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光电检测技术论文范文1
（蚌埠学院 数学与物理系，安徽 蚌埠 233030）
基金项目：基金项目：专业结构调整服务地方发展计划（2013zytz077）、校级大学物理团队项目（2013jyxmo5）、蚌埠学院2015年院级科研项目（2015ZR17）、蚌埠学院2012年院级重点教研项目（JYLZ1205）
摘 要：较化学检测法等传统环境污染检测方法，光学测量方法以其无可比拟的优势广泛应用于环境污染物的检测及监测，近几十年来发展迅速，并具有广泛的应用前景。随着激光技术和计算机技术的发展，光学测量方法也随之变革。例如激光光谱对特定气体的检测（LASAIR系统），紫外差分光学吸收光谱仪（DOAS系统）和傅里叶变换红外干涉仪（FTIR系统）等，都为这一变革提供有力的佐证。论文介绍光学显微镜检测方法，光学分析方法以及光电检测技术，重点分析光学显微镜检测方法在环境监测中的应用、光学分析方法在水质检测领域的应用、光电检测技术在环境监测中的应用，光学测量方法的最新发展方向。
关键词 ：光学显微镜；光电检测技术；光谱学分析法；DOAS系统；FTIR系统；LASAIR系统
中图分类号：O439文献标识码：A文章编号：1673-260X（2015）08-0005-04
随着现代科技的不断更新与物质生活的高度发达，环境污染物的排放量日益增多，人们在享受着丰富物质生活的同时，也受到了环境污染带来的冲击，例如酸雨的侵害，雾霾天气的影响，全球变暖导致的海平面上升等问题。传统的检测方法（如化学法），由于用时长、花费高、操作复杂，需要各个部门相互协作，甚至在检测时都可能会产生环境污染物，越来越受到抵制。而光学测量方法在环境检测方面，更能有效地避免这些弊端的产生。
在环境中，对于水质，有关部门主要通过对水质采样、化验、分析的方法实现对水质的监控。对于水体富营养化的这种情况，有关部门通过光学显微镜直接对水体进行观查即可。而对于重金属污染过的水源，往往光学显微镜很难直接观测出来，还要通过物理或化学的方法使重金属沉积，沉淀或“染色”，才有可能观察到。但是这种方法用时长，不利于及时了解水污染的情况，而且在使重金属沉淀的方法中，有可能又会产生新的污染物，样品处理又带来了困难。由于光学显微镜很难实现对空气的检测，所以在环境监测中用处并不大。这时人们联想到，也可以通过光的其他特性来实现对环境的实时的监控。而光电检测技术（如外光谱法，激光光谱法等），人们可以直接检测环境中的污染物，无需费时费力，既能实时地反映出污染物的量和浓度，又不会产生附加污染物，且在环境监测中实用性很强。光电检测技术利用光的光谱特性，可以在受污染的水中使用，也可以在工厂的排气烟囱中使用，甚至可以专一地检测某种气体，例如，甲烷气体，二氧化碳气体，含硫化合物气体等[1]。
1 光学显微镜检测方法在环境监测中的应用
在现实生活中，我们最易受到水污染带来的侵害，水体富营养化一直是我们关注的重大问题，而光学显微镜在这方面的检测应用极其广泛。环境保护部门在水污染地需要将水质进行抽样、化验、分析、观察，这时就要用到光学显微镜[2]。
1.1 细菌、霉菌检测
水体细菌含量是人们辨别水质是否利于饮用的重要标准，如人们会对水中的大肠杆菌群检测做一个革兰氏染色镜检。
1.2 生物群落检测
浮游植物是水域的初级生产者，繁殖速度很快。水体富营养化会促进其繁殖能力，从而影响水质的饮用安全。对浮游植物的检测，离不开光学显微镜。光学显微镜直接对水质进行观察监测，每过一段时间，镜检跟踪浮游植物的群落状况，以判断水体是否富营养化。
1.3 特殊物质检测
石棉纤维被动物体吸入肺部后，容易沉着在肺泡内，影响动物体的呼吸，对动物体的健康影响很大。在用光学显微镜检测时，必须用高倍镜才能观察到石棉纤维，因此，对光学显微镜的分辨率要求比较高。为确定肝癌细胞的使用量，需要用光学显微镜镜检肝癌细胞的复苏状况。
二噁英（Dioxin），是某些有害物燃烧后产生的脂溶性物质，不能被生物分解，具有很强的危害性。利用离体肝癌细胞的EROD与二噁英的复合毒性效应是生物学中的一种检测方法。环境监测部门也利用这种方法对环境中的石棉尘（石棉纤维）进行监测。
在受污染的水体中，培养鱼（一般选择生长速度快的青鱼）的受精卵，在鱼卵孵化过程中，使用光学显微镜监测受精卵的孵出率，并观察胚胎发育过程中畸形胎所占比重。
1.4 环境毒性测试
根据所知的生物学，单细胞藻类有很强的繁殖能力。可以在水体中培养藻类，用光学显微镜观察，监测藻类世代的生长情况和藻类种群的变化情况，判断水体中是否存在急性的毒性物质[3]。
2 光学分析方法在水质检测领域的应用
物质在吸收光波后，会在某一波段有一个吸收峰，通过分析这个波段，就可以得出该物质的光谱特性，光学分析方法就是在此研究基础上找到的一种测量方法[4]。反应灵敏度高，检测速度快的优点是人们在采用这种光学测量方法时首要的考虑因素。某些光学分析方法，人们往往既不需要像传统检测方法一样去使用试剂，又不需要花费太多的精力去维护相关的仪器设备。近几十年来，光学分析方法随着科技的脚步，在水质检测方面也跨上了一个新的台阶[5]。
2.1 比色分析法
比色分析法是指利用物质与物质之间的化学反应，获得深颜色的溶液后，通过比较前后溶液的颜色深浅度来测量所含物质浓度的方法[6]。比色分析法主要用于水质中，有色重金属离子的浓度检测。但是，有些重金属离子却是无色的，例如一价铜离子溶液，这时可以根据其易被氧化的化学特性，将一价铜离子溶液氧化成蓝色的二价铜离子溶液。比色分析法可分为目视比色分析法和光电比色分析法，两种方法的测量原理均为朗伯－比尔（Lambert-Beer）定律。但是，目视比色分析法中，人的主观判断会影响未知量的测量，因此目视比色分析法准确度不高。而采用分光光度法的光电比色分析法，弥补了主观判断造成的失误，未知量的准确度和灵敏度得到了提高。
通过了解，可以看出，使用比色分析法时，必须建立在显色反应的基础上，因此对溶液离子的化学性质要求比较高。人们可以采取目测的手段，也可以采用与离子反射或吸收波长相对应的单色光源进行检测，还可以使用与高速计算机联接的摄像头进行图像综合对比分析。利用显色剂的不同反应，比色分析法可被广泛地应用在水质监测方面以及测定受污染水质中的各类污染物浓度。
2.2 紫外光谱分析法
紫外光具有波长短，能量大，透过力强的特点，利用这一特点，人们可以通过紫外光谱区进行检测。有机分子在紫外光谱区的吸收较强（其实就是高能量脉冲杀死了有机活性物质），因此适用于检测水体有机污染物。紫外光谱分析法，分为单波长法，经过多年探索研究后，发展为双波长法，循序渐进到如今比较全面的全光谱法。对单波长法进行改进的双波长法，在测量时，无需参比溶液即可消除混浊度的影响。全光谱法是在光谱分析仪的基础上研究出的一种对待测溶液比较全面的检测方法，包含了吸光度在全紫外光谱区所有有机污染物。
2.3 间接测定法
水质中，对重金属离子的浓度还有一种间接检测方法荧光分析法[7]。顾名思义，荧光分析法就是获取重金属离子的荧光图像，再通过计算机编程处理，由此间接地测量出重金属离子的浓度。在这一过程中，需要用到与重金属离子相匹配的试剂。
2.4 直接测定法
直接测定法省去了间接测定法中匹配试剂的过程，检测速度有所提高，但是却要满足物质本身就发射荧光（如叶绿素、水中有机物等）这一苛刻条件。不管是间接测定法还是直接测定法，都无法忽略光源的重要作用。尤其是在直接测定中，要求光源的发射光波长与物质的吸收光波长一致。激光光源由于其得天独厚的优点（单色性好、能量集中），受到了研究人员的高度关注，激光诱导荧光技术就是采用激光作为光源的荧光检测技术。目前，激光光源在直接测定法中几乎已经取代了传统光源的检测地位。
3 光电检测技术在环境监测中的应用
虽然光学显微镜在水体污染的监测中可谓崭露头角，但在空气污染物的监测中却显得捉襟见肘。空气污染物通常指以气态形式进入大气层来物质（主要是人为污染，例如含硫化合物，二氧化碳气体等等），其对人体或生态系统具有很不好的效应，例如酸雨，雾霾等等。随着光学的发展，光电检测技术逐步应用到现实生活中，尤其在环境监测中，以其独特的优势获得了人们的青睐。
3.1 光电检测技术的原理
光电检测是指利用各类光电传感器，将被测量的物理信息转换成光信息，再通过A/D转换器转换成电信号，再综合利用信息传输技术和计算机编程处理技术，完成信息获取。当光照射到物体表面时，使物体发射电子、或电导率发生变化、或产生光电动势等。这种因光照而引起物体特性发生变化的现象称为光电效应光电检测系统以激光、红外、光纤等现代光电器件为基础，对载有待测物体信号的光信息进行处理，即通过光电检测器件接收光信息并转换为电信号。由输入电路、放大滤波等电路提取待测物的信息，再经过A/D转换器输入计算机运算和处理，最后提取出待测物体的几何量或物理量等所需信息（如图1的光电检测系统）。
3.2 光电检测系统在环境检测中的应用
光与物质的相互作用，改变了物质的某些物理特性。利用这种特性，制作的光电检测系统可以分为两大类：使用能覆盖宽光谱区的宽带光源的监测系统；使用激光或窄光谱光源，因而只能覆盖窄光谱区的监测系统[8-9]。在宽带监测系统中，傅里叶变换红外干涉仪（FTIR）或紫外差分光学吸收光谱仪（Uv-DOAs，又名DOAs系统）测系统可同时监测未知混合物中的多种化合物。通常这些化合物是包含在宽谱带内的，宽带监测系统能“观察到多种化合物的存在，但分辨率不高，不能将这些化合物从复杂混合物中直接区分开来”。但是，当宽带监测系统的分辨率低于欲观察的光谱线中的精细结构时，就不能观察到真正的吸收峰，且会限制对气体浓度值的检测。
激光监测系统由于分辨率高，扫描光谱范围窄，所以检测灵敏度相当高，但是激光监测系统发出的波长必须与被检测化合物吸收谱线的光波长相匹配。由于激光监测系统发出的激光波长是单色的，扫描波段被限制在极窄的范围内，一般情况下只能对应的检测出一种化合物。若检测的是混合物，则需要另加对应的监测装置。在目前的环境监测中，宽带监测系统和激光监测系统，这两种类型的监测装置都有其应用。例如，FTIR监测系统，它可提供对企业事故中泄漏出的某些有害化合物进行检测。这时对所有的可能的有害化合物来说，检测灵敏度就不如检测范围重要。但如果要连续实时监测从污染源（如烟囱向大气层中排放污染物，汽车尾气排放的污染气体时）释放出的有害气体，则监测装置抗其他化合物干扰的能力和高检测灵敏度就是重要因素了，这时，激光监测系统就成为了理想的监测系统。激光雷达像其它激光监测系统一样，能检测的样品不多，但它具有空间分辨力，是迄今为止，唯一能提供空间信息技术的检测系统，因此，探索污染物的发源地，激光雷达系统是最好的检测系统。诸如高空大气层中臭氧的消耗情况，可以使用激光雷达系统进行计算机模拟绘图。使用激光雷达系统提供大气层中空气分子成分分布的垂直剖面图，可以对大气传输和扩散过程有更透彻的了解。
DOAS系统可以测量多种化合物，如含氮化合物、甲醛、酚、苯、甲苯、二甲苯[10]。它的工作原理是根据光的反射定律，光源发射的光波经过某些物质后，经吸收的光波与光源光波一起被反射镜反射回来，利用计算机高速运算的能力分析光波的差异性，故而称作差分光学吸收光谱技术。调取吸收光谱数据库中已知数据，与吸收光谱数据相比较，从而分析物质中存在的化合物种类。
LASAIR系统是激光技术与计算机技术相结合的高新技术[11-12]，利用激光的单色性和计算机的高速运算能力，提高了检测效率。可调二极管激光吸收光谱分析仪发射出的激光光波长，足以满足吸收峰在中红外区（320um的范围内）的物质检测，适合大多数的工业环境监测。可调二极管激光吸收光谱仪，已在全球范围内有毒有害气体的检测上发挥了重要作用。LASAIR能测量的气体分子包括NOx、HF、HCI、HI、NH3、C2H2、COx、H2S、CH4。但是，由于每种气体对光波的吸收峰值不尽相同，必须要使用发射对应吸收峰值波长的激光光源。
4 结束语
随着时代而发展的光纤通讯和光电子信息技术被应用于环境监测中，尤其是具有体积小、寿命长和光电转换效率高的近红外二极管激光器[13-14]，目前已经迅速商品化，成为了检测空气污染物质的最合适光源。而调谐二极管激光吸收技术利用分子的吸收光谱单一分立吸收线这一原理，可以采样到被检测气体的每种光学信息。当激光通过被检测气体时，光电磁波会被吸收和散射而衰减。利用被测量物质分子的吸收能力远远高于物质分子对光的散射能力，我们可以忽略掉物质分子散射的这一衰弱影响。经过近30年的发展，调谐二极管激光吸收技术日益成熟，被广泛的应用在空气污染物质的检测和监测中。随着光谱学分析技术和激光技术的完美结合，特别是在近些年来，制作半导体材料和器件的工艺长足进步的情形下，激光光谱学分析技术在环境监测方面的应用越来越成熟。
红外半导体激光器可以在常温下工作，取代了传统光源的地位[15]。研究结果表明，红外半导体激光器的发射波长与很多环境污染气体的吸收波长相同。由于红外半导体激光器具有谱线窄、单频、功率大、工作可靠的优点，也为制作高质量，高水准的气体检测仪打下了坚实重要的基础。根据其对环境的抗干扰能力强，经常不需要标定，可直接安装在管道上检测等实用性的特点，被大量使用在工业生产过程中检测污染气体方面。
从光学显微镜早期在环境监测中的应用（主要在水质检测方面），到后来应用光学分析方法监测环境，直到现在人们又通过光的其他特性发明了各式各样的监测仪器，如：激光监测仪（DOAS系统），傅里叶变换红外干涉仪（FTIR监测系统）。可以说，光学测量方法是随着光学的发展而发展变化的。随着量子力学的发展，人们对光的认识不仅仅只是停留在了光谱层面上，而且也通过实验验证了人们对光的本质的假设。人们相信，现在我们所知的光学只是其冰山一角，光学测量方法也会随着光学的发展而日新月异。
参考文献：
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光电检测技术论文范文2
关键词：电子科学与技术；本科培养方案；课程设置；办学特色
中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2015）30-0070-02
21世纪被称为信息时代，电子科学与技术在信息、能源、材料、航天、生命、环境、军事和民用等科技领域将获得更广泛的应用，必然导致电子科学与技术产业的迅猛发展。这种产业化趋势反过来对本专业的巩固、深化、提高和发展起到积极的促进作用，也对人才的培养提出了更高的要求。因此，本文从人才的社会需求出发，结合我校实际情况，进行了本科专业培养方案的改革探索，并详细介绍了培养方案的制定情况。
一、人才的社会需求情况
目前，我校电子科学与技术专业的本科毕业生主要面向长三角地区庞大的微电子、光电子、光伏和新能源行业，市场对专业人才的需求基本上是供不应求的。但是也应该注意到电子科学与技术产业的分布不均，分类较细，且发展变化较快。另外，电子科学与技术产业结构具有多样性，既有劳动密集型的大型企业、大公司，更多的是小公司和小企业；既有国有企业和私营企业，更有合资、独资的外企。因此，社会需求与本专业毕业生的供需矛盾还会继续存在。
二、专业的培养目标和定位
本专业培养具备微电子、光电子领域的宽厚专业基础知识，熟练实验技能，能掌握电子材料、电子器件、微电子和光电子系统的新工艺、新技术研究开发和设计技能，有较强的工程实践能力，能够在该领域从事各种电子材料、元器件、光电材料及器件、集成电路的设计、制造和相应的新产品、新技术、新工艺的研究、开发和管理工作工程技术人才。并且结合我校“大工程观”人才培养特色，依据“卓越工程师”教育理念下工程技术型人才培养的原则，培养适应微电子和新兴光电行业乃至区域社会经济建设需求的工程技术型人才。
三、本科培养方案制定的思路
电子科学与技术专业培养方案参照工程教育认证的要求，以及专业下设微电子、光电子材料与器件两个本科培养方向的思路制定。注重培养学生的专业基础知识和实践工程能力，使毕业生能满足长三角地区微电子、光电子和新能源行业发展的需求。微电子方向的课程设置专注于电子材料与电子器件、集成电路与系统设计方面，光电子材料与器件方向则偏向于光电信息、光电材料与光电器件方面。
四、本科培养方案的改革探索
要实现电子科学与技术专业的培养目标，适应电子信息产业的不断发展，并结合我校学科发展方向和特色，对电子科学与技术专业本科人才培养方案进行了研究，并对省内外几所高校电子科学与技术专业的培养方案进行调研，最终形成了富有特色的电子科学与技术专业人才培养方案，主要内容如下：
1.培养方案的模块化设计。在设计电子科学与技术专业本科培养方案的整体框架时，根据“加强基础、拓宽专业、培养能力”和培养工程技术型人才的办学理念下，专业培养方案分人文与社会科学、专业基础和专业课三个模块，下设微电子和光电子材料与器件两个专业方向。学生在前两年学习相同的课程，到大三时根据自己的兴趣选择专业方向，选修各自方向的专业课。由于两个方向的不同培养要求，因此在专业基础选修课、专业必修课和专业选修课方面设置限选模块，每个专业方向必须修满相应的学分才能毕业。
2.改革专业基础课程。专业基础课程是为专业课程奠定基础，因此，在保留了原有电子信息类专业通常所开设的电子类课程外，增加了与专业相关的课程，如EDA技术、通信原理、数字信号处理、物理光学、应用光学、激光原理与技术等课程，删减了原先与物理类相关的一些课程，如物理学史、原子物理、热力学与统计物理学等，并删减了一些计算机软件类课程，如C++程序设计、计算机在材料科学中的应用等。专业基础选修课程分方向限选模块，两个专业方向对应有不同的专业基础选修课程。
3.优化专业课程。专业课程是整个专业教育中的主干部分，微电子方向的课程设置紧紧围绕半导体和集成电路设计方向，开设有集成电路设计、微电子工艺原理与技术、工艺与器件可靠性分析、半导体测试技术、现代电子材料及元器件、集成电路工艺与器件模拟等课程。光电子材料与器件方向围绕光电材料和光纤通信方向，开设光电子材料与器件、光电检测原理与技术、太阳能电池原理与技术、光纤传感原理与技术、光纤通信技术等课程。另外专业课程里面还设置有专业实验，通过加强实验环节，训练学生的动手操作能力，增强学生的理论知识。
五、与省内外专业人才培养的区别
具有电子科学与技术专业的各大高校分布在不同的地区，服务于不同的区域经济，这就要求专业学生的培养具有区域化、差异化。我们分析了杭州电子科技大学、浙江工业大学、苏州大学、南京理工大学和徐州工程学院这五所不同地区、不同层次高校的电子科学与技术专业的培养方案。不仅使我们能学习到其他高校的先进办学理念、合理的课程设置体系，也可以发现与其他高校之间的差异。具体表现为以下几个方面：
1.专业定位。各个学校的电子科学与技术专业依据自身的师资力量、办学条件、区域经济要求确定专业的发展定位。杭州电子科技大学的电子科学与技术专业依托1个教育部重点实验室、2个国家级实验教学示范中心、3个省部级重点实验室，人才培养定位于能从事电子元器件、电子电路乃至电子集成系统的设计和开发等方面工作的工程技术人才。浙江工业大学的电子科学与技术专业主要培养光通信、电子电路系统、集成电路设计等方面的人才。苏州大学的电子科学与技术专业定位在培养能够在电路与系统、集成电路与系统等领域从事各类系统级、板级和芯片级研发工作的高级工程技术人才。南京理工大学的电子科学与技术专业主要是突出光电技术和微电子与信息处理学科的交叉和融合，以光电成像探测理论与技术及微电子理论与技术为专业特色。徐州工程学院的电子科学与技术专业主要定位在培养能从事光电子材料与器件开发的工程技术人才。而我校的电子科学与技术专业定位于服务长三角地区半导体和新能源行业，培养能从事集成电路设计与开发、光电子材料与器件的研发等工作的工程技术人才。
2.课程体系。杭州电子科技大学的电子科学与技术专业培养学生设计、开发电子元器件、电子电路系统、电子集成系统的能力，在课程设置上开设了通信电子电路、EDA技术、薄膜物理与技术、电子材料与电子器件、电子系统设计与实践、集成电路设计、嵌入式系统原理和应用、现代DSP技术及应用等专业课程。浙江工业大学的电子科学与技术专业培养学生设计、开发电子电路系统、集成电路系统的能力，开设了电路原理、模电数电、通信电子线路、集成电路设计、光纤通信原理、光网络技术、数字信号处理等专业课程，以及电子线路CAD实验、单片机综合实验、通信原理实验、通信电子线路大型实验、微电子基础实验、半导体器件仿真大型实验、集成电路设计大型实验等实验类课程。苏州大学的电子科学与技术专业培养学生设计与开发电路与系统、集成电路与系统，从事各类系统级、板级和芯片级研发工作的能力，开设了信号与系统、电磁场与电磁波、高频电路设计与制作、电子线路CAD、CMOS模拟集成电路设计、VLSI设计基础等专业课程，以及电子技术基础实验、信号与电路基础实验、电子线路实验、电子系统综合设计实验等实验类课程。南京理工大学培养学生从事光电子器件、光电系统和集成电路的设计、开发、应用的能力，开设了信号与系统、光学、光电信号处理、光辐射测量、光电子器件、光电成像技术、超大规模集成电路设计、光电子技术、显示技术、光电检测技术、数字图像处理、半导体集成电路、集成电路测试技术、微电子技术、光电子线路、电视原理等专业课程。徐州工程学院的电子科学与技术专业培养学生设计与开发光电子材料与器件的能力，开设有信号与系统、光电子学、光电子技术、激光原理与技术、光伏材料等专业课程，以及模拟电路课程设计、数字电路课程设计、单片机原理课程设计等实践性课程。我校的电子科学与技术专业主要培养学生集成电路设计、光电子材料与器件的设计与制备能力，开设有半导体物理学、半导体器件原理、MEMS技术、微电子工艺原理与技术、薄膜材料及制备技术、工艺与器件可靠性分析、集成电路工艺与器件模拟、EDA技术、通信原理、数字信号处理、光电子材料与器件、光电检测原理与技术、太阳能电池原理与技术、光纤通信技术等专业课程，以及近代物理实验、专业实验等实验类课程。
3.人才培养特色。杭州电子科技大学的电子科学与技术专业的人才培养特色是注重集成电路设计、系统集成方面能力的培养。浙江工业大学的人才培养注重光纤通信、集成电路设计方面能力的培养。苏州大学的人才培养注重电路与系统设计、集成电路与系统设计方面能力的培养。南京理工大学的人才培养注重光电技术和微电子与信息处理学科的交叉和融合，以光电成像探测理论与技术及微电子理论与技术为专业特色。徐州工程学院的人才培养注重光电材料与器件方面能力的培养。我校的人才培养注重电子材料与电子器件的设计与开发、集成电路设计方面能力的培养。
参考文献：
[1]陈鹤鸣，范红，施伟华，徐宁.电子科学与技术本科人才培养方案的改革与探索[A]//电子高等教育年会2005年学术年会论文集[C].17-20.
光电检测技术论文范文3
关键词 CCD 宽度测量 蓝牙4.0 非接触测量
中图分类号：TB96 文献标识码：A
Width Measurement System Design Based on Array CCD
LI Sha
（School of Physics and Mechanical and Electrical Engineering， Hubei University of Education， Wuhan， Hubei 430205）
Abstract Proposed width of the non-contact measurement system based on CCD array， introduced the measurement principle and hardware of the system components， the use of Bluetooth 4.0 technology for wireless transmission of acquired signals to the computer. Experiment with different widths of steel were measured， the results show that the system measurement error is small， the effect is good， has some practical value.
Key words CCD； width measurement； Bluetooth 4.0； non-contact measurement
0 引言
CCD（Charge Coupled Device），电荷耦合器件，是贝尔实验室在20世纪60年代末期发明的图像传感器。由于其在检测方面的独特空间特性和结构特性，CCD自问世以来便广泛应用于光电检测领域，尤其在工业在线检测领域具有不可替代的地位。与传统的机械式、电磁式、光学式检测技术相比，基于CCD传感器的非接触式检测技术在尺寸检测的智能化和自动化方面体现出明显的优势。文献[1]提出一种基于面阵 CCD 和激光辅助的测宽系统用于在线测量钢板宽度。文献[2]采用两个面阵CCD的图像拼接方法实现对 130mm的大尺寸轴径的高精度测量，并就图像拼接时需要注意的问题进行了说明。文献[3]介绍了一种基于面阵CCD的振动非接触测量系统，并对该系统参数的确定方法和系统所采集的序列运动图像的处理方法进行了分析。本文介绍一种基于面阵CCD的宽度测量系统，并运用蓝牙4.0技术实现图像信息的传输。蓝牙4.0整合包括传统蓝牙技术、蓝牙低耗能技术和蓝牙高速技术，低功耗是蓝牙4.0的突出特点，使其在短距无线应用和便携式操作控制方面具有优势。
1 硬件系统组成
基于面阵CCD的非接触测量系统的硬件部分由面阵 CCD、传感器固定附件、图像采集模块以及计算机组成，如图1所示。CCD将被测物体成象后的光信号转换为电信号，图像采集模块则进行模数转换获得相应的数字信号，运用蓝牙4.0技术实现信号的无线传输，通过计算机上的图像处理软件对获取的图像进行处理、提取，最终将计算的测量结果输出。
1.1 CCD图像传感器
CCD图像传感器将光学信号直接转换为对应大小的模拟电流信号，再经放大和模数转换从而实现图像的获取、存储、传输和处理。根据感光单元的排列方式不同，CCD可分为线阵CCD和面阵CCD两大类。前者价格低廉，结构简单，适用于一维动态目标的测量，但在获取二维图像时需配以运动扫描，获取时间长且测量效率低，不适于高精度的平面曲线轮廓检测；后者则应用面较广，可以获取二维图像信息，测量图像直观，适合测量面积、尺寸、位置、形状甚至温度等信息。面阵CCD图像传感器是感光单元有序排列成二维网状的传感器，因其具备自扫描特性，能够把光学图像变换成按空间域分布的离散电压信号，再通过计算机系统进行处理，就可以完全实现高精度、高分辨率检测。①
图1 测量系统框图
图2 CCD检测原理
用面阵CCD的非接触测量物体宽度的原理如图2所示，光源发出的均匀光线照在被测物体上，其宽度信号通过成象物镜成象在面阵CCD的光敏面上，CCD再将光信号转换成对应的模拟电信号。
1.2 蓝牙4.0
蓝牙无线技术是使用范围最广泛的全球短距离无线标准之一，蓝牙4.0包括了传统蓝牙、高速蓝牙和低功耗蓝牙三种蓝牙技术。②③低功耗技术（Low Energy）是蓝牙4.0的核心，其最大的特点是运行功耗和待机功耗极低，只需一粒纽扣电池便可使蓝牙低功耗设备连续工作达数年之久，这种技术即为蓝牙4.0BLE。测量系统中，由CCD获取的模拟电信号经图像采集模块转换为数字信号后，采用蓝牙4.0技术传输至计算机端进行相应的处理。蓝牙无线传输技术可以实现非接触测量系统的便携式操作和户外应用。蓝牙4.0BLE不仅有低功耗特点，还具有高可靠性、高安全性、低成本、快速启动、瞬间连接的特点，其有效的传输距离较传统蓝牙有极大提高，可达60～100m。这些保证了测量系统的无线传输的可靠和高效，也大大提高了户外非接触测量的应用范围。
表1 钢板宽度测量记录
2 测量实验
为了检测系统的测量效果，实验选取10块不同宽度的钢板进行测量，选用激光光源照在被测钢板上，测量结果见表1。数据显示10次测量的误差8在0.1mm以内，10次测量误差的平均值为0.08743mm，测量效果是理想的。测量误差主要是因为系统中存在光学系统造成的误差、环境误差、设备误差等。
3 结语
本文介绍了一种简单易行的非接触式宽度测量系统，利用面阵CCD摄像机获取被测物体的图像，接着经图像采集模块进行模数转换，并通过蓝牙无线传输技术传送至计算机，再经图像处理获得宽度值。实验对10块不同的钢板进行测量，测量误差较小，效果理想，证明了本系统是可行的。
基金项目：湖北省教育厅科学研究计划资助项目（Q20133006）
注释
① 郭伟.基于面阵CCD的钢板几何尺寸测量系统的研究[D].太原科技大学硕士学位论文，2013.
② 欧阳骏，陈子龙，黄宁淋.蓝牙4.0BLE开发完全手册[M].北京：化学工业出版社，2013.4.
③ 张德龙.基于蓝牙 4.0 的无线扭矩测量分析[J].电子测试，2013.15：79-80，62.
参考文献
[1] 秦广胜，何对燕，商红林.一种新的激光辅助钢板宽度测量系统的实现[J].电子设计工程，2009.10：31-33.
光电检测技术论文范文4
关键词：仪器仪表工程；专业硕士；校企合作；联合培养
中图分类号：G643 文献标识码：A文章编号：1002-4107（2014）05-0086-02
一、校企联合培养模式的特点
按着国家确立的仪器仪表专业领域硕士研究生培养目标，创新能力的培养对研究生教育至关重要。结合工科研究生教育的实际，国内有学者提出在学位与研究生教育中影响创造能力培养的重要因素有：知识结构、实践环节、科学方法、个性培养、管理工作[1]；也有学者针对全日制工程硕士教育提出，培养具有创新活力的未来工程师需要合理的师资队伍结构，未来工程师应该依靠工程师与科学家共同培养。应该探索工程型科学家与科研型工程师合理配比的双师型师资结构[2]。西方发达国家与国内创新教育有所不同，譬如美国研究生学术能力培养的特点可概括为：重视基础理论，强化学科间渗透；注重探索精神和研究能力的培养；有具体的学术标准和良好的学术氛围；学术自治和社会监督[3]。为了保证实现培养目标的同时，突出专业研究生实践开发特色和创新能力的培养，东北石油大学电子科学学院和大庆油田有限责任公司测试技术服务分公司共同启动了校企联合培养模式，针对仪表工程领域工程硕士专业业务素质培养进行了一系列的探索与实践，集中概括为三个方面：第一，为确保研究生具备从事本专业设计开发所必需的扎实理论基础和优化知识结构，结合实际建立了一套特色鲜明的课程体系；第二，为确保研究生历经严格的专业训练以提升其研发能力，建立了严格的学位论文质量保证体系；第三，为确保研究生综合素质的提升，建立了高效的研究生实践创新能力培养机制。
二、特色鲜明的课程体系
课程体系的构建是校企联合培养模式中十分重要的环节，事关研究生培养质量。根据国家仪器仪表工程硕士学位标准，为了保证学习基础突出、理论与实践相结合、前沿技术与现实需求结合的培养特色，构建课程体系要明确本专业的办学定位，即掌握仪器仪表学科的基本理论和相关工程技术，了解本学科的历史、现状和国际上的学术动态，掌握一门外语并能阅读本专业的外文资料。培养学生具有较好的专业理论基础，能较熟练运用相关专业技术从事仪器仪表工程开发或实际应用。要求学位获得者掌握所从事工程领域的坚实的基础理论和宽广的专门知识，具有解决仪器仪表工程领域实践问题的先进技术方法和现代技术手段。在明确办学定位基础上，结合培养目标和专业特色研究确定课程体系。具体课程规划为公共必修课、专业必修课、必修环节和选修课四个模块。按着培养方案要求每人修业不低于30学分，该课程体系突出现代传感技术、光电检测技术、智能信息处理技术、虚拟仪器技术四大研究方向。研究生可以根据自身研究方向自行选定选修课程，也可以根据课题需求和自身爱好跨专业选课，研究生有权自由选择集中修业或跨学年修业。研究生参加全国电子设计大赛并荣获奖励的可以置换智能仪器设计实践学分。
三、“四位一体”的学位论文质量保证体系
针对仪器仪表专业领域硕士研究生校企联合培养，历经探索形成了以研究生为主体、导师为引领、平台为基础、项目为依托“四位一体”的学位论文质量保证体系。
第一，突出研究生的主体地位和作用。研究生是学习的主体，是创新设计的主体，更是受教育的主体。其知识结构、理论基础、思维模式、实践技能等内在素质和研究态度、工作热情、勤奋程度等外在体现都是决定学位论文质量的内在因素，这些都需要导师对其研究生有充分的了解并经常予以高度关注。为此在校企联合培养模式下采用了双导师制，研究生在校理论学习期间，主要由高校的导师负责理论学习指导和综合素质考核，进入企业从事课题研究过程中主要由企业的导师负责指导开发实践。无论校内还是校外均以任务化管理的方式提供给研究生最大化的自由度和独立研发空间。事实证明，这更有利于发挥学生自主创新思维。
第二，充分发挥导师的引领作用。双导师作为创新培养体系的特征体现，在导师和研究生之间建立一种新型的“导学”关系，导师即要当好向导，引领学生朝着正确的方向前行，使学生在探索创新的路上不至于迷茫；导师又要当好伴侣，从思想层面上陪伴着学生，使学生在攀登科学高峰的进程中不感到寂寞和孤单。目前仪器仪表专业聘请校内导师12人、企业兼职导师5人，采取两种选配方式：其一是由校内教授担任主导师，企业高级工程师为副导师；其二是由企业教授级高级工程师主导师，校内年轻的副教授担任副导师。无论哪种方式，主导师都要负责培养计划的制订并提供论文研究课题，副导师配合主导师完成对研究生的指导任务。双导师配备原则主要考虑主副导师是否有深入合作研究的背景，是否能够真正形成理论研究与实践开发两者优势互补。除此之外，有计划地引进和培养青年后备人才，将青年博士列入后备导师团队，形成导师梯队。近五年本学科引进博士5人，在职培养博士7人，在读博士12人，这些对于强化导师队伍建设至关重要。
第三，加强平台基础建设，充分利用各级各类平台为研究生研究课题和创新实验提供实验条件。目前仪器仪表专业主要依托油气田控制与动态监测黑龙江省重点实验室和黑龙江省高校校企共建测试计量技术及仪器仪表工程研发中心，并与大庆油田测试技术服务分公司共建研究生创新设计培养基地。
第四，依托重大研究课题并结合生产实际精选研究生论文研究项目。校企联合培养的研究生学位论文课题都是源于国家油气重大专项、国家自然基金项目、黑龙江省自然基金、石油天然气总公司计划项目等课题。其主体研究方向面向油田生产测井及计量仪器仪表的现代传感器研制。
四、“一个面向、三个结合”，实践创新能力校企联合培养机制
为了提高研究生实践创新能力，建立了校企联合培养机制。为此采取了一系列的手段与措施，突出体现一个面向、三个结合为特色的校企联合两段式教育培养模式。其中，一个面向特指仪器仪表专业研究生论文选题面向油田生产实际；三个结合特指具体研究开发与本专业研究方向密切结合、与高级别科研项目密切结合、与先进实验装置密切结合。校企联合两段式教育形式上体现为理论学习阶段在校内，实践开发阶段在企业。校企联合两段式教育的内涵要充分利用仪器仪表工程学科特有优势，发挥研究生创新培养基地的作用，按高级工程技术人才培养模式，与行业企业深度合作，与油田生产测试及标准计量密切结合的仪器仪表研发课题密切结合，形成仪器仪表工程专业学位研究生的校企联合共同培养的教育模式。
具体操作上，第一，坚持论文选题与油田生产实际相结合。东北石油大学电子科学学院与大庆油田测试技术服务分公司共建研究生创新设计培养基地，因此，只有选择面向油田生产实际与仪器仪表工程相结合的课题，才能将研究生真正置于校企联合培养教育模式之中。第二，研究生要深入导师科研团队参与高级别项目研究：校企联合培养模式中双导师制的具体落实，集中体现在对于研究生的教育培养，而双导师之间的分工与配合显得尤为重要。对于研究生而言，必须深入导师科研团队参与高级别项目研究，才能以更加宽阔的视野面对技术领域高深问题，在实践中更有效地锻炼和培养自身的科研开发能力，快速提升思维能力。第三，研究生要深入开发现场亲历创新实践。只有深入开发现场才能深入了解企业需求，进而才能进一步实践创新。测试的核心技术是传感器技术，油田测试领域的传感器有其鲜明的特色，必须在苛刻的尺寸限制下实现井下各参数的测量，必须适应井下的恶劣环境。因此，只有深入企业了解生产实际，才能有针对性地开展现代传感技术及仪器研究，以提高测试水平，更好地为油田开发服务。否则，其研究成果将无法与生产实际对接，自然也无法参与创新设计。
通过三年仪器仪表工程专业硕士研究生校企联合培养模式的探索与实践，结合自身的办学条件及合作企业的生产实际，寻求出一条有效路径，从而进一步明确了培养目标；构建了一套科学的课程体系；明确了以研究生为主体、导师为引领、平台为基础、项目为依托“四位一体”的学位论文质量保证体系；突出体现仪器仪表专业研究面向油田生产实际、与本专业研究方向密切结合、与高级别科研项目密切结合、与先进实验装置密切结合的提高研究生实践创新能力手段与措施。尽管因合作企业突出的行业特点和自身的企业文化，致使该校企联合培养模式更多体现出个性化的特征，但仍有一定的推广价值。今后，将继续深入研究和不断实践，使得接续研究成果有更加广泛的应用性。
参考文献：
[1]高洁，王斌.理工科研究生创新教育的几点思考[J].教育新观察，2009，(9).
[2]王钰，康妮，刘惠琴.清华大学全日制工程硕士培养的探索与实践[J].学位与研究生教育，2010，(2).
[3]张莉，柴宝芬.美国研究生培养模式解读[J].现代教育科学，2010，(1).
收稿日期：2013-10-05
作者简介：刘祥楼（1963―），男，黑龙江讷河人，东北石油大学电子科学学院教授，博士，主要从事多维信息处理、生物识别及虚拟仪器工程研究。
