微元法的基本原理范文

导语：如何才能写好一篇微元法的基本原理，这就需要搜集整理更多的资料和文献，欢迎阅读由公务员之家整理的十篇范文，供你借鉴。

篇1

【关键词】 长期股权投资;疑难问题;处理原则;题例解析

成本法转为权益法的会计处理,是长期股权投资核算中的重点、难点问题,注会考生学习此部分内容时,普遍认为其教材所写的账务处理原则不易理解,教材实例缺少代表性,难以全面准确地解释教材所写的账务处理原则。基于此种原因,笔者精选了以下较为典型的题例来解析由于持股比例由低变高而将成本法转为权益法的会计处理原则,以启迪注会考生更通俗易懂地理解和把握这一处理原则。

例题:甲公司于2008年1月1日以银行存款900万元取得乙公司10%的股权,投资时乙公司可辨认净资产公允价值总额为8 400万元(假定公允价值与账面价值相同),因对被投资企业不具有重大影响且无法可靠确定该项投资的公允价值,甲公司对该项长期股权投资采用成本法核算,甲公司按净利润的10%提取盈余公积。2009年7月1日,甲公司又以银行存款1 410万元取得乙公司12%的股权,追加投资当日乙公司可辨认净资产公允价值总额为12 000万元,取得该部分股权投资后,按照乙公司章程规定,甲公司能够派人参与乙公司的生产经营决策,对乙公司具有重大影响,甲公司对该项股权投资改按权益法核算。假定甲公司在取得对乙公司10%的股权后,双方未发生任何内部交易。乙公司通过生产经营活动实现的净利润为900万元,其中2009年1月1日至2009年7月1日实现的净利润为260万元,2008年2月15日乙公司宣告分派2007年度的现金股利1 000万元,乙公司除实现净利润外,未发生其他计入资本公积的交易和事项。要求根据上述资料进行甲公司与该项长期股权投资有关的账务处理。

解析过程:

一、图1所示分析

二、会计处理

(1)2009年7月1日追加投资时:

借:长期股权投资 1 410

贷:银行存款1 410

(2)原差额的会计处理:

①初始投资成本=900(万元)

②由于清算性股利冲销的成本=100(万元)

③原持有长期股权投资的账面余额=900-100=800(万元)

④原差额(X)=800-8 400×10%=-40

借:长期股权投资 40

贷:盈余公积4

利润分配――未分配利润 36

【处理原则】原持有长期股权投资的账面余额与按照原持股比例计算确定应享有原取得投资时被投资单位可辨认净资产公允价值份额之间的差额,属于通过投资作价体现的商誉(X>0时)部分,不调整长期股权投资的账面价值。属于取得投资时因投资成本小于应享有被投资企业可辨认净资产公允价值份额的差额,一方面应调整长期股权投资的账面价值,另一方面应同时调整留存收益(包括盈余公积和未分配利润)。

(3)新差额的会计处理

新差额(Y)=追加投资成本-追加投资时被投资企业可辨认净资产公允价值×追加持股比例=1 410-12 000×12%=-30

借:长期股权投资 30

贷:营业外收入30

【处理原则】对于新取得的股权部分,应比较新增投资的成本与取得该部分投资时应享有被投资单位可辨净资产公允价值的份额,其中投资成本大于投资时应享有被投资单位可辨认净资产公允价值份额的(Y>0),不调整长期股权投资的成本;对于投资成本小于应享有被投资单位可辨认净资产公允价值份额的,应调整增加长期股权投资的成本,同时计入取得当期的营业外收入。

(4)两投资时点公允价值差额的会计处理

①两时点差额=12 000-8 400=3 600(万元)

②相对于原持股比例的部分=3 600×10%=360(万元)

③属于净利润影响的部分=900×10%=90(万元)

其中:2008年净利润影响的部分=640×10%=64(万元)

2009年净利润影响的部分=260×10%=26(万元)

④属于其他原因影响的部分=360-90=270(万元)

借:长期股权投资360

贷:盈余公积6.4

利润分配――未分配利润 57.6

投资收益 26

篇2

关键词：以学生为中心；基本原理概论；教学方法改革

长期以来，在我们的教学活动中，由于思想观念及教学观念所限，整个教学环节中教师总是作为主体来组织教学，学生则是被动接受教师的教学内容，很少直接和主动地参与课堂教学活动，而且很少表达他们对于所学内容的理解和接受程度如何，积极性和创造性受到一定程度的压抑，教师在实际接触学生过程中也切实感受到迫切需要对传统的教学方法进行改革。“以学生为中心”的《基本原理概论》教学方法，是将“以学生为中心”理念渗透到整个教学中，教师则成为学生学习的引导者和学习伙伴，一切从学生的角度出发，充分考虑学生的兴趣、需要、思维和行为方式，关注学生的思想和心理特点及学生普遍关心的社会问题，激发学生主动参与学习的精神。

一、了解学生、关注学生是“以学生为中心”教学方法改革的基础

现在的世界正处于社会主义低潮时期，大量西方文化思潮、价值观念和某些腐朽没落的生活方式冲击着新时期大学生的价值观，大学生接受着社会主义价值观和西方价值观的双重影响，导致大学生世界观、人生观、价值观趋向多元化。笔者在教学开始前和教学过程中采用师生交流等教学方法，或问卷调查，让每位学生写出自己的思想困惑和理论疑难；或通过主题谈话，师生之间各抒己见，进行各种思想的交流；或课后利用网络论坛、邮件和QQ等形式，师生双向讨论交流，及时反馈课堂教学效果，摸清学生所思所想。通过了解发现新时期大学生有以下特点：一方面，他们思想积极敏锐、健康向上、崇尚奋斗、崇尚科学、尊重知识；有较强的自尊心、自我表现欲、独立意识和竞争意识；有较强的自学和思考能力、理解能力；喜欢关注国际国内政治经济形势，对在社会主义初级阶段所碰到的许多重大理论问题和社会现实问题，他们均有一定思考，能够试着去分析和理解；只要理论具有说服力，他们愿意去学习和接受，也就是说不存在与之间的天然隔阂。而另一方面，我们也发现大学生理想信念淡薄，集体主义观念淡化，法制、纪律、诚信观念不强；价值目标取向错位，趋实用化、短期化、直观表面化，个人主义、功利主义抬头；学习态度不端正，学习动力不足，不少大学生对基本原理课有厌学和抵触情绪。

二、“以学生为中心”进行教学改革，最大限度培养学生自主学习的能力

“以学生为中心”的《基本原理概论》教学方法是在摸清学生所思所想基础上，从学生思想实际出发，将传统讲授法、案例教学法和“小老师”讲堂教学法、专题讨论教学法、课程辩论赛教学法、实践教学法等结合起来，有选择地加以运用，尽可能给学生创设一个自由发挥与思维参与的空间，让学生愉快地思考，大胆质疑，鼓励学生间的合作学习，营造生动活泼的气氛，变“要我学”为“我要学”，激发学生学习思想政治理论的兴趣和积极性，引导学生总结学习经验，在群体学习过程中培养自主学习能力、独立思考能力和口头表达能力，最大限度调动和发挥学生学习的主动性，促进教师与学生之间的交流，从而真正达到预期的教学目的。

1.“小老师”讲堂教学法

此教学法为学生提供了一个尽情在三尺讲台上分享见解和感悟的平台，学生不再是被动的受教者，而是教学活动的主体；教师不再是知识的灌输者，而是教学活动的引导者。在学生讲堂开始之前，笔者从教材中挑出一些相对而言比较浅显的内容让学生选择，并对主讲人进行了培训指导，引导学生自学，进行大量阅读，查找资料，完成知识重构，提前准备好讲稿内容和多媒体制作，在保证其基本内容的前提下，订正错误的知识点，增加准确度和趣味性，保证内容的可接受性，体现学生的中心作用。制作和使用多媒体教学时，引导学生从熟知的事例及所学专业出发，运用适量典型的影视资料，使教学内容生动形象，多媒体的展示时机一般是在突破难点、阐释重点的时候，以及学生学习兴趣淡化和思维抑制的时候。在“讲堂”中，主讲人不是纯粹地讲授，他需要结合其它教学方法与教师、同学之间进行相互讨论、辩论，相互学习，杂取百家，互为补充。在此过程中，教师要做好引导作用。“小老师”讲堂因主讲人是学生，所讲内容大多为学生感兴趣的话题，通俗易懂，所以学生很爱听，也能开阔学生视野，引发学生探索和思考，有效激发学生的主体意识，推进学生自我价值的实现。

2.专题讨论教学法

笔者在运用此教学法教学时，首先把基本原理某一部分的核心内容按照内在逻辑组成一个专题。然后提前一周把上课的所有学生分成若干个小组（每个小组10人左右），让每个小组的所有成员围绕专题阅读文献、准备资料、写好发言提纲或讲稿，制作好PPT。选举一名代表到台上进行8分钟左右演讲，小组其他成员可以随时补充，学生只要能自圆其说或是能够讲得头头是道都是回答正确。对于抽象性和概括性强的内容，为了让学生“看得见，摸得着”，可引导同学们通过案例，让学生听得懂，启发学生深入思考。最后可让小组外的同学为本小组同学打分，同学代表和教师分别点评。每个小组整个过程时间控制在20分钟左右。教师作为引导者，要尽可能创造让更多的学生广泛参与的机会，锻炼学生口头表达能力，调动学生思考问题的积极性、主动性，激发学生内在的学习动力和参与热情，培养学生的创新意识。

3.课程辩论赛教学法

课程辩论赛与通常意义上的辩论赛不同，它主要体现了课程和教学特点，内容为主，形式为辅，所以我们将课程辩论赛简化为三个环节：立论陈词、自由辩论、总结陈词。每位辩手需遵守“重在辩”的精神，赛前做好充分准备，辩论过程中要求每位辩手均发言，发言口齿清晰，思维敏捷，尽量脱稿。为了让更多的学生参与进来，课程辩论赛正式队伍由六人组成，可以有两名替补队员，报名采取学生自愿的原则。教师鼓励班级其他同学为自己所在“方”收集相关资料，依据提供资料的价值大小为学生打平时分，这样可以让班里所有的同学都参与进来。为了更好地锻炼学生各方面的能力，我们将整场课程辩论赛的组织服务工作交给班级学生自己承担，由教师在班上指定一名班干部负责，其他同学协助，主要负责比赛计时计分统分以及比赛的影像资料留存、宣传报道等工作。如果条件允许，教研室各位老师所带班级之间也可以进行课程辩论比赛，成为全校学生参与的活动。实践证明，课程辩论赛为学生营造了自由探索、独立思考、团队配合的教学氛围，学生参与热情很高，同时，锻炼了大学生运用基本原理分析、解决问题的能力，增强了学生抵制各种错误思潮的能力，提高了大学生的思想水平。

4.实践教学法

此教学法是通过读书小组、社会调查或与学生党团活动结合等形式完成的。在教师指导下组建马克思列宁主义理论学习读书小组，给学生列一些相关的参考书，让学生利用业余时间读书，激发大学生学习理论的热情，加强学生之间的思想沟通；或组织学生利用寒暑假、节假日、双休日开展社会实践活动，参观访问或社会调查，低年级学生可以开展一些参观活动、服务活动，中高年级同学可以开展一些社会调查、难点问题调查等活动；或把相关理论的学习与学生党团活动的主题结合起来，实现课堂教学的延伸。实践教学结束后，可让学生写论文或实践报告，用理论联系实际的方式强化学生对原理的学习。通过实践教学法可以让学生获得直观的感性认识，让学生从具体的问题和事实的感性认识上升到抽象理论，增加说服力和吸引力，加深学生对基本原理的理解和学生对基本理论的认同感；同时，可促进学生深入认识社会，将所学知识更好地服务于社会。

三、教师高超的教学水平和教学艺术是“以学生为中心”教学方法实施的保障

虽然提倡“以学生为中心”教学方法，但不能少了教师在整个教学过程中的主导地位。教师如何在潜移默化中让学生接受“原理”知识并运用于实际生活中，很重要的一个保障条件在于教师高超的教学水平和教学艺术。一是教师在坚持正确政治方向前提下应有系统的理论知识作支撑。新教材的课程内容经过了高度整合，其理论容量之庞大、任务之艰巨都是空前的，所以要求教师具有广博而系统的知识储备和良好的研究能力，一专多通，在吃透教材的基础上，尽量脱稿讲授，用大众化、通俗化的语言表述深奥的基本原理，熟练地把教学与当前国际国内关注的重大现实问题结合起来；把教学与市场经济条件下学生的人生观、价值观、道德观教育结合起来。二是教师应关注学生的情感需求。理论课教师与其他课程相比承载着更加重大的育人使命，在教学当中更应该关爱、体贴和帮助学生，建立一种平等、民主、互相尊重、互相学习的新型师生关系，创造一种情理交融的学习氛围。“亲其师”然后“信其道”，学生乐于接受教师所讲的道理，就可以从学习中获得积极的情感体验。三是教师要有一定的组织、协调能力和总结能力。教师组织、协调工作做得好，学生的兴趣就会被激发，感觉很自信，就乐于参加教学。在教学活动开始前，教师要做好学期的整体准备和每节课的准备。在教学过程中，通过一定的激励机制，如人格激励、分数激励等，或把高年级较好的做法展示给他们，用好班干部，让学生积极主动参与教学活动。另外，教师要善于总结，在每次课上完后总结，针对课堂讲授后学生的反馈和教师的现场感受，找出不足之处，记录下来，下次予以改正；一个学期结束后也要总结，对反响好的部分继续保留，对教师讲授时“底气不足”、学生反馈平平的部分结合学生实际情况更换教学方法和内容，重新修订与完善。

“基本原理概论”的内容是既定的，但其教学法的研究却是无穷的、动态的。不断拓展、创新教学方法，最大限度调动和发挥学生学习的主体性，让学生学会熟练地运用基本原理知识分析和解决思想、工作、学习和生活中遇到的各种困惑是我们不断追求的目标。

参考文献：

［1］ 王国炎，等.中国化与大众化［M］.南昌：江西人民出版社，2009.

［2］ 冯刚.高校大众化研究报告（2009）［M］.北京：光明日报出版社，2009.

［3］ 陈占安.搞好思想政治理论课教学必须坚持以学生为中心［J］.教学与研究，2004，（11）：7-9.

篇3

ABAQUS是一套功能强大的工程模拟有限元软件，其解决问题的范围从相对简单的线性分析到许多复杂的非线性问题。被广泛用于土木工程专业领域的科学研究和工程设计。许多高等院校也争相开设ABAQUS有限元课程，一些学者也将ABAQUS有限元软件用于教学研究工作，得出了很多有益的成果［1-4］。将有限元ABAQUS软件用于《混凝土结构基本原理》课程的教学具有以下优势:

1)直观化教学，有利于学生对混凝土结构基本理论知识的理解。比如在讲授混凝土材料的抗压强度时，学生很难理解为什么混凝土抗压强度远低于砂浆和骨料任一单一材料的强度。其原因可从混凝土受压破坏的机理来分析。由于水泥、水、骨料组成的混凝土，在硬化过程中水泥和水形成的水泥石与骨料粘结在一起。凝结初期由于水泥石收缩、骨料下沉等原因，在水泥石和骨料之间的交界面上形成微裂缝。在外力作用下，微裂缝将有一个发展过程，混凝土的破坏过程就是裂缝不断产生、扩展和失稳的过程。这些过程无法直观观测到，只能通过超声波、X光、电子显微镜进行直接或间接观测。引入有限元软件后，这些问题就能得到解决。图1就是通过有限元软件数值模拟了混凝土材料内部微裂缝在荷载作用下扩展、贯通破坏的全过程，形象直观，有利于学生们对混凝土结构抗压强度概念的理解，也增强了学生的学习兴趣［5，6］，通过指导学生建立混凝土有限元模型和对模型进行数值模拟实验，能够提高学生的动手能力，学习掌握有限元基本概念和软件操作，为学生今后从事混凝土领域的科学研究工作打下基础。

2)部分替代混凝土构件承载力实验，具有一定的经济效益。《混凝土结构基本原理》课程中轴心受力构件承载力方程、受弯构件正截面承载力方程、受弯构件斜截面承载力方程等均是通过对钢筋混凝土构件的承载力实验破坏现象、特征规律和材料的破坏程度等进行一定的理论分析得到，因此《混凝土结构基本原理》课程的教学离不开钢筋混凝土构件的承载力实验。通过实验过程中钢筋混凝土构件的设计、制作和受力全过程的实验，对构件承载力、刚度和裂缝进行测定，并对破坏形态进行观测等工作，进一步加强了学生对钢筋混凝土构件受力性能、承载力计算理论、裂缝及变形性能的理解，初步掌握结构实验测量数据的整理和分析，提高了实验分析报告的撰写能力。根据笔者对多个大专院校《混凝土结构基本原理》课程教学的调查分析，鉴于实验条件和学时限制，大多数院校所开设的实验项目较少，仅开展了钢筋混凝土适筋梁正截面破坏的受力全过程实验、钢筋混凝土梁斜截面剪压破坏的受力全过程实验和大偏心受压构件正截面破坏的受力全过程实验。对于钢筋混凝土少筋梁、超筋梁正截面破坏的受力全过程实验;钢筋混凝土梁斜截面斜压破坏、斜拉破坏的受力全过程实验以及小偏心受压构件正截面破坏的受力全过程实验并未开设。个别院校未开设任何混凝土构件承载力破坏实验，仅通过观看实验录像了解混凝土承载力破坏现象。由于缺乏混凝土构件承载力破坏实验，学生对混凝土构件的承载力基本原理与钢筋设计计算方法理解不透彻，教师在授课时也感觉底气不足。然而如果大面积开展混凝土构件承载力实验又是不现实的。首先经济投入大，成本高。混凝土构件承载力破坏实验需要有加载装置、测试仪器及制作构件等费用，需要几十万的经费投入，同时要有相关的场地及人工成本。另一方面，《混凝土结构基本原理》课程的学时有限，目前课程普遍为64学时，如果在混凝土结构实验方面投入太多学时，就会出现《混凝土结构基本原理》理论知识学时不够的难处。因此采用有限元软件对混凝土构件破坏发展过程进行数值模拟实验，并且可以重复性观看，使学生获得更多的混凝土知识，取得较好的经济效益。数值模拟实验研究，在某些方面可以取代或优于实验室实验研究［7，8］。

2ABAQUS有限元软件在《混凝土结构基本原理》课程教学中的应用案例

混凝土材料的强度尺寸效应是指混凝土强度随着结构体积的增大而降低的现象。该理论是《混凝土结构基本原理》课程教学中的难点，学生往往很难理解混凝土材料的强度尺寸效应现象。如果采用试验教学，经济投入高且占用学时。为此我们在《混凝土结构基本原理》课程中引入新的教学手段。借助于ABAQUS有限元软件，建立不同体积的混凝土立方体、棱柱体有限元仿真模型，开展了直接拉伸和压缩荷载作用下的混凝土强度尺寸效应的数值模拟。图2为边长150mm，250mm，350mm和450mm的立方体混凝土细观力学模型，开展立方体单轴拉伸数值实验，测得了不同体积混凝土试件模型的抗拉强度，如表1所示。

3结语

篇4

关键词：聚合物分散液晶；微滴；双折射；雾度；透光率

中图分类号：TP391 文献标识码：A

引言

聚合物分散液晶（PDLC：Polymer Dispersed Liquid Crystal）膜是20世纪80年明的高科技产品，在调光玻璃，大屏幕显示，全息光栅，可调滤波器，可调衰减器等很多领域已经有实际应用[1～10]。此外由于是固态膜，使液晶的防泄和膜厚的控制很方便，有利于制作大面积或可弯曲的柔性显示器，因此在未来一代显示器――电子纸的研制中也占有一席之地。

PDLC膜是把预聚物与向列相液晶及衬垫料以某个比例混合起来，夹在两片柔性透明导电薄膜之间，经过相分离法（Phase Separation Method）制得，一般为聚合相分离法（Polymerization Induced Phase Separation-PIPS）、热致相分离法（Thermally Induced Phase Separation-TIPS）、溶剂蒸发引发相分离法等（Solvent Induced Phase Separation- SIPS）。液晶从聚合物中析出形成微滴，聚合物固化把液晶微滴包裹在其中的一种复合膜。其工作原理为：不加电场时，无规则分布于聚合物材料中的液晶微滴的指向矢自由取向，此时由于液晶的寻常光折射率no与聚合物的折射率np不匹配，所以微粒对光有较强的散射作用，PDLC外观呈现不透明或半透明乳白状，此时处于"off state"（关态）；当施加外电场作用后，由于正介电各向异性，所以液晶微粒的指向矢将沿外电场方向排列，如果液晶的寻常光折射率no与聚合物的折射率匹配的话，光可以通过PDLC膜，从而PDLC膜将呈现透明状，此时处于"on state"（开态）。若撤去外电场作用，则膜又恢复到"off state"。

液晶微滴中液晶分子的排列形态对PDLC膜的性质有很大影响，本文用光学基本原理来讨论液晶微滴中液晶分子的不同排列方式和液晶微滴的折射率的关系，并介绍了表征PDLC膜散射本领的重要参数的雾度概念及其测试方法和表征透光本领的重要参数的透光率的概念及其测试方法。

1PDLC膜的光学特性

PDLC膜液晶微滴中液晶分子排列有几种方式，如轴向平行排列（Axial），辐射状径向垂面排列（Radial），西瓜状双极沿面排列（Bipolar）以及其他一些可能排列，这三种构形对应着不同的双折射率，如图1所示。

PDLC膜的原理是不加电场时聚合物与液晶微滴的折射率不匹配，造成光散射；施加电场时聚合物与液晶微滴的折射率相匹配，造成光透射。要使散射增强，聚合物与液晶微滴的平均折射率相差越大越好，液晶微滴尺寸越小越好，微滴中液晶分子排列在辐射状径向垂面排列或西瓜状双极沿面排列。要使透射态更亮，聚合物折射率np与液晶微滴的折射率no相差越小越好，液晶分子转向电场方向，一定是处在轴向平行排列的方式。

2结论

影响PDLC膜光学性质的因素诸多,其关断散射态的雾度与膜的薄厚、液晶与聚合物的混合比、制备工艺过程、液晶微滴中液晶分子排列方式等因素密切相关；开通透光态的透光率与液晶折射率和聚合物折射率的匹配程度、聚合物与液晶微滴界面相互作用，即锚定强度，及驱动电压等因素密切相关。充分认识上述PDLC膜液晶微滴中液晶分子排列方式与液晶折射率的关系的光学特性，对于制备出关断散射态很白而开通透明态很透亮高对比度的PDLC膜具有一定的理论指导意义。表征PDLC膜关断态散射本领的重要参数是雾度，一般PDLC膜关断态的雾度值H(%)＞75；表征PDLC膜开通态透光本领的参数是透光率，一般PDLC膜开通态的透光率T(%)＞75。

参考文献

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

[2] 王新久.液晶光学和液晶显示[M].北京:科学出版社，2006:150-152, 182-184, 297-305.

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[4] 王庆兵,田颜青,高岩,孙睿鹏,黄锡珉.聚合物分散型液晶薄膜中折射率匹配的优化[J].现代显示，1997(2):15-17.

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[6] 王鸣哲，白如科，邹应芳等.聚合物网络分散液晶复合膜的制备与性能研究[J].功能高分子学报，1997(12):449-455.

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[10] 于天池，范志新，张翠云，李婧.聚合物分散液晶增强散射理想模型[J].光学学报，2008(9):1757-1760.

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化工单元操作是实践生产过程的总结和提炼，在教学过程中，注意联系生产、科研中的成功或失败的案例，同时穿插日常生活中的丰富、生动的流体流动、传热及传质的实例，加深对基本理论的理解，并灵活应用所学知识，分析和处理工程问题，以具体的实例和逼真的动画素材贯穿于各单元操作的介绍；把抽象的内容转化为形象的信息，激发他们的学习兴趣，将丰富的实践案例渗透在理论教学中，适时开展“启发式”和“讨论式”教学，加深学生对化工单元的理解，提高他们的理论联系实际分析问题的能力，使学生在潜移默化中树立工程观点。

2对比、归纳教学方法

《化工原理》不同于理论基础学科分析和逻辑推理，它注重于工程实际应用，掌握好各单元操作知识和理论，有助于更好解决生产和生活中实际问题，教学中抓住“传递过程原理”和“处理工程问题的方法论”两条主线，引导学生掌握和运用对比、归纳等学习方法，加深对知识的理解和融会贯通。在动量传递、传热和传质三传过程中，微观上是流体分子运动的结果，流体分子之间存在作用力，直接影响流体分子运动效果。宏观上根据流体形态，把流体传递划分为层流传递和涡流传递，采用相同微元平衡法来研究动量，热量和质量的传输过程。对于层流传递，大都采用解析方法；而涡流传递则采用实验方法(量纲分析)。比较吸收中的最小液气比与精馏中的最小回流比，我们发现它们都是操作线与相平衡线相交，通过解出操作线的斜率，求解得到最小液气(或回流)比，在实际化工生产过程，采用液气(或回流)比都是最小液气(或回流)比1.1~2.0倍。再比较传热的对数平均温差与吸收的对数平均推动力，我们也发现它们都是两种不同状态流体采用逆流进行传热或者传质，因为采用逆流方式进行传热或传质推动力最大，在干燥单元操作中，物料与空气接触也是通过这种逆流方式进行传热和传质。在讲解单元操作过程中时，通过对比的不同单元操作的知识点，学生容易抓住了实际工程问题内在因素相互联系和统一，把复杂问题简单化，能启发学生运用理论解决工程类似问题。

通过归纳总结，各单元操作根据现象和过程的物理机理，以能量平衡(或相平衡)、物料衡算为起点，逐次展开原理和公式、操作性和设计性计算、设备构造以及影响因素分析等内容，计算、设备构造、影响因素又以基本原理和公式方程为依据，环环相扣，层层推进，显示出相似的研究方法。但三传各单元操作之间并不是简单的重复，而是各操作单元重点特点各异。要求学生每学完一章(或一个单元操作)之后，要运用简练的文字和公式，把该章节的基本理论、主要公式及设备和工程应用等主要内容联系起来，使知识系统化。如流体流动可通过连续性方程、机械能衡算方程和阻力方程三个主要关系式把流体流动的基本原理及相关的计算公式有机地构成一个知识网络。同样地，传热章节内容可通过总传热速率方程和热平衡方程有机地贯联起来。教学过程中除了教授学生掌握化工原理知识方法，更要引导和启发学生综合运用所学理论知识分析解决实际化工问题能力培养。例如，在离心泵理论压头公式推导过程中，叶轮前弯利于得到高的理论压头，流体可以获得较高动能，动能所占比例增大，但在转化为静压能过程中，会有比较大的机械能损失，使泵的效率降低，所以离心泵采用后弯叶片，而风机主要要求送气量大，不追求效率，用前弯叶片利于减少叶轮和风机的直径。

3通过课程设计，增强学生工程观念

化工原理课程设计是培养学生的运用有限的理论解决实际工程问题的教学环节，在设计时首先要从操作基本原理考虑可能性，知道解决工程问题的方法有多种，其次运用公式方程进行设计性计算来分析技术上的可行性，在运用书上的公式中，进一步加深学生对公式出处和用途的理解，计算过程中对有些数据的选取，只能依据工程经验值范围和趋势去判断，结果肯定有一定程度的误差，这些又直接影响后续具体设备的选型。这就需要学生进一步从运行效益上考虑操作费和设备费的合理性，最后还需学生从安全和环保方面来考虑具体设备的选型。这些都要求学生对所学知识充分理解，对实际工程问题的要深层次了解，方方面面进行分析，从多方面考虑中筛选出最佳方案。通过课程设计的训练使学生进一步完善和加深理解所掌握的理论知识，培养学生在实际中研究、分析、解决问题的能力，巩固学生全面分析和解决工程问题观念，达到化工原理课程设计创造性和工程性的教学目的，为学生综合和创新解决实际问题能力的培养打下了基础。如精馏塔设计中，适宜回流比确定是个关键问题，需要从操作原理，技术、经济等方面来考虑影响因素，才能优化精馏塔设计方案。

4结语

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Energy Autonomous Micro and Nano Systems

2012，384p

Hardcover

ISBN9781848213579

Marc Belleville等

自给能量系统指的是在无外接电源情况下，依靠自身获取的外界能量可以正常运行的系统，通常包括传感器或执行器、能量收集和转换器件、信息存储与处理以及无线通讯单元。自给能量微纳系统是指可以自己供给能量的微纳系统。美国伯克利大学研究的著名的“智能尘埃”就是其中的一个典范。随着微电子技术迅速发展，各种芯片的功耗不断降低，能量收集、转换和存储技术的不断提高，使得自给能量微纳系统的实现变成可能。

本书介绍了自给能量微纳系统面临的挑战和最新的技术，前三章主要引入自给能量系统的应用前景，为引入后续的技术章节做了很好的铺垫，技术章节几乎涵盖了所有与自主系统相关的内容，并且讲述了与电子学相关的物理、材料和技术，共包括13章：引言，介绍自给能量微纳系统和本书的内容框架；1.建筑物控制核心的传感器，主要讲述了建筑物控制中传感器类别和新需求，并介绍了应用案例；2.面向自给能量医学植入器件，主要讲述了自给能量医学植入器件现在以及潜在的应用；3.航天领域中的自给能量系统，主要说明了航天领域中自给能量系统的特征，并从无线系统和生存系统方面进行分析；4.基于光伏效应能量收集，主要讲述了基于光伏效应的能量收集技术—光伏电池；5.机械能量收集，讲述了机械能量收集的能源来源以及各种原理，并对机械能量收集的未来进行展望；6.热能收集，讲述了热能收集原理、发展趋势以及实现限制和优化；7.锂微电池，锂微电池发展现状以及小型化的发展趋势，并讲述了锂微电池在自主系统中的应用；8.超低功耗传感器，讲述了电路一些基本概念，详述了电容传感器检测电路最新进展，讨论了电阻传感器超低功耗检测的实现方法；9.自主系统的超低功耗信号处理，讲述了自主系统的超低功耗信号处理方法，处理器的构架和性能，以及长期休眠自主系统的基本挑战；10.超低功耗射频通讯及协议，讲述了超低功耗射频通讯及相关通讯协议，并对目前处于研究阶段的解决方案进行分析；11.自主微系统中的能量管理，讲述了自主微系统中能量管理的实现方法，并讨论了能量优化管理技术；12.传感器网络能量效率优化，从软硬件两个方面讲述传感器网络中能量效率优化的实现方法。

本书详细综述了自给能量微纳系统领域中的基本原理和最新进展，深入研究了自给能量微纳系统在航空健康和使用监测、医疗植入器件以及家庭自动化中的应用，介绍了光伏、热和机械能量收集与存储技术的发展现状以及最新成果；综述了超低功耗传感器接口，数字信号处理和无线通信的最新研究状况，并讨论了传感器节点和传感器网络层次上的能源优化技术，适合从事自给能量微纳系统研究的研究生、研究人员以及专业人士阅读使用。

作者Marc Belleville教授于1980年获得格勒诺布尔国立理工学院博士学位，1985年加入CEALETI，现在是微纳米技术创新中心（MINATEC）的体系结构、IC设计和嵌入式软件事业部的研究总监和首席科学家，研究兴趣集中在设计和先进技术（例如SOI、异构或3D设计）之间的相互作用，是CARTENE科学委员会两个工作组：“能量自治系统：设备、技术和系统未来发展趋势”和“面向超越2015：技术、设备、电路和系统” 的活跃成员。

杜利东，助理研究员

（中国科学院电子学研究所）

篇7

关键词： MEMS； 海洋湍流传感器； 惠斯通电桥； 风洞实验

中图分类号： TN61?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2016）01?0137?03

海洋湍流[1?2]对整个海洋系统是非常重要的，影响着海洋生产力、生物种群的分布和海洋能量传递[3?5]。目前常使用的海洋湍流传感器是加拿大SPM系列和德国的PNS系列剪切流传感器，它们主要由压电陶瓷作为主要的传感器元件[6]。随着人们对海洋观测技术的不断发展，MEMS技术也逐渐进入海洋观测技术研究领域[7]。MEMS传感器是采用微机械加工技术制造的新型传感器，随着微电子技术、集成电路技术和加工工艺的发展，MEMS传感器以体积小、重量轻、功耗低、可靠性高、易于集成等特点，迅速在消费电子产品、汽车工业、机械和化工等各领域得到应用[8]。海洋湍流也是物理海洋的重要研究方向，对海洋湍流的观测离不开传感器的应用，因此，应用MEMS的优点设计MEMS海洋湍流传感器。本文介绍了MEMS海洋湍流传感器芯片测量基本原理，重点对传感器芯片进行试验研究。

1 传感器芯片的基本原理

传感器芯片采用压阻式的设计，基本结构如图1所示，它由中央硅膜、敏感梁和支撑基构成梁膜结构。敏感梁作为主要敏感部位，上面布置一个惠斯通电桥[9]。当外界响应作用于中央硅膜时，使中央硅膜产生形变，从而带动敏感梁发生形变。这种形变使得布置在敏感梁上的惠斯通电桥的电阻变形从而发生电阻变化，打破惠斯通电桥的平衡状态，输出电压信号。图2是由MEMS传感器芯片制作的实物。

2 传感器芯片的测试实验

2.1 风洞实验

实验的主要设备有供电电源、传感器、万用表、鼓风机以及传感器的采集电压设备，采集设备使用的是National Instruments 公司的PXle?6368采集卡，分辨率为16位，输入阻抗是100 GΩ。图3是实验现场的照片，可以清楚地看到实验设备的放置。风洞实验中采取两种测试方式：第一种是有风无风交替时对MEMS传感器和剪切流传感器作用的实验；第二种是不同风速下对MEMS传感器作用的实验。

第一种有风无风交替时对MEMS传感器和剪切流传感器作用的实验步骤：

（1） 设置NI采样频率为1 kHz，采集30 s（30 000个电压值）。

（2） 在30 s内，开始先堵住出风口，让风无法通过剪切流传感器和MEMS传感器的时间为5 s。

（3） 然后打开出风口5 s，让剪切流传感器和MEMS传感器有风通过。

（4） 剪切流传感器和MEMS传感器无风通过5 s后再让剪切流传感器和MEMS传感器有风通过5 s。

（5） 30 s后记录完整输出电压。

图4是MEMS传感器与剪切流传感器有风无风时交替实验对比结果，图中上方是剪切流传感器，下方是MEMS传感器。从图中可以明显看到有风和无风时两种传感器输出电压的变化。从实验结果可以看出MEMS传感器有着良好的特性，当外界激励作用于传感器时，传感器输出响应有着明显变化。

第二种是不同风速下对MEMS传感器作用的实验步骤：

（1） 实验器材放置与图3相同，设置NI采样频率为1 kHz，采集3 000个电压值。

（2） 调节不同风速的大小，用NI采集不同风速下MEMS传感器的输出电压值。

（3） 将记录的数据画成横轴为风速，纵轴为电压的图像。

在每一种风速下MEMS传感器输出电压值有3 000个值，把3 000个值用下式的方法拟合成一个值。其中[U1，U2，…，Un]代表3 000个电压值的每一个电压值，[U]代表3 000个电压值最后的计算结果。

[U=U21+U22+…+U2nn，， n=1，2，…，3 000]

每一种风速下3 000个电压值使用上式计算得到的电压值与风速画成的曲线如图5所示，并对实验数据做了三次多项式拟合[10]，把实验数据拟合成曲线。从图中可以得知拟合的曲线平滑而且比较线性。

2.2 水下实验

为了测试MEMS传感器水下的性能，设计了在恒流速水槽中的实验。实验主要设备有供电电源、传感器、万用表、恒流速水槽、流速计以及传感器的采集电压设备，采集电压设备使用的是National Instruments公司的PXle?6368采集卡，采集卡的分辨率为16位，输入阻抗是100 GΩ。图6是MEMS传感器在恒流速水槽中的实验照片。在水下实验中水中静态实验即在0 m/s流速下MEMS传感器的输出响应和动态实验。

动态实验步骤为：

（1） 调整流速，设置NI采样频率为1 kHz，采集30 s（30 000个电压值）。

（2） 在30 s内，开始先让MEMS传感器不放入水中的时间是5 s。

（3） 然后把MEMS传感器放入恒流速水槽，使水流对传感器产生的响应时间是5 s。

（4） MEMS传感器拿出恒流速水槽的时间是5 s。

（5） 30 s后记录完整的输出电压。

图7是MEMS传感器在流速为0 m/s与0.192 m/s下传感器的输出电压对比，两种流速下电压幅值的差值很明显，用式（1）的计算方法对两种电压进行计算可以得出两者差值是75.6 mV。从图8中可以明显得知在有水流和没有水流对MEMS传感器输出电压的响应，并且在0.219 m/s时的电压峰峰值大于0.192 m/s时的峰峰值。因此，MEMS传感器在水中性能良好，设计的实验方案能够得到预期的结果。

3 结 语

MEMS传感器通过梁膜的结构运用压阻的方式实现外界对传感器的响应变化。通过在风洞实验中有风无风交替对MEMS传感器和剪切流传感器作用的实验和不同风速下对MEMS传感器作用的实验，很好地验证了传感器的性能，并且在恒流速水槽中进行水下实验，验证MEMS传感器的水下性能。通过以上实验证明了MEMS传感器具有良好的基本性能。

参考文献

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

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

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

[4] 魏皓，武建平，张平.海洋湍流模式应用研究[J].青岛海洋大学学报，2001，31（1）：7?13.

[5] 赵亮，魏皓.渤海垂直湍流混合强度季节变化的数值模拟[J].青岛海洋大学学报，2001，31（3）：313?318.

[6] 董叶梓，张鹏，张锁平.MEMS传感器技术及其在海洋观测中的应用[J].信息技术，2013（4）：141?144.

[7] 谷磊.海洋微结构剪切流传感器及其载体设计方法与实验研究[D].天津：天津大学，2011.

[8] 王淑华.MEMS传感器现状及应用[J].微纳电子技术，2011，48（8）：516?522.

篇8

关键词:ADCP技术；水文测验；基本原理；结果分析

中图分类号：P331 文献标识码：A 文章编号：

1引言

水文流量测验作为城市水文工作的重要内容，是我国城市一项重要的基础性工作，在促进水利规划、防汛抗洪和水资源合理利用等方面发挥着不可替代的作用，与此同时业界人士对于城市水文流量测验工作的质量也提出了更高的要求。目前，传统的流速仪由于存在测量效率较低、测量结构不准确等缺点，在发生特殊水情的情况下，无法满足城市水文流量测验的要求，在一定程度上制约了水文站管理人员决策的可靠性。而ADCP技术作为近年来发展速度较快的一种新型技术，具有测验历时短、效率高、精度高和成本低等优点，能够较好弥补流速仪的不足之处，降低水文站工作人员的测量压力，并解决水文流量测验中存在的一些工作难点。本文通过探讨ADCP在水文流量测验工作中的比测研究，以期确保ADCP测验的水深、流速和流量等指标能够满足水文站的要求。

2 ADCP基本原理

ADCP测量水流速度是采用多普勒声学原理，基于两个基本假定:①浮游物是随水流运动且流速相同;②四个波束测同一个流速矢量。

测量时ADCP向水中发射固定频率的声波短脉冲，这些脉冲波碰到水中的散射体(浮游生物、泥沙等)将发生散射，根据散射体返回的声波频率变化计算出流速、流向。数据采集模式为底部跟踪。当底部流沙浓度较大而造成底部不稳定时，可用GPS校正底部移动，外部罗经校正流向。流量计算分五大部分，即中层(实测区)、表层、底层、左岸边和右岸边(盲区)的流量推算，其流量计算公式分别为:

式中:

Qt、Qm、Qr、Qb、Qd、Qσ一分别表示总流量和中层流量、表层流量、底层流量、左岸边流量、右岸边流量;

Vxm和Vym一中层平均流速的X和Y方向分量;

Vbx和玛Vby一X和Y方向的测船速度分量;

Vxt和Vyt一表层平均流速X和Y方向分量;

Vxb和Vyb一底层平均流速X和Y方向分量;

Z2和Z1一河底至最后一个有效单元下边界的高度和河底至第一个有效单元上边界的高度;

t一呼集合(对应于微断面测验采样)时间平均步长;

H和m一微断面处水深和微断面总数;

Aal、Aar;左、右岸边区域面积;

al、ar;一左、右岸边流速系数;

Vml和Vmr一起点微断面和终点微断面平均流速。

ADCP法的测验方式与传统的流速仪法不同，它是随作业船运动过程中进行测验，且作业船航行的轨迹可以是斜线或曲线。ADCP测流软件不是直接根据面积和流速来计算河道流量，而是先计算每个测流水深单元的水流速度和船速矢量叉乘积，再对每个测流单元的流量沿河宽累加。

3比测情况

3.1比测断面概况

某水文站流域面积为1523041kmZ，测验河段上、下游均较顺直，左岸堤边有浅滩，右岸为石砌护岸防洪墙。流速仪测流断面河床大部分为沙土组成，在中低水期主乱在800～1300m之间，流速横向分布与断面形状基本相应，高洪水期在起点距15Om～510m之间流速较大，使断面流速横向分布呈马鞍型，形成两个主乱，汛期出现大洪水后，断面冲淤变化较大。

3.2采用设备

因水文站的河床组成导致左岸冲淤变化大，ADCP“动底”现象严重，底跟踪施测流量明显出现偏小现象，而且是铁质测船，在比测时采用高精度差分GPS和外部罗径的GGA组合方式来解决测船运动速度和流量计算，解决了因“动底”(底跟踪施测船速不正确)引起的流量偏小。根据ADCP安装环境和断面实际情况，采用ADCP、差分GPS和GPS罗经构成ADCP测流系统。

(l) ADCP

测验使用声学多普勒流速剖面仪是RD Instruments公司研究和制造的骏马系列瑞江牌600kz的ADCP，测流软件采用Win River Version1.04。

(2)GPS

GPS选用的是美国SDS公司生产的NAV-COMSF-2O5OG双频星站差分GPS，单台定位精度优于15cm，l0HZ GGA数据格式输出。

(3)罗经

外部罗经采用的是泰雷兹导航定位公司的3011 GPS罗经仪，是一种拥有2个GPS天线，同时从每个天线接受多达12颗卫星的信号来快速计算出一个天线相对于另一个天线的位置，提供0.5度定向精度(分辨率为0.5度、10HZ数据输出)的数字化罗经。

3.3比测方法

3.3.1断面流量

在各水位(流量)级和不同的来水来沙条件下进行比测试验，以确定ADCP在该站适用的水位(流量)级范围。并与转子式流速仪法流量进行比较。分析ADCP与转子式流速仪法两种资料系列间的误差。由流速仪法实测流量与ADCP 计算的断面平均流量进行对比，按照《水文资料整编规范》要求进行精度分析、3种检验，分析成果见表3，结果显示，系统误差达标，3 种检验均通过。流量比测统计如表1所示。

表1 流量比测统计

ADCP 在水文流量测验中， 充分显示了该仪器的先进性， 有着与常规流速仪无法比拟的优势。

3.3.2测点流速

在垂线上按测点方式对将ADCP与转子式流速仪(流速流向仪)比测，推求确定不同流量级垂线流速分布与推求插补模型(幂指数或常数)，并且分析摘录测点流速的精度。

3.3.3特征值比较

最大流速、最大水深、边界流量等特征值的比较。

3.4比测范围

该水文站采用走航式ADCP与常规流速仪法共进行了40次断面流量、96条线垂线和480点测点流速比测。各要素比测范围见表2。

表2 ADCP与转子流速仪比测范围表

4精度分析

考虑转子式流速仪已经形成了较长系列的水文资料，所以本次ADCP比测的误差统计以常规流速仪法测验成果为“真值”，利用数理统计方法和公式，统计或估算各项比测误差。

首先, 用现流量测验规范的方法, 在水文测验断面根据事先布设好的流量测速垂线借助水文缆道, 采用常用的流速仪一点法( 0.6) 进行流量测验, 作为已知真值以便和ADCP的测验值进行比较； 然后在水位无变化的情况下借用水文缆道, 运用双测回的方式, 并根据规范规定剔除单次测验超出 +5% 仪器测验误差的测回流量, 剔除后追加测回, 取其平均值作为一个样本。比测实验提取了不同水位情况下33 份同步流量测验资料, 点绘相关关系图(见图1 ), 相关关系达0.9867, 率定出走航式ADCP 与流速仪法(真值) 之间的折算系数1.0007。参照单次流量测验允许误差, 依照规范二类精度的站, 高水控制在6% , 中水控制在7% , 低水控制在10% 的范围内。该比测的系统误差为-1.36%, 在-2% ～1%范围内, 允许误差指标应满足GB50179- 93的规定, 误差符合测验精度的要求, 其折算系数可以作为选用断面处ADCP进行流量测验时使用。

图1 ADCP与流速仪测验流量相关关系图

4.1流量

断面流量比测40次，其各项特征值统计结果见表3。

表3流且测验特征值精度统计表

从表2中可看出采用BTM模式的相对标准差为8.83%，系统误差-7.26%;GGA模式相对标准差为1.47%，系统误差1.46%。

4.2测点流速

测点流速比测32次，共比测480点，将ADCP的BTM、GGA流速分别与流速仪法流速单独进行误差统计，见表4。在GGA模式下相对标准差为7.86%，系统误差-0.70%。但在BTM模式下相对标准差为15.62%，系统误差-12.28%，随着流量增大BTM模式下施测的流速偏小越来越大，其误差随着增大。

表4测点流速精度统计表

4.3最大流速

将ADCP的摘录最大流速与转子式流速仪法进行误差统计，见表5。ADCP的最大流速与流速仪法相对标准差为6.87%，系统误差20.86%，偏大的原因是ADCP挑选的最大流速不在流速仪法的垂线位置上，比较没有可比性。但ADCP四次的最大流速与其平均值统计，相对标准差为3.52%，系统误差-0.05%，说明四次挑选结果基本是一致的。

表5断面最大流速精度统计表

4.4平均水深和最大水深

通过对32次ADCP流量测验的平均水深和最大水深统计比较，平均水深相对标准差为1.8%，系统误差1.1%，最大水深相对标准差为1.2%，系统误差0.2%。

5结束语

通过探讨ADCP在水文流量测验工作中的比测研究可知，水文站流量断面在超过20000m3/S时，来自河底床面泥沙运动的速度会导致水文流量测验结果不准确。因此，水文站需要配备高精度的星站差分GPS和GPS罗经，以解决因“动底”产生的船速失真，从而确保水文流量测量的准确性，为水文站的决策提供科学的指导。

参考文献

篇9

QCM（Quartz Crystal Microbalance）是由AT切石英晶体片和镀在其上下表面的金属电极构成的一种谐振式传感器。其结构如图1所示。QCM作为微质量传感器具有结构简单、成本低、振动Q值大、灵敏度高、测量精度可以达到纳克量级的优点，被广泛应用于化学、物理、生物、医学和表面科学等领域中，用以进行气体、液体的成分分析以及微质量的测量、薄膜厚度的检测等。根据需要，还可以在金属电极上有选择地镀膜，进一步拓宽其应用。例如，若在电极表面加一层具有选择性的吸附膜，可用来探测气体的化学成分或监测化学反应的进行情况。因传感器等。随着生物科学的蓬勃发展，QCM作为基因传感器在生物领域的应用有着广阔前景。

在国外，QCM在气相中的应用已经相当成熟，近几年，对液相中的QCM应用的研究也取得了很大进步，并且已经出现了很多商品化的产品，但是它们的价格非常昂贵。国内的相关研究相对较少。本文提出了一种基于DSP的QCM信号在线采集系统。该系统主要由高频信号发生器、QCM传感器和信号采集处理部分组成，结构简单、成本低。借助DSP强大的数字信号处理功能，实现了在线测量，并且保证了较高的测量精度。

1 QCM测量原理

石英是具有压电性质的物质之一，当外加交变电压的频率为某一特定频率时，石英晶片振幅会急剧增加，这就是压电谐振。

1959年Sauerbrey在假定外加持量均匀刚性地附着于QCM的金电极表面的条件下，得出了QCM的谐振频率变化与外加质量成正比的结论。即：

式中，Δf为QCM谐振频率的变化；f0o QCM的基频；c66为石英的辰电强化剪切模量；pq为石英的密度：2.65lg/cm3；A为金电极的面积；Sf为传感器的灵敏度；Δm为电极表面的质量变化。通过（1）式可得到QCM电极表面的质量变化。由于QCM的灵敏度很高，可以达到纳克级，并且结构简单，因此一问世就得到了广泛的应用，如用于真实或空气中膜的厚度检测等。

20世纪90年代以来，随着研究的深入，QCM在液相中也取得了广泛的应用，主要用于生物、化学等领域的检测中。1982年Monura和Okuhara最先提出了可以在液相中驱动QCM振动的电路，将QCM的应用扩大到了液相。1985年Kanazawa和Gordon推出了QCM在牛顿流体中振荡时其谐振频率变化与液体的粘度和密度的关系式，即：

从式（1）、（2）可以看出，QCM谐振频率的变化量Δf是关键的待测量。

2 系统方案

目前驱动QCM振动并采集其输出信号的方法主要有两种：（1）振荡电路法；（2）频谱分析法。振荡电路法的基本原理为：将QCM接入自激振荡电路中，使其构成选频元件，电路的振荡频率等于QCM的谐振频率。通过电路振荡频率的变化可得到QCM谐振频率的变化，从而可推测出待测物质性质的变化。频谱分析法的基本原理为：扫描QCM在其谐振频率附近的一段频率范围内的频谱（幅频和相频特性），通过该频谱可得到QCM的谐振频率、Q值等参数。与振荡电路的方法相比，频谱分析的主要优点有：在大阻尼介质中不会停振、测量结果信息量大、形象直观、计算解释容易。本设计给出了一种基本频谱分析法的QCM信号采集系统。

3 系统分析

电路的正弦信号产生部分由直接数字信号合成（DDS）芯片、自动增益控制（AGC）和运放（AMP）等组成。DDS接收DSP的控制信号，产生频率可控的正弦信号；AGC调整DDS的输出信号，使其峰-峰值始终保持为一个已知的定值；AMP则完成信号的放大和阻抗转换。由于信号产生部分增加了自动增益控制使其产生的信号的信号的峰-峰值保持恒定，从而减少了待测信号的数目，简化了测量和处理的过程。

信号产生器部分产生的正弦信号作用在如图2中所示的两个反相比例电路上，反相比例电路的输出信号包含QCM在相应频率下的等效阻抗的幅值和相角信息。根据反相比例电路虚地的原理，作用在QCM上的电压始终保持为信号产生部分的输出电压与地之间的电压差。采用这种结构的好处是：（1）使作用在QCM上的电压保持恒定，简化了处理过程。（2）只通过一个反相比例电路的输出信号即可单独得到QCM等效阻抗的幅值（通过后面的计算将会得到此结论）。

反相比例电路输出信号的采集和处理部分的核心是两个乘法器和低通滤波器。设信号产生部分的输出信号电压为：u=u0coswt，用相量表示为：u。则含有QCM的反相比例电路的输出为：

式中，R1为参考电阻|Z|和φ为其对应的幅值和相角。另一个反相比例电路的输出为：

式中，R2、R3分别为参考电阻R2、R3的阻值。u1、u2作为两个模拟乘法器的输入。乘法器1的输出为：

两路输出信号经低通滤波（LPF）后的输出为：

这两个直流信号经过放大器放大后由ADC芯片采集，所采集的数字信号经DSP处理后送往PC机供分析、显示之用。为保证采集的精度，此处的放大器选用AD620芯片。AD620具有高精度、低漂移和低哭声的优点，另外AD620可以通过一个外接电阻方便地调节放大倍数。ADC芯片采用双通道的高精度转换芯片。

整理（3）、（4）两式可得QCM等效阻抗的幅值为：

上面各式中R1、R2、R3和u0均为与电路参数有关的已知值，所以由采集的信号uf1和uf2，通过（5）、（6）式即可分别计算出QCM等效阻抗的幅值和相角。通过DDS改变产生信号的频率，即可得到不同频率下QCM等效阻抗的幅值和相角。对QCM谐振频率附件的频率段进行扫描，记录每个频率测量点对应的幅值和相角，即可给出QCM的频谱。由频谱可以得出QCM谐振频率的变化量Δf。

由（5）式可知，通过uf1即可单独求出QCM等效阻抗的幅值，得到QCM的幅频率特性曲线。因此本电路可以设定两种工作模式：（1）使电路仅采集信号uf1，从而得到QCM的幅频特性曲线，由该曲线可以得到QCM的谐振频率（对应于阻抗值最低点处的频率）、带宽、Q值等参数。采用此模式得到的信号虽不全面，但它足以得到谐振频率的变化量Δf，且由于这种模式只采集、处理一路信号，因此工作速度较快。（2）同时采集信号uf1和uf2，从而可得到QCM的幅频特性和相频特性曲线。采用此模式可以得到QCM的最全面的信息，但它的工作速度与模式（1）相比较慢。

篇10

【关键词】ADCP技术；流量测验；基本原理；应用前景

河道流量测验是城市水文工作的重要组成部分，流量资料的获取对水资源的合理利用和城乡防汛抗旱工作具有重要的意义，这也使得业界人士对于河道流量侧测验技术提出了更高的要求。目前，传统的流速仪由于具有成本费用高、测量效率低和测量结果不准确等不足，在发生特殊水情的情况下，无法满足城乡防汛抗旱工作的需要，在一定程度上制约了防汛指挥部门相关工作的开展。而ADCP技术作为一种先进的测流方法，具有测验历时短、效率高、精度高和成本低等优点，能够有效降低测验人员的工作强度，解决水位流量测量存在的一些难题。

1.流量计算方法

ADCP采用矢量差乘积和微断面的深度平均流速矢量来进行流量计算，其计算公式为：

（1）

式中：Q──流量；

S———河流某断面面积；

u———河流断面某点处流速矢量；

ξ———作业船航迹上的单位法线矢量；

dS──河流断面上微元面积。

1.1 中部平均流速和流量

中部平均流速由ADCP直接测出，其值为所有有效单元所测流速之平均，其公式为：

（2）

式中：vxM──中部平均流速（x向分量）；

uxj──单元j中所测的x向流速分量。

中部流量公式为：

（3）

式中：QM———中部流量；

Z1──河底至最后一个有效单元的高度；

Z2──河底至第一个有效单元的高度；

vyM──中部平均流速（y向分量）。

1.2 表层、底层平均流速和流量

表层平均流速公式为：

（4）

底层流速平均流速计算公式为：

（5）

表层流量由下式确定：

（6）

式中：Δt──相应于微断面的测量时间平均步长；

m──断面内总的微断面数目；

vx、vy──分别为x、y方向的深度平均流速；

vbx、vby──分别为x、y方向的船速。

底层流量由下式确定：

（7）

1.3 岸边流量估算

对于岸边区域，ADCP不能测出其流速和流量，可以利用经验方法估算。岸边区域平均流速计算公式为：

va=αvm （8）

式中：va──岸边区域平均流速；

vm——起点微断面（或终点微断面）内的深度平均流速；

α──岸边流速系数，通常取用0.707。

岸边流量由下式估算：

QNB=αAavm （9）

式中：QNB──岸边流量；

Aa──岸边区域面积。

根据ADCP流量计算原理，断面流量等于中部、表层、底层流量与岸边估算流量之和。

2.比测分析

测验断面距某水库大坝1000m，河宽在100～120m，为卵石河床，正常水流状态下河床稳定，冲淤变化较小。通常情况下，除水库冲沙外，全年大部分时间水流含沙量较小或是清水水流。受水库调蓄变化的影响，水位变化频繁，日变幅较大，稳定时间短，这使流速仪测验的测次布设和测验控制很困难，也不能满足水情报汛需求，为此，2009年该站采用ADCP测流，并与传统的流速仪进行比测，经过比测分析，ADCP在该站取得了较好的效果。

（1）水深比测

将ADCP与缆道同步测深，取ADCP实测水深与缆道实测水深比较，共收集92个样本进行统计，比测分析成果见表1。

表1 水深比测统计

（2）垂线平均流速比测

将ADCP与缆道同步测速，取ADCP二个来回平均垂线流速值与流速仪法垂线平均流速比较，共收集了87个垂线平均流速比测样本，比测分析成果见表2。

表2 垂线平均流速比测统计

（3）流量比测

2009年采用流速仪精测法测验，系统地将ADCP流量资料与流速仪法资料进行了对比分析。共收集了48个样本，全部参加相关线检验。由流速仪法实测流量与ADCP计算的断面平均流量进行对比，按照《水文资料整编规范》要求进行精度分析、3种检验，分析成果见表3，结果显示，系统误差达标，3种检验均通过。

ADCP在水文流量测验中，充分显示了该仪器的先进性，有着与常规流速仪无法比拟的优势。目前在水文流量测验中，已基本普及了ADCP测流技术，为掌握水电站防洪调度、合理开发利用水资源、江河流域的科学治理和规划提供了基础资料。

表3 流量比测统计

3.ADCP测流中需注意的几个问题

3.1 高含沙水流对ADCP流量测验的影响

对于大部分河流，高含沙量的影响可能使底跟踪和水深测量失效，因此对于高含沙量的河流，应选频率较低的ADCP，可是通常低频率系统分辨率较低，不适合较浅的河流，这时宽带ADCP比窄带ADCP有较大的优越性，例如600kHz，深浅河流均可使用。如果ADCP在高含沙量水流中不能正常进行底跟踪和水深测量，只有采用差分GPS测量船速，采用测深仪测量水深。