光学传感技术范文
时间：2023-12-19 18:03:29
导语：如何才能写好一篇光学传感技术，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
赛普拉斯.产品营销副总裁/张朔
在过去5年，光学导航传感器已逐步取代计算机鼠标的机械式轨迹球传感器。雷射导航传感器技术具备优异的表面追踪效能加上更高的精确度，进一步提升计算机鼠标的效能。随着业界持续追求更好的效能、更低的功耗、以及更容易组装的制程，赛普拉斯半导体特地推出OvationONS 光学导航传感器(如图1)，采用全新的OptiCheck专利技术。此项技术采用的方法，完全有别于影像撷取与校正的传感器，能完全针对导航感测带来许多实际的效益，并能支持计算机鼠标以外的其他应用。
OptiCheck 技术
赛普拉斯的OptiCheck专利技术采用有别以往的全新导航方式。OptiCheck技术舍弃影像撷取与校正的方式，改采一种“光学棋盘”式技术，即一种连结一个具专利2D梳形侦测器组态的感光组件数组。侦测器的输出信号，透过在一个独特配置中的放大与整合，能产生4个输出信号，以完整描述传感器的动作。这4个输出信号经过数字化之后，传送到小型数字信号处理器，可在此产生x与y的动态数据。如图2所示，显示梳形侦测器各组件之间的互连，以及所产生的4个输出结果。
OptiCheck方法有下列几项重点值得一提。第一，OptiCheck技术的设计出发点，是提供高精准且高分辨率的追踪功能。用户可以1 dpi为递增单位，自行设定分辨率，提供最高的精确度。第二，OptiCheck仅需4个数据输入，就能计算出x与y轴的偏移，提供更高的数据处理效率。效率提高，意谓传感器能在各种高速追踪应用上发挥效率与精确度。高处理效率则意谓信号处理模块在功耗方面的改变不大，所以系统所耗用的电流值几乎不会受到速度与表面追踪的效能影响。此外，OptiCheck的处理需求，不受传感器分辨率所影响。这让用户能以更简单且更低廉的方式来扩充产品，这些产品需要高速与高分辨率的追踪效能。
为精准撷取传感器的追踪性能，并提供流畅运作的使用经验，最近推出第二代OvationONS II雷射导航传感器即整合了一个可编程微控制器，内含OptiCheck传感器技术。此传感器是一个完全整合的系统，包括链接至USB的数据输出信道。作为速度达1000Hz的真正硬件式USB接口，传感器能提供准确的感测动作解释功能，并提供最直觉化的用户接口经验。
OptiCheck技术的表面追踪机制
对于雷射导航传感器的大多数应用而言，其中一项主要使用者要求，就是能在几乎绝大多数的表面上追踪动作，并为使用者的手部动作提供精准的反应。运用雷射光点作为表面侦测图案，让OvationONS II传感器能在各种表面上侦测到清晰的信号包括一般木质桌面、花岗石柜台、以及高反射率的工作长台，都能轻易使用鼠标；在医疗应用方面，则能侦测各种人类皮肤；并且在工业应用方面能支持各种形状的表面(圆弧、平面等)。OvationONS II传感器的特殊光学信道设计，亦能有效率地运用雷射功率来追踪反射率不佳的表面。此技术的这项特性，除了让装置能有效追踪人类皮肤，也让各种装置能搭载手指导航功能，像是手机、游乐器、以及遥控器等。
OptiCheck技术的追踪速度与分辨率
OptiCheck技术独特的光学导航模式，带给鼠标与其他追踪装置许多直接的好处。其中两项效益就是把每秒追踪次数增加到最高，以及把对动作变动的反应延迟降至最低。OptiCheck技术输出的4个信号，完整定义了传感器的动作。这些输出信号之后会经过一个数字信号处理器，该处理器采用一个和传感器速度或分辨率无关的算法。因此，OptiCheck能同时支持全速动作(每秒/英)与全分辨率(每/次数)模式。由于许多影像校正传感器在速度提高时，其分辨率会下降，因为其处理器的速度无法及时处理大量的影像数据。而在全速模式下降低分辨率，则会降低鼠标光标移动的速度，这会让计算机游戏玩家立即发现并且感到厌烦。搭载OptiCheck的鼠标具备极高的每秒量测速度，且完全不会出现延迟的现象。下图3显示比较采用OptiCheck技术以及一般市面上采用影像校正技术的鼠标，其分辨率的量测数据和速度呈函数关系。
OptiCheck技术对动作变化的反应速度远远胜过影像校正传感器，其画面更新率通常为10 kHz。由于缩短反应的延迟，可以创造出更流畅、灵敏更高的循迹效果。OptiCheck技术的此项特性，让像是游戏鼠标、打印机、扫瞄器等，需要极高的循迹精确度与速度的应用产品获益良多。
OptiCheck的高效率电源管理
OptiCheck技术所减少的信号处理需求，让雷射鼠标的功耗大幅降低，提供一个高效率的内建可编程电源管理系统。光学功率管理与占空系数亦可自行调整，以配合各种特殊应用，达到优化的效能与功耗。在无线鼠标应用方面，OvationONS传感器能让游戏鼠标的效能达到桌上型鼠标功耗的水平。
运用可编程系统单芯片进行研发
OvationONS II 是一款可编程的系统单芯片解决方案。此组件结合了一个OptiCheck传感器以及一个可编程M8C处理器，内含全速USB功能。其精心设计的智能型电源管理系统，能为无线鼠标与其他无线应用提供所需电源，并且还能整合一个可用来支持触控接口，包括按钮、滑杆、以及开机启动功能的电容传感器。
此组件将垂直共振腔表面放射雷射功能(Vertical Cavity Surface Emitting Laser ；VCSEL)整合至同一封装。雷射与雷射驱动器的整合设计，为鼠标制造商带来可观的利益。由于不需要外部雷射组件，故能降低组装时间、复杂度、以及因故障雷射组件所产生的良率损失。雷射组件的输出功率可在出厂前就调整至眼睛安全防护的标准，系统制造商将不必进行任何调整。如此不但节省制造时间，亦让制造商省下光学功率测试与制造设备的成本。其内部的雷射组件让整个制程立达到2000V ESD的功率水平。独立的雷射组件通常为50V至200V，厂房则需要特殊的防护设施。
OvationONS II 组件提供充裕的弹性，能整合额外的功能。例如，可把微控制器加入到芯片，用来读取鼠标按钮与滚轮的动作、控制LED灯号、以及建构报告封包以传至PC主控端。亦可加入USB收发器与串行接口引擎，以提供链接主控端的链路，并可加入无线电组件，以设计出无线鼠标。透过整合，为开发高效能有线与无线鼠标的单芯片厂商，留下更多可供发挥的空间。
篇2
关键词：光纤传感；军队人才培养；课程建设与改革
中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2016）09-0065-04
一、引言
光纤传感技术是一门基础理论与工程应用紧密结合、理论与实践能力并重的系统学科，既要求学员有扎实的光学、电学基础，又要求学员能够摆脱课本的束缚、根据实际工程应用灵活运用已学到的知识。为适应这一形势，2006年以来，我们针对技术类本科生、军事指挥类本科生、硕士研究生和博士研究生的不同特点和未来适应部队工作的不同要求，建立了光纤传感技术系列课程。
作为一门应用学科，“学以致用”是光纤传感技术系列课程的特色之一。为此，课程建设非常注重学员对课程知识的实践应用能力培养，在教学实践中，结合课程特点和授课对象的学习特点，大力推进教学方法与手段的研究改革，在多层次一体化课程体系建设、教学方法与手段改革、创新人才培养、教师队伍建设等方面取得了较大成绩，下面分别进行介绍。
二、光纤传感技术多层次一体化课程建设
我校早在上世纪90年代就开设了《光纤传感技术》课程，并作为光纤传感专业研究生的必修专业基础课，为培养光纤传感技术人才起到了不可替代的作用。然而随着光纤传感技术在现代化信息战争中的应用越来越广泛，部队对光纤传感专业的人才数量和质量要求越来越高。我校原有的只针对研究生展开的《光纤传感技术》课程已经远远不能适应培养部队所需人才的紧迫要求。从2004年开始我院开始酝酿对光纤传感技术课程进行深入改革，将授课对象拓展到全校本科生和本院研究生，并从2006年开始实行。经过6年多的系统建设，最终建立起了完备的多层次光纤传感系列课程。
由于本科生和研究生、本专业和非本专业学员、技术类和军事指挥类学员的知识基础和应用方向差异太大，如何科学划分课程层次、清晰明确课程内容、准确定位课程目标是光纤传感系列课程建设的重点和难点。
在广泛调研军队需求、不同类别学员的知识积累和兴趣及国内外学校同专业的课程设置基础上，我们建立起了分别面向本科生和研究生、技术类和军事指挥类、本院专业和全校学员的光纤传感系列课程。新增了技术类《光纤传感技术》、军事指挥类《光纤传感技术》，面向全校本科生专题研讨课《基于虚拟仪器的光纤传感技术》三门课程，原有针对研究生的《光纤传感技术》则改为《光纤传感系统》[1，2]。
（一）建立起针对本院技术类本科生的《光纤传感技术》课程内容体系，以“扎实广泛的技术基础为核心，典型的系统应用为亮点”
考虑到授课学员在学习本课程之前已经在《光纤通信》、《光电检测技术》等课程中对光纤和光纤器件等有初步了解，在本课程中首先介绍光纤传感技术的概念和内涵，然后针对光纤传感系统的特点，介绍光纤、光纤器件、光纤传感原理和光纤传感信号解调原理。这四部分内容涵盖了强度型、偏振型、波长型、相位型和分布式光纤传感的系统构成、传感原理和关键技术，为光纤传感基础知识，具有信息量大、知识点多、覆盖范围广泛的特点；最后以2-3种典型的光纤传感系统为例，向学员示范在系统中如何对基础知识进行灵活应用，启发学员根据学到的基础知识来分析理解新型光纤传感系统。
（二）研究生的《光纤传感系统》课程以“系统应用技术为核心，系统设计为亮点”
与原有的研究生《光纤传感技术》相比，新的课程内容和标准进行了大幅度的改革，突出“系统应用”，大幅度削减了光纤传感基础知识，而是以四大类典型光纤传感系统为授课重点。课程中的四大类典型光纤传感系统选取了目前应用最为广泛或技术难度较高的光纤水听器系统、光纤陀螺系统、分布式光纤传感系统和光纤光栅传感系统，针对每一类对其应用背景、系统组成、系统指标和关键技术进行详细分析，构建课本知识到实际工程应用的技术桥梁。在讲解完每一类典型光纤传感系统后，特别设计了光纤传感系统设计环节，要求学员以分组的形式，根据特定应用背景设计出光纤传感系统，阐明系统特色和关键技术。
课程调整所面临的最大难题在于：学习本课程的研究生既包括本校本专业的学员，也包括来自于外院和外校的本科非光信息专业的学员。对于前者，通过本科生阶段的《光纤传感技术》学习已经具备了良好的基础，在新课程学习中应尽量避免内容重复；对于后者，直接学习典型光纤传感系统中的关键技术存在一定难度，需要对光纤传感基础知识进行介绍。为此，在研究生的《光纤传感系统》课程中，首先设定了3个课时对光纤传感基础知识进行回顾和总结，并点明各部分基础知识所涉及的参考书。同时由于使用了与本科生《光纤传感技术》课程同一系列的教材，为解决学员基础参差不齐的难题提供了有效的解决办法，而面向全校的《基于虚拟仪器的光纤传感技术》则为毕业于本校其他专业的研究生学员提供了学习本课程的基础。
（三）军事指挥类本科生的《光纤传感技术》课程以“完善学员知识结构为重点，突出军事应用特色为亮点”，为学员提供装备相关知识基础
课程针对军事指挥类本科学员培训的主要目标，将军事指挥类本科生《光纤传感技术》课程的主要任务确定为拓展军事指挥类学员的知识面，完善知识结构，了解最新军用传感器技术，一方面可以充分发挥我军现有装备的作战效能，另一方面可以掌握外军作战手段，有效克敌制胜。课程简化了基础知识部分内容，扩充了典型光纤传感部分，特别是注重光纤水听器、光纤陀螺和分布式光纤传感器在军事中的应用，并拓展光纤水听器在声纳系统应用中的相关知识，让学员在进行工作岗位后可以更快的掌握相关装备的使用和维护。
（四）面向研究生的《虚拟光纤传感技术》以“引导学员自主学习为核心，激发学员独立思考为亮点”
课程以光纤传感技术中相干检测技术为背景，以虚拟仪器技术为手段，通过一个具体实例为研讨对象，让学员一边学习新知识，一边动手做实验，一边学会自主学习。课程首先在学员高中已经具备的光学知识基础上讲解干涉型光纤传感的基本内容，然后引导学员自习LabVIEW虚拟仪器语言，通过研讨学习心得让学员掌握LabVIEW基本知识，最后要求学员利用所学知识和工具完成光纤传感中一个典型信号处理问题。整个课程以学员自己动手动脑为主，精选了一门易学好用的虚拟仪器语言LabVIEW，使学员可以在四到五次课的时间内学会，并结合光纤传感技术系列课程的建设成果，让学员可以在课程上针对典型的干涉型光纤传感系统进行信号处理实验，一方面提升了学员的学习的积极性，另一方面加强了学员的自信心，并为学员以后的创新实践奠定了基础。
三、教学方法与手段改革
在教学过程中，在教学方法和教学手段上也进行了一系列的改革，使用了大量的新技术、新手段、和新的教学方式。主要体现在以下几个方面：
（一）充分运用科研成果和虚拟仪器技术的特点，增加了大量的课堂演示实验环节
在光纤传感技术系列课程中引入堂演示实验，对于加深学员对知识的理解效果最为明显。在课程建设中，充分利用所在实验室在光纤传感技术研究上的优势，在每门课程讲授中都加入了1～2个课堂演示实验。
与专门的实验课不同，课堂演示实验的侧重点在实验效果上，通常都是完整的光纤系统，包括光源、光传输链路、光接收模块、显示模块等等，并注重演示效果。以往的光纤系统虽然功能性明显，但结构复杂。近年来，课题组所在的实验室在光纤传感系统的工程可靠性研究上投入了大量精力，一些便携式高可靠性的光纤传感集成模块在科研项目中得到广泛应用；这些科研成果的突破使得在课堂上演示一些复杂的光纤传感系统实验成为可能[5]。另一方面，由于虚拟仪器技术在光纤传感技术中的广泛应用，复杂的信号解调可以通过电脑直观的显示在课堂多媒体系统中，“所见即所得”的方式使得课堂演示实验的效果非常直观和可信。以研究生的《光纤传感系统》课程为例，我们选取了光纤光栅应变系统作为课堂演示实验内容。在硬件上，这套系统的光收发模块为集成化的便携式光纤光栅解调仪，采用法兰盘对接可串接起多个光纤传感阵列；而复杂的信号解调系统则全部通过虚拟仪器技术在电脑上软件实现，解调结果直接显示在电脑程序界面中。通过这套系统，我们完整地演示了光纤传感器设计、光纤传输链路构成、复用光纤传感网络、和光纤传感信号解调等多项知识内容，学员普遍反映通过这一演示实验对光纤传感系统有了清晰深刻的了解。
（二）借鉴国外大学相关专业的教学模式，在考核中引入小型综合设计环节，充分考察学员的综合素质
课题组的两位教员具有国外留学的经历，在课程建设中充分参考国外大学在光纤传感技术课程的教学方法，在作业环节引入小型光纤传感综合设计内容，并将其作为课程考核评价标准的一部分，实现对学员综合素质的培养和考核评价。
光纤传感综合设计参考了香港理工大学和英国南安普顿大学的教学经验，以对知识的综合运用为主要考察目标。本科生光纤传感技术采用适当的综合设计题目难度，重视对知识融会贯通和综合应用能力的考察，一般在授课过程中只进行1次；研究生除了要求基础知识综合应用能力，更注重对实际工程应用系统的完整性和前沿问题的拓展性考察[6]，一般则开设2～3次。综合设计作业由学员分组完成，小组内成员根据资料调研、方案设计、报告撰写等工作内容的不同进行明确分工，并推选一位组员参加课堂专门设置答辩环节。
（三）针对授课内容的层次划分和授课对象的学习特点，科学合理设置研讨专题
研讨式教学我校近年来大力推广的教学方式之一。由于光纤传感技术具有经典与前沿相结合、理论与工程应用相结合的特点，在系列课程建设中，课题组在原有研究生《光纤传感技术》的研讨式专题内容基础上，进行了深入的思考和大胆的拓展，将课程中的研讨专题划分为三大类：经典理论知识的研讨、前沿研究的研讨和学位论文研究方法的研讨。
经典理论知识的研讨要求学员在授课之前对相关内容进行预习，并在课堂上对全体学员讲解自己对该问题的理解。如在进行“光纤干涉仪传感系统”的授课时，要求学员预习时弄明白两个问题：什么是随机相位衰落？什么是偏振诱导信号衰落？进行研讨时不要求学员对这两个问题进行深入剖析，但要求学员用精炼的语言阐明问题的物理含义。学员普遍认为这种研讨专题不是特别复杂，通过预习教材即可，但大部分学员会准备PPT课件，且自愿上讲台讲述的学员一般在以往的学习过程中接触过与该专题相关的研究工作，因此在其课件上还会加入自己以往的工作、自己对该问题的扩展认知及自己尚未弄明白的问题等。这种教学效果是在深入了解学员的知识积累基础上，通过巧妙设置研讨专题取得的。
前沿研究的研讨要求学员进行大量的资料查阅，特别是光纤传感前沿研究课题的查阅。对于某一个问题，由于课堂讲授的时间受限或者教材中没有系统的描述，对该问题的课堂讲授可能不够全面，在这种情况下，教师会提供相关信息，要求学员查阅该文献并进行精读，然后在课堂上进行研讨。这种研讨专题分为两种：一种是教师提供明确的检索信息，由学员查阅到该文献后精度文献，分析文献的精华及不足；另一种则是教师提供所要解决的问题，由学员对该问题进行解读，提炼关键检索信息，进行检索后，对检索文献进行初步分析，总结该问题的研究现状。学员反映这种研讨专题的难度稍大于第一种，但一般稍花时间都能解决。
学位论文研究方法的研讨目的在于：无论是本科生还是研究生，在学习完相应的光纤传感技术课程后马上就要投入到学位论文工作中。通过对这类问题的研讨，学员逐渐掌握了在未来从事学位论文研究中必须具备的研究方法，这类的研讨主要培养学员的仿真计算能力和光纤传感系统的设计能力。例如在讲授完光纤光栅的基本理论之后，学员反映耦合模理论的公式很繁琐，难以一眼看出其中的物理特性，为此，我们安排了相关理论的仿真计算研讨，要求学员根据课堂讲授的公式进行理论仿真，计算光纤光栅反射光谱，并绘制带宽、反射率等关键参数随着光栅参数的变化曲线。学员在课堂研讨时要讲述自己的关键参数设置和仿真结果。通过这种研讨方式，学员对光纤光栅的反射谱特性建立了深入的了解，效果远远好于课堂直接讲授相关结论。
根据光纤传感课程层次划分，不同的光纤传感技术课程对三种研讨专题的应用程度也不相同，本科生的光纤传感技术课程以经典理论知识的研讨为主，并设置1～2次前沿研究的研讨；研究生的光纤传感技术课程则以前沿研究的研讨专题和学位论文研究方法的研讨专题为主，对特别重要的概念设置少量经典理论知识的研讨专题。
四、以光纤传感技术课程为支撑的创新型人才培养
光纤传感技术的应用范围极广，一套实用的光纤传感系统可以很庞大很复杂，也可以很小巧灵活。针对这一特点，课题组教师在学院本科生和研究生的各项教学活动中，积极开展与光纤传感技术相关的各项活动。
针对本科生的光纤传感技术系列课程，在授课结束后，在光电设计大赛、毕业设计等教学活动中开设了大量关于光纤传感技术应用的课题，引起学员浓厚的兴趣和广泛的参与热情。一方面，参与光纤传感技术相关的本科毕业设计学员数量大幅度提高。以技术类本科毕业设计为例，2013、2014年参与光纤传感技术相关课题的学生均达到光信息专业学员总数的50%以上。另一方面，学员完成课题的质量也得到大幅度提升，近年来有8名本科生获得学校创新资助，从侧面反映出光纤传感技术课程教学效果的日渐提高。这些竞赛成果也作为评价授课效果的标准之一，并将学员在课外延拓活动中的效果和意见及时反馈到教学过程中[3，4]。
针对研究生的光纤传感技术系列课程，一方面鼓励学员在课程学习的基础上努力拓展研究深度，在光纤传感研究领域不断创新。在课题组所在实验室所培养的研究生中，有3名研究生获得学校创新资助，1名研究生获得湖南省创新资助，其课题都是光纤传感领域的研究重点和难点。此外还有5项研究生参与申请的光纤传感技术相关专利；另一方面，鼓励学员积极参与到与光纤传感技术相关的科研项目中，在实际工程环境中对课程知识进行融会贯通。目前在光纤信息专业的毕业研究生中，参加过光纤传感相关的湖上或海上试验的学员达到95%以上，为其真正走向工作岗位后充分适应部队对光纤传感技术人才的需要积累了宝贵的经验。
五、高素质教师队伍建设
作为教育的重要媒介，教师是活动中的主要因素。教员整体素质的高低，直接影响着教学质量的高低。因此，建立一支教学水平高、结构合理的高素质师资队伍显得尤为重要。
（一）从教学和科研两个方面锤炼教师队伍，使教师的教学水平和科研能力相互促进共同提高
科学研究是教师工作的重要组成部分，是提高教学水平的重要手段，也是提高自身素质的重要途径。对于光纤传感技术系列课程而言，学即能致用是其重要特点之一，教学和科研的相互促进作用尤为明显。课题组全部教员均参加了多个重大科研项目。通过重大科研项目的历练，教员的学术水平得到很大的提高，一方面教员接触了学术前沿，开拓了学术视野，经历了科研实践，在课堂教学中自然会将科研最新成果、专业发展动向带进课堂，另一方面，教员在参与重大科研项目时对光纤传感的技术内容有了更加深刻的认知，对于在课堂上清楚明白的讲好各个知识点至关重要。同时，通过教学活动中对课程内容的反复推敲及与学员之间展开的研讨交流，可以加深教员对技术环节的领悟，甚至激发教员的灵感。通过在科研和教学两个方面同时锤炼，促进教师知识更新和自身进步，提高教师的创新能力和教学质量，将真正做到科研教学一体化。
（二）鼓励教员进行对外交流，充分借鉴国内外同类专业课程的教学经验
课题组有两名教员具有国（境）外留学经历，其他教员也多次参加国内外的学术活动和教学活动交流，在课程建设过程中充分利用了这一优势。在教员已经带回的国外大学教学经验的基础上，鼓励教员在回到学校后仍然定期与留学单位交流，及时获取留学单位最新的课程设置和教学安排信息，并通过交流，不断补充自身的不足，更新课程内容，丰富教学手段，提高自身教学水平。在对外学术活动交流中，有意识的了解其他院校同类专业课程的教学情况，对于感兴趣的单位积极主动与对方联系进行实际考察。活跃的对外交流活动极大地激发了教师的教学热情，并不断提高其教学水平。
（三）加强青年教师的教学技能培训
目前，课题组教员是一支相对年轻化的队伍，很多才刚刚博士毕业，青年教师充满热情，思想活跃，比较了解学员的思想，与学员进行交流方面具有优势。但是，他们大多没有经过系统的教学技能训练，普遍缺乏教学经验。为了使青年教师尽快掌握教学技能，提高业务能力与水平，课题组指定认真负责、教学经验丰富的老教师担当青年教师的导师，对青年教师实行“一对一”的“传、帮、带”指导，指导青年教师备课、编写教案；采取措施督促教员投入足够的精力。教员上岗前，必须经过教研室、系所、学院三级试讲，每次授课必须重新编写教案、编写课件、编制教学日历；在教学过程中，教学指导委员会、督导组、院系领导经常性听查课，督促教学水平的提高。
通过从科研和教学两方面锤炼教学队伍，课题组教员自身水平得到了大大提高，多次在全军和全校获得教学优秀奖，其中获军队院校育才奖1人次，优秀研究生导师奖3次，校本科“研究型”教学比赛三等奖1人次，校研究生教学优秀三等奖1人次，教员在国内教学期刊上发表高水平教学论文10篇，课题组已经成为了一支能独立承担授课任务的高水平教师队伍。
参考文献：
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篇3
【摘要】 生物传感器涉及多个研究领域，在医学中有着广泛的运用，在现代医学中有着举足轻重的作用，尤其是在基础医学研究和临床诊断运用中相当广泛。本文作者系统的阐述了生物传感器在医学中的运用。
【关键字】 生物传感器 医学
生物传感器是一种新型的高科技产品，它涉及到多个研究领域。其中包括微电子学、化学、现代生物技术。生物传感器在发酵工程、环境监测、食品检验、医学工程这一系列领域中都有广泛的应用。特别是在医学工程，生物传感器的应用更加广泛，在医学发展中有着重要的作用。生物传感技术在基础医学研究和临床诊断有着巨大的优势，近年来医学界越来越重视生物传感技术发展，生物传感技术已经成为医学研究领域的一个热点。
生物传感器是利用酶、抗体、微生物等生物活性物质，来检测与识别生物体内的化学成分，生物传感器主要是由生物敏感膜和信号转换器两部分构成，生物敏感膜在与被检测物质接触的时候会与其发生物理或者是化学反应，从而进行分子识别。信号转化器就是将发生在生物化学反应中的化学信号转换成为可以检测到的光信号或者是电信号。
生物传感器只会与特殊的物质发生生物化学反应，因而生物传感器具有较强的专一性。在发生生物化学反应时，将捕捉到的反应物与敏感膜的反映强烈程度通过信号转换器转换成可检测的电信号或者是光信号，再根据一定的分析就可以得出被检测物质样品的浓度。
根据生物传感器的工作原理的不同，可以将生物传感器分为光学生物传感器、电化学生物传感器、压电生物传感器。根据生物活性物质的不同，可以将生物传感器分为酶传感器、微生物传感器、组织传感器、细胞器传感器、免疫传感器。
光学生物传感器是将光信号通过信号转换器转换成为可以检测到的电信号，光学转换器在使用的时候，速度比较快，灵敏度也很高，抗干预能力较强，因而具有较高的可靠性，在医学中广泛使用，荧光光纤传感器以及消失波生物传感器是光学生物传感器的两个重要的分支。
荧光光纤传感器主要是用于临床生化检验。荧光光纤传感器在无机物的测定方面可以用于pH值的测定、氧的测定、电解质的测定。通过测定荧光剂与质子发生可逆反应时，荧光强度的变化来测定pH值，经常使用的荧光剂主要有7 - 羟基三羧基香豆素、4 - 甲基- 7 - 羟基香豆素及四溴荧光素等。荧光光纤传感器还可以用于葡萄糖测定，胆固醇测定。胆固醇氧化酶与胆固醇作用时会导致氧的消耗，通过光纤检测氧的消耗引起对氧敏感的荧光剂的荧光猝灭。当pH=7.25的时候，这种光纤传感器对胆固醇浓度的检测范围是0.2~3nmol/L，稳定时间长达7~12分钟，检测时间更长，因而准确度更高。荧光光纤传感器还可以用于检测土霉素，维生素和蛋白C等。消失波光纤传感器一方面用于DNA杂交技术分析，目前消失波光纤传感器已经用于分析基因突变、DNA三倍体、基因表达等领域中。消失波光纤传感器采用集束光束光纤进行检测，利用DNA探针技术来检测不同的DNA分子，可以大大提高DNA分析效率。另一方面用于免疫分析，可以检测鼠疫抗原，检测内毒素，以及检测肉毒杆菌毒素，消失波光纤传感器为的检测提供了新的方法。
电化学生物传感器由于精度不高，因而在医学领域中运用不是十分广泛。主要是用于检测DNA的杂交识别，测定DNA序列，还可以用于检测基因突变以及损伤。
压电生物传感器，在操作时简便，制作成本低，容易携带，因而在医学领域有较大的发展潜力，尤其是方便医学检验工作，将会不断地取代繁琐的操作、庞大的仪器和众多的实验室。压电生物传感器在病原体检测方面可以用于艾滋病病毒的检测、白色念珠菌的检测、肠道菌的检测。艾滋病是当前人类面临的一个重大威胁，将HIV合成多肽物质，如果被检测样品中好友HIV抗体两者进行反应将会导致晶体频率发生改变。除此之外压电生物传感器还可以用于血沉及凝血时间的检测、基因检测、激素免疫球蛋白等蛋白物质的定性定量检测，比如说压电生物传感器就广泛用于胰岛素的检测，免疫球蛋白的检测。用3 - APTES、PEI 和SPA方法固定抗胰岛素抗体,使用SPA固定法在检测胰岛素的浓度时具有更好的敏感性和稳定性，最低的检测浓度为1ug/L。压电石英晶体阻抗传感器能够用来检测红细胞的凝集时间和沉降速率，并且使用这种生物传感器操作起来简便，还可以排除热效应的干扰。
在临床医学领域，生物传感器可以用来检测各种化学成分，监测许多种细菌、病毒以及毒素。抗体是生物传感器中最常使用的一种生物活性物质。因为抗体具有较强的选择性，只会与相应的抗原发生反应。就是利用抗原与抗体的特异性反应来进行微量物质的检测。SPR免疫传感器主要是用于糖尿病以及肾病的监测，在疾病早期进行检测可以做到提前治疗，防止病情的进一步恶化。HCG免疫传感器就是用于诊断早期妊娠，通过检测尿液中的HCG的含量可用于妊娠诊断，操作简单快捷，大大提高医务人员的工作效率。生物传感器还用于药物分析，预知疾病发作。生物传感器在癌症药物研究方面有着举足轻重的作用。将癌症患者的癌细胞提取出来进行培养，利用生物传感器可以准确的检测出治疗癌症的物质对于这种癌细胞的作用效果，最终筛选出效果最好的治疗癌症的药物。
生物传感器在医学中的运用是越来越广泛，传感器产业是一个具有较大发展潜力的产业，随着科学技术的不断发展，生物传感器的研发运用要不断的向前迈进，使生物传感器趋于小型化、智能化、功能多样化。但是要使生物传感器成为一种广泛普及的常规检测分析工具，还有很长的一段路要走。
参考文献
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篇4
关键词： 《检测与传感技术》 教学改革 教学实践
1.课程性质
《检测与传感技术》是高等院校电气测控类专业本科生必修专业基础课程。传感技术是一门边缘学科。主要讲授把各种非电量转换成电信号的装置和手段，通过教学掌握与传感技术有关的基础理论，掌握各种传感器的工作原理、主要性能及特点，并在以后的工作中合理选择与使用传感器，了解传感器的发展方向。通过学习，对检测与传感技术有整体的了解，为未来的工作打下扎实的基础。在测控技术领域，《检测与传感技术》课程教学受到了普遍重视。我校测控专业于2006年起开设的本课程作为本科三年级学生的专业必修课程。
2.课程教学现状
《检测与传感技术》涉及材料、机械、电子、光学、声学等多学科，内容相对独立分散，每一类传感器自成章节，缺乏连续性和系统性，多数教材注重理论而不实用。导致教学内容中理论居多，实践环节偏少，理论与实践严重脱节，学生对过多的理论知识不感兴趣，觉得枯燥而缺乏学习主动性和积极性。因此，学好这门课程需付出更大更多的努力。
课时与内容的矛盾比较突出。我校电气与测控类专业开设该课程学时较少的40课时。《检测与传感技术》主要研究自动检测系统中的信息获取、信号转换和信息处理的技术方法。要使学生根据工程测试的具体要求进行传感器的选用、测量线路的设计与实现。如何充分利用较少课时讲授好这些内容，无疑给检测与传感技术课程教学带来了挑战。
3.教学环节的改革与实践
虽然我校电气测控类专业开设《检测与传感技术》面临诸多困难与挑战，但是通过多年不懈的努力，结合我校的实际情况与时俱进地对教学环节进行了改革，并取得了较好的教学效果。
（1）教学理念的改变。
随着社会的发展，工厂企业对大学生的创新和技术应用实践能力的要求越来越高。传统的填鸭式教学已经不适合现代的培养目标。树立“以人为本”的思想必须遵循“学生为主，教师引导”的教学理念。学生作为知识传承的主体，在教师的引导下积极参与到课程教学实践中，真正做到学有所用，学有所长，实现活力的“动”，体现真实的“用”。教师在教学过程中是导航者、指导者和帮助者，解决学生在实践中碰到的难题。无论课内、课外，教师要引导学生自主思考、自我挖掘、自主创新、相互探讨、协作学习，调动学生的主动性、积极性，培养创新能力，将理论知识和创新应用能力融入学生的思维和工程实践中。目前我校本科生《检测与传感技术》课程教学采用的教材是中南大学出版社出版的周继明主编的。该教材内容丰富，面面俱到。因此，在教学过程中，教师根据学生对本专业知识点和重复内容的掌握状况及时筛选并精简内容，剔除偏难的内容和过时的陈旧知识点，加入最新检测与传感技术的发展及工程应用实例。在介绍新检测与传感技术的同时增加近五年来国际上最新的检测技术、传感技术的运用。将检测与传感新技术、新方法融入原有教学内容中，密切联系高速发展的科技技术，保持课程与时俱进。
（2）课程内容的教学设计与优化。
现代信息技术的三大基础是传感技术、通信技术和计算机技术。传感技术位于信息技术之首，是信息技术的源头。《检测与传感技术》所涉及的专业学科较多，不同的专业有不同的专业培养目标，因此，在教材的选取、教学的内容安排、重点内容和重点章节的学习上侧重点会有所区别。避免知识点过多过杂而使学生出现抵触情绪。随着科学技术的进步，课程教学必须紧跟时代的步伐，在新原理、新技术、新材料、新工艺不断涌现的今天，及时把新知识补充进来，把最新的科学技术成果包括最新的传感器类型和检测技术、检测手段及工程应用、生产和科研实践中遇到的各种检测问题作为教学案例加入课堂内容。同时在课堂教学中，教师应考虑不同层次的学生对基础知识掌握情况的差异，做到因材施教，将讲课内容按照侧重点不同分为讲授课和复习课两种，《检测与传感技术》很多章节内容需要用到前序课程知识点，在讲课之前教师应提前复习授课将涉及的知识点或者要求学生课前复习相关知识，比如在第5章压电传感器中要求学生对大学物理中的晶格、电偶极矩、电畴、极化等概念必须理解，复习好相关知识才有助于学生理解压电效应的工作原理。
优化课程体系，建立课程架构。针对每一类传感器，基本的知识点包括传感器的基本结构、工作原理、主要的特性参数、典型的测量电路、典型工程应用。这些也是每一类传感器或者每一章节中最核心的内容。授课时，根据专业特点让学生析具体的学习思路、合理的学习重点。加上对实际应用案例的讨论，通过典型应用案例的分析，让学生将理论知识与实践应用有效结合起来，激发学习兴趣，提高学习主动性和积极性，从而取得良好的教学效果，优化课程教学。
（3）教学手段与方法探讨。
在课堂教学中，采用多媒体教学与板书相结合的授课方式，且以多媒体为主，板书为辅。只对基本原理的讲解和基本方法的应用证明采用板书的授课方式，这样不会过多依靠电脑，也不会像放电影一样，既易控、灵活、互动性强，又可以使学生跟随教师的思路深入理解；利用Flas、视频、声音、图像等多种形式生动形象地模拟和展示各类传感器的结构、工作原理、相关测量电路与应用演示那些需要形象理解、图示举例说明的内容，在多媒体教学的基础上，充分利用学校的网络教学平台，学生可以通过网络进行远程的自主辅助学习，可以浏览更多的教学资源，包括多媒体课件、课程论坛、实践教学、网上答疑、自测试题、课后习题等，进行有效师生互动的同时又不受时间与空间的限制。教师根据课程知识点新增的微课课件放在相应网站上供学生下载学习，提高学生的积极性和主动性，使学生轻松愉快地学习知识，达到良好的教学效果。
（4）实践教学的改进。
实践教学是《检测与传感技术》教学中十分重要的环节。传统的实验大多是验证性的，学生自主设计、研究的空间非常小，教学效果并不理想。为此我校在《检测与传感技术》课程实践教学进行改革：a.新购浙江天煌公司的检测与传感技术试验台10台，测控技术综合实验平台8台，硬件设备与软件配置完整覆盖本课程主要教学内容，并且可以开设创新型的综合性、设计性实验项目。b.加大了设计型、综合型实验的比重。对验证性实验项目的要求是常规的测量手段，我们增加对传感器的实物装置进行分解、拆装，让学生感性认识各部件在传感器中的作用，以及如何合理选定、确定参数值；对设计、综合性实验的要求，要求学生在拆装的基础上自己设计相应的电路装置来进行检测。c.通过加强课程设计环节、开展实训项目等提高学生的动手操作能力。并根据不同学生的兴趣、爱好和就业方向，适当安排不同难度系数和不同种类的工程实训项目。在现代检测与传感技术课程实训中，如智能小车项目、红外测距项目等，增加PCB板的设计、制作、焊接、调试。同时，学生熟悉了传感器信号与测控电路信号之间传输过程与控制过程，灵活地使用各类传感器。d.参加各类竞赛，提高学生兴趣，提高创新能力。创新实验室是我系在学校的亮点，自2008年建立创新实验室以来，已经获得校级奖多项、省部级一等奖、二等奖共6项、国家级三等奖1项；鼓励能力强的学生积极参与各类竞赛，如两年一度的全国大学生电子设计大赛、建模竞赛、学校举行的技能比赛等，锻炼学生的实践操作能力，开阔学生的眼界、拓展学生的知识，提高学生的专业兴趣，加强实验室建设；教师组织学生参加竞赛，将学生获奖的设计作品作为课堂教学实例，能起到模范、榜样的作用，同时提高学生的工程实践和创新能力。
（5）网上评教，良性互动。
教师在《检测与传感技术》每一堂课后都和学生进行有效的交流和沟通。全面细致地了解教学中可能出现的问题，譬如板书内容是否清楚，书写是否规范、合理，语音、语速大小是否合适，语言是否精简，讲授是否精准无误，重点、难点是否突出，逻辑思维是否严谨等。课后学校安排学生进行反馈式网上评教活动，教师根据学校提供的学生反馈意见适时调整，改进授课方式方法，及时把准教学方向，师生间进行良性互动，灵活多样，从而获得较好的教学效果。
多年的教学实践证明了教学改革具有良好的教学效果。教师和学生的每次授课后交流，对师生双方都有益，学生可以更好地理解知识内容，教师依据学生的反馈意见与建议及时调整、完善授课方案；对不同的学生采用不同的答疑方式，包括不定期、定期集中答疑和一对一答疑的形式，课堂上课程内容讲完，及时批改完学生作业，有目的性、针对性地给学生上辅导课、习题课，对过程中出现的典型问题进行全面细致的分析、讲解，既培养了学生的学习能力，又提高了教学质量。
4.结语
虽然在电气测控类专业开设《检测与传感技术》面临很多问题与挑战，但是我们根据地方本科院校的特点、本校专业建设的实际情况对教学理念、教学内容、教学方法、实践教学、学生网上评教等方面进行了教学改革探索。多年的实践表明，在教学过程能始终把握方向并注重培养学生创新能力。学生的学习兴趣、专业能力就会有大幅提高。
参考文献：
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[2]秦瑶.《检测与传感技术》课程教学改革探索[J].教育教学论坛，2015，（48）：101-102.
[3]刘保军.传感检测技术课程的教学改革与实践[J].中国现代教育装备，2010，（7）：98-100.
篇5
关键词： 光纤传感器； 宏弯损耗； 温度变化； 光斑旋转角度
中图分类号： TP212.1 文献标志码： A doi： 10.3969/j.issn.1005-5630.2016.03.002
文章编号： 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
光纤传感技术是20世纪70年代伴随着光纤通信技术的发展而迅速发展起来的新型传感技术。光纤传感器以其高灵敏度、抗电磁干扰、耐腐蚀、可弯曲、体积小、结构简单以及与光纤传输线路相容等独特优点受到世界各国的广泛关注[1]。如今，光纤传感技术日益成熟和完善，可传感角速度、压力、温度、电场、振动等物理量，被广泛地应用于远程控制以及医疗、生物、化学、电力检测等方面。其中，利用光纤传感技术的温度测量也越来越受到人们的重视[2]。
光纤传感器可以分为非功能型（传光型或强度调制型光纤传感器）和功能型（传感型光纤传感器）2类，光纤温度传感器是一种新型的温度传感器，目前主要的光纤温度传感器有分布式光纤温度传感器、光纤光栅温度传感器、光纤荧光温度传感器、干涉型光纤温度传感器等[3-4]。
本文介绍一种基于光斑旋转角度调制的光纤传感系统，光纤所在环境的温度变化会导致光斑旋转，从而改变出射端的光斑的角度。所以通过一个简单的CCD获得光斑图像，再经过MATLAB处理获得所得图像中的光斑角度，达到间接测量的目的。
1 基本原理及系统结构
光纤的宏弯损耗主要来源于光纤弯曲产生的空间滤波、模式泄露及模式耦合[5]，其中以空间滤波效应造成的损耗为主。光纤不同程度的弯曲将伴随着不同程度的空间滤波。受到光纤弯曲的影响，光纤中的全反射的条件受到破坏，高阶模将折射到包层中，较高阶模式进入截止状态，导致纤芯传导模式减少。光纤的宏弯损耗主要包括辐射损耗和过渡损耗[6]，可以表示为：
经式（1）、式（2）大量计算可得，由曲率半径的改变而引起的过度损耗远远小于辐射损耗[7]。由式（1）可以看出，光纤弯曲程度（R/a）越大，空间滤波效应越明显，辐射损耗也大，纤芯传输的模式数就越少，导致出射光斑数量的减少。
实验装置如图1所示，激光器（DH-HN250P）发出的光经过聚焦透镜耦合进单模传感光纤中，激光先经过光纤环1（光纤环1为单模光纤绕制的一定半径的单圈光纤环，起空间滤波作用），再通过光纤环2（光纤环2为单模光纤紧密绕制在一定半径的圆柱海绵体上形成的光纤环，作为传感光纤环，并放在水温控制箱中），CCD接收光纤输出端的激光光斑，最终将光斑图像传至PC。
2 实验现象
2.1 光斑数变化
2个级联的光纤环：光纤环1的直径为20 mm；光纤环2直径为20 mm，有6圈且紧密绕在圆柱形海绵体上。初始光斑为4个，减小光纤环1的直径到16 mm后，光斑减少为3个，继续减少光纤环1的直径到10 mm，光斑变为2个。经实验观察得到，缩小光纤环1的直径，由于压缩使光纤结构和光纤传播常数发生变化，导致光波模式的耦合、损耗变大，进而减少了出射光斑的数量。
2.2 光斑旋转
2个级联的光纤环：光纤环1直径为10 mm；光纤环2紧密绕着圆柱形海绵体6圈，直径为20 mm。实验中逐渐降低水温控制箱的温度，获得图2所示的光斑图（图2中的（a）至（h）分别表示从90℃每隔10 ℃依次降到20 ℃时两光斑角度变化的光斑效果图），改变水温控制箱的温度，两光斑绕整体中心点旋转的角度基本不变。另一组对比实验中，改变光纤环1的直径为16 mm，光纤环2紧密绕着圆柱体海绵6圈，直径仍为20 mm，PC中显示3个光斑。利用实验装置获得图3所示的光斑图（图3中的（a）至（h）分别表示从90 ℃每隔10 ℃依次降到20 ℃时三光斑角度变化的光斑效果图），改变水温控制箱的温度，三光斑绕整体中心点旋转的角度发生了一定的变化。此现象为下面的两光斑位移传感器具有温度稳定性的实验提供了依据。
3 实验结果分析
3.1 光斑图处理
将摄像头CCD读取到的视频转化为图片，接着就用MATLAB进行处理。具体过程是先进行灰度化和压缩处理，再对光斑均匀化，接着计算出各光斑的中心点和整个光斑图的中心点，最后再计算光斑的旋转角[8]。对图2、图3各光斑图进行灰度化、压缩和光斑均匀化处理，得到如图4、图5所示的光斑图。
3.2 光斑旋转角度的计算及分析
通过MATLAB处理分别获得2个光斑的特征点质心，再通过变换坐标方式可以方便快捷地测出2个光斑质心相连线与水平位置的角度，从而获得温度变化与特定直径传感光纤环光斑旋转角度的关系，测得数据如表1所示。三光斑角度的计算与两光斑不同，因为三光斑中心点组成的等边三角形的结构是稳定的，而且三角形中心点是相对固定不动的，通过MATLAB处理分别获得3个光斑的特征点质心，取其中两光斑连线的中心点坐标值，再计算该点和第3个光斑中心点的连线与水平位置的角度，从而获得三光斑旋转角度与传感光纤所处环境温度变化的关系，测得数据如表2所示。
实验获得的数据经过MATLAB最小二乘法处理，得到图6所示的两光斑旋转角度与温度变化的关系图，对应于表1中的数据；图7所示的是三光斑旋转角度与温度变化的关系图，对应于表2中的数据。
通过图6与图7的比较得出，改变传感光纤所处环境的温度，三光斑的旋转角度随着温度的变化而改变，且存在很好的线性关系：θ=0.852 6T，线性度为-3.613 2。然而在一定的误差范围内，改变传感光纤所处环境的温度，两光斑旋转角度基本保持不变，即外界温度参量并不影响两光斑弯曲线性实验的灵敏度，从而证实了基于两光斑旋转的光纤传感器具有温度稳定性。
4 结 论
本文提出了测量温度变化的光纤传感系统，通过实验获得了两光斑旋转角度与传感光纤所处环境变化的关系，得出了基于两光斑旋转角度的光纤传感器具有温度稳定性的结论。此外根据耦合模理论，也可以从理论上分析出两光斑与三光斑低阶模的受温旋转性。此传感系统结构简单、使用方便，还具有很好的重复性。由于光斑旋转方向的特定性，此系统可以用来做温度的测量，此外还可以拓展至频率、重量等多种变量的测量。
参考文献：
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[2] 周顺斌， 刘莹. 光纤位移传感器的研究进展及其应用[J]. 煤矿机械，2008， 29（6）： 10-11.
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[5] 王华， 随拢 吴俊， 等. 基于光斑旋转的光纤温度传感器[J]. 光学仪器， 2014， 36（4）： 311-314.
[6] 何国财. 多模光纤的弯曲损耗实验研究[D]. 吉首：吉首大学，2011： 9-18.
篇6
关键词：机电一体化;应用领域;发展方向
中图分类号：TH-39 文献标识码：A
一、机电一体化概述
机电一体化技术是将机械技术、电工电子技术、微电子技术、信息传感器技术、接口技术、信号变换技术等多种技术进行有机地结合，并综合应用到实际中去的综合技术。它是基于上述群体技术有机融合的一种综合技术，而不是机械技术、微电子技术以及其它新技术的简单组合、拼凑。这是机电一体化与机械加电气所形成的机械电气化在概念上的根本区别。机电一体化”涵盖“技术”和“产品”两个方面。机电一体化产品不仅是人的手与肢体的延伸还是人的感官与头脑的延伸，具有智能化的特征。现代化的自动生产设备几乎可以说都是机电一体化设备。
二、机电一体化技术的应用领域
1.数控机床
我国机床拥有量高居全球之首，2010年产值达1260亿元人民币，超过意大利排名世界第三。数控机床代表了一个国家机床生产的水平。目前，我国生产的数控机床约占国内市场份额的31 %，其余从境外进口。时下我国中高端数控机床市场的绝大部分被境外产品占领，其中高端数控机床国内产品的市场占有率仅4%左右。经过多年发展，我国机床生产虽然取
得了很大成绩，但就技术水平和整体实力而言，在世界上仅处于第二梯队的中前位置，美欧日排在第一梯队。数控机床具有一台机床同时完成多个独立加工任务或控制多台和多种机床的能力，并将刀具破损检测、物料搬运、机械手等控制都集成到系统中去。
2.自动机与自动生产线
在国民经济生产和生活中广泛使用的各种自动机械、自动生产线及各种自动化设备，是当前机电一体化技术应用的又一具体体现。如:2000一80000瓶/h的啤酒自动生产线;18000一120000瓶/h的易拉罐灌装生产线;各种高速香烟生产线;各种印刷包装生产线;由B政信函
自动分捡处理生产线;易拉罐自动生产线;FEBOPP型三层共挤双向拉伸聚丙烯薄膜生产线等等，这些自动机或生产线中广泛应用了现代电子技术与传感技术。如可编程序控制器，变频调速器，人机界面控制装置与光电控制系统等。
3.机器人
机器人是20世纪人类最伟大的发明之一。从某种意义上讲，一个国家机器人技术水平的高低反映了这个国家综合技术实力的高低。机器人已在工业领域得到了广泛的应用，而且正以惊人的速度不断向军事、医疗、服务、娱乐等非工业领域扩展。毋庸质疑，21世纪机器人技术必将得到更大的发展，成为各国必争的知识经济至高点。
在计算机技术和人工智能科学发展的基础上，产生了具有感知、思维和行动功能的智能机器人，是机构学、自动控制、计算机、人工智能、微电子学、光学、通讯技术、传感技术、仿生学等多种学科和技术的综合成果。智能机器人可获取、处理和识别多种信息，自主地
完成较为复杂的操作任务，比一般的工业机器人具有更大的灵活性、机动性和更广泛的应用领域。智能机器人作为新一代生产和服务工具，在制造领域和非制造领域具有更广泛、更重要的位置，如核工业、水下、空间、农业、工程机械(地上和地下)、建筑、医用、救灾、排验、军事、服务、娱乐等方面，可代替人完成各种工作。同时，智能机器人作为自动化、信息化的装置与设备，完全可以进入网络世界，发挥更多、更大的作用，这对人类开辟新的产
业，提高生产水平与生活水平具有十分现实的意义。
4. 汽车电子化产品
汽车上比较常用的一般有5种仪表和3种相应的传惑器，即电流表、机油压力表、水温表、燃油表、车速里程表等指示仪表和机油压力传感器、水温传感器和油量传感器。
目前，电子化仪表已经取代机械式仪表。这是由于机械式仪表一旦出现故障将很难处理，而电子化仪表则不同。采用电子化仪表不仅可以改进驾驶员的目视性，还有助于汽车仪表的多样化。
三、机电一体化技术的发展方向
1.光、机、电一体化
一般的机电一体化系统是由传感系统、能源系统、信息处理系统、机械结构等部件组成的。因此，引进光学技术，实现光学技术的先天优点能有效地改进机电一体化系统的传感系统、能源(动力)系统和信息处理系统。光机电一体化是机电产品发展的重要趋势。
2.自律分配系统化(柔性化)
今后的机电一体化产品，控制和执行系统有足够的“冗余”，更“灵活”，能更好地应付突发事件，被设计为“自律分配系统”。在自律分配系统中，各系统相互独立工作，子系统为总系统服务，有其自身的“自律性”。根据不同的环境条件的不同反应。它的特点是，系统可以生成自己的信息和附加信息，在总的前提下，可以改变的“行动”。在这种方式中，显著提高了系统的适应性，灵活的，而不是因为对整个系统的一个子系统的故障。
3.全息系统化(智能化)
机电产品的“全息”功能将越来越明显，智能化程度也越来越高。这主要是由于模糊技术，信息技术，特别是软件和芯片技术的发展。此外，从简单的“自上而下”系统的层次结构的情况已经变成了一个复杂的，有更多的双向链路冗余。
系统化的表现特征之一就是系统体系结构进一步采用开放式和模式化的总线结构。系统可以进行任意剪裁和组合，同时寻求实现多子系统协调控制和综合管理。表现特征之二是通信功能的大大加强，一般除RS232外，还有RS485,DCS人格化。未来的机电一体化更加注重产品与人的关系，机电一体化的人格化有两层含义:一是机电一体化产品的最终使用对象是人，如何赋予机电一体化产品人的智能、情感、人性显得越来越重要，特别是对家用机器人，其最高境界就是人机一体化。二是模仿生物机理，研制各种机电一体化产品。事实上，许多机电一体化产品都是受动物的启发研制出来的。
4.微型机电化
目前，利用半导体器件制造过程中的蚀刻技术，，在实验室中产生的亚微米的机械部件。当我们把这个结果用于实际产品，没有必要区分机械部分和控制器。将机械和电子的“融合”在一起，机体、执行器、传感器等CPU可以集成在一起，体积很小，一个自我调控元件的形成的微观机制是机电一体化的重要发展方向。
四、机电一体化技术的发展策略
一是机械本体技术的改善。
改善机械本体必须分别从性能的改善和质量的减轻以及精度的提升等方面着手，当前很多机械产品的原材料是钢铁，为减轻本体质量应改进本体结构，并适当考虑应用非金属复合型的材料，减轻本体重量是实现小型化的驱动系统的关键。
二是注重传感技术的提升。
提升传感技术必须从灵敏度、可靠性和精确度等方面的提高着手，尤其是可靠性和抗干扰性的高低，直接关系到传感技术水平的高低。因而为预防电干扰，当前大都采用较为先进的光纤电联传感器，而如果是外部信息传感器，那么则主要采用发展中的非接触性的检测技术。
三是信息处理技术水平的提升
机电一体化技术水平的提升与微电子学的进度、微型设备的普及和应用密不可分，为促进机电一体化的发展，就必须着力提升信息处理技术水平，提升处理速率的同时解决诸如抗干扰性能低和标准化程度不一的问题。
四是驱动技术的提升
电机的响应速率方面尚存诸多不足。值得期待的是当前电机内部装备编码和专用控制组件、传感器以及电机三位一体化的伺服驱动单元正在积极地发展且日臻成熟当中，相信在不久的将来，驱动技术水平就能得到有效的提升
结束语
机电一体化是许多科学技术发展的结晶，是社会生产力发展到一定阶段的必然要求。随着科学技术的发展，各种技术相互融合的趋势将越来越明显，是机械工业发展的必然趋势。是21世纪机械工业的主角，在各方面均可带来显著的经济效益和社会效益，具有广阔的发展前景。
参考文献
篇7
金属丝微结构光纤的研究进展
随机分布反馈光纤激光器研究进展
利用多波长放大抑制窄线宽光纤放大器中受激布里渊散射效应的研究进展
高分辨率投影光刻机光瞳整形技术
荧光寿命成像技术及其研究进展
硫系玻璃光波导研究进展
中红外光纤激光器的研究进展
基于光学成像技术的针灸镇痛机理研究
低双折射均匀光纤布拉格光栅斯托克斯参量的研究
基于扩展二次同余码/单重合序列的二维光码分多址系统仿真
光纤参数对弱导阶跃光纤线偏振模式特性的影响
矩形晶格微结构光纤偏振拍长稳定性的优化
基于综合灰度梯度法的数字全息焦平面定位研究
基于数字散斑的弯管残余应力测量系统的误差分析
基于激光散斑照相术的三维变形测试
激光熔覆绿色再制造快速工艺规划技术研究
大能量窄脉宽高平均功率绿光激光器
脉冲式半导体激光器端面抽运主振荡-功率放大器及腔外倍频系统
高能量激光二极管侧面抽运风冷Nd∶YAG脉冲激光器
基于聚合物纳米光纤的微光子学器件及其应用
高亮度窄线宽的激光二极管阵列研究进展
高功率半导体激光器光束非相干合成技术进展
高功率掺铥光纤激光的研究进展
埋入式光纤智能金属结构研究进展
猫眼效应用于激光主动探测技术的研究现状与发展趋势
大数值孔径聚焦的特性研究
多点光纤瓦斯传感技术
圆柱雾屏承载相息图光电再现三维影像的实验研究
图像融合算法性能分析与评价效果研究
空域中基于Rudin-Osher-Fatemi模型的小波图像修补方法
人造卫星光学可见期实时预测方法
激光熔覆过程残余应力的数值模拟
“神光Ⅱ”装置三倍频离线调试系统设计与测试精度分析
激光表面处理对NiAl/纳米Al_2O_3复合镀层组织及其耐磨性的影响
矿物发光材料Ca_3(Zr,Ti)Si_2O_9的合成与光学性能研究
绿辉石玉的光谱学特征
基于光学相干层析成像技术的光老化皮肤嫩肤实验观察
篇8
关键词：光纤在线监测；隧道；效益
1 概述
钢铁工业是在上个世纪二十年代随着铁矿的开采和炼制等工业的发展而形成的一项工业，在现在的生活中随着社会和经济的发展，钢铁工业系统对国家的经济和人民群众的日常生活中的地位就显得更加的重要。在钢铁工业系统的稳定、安全、可靠的运行维护工作中，电气设备安全运行的可靠性是首要考虑的问题[1]。
这些年来随着科学技术的发展以及供电用电部门使用要求的提高，钢铁行业系统向高电压、大规模、网络技术信息化方面的发展，传统检修维护方法己不太适用于当今迅速发展的大型钢铁企业，其主要原因在于：（1）某些重要装置设备的检修和维护工作需要停电操作，而很多情况下为了能够使生产生活安全平稳可靠的连续运行，重要电气设备退出运行状态非常困难；（2）停电后检查电气设备时，设备试验检查状态往往与电气设备单独运行时状态不一致，如设备运行电流、振动值、温度等物理量，都会在一定程度上影响对设备运行状态的准确判断；（3）受到检修S护周期的影响，有一些并不是连续运行的电气设备的检修维护工作主要由我维修人员凭经验来进行判断，由于业务能力和经验上的差别，检修维护时间选择无法做到准确可靠，使得相邻两次检修期间发生的电气设备问题没有很好的解决方法[2]。
钢铁企业电气设备涵盖广泛，包括各种变压器、高低压开关设备、高低压发电机、电动机、高低压电容器、电抗器、UPS不间断电源、高低压变频器、电流电压互感器和高低压电力电缆等。由于这些电气设备经常处于大电压、大电流和强磁场工作环境中，在实际监控中要求状态监测仪器与监控对象之间进行适当隔离，在某些场合传统监测技术手段往往会受到一定限制[3]，而先进光纤传感技术能够广泛适应于高电压环境、抗电磁干扰、耐腐蚀和实现实时在线监测电气设备特征物理量（如电流电压波动、设备温度和应变等）的系统。
2 系统概述
分布式光纤在线温度监测系统是针对研发的基于分布式光纤传感技术的新型温度监测及火灾报警系统，通过实时检测测温光缆中反射光信号随温度的变化情况，实现分布式光纤在线温度监测系统是根据电缆夹层、电缆隧道、电缆桥架、高压电气设备内部多个测点的温度在线监测和火灾报警。
测温光缆具有体积小、重量轻、无源检测、防电磁干扰、阻燃防爆、易于远程监测等优点，采用测温光缆的火灾监测系统具备以下独特优点：（1）将测点的温度变化转换成测温光缆中拉曼散射光信号的变化，通过对两个拉曼散射光信号的差分检测，从本质上消除了系统光功率波动、传输链路损耗变化对测量精度的影响。（2）测温光缆的每一点都是温度传感器，真正实现了分布式温度测量，整个测温范围无盲区。（3）测量精度高，响应时间短。测温精度可达±1℃，对5Km测温光缆的检测时间不超过5秒。（4）传感器不受环境湿度、应力应变的影响，测量结果具有良好的重复性，长期稳定性好。
分布式光纤在线温度渐监测主机通过以太网络与监控计算机进行通信，可实现远程集中监控；通过RS232/RS485接口与报警控制器相连，实现分区过温报警；通过多级可配置报警温度设置，实现火灾预警与报警。另外，系统的调试、区域设置、报警参数设置等操作均可在测温主机或远程监控计算机上完成，操作、维护方便。
3 工作原理
分布式光纤在线温度监测系统基于分布式光纤传感技术，利用光纤中拉曼散射光信号对温度的敏感特性，实现对温度变化的精确测量。
分布式光纤温度传感是将整条传输光纤作为传感器，光纤（光缆）上的每一点都兼具“传”和“感”的功能。在分布式光纤温度传感系统中，一束较强的脉冲激光信号在光纤（光缆）中传输时，光纤中的每一点都会对激光信号产生极其微弱的散射，散射光信号的特性与该点所处位置的温度有关，通过检测每一点散射光信号的光学特性，获得改点的温度信息，进而得到整条光纤（光缆）上的温度分布。
根据所检测的反射光信号的不同，分布式光纤温度传感系统可分为瑞利（Rayleigh）散射系统、拉曼（Raman）散射系统和布里渊（Brillouin）散射系统。激光脉冲信号在光纤中传输时，由于激光与光纤材料的相互作用，会产生三种不同的散射光：瑞利散射、拉曼散射和布里渊散射，其中瑞利散射光对温度变化较不敏感，拉曼散射光对温度变化较为敏感，布里渊散射光对温度和应变都敏感，因此拉曼散射和布里渊散射都可以用来测量温度。另一方面，由于布里渊散射和瑞利散射在频谱上靠的非常近，很难通过滤波器分开，同时布里渊散射受应力、应变的影响也较大，因此应用最多的还是采用拉曼散射实现温度传感。
4 系统组成
光纤光栅隧道火灾监测系统主要由以下五部分组成：
测温光缆；测温主机；监控软件；火灾报警控制器（可选）；光纤通信模块（可选）。
5 系统软件功能
系统软件包括13个主要功能：数据采集、数据显示、数据交换、数据存储、数据备份、用户管理、报警输出、分区设置、日志记录、曲线图保存、短信报警、历史温度查询，显示火灾蔓延方向。
6 运行管理
6.1 安全事项
使用光纤在线监测系统时，为了人身安全以及减少火灾、触电或人员伤害的危险起见，请遵守以下安全规则：（1）仔细阅读并理解光纤传感器全部说明，按照说明书操作相应仪器；（2）请勿将眼睛直接对准机箱光纤出口处；（3）请使用接地良好的插座供电；（4）请将仪器放在通风处，请勿在仪器的通风口堆放物品，以免散热不良造成机器过热，损坏仪器；（5）为了防止触电或火灾，请勿将仪器暴露在雨水中；（6）应使仪器避开灰尘、高温和振动；（7）请勿将仪器直接暴露在阳光照射下；（8）勿在仪器上放置重物；（9）勿用湿手触摸插头；（10）如果要搬运仪器，务必小心轻放，请勿受压，避免潮湿，避免剧烈振动。
6.2 仪器维护
产品属于贵重精密光学仪器，请妥善使用。请勿用手指或其它物品直接接触光纤接头端面。平时要注意仪器的维护，主要包括以下几个方面：（1）光纤头的清洁。清洁光纤头时要谨慎小心，采用无水酒精浸泡的棉花球或光纤端面专用清洁器，轻轻擦拭APC光纤接头上的灰尘，注意要沿一个方向，不可来回擦拭，以免损坏光纤端面，且每次光纤头和酒精棉（或专用清洁器）的接触位置都不能相同，以免二次污染。（2）外壳清洗。仪器运行一段时间后需要外壳清洗，清洗时请拔下本机的电源插头。不要使用液体或者喷雾清洁器。使用湿布进行清洁。（3）仪器供电采用220V交流供电，切勿乱动机柜内部走线，以防漏电造成的伤害。
7 结束语
光纤在线监测技术大大减少了人工成本，电缆维护避免事故，起到了不可估量的作用。
参考文献
[1]黄雅罗，黄树红.发电设备状态检修[M].北京：中国电力出版社，2000.
篇9
关键词： 石油生产； 流量； 光纤； 湍流； 振动
中图分类号： TN 253文献标志码： 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
引言石油生产中，流量是油气井下的重要物理量，实时流量监测能够为提高原油采收率提供可靠的科学依据。石油工业中被测流体的成分复杂，流态多种多样，工作现场的条件十分恶劣，传统电子传感器在井下恶劣环境诸如高压、高温、腐蚀、电磁干扰下无法正常工作。与传统电子传感器比较，光纤流量传感器具有如下优点：（1）灵敏度高，动态范围广，准确性高；（2）易于远距离测量；（3）耐高压高温，电气绝缘性好，抗电磁干扰，安全可靠；（4）体积小，质量轻，集传感与传输于一体[15]。本文利用湍流诱发振动特性以及光的相位特性，提出了一种光纤流量监测系统，该系统的光信号在光纤传输的过程中会受到管壁振动信号调制，采用相位载波（phase generated carrier，PGC）调制解调技术完成流量信号的提取。光纤作为感知流量信号的传感器，结构简单可靠，灵敏度高，在石油测试仪器中具有广阔的应用前景。1光纤流量监测系统原理
1.1管壁振动测试原理研究表明，流体分子到达管壁时具有的动能有90%以上转化为压力的形式，故压力是流体与管壁传递能量的主要形式[6]。关于圆管湍流的研究表明，压力脉动和流速脉动成正比[7]，即p∝u―v―（1）式中：u―为轴向平均速度；v―为径向平均速度。充满液体的油管可以简化为一维梁，具有关系p′（x）=d2Mdx2=dVdx（2）式中：V为剪切力；M为弯矩；x为轴向位移；p′（x）为单位长度载荷函数。光学仪器第37卷
第2期刘小会，等：基于管壁振动频率特性的光纤流量监测系统
由工程力学可知p′（x）=EId4ydx4（3）式中：y为径向位移；EI为抗弯强度。由梁的振动式可以得出2yt2=-gAγEI4yx4（4）式中：t为时间；g为重力加速度；A为截面积；γ为比重。结合式（3）和式（4）得出p′（x）∝2yt2（5）式（5）表明管壁振动的加速度和压力脉动成正比。根据文献[8]中湍流强度的推导可以得出1N-1∑Ni=1ui（t）-u―2∝u―（6）式中N为采样点数。由式（6）可以看出管道振动的标准方差和平均流速成正比。由于平均流量和平均流速成正比，故管道振动的标准方差和平均流量成正比。由以上公式的推导可以得出平均流量与振动加速度标准方差有定量关系，这是光纤流量测量系统的理论基础。
1.2光纤相位调制原理光相位信息由光纤波导的总物理长度、折射率及其分布、光纤波导的横向几何尺寸决定。假定光纤波导折射率分布保持恒定，并已知施加在光纤上的扰动（外界信号），光通过长度为L的光纤后，出射光波相位延迟为[9]φ=2πnLvc（7）图1光纤流量传感单元
Fig.1Optical flow sensing unit式中：n为光纤纤芯折射率；c为真空中光速；v为光频。由此得出光相位的变化式为Δφ=2πnLvcΔnn+ΔLL+Δvv（8）引起相位变化的因素可分为温度效应和应力应变效应。温度效应所引起的相位变化较为缓慢，可采用信号处理的办法消除其引起的相位变化，因此本文的光纤流量监测系统主要采用应力应变效应。光纤流量传感单元如图1所示，在油管外壁选择流量监测点，在流量监测点处缠绕特定长度的高灵敏传感光纤，并在传感光纤末端焊接光纤光栅组成光纤流量传感单元。当流体经过油管时，光纤流量传感单元感应湍流引起的压力脉动，经过PGC技术解调出相应的流量信息。
1.3相位载波调制解调原理迈克尔逊干涉仪干涉信号可表示为I=A+BcosΦ（t）（9）式中：A为平均光功率；B=κA，κ≤1为干涉条纹可见度；Φ（t）为干涉仪的相位差。设Φ（t）=Ccos（ω0t）+φ（t），则式（9）可写为[10]I=A+Bcos[Ccos（ω0t）+φ（t）]（10）式中：C为调制深度；ω0为相位载波角频率；φ（t）=Dcos（ωst）+Ψ（t），其中，D为传感器信号幅值，ωs为传感器信号的角频率，Ψ（t）是扰动信号等引起初始相位的缓慢变化。根据Bessel函数，式（10）可表示为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）图2PGC解调原理图
Fig.2Diagram of PGC图2是PGC解调原理图，迈克尔逊干涉仪的输出信号I分别与二倍频、基频相乘，为了克服信号畸变和消隐现象，分别对两路相乘后的信号进行了微分交叉相乘（DCM），微分交叉相乘后的信号经过差分放大、积分运算后变换为信号S1，即S1=B2GHJ1（C）J2（C）φ（t）（12）式中：G为基频系数；H为倍频系数。将φ（t）=Dcos（ωst）+Ψ（t）代入式（12）可以得出信号S2，即S2=B2GHJ1（C）J2（C）[Dcos（ωst）+Ψ（t）]（13）由式（13）可以看出，积分后得到的信号包含传感信号Dcos（ωst）和外部干扰信号，后者通常是慢变信号，通过高通滤波器（HPF）消除外部干扰信号，光纤流量监测系统的最后输出信号S为S=B2GHJ1（C）J2（C）Dcos（ωst）（14）2新型光纤干涉流量计实验系统
2.1光路设计连续稳定的激光被声波调制器调制为重复频率为100 Hz、脉宽为1 μs的脉冲激光，脉冲激光信号在经过马赫曾德尔干涉仪后形成两个脉冲激光信号，如图3所示，两个脉冲激光信号依次注入光纤流量传感器，经过一系列光纤光栅反射，在接收端信号形成含有传感信号的脉冲序列。
2.2实验系统设计液体循环系统如图4所示，系统主要由油管、阀门、注水口、出水口、水泵、光纤流量传感器以及电磁流量计组成。首先通过注水口往油管内注入液体，使得液体充满整个循环系统，然后开动水泵，使得液体在油管内循环流动起来，通过调节阀门A和阀门B控制流过光纤流量传感器的流量，在光纤流量传感器附近安装一个电磁式流量计用于标定光纤流量传感器。本系统为了能够检测到0～40 kHz的传感信号，在实验中采用了频率为80 kHz的载波频率。通过分析解调油管中传感信号的频率特性，确定流体振动信号频率范围主要集中于10～30 kHz，实验结果如图5所示，在此频率范围内光纤流量监测系统能较好地完成流量监测。图3光纤流量监测系统光路图
Fig.3Schematic diagram of the fluid flow monitoring system
图4流量测试实验系统
Fig.4Schematic diagram of the
experimental system图5频率范围10～30 kHz下的光强与流量关系图
Fig.5Relationship between light intensity and
flow in the frequency range between 10 kHz and 30 kHz
3结论采用光纤传感技术将湍流振动产生的动态压力信号转化为光相位信号，确立了光相位信号与流量的二次曲线关系。通过研究流体流过管道时湍流引起的振动信号的频率特性，提出了一种光纤流量监测系统，成功实现了非浸入式测量范围为5～50 m3/h流量的在线测量。通过实验发现，在大流量的情况下测量精度较高，测量精度为±5%，为进一步实施油井实地实验提供了参考。 参考文献：
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篇10
关键词：光电互感器；罗夫斯基线圈；泡克而斯效应；法拉第效应
中图分类号：TP183文献标识码：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
光电互感器是利用光电子技术和光纤传感技术来实现电力系统电压、电流测量的新型互感器它是光学电压互感器、光学电流互感器、组合式光学互感器等各种光学互感器的通称。随着电力工业的不断发展，电网电压等级的不断提高，电力工业对电压、电流的测量要求也在不断提高。互感器作为输电线路中最基本最重要的检测设备，其暴露出来的一系列缺点迫使一种安全、可靠、理论完善性能优越的新方法来实现高电压和高电流的测量。基于光学传感技术的光学电流互感器（Optical Current Transformer, OCT)和光学电压互感器（Optical Voltage Transformer, OVT)能有效地克服传统电磁式互感器所固有的缺点，同时更适应电力系统的智能化，并为计算机高速网络在实时系统中的开发利用，为变电站信息的采集、传输实现数字化处理提供了条件。光电互感器的诸多优点，近三十年来引起了世界各国的关注，尤其美国、法国、日本和中国的学者和工程技术人员都进行了深入的研究。
2.光电互感器的产生与历史
早在20世纪60十年代，国外的诸多电气公司就开始了对光电互感器的相互研究，最早研制成功的是美国的西屋电气公司。但当时研制的基于法拉第光效应（电流互感器）和电光效应（电压互感器）的光电互感器还仅仅是纯光学式的光电元件，他受到温度限制无法达到户外环境下0.2级精度的要求。到了60年代，在世界范围内兴起了对光电式电流互感器应用的研究，70年代一度形成，但当时仍处于初级阶段，温度等影响仍未得到较好的解决，精度比较低。直到上世纪80年代，随着电子技术的飞速发展，光电子技术、PC微机、单片机及数字处理器技术的兴起与成熟，为研制出高性能的光电互感器奠定了坚实的基础，电子式光电互感器得以研制成功，并逐渐开始投入使用。
1992年ABB公司的光电互感器在巴西电力系统投入应用，至今运行良好。SIMENS、ALSTOM等公司也相继研制成功并投入运行。到2000年，ABB公司已经研制出可用于69kV到765kV电压等级的光电电流互感器，测量电流范围为5A~2000A，准确度达到±0.2%。同时，他们研制了用于GIS中的复合电子式电压、电流互感器，电流测量范围为5A~2000A，电压测量范围为69~500kV，准确度都达到±0.2%，电压测量是直接使用电容环测量，不用分压器。法国的Alstom公司利用Faraday效应研制了一套电子式电流互感器，在-30~50℃的范围内准确度达到±0.2%。
我国最早对光电互感器的研究是在20世纪80年代的一些大学进行的，当时也是以光学式的光电互感器为研究方向，目前已改为主攻电子式的光电互感器。尽管一些高科技公司的某些产品已经进入挂网试运阶段，但是对光电互感器的研究仍处于初级阶段，与国外还有一定的距离。国内许多科研机构和大专院校的研究人员也正致力于新型光电互感器的研究，从事这方面的主要研究单位有清华大学、华中科技大学、上海大学、西安同维公司、广州伟钰光电科技有限公司等，经过几年的努力，研制工作已逐步向实用化阶段发展。光电互感器的高压以及电气绝缘特性使得它更加适合我国电力工业的发展，在将来的超高压以及特高压系统中将发挥巨大的作用。
3. 光电互感器的工作原理及其分类[1]
简单的来说OCT工作原理是Faraday磁光效应，OVT工作原理是Pockels线性电光效应，光学电流传感头和光学电压传感头位于绝缘套管的高压区，控制室内的发光二极管发出光信号经绝缘材料制成的光缆传输至两个传感头，经高压母线和电压调制后，光信号又经光缆从高压区传输回主控室，最后经光电转换、数据采集和信号处理系统得出被测电流、电压信号。根据高压部分是否采用有源器件将光电互感器分为两类：高压部分不采用有源器件的称为无源型光电电流（电压）互感器，采用有源器件的称为有源型光电电流（电压）互感器。
3.1 有源型OCT工作原理[2]
有源型OCT又称混合式光学电流互感器，它的原理是利用有源器件调制技术,把罗夫斯基线圈测量出的信号经过积分运算得出电流模拟信号,模/数转换(A/D)电路将积分器输出的信号转换成数字信号,然后通过电一光转换装置将电信号转换成光信号,再通过光纤传输。到互感器低压侧信号处理电路,有源型OCT原理示意图如图1所示。
有源型OCT的关键部件为罗夫斯基线圈及积分器。罗夫斯基线圈是一种绕制在非磁性骨架上的空心线圈,具有精度高、稳定性好、抗干扰能力强、动态范围宽、体积小、重量轻、造价低廉、线性度好等一系列优点。其工作原理如图2所示。
罗夫斯基线圈直接套在被测量的导体上,从而导体中流过的交流电流在导体周围产生一个交替变化的磁场,从而在线圈两端感应出一个与电流变化成比例的交流电压信号e(t):
其中,di/dt则是电流的变化率, 而L为线圈的电感,i(t)为还原电流,通过对交流电压信号积分并运算得出所要测量的电流值,其数学表达式为:
有源型OCT的传感器和A/D转换部件是需要电源供电的,目前常用的供能方式主要有利用特制电流互感器(CT)或电容分压器从母线上取电能,激光供能,太阳能供电及蓄电池供电等。
3.2 无源型OCT的工作原理
无源型OCT与有源型OCT不同,其传感器部分无需电源供电。无源型OCT以法拉第磁光效应理论为基础,其实质是光波在通过磁光材料时,电流产生的磁场使光波在通过磁光材料时其偏振面会发生旋转,测量其旋转角度的大小即可确定被测电流。法拉第旋转角θF的表达式为：
其中,V为代表光纤材料特性的维尔德常数；H为光传播方向上的磁场强度；L为光路长度线；μ0为磁导率；N为绕载流体的光圈数；I为被测电流。
无源型电流互感器的存在问题是其本身的光学系统折射效应随环境因素而变化,光学传感头中存在着各种形式的双折射,影响了整个系统的精度和稳定性。
3.3 有源型OVT工作原理
有源型OVT的传感头部分仍采用传统的传感技术,即电容分压技术。如图3所示,被测对象通过电容分压测量单元后形成一较低的电压,刀转换单元对电容分压测量单元的输出信号进行模拟量与数字量的转换,形成光电信号,由于电容分压测量单元和A/D转换单元都需要供电模块提供工作电源,有源型OVT的名称由此而来。
有源型是当前挂网运行时间最长而且最为常见的光电电压互感器,一方面其原理相对简单,与传统的电压互感器结构相近,容易实现另一方面其生产成本较低,便于制造。但是这种型式的光电互感器只是把传感器的模拟信号转换为光电信号,不是真正意义上的光电化产品,它一方面没有充分体现光学传感的优越性,另一方面电容分压器的长期运行会引进额外的测量误差,因此具有一定的局限性,是一种为了实现光电信号传输的过渡性产品。
3.4 无源型OVT
无源型的原理是将高电压直接加在电光晶体上,应用先进的光学传感原理一效应来测量电压的全光纤型光电电压互感器“泡克尔斯效应”是描述电场对透明晶体影响的电光效应,某些透明的光学介质也称压电晶体在外加电场作用下,晶体将变为各向异性的双轴晶体,从而导致其折射率和通过晶体的偏振光特性发生变化,产生双折射,使一束光变为两束相位不同的直线偏振光。图4为无源型的原理图,一束线性偏振光照射到压电晶体表面时分裂成振动方向相互垂直的两束光,其相位差大小与所加电压和材料有关。
双折射后两束偏振光的相位差可用以下公式计算：
其中：U=Usinωt,λ为入射光波波长；n0为晶体的折射率孔, γ41为晶体(BGO)线性电光系数口为被测电压是电压幅值。ω是角频率。
通常利用偏光干涉的方法将转变为输出光强的变化来检测它,利用1/4波片使两束光的相位差增加90°,总的相位差为δ+π/2。出射光强可以表示为：
其中,I0是入射光强,U0为半波电压。
可见,利用出射光强和电压的关系,通过光电变换和信号处理就能得到被测电压。
3.5 光学组合式互感器工作原理
光学组合式互感器是基于电光晶体的Pockels效应和磁光玻璃的Faraday效应研制出的可以同时测量高压输电线电流及电压的组合式互感器。它绝缘结构简单，电压测量与电流测量间无相互干扰。非线性误差小于0.3%，在24～33℃温度范围电压传感器24h内的波动在±0.3%内。
4.光电互感器的优点[3]
与常规的电磁式互感器相比较,光电互感器的突出优点是：
(1)高低压完全隔离,安全性高,具有优良的绝缘性能和优越的性价比
由于光电互感器是通过由绝缘材料制成的光导纤维将高压信号传输到二次设备，巧妙的避开了传统互感器绝缘性能差的缺点，大大简化了绝缘结构，节省资源的同时，提高了互感器电气绝缘性能。它的适合高压的特性使它在不断提高电压的电力工业中显示出越来越高的性价比。利用光缆代替电缆作为信号传输工具,又实现了高低压的彻底隔离,不存在电压互感器二次回路短路或电流互感器二次开路给设备和人身造成的危害,安全性和可靠性也大大地提高。
(2)没有铁芯,不存在磁饱和铁磁谐振等现象
光电互感器在原理上与传统互感器有着本质的区别,它一般不用铁芯完成磁藕合,因此,不存在传统互感器磁饱和及铁磁谐振现象,使得互感器运行暂态响应好,稳定性好,确保了系统运行的高可靠性。
(3)功能齐全，可靠性高
光电互感器能不但可以用于电压电流测量，还可以用作保护功能。不必使用多个不同用途的铁芯线圈,便可同时满足计量和继电保护的需要,同时还可以将电压、电流组合在一起,构成组合式光电互感器。这些对于传统互感器是无法达到的。目前,光电互感器的测量精度最高可以达到0.2级和0.2S级。
(4)频率响应宽，动态范围大
光电互感器传感头部分的频率响应取决于光纤在传感头上的渡越时间,实际能测量的频率范围主要决定于电子线路部分。光学传感部件已经用于测量高压电力线路上的谐波和脉冲暂态电压。
(5)没有因充油而潜在的易燃、易爆等危险
由于光电互感器的绝缘结构相对简单,一般不采用油作为绝缘介质,不会引起火灾、爆炸等危险.
(6)体积小、重量轻、减少占地面积
因无铁芯及绝缘油等，光电互感器的重量一般只有电磁式CT、VT重量的1/10，且体积小，占地面积小，便于运输和安装。
(7)无污染、无噪音，具有优越的环保性能
由于光电互感器中信号是通过光来传输的,因此不会产生噪音、电磁波等污染源,同时,可采用硅橡胶绝缘子和SF6气体作为绝缘介质,替代传统的磁套绝缘子和绝缘油,甚至可以做成无油无气的OCT,这样可大大降低这些配套设备生产过程中带来的环境污染,具有优越的环保性能。
(8)适应了电力系统数字化、智能化和网络化的需要
光电互感器可以根据需要输出低压模拟量和数字量,这可直接用于微机保护和电子式计量设备,而且能实现在线检测和故障诊断,在变电站综合自动化中具有明显的应用优势。综上所述,光电互感器以其优越的特性以及明显的经济效益和社会效益,使得它在电力工业中占据了一席之地，同时对于保证日益庞大和复杂的电力系统安全可靠运行,并提高其自动化程度具有深远的意义。光电互感器是世纪电力系统的更新换代产品,尽快使其实用化已经成为电力系统发展的迫切需要。
5.光电互感器的缺点及目前的改进方法
5.1OCT的缺点[4]
根据我国第一台OCT挂网运行数据显示，在小电流时OCT输出的读数波动较大，线性度较差，准确度也略超出计量要求。一方面是由于小电流引起的法拉第旋转角非常小，有限的传感器灵敏度导致被测信号被噪声所淹没；另一方面机械振动、温度变化以及由于光纤偏振特性等因素使得输出光强的变化，降低了检测的灵敏度，不过可以通过检测电路的交直流分离等办法消除此影响。然而对于有两种特殊情况会使光强发生很大的变化，因而会对测量产生很大的影响：1.光强波动较快时，直流通道的响应时间远远慢于交流通道,采用交流除以直流的方法明显存在不同步的问题2.当光强急剧下降衰减而超过PIN光电管的探测灵敏度时,OCT无法正常工作。
5.2OCT的改进方法
针对以上诸多影响光电互感器的不利因素，我国许多研究人员做了大量的工作，并取得了一定的成果。
降低温度影响：为了克服温度对互感器带来的影响，清华大学对种8国产光学玻璃磁光系数和温度特性进行了深入的研究，ZF6在降低温度影响方面最能满足OCT的要求。
提高系统抗外场干扰能力：在提高系统抗外场干扰方面有几种方法，改进由Sato等人提出的双正交反射方案，将原光路设计中的第三角上第一次反射由向上改为向下（见图4），使传感头内光路在小载流导体平行及垂直的两个面上的投影形成闭合回路来改善系统抗外场干扰能力。相比而言，镀膜技术在此方面具有的优点是简化传感头使之易于加工，同时光路在任何平面内的投影均及接近完全闭合，传感头厚度比双正交反射方案减小一半以上。目前的保偏膜有两种：多层介质膜和单层介质膜，多层介质膜可以有效的解决相移问题，但对传感头的加工与安装需十分精细，单层介质膜在具有镀膜技术的共同有点之外，相比多层介质膜，更节省膜材料和膜加工所需时间，但此方法对膜厚度的控制要求更高的镀膜工艺。利用多模光纤的消偏与消除相干扰性能，同时结合选用低相干光源，可以有效的一直有振动引起的光线中的噪声干扰。
Rogowski线圈在OCT中的应用：Rogowski线圈能够很好的解决以上由于温度、外场以及振动引起的光电互感器灵敏度以及准确度降低等问题。国内外都已有0.2级Rogowski线圈，清华大学开发了以DSP为核心，集合光纤、通信、微机技术的实用化设计方案。OCT集电流测量和谐波分析于一体,同时还提供远程计算机接口和继电保护接口。试验表明,此种结构简单、安装方便、抗干扰能力强和准确度高（优于0.5%）。
5.3OVT的缺点
光电电压互感器晚于光电电流互感器，经过各国的不断努力，在理论上和技术上都取得了很大的进展，与光电电流互感器类似，光电电压互感器也遇到了温度影响稳定性问题，和长期运行的可靠性问题。其中运行环境的温度变化是影响光电电压互感器稳定性和可靠性的重要因素。
5.4OVT的改进方法
目前主要采用双光路检测技术来消除热力效应对光电电压互感器的温度稳定性的影响，但是仍然存在无法改变晶体的热光效应。晶体的热光效应使得互感器在工作温度范围内的准确度只有2.1%，距离实用所需的1%要求还有一段距离。为了避免因晶体的旋光性和自然双折射会直接对光波引入的附加相位差，目前一般选用立方晶体的BGO材料，它稳定性好，无旋光性和自然双折射。研究发现，BOG晶体的纯度越高，光电电压互感器的稳定性越好。对于光源发射的光波波长由温度影响而造成的系统稳定性减弱情况，采用软件补偿技术消除波长变化的影响，明显的提高了光电电压互感器的稳定性。通过对光线受到振动和其他机械扰动产生线性双折射，且单模光纤产生噪声更为严重的现象发现，光线的芯径越大，噪声越小，通过使用低相干光源和线偏振光沿光纤的偏振轴输入，来达到有效抑制噪声对系统稳定性带来的严重影响
6. 光电互感器在电力工业中的应用[8]
基于西昌地区多高耗能用户,该类用户的电炉设备功率大,负荷波动大,产生大量大功率低次谐波污染,同时冲击电流造成电磁式互感器铁心饱和,有可能造成继保误动作,并使二次电流、电压产生畸变,影响计量的准确性等情况，2006年4月，安装了35kV数字式光电互感器及其保护和计量装置及其二次系统的设计、安装、运行和运行效果的对比分析,来为西昌地区寻找一条可靠先进的电网技术革新之路。将该组光电互感器安装于一个对电铁及高耗能工业园区供电的110kV变电站内一条35kV出线间隔,该线路对冶炼企业供电,日均负荷为1.2万KW。该线路原装有电磁式电流互感器,准确级0.2级。35kV母线电压互感器亦采用JDJJ2-35型电磁式电压互感器。在出线间隔安装了一组组合式光电电流电压互感器,并装配一套线路保护和一块具有光纤以太网接口的电能表,以便将光电互感器的采集数据与电磁式互感器采集的模拟量在数据采集、电量及所接保护功能等方面进行对比。同时,南自厂在合并器报文读取中加进了谐波分析部分,采集了当地的谐波污染情况。截止2007年的数据显示，该组光电互感器运行状况良好。
母线保护由于其保护特殊性,需要接入大量的交流量。基于OET700数字式光电互感器的母线保护采用光纤接入来自多个合并器的电流量、电压量。开入量(接入母线保护的隔离刀闸辅助接点、失灵启动开入节点等)和开出量(包括出口跳闸接点、信号接点等)则仍采用传统的输入输出方案,如图2所示。
若一次系统采用光TV,则电压模拟量同电流输入类似。若采用光TA与传统电磁式混用则通过合并器进行采集一并打包给保护。在技术成熟条件下,开关量输入、开关量输出也可通过光纤进行传输,以实现整个变电站全部设备的数字化。
同传统的微机母线保护一样,基于光电互感的母线保护配置以下保护:差动保护、母联失灵保护、母联死区保护、母联充电保护、母联过流保护、母联非全相保护、断路器失灵保护、复合电压闭锁等。所有保护功能均为逻辑图设计,保护流程可视化、图形化、模块化。可根据系统接线要求进行选择配置,配置和维护方便灵活。
7. 光电互感器的发展趋势
随着电力系统智能化、数字化的产生和发展，人们对所采集数据的准确度要求越来越高，新型的OCT都将向着灵敏度更高的方向发展，同时更简单更节约能源。全反射结构的OCT比相同尺寸的金属膜结构OCT的输出响应更加灵敏。全光纤结构的OCT将是未来发展的方向，目前，日本已经开发出0.3级的全光纤OCT。
光电电压互感器的主要发展方向也是新型全光纤OVT，因为不论从稳定性准确性以及能源的节省和环境的保护方面，它都较传统电压互感器有很大的优势。采用石英晶体和光纤作为敏感元件，通过光纤来检测和传输信号，生产工艺更为简单，不再需要自动聚焦透镜、起（检）偏器、波片、电光晶体等光学元件，节省资源的同时提高了系统的稳定性。全光纤OVT的诸多有点引起了广泛的关注，在光电互感器方面起领头作用ABB公司已经开发出类似的产品，我国很多高校也投入了积极的研究。
8. 结 语
经过三十余年的发展，国内的光电互感技术不断进步。但是相比于国外上世纪60年代就开始研究，90年代就开始挂网运行并将产品推广到市场还有很长的一段路要走。随着现代电力工业对电压级别、电流强度要求的不断提高，光电互感技术作为一种新技术越来越引起研究人员的关注。电力系统的数字化、智能化、网络化也都促进了光电互感技术的快速发展。当然光电互感技术目前还存在着很多问题，但随着测量要求逐步提高，测量技术的逐渐成熟，光电互感技术必定有着非常广阔的发展空间。光电互感器将作为下一代互感器的主流产品，其不可替代的技术优势和价格优势已经凸现出来，随着当前光电互感器的市场化进程，必将带来电力系统测量、保护和监控的革命性变化。
参考文献
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