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關鍵詞：光纖傳感；軍隊人才培養；課程建設與改革
中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2016）09-0065-04
一、引言
光纖傳感技術是一門基礎理論與工程應用緊密結合、理論與實踐能力并重的系統學科，既要求學員有扎實的光學、電學基礎，又要求學員能夠擺脫課本的束縛、根據實際工程應用靈活運用已學到的知識。為適應這一形勢，2006年以來，我們針對技術類本科生、軍事指揮類本科生、碩士研究生和博士研究生的不同特點和未來適應部隊工作的不同要求，建立了光纖傳感技術系列課程。
作為一門應用學科，“學以致用”是光纖傳感技術系列課程的特色之一。為此，課程建設非常注重學員對課程知識的實踐應用能力培養，在教學實踐中，結合課程特點和授課對象的學習特點，大力推進教學方法與手段的研究改革，在多層次一體化課程體系建設、教學方法與手段改革、創新人才培養、教師隊伍建設等方面取得了較大成績，下面分別進行介紹。
二、光纖傳感技術多層次一體化課程建設
我校早在上世紀90年代就開設了《光纖傳感技術》課程，并作為光纖傳感專業研究生的必修專業基礎課，為培養光纖傳感技術人才起到了不可替代的作用。然而隨著光纖傳感技術在現代化信息戰爭中的應用越來越廣泛，部隊對光纖傳感專業的人才數量和質量要求越來越高。我校原有的只針對研究生展開的《光纖傳感技術》課程已經遠遠不能適應培養部隊所需人才的緊迫要求。從2004年開始我院開始醞釀對光纖傳感技術課程進行深入改革，將授課對象拓展到全校本科生和本院研究生，并從2006年開始實行。經過6年多的系統建設，最終建立起了完備的多層次光纖傳感系列課程。
由于本科生和研究生、本專業和非本專業學員、技術類和軍事指揮類學員的知識基礎和應用方向差異太大，如何科學劃分課程層次、清晰明確課程內容、準確定位課程目標是光纖傳感系列課程建設的重點和難點。
在廣泛調研軍隊需求、不同類別學員的知識積累和興趣及國內外學校同專業的課程設置基礎上，我們建立起了分別面向本科生和研究生、技術類和軍事指揮類、本院專業和全校學員的光纖傳感系列課程。新增了技術類《光纖傳感技術》、軍事指揮類《光纖傳感技術》，面向全校本科生專題研討課《基于虛擬儀器的光纖傳感技術》三門課程，原有針對研究生的《光纖傳感技術》則改為《光纖傳感系統》[1，2]。
（一）建立起針對本院技術類本科生的《光纖傳感技術》課程內容體系，以“扎實廣泛的技術基礎為核心，典型的系統應用為亮點”
考慮到授課學員在學習本課程之前已經在《光纖通信》、《光電檢測技術》等課程中對光纖和光纖器件等有初步了解，在本課程中首先介紹光纖傳感技術的概念和內涵，然后針對光纖傳感系統的特點，介紹光纖、光纖器件、光纖傳感原理和光纖傳感信號解調原理。這四部分內容涵蓋了強度型、偏振型、波長型、相位型和分布式光纖傳感的系統構成、傳感原理和關鍵技術，為光纖傳感基礎知識，具有信息量大、知識點多、覆蓋范圍廣泛的特點；最后以2-3種典型的光纖傳感系統為例，向學員示范在系統中如何對基礎知識進行靈活應用，啟發學員根據學到的基礎知識來分析理解新型光纖傳感系統。
（二）研究生的《光纖傳感系統》課程以“系統應用技術為核心，系統設計為亮點”
與原有的研究生《光纖傳感技術》相比，新的課程內容和標準進行了大幅度的改革，突出“系統應用”，大幅度削減了光纖傳感基礎知識，而是以四大類典型光纖傳感系統為授課重點。課程中的四大類典型光纖傳感系統選取了目前應用最為廣泛或技術難度較高的光纖水聽器系統、光纖陀螺系統、分布式光纖傳感系統和光纖光柵傳感系統，針對每一類對其應用背景、系統組成、系統指標和關鍵技術進行詳細分析，構建課本知識到實際工程應用的技術橋梁。在講解完每一類典型光纖傳感系統后，特別設計了光纖傳感系統設計環節，要求學員以分組的形式，根據特定應用背景設計出光纖傳感系統，闡明系統特色和關鍵技術。
課程調整所面臨的最大難題在于：學習本課程的研究生既包括本校本專業的學員，也包括來自于外院和外校的本科非光信息專業的學員。對于前者，通過本科生階段的《光纖傳感技術》學習已經具備了良好的基礎，在新課程學習中應盡量避免內容重復；對于后者，直接學習典型光纖傳感系統中的關鍵技術存在一定難度，需要對光纖傳感基礎知識進行介紹。為此，在研究生的《光纖傳感系統》課程中，首先設定了3個課時對光纖傳感基礎知識進行回顧和總結，并點明各部分基礎知識所涉及的參考書。同時由于使用了與本科生《光纖傳感技術》課程同一系列的教材，為解決學員基礎參差不齊的難題提供了有效的解決辦法，而面向全校的《基于虛擬儀器的光纖傳感技術》則為畢業于本校其他專業的研究生學員提供了學習本課程的基礎。
（三）軍事指揮類本科生的《光纖傳感技術》課程以“完善學員知識結構為重點，突出軍事應用特色為亮點”，為學員提供裝備相關知識基礎
課程針對軍事指揮類本科學員培訓的主要目標，將軍事指揮類本科生《光纖傳感技術》課程的主要任務確定為拓展軍事指揮類學員的知識面，完善知識結構，了解最新軍用傳感器技術，一方面可以充分發揮我軍現有裝備的作戰效能，另一方面可以掌握外軍作戰手段，有效克敵制勝。課程簡化了基礎知識部分內容，擴充了典型光纖傳感部分，特別是注重光纖水聽器、光纖陀螺和分布式光纖傳感器在軍事中的應用，并拓展光纖水聽器在聲納系統應用中的相關知識，讓學員在進行工作崗位后可以更快的掌握相關裝備的使用和維護。
（四）面向研究生的《虛擬光纖傳感技術》以“引導學員自主學習為核心，激發學員獨立思考為亮點”
課程以光纖傳感技術中相干檢測技術為背景，以虛擬儀器技術為手段，通過一個具體實例為研討對象，讓學員一邊學習新知識，一邊動手做實驗，一邊學會自主學習。課程首先在學員高中已經具備的光學知識基礎上講解干涉型光纖傳感的基本內容，然后引導學員自習LabVIEW虛擬儀器語言，通過研討學習心得讓學員掌握LabVIEW基本知識，最后要求學員利用所學知識和工具完成光纖傳感中一個典型信號處理問題。整個課程以學員自己動手動腦為主，精選了一門易學好用的虛擬儀器語言LabVIEW，使學員可以在四到五次課的時間內學會，并結合光纖傳感技術系列課程的建設成果，讓學員可以在課程上針對典型的干涉型光纖傳感系統進行信號處理實驗，一方面提升了學員的學習的積極性，另一方面加強了學員的自信心，并為學員以后的創新實踐奠定了基礎。
三、教學方法與手段改革
在教學過程中，在教學方法和教學手段上也進行了一系列的改革，使用了大量的新技術、新手段、和新的教學方式。主要體現在以下幾個方面：
（一）充分運用科研成果和虛擬儀器技術的特點，增加了大量的課堂演示實驗環節
在光纖傳感技術系列課程中引入堂演示實驗，對于加深學員對知識的理解效果最為明顯。在課程建設中，充分利用所在實驗室在光纖傳感技術研究上的優勢，在每門課程講授中都加入了1～2個課堂演示實驗。
與專門的實驗課不同，課堂演示實驗的側重點在實驗效果上，通常都是完整的光纖系統，包括光源、光傳輸鏈路、光接收模塊、顯示模塊等等，并注重演示效果。以往的光纖系統雖然功能性明顯，但結構復雜。近年來，課題組所在的實驗室在光纖傳感系統的工程可靠性研究上投入了大量精力，一些便攜式高可靠性的光纖傳感集成模塊在科研項目中得到廣泛應用；這些科研成果的突破使得在課堂上演示一些復雜的光纖傳感系統實驗成為可能[5]。另一方面，由于虛擬儀器技術在光纖傳感技術中的廣泛應用，復雜的信號解調可以通過電腦直觀的顯示在課堂多媒體系統中，“所見即所得”的方式使得課堂演示實驗的效果非常直觀和可信。以研究生的《光纖傳感系統》課程為例，我們選取了光纖光柵應變系統作為課堂演示實驗內容。在硬件上，這套系統的光收發模塊為集成化的便攜式光纖光柵解調儀，采用法蘭盤對接可串接起多個光纖傳感陣列；而復雜的信號解調系統則全部通過虛擬儀器技術在電腦上軟件實現，解調結果直接顯示在電腦程序界面中。通過這套系統，我們完整地演示了光纖傳感器設計、光纖傳輸鏈路構成、復用光纖傳感網絡、和光纖傳感信號解調等多項知識內容，學員普遍反映通過這一演示實驗對光纖傳感系統有了清晰深刻的了解。
（二）借鑒國外大學相關專業的教學模式，在考核中引入小型綜合設計環節，充分考察學員的綜合素質
課題組的兩位教員具有國外留學的經歷，在課程建設中充分參考國外大學在光纖傳感技術課程的教學方法，在作業環節引入小型光纖傳感綜合設計內容，并將其作為課程考核評價標準的一部分，實現對學員綜合素質的培養和考核評價。
光纖傳感綜合設計參考了香港理工大學和英國南安普頓大學的教學經驗，以對知識的綜合運用為主要考察目標。本科生光纖傳感技術采用適當的綜合設計題目難度，重視對知識融會貫通和綜合應用能力的考察，一般在授課過程中只進行1次；研究生除了要求基礎知識綜合應用能力，更注重對實際工程應用系統的完整性和前沿問題的拓展性考察[6]，一般則開設2～3次。綜合設計作業由學員分組完成，小組內成員根據資料調研、方案設計、報告撰寫等工作內容的不同進行明確分工，并推選一位組員參加課堂專門設置答辯環節。
（三）針對授課內容的層次劃分和授課對象的學習特點，科學合理設置研討專題
研討式教學我校近年來大力推廣的教學方式之一。由于光纖傳感技術具有經典與前沿相結合、理論與工程應用相結合的特點，在系列課程建設中，課題組在原有研究生《光纖傳感技術》的研討式專題內容基礎上，進行了深入的思考和大膽的拓展，將課程中的研討專題劃分為三大類：經典理論知識的研討、前沿研究的研討和學位論文研究方法的研討。
經典理論知識的研討要求學員在授課之前對相關內容進行預習，并在課堂上對全體學員講解自己對該問題的理解。如在進行“光纖干涉儀傳感系統”的授課時，要求學員預習時弄明白兩個問題：什么是隨機相位衰落？什么是偏振誘導信號衰落？進行研討時不要求學員對這兩個問題進行深入剖析，但要求學員用精煉的語言闡明問題的物理含義。學員普遍認為這種研討專題不是特別復雜，通過預習教材即可，但大部分學員會準備PPT課件，且自愿上講臺講述的學員一般在以往的學習過程中接觸過與該專題相關的研究工作，因此在其課件上還會加入自己以往的工作、自己對該問題的擴展認知及自己尚未弄明白的問題等。這種教學效果是在深入了解學員的知識積累基礎上，通過巧妙設置研討專題取得的。
前沿研究的研討要求學員進行大量的資料查閱，特別是光纖傳感前沿研究課題的查閱。對于某一個問題，由于課堂講授的時間受限或者教材中沒有系統的描述，對該問題的課堂講授可能不夠全面，在這種情況下，教師會提供相關信息，要求學員查閱該文獻并進行精讀，然后在課堂上進行研討。這種研討專題分為兩種：一種是教師提供明確的檢索信息，由學員查閱到該文獻后精度文獻，分析文獻的精華及不足；另一種則是教師提供所要解決的問題，由學員對該問題進行解讀，提煉關鍵檢索信息，進行檢索后，對檢索文獻進行初步分析，總結該問題的研究現狀。學員反映這種研討專題的難度稍大于第一種，但一般稍花時間都能解決。
學位論文研究方法的研討目的在于：無論是本科生還是研究生，在學習完相應的光纖傳感技術課程后馬上就要投入到學位論文工作中。通過對這類問題的研討，學員逐漸掌握了在未來從事學位論文研究中必須具備的研究方法，這類的研討主要培養學員的仿真計算能力和光纖傳感系統的設計能力。例如在講授完光纖光柵的基本理論之后，學員反映耦合模理論的公式很繁瑣，難以一眼看出其中的物理特性，為此，我們安排了相關理論的仿真計算研討，要求學員根據課堂講授的公式進行理論仿真，計算光纖光柵反射光譜，并繪制帶寬、反射率等關鍵參數隨著光柵參數的變化曲線。學員在課堂研討時要講述自己的關鍵參數設置和仿真結果。通過這種研討方式，學員對光纖光柵的反射譜特性建立了深入的了解，效果遠遠好于課堂直接講授相關結論。
根據光纖傳感課程層次劃分，不同的光纖傳感技術課程對三種研討專題的應用程度也不相同，本科生的光纖傳感技術課程以經典理論知識的研討為主，并設置1～2次前沿研究的研討；研究生的光纖傳感技術課程則以前沿研究的研討專題和學位論文研究方法的研討專題為主，對特別重要的概念設置少量經典理論知識的研討專題。
四、以光纖傳感技術課程為支撐的創新型人才培養
光纖傳感技術的應用范圍極廣，一套實用的光纖傳感系統可以很龐大很復雜，也可以很小巧靈活。針對這一特點，課題組教師在學院本科生和研究生的各項教學活動中，積極開展與光纖傳感技術相關的各項活動。
針對本科生的光纖傳感技術系列課程，在授課結束后，在光電設計大賽、畢業設計等教學活動中開設了大量關于光纖傳感技術應用的課題，引起學員濃厚的興趣和廣泛的參與熱情。一方面，參與光纖傳感技術相關的本科畢業設計學員數量大幅度提高。以技術類本科畢業設計為例，2013、2014年參與光纖傳感技術相關課題的學生均達到光信息專業學員總數的50%以上。另一方面，學員完成課題的質量也得到大幅度提升，近年來有8名本科生獲得學校創新資助，從側面反映出光纖傳感技術課程教學效果的日漸提高。這些競賽成果也作為評價授課效果的標準之一，并將學員在課外延拓活動中的效果和意見及時反饋到教學過程中[3，4]。
針對研究生的光纖傳感技術系列課程，一方面鼓勵學員在課程學習的基礎上努力拓展研究深度，在光纖傳感研究領域不斷創新。在課題組所在實驗室所培養的研究生中，有3名研究生獲得學校創新資助，1名研究生獲得湖南省創新資助，其課題都是光纖傳感領域的研究重點和難點。此外還有5項研究生參與申請的光纖傳感技術相關專利；另一方面，鼓勵學員積極參與到與光纖傳感技術相關的科研項目中，在實際工程環境中對課程知識進行融會貫通。目前在光纖信息專業的畢業研究生中，參加過光纖傳感相關的湖上或海上試驗的學員達到95%以上，為其真正走向工作崗位后充分適應部隊對光纖傳感技術人才的需要積累了寶貴的經驗。
五、高素質教師隊伍建設
作為教育的重要媒介，教師是活動中的主要因素。教員整體素質的高低，直接影響著教學質量的高低。因此，建立一支教學水平高、結構合理的高素質師資隊伍顯得尤為重要。
（一）從教學和科研兩個方面錘煉教師隊伍，使教師的教學水平和科研能力相互促進共同提高
科學研究是教師工作的重要組成部分，是提高教學水平的重要手段，也是提高自身素質的重要途徑。對于光纖傳感技術系列課程而言，學即能致用是其重要特點之一，教學和科研的相互促進作用尤為明顯。課題組全部教員均參加了多個重大科研項目。通過重大科研項目的歷練，教員的學術水平得到很大的提高，一方面教員接觸了學術前沿，開拓了學術視野，經歷了科研實踐，在課堂教學中自然會將科研最新成果、專業發展動向帶進課堂，另一方面，教員在參與重大科研項目時對光纖傳感的技術內容有了更加深刻的認知，對于在課堂上清楚明白的講好各個知識點至關重要。同時，通過教學活動中對課程內容的反復推敲及與學員之間展開的研討交流，可以加深教員對技術環節的領悟，甚至激發教員的靈感。通過在科研和教學兩個方面同時錘煉，促進教師知識更新和自身進步，提高教師的創新能力和教學質量，將真正做到科研教學一體化。
（二）鼓勵教員進行對外交流，充分借鑒國內外同類專業課程的教學經驗
課題組有兩名教員具有國（境）外留學經歷，其他教員也多次參加國內外的學術活動和教學活動交流，在課程建設過程中充分利用了這一優勢。在教員已經帶回的國外大學教學經驗的基礎上，鼓勵教員在回到學校后仍然定期與留學單位交流，及時獲取留學單位最新的課程設置和教學安排信息，并通過交流，不斷補充自身的不足，更新課程內容，豐富教學手段，提高自身教學水平。在對外學術活動交流中，有意識的了解其他院校同類專業課程的教學情況，對于感興趣的單位積極主動與對方聯系進行實際考察。活躍的對外交流活動極大地激發了教師的教學熱情，并不斷提高其教學水平。
（三）加強青年教師的教學技能培訓
目前，課題組教員是一支相對年輕化的隊伍，很多才剛剛博士畢業，青年教師充滿熱情，思想活躍，比較了解學員的思想，與學員進行交流方面具有優勢。但是，他們大多沒有經過系統的教學技能訓練，普遍缺乏教學經驗。為了使青年教師盡快掌握教學技能，提高業務能力與水平，課題組指定認真負責、教學經驗豐富的老教師擔當青年教師的導師，對青年教師實行“一對一”的“傳、幫、帶”指導，指導青年教師備課、編寫教案；采取措施督促教員投入足夠的精力。教員上崗前，必須經過教研室、系所、學院三級試講，每次授課必須重新編寫教案、編寫課件、編制教學日歷；在教學過程中，教學指導委員會、督導組、院系領導經常性聽查課，督促教學水平的提高。
通過從科研和教學兩方面錘煉教學隊伍，課題組教員自身水平得到了大大提高，多次在全軍和全校獲得教學優秀獎，其中獲軍隊院校育才獎1人次，優秀研究生導師獎3次，校本科“研究型”教學比賽三等獎1人次，校研究生教學優秀三等獎1人次，教員在國內教學期刊上發表高水平教學論文10篇，課題組已經成為了一支能獨立承擔授課任務的高水平教師隊伍。
參考文獻：
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【關鍵詞】 FBG；高應變；樁基檢測；預制樁
【中圖分類號】TU196+.1 【文獻標識碼】 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
樁基檢測中高應變檢測是一項重要檢測內容，通過分析應力應變隨樁身變化情況分析樁身完整性和樁的承載性狀[1-2]。由于采用高應變進行承載力檢測具有工期短、成本低、效率高等特點，促進了高應變檢測法的推廣，但是高應變檢測的精度很大程度上與測試傳感器有關。傳統的電阻式、鋼弦式、電感式傳感器普遍存在靈敏度差、精度低、抗電磁干擾能力弱，受水腐蝕失真或失效等缺點，難以適應現代工程精確檢測的要求。而近年來興起的光纖光柵傳感器則具有精度高、抗電磁干擾、防水防潮、抗腐蝕和耐久性長等特點[3-6]，其體積小、重量輕，便于鋪設安裝，且不存與監測對象不匹配的問題，對監測對象的材料性能和力學參數等影響較小。另外，光纖光柵傳感技術采用光纖進行信號傳輸，傳輸損耗小，容易實現遠距離信號傳輸，正好彌補了傳統檢測技術的不足。本文結合具體的工程實例，將FBG傳感器植入檢測的預制樁中，同時采集傳統
的高應變檢測應變數據和FBG應變數據，并進行對比研究。結果表明：FBG測量數據可靠，具有較好的適用性。
1 FBG傳感技術測量原理
光纖布拉格光柵（Fiber Bragg Grating,簡稱FBG）是利用光纖材料的光敏性在纖芯內形成空間相位,光柵其作用的實質是在纖芯內形成一個窄帶的濾波器或反射鏡，使得光在其中的傳播行為得以改變和控制[7]。
圖1 光纖光柵傳感器的構造
如圖1所示，FBG傳感器分布在光纖纖芯的一小段范圍內，它的折射率沿光纖軸線發生周期性變
作者簡介：邱正紅，1982年出生，男，漢族，重慶潼南縣人，工學學士，助理工程師，主要從事巖土工程勘察和基坑設計工作。E-mail：qzh@live.it
化，圖中纖芯的明暗變化代表了折射率的周期變化。光纖布拉格光柵是光纖纖芯折射率沿光纖軸向呈周期性變化的一種光柵。目前已有的基于光纖布拉格光柵的各種傳感器的工作原理都可以歸結為對布拉格光柵中心波長的測量[8-9]，即通過對由外界擾動引起的布拉格光柵中心波長漂移量的測量，得到被測參數；布拉格光柵中心波長與光纖纖芯有效折射率以及光纖光柵長度周期Λ相關[10]即：
(1)
其中：為布喇格光柵的中心波長；為光纖纖芯的有效折射率；為布喇格傳感器光柵的柵距。
圖2FBG傳感器工作原理圖
顯然，寬帶光源的輸入光譜在通過FBG傳感器1后，形成了波谷峰值為的凹陷，而反射光譜則具有波峰。當光柵所在處的光纖產生軸向應變時，柵距變為：
(2)
此時布喇格波長產生相應的變化，它滿足：
(3)
其中：為有效光彈系數,它的值約為0.22。
另外，溫度變化會引起光纖折射率的變化，同時也會引起柵距的變化，當溫度變化為時，將引起布拉格波長產生移動，可以表示為：
(4)
其中：為光纖的熱膨脹系數，；為光纖的熱光系數，。
由(3)、(4)兩式得到同時考慮應變與溫度變化時，所引起的波長移動：
(5)
由此可知，只要測出布喇格波長的變化，就可以得到外界的應變或溫度擾動。
2 預制樁FBG植入工藝
預制樁一般是在工廠制作而成的，特別是預應力預制樁是在預制廠經過先張預應力，離心成型及高壓蒸養等工藝生產而成的高強預制混凝土構件[11]，無法將光纖光柵澆注到其中。在打樁的過程中，由于預制樁管壁與土體的摩擦力很大，將光纖光柵貼在預制樁表面時，很容易造成打樁時光纖光柵被刮斷[12]。本文采用在預制樁表面刻槽后放入光纖光柵再用高強度膠進行密封，這樣既成能保證光纖光柵的成活率，又能保證光纖光柵與預裝樁身變形的一致性。預制樁的FBG植入工藝主要包括以下四個工序。
（1）光纖熔接
在FBG傳感技術測量中，光纖只是進行光信號的傳輸，真正起到測量作用的是光柵的那部分。所以要根據樁長截取相應長度的傳輸光纖與FBG傳感器進行熔接。
（2）刻槽布纖
用開槽機在預制樁身表面沿著布纖路線刻槽，槽寬和槽深以能放入光纖為準(太深容易破壞樁身強度)，光纖放入槽內用502膠水進行定點固定，刻槽布纖如圖3所示。
圖3 刻槽布纖
（3）光纖保護
用高強膠（環氧樹脂）填充槽內進行光柵粘貼和光纖線路保護，在樁端出露的光纖用套管進行保護，將多余的光纖盤繞在樁頭并用緩沖材料進行包裹保護，光纖保護如圖4所示。
圖4 線路保護
（4）打樁對接
將布好光纖的樁按順序進行打入，在樁對接時進行上下兩樁光纖的對接，并將多余光纖盤繞在接頭地方進行強化處理，打樁對接如圖5所示。
圖5 打樁對接
3 工程實例
3.1 工程背景
嘉定區城北大型經濟適用房（南塊）位于上海市嘉定區，住宅樓和配套商業擬采用樁基礎，地下車庫、地下P型站和地下水泵房擬采用抗拔樁。工程主要負責樁基設計參數可行性研究工作。根據設計需要，結合勘察資料，進行現場原位測試，包括：模型樁單樁豎向抗壓、單樁豎向抗拔靜載，錘擊樁高應變跟蹤監測及樁身應力分析，獲得各層土設計參數。
3.2 測試方法
本文主要研究該工程中管樁（管樁樁長13.0m，內徑0.22m，外徑0.4m）的高應變檢測。通過光纖光柵測得應變數據分別與高應變測樁儀導出數據進行對比。樁身應力測量采用光纖光柵應變傳感器。光纖光柵應變傳感器布設：在樁頂以下1m處（-1m)布設一個；在土層交界處6.5m處（-6.5m)布設1個，在樁底以上50cm處（-12.5m)布設1個，FBG傳感器布設如圖6所示。
圖6 FBG傳感器布設圖
高應變初打跟蹤監測試驗按照《建筑基樁檢測技術規范》（JGJ 106-2003）進行，測試方法見圖7。
圖7 高應變測試圖
3.3 檢測數據分析
本文選取了一根測試樁，對樁的錘擊高應變數據進行分析。通過預埋在樁身上的光纖光柵測得應變數據分別與高應變測樁儀輸出數據進行對比研究，FBG傳感器測試出的數據曲線如圖8所示。曲線中第一個峰值的出現表示在擊打過程中樁身產生的最大應變，其余峰值是由于擊打過程中余震產生。圖形顯示在-1m處峰值最高，其次-6.5m處，-12.5m處峰值最小。這表明：在被擊打過程中，離測試樁由樁頂至樁底，樁身應變逐漸減小，在樁頂處會產生最大應變，所以在錘擊過程中要加強對樁頂的保護。
圖8高應變時光纖測得應變曲線圖
由于-1m處安裝的FBG傳感器與高應變檢測中的應變片安裝位置接近（檢測傳感器的安裝用膨脹螺栓安裝在距樁頂約2倍樁徑處），將-1m處的FBG測試數據與應變片的數據進行了對比，光纖應變曲線與高應變儀導出應變曲線對比圖如圖9所示。從圖9中可以看出，兩者的曲線較為吻合，這說明FBG傳感技術適用于高應變檢測。
圖9 高應變時光纖曲線與高應變儀導出曲線對比圖
4 結論
（1）本文將FBG傳感監測技術應用于樁基檢測中，將光纖光柵測得應變數據與高應變測樁儀輸出數據進行比較研究。結果表明：FBG傳感數據能較好地適用于高應變檢測，但也存在不足，由于高應變檢測同時需要應變數據和加速度數據，而此次測試只采集了樁身FBG應變數據，如果在樁身相應的位置能安裝FBG加速度傳感，同時采集FBG應變和加速度數據，擬合樁基的承載力與傳統高應變測樁儀測出的樁基承載力進行對比，將是本論文需要深入研究的一個方向。
（2）FBG傳感器可以安裝在樁體的任何位置，如果將FBG傳感技術運用于高應變檢測中，就可以
測得樁體任何位置的應變，而不僅僅局限于樁頂附近。
（3）檢測數據的精確度不但與測試方法有關，還與傳感器的性能有關，FBG傳感器正是由于其高精度、抗電磁干擾能力強等特點得到了工程界廣泛的關注。但是，由于其比較高的價格也限制著它的發展。隨著科學技術的發展，FBG傳感技術將會得到廣泛發展。
參 考 文 獻
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關鍵詞：光纖測溫裝置，原理，應用，效果
一 引言
電纜是變電站的重要組成部分。。由于電纜分布廣、易燃、著火后危害大且影響相關供電單位生產，對經濟造成巨大損失。因此電纜的防火歷來為電力部門所重視。但是電纜事故還是頻繁發生。隨著光纖技術的發展光纖傳感技術在電力設備故障檢測中的應用得到了逐步推廣，其中光纖測溫技術徹底解決了困擾電纜運行中過熱監測的難題，可以實現對電力電纜發熱敏感部位溫度的準確、實時在線監測和故障預警、精確定位。
二 系統簡介
AT810分布式光纖溫度傳感器系統是集光、機、電、計算機、光纖光纜和弱信號檢測等技術為一體的高科技產品，主要依據激光耦合到光纖中，利用光纖的光時域反射（OTDR ）和光纖的背向喇曼散射溫度效應。將感溫光纜敷設于待測空間，可連續測量、準確定位整條光纖或光纜所處空間的溫度，還具有不帶電、抗射瀕和電磁干擾、抗腐蝕、耐高溫和使用壽命長等優點。
本系統主要由測溫主機、應用軟件、感溫光纜及其他周邊設備配置而成，對電纜橋架、電纜夾層、溫油罐和變壓器等設備的溫度進行連續線型實時在線監測，在被監測設備發生火災前即發出預警，使用戶及時采取措施，排除隱患。整套監測系統通過其測溫控制主機通訊接口或干接點繼電器端子與火災報警主控制器相連，并向其提供火災報警區的報警信息及運行和故障信號。
三 光纖測溫原理
激光脈沖在光纖中傳輸時，由于激光和光纖分子的相互物理作用，會產生三種散射光：瑞利散射、拉曼散射和布里淵散射，其光譜分布如下圖所示：
其中拉曼散射僅對溫度敏感，因此最適合用來測量溫度。AT810 光纖測溫主機就是采用拉曼散射（RAMAN）和OTDR 技術研發的分布式光纖溫度探測處理器（DTS），其工作原理如下：
1、激光器發出一束激光，通過耦合器調制后射入感溫光纖中；
2、光纖中反射回的拉曼散射光通過光譜分離模塊分解成不同波長的Stokes散射光和Antistokes 散射光。其中Stokes 散射光的強度與溫度弱相關；而Antistokes散射光的強度與溫度強相關；
3、通過對兩束光信號進行處理和對比計算得出溫度沿光纖的分布曲線；
4、利用光時域反射技術（OTDR），通過計算光波的傳輸速度和回波時間實現對所有溫度點的定位；
四 AT810光纖測溫預警系統在電纜線路中的應用
AT810光纖測溫預警系統硬件組成如下:
應用中把特制的感溫光纜鋪設在待測電纜上方，讓二者緊密接觸。為提高監測的精度，以準確地獲得被測電纜上各點的溫度情況，須將傳感光纜梆扎在電纜上。
下圖為“分區溫度顯示”界面：
每個分區為一回電纜饋線，分區溫度顯示的是分區內所有溫度里的最高值。
雙擊分區溫度畫面上的分獲圖塊即可打開分區的實時曲線圖：
從中可以清楚地看到當時整條電纜的溫度分布情況。
五 應用效果
目前光纖測溫系統已經全面應用在我變電站電纜回路中，在運行中曾多次對過熱點準確報警，使事故隱患得到及時消除并能夠在電纜突發性故障中準確判斷出故障位置，大大節省了故障處理時間，使故障線路迅速恢復供電。下圖為某饋線電纜絕緣擊穿發生單相接地事故時的溫度曲線：
通過曲線可以判斷出故障發生在250米。
六 應用注意事項
1、輸入電流為交流220伏市電；
2、嚴禁帶電插拔光纖測溫主機與報警輸出箱之間的連接線；
3、主機光纜輸入接頭要保持清潔，平時用端蓋保護；當與監測機連接時，端部要用無水酒精清洗干凈后可靠連接。。
4、系統在工作時，禁止觀察傳感光纜尾端、連接處或者光纜的損壞處，激光會損害眼睛；
5、傳感光纜最小彎曲半徑不小于5cm，不能用硬或銳利物體擠、壓和沖擊傳感光纜，并應遠離熱源；
6、由于上位監控系統后臺服務程序啟動需要一段時間（約2分鐘），當上位監控軟件打開時可能會提示無法連接，等待兩三分鐘后按F5刷新屏幕即可；
7、在光纖測溫系統剛剛啟動的幾分鐘里，上位機監控畫面上的溫度可能是不準確的，這是因為光纖測溫系統主機內的恒溫槽還沒有達到穩定的工作狀態，其預熱的時間大約需30分鐘；
8、歷史溫度曲線查看時，選擇的時間段長不要超過4 小時，不然系統查詢數據會很慢；
9、系統投入正常運行后要定期（至少一年一次）對系統功能進行測試，以測試和檢驗系統的火災探測和報警能力。。
七 結束語
通過我變電站的實運行經驗表明光纖測溫預警系統不僅能夠得到電纜的實時溫度分布，及時發現薄弱環節，還能超溫報警、升溫速率報警及準確判斷故障地點。使運行人員能及時了解運行情況、消除故障隱患，防止惡性事故的發生。因此光纖測溫預警系統是一種理想的電纜過熱監控系統，不僅可廣泛應用于發電廠和變電站的電纜過熱監控中，也可以應用于地鐵、船舶、石油平臺、銀行和大型圖書館等重要場合的電纜過熱監控中。
八 參考文獻
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[2]韓浩江．分布式光纖溫度故障預警檢測系統原理及應用[J]．上海電力，2007，（5）．
【關鍵詞】 布里淵 分布式 光纖傳感
隨著社會發展，安防已經變得越來越重要，及時發現入侵對我國安防建設有種重要的意義，別的安防系統監測距離短且容易受到電磁的擾動，而本文中敘述的安防系統不僅監測距離長而且不容易受到電磁的干擾，對安防領域具有重要意義。光纖傳感入侵定位監測系統可以通過監測光纖應變或震動等確定事件發生的位置，已有傳感定位系統多采用Sagnac干涉環結構或者馬赫-增得干涉結構實現定位，但無法同時滿足高精度和長距離探測。這樣的話就必須采用BOTDR原理，利用自制的光纖縱模分布反饋激光器，結合邊緣濾波調解技術，建立一套分布式光纖傳感入侵定位系統監測，實現了對入侵事件的實施快速定位監測，空間分辨率也相應高了起來。
一、布里淵散射傳感原理
布里淵散射原理是基于光纖中光波與聲波在傳播過程的相互作用，這兩者的相互作用會使光產生頻移，該頻移的產生相當于入射波被一個聲光柵散射產生了反射光子，我們利用這個頻移，通過測得其頻移方向和大小，來實現傳感物理量的轉換。光纖所處溫度、所受應變皆可通過布里淵頻移間接計算得出。在實際工程使用中，由于入侵事件都是不確定的，所以需要一套具有實時監控能力且無盲點的監測系統才能完全監測到入侵、避免出現遺漏，而光纖作為傳感原件是沿線路連續分布的，這就避免了線路中產生盲點。通過對光纖中布里淵散射頻移量大小的監控，可以分析得出被入侵點的準確位置，以及被入侵程度，這就是目前布里淵散射在光纖傳感入侵定位監測系統中最有效的應用方式，達到了兼備高精度、無盲點、長距離、實時性等諸多優異性能。
二、實驗與分析
由于本項研究處于早期階段，所以此次試驗都是采用自制的激光器、自制傳感光纜以及其他自制光信號解調器。并參考了各類中外文獻，以及前輩所寫的論文，保證本次試驗和分析能夠得出更為準確的結論，更好的為國家安防事業做出貢獻。我們將激光輸出進行一定的比例分束，然后小比例的一束作為本振光，另外一個大比例的經偏振控制器調整偏振態，通過電光調制器進行脈沖的調制，經過摻鉺光纖放大器1放大之后，波分復用器濾過自發輻射噪聲通過擾偏器和環形器，輸入到單模傳感光纖里面去。散射回的信號此時變得非常非常弱，必須得通過摻鉺放大器2來放大，然后再經過一個環形器，通過自己制造的窄帶可調諧光纖光柵濾波器之后的布里淵反射光和本振光相干，通過高速光電探測器的監測，然后得到了實驗的最終結果---后向布里淵散射信號。
在實驗中，波分復用器濾波的通道為1550nm，帶寬30nm，隔離度大于20dB，損耗小于0.15dB，和本振光相比，相對有一定的偏移量，能滿足實驗的要求并且監測到相干信號。放大之后的布里淵信號只有um量級，采用高速光電探測器前置放大濾波電路對信號再次放大濾波，然后通過邊緣濾波，將布里淵信號的平移變化轉換成強度變化，并通過累加平均處理，平均2的12次方次后，得到最K監測結果。其中前置放大濾波電路實現對微弱電信號的放大并抑制信號頻帶以外的噪聲，其濾波中心頻率為11GHz，3dB快帶為1Hz，插入損耗小于0.1dB。實驗系統采用50ns脈寬的光脈沖，重復頻率為10KHz，傳感光纖長度為10km。因此，完成2的12次方次累計平均處理所需時間小于1s，即系統的監測周期小于1s，可滿足快速監測入侵事件的要求。
經過實驗分析表明。實驗系統在室溫25度環境下且光纖不受外力時，布里淵信號的中心頻率在10.9GHz左右。因此當應變和溫度引起的頻移總和超過初始中心頻率100MHz時，信號將越過帶通濾波器的單邊上升沿的邊界，導致信號幅值減小，從而引起錯誤判斷，限制了系統的監測范圍。采用更大帶寬的帶通濾波器并合理的選擇其中心頻率，可以擴大系統監測的動態范圍。
至于如何消除緩變溫度的影響，適應野外環境下的應用，以及進一步提高系統的應變分辨率，將在后續的工作中研究。
結論：在BOTDER原理中用單縱模光纖光柵到帶通濾波器理論結合實際的實驗中表明，系統可以在1s對10km范圍的傳感器進行測量，并達到5m的空間分辨率和200uε的應變分辨率。這項實驗表明本系統在監測入侵領域的能力，即便現在所處階段并不成熟，也能對國家安防領域起到很重要的積極意義，而且經分析判斷和實驗結論，基于布里淵散射的分布式光纖傳感入侵定位監測系統在長距離入侵定位方面有著良好的前景。
參 考 文 獻
【關鍵詞】光電測試技術 教學內容研究 電力特色
《光電測試技術》是上海電力學院測控技術及儀器專業的重要專業選修課。它是一門綜合性很強的課程，涉及了光學、電子和計算機等多門學科，也是現代檢測技術重要的發展方向，對培養學生綜合運用專業知識及創新能力起著非常重要的作用。如何在有限的學時內，通過該課程的學習，培養學生達到教學目標，這對教師提出了挑戰。筆者從教學內容的選取和組織安排等方面進行了一定的探索和研究。
一、優選教學內容
光電測試技術課程包涵的知識點很多，并且隨著科技的進步，新的測試技術不斷地出現，需要進一步擴充教學內容。而不同的院校有又不同的背景，在不同的領域上有所側重，需要量體裁衣，合理選擇教學內容。
（一）突出電力特色
上海電力學院的辦學定位與培養目標是主要為社會培養和輸出所需要的應用型技術人才，特別要為電力行業的科技進步服務，培養電力行業所需的第一線的應用型技術人才。為了突出本校的電力特色，尤其考慮到測控技術與儀器專業的部分學生在畢業后會進入電廠等相關電力領域工作，所以在教授內容中加入最新的電力知識是很有必要的。
近年來，光電測試技術的發展可以說是日新月異，新的科技成果不斷涌現，在電力系統中的應用，主要體現在以下幾個方面。
1.火焰圖像檢測器
光學成像技術在燃煤火電廠煤粉爐爐膛火焰視頻監視上的應用，可以直接地反映爐膛內的燃燒情況，給運行人員提供相對直觀的判斷依據，對鍋爐的安全運行和操作起到及時的指導作用。安裝好、調試好、使用好爐膛火焰電視設備，對鍋爐的安全和節能經濟運行都有著非常重要的意義。這部分內容可以和書本教材中的固體成像器件配合起來教學。
2.激光盤煤技術
傳統的煤場存煤量測量方法不僅需要耗費大量的人力和物力，其測量結果也極不準確，嚴重制約了電廠現代化管理水平的提高。目前新型的自動盤煤方法為激光盤煤儀，采用二維高頻率激光掃描儀對料場的表面進行高頻率斷面掃描獲得高密度的斷面數據，結合行程測量器獲得的料場長度和回程測量器獲得的掃描儀偏轉角度數據，實現料場體積的計算、料場三維模型的顯示。在盤煤的實時性和準確性方面都有顯著的改善，取得了比較滿意的結果。[1]該部分內容可以和書本教材中紅外輻射與紅外探測器配合起來教學，還可結合數字信號處理、數字圖像處理等課程對圖像恢復重建等展開探討。
3.光纖傳感技術
光纖傳感技術具有細而柔軟、抗電磁干擾、絕緣性能好、防爆性能好、 耐腐蝕、導光性能好、信號衰減小等特點，可以解決常規檢測技術難以完全勝任的測量問題。分布式光纖傳感技術是隨著“智能結構和智能材料”的需要而發展起來的一項新技術，集傳感與信息傳輸于一體，廣泛應用在電力行業中：電纜狀態監測，如電力電纜的表面溫度檢測監控、事故點定位、電纜隧道、夾層的火情監測等；變電站監測，如母排、橋袈、變壓器、電動機、發電機、配電盤的溫度分布、測量及故障點檢測等；水電站、發電廠監測，如加熱系統、蒸汽、輸油管道；送煤系統的溫度監測和故障點的檢測等等。
光纖傳感技術正好和書本教材的光導纖維與光纖傳感器匹配，在了解光導纖維與光纖傳感器的基本原理后，引入大量的光纖傳感技術在電力系統中應用的工程實例，更好地貫徹了理論聯系實際這一原則，可以使學生思考如何學以致用。
（二）適應科技發展
光電測試技術內容多，知識面廣，又是多學科交互融合、互相滲透的前沿科學。通常情況下，教材對基礎知識、基本原理和基礎效應介紹較多，對具體應用和設計方面則較少；對經典的光電器件介紹較多，新型光電器件較少；傳統技術敘述較多，尖端技術和綜合應用較少。由于種種限制，不可能找到一本非常完美、各方面都滿意的書本教材，我們只能選擇較合適的，在講授基本內容的同時，一定要補充最新的相關內容，將新型的光電檢測器件、新型的光電測試技術和手段、各種光電檢測器件的最新進展和應用等最新相關科研成果融合在教學過程之中，不斷進行教學內容的完善和改進，有效的引導學生了解最新的、最先進的科學內容。比如在中國第一個目標飛行器和空間實驗室——天宮一號與神舟十號飛船實現對接時，激勵學生關注其中所采用的最新光電測試技術。
以上的內容是書本教材所無法包括的，所以我們要結合時代科技的進步，與時俱進，不斷深化教學內容，注意學校的行業特色，關注火電廠及電力設備等的光電測試技術，對于教材上沒有提到的但是有益的內容，一定要在課堂上提出，或者給出相關概念引導學生自己查找所需資料，不斷的通過自制多媒體課件、課外資料等來添加教學內容，給《光電測試技術》注入新的血液，來激發學生的學習興趣。
二、 精心組織教學內容
上海電力學院將該課程核定為32學時，在短課時內，面對如此多的教學內容，需要根據本專業的特點精心組織安排，否則會使得內容雜亂無章，缺少完整性和系統性，讓學生無所適從。
（一）課程認識和章節聯系
首先講解課程的主要內容、結構和各章節的之間的聯系，讓學生對該課程有一個整體性的認識，然后具體到每一個章節。在開始學習前都列出教學要求，學完一章后都有復結，讓學生清楚自己應該達到的標準，也方便期末考試。第一部分光電測試技術的理論基礎是最基礎的內容，尤其是我校未開設《物理光學》《應用光學》等相關課程，學生只是在《大學物理》中接觸過有關光的知識，這部分必須詳細講解。第二部分是常用的光輻射光源，只有這一章是講如何產生光信號的，其中光電測試用主要的光源發光二極管和半導體激光器都是從電信號轉換成光信號，正好與第三部分光電檢測器件是如何進行將光信號轉換成電信號相對應，可以讓學生更換地理解光電轉換。第三部分是各種光電檢測器件的結構原理及應用，要結合它們各自典型的應用系統的分析和設計，使學生對整個知識體系有個更全面、更深刻的理解。
（二）注意知識點的聯會貫通
光電測試技術涉及光、機、電、自動控制等許多領域。如在講到光電器件和集成運算放大器連接時，模擬電子技術中運算放大器的三大特點：“虛短”“虛斷”和“虛地”，如何運用它們來完成電壓放大、電流放大和阻抗變換，而這牽涉深度負反饋的概念，又與自動控制相關。所以在教授新課程的時候，不斷地回顧先前學習過的課程，可以較好地調動學生的參與積極性，不會覺得什么都是新的，都要從頭開始學，能夠溫故知新。
（三）重視實踐教學
《光電測試技術》又是一門實踐性很強的學科，我們積極鼓勵學生參加大學生科技創新活動，堅持課堂教學與課外創新實踐活動相結合，提高學生的設計與綜合分析能力。
例如講解光敏電阻后，先采用浙江英聯科技開發有限公司的YL系列傳感器實驗儀及系統實驗臺開設光敏電阻的特性測試實驗，讓學生先了解光敏電阻的光電特性、伏安特性和光譜響應特性，對書本知識深入掌握后，再鼓勵學生從光敏電阻特點出發自己設計路燈自動點熄電路，通過查找閱讀資料并與實際應用電路比較，能否進一步改進，使其更加智能化、自動化等，最后以小論文的形式提交。這樣不僅加深了學生對基礎知識的理解，拓寬了知識面，更是鍛煉了學生獨立思考和自主創新的能力。
在教學過程中，注意提出在日常生活中的一些光電檢測系統應用實例，可以提高學生學習的熱情。如講到光電開關，就會提到在洗手時，是如何實現手到水出的？除了光電開關外，還有什么器件能夠達到這種效果的？熱釋電器件可不可以？
三、結論
對《光電測試技術》的教學內容進行了探討，通過合理選擇教學內容、注重結合我校電力特色、重視實踐教學，將學生獨立思考能力、動手能力和創新能力的培養融合到專業課教學中，培養適應21世紀全面發展的高素質人才。
【參考文獻】
[關鍵詞]傳感技術；實驗教學：改革；創新思維
[中圖分類號]G40―057
[文獻標識碼]A
[論文編號]1009―8097(2009)13―0307―02
引言
高等學校是培養高素質創新人才的基地，如何培養出培養高層次高素質技能型人才以滿足社會需要，已經成為當代高校教育的核心問題。實驗教學是高等院校教學體系的重要組成部分，是實現素質教育和創新人才培養目標的重要教學環節，相對理論教學，更具有直觀性、實踐性、綜合性、探索性和啟發性，對啟迪學生的思維，加強學生對理論知識的理解，培養學生掌握科學的實驗方法與技能。提高學生綜合素質、動手能力與創新能力起著關鍵性的作用。傳感器技術是一門實踐性很強的學科，其教學過程中實踐教學環節的重要性也就尤為突出。
一 傳感技術實驗教學現狀
近年來隨著社會發展對人才要求的進一步提高，實驗教學工作已越來越引起人們的普遍關注，但是其現狀仍不樂觀。《傳感器技術》作為自動化、測控技術及儀器等專業的一門專業基礎課，其實驗教學環節仍然存在如下現象：實驗教學模式仍是應試教育模式，比如實驗教學本身沒有完全擺脫以驗證理論為主、學生“照著做”的實驗模式；長期的應試教育，養成了學生重視理論課學習而輕視實驗課學習，學生對實驗課是敷衍了事。整個實驗過程中學生處在一種被動盲目的狀態，學生只動手而很少動腦，缺少參與實驗的主動性和積極性。實驗教學方法方面，注重程序化訓練模式多，發揮學生主動性不夠；重知識傳授多，培養學生動手操作力不夠；注重灌輸式教學方法多，采用啟發式、研討式教學方法少。實驗教學內容方面，偏重于傳統驗證性實驗，內容單一、陳舊，方式單調枯燥，學生對綜合性、設計性實驗的興趣和動手能力沒有得到提高；學生的創新心理得不到滿足，創造能力得不到培養，個性得不到充分發揮。另外實驗儀器設備條件相對比較薄弱，可能也是學生不重視實驗課的原因之一。正是此類種種原因使得實驗教學沒有達到其真正目的，根據我校檢測技術實驗室現狀提出一點個人見解，旨在提高學生的動手能力，培養創新型人才。
二 傳感技術實驗教學改革探討
1 提高學生對實驗課重要性的認識
要搞好實驗教學和改革，必須要轉變理論教學高于實踐教學的這種輕視實驗教學的傳統思想觀念。教學效果優秀與否在于教師，而學生的學習效果在很大程度上取決于他們對這門課程的重視程度。通常情況下，學生認為實驗課是理論教學的輔助和補充，因此對其不夠重視，導致實驗做完后只是學會了一些簡單的操作和儀器的基本使用方法，而忽略了實驗過程中對問題的的分析和解決。所以必須提高學生對實驗課的重視程度，變被動學習為主動學習，培養調動學生的積極性，最終實現學生自主創新能力的培養與提高。針對這些問題，我們將實驗學時列入計劃學時之內，并且體現在教學課表中，使實驗教學與理論教學同步，且實驗成績作為該課程成績的一部分：在采取了這些措施之后，學生對實驗課程的重視程度有了明顯的提高。
2 加強對實驗課的考核
學生最關心的就是成績，因此成績評定方式對于實驗教學十分重要，要充分利用這一特點來設計合理的考核方案，在達到考察目的的同時，使學生通過實驗能夠深入理解理論知識，進而培養學生的動手、創新能力，為此，我們設計了較為合理的實驗成績評定公式：實驗總成績=紀律成績(30％)+操作成績(40％)+報告成績(30％)。成績評定的重點在于學生是否理解并靈活應用了所學知識，同時鼓勵創新思想和創新實踐過程，而不僅僅是實驗結果的正確與否。成績評定重視實驗數據的處理過程而不僅僅是實驗報告的形式。另外，對于設計性實驗，考核公式中的操作成績以當面驗收為考核依據，通過演示和口頭介紹展示實驗過程及實驗結果。雖然在實驗指導及考核過程中，指導教師的工作量有所增加，但這種約束體制有利于培養學生的動手及創新能力。
3 實驗教學內容的改革
為了突出實踐教學在培養學生應用意識與工程實踐能力方面的作用，達到使學生消化理論、提高能力的目的，對傳感技術的實驗教學內容進行了一系列改革。
其一，保留一些基礎驗證性實驗，如電阻應變、電渦流特性、光纖傳感器特性實驗等，使學生通過這些實驗，理解傳感器的基本原理和特性，消化并吸收理論教學內容。
其二，增加一些綜合性實驗，包括原理上的綜合、方法上的綜合以及傳感器特性的綜合；如利用電阻應變片設計數字電子秤，利用霍爾傳感器設計測速電路等：也有方法上的綜合，如可以利用多種傳感器完成轉速、位移、重量等被參數的測量。這類實驗基本上都是在現有實驗設備基礎上能夠完成的實驗，目的是讓學生在實驗的過程中理解和吸收理論教學中的原理型知識，并加以簡單應用。初學這門課程的學生對于這類實驗很感興趣，甚至由此對該課程產生好奇，極大的激發了學生深入探究傳感器技術的欲望。
其三，開設一些簡單的設計性實驗，利用實驗臺上的某一部分，與學生自行設計的內容連接，來實現對某一信號的檢測。如在直線霍爾式位移傳感器實驗中，讓學生自己設計一個信號轉換電路來替代實驗臺配套的處理模塊，并將其測量的實驗結果與原來的結果進行比較，分析差異的原因，并在其基礎上進行改進。這類實驗主要是一些設計量小、費時少、需要另加元件也較少的項目。目的是在加深理解理論教學中轉換電路作用的同時，鍛煉學生的實際動手與設計能力。
其四，開設綜合設計型實驗，該類實驗項目主要是實驗教師根據課程及實驗大綱要求，設置情景，提供材料，提出問題，在此基礎上，讓學生通過分析問題、資料收集、理論驗證，最后提出解決問題的方法；使學生進一步認識到傳感器在控制過程中的實際作用，使其在解決問題中獲取知識、應用知識，以培養其創新精神、提高其綜合素質和實踐能力。例如，針對目前家用天然氣設備增多的同時，天然氣安全隱患也隨之增長的現象，讓學生利用傳感器設計一個簡單的天然氣安全報警器，要求實現的功能是檢測空氣中甲烷(CH4)濃度的含量(天然氣主要成分是CH4，濃度介于4～16％時會發生爆炸)，當超出安全限時可以實現聲光報警：設計中所必需的元器件由實驗室提供。對于這類實驗項目，需要學生自己查找資料設計天然氣安全報警器的檢測電路，并通過實驗進行驗證。在此實驗過程中學生不僅領會了傳感器的作用，還了解了傳感器在生活中的應用，更重要的是鍛煉了學生的動手和實踐能力。再比如可以讓學生自己制作一些小產品模型，如自動避障小車、恒溫控制儀、濕度檢測儀等與生活息息相關的各種小儀器，讓學生在做實驗的同時，也真正的體
會到傳感技術在生活中的無處不在。通過一屆學生的試驗我們發現學生對這類實驗項目的興趣非常高，而且有很多其他班級、年級的同學都期待能夠早日步入檢測技術實驗室，來體驗生活中的傳感技術。因為實驗學時所限。該類實驗只局限在一些較簡單的設計項目上，起到拋磚引玉的作用。
其五，研究型實驗。研究型實驗的目的是培養學生獨立分析問題、解決問題的能力。對于該類實驗，實驗室提供進行開發的各種儀器設備，如計算機、示波器、仿真器、開發板、傳感器等，學生自擬題目，自由組隊，分工合作。在實驗進行之前要求學生進行方案論證、可行性分析以及設計‘結果預期，由主要指導教師對報告進行審核，通過后學生方可進入實驗階段，在實驗過程中指導老師及實驗室老師應給予必要的技術指導。實驗結束后由主要完成人并提交實驗報告及相關研究論文，并進行匯報。該類實驗項目設為全校公開實驗項目，或定位為面向全校開放檢測技術實驗室。目前此項工作正在運行并計劃長期堅持下去，我們期待它的成功，并堅信一定能培養出具有更強競爭力的人才。
4 實驗教學方法的改革
實驗課是驗證理論、應用理論以及鍛煉學生動手能力的重要環節。在實驗指導的方法上，應改變傳統的灌入式實驗教學方法，采用多種方式同步進行。例如：啟發式教學方法，以問題為中心，讓學生發現并提出問題，或教師提出問題，或師生共同提出問題，在此基礎上，通過分析、資料證明、理論驗證，提出解決問題的方法，讓學生在問題的提出與解決中獲取知識、應用知識，培養創新精神和實踐能力：實驗探討教學模式，主要是教師和學生共同設置實驗目的，討論實驗要求，分析實驗對象、條件，預測實驗結果，讓學生手、眼、腦并用，廣泛參與實驗操作，動手實驗，觀察實驗，記載實驗，分析實驗等。對于實驗指導方法要因人而異。有時還要具體問題具體分析。
如今多媒體教學和網絡教學已經成為現代教學的發展主流，利用圖文并茂、生動形象的多媒體教學，可以激發學生的積極性與創造性、變被動為主動學習。網絡教學可以實現資源共享，而且可以不只是單一的學生或者老師搜集信息，很多學生和老師可以共同收集信息，很多人都可以參與進來，把一個在學校里的平臺，拿到了全世界，同時又可以隨時享用別人的成果。將多媒體和網絡教學引入到實驗教學環節，豐富了教學內容，拓展了教學情景，推進了實驗教學的信息化，構建起了自主學習的新型教學模式。同時使用多媒體實驗教學可以降低實驗消耗，提高教學效率。當然這就要求教師制作出高水平的多媒體課件，不僅要集中各項教學信息，而且要題材新穎、方式獨特，互動性好，能夠直接用于課堂教學及網絡教學。此外，設計并開發基于網絡的虛擬傳感器實驗室也是我們實驗室建設和實驗教學改革的又一發展方向。
[關鍵詞]分布式光纖振動傳感器；馬赫-曾德（M-Z）干涉儀；相位
中圖分類號：TN818 文獻標識碼：A 文章編號：1009-914X（2015）15-0122-02
0 引言
廠區安全，逐漸變成人們關注的焦點。為了保證一個廠區的周邊安全，往往需要安排大量的安防人員進行定時定期的巡檢，此種方法不但復雜而且消耗大量的人力物力，無法實時監測廠區安全狀態和及時發現廠區的入侵破壞行為。而隨著科技的發展，人們開始將光纖傳感技術應用于廠區周界的安全防護上，由此一些公司開始研發周界安防產品，與其它周界防護方法來說該系統有著無法比擬的優勢。
振動光纜周界防護系統是新一代信息化安全預警系統，采用光纜作為傳感器件，無論是通過對光纖的直接接觸，還是通過承載物間接接觸，都將引起光纜的擾動。當光纜產生振動后，系統從光纜中采集擾動數據，進行分析處理，處理后交給后端服務程序進行智能識別（智能識別可以判斷出不同的外部干擾類型，報警程序可根據智能識別結果實現系統預警或實時告警功能，從而達到對設防區域進行入侵監測的目的。該系統以光纖作為傳感單元，可實現高靈敏、長距離，大范圍的周界防護，非常適合于廠區周邊的入侵防范應用。
本文采用M-Z干涉技術，結合實際應用條件，實現了一種振動光纜周界防護系統。系統結合廠區周界防護環境和綜合信息平臺，實現對廠區的實時監控，實現廠區安全的監測預警，避免惡意入侵行為的發生。
1 系統原理
系統采用在監測區域鋪設光纜作為振動光纜的探測設備，對監測區域環境的振動信息進行連續的分布式的監測，并根據振動信息的異常點處激光信息正反向傳輸達到振動設備主機的時間差值，進行振動異常點定位。
振動光纜周界防護系統是基于M-Z干涉技術為基礎進行設計。由激光器發出連續激光，經過耦合器1分為兩束，分別進行順時針方向傳輸和逆時針方向傳輸。順時針方向直接進入到耦合器2和耦合器4搭建的M-Z干涉儀中感受外界振動信息，經耦合器3輸出被探測器2探測到；逆時針方向經過耦合器3，進入到耦合器4和耦合器2搭建的M-Z干涉儀中感受外界振動信息，耦合器2直接輸出被探測器1探測到。
M-Z干涉儀分為信號臂和參考臂，信號臂主要用于感受外界振動信息，參考臂提供相位參考值作為相位變換對比。由干涉原理可知同頻率同振動方向的兩束光波發生干涉時，該點干涉的光強為：
式中，、分別為發生干涉的兩束光的初始光強，為兩束光之間的初始相位差。光通過耦合器進入干涉儀兩臂傳輸后再發生干涉。此時發生干涉的兩束光的相位差可以看作是由于兩條光纖臂本身光程不對稱等原因造成的初始相位差，壓力作用造成的相位差，以及應變導致光纖長度變化產生的相位差三者的迭加。即：
由于通過光電探測器可以探測到光強，而初始相位差是一個定值，因此光強的變化只與后面兩項所表示的相位差和的變化有關，所以在測得光強的變化后可以得出兩束光的相位差的變化。通過對相位差的分析，就能得到作用在干涉臂上的振動壓力的情況。
系統的定位算法，是通過檢測兩路攜帶相同振動信息的干涉信號分別被兩個探測器探測的時延差而進行定位的，其計算公式如下：
其中X為振動信號到達監測主機的光纜長度；L為3芯傳感光纜的長度；ν為光在光纖中傳輸的速度；Δt為兩個探測器探測到信號的時延差。
時延的計算可通過正反兩個光路的光信號的互相關函數求取。假設兩端信號為：
其中，分別為兩個探測器檢測到的信號，為管道的振動信號，為噪聲，為比例系數，為兩個信號之間的時延。
通常是互不相關的平穩隨即過程，則兩探測器信號的互相關函數為：
互相關函數中，時，會出現峰值。確定獲得最大值所對應的值，可確定兩個測試信號之間的時間差。
2 系統架構和功能
振動光纜周界防護系統根據設備安裝和使用環境分為中央控制室和工業園區兩部分。整個系統架構如圖2所示。
中央控制室主要包含主機、報警器、中心數據庫和監控顯示端；工業園區主要包括傳感光纜和光模塊。
系統主要通過傳感光纜感受到外部振動信息，并將信息傳送給主機進行分析判斷，主機針對探測信息進行相位信息變化判斷。當有非法入侵產生時，相位信息會產生特殊變化，結合智能識別算法進行相位信息變化判斷，排除環境干擾信號影響因素，確定出非法入侵的特性并確定出準確位置。
系統探測到非法入侵的報警信息，通過局域網傳輸給綜合信息平臺進行報警界面顯示和報警器、攝像頭等設備聯動；同時也將報警信息存儲到中心數據庫，用于報警信息查詢、分析和處理。
振動光纜周界防護系統根據組網可包含如下軟件平臺，分別為監控平臺、控制平臺和數據處理平臺，三個平臺相互連接形成三級管理體系。
信號處理平臺主要實現對探測區域的振動信號進行實時檢測，并實現光信號到微弱電流信號、微弱電流信號到電壓信號的轉換，完成信號的提取，并對轉換后的信號進行預處理；對采集的不同振動信號濾除環境干擾信號，進行特征向量提取，根據信號持續的時間長度、振動強度、光學相位變化趨勢和信號的頻譜等特征進行分類學習；對非法入侵事件根據時延差進行定位計算。
控制平臺起到連接信號處理平臺和監控平臺的橋梁，將信號處理平臺的報警信息數據上傳給監控平臺；同時能夠對數據處理參數和區域進行調整，保證報警信息真實有效。
監控平臺根據現場情況自主定制圖形化操作界面，便于用戶操作和報警查看，以生動的圖像形式向用戶展現報警信息；支持報警歷史記錄管理、記錄、查詢，提供短信、郵件報警通知，提供脅迫密碼報警功能；可提供聯動視頻、聲光報警器等外部報警器等功能。
3 應用研究
在某工業園進行應用，工業園總長度約為7050米，為保證人為入侵能夠準確被測量到，采用振幅為1米的正弦波光纜鋪設方式，該方式鋪設，光纜使用長度約為工業園總長度的2倍，同時為了維修方便，在部分位置留有預留光纜，鋪設光纜總長度為20000米。采用光纜為4芯直埋光纜，留有1芯作為備用芯。
振動光纜鋪設一共分為4層，自底層往上依次為底層土工布、格柵（光纜固定于格柵上）、上層土工布、草坪。其鋪設示意圖如圖3所示。
圖3 鋪設示意圖
底層土工布為可滲水土工布，位于最底層，深度約為5厘米，土工布上擺放格柵，選用尼龍扎帶將光纜綁扎在格柵上，每30厘米作為一共綁扎點，正弦鋪設寬度約為1米，放置好格柵和光纜后，鋪設上層可滲水土工布，并覆蓋上約為3厘米土壤，最后將綠化草坪鋪設于上部，進行隱蔽布置。
在該種鋪設條件下，進行不同體重的人為走動、翻墻跳躍等不同方式的模擬入侵，系統能夠及時探測到，并聯動聲光報警器進行報警提示，同時監控端構圖界面對應位置顏色發生變化，且顯示報警信息；經過幾百次模擬入侵，系統能夠準確報警定位，定位平均誤差小于15米；系統誤報率極低，完全可以滿足需求，可有效實現周界安全的防護和監控。
4 結論
振動光纜周界防護系統可以有效的監測廠區周圍的各種入侵行為，并且可以聯動視頻對現場的情況進行拍照取證。警務人員接到報警后立即出警，避免的復雜的巡檢工作，節省了人力物力。
目前該系統已經應用于安全防護項目中，根據現場使用情況來看，該系統具有較高的靈敏度和定位精度，系統通過與人防的緊密結合，實現了人防聯動，防護廠區安全等方面發揮了舉足輕重的作用，有效地保護了廠區的安全，保證了生產工作的順利進行，為廠區的發展做出了貢獻。
參考文獻
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關鍵詞：智能結構；應用現狀；現代建筑；
中圖分類號：B83文獻標識碼： A
經濟的快速增長，人民生活水平的不斷提高，在推動建筑行業的發展的同時，也對其發展提出了更高的標準。目前在我國大型建筑物日益重要，像高層建筑、大型水壩、地下工程等都需要有一個高強度的骨架作為支撐，才能使建筑物的安全性、實用性得到保障，此時智能土木結構應運而生，并擔當了“土木工程界的知識經濟”。現今，智能土木結構在現代建筑中發揮重要作用的同時，也開辟了土木工程快速發展的新天地。
一、智能結構簡介
在社會高速發展的信息時代，土木工程師把視野轉入信息材料上，開始了將傳感器、驅動材料應用于建筑結構中的探索，以求建筑結構本身穩固性的同時，還能對建筑結構內部進行及時的感知，使人們能及時對建筑物的安全性與穩固性做出更確切的分析，從而做出對該建筑物是維修還是報廢的判斷，這也是人們對智能結構最初的嘗試。現在書籍中對智能結構進行了定義，是指在基體材料中融入具有仿生功能的材料，是最終的材料或者構件滿足人們對其智能化的需要，這種結構就是智能結構。智能土木結構按其材料可分嵌入式智能土木結構和基體、智能材料耦合結構兩種類型。現在建筑工程對智能架構的應用是十分廣泛的，建筑結構中安裝使用智能結構，使建筑物能準確應對外界環境的變化并對自身作出及時的內部調整，特別在遭遇強風或地震時，智能結構對整個建筑物尤其重要。在地震幅度不是很明顯時智能結構實現結構控制一體化的優勢更能充分發揮其作用，此外，智能結構對提高建筑結構的抗震性也發揮著很重要的作用，智能結構在建筑領域的應用對建筑設計、建筑施工及建筑檢測都起著至關重要的作用，智能土木結構保障建筑物的穩固的同時，也保證了人民的生命財產安全。
二、智能結構應用現狀
智能建筑與我國可持續發展觀中生態和諧理念高度契合，所以和其他國家相比，目前我國智能建筑主要功能更加凸顯了環保、節約、可持續發展利用等特點，在運用智能化結構對建筑結構進行設計時更加注重節能減排以及高效低碳能否實現。智能建筑隨著經濟的發展已經成為未來建筑的主要發展趨勢，智能結構作為智能建筑的重要支撐在建筑智能化發展中被廣泛應用，智能結構與傳統的建筑結構有著密切的聯系，智能土木結構以傳統結構為基礎，并以此為依據對傳統結構做了改進，因此對智能結構的應用離不開對傳統結構的理解與掌握。目前，建筑工程中對智能結構的研究有建筑結構的檢測與監控、建筑結構抗震抗風降噪的自控制等，利用智能結構使建筑設備自動化、辦公化，最終實現建筑物全面的擬智能生命化也是今后智能結構在建筑領域的發展方向。
（一）智能傳感元件的應用
土木工程中對建筑物健康檢測時常將傳感元件埋入或粘貼在建筑結構中，在保證檢測結果的準確性的同時，對建筑物的安全性與穩固性作出更確切的評價，得到最精準的數據，從而決定建筑物是維修還是報廢。對于重大土木工程建筑結構，由于修建時間較長，設備一般比較陳舊，傳統的傳感器不能適應此種建筑物的內部環境，這時就需要采用性能較高傳感器對其進行結構及健康的監測。利用光纖、智能材料等制成的傳感器的應用在土木工程發展史上具有劃時代的意義，開辟了土木工程發展史的新篇章。
（二）建筑工程的健康檢測
智能結構在建筑工程結構損傷及健康檢測方面也發揮著重要作用。在土木工程中對建筑物檢測通常采用目測法，此外還常利用超聲波、聲發射、x 射線等技術進行無損檢測，利用這種方法檢測是有很多弊端的，如建筑物內部結構的破損情況、建筑物的實時動態等都不能準確的被監測，不能滿足人們了解建筑物整體狀況的需求，檢測結果往往會失真、檢測效率也低，甚至會出現完全錯誤的檢測結果。現在利用光導纖維、壓電材料、半導體材料等制成的檢測器材，在建筑物內部的傳感器能及時感知建筑物自身狀況，檢測損傷并根據建筑結構損壞過程進行損傷定位，例如建筑物發生損傷，內部出現裂紋，裂紋在外界作用力作用下損傷力度加大，并以聲速失穩擴展，這些都會被由這些特殊材料制成的傳感元件所感知，使人類能準確及時的了解建筑物內部狀況，及時對建筑物進行整體規劃、采取必要措施避免事故發生。
三、智能結構關鍵問題總結及建議
（一）提高智能傳感技術
傳感元件在建筑工程中的應用離不開純熟的傳感技術，因此提高智能傳感技術勢在必行。從仿生學來看，傳感器相當于建筑物的感覺器官，提高智能傳感技術必須增強傳感技術的系統性，提高傳感器感知、處理與識別能力，在此基礎上提高傳感系統的可靠性和靈敏度實現傳感技術的智能化。在建筑工程中要求傳感元件不影響建筑物的結構外形，與建筑材料具有很好的相容性，使對建筑結構的強度影響降到最低，此外還應具有對信號的抗干擾能力，在此基礎上對建筑物的整體狀況能準確感知。
（二）提高智能傳感技術
智能結構系統中主要有傳感元件、驅動元件及乙級控制元件，它們在對整個建筑物內部損傷情況進行定位時常會有一個計算的過程，在計算過程中常采用小波分析技術、時間有限元模型等對連接網絡、數據總線進行定位，最終使傳感器的信息處理和數據傳輸融合。
（三）發展智能控制集成
智能控制系統相當于人類的中樞神經系統的最高級部分大腦，不僅決定著運動系統、感覺系統的有序運行，還擔負著整個腦神經高級功能的運轉。在土木工程內部安裝智能控制集成系統，能使建筑物在遭遇風暴、強降雨等惡劣自然災害情況下，迅速采取應急措施，使損失降低到最小，因此發展智能控制集成技術也是十分重要的。
（四）發展智能驅動技術
驅動在計算機中的應用十分廣泛，所有的硬件設備都需要安裝相應的驅動程序才能正常工作。智能驅動技術能夠對智能結構的形狀和力學原理加以控制，便于對智能結構的管理與規劃。驅動相當于一個入口，只有通過這個入口操作系統才能實現對整個部件的控制，在土木工程中驅動技術發揮著不可小覷的作用，發展智能的驅動技術，才能實現建筑物整體的控制，才能使建筑物的性能更加穩固。在建筑工程中要求所使用的驅動系統材料自身機械性能要高，保障其具有很強的抗沖擊性；再次，驅動材料與建筑材料本身要有很好的兼容性；最后，還應提高驅動速度，便于及時掌握建筑物的狀況。
四、結束語
我國建筑業產值的持續增長推動了建筑智能化行業的發展，目前我國處于智能建筑行業的快速發展期。科學技術的不斷進步，經濟水平的不斷提高，人們對建筑安全性、舒適性、便利性等有了更高層次的要求，者為智能建筑的發展提供契機的同時，也給智能建筑的發展提出了新的挑戰。
土木工程智能建筑結構作為智能建筑的靈魂與支撐，在未來智能建筑的發展中不可或缺，因此，我們在今后智能結構的發展道路上必須用發展的眼光、科學的手段，與時俱進，開拓創新。
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【關鍵詞】新型；環保；小便池；傳感器；報警系統
在公共男廁所，我們經常會看到人們在使用小便池時，有尿液滴濺在地上，造成便跡難以清洗和增加細菌流動很不衛生，而且我國人口眾多，如果這一問題不處理好，就會造成很大的環境污染。根據實驗發現，造成這一現象的主要原因是因為人們在使用過程中，站立的位置不對，這就要求我們設計一種新型小便池，可以規范人們在使用時的站立位置，防止尿液滴濺，保護環境，提高國民素質。
1 現有環保小便池及其缺陷
目前市場上的環保小便池，主要有以下三種功能：
（一）在便池的設計上可以分別收集小便和大便，并且在使用時通過排氣扇把意味向下排放，不用時有擋板自動隔離，去出臭味；此外，還把洗手池的下水管與小便收集桶相連，起到節水作用。
（二）在設計上將洗手池和小便池一體化，充分利用洗手水清潔小便池，起到節水作用。
（三）將便池與各種醫療檢測裝置相連，使便池具有健康檢測功能。
綜上所述，我國在便池節水、除臭、便于收集肥料以及結合醫療設備進行健康檢測方面已有相關研究報道。但并未解決因人們使用小便池時，站立位置不對，有尿液滴濺在地上，造成便跡難以清洗，并增加細菌流動，造成細菌流動污染環境這一問題。這就要求我們設計一款新型環保小便池，可以規范人們在使用時的站立位置，如果站立位置符合要求則可以使用小便池，不符合要求則不能使用小便池，起到防止尿液滴濺，保護環境的作用。
2 新型環保小便池的總體設計
根據上述缺陷，這就要求我們設計一種新型環保小便池，解決因人們使用小便池時，站立位置不對，有尿液滴濺在地上，造成便跡難以清洗，并增加細菌流動，造成細菌流動污染環境這一問題。本項目的設計在于在小便池的外側增加一塊可收縮的擋板，當人們需要上廁所時，站到規定位置時傳感器感應到，發出信號，控制電動機正轉，帶動蓋板自動收縮，人們就可以使用；當使用結束人離開后，傳感器感應消失，撤消信號，控制電動機反轉控制蓋板自動放下。
2.1 功能說明
1）當需要使用時，人們站到劃線規定位置，雙腳下兩個傳感器感應到，發出信號，控制電動機正轉，收起蓋板。不會影響人們正常使用，又能防止尿液濺出或直接滴在地上，造成便跡難以清掃，并產生細菌流動的現象。
2）當使用結束時，人們離開劃線位置，雙腳下兩個傳感器無感應，撤消信號，控制電動機反轉，放下蓋板。
通過這套系統，就可以很直觀的告訴使用者，他該站立的位置，防止使用小便池時尿液滴濺，減少細菌流動，起到保護環境的作用。
2.2 原理圖（圖1、圖2）及各部件作用說明
1）傳感器：檢測使用者雙腳站立位置是否正確，正確傳感器發出信號控制電動機正轉；站立位置不正確，傳感器則無信號發出。
2）電動機：系統動力源裝置，帶動轉動桿。
3）轉動桿：帶動蓋板收起和放下。
4）蓋板：限制使用者的站立位置，未在規定位置，不得使用小便池，遮擋異味。
3 傳感器的選用
傳感器用于檢測是否有物體存在于傳感器的感應范圍內，并以此作為判斷使用者雙腳是否站立到位。
3.1 性能比較
1）磁性開關，在實際應用中，主要用于檢測氣缸中活塞的運動位置，可在被測物體（如在氣缸的活塞或活塞桿）上安裝磁性物質，在氣缸缸筒外面的兩端各安裝一個磁感應式接近開關，就可以用這兩個傳感器分別標識氣缸運動的兩個極限位置。故不適用于此設備中。
2）光電接近開關（本文中簡稱光電開關），通常在環境條件比較好、無粉塵污染上的場合下使用。光電開關工作時對被測對象幾乎無任何影響。因此，在生產線上被廣泛地使用。通常用于生產線設備中，用以檢測是否有物料存在，光電開關就會感應到，發出信號，通過控制程序，就可以利用該信號狀態來判斷出傳送帶或送料機構中有無物料，從而判斷是否驅動下一機構動作。而本文所設計的新型環保小便池工作原理，當人們需要上廁所時，站到規定位置時傳感器感應到，發出信號，控制電動機正轉，帶動蓋板自動收縮，人們就可以使用；當使用結束人離開后，傳感器感應消失，撤消信號，控制電動機反轉控制蓋板自動放下。所以光電傳感器完全可以滿足以上功能要求。
3）光纖式光電接近開關，光纖式光電開關由光纖檢測頭、光纖放大器兩部分組成，光纖放大器和光纖檢測頭是分離的兩部分，光纖檢測頭的尾端部分分成兩條光纖，使用時分別插入放大器的兩個光纖孔。光纖式光電開關的輸出連接至PLC。光纖式光電開關也是光纖傳感器的一種，光纖傳感器傳感部分沒有電路連接，不產生熱量，只利用很少的光能，這些特點使光纖傳感器成為危險環境下的理想選擇。光纖傳感器還可以用于關鍵生產設備的長期高可靠性和穩定性的監視。相對于傳統傳感器，光纖傳感器具有下述優點：抗電磁干擾、可工作于惡劣環境，傳輸距離遠，使用壽命長，此外，由于光纖頭具有較小的體積，所以可以安裝在空間很小的地方。光纖放大器根據需要來放置。比如有些生產過程中煙火、電火花等可能引起爆炸和火災，而光能不會成為火源，不會引起爆炸和火災，所以可以將光纖檢測頭設置在危險場所，將放大器單元設置在非危險場所進行使用。根據調節的強度，光纖傳感器可以檢測不同的物品或者檢測距離，所以光纖傳感器完全可以滿足新型環保小便池的功能要求。
3.2 價格比較
1）磁性開關的價格比較便宜，售價大概在20-200元之間，常用的大概在30元左右。
2）光電接近開關的價格，相對于磁性開關的價格略高一點，相對于光纖式光電接近開關的價格便宜很多。售價大概在80-300元之間，常用的大概在100元左右。
3）光纖式光電接近開關的價格最高，售價大概在300-1800元之間，常用的大概在800元左右。
綜上所述，根據各類傳感器的性能和價格的比較，選用光電接近開關（光電式傳感器），首先光電式傳感器完全可以滿足新型環保小便池設計的功能要求，而且價格相對比較便宜，適合批量組裝使用。本設備選用上海通爾生產型號為G012-MDNA-A的光電式傳感器，檢測距離0-200cm。
4 程序設計
4.1 PLC可編程邏輯控制器
在機電一體化設備中，有一個可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，簡稱PLC）模塊，PLC種類有三菱系列、西門子系列、歐姆龍系列、松下系列，本論文僅以三菱PLC為例來講解。
圖3 三菱FX2N-48MR結構圖
三菱FX2N-48MR結構圖3所示。它有X0-X7、X10-X17、X20-X27共24個輸入，Y0-Y7、Y10-Y17、Y20-Y27共24個輸出組成。三菱FX2N-48MRPLC主要由CPU模塊、輸入模塊、輸出模塊和編程器組成。
4.2 PLC程序設計
1）電氣控制原理圖（圖4）
圖4 電氣控制原理圖
2）I/O分配表（表1）
表1 新型環保小便池I/O分配
3）PLC程序設計（圖5）
圖5 PLC程序設計
本文所設計的新型環保便池，當人們需要上廁所時，站到規定位置時傳感器感應到，發出信號，控制電動機正轉，帶動擋板自動收縮，人們就可以使用；當使用結束人離開后，傳感器感應消失，撤消信號，控制電動機反轉控制擋板自動放下。此套裝置可以解決因人們使用小便池時，站立位置不對，有尿液滴濺在地上，造成便跡難以清洗，并增加細菌流動，造成細菌流動污染環境這一問題。本設計可以起到提高國民素質，規范國民行為習慣，保護環境的作用。
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