两者的曲线较为吻合，这说明FBG传感技术适用于高应变检测。
图9 高应变时光纤曲线与高应变仪导出曲线对比图
4 结论
（1）本文将FBG传感监测技术应用于桩基检测中，将光纤光栅测得应变数据与高应变测桩仪输出数据进行比较研究。结果表明：FBG传感数据能较好地适用于高应变检测，但也存在不足，由于高应变检测同时需要应变数据和加速度数据，而此次测试只采集了桩身FBG应变数据，如果在桩身相应的位置能安装FBG加速度传感，同时采集FBG应变和加速度数据，拟合桩基的承载力与传统高应变测桩仪测出的桩基承载力进行对比，将是本论文需要深入研究的一个方向。
（2）FBG传感器可以安装在桩体的任何位置，如果将FBG传感技术运用于高应变检测中，就可以
测得桩体任何位置的应变，而不仅仅局限于桩顶附近。
（3）检测数据的精确度不但与测试方法有关，还与传感器的性能有关，FBG传感器正是由于其高精度、抗电磁干扰能力强等特点得到了工程界广泛的关注。但是，由于其比较高的价格也限制着它的发展。随着科学技术的发展，FBG传感技术将会得到广泛发展。
参 考 文 献
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光纤传感技术论文范文2
【关键词】光电测试技术 教学内容研究 电力特色
《光电测试技术》是上海电力学院测控技术及仪器专业的重要专业选修课。它是一门综合性很强的课程，涉及了光学、电子和计算机等多门学科，也是现代检测技术重要的发展方向，对培养学生综合运用专业知识及创新能力起着非常重要的作用。如何在有限的学时内，通过该课程的学习，培养学生达到教学目标，这对教师提出了挑战。笔者从教学内容的选取和组织安排等方面进行了一定的探索和研究。
一、优选教学内容
光电测试技术课程包涵的知识点很多，并且随着科技的进步，新的测试技术不断地出现，需要进一步扩充教学内容。而不同的院校有又不同的背景，在不同的领域上有所侧重，需要量体裁衣，合理选择教学内容。
（一）突出电力特色
上海电力学院的办学定位与培养目标是主要为社会培养和输出所需要的应用型技术人才，特别要为电力行业的科技进步服务，培养电力行业所需的第一线的应用型技术人才。为了突出本校的电力特色，尤其考虑到测控技术与仪器专业的部分学生在毕业后会进入电厂等相关电力领域工作，所以在教授内容中加入最新的电力知识是很有必要的。
近年来，光电测试技术的发展可以说是日新月异，新的科技成果不断涌现，在电力系统中的应用，主要体现在以下几个方面。
1.火焰图像检测器
光学成像技术在燃煤火电厂煤粉炉炉膛火焰视频监视上的应用，可以直接地反映炉膛内的燃烧情况，给运行人员提供相对直观的判断依据，对锅炉的安全运行和操作起到及时的指导作用。安装好、调试好、使用好炉膛火焰电视设备，对锅炉的安全和节能经济运行都有着非常重要的意义。这部分内容可以和书本教材中的固体成像器件配合起来教学。
2.激光盘煤技术
传统的煤场存煤量测量方法不仅需要耗费大量的人力和物力，其测量结果也极不准确，严重制约了电厂现代化管理水平的提高。目前新型的自动盘煤方法为激光盘煤仪，采用二维高频率激光扫描仪对料场的表面进行高频率断面扫描获得高密度的断面数据，结合行程测量器获得的料场长度和回程测量器获得的扫描仪偏转角度数据，实现料场体积的计算、料场三维模型的显示。在盘煤的实时性和准确性方面都有显著的改善，取得了比较满意的结果。[1]该部分内容可以和书本教材中红外辐射与红外探测器配合起来教学，还可结合数字信号处理、数字图像处理等课程对图像恢复重建等展开探讨。
3.光纤传感技术
光纤传感技术具有细而柔软、抗电磁干扰、绝缘性能好、防爆性能好、 耐腐蚀、导光性能好、信号衰减小等特点，可以解决常规检测技术难以完全胜任的测量问题。分布式光纤传感技术是随着“智能结构和智能材料”的需要而发展起来的一项新技术，集传感与信息传输于一体，广泛应用在电力行业中：电缆状态监测，如电力电缆的表面温度检测监控、事故点定位、电缆隧道、夹层的火情监测等；变电站监测，如母排、桥袈、变压器、电动机、发电机、配电盘的温度分布、测量及故障点检测等；水电站、发电厂监测，如加热系统、蒸汽、输油管道；送煤系统的温度监测和故障点的检测等等。
光纤传感技术正好和书本教材的光导纤维与光纤传感器匹配，在了解光导纤维与光纤传感器的基本原理后，引入大量的光纤传感技术在电力系统中应用的工程实例，更好地贯彻了理论联系实际这一原则，可以使学生思考如何学以致用。
（二）适应科技发展
光电测试技术内容多，知识面广，又是多学科交互融合、互相渗透的前沿科学。通常情况下，教材对基础知识、基本原理和基础效应介绍较多，对具体应用和设计方面则较少；对经典的光电器件介绍较多，新型光电器件较少；传统技术叙述较多，尖端技术和综合应用较少。由于种种限制，不可能找到一本非常完美、各方面都满意的书本教材，我们只能选择较合适的，在讲授基本内容的同时，一定要补充最新的相关内容，将新型的光电检测器件、新型的光电测试技术和手段、各种光电检测器件的最新进展和应用等最新相关科研成果融合在教学过程之中，不断进行教学内容的完善和改进，有效的引导学生了解最新的、最先进的科学内容。比如在中国第一个目标飞行器和空间实验室——天宫一号与神舟十号飞船实现对接时，激励学生关注其中所采用的最新光电测试技术。
以上的内容是书本教材所无法包括的，所以我们要结合时代科技的进步，与时俱进，不断深化教学内容，注意学校的行业特色，关注火电厂及电力设备等的光电测试技术，对于教材上没有提到的但是有益的内容，一定要在课堂上提出，或者给出相关概念引导学生自己查找所需资料，不断的通过自制多媒体课件、课外资料等来添加教学内容，给《光电测试技术》注入新的血液，来激发学生的学习兴趣。
二、 精心组织教学内容
上海电力学院将该课程核定为32学时，在短课时内，面对如此多的教学内容，需要根据本专业的特点精心组织安排，否则会使得内容杂乱无章，缺少完整性和系统性，让学生无所适从。
（一）课程认识和章节联系
首先讲解课程的主要内容、结构和各章节的之间的联系，让学生对该课程有一个整体性的认识，然后具体到每一个章节。在开始学习前都列出教学要求，学完一章后都有复结，让学生清楚自己应该达到的标准，也方便期末考试。第一部分光电测试技术的理论基础是最基础的内容，尤其是我校未开设《物理光学》《应用光学》等相关课程，学生只是在《大学物理》中接触过有关光的知识，这部分必须详细讲解。第二部分是常用的光辐射光源，只有这一章是讲如何产生光信号的，其中光电测试用主要的光源发光二极管和半导体激光器都是从电信号转换成光信号，正好与第三部分光电检测器件是如何进行将光信号转换成电信号相对应，可以让学生更换地理解光电转换。第三部分是各种光电检测器件的结构原理及应用，要结合它们各自典型的应用系统的分析和设计，使学生对整个知识体系有个更全面、更深刻的理解。
（二）注意知识点的联会贯通
光电测试技术涉及光、机、电、自动控制等许多领域。如在讲到光电器件和集成运算放大器连接时，模拟电子技术中运算放大器的三大特点：“虚短”“虚断”和“虚地”，如何运用它们来完成电压放大、电流放大和阻抗变换，而这牵涉深度负反馈的概念，又与自动控制相关。所以在教授新课程的时候，不断地回顾先前学习过的课程，可以较好地调动学生的参与积极性，不会觉得什么都是新的，都要从头开始学，能够温故知新。
（三）重视实践教学
《光电测试技术》又是一门实践性很强的学科，我们积极鼓励学生参加大学生科技创新活动，坚持课堂教学与课外创新实践活动相结合，提高学生的设计与综合分析能力。
例如讲解光敏电阻后，先采用浙江英联科技开发有限公司的YL系列传感器实验仪及系统实验台开设光敏电阻的特性测试实验，让学生先了解光敏电阻的光电特性、伏安特性和光谱响应特性，对书本知识深入掌握后，再鼓励学生从光敏电阻特点出发自己设计路灯自动点熄电路，通过查找阅读资料并与实际应用电路比较，能否进一步改进，使其更加智能化、自动化等，最后以小论文的形式提交。这样不仅加深了学生对基础知识的理解，拓宽了知识面，更是锻炼了学生独立思考和自主创新的能力。
在教学过程中，注意提出在日常生活中的一些光电检测系统应用实例，可以提高学生学习的热情。如讲到光电开关，就会提到在洗手时，是如何实现手到水出的？除了光电开关外，还有什么器件能够达到这种效果的？热释电器件可不可以？
三、结论
对《光电测试技术》的教学内容进行了探讨，通过合理选择教学内容、注重结合我校电力特色、重视实践教学，将学生独立思考能力、动手能力和创新能力的培养融合到专业课教学中，培养适应21世纪全面发展的高素质人才。
【参考文献】
光纤传感技术论文范文3
关键词：智能结构；应用现状；现代建筑；
中图分类号：B83文献标识码： A
经济的快速增长，人民生活水平的不断提高，在推动建筑行业的发展的同时，也对其发展提出了更高的标准。目前在我国大型建筑物日益重要，像高层建筑、大型水坝、地下工程等都需要有一个高强度的骨架作为支撑，才能使建筑物的安全性、实用性得到保障，此时智能土木结构应运而生，并担当了“土木工程界的知识经济”。现今，智能土木结构在现代建筑中发挥重要作用的同时，也开辟了土木工程快速发展的新天地。
一、智能结构简介
在社会高速发展的信息时代，土木工程师把视野转入信息材料上，开始了将传感器、驱动材料应用于建筑结构中的探索，以求建筑结构本身稳固性的同时，还能对建筑结构内部进行及时的感知，使人们能及时对建筑物的安全性与稳固性做出更确切的分析，从而做出对该建筑物是维修还是报废的判断，这也是人们对智能结构最初的尝试。现在书籍中对智能结构进行了定义，是指在基体材料中融入具有仿生功能的材料，是最终的材料或者构件满足人们对其智能化的需要，这种结构就是智能结构。智能土木结构按其材料可分嵌入式智能土木结构和基体、智能材料耦合结构两种类型。现在建筑工程对智能架构的应用是十分广泛的，建筑结构中安装使用智能结构，使建筑物能准确应对外界环境的变化并对自身作出及时的内部调整，特别在遭遇强风或地震时，智能结构对整个建筑物尤其重要。在地震幅度不是很明显时智能结构实现结构控制一体化的优势更能充分发挥其作用，此外，智能结构对提高建筑结构的抗震性也发挥着很重要的作用，智能结构在建筑领域的应用对建筑设计、建筑施工及建筑检测都起着至关重要的作用，智能土木结构保障建筑物的稳固的同时，也保证了人民的生命财产安全。
二、智能结构应用现状
智能建筑与我国可持续发展观中生态和谐理念高度契合，所以和其他国家相比，目前我国智能建筑主要功能更加凸显了环保、节约、可持续发展利用等特点，在运用智能化结构对建筑结构进行设计时更加注重节能减排以及高效低碳能否实现。智能建筑随着经济的发展已经成为未来建筑的主要发展趋势，智能结构作为智能建筑的重要支撑在建筑智能化发展中被广泛应用，智能结构与传统的建筑结构有着密切的联系，智能土木结构以传统结构为基础，并以此为依据对传统结构做了改进，因此对智能结构的应用离不开对传统结构的理解与掌握。目前，建筑工程中对智能结构的研究有建筑结构的检测与监控、建筑结构抗震抗风降噪的自控制等，利用智能结构使建筑设备自动化、办公化，最终实现建筑物全面的拟智能生命化也是今后智能结构在建筑领域的发展方向。
（一）智能传感元件的应用
土木工程中对建筑物健康检测时常将传感元件埋入或粘贴在建筑结构中，在保证检测结果的准确性的同时，对建筑物的安全性与稳固性作出更确切的评价，得到最精准的数据，从而决定建筑物是维修还是报废。对于重大土木工程建筑结构，由于修建时间较长，设备一般比较陈旧，传统的传感器不能适应此种建筑物的内部环境，这时就需要采用性能较高传感器对其进行结构及健康的监测。利用光纤、智能材料等制成的传感器的应用在土木工程发展史上具有划时代的意义，开辟了土木工程发展史的新篇章。
（二）建筑工程的健康检测
智能结构在建筑工程结构损伤及健康检测方面也发挥着重要作用。在土木工程中对建筑物检测通常采用目测法，此外还常利用超声波、声发射、x 射线等技术进行无损检测，利用这种方法检测是有很多弊端的，如建筑物内部结构的破损情况、建筑物的实时动态等都不能准确的被监测，不能满足人们了解建筑物整体状况的需求，检测结果往往会失真、检测效率也低，甚至会出现完全错误的检测结果。现在利用光导纤维、压电材料、半导体材料等制成的检测器材，在建筑物内部的传感器能及时感知建筑物自身状况，检测损伤并根据建筑结构损坏过程进行损伤定位，例如建筑物发生损伤，内部出现裂纹，裂纹在外界作用力作用下损伤力度加大，并以声速失稳扩展，这些都会被由这些特殊材料制成的传感元件所感知，使人类能准确及时的了解建筑物内部状况，及时对建筑物进行整体规划、采取必要措施避免事故发生。
三、智能结构关键问题总结及建议
（一）提高智能传感技术
传感元件在建筑工程中的应用离不开纯熟的传感技术，因此提高智能传感技术势在必行。从仿生学来看，传感器相当于建筑物的感觉器官，提高智能传感技术必须增强传感技术的系统性，提高传感器感知、处理与识别能力，在此基础上提高传感系统的可靠性和灵敏度实现传感技术的智能化。在建筑工程中要求传感元件不影响建筑物的结构外形，与建筑材料具有很好的相容性，使对建筑结构的强度影响降到最低，此外还应具有对信号的抗干扰能力，在此基础上对建筑物的整体状况能准确感知。
（二）提高智能传感技术
智能结构系统中主要有传感元件、驱动元件及乙级控制元件，它们在对整个建筑物内部损伤情况进行定位时常会有一个计算的过程，在计算过程中常采用小波分析技术、时间有限元模型等对连接网络、数据总线进行定位，最终使传感器的信息处理和数据传输融合。
（三）发展智能控制集成
智能控制系统相当于人类的中枢神经系统的最高级部分大脑，不仅决定着运动系统、感觉系统的有序运行，还担负着整个脑神经高级功能的运转。在土木工程内部安装智能控制集成系统，能使建筑物在遭遇风暴、强降雨等恶劣自然灾害情况下，迅速采取应急措施，使损失降低到最小，因此发展智能控制集成技术也是十分重要的。
（四）发展智能驱动技术
驱动在计算机中的应用十分广泛，所有的硬件设备都需要安装相应的驱动程序才能正常工作。智能驱动技术能够对智能结构的形状和力学原理加以控制，便于对智能结构的管理与规划。驱动相当于一个入口，只有通过这个入口操作系统才能实现对整个部件的控制，在土木工程中驱动技术发挥着不可小觑的作用，发展智能的驱动技术，才能实现建筑物整体的控制，才能使建筑物的性能更加稳固。在建筑工程中要求所使用的驱动系统材料自身机械性能要高，保障其具有很强的抗冲击性；再次，驱动材料与建筑材料本身要有很好的兼容性；最后，还应提高驱动速度，便于及时掌握建筑物的状况。
四、结束语
我国建筑业产值的持续增长推动了建筑智能化行业的发展，目前我国处于智能建筑行业的快速发展期。科学技术的不断进步，经济水平的不断提高，人们对建筑安全性、舒适性、便利性等有了更高层次的要求，者为智能建筑的发展提供契机的同时，也给智能建筑的发展提出了新的挑战。
土木工程智能建筑结构作为智能建筑的灵魂与支撑，在未来智能建筑的发展中不可或缺，因此，我们在今后智能结构的发展道路上必须用发展的眼光、科学的手段，与时俱进，开拓创新。
参考文献：
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光纤传感技术论文范文4
【摘要】本文分析了本科生智能仪器与检测技术实验教学的现状,结合中国石油大学(华东)的实际情况,对实验室硬件条件,实验内容,教学方法等提出改革方案,以增强学生的工程实践意识,培养学生应用系统设计的能力,提实验教学的质量。
【关键词】智能仪器与检测技术;实验教学;多媒体
1引言
智能仪器与检测技术是高校自动化及相关专业的一门重要课程,它集技术性、工程性和实践性于一体,是一门涉及传感技术、微电子技术、自动控制技术、计算机技术、信号分析与处理技术、数据通信技术、模式识别技术、可靠性技术、抗干扰技术和人工智能等多门学科的现代综合技术[1]。该课程知识面广,综合性强,学习难度较大,因此其实验教学环节显得尤为重要。通过实验教学促进学生对以传感器为核心的检测技术,对以单片机为核心的智能仪器技术的理解,增强学生的工程实践意识,培养学生应用系统设计的能力。本文从课程教学的需要和培养具有设计能力的人才的观点出发,对实验教学改革措施进行探讨。
2实验教学的现状
智能仪器主要包括将被测非电量转换成与之相对应的电信号的传感器部分,对传感器的信号进行进一步的滤波,放大等的信号调理电路,以及以单片机为核心对信号进行处理,
因此,在中国石油大学(华东)的智能仪器与检测技术实验室中,相应的实验内容也由传感器,转换电路以及单片机这三部分组成。传感器及转换电路实验主要使用CSY-968传感器实验仪,进行电阻式,电容式,电感式等多种常用传感器的静态和动态特性实验,以及移相器,相敏检波等转换电路实验,单片机实验则使用XYZ-22型综合实验仪,进行LED显示,A/D转换等多个以8051为核心的单片机基础实验,实验室目前共开设实验项目二十一个,能够比较全面地培养学生的动手能力,完成《智能仪器与检测技术》课程的基本教学要求。目前实验室存在的问题主要有:实验项目比较基础;实验内容多为验证性的;教学手段比较传统。针对以上问题,提出了下面的教学改革方案,以改善实验室的教学条件,增强实验教学效果。
3增加学科领域新型、高端实验项目
近年来,随着半导体,计算机技术的飞速发展,智能仪器与检测技术出现了如下趋势:微型化;多功能化;人工智能化;网络化等[3]。这些发展变化的技术背景就是硬件及软件的不断发展及创新。而实验室目前只能进行学科基础性的实验,非常不利于学生了解学科发展的情况,掌握工程实践所需要的高级技能,从而限制了学生水平的提高。为此,有必要增加学科领域新型、高端的实验项目。
从检测技术方面,大量应用新技术和新的物理效应的传感器得到了广泛的应用,如光纤,超声,红外,光电等,应适当引进相应的实验仪器和项目,引导学生了解和掌握这些新型的检测技术。从单片机方面,MCS-51系列8位单片机由于使用时间长,性能价格比高等特点,在国内仍然有比较广泛的应用,但是,单片机发展速度极快,大约每二、三年要更新一代、集成度增加一倍、功能翻一番[4],大量其他系列的单片机不断投入市场,以其多功能、高速度、低功耗、低价格、扩大存储容量和加强I/O功能等优势在设计中占有越来越重要的地位,因此需要增加AVR,DSP,ARM等系列单片机的相关实验。这不仅可以满足学生拓展知识面的要求,而且可以为学生的电子设计竞赛和毕业设计等活动提供强大的物质支持。
4增加设计性,综合性的实验内容
智能仪器与检测技术是一门与工程实践结合得比较紧密的课程。而实验室目前开设的实验项目多为验证性的。验证性的实验有利于巩固学生所学的传感器和单片机的相关理论知识,有利于提高学生的基本实验技能,但是却很难培养学生的工程综合与应用能力,理论与实际相结合的能力和创新研究能力。因此,必须在保留经典的验证性实验项目的基础上,增加设计性,综合性的实验内容。
设计性,综合性实验主要是讲义上给出实验目的或题目,要求学生据此查阅大量相关的资料或文献,了解实验原理,选择实验仪器,列写实验步骤,最终完成实验并撰写实验报告。例如:智能温度控制实验,要求学生使用8051单片机设计一个控制电热杯加热水温度的应用系统,这个实验综合了传感器热电阻Pt100及其转换电路,8051单片机的软件与硬件设计等多方面的知识,实质上就是一个完整的智能仪器的设计过程,学生必须综合运用所学的知识,才可能独立完成实验。这样的实验有趣味,有难度,可以拓宽学生的知识面,激发学生的实验兴趣,增强学生的实验技能,提高其知识综合运用的能力,培养学生的创新意识和创造能力,从而提高学生的就业竞争力。
5充分利用网络资源和多媒体技术,改进教学方法
实验室目前采取的教学方法比较传统,概括地讲就是实验前统一讲授,实验中个别辅导。由于实验前需讲解多个实验,所以每个实验不可能面面俱到,只能点出实验要点和注意事项,实验中,由于实验项目和学生众多而时间有限,因此个别辅导的面也不广。这样学生的预习工作对教学效果影响很大。要改变这种现状,必须充分利用网络资源和多媒体技术,改进教学方法。
多媒体辅助教学是一种以多媒体计算机系统为主要教学媒体的新型教学模式[5]。它可以实现课堂教学的全员性、大容量、多信息、多趣味和高效率,能帮助教师更好地完成教学功能。为此提出两点教学改革的方案,一是制作大量优质的CAI多媒体实验教学课件,在师生面对面的教学中产生图、文、声、像并茂的效果,刺激学生的科学灵感,强化知识的印象,加大知识信息传播的力度和深度,以弥补传统实验教学的不足,提高实验教学的效果。二是充分利用网络资源,积极开发网上智能仪器与检测技术虚拟实验室,使学生在上课之前可以进行模拟实验,从而提高预习深度,最终改善教学效果。
光纤传感技术论文范文5
论文摘要数字化校园网的不断发展改变了校园的学习和生活，为学生创新能力的培养提供了一个崭新的环境。对校园网中出现的网络新技术进行阐述，继而论述其对创新环境建设所起的作用。
创新人才的培养需要一个数字化的校园环境。数字化校园环境建设的基础是IT，而IT的发展有赖于持续的、无止境网络技术的发展。因此，网络新技术的发展会给数字化校园网创新性环境建设注入新的活力，从而为学生创新能力的培养提供一个不断变化发展的环境。
校园网建设中出现的新一代网络技术
随着计算机技术与通信技术的发展与融合，现代社会以前所未有的速度进入崭新的网络信息时代。网络技术是一个新老更替、优胜劣汰的发展过程，新技术、新方法的发展日新月异、层出不穷，新技术的发展是以应用为目的，因此以Internet为代表的新一代网络技术革命正逐步走近校园网的建设。
一个复杂的计算机应用系统——物联网走近校园网
物联网的完整定义是：指通过传感器、射频识别（RFID）、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等信息传感设备，按照约定的协议，将任何物品与互联网相连接，进行信息交换和通讯，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络[1]。其目的是让所有的物品都与网络连接在一起，方便识别、管理和控制。
物联网不仅仅提供了传感器的连接，其本身也具有智能处理的能力，能够对物体实施智能控制。物联网将传感器和智能处理相结合，利用云计算、模式识别等各种智能技术，扩充其应用领域。从传感器获得的海量信息中分析、加工和处理出有意义的数据，以适应不同用户的不同需求，发现新的应用领域和应用模式。目前，物联网已用于校园网的安防管理，着手建立基于校园网的信息管理平台。然而，随着传感技术的不断发展，物联网在学校的应用也将进一步深入。将物联网应用于专业教学和建设，为相关专业建立真正意义上的模拟实训基地提供技术保障成为可能。
新一代网络技术——三网融合应用于校园网
所谓三网融合是指电信网、有线电视网、和互联网的网络资源融合[2]。其目的是通过优化现有网络配置、综合利用、整合现有网络资源、采用全数字化连接、宽带数据交换与传输、高度集成业务、简化终端接口、智能化管理与控制等方式改造多媒体信息网络，向用户提供视频、数据、语音等多媒体信息服务。
“三网融合”利用原有的电视设备对其进行改造，形成数字化电视网，实现宽带接入、程序下载、多应用多业务等功能。在此基础上电视网、电信网与互联网结合，相互补充，实现基于“三网融合”技术的校园网由光纤以太网、闭路电视网升级的HFC双向网络组成，即电视与广播子网采用数字技术与数字广播技术，把电视信号与广播信号转为IP包，在局域网内广播，形成校内的广播与电视台，网内任何一台电脑终端都可接收。
无线局域网与3G入住校园
无线局域网络（Wireless Local Area Networks，WLAN）是相当便利的数据传输系统，它利用射频（Radio Frequency，RF）的技术，取代旧式碍手碍脚的双绞铜线（Coaxial）所构成的局域网络，使得无线局域网络能利用简单的存取架构让用户透过它，达到“信息随身化，便利走天下”的理想境界。目前，无线网络已应用于高校校园分布较远的校区之间、分布不规则的校园建筑物和建筑物内部、会议厅、校园公共休息场所、教工宿舍楼及各学校与教研网中心的接入和互联。
3G即三代移动通信技术（3rd-generation，3G），是指支持高速数据传输的蜂窝移动通讯技术。3G的典型特征是能够同时提供语音及数据的高速无线移动服务，速率一般在几百kbps以上。校园网利用3G网络为基础建设，以TD-HSDPA网络作为主体网络，以WLAN网络覆盖方式对于宿舍、图书馆等室内热点地区进行辅助补充，使得“无线校园”网络具有灵活布设、高带宽和无线接入优势。
新一代网络技术——云计算探索校园
狭义云计算是指IT基础设施的交付和使用模式，指通过网络以按需、易扩展的方式获得所需的资源；广义云计算是指服务的交付和使用模式，指通过网络以按需、易扩展的方式获得所需的服务。它是网络中协同工作的一组虚拟的服务器群，通过网络强大支持，使计算分布在大量的分布式计算机上，而非本地计算机或远程服务器中，提供基础设施、平台和软件应用服务来实现特定连接后在网络中的分布式数据处理[3]。它是一种基础架构管理方法论：把大量的高度虚拟化的资源管理起来，组成一个大的资源池，用来统一提供服务（IBM）以公开的标准和服务为基础，以互联网为中心，提供安全、快速、便捷的数据存储和网络计算服务（Google）统一的特征。
云计算应用于校园网需要其提供IT基础架构，而不需购买昂贵的硬件设备。可以在信息传输的基础设施的建设上实现覆盖全面化、性能最优化、规模最大化、费用最低化，同时还能满足教育网络所需的实用性、稳定性、安全技术先进性等多方面需求。 校园网中新技术对创新环境建设的影响
在教育创新与创新教育的大背景下，需要建立创新教育环境，特别是学校创新环境。网络新技术应用于校园网的建设，改变了原有的校园教学、学习、生活环境，利用系统设计的思想将新技术运用于校园的创新环境建设成为可能。
物联网建设智能化教学
创新环境首先是课堂环境的创新。利用物联网对传统课堂和虚拟实验进行拓展：可以利用智能标签识别需要学习的对象，并且根据学生的学习行为记录，调整学习内容；建立泛在学习环境；在空间上和交互环节上，通过实地考察和实践，增强学生的体验。例如，实验教学中需要学生运用各种实验器材，可以为每种实验器材粘贴带有二维码的标签，学生看到这种器材后，除了可以知道它的名字，还可以用手机识别二维码从教学平台上获得其相关扩展内容。物联网还解决校园网的安全认证问题，创新性环境建设需要一个开放的网络资源系统，然而开放必然会引发不安全因素。而网络新技术物联网提供了校园安全认证。
三网合一创建全面的资源利用平台
三网融合进入校园是信息发展的必然趋势和推进信息化战略的必然选择。它充分利用已有的网络资源，在原有的视频网基础上采用数字技术改造，使其适应于IP网络。通过改造电视网络或终端，与电信网、互联网重新组成一个新的系统。新网络可以承载更多的业务、实现更多的功能，可以充分利用电视、广播、网上资源，通过各种方式得到最前沿的知识、技术，从而影响改变人的思维。创新环境的建设首先是教师和学生的思维观念的转变，三网融合实现了多种途径、方式获取知识。而且三网融合可以更充分利用现代网络技术开展远程教育，发挥优质教育资源的作用。
无线网络与3G技术创造普适学习模式
普适学习是普适计算环境下的学习方式，透过无所不在的运算环境，在任何时间、任何地点、任何设备提供给学习者持续而合适的学习资讯。普适学习的主要特征在于：永久性，易于获取，即时性，交互性，教学活动真实性，适应性，协作性。普适学习环境应该是多维度的，能提供视、听、读或者其结合，才能对知识有全面深刻的理解，才能超脱其原有学习情境，才能给人以更广阔深远的思考，继而扩展迁移到其他领域，实现创新。无线网络与3G技术实现了校园内随时随地都能上网，并且可以多人同时上网，并提供了更快的网速，创造了校园普适学习环境。
云计算构建更新的网络学习环境
云计算的服务模式是将设备的更新换代的任务交给了服务的提供者——数据中心的建立者或者是相关服务的提供商。这样，云计算模式就为教育领域扩展出一个崭新的学习空间，也为信息共享、信息协作和学习创造了一个全新的环境。即可以使学习者通过云计算提供的服务更好地利用信息资源和服务。
结束语
置身于最尖端的环境才能更好地创新。新一代网络技术在不断地发展，在校园网中的应用也在不断地深入。技术重在应用，随着网络新技术更好地发展，如何能更好的应用校园网创建校园的创新性环境值仍需要我们努力。
参考文献
[1]杨丙根.物联网在平安校园建设中的应用[J].无锡商业职业技术学院学报，2010(3):93-95
光纤传感技术论文范文6
关键词：物理光学；应用光学；教学实践；教学改革
中图分类号：G642.0 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2014）21-0077-02
“物理光学与应用光学”是信息光学的重要技术基础，是电子信息科学与技术专业的学科基础课。物理光学从光的电磁理论出发讲述了光在各向同性介质、各向异性介质中的传播规律，光的干涉、衍射、偏振特性。应用光学不涉及光的波动本性，以光的直线、独立传播、折射、反射等实验定律为基础，研究受限光束的成像，特殊光电传播过程的规律；在光学系统中进行光路追迹，研究光学系统成像特性、应用及初步设计。通过“物理光学与应用光学”课程的学习不仅使学生建立起有关光的电磁理论的完整体系，能够运用光的电磁理论分析光的波动性、光在不同介质（包括物理光学元件和几何光学元件）中的传播和控制问题，能够解决光电工程中的基本光学技术问题；同时还能使学生了解现代光学的发展和前沿，以及在光电技术中的应用；为“光电子技术”“激光原理”“光纤通信”等后续课程的学习打下基础。因此，“物理光学与应用光学”课程是“现代光电子”“光学信息处理”“光纤通信”“光电传感技术”等课程的重要基础理论课程，也是光通信、光电子、光信息、光学工程类专业的考研课程。
一、“物理光学与应用光学”课程的内容及特点
内蒙古工业大学电子信息科学与技术专业从2006级学生开始开设“物理光学与应用光学”课，其内容包括：光在各向同性介质、各向异性介质中的传播规律，光的干涉、光的衍射，几何光学基础，理想光学系统，光学系统的象差基础，光学仪器等。从教学中发现学生学习该课程时感到很吃力，通过调查发现主要因为以下几个方面：一是由于中学的光学知识少而简单，与大学“物理光学与应用光学”知识跨度很大；二是物理光学部分涉及到的理论用到的数学知识太难；三是应用光学部分概念、公式多且抽象难记；四是本课程数学公式推导繁杂使学生望而生畏，难以提起兴趣；五是内蒙古工业大学的“物理光学与应用光学”课程纯理论，无相应的实验；六是教材和课堂教学与实际应用、当今光学领域的前沿技术脱节，学生对光学的运用和前景感到迷茫。因此，加强对“物理光学与应用光学”基础课的教学研究、适应教学要求和学生学习要求，充分调动学生的学习积极性，提高教学质量十分必要。
二、教学内容及方法的改进
考虑到“物理光学与应用光学”课程的重要性，根据该课程理论性较强、概念较抽象的特点，为了提高学生学习“物理光学与应用光学”课程的积极性，从教学内容、教学方法、教学手段、教学课件、加强实践性教学环节等方面进行了调整。
第一，从教学内容上进行调整。自2007级学生开始，增加了ZEMAX光学设计软件的介绍。ZEMAX是一套综合性的光学设计仿真软件，可做光学组件设计与照明系统的照度分析，也可建立反射、折射等光学模型，并结合优化、公差等分析功能。通过该部分内容的学习，学生能够初步设计出简单的单镜头及双单镜头，增强了学生的动手能力，可以适当辅助对概念的理解。
第二，在教学方法上进行适当调整。在物理光学部分适当减少繁杂的数学推导，注重物理思想的讲解；物理光学部分数学推导往往是繁杂、冗长和枯燥的，要耗费大量的课堂教学时间，而且容易使学生望而生畏。简化数学推导，以光学中的光学定律和物理问题为线索，让学生了解光学定律的适用范围可以提高学生的学习积极性。比如光的电磁理论部分菲涅耳公式的数学推导比较繁琐，而且公式难记，为此在教学中不要求学生掌握推导公式，而要求学生会用公式分析反射系数、透射系数及反射率、透射率与入射角和界面两边折射率的关系即可。在教学过程中注重对比，如在讲解迈克尔逊干涉仪、马赫泽德干涉仪及法布里干涉仪时，对三种干涉仪的工作原理及应用进行比较，学生掌握起来更容易；在讲解衍射问题时将单峰衍射、圆孔衍射、矩孔衍射及多缝衍射的实验装置，衍射图样的特点及亮暗条纹的位置，条纹宽度等对比讲解，学生在对比基础上理解记忆的效果更好。在几何光学的成像问题中，将单球面折射、球面反射及透镜的成像进行对比，包括成像公式、焦距的表达式及放大率的公式进行对比，在光学仪器部分将放大镜、显微镜及望远镜的放大率进行对比，这样更有利于学生对公式的理解记忆及应用。
第三，在课件制作上加入phy3D演示。如，讲解凸凹透镜的成像、球面镜的反射成像、玻璃球的成像在推导完成像公式时要进行相应部分的光路图的phy3D演示，这些演示可以任意改变物距、像距或焦距，学生能够直观地观察到这些系统在成像过程中物距、像距和焦距之间的关系，弥补了枯燥的单纯理论计算的缺点。再如，在讲述迈克尔逊干涉仪时通过3D演示，学生可以清楚地看到光的传播过程，通过调整两镜的距离及位置看到干涉图样的变化，有助于加强理解。光的衍射问题向来是学生理解的难点，通过phy3D的演示学生能够清楚地看到障碍物尺寸变化时衍射图样的变化。
第四，加强实践性教学环节。为了培养复合型的实用人才，要求学生必须具有一定的实际工作技能，以便走上工作岗位后能很快地适应工作环境。因此，为锻炼培养学生的实际操作能力，增强学生毕业后的工作适应性，教学中必须高度重视实践教学环节，而毕业设计正好能增强学生的光学设计水平，从而培养出既有理论又有实践水平的高级专门人才。自引入ZEMAX光学设计软件以来，物理系三届毕业生中已有七名学生用ZEMAX光学设计软件完成了毕业设计，且设计效果良好。
第五，改革考试内容和考试方法，命题从以知识立意为主转变为以能力立意为主，加强了概念题、应用题以及与图形结合的判断题，适当出一些开放题、讨论题；改变一卷定总评的情况，采取措施多元化测试学生的能力，比如将学生论文、平时作业成绩、期中考试成绩、期末考试的分数折算计入总评等，每次考试后都坚持进行分析评估，找出教学中的薄弱环节。
三、教学中还存在的问题及今后的计划
第一，“物理光学与应用光学”是内蒙古工业大学电子信息科学与技术专业的学科基础课，目前没有设置相应的专业实验，理论和实践有所脱节，加大了学生对理论理解的难度。
第二，没有将光学的最新发展融入教学。针对以上问题，一是应尽快引入演示实验，利用实验室现有的仪器设备进行演示；通过实验能使学生接触并使用一些典型的光学系统为学生后续专业课程的学习和今后的工作中利用或组合这些光学系统进行创造性工作打下基础。二是增加现代光学基础内容，将光学的最新发展和研究成果融入讲授内容，使学生能紧跟科技发展步伐，这样不但可以扩展学生的基础知识，还可以开阔学生的视野，激发学生的学习兴趣，同时可以使学生了解学科前沿的概况及其发展动态，进一步拓宽学生的知识面，使他们的知识结构更趋合理。三是教学内容的重点和难点应通过课前预留预习作业与课后作业的方式分解消化；上课时应针对重点和难点问题采用讨论式等多种教学手段，以培养学生的创新精神和自主学习的能力。四是充分利用现代信息技术手段，将传统教学手段和辅助教学方式相结合，提高教学效果。针对课堂教学的重点、难点，利用CAI课件、录像、网络资源等增加学生对知识的感性认识，帮助学生掌握教学内容。五是在完成基本教学任务的前提下，针对不同层次学生的需求，适当扩充一些知识，这样既可以巩固所学知识，还可以提高学生的动手动脑能力，为将来的就业打下一定的基础；对有志向考研的学生，可以提前给他们提供一些重点院校的考试真题，让他们有所准备，并能够根据自己的能力选择合适的院校，以免到了大四盲目选择考研院校。
以上是笔者从事“物理光学与应用光学”教学的一些体会、所做的改进与尝试以及下一步努力的方向，希望通过改革使“物理光学与应用光学”课程的教学质量有所提高。
参考文献：
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