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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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【关键词】 FBG；高应变；桩基检测；预制桩
【中图分类号】TU196+.1 【文献标识码】 B
Study on high strain detection of precast pile using FBG sensing technology
Qiu Zhenhong
(Shanghai jiangnan architectural design institute co,. ltd ShangHai 201800)
【Abstract】 FBG which has the advantage of high precision, strong ability of anti-electromagnetic, strong adaptive capacity to environment, long service life, etc has become a new advanced detection way in the field of pile foundation and bridge. This paper introduces the measure principle of FBG sensing technology and the implantation process of fiber grating into precast pile. Combined with the specific project, the traditional high strain data and FBG strain data is compared. The results showed that FBG data is suitable for high strain detection.
【Keywords】 FBG; high strain; detection of pile foundation; precast pile
0 引言
桩基检测中高应变检测是一项重要检测内容，通过分析应力应变随桩身变化情况分析桩身完整性和桩的承载性状[1-2]。由于采用高应变进行承载力检测具有工期短、成本低、效率高等特点，促进了高应变检测法的推广，但是高应变检测的精度很大程度上与测试传感器有关。传统的电阻式、钢弦式、电感式传感器普遍存在灵敏度差、精度低、抗电磁干扰能力弱，受水腐蚀失真或失效等缺点，难以适应现代工程精确检测的要求。而近年来兴起的光纤光栅传感器则具有精度高、抗电磁干扰、防水防潮、抗腐蚀和耐久性长等特点[3-6]，其体积小、重量轻，便于铺设安装，且不存与监测对象不匹配的问题，对监测对象的材料性能和力学参数等影响较小。另外，光纤光栅传感技术采用光纤进行信号传输，传输损耗小，容易实现远距离信号传输，正好弥补了传统检测技术的不足。本文结合具体的工程实例，将FBG传感器植入检测的预制桩中，同时采集传统
的高应变检测应变数据和FBG应变数据，并进行对比研究。结果表明：FBG测量数据可靠，具有较好的适用性。
1 FBG传感技术测量原理
光纤布拉格光栅（Fiber Bragg Grating,简称FBG）是利用光纤材料的光敏性在纤芯内形成空间相位,光栅其作用的实质是在纤芯内形成一个窄带的滤波器或反射镜，使得光在其中的传播行为得以改变和控制[7]。
图1 光纤光栅传感器的构造
如图1所示，FBG传感器分布在光纤纤芯的一小段范围内，它的折射率沿光纤轴线发生周期性变
作者简介：邱正红，1982年出生，男，汉族，重庆潼南县人，工学学士，助理工程师，主要从事岩土工程勘察和基坑设计工作。E-mail：qzh@live.it
化，图中纤芯的明暗变化代表了折射率的周期变化。光纤布拉格光栅是光纤纤芯折射率沿光纤轴向呈周期性变化的一种光栅。目前已有的基于光纤布拉格光栅的各种传感器的工作原理都可以归结为对布拉格光栅中心波长的测量[8-9]，即通过对由外界扰动引起的布拉格光栅中心波长漂移量的测量，得到被测参数；布拉格光栅中心波长与光纤纤芯有效折射率以及光纤光栅长度周期Λ相关[10]即：
(1)
其中：为布喇格光栅的中心波长；为光纤纤芯的有效折射率；为布喇格传感器光栅的栅距。
图2FBG传感器工作原理图
显然，宽带光源的输入光谱在通过FBG传感器1后，形成了波谷峰值为的凹陷，而反射光谱则具有波峰。当光栅所在处的光纤产生轴向应变时，栅距变为：
(2)
此时布喇格波长产生相应的变化，它满足：
(3)
其中：为有效光弹系数,它的值约为0.22。
另外，温度变化会引起光纤折射率的变化，同时也会引起栅距的变化，当温度变化为时，将引起布拉格波长产生移动，可以表示为：
(4)
其中：为光纤的热膨胀系数，；为光纤的热光系数，。
由(3)、(4)两式得到同时考虑应变与温度变化时，所引起的波长移动：
(5)
由此可知，只要测出布喇格波长的变化，就可以得到外界的应变或温度扰动。
2 预制桩FBG植入工艺
预制桩一般是在工厂制作而成的，特别是预应力预制桩是在预制厂经过先张预应力，离心成型及高压蒸养等工艺生产而成的高强预制混凝土构件[11]，无法将光纤光栅浇注到其中。在打桩的过程中，由于预制桩管壁与土体的摩擦力很大，将光纤光栅贴在预制桩表面时，很容易造成打桩时光纤光栅被刮断[12]。本文采用在预制桩表面刻槽后放入光纤光栅再用高强度胶进行密封，这样既成能保证光纤光栅的成活率，又能保证光纤光栅与预装桩身变形的一致性。预制桩的FBG植入工艺主要包括以下四个工序。
（1）光纤熔接
在FBG传感技术测量中，光纤只是进行光信号的传输，真正起到测量作用的是光栅的那部分。所以要根据桩长截取相应长度的传输光纤与FBG传感器进行熔接。
（2）刻槽布纤
用开槽机在预制桩身表面沿着布纤路线刻槽，槽宽和槽深以能放入光纤为准(太深容易破坏桩身强度)，光纤放入槽内用502胶水进行定点固定，刻槽布纤如图3所示。
图3 刻槽布纤
（3）光纤保护
用高强胶（环氧树脂）填充槽内进行光栅粘贴和光纤线路保护，在桩端出露的光纤用套管进行保护，将多余的光纤盘绕在桩头并用缓冲材料进行包裹保护，光纤保护如图4所示。
图4 线路保护
（4）打桩对接
将布好光纤的桩按顺序进行打入，在桩对接时进行上下两桩光纤的对接，并将多余光纤盘绕在接头地方进行强化处理，打桩对接如图5所示。
图5 打桩对接
3 工程实例
3.1 工程背景
嘉定区城北大型经济适用房（南块）位于上海市嘉定区，住宅楼和配套商业拟采用桩基础，地下车库、地下P型站和地下水泵房拟采用抗拔桩。工程主要负责桩基设计参数可行性研究工作。根据设计需要，结合勘察资料，进行现场原位测试，包括：模型桩单桩竖向抗压、单桩竖向抗拔静载，锤击桩高应变跟踪监测及桩身应力分析，获得各层土设计参数。
3.2 测试方法
本文主要研究该工程中管桩（管桩桩长13.0m，内径0.22m，外径0.4m）的高应变检测。通过光纤光栅测得应变数据分别与高应变测桩仪导出数据进行对比。桩身应力测量采用光纤光栅应变传感器。光纤光栅应变传感器布设：在桩顶以下1m处（-1m)布设一个；在土层交界处6.5m处（-6.5m)布设1个，在桩底以上50cm处（-12.5m)布设1个，FBG传感器布设如图6所示。
图6 FBG传感器布设图
高应变初打跟踪监测试验按照《建筑基桩检测技术规范》（JGJ 106-2003）进行，测试方法见图7。
图7 高应变测试图
3.3 检测数据分析
本文选取了一根测试桩，对桩的锤击高应变数据进行分析。通过预埋在桩身上的光纤光栅测得应变数据分别与高应变测桩仪输出数据进行对比研究，FBG传感器测试出的数据曲线如图8所示。曲线中第一个峰值的出现表示在击打过程中桩身产生的最大应变，其余峰值是由于击打过程中余震产生。图形显示在-1m处峰值最高，其次-6.5m处，-12.5m处峰值最小。这表明：在被击打过程中，离测试桩由桩顶至桩底，桩身应变逐渐减小，在桩顶处会产生最大应变，所以在锤击过程中要加强对桩顶的保护。
图8高应变时光纤测得应变曲线图
由于-1m处安装的FBG传感器与高应变检测中的应变片安装位置接近（检测传感器的安装用膨胀螺栓安装在距桩顶约2倍桩径处），将-1m处的FBG测试数据与应变片的数据进行了对比，光纤应变曲线与高应变仪导出应变曲线对比图如图9所示。从图9中可以看出，两者的曲线较为吻合，这说明FBG传感技术适用于高应变检测。
图9 高应变时光纤曲线与高应变仪导出曲线对比图
4 结论
（1）本文将FBG传感监测技术应用于桩基检测中，将光纤光栅测得应变数据与高应变测桩仪输出数据进行比较研究。结果表明：FBG传感数据能较好地适用于高应变检测，但也存在不足，由于高应变检测同时需要应变数据和加速度数据，而此次测试只采集了桩身FBG应变数据，如果在桩身相应的位置能安装FBG加速度传感，同时采集FBG应变和加速度数据，拟合桩基的承载力与传统高应变测桩仪测出的桩基承载力进行对比，将是本论文需要深入研究的一个方向。
（2）FBG传感器可以安装在桩体的任何位置，如果将FBG传感技术运用于高应变检测中，就可以
测得桩体任何位置的应变，而不仅仅局限于桩顶附近。
（3）检测数据的精确度不但与测试方法有关，还与传感器的性能有关，FBG传感器正是由于其高精度、抗电磁干扰能力强等特点得到了工程界广泛的关注。但是，由于其比较高的价格也限制着它的发展。随着科学技术的发展，FBG传感技术将会得到广泛发展。
参 考 文 献
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关键词：光纤测温装置，原理，应用，效果
一 引言
电缆是变电站的重要组成部分。。由于电缆分布广、易燃、着火后危害大且影响相关供电单位生产，对经济造成巨大损失。因此电缆的防火历来为电力部门所重视。但是电缆事故还是频繁发生。随着光纤技术的发展光纤传感技术在电力设备故障检测中的应用得到了逐步推广，其中光纤测温技术彻底解决了困扰电缆运行中过热监测的难题，可以实现对电力电缆发热敏感部位温度的准确、实时在线监测和故障预警、精确定位。
二 系统简介
AT810分布式光纤温度传感器系统是集光、机、电、计算机、光纤光缆和弱信号检测等技术为一体的高科技产品，主要依据激光耦合到光纤中，利用光纤的光时域反射（OTDR ）和光纤的背向喇曼散射温度效应。将感温光缆敷设于待测空间，可连续测量、准确定位整条光纤或光缆所处空间的温度，还具有不带电、抗射濒和电磁干扰、抗腐蚀、耐高温和使用寿命长等优点。
本系统主要由测温主机、应用软件、感温光缆及其他周边设备配置而成，对电缆桥架、电缆夹层、温油罐和变压器等设备的温度进行连续线型实时在线监测，在被监测设备发生火灾前即发出预警，使用户及时采取措施，排除隐患。整套监测系统通过其测温控制主机通讯接口或干接点继电器端子与火灾报警主控制器相连，并向其提供火灾报警区的报警信息及运行和故障信号。
三 光纤测温原理
激光脉冲在光纤中传输时，由于激光和光纤分子的相互物理作用，会产生三种散射光：瑞利散射、拉曼散射和布里渊散射，其光谱分布如下图所示：
其中拉曼散射仅对温度敏感，因此最适合用来测量温度。AT810 光纤测温主机就是采用拉曼散射（RAMAN）和OTDR 技术研发的分布式光纤温度探测处理器（DTS），其工作原理如下：
1、激光器发出一束激光，通过耦合器调制后射入感温光纤中；
2、光纤中反射回的拉曼散射光通过光谱分离模块分解成不同波长的Stokes散射光和Antistokes 散射光。其中Stokes 散射光的强度与温度弱相关；而Antistokes散射光的强度与温度强相关；
3、通过对两束光信号进行处理和对比计算得出温度沿光纤的分布曲线；
4、利用光时域反射技术（OTDR），通过计算光波的传输速度和回波时间实现对所有温度点的定位；
四 AT810光纤测温预警系统在电缆线路中的应用
AT810光纤测温预警系统硬件组成如下:
应用中把特制的感温光缆铺设在待测电缆上方，让二者紧密接触。为提高监测的精度，以准确地获得被测电缆上各点的温度情况，须将传感光缆梆扎在电缆上。
下图为“分区温度显示”界面：
每个分区为一回电缆馈线，分区温度显示的是分区内所有温度里的最高值。
双击分区温度画面上的分获图块即可打开分区的实时曲线图：
从中可以清楚地看到当时整条电缆的温度分布情况。
五 应用效果
目前光纤测温系统已经全面应用在我变电站电缆回路中，在运行中曾多次对过热点准确报警，使事故隐患得到及时消除并能够在电缆突发性故障中准确判断出故障位置，大大节省了故障处理时间，使故障线路迅速恢复供电。下图为某馈线电缆绝缘击穿发生单相接地事故时的温度曲线：
通过曲线可以判断出故障发生在250米。
六 应用注意事项
1、输入电流为交流220伏市电；
2、严禁带电插拔光纤测温主机与报警输出箱之间的连接线；
3、主机光缆输入接头要保持清洁，平时用端盖保护；当与监测机连接时，端部要用无水酒精清洗干净后可靠连接。。
4、系统在工作时，禁止观察传感光缆尾端、连接处或者光缆的损坏处，激光会损害眼睛；
5、传感光缆最小弯曲半径不小于5cm，不能用硬或锐利物体挤、压和冲击传感光缆，并应远离热源；
6、由于上位监控系统后台服务程序启动需要一段时间（约2分钟），当上位监控软件打开时可能会提示无法连接，等待两三分钟后按F5刷新屏幕即可；
7、在光纤测温系统刚刚启动的几分钟里，上位机监控画面上的温度可能是不准确的，这是因为光纤测温系统主机内的恒温槽还没有达到稳定的工作状态，其预热的时间大约需30分钟；
8、历史温度曲线查看时，选择的时间段长不要超过4 小时，不然系统查询数据会很慢；
9、系统投入正常运行后要定期（至少一年一次）对系统功能进行测试，以测试和检验系统的火灾探测和报警能力。。
七 结束语
通过我变电站的实运行经验表明光纤测温预警系统不仅能够得到电缆的实时温度分布，及时发现薄弱环节，还能超温报警、升温速率报警及准确判断故障地点。使运行人员能及时了解运行情况、消除故障隐患，防止恶性事故的发生。因此光纤测温预警系统是一种理想的电缆过热监控系统，不仅可广泛应用于发电厂和变电站的电缆过热监控中，也可以应用于地铁、船舶、石油平台、银行和大型图书馆等重要场合的电缆过热监控中。
八 参考文献
[1]彭超，赵健康，苗付贵．分布式光纤测温技术在线监测电缆温度[J]．高电压技术，2006，32（8）．
[2]韩浩江．分布式光纤温度故障预警检测系统原理及应用[J]．上海电力，2007，（5）．
【关键词】 布里渊 分布式 光纤传感
随着社会发展，安防已经变得越来越重要，及时发现入侵对我国安防建设有种重要的意义，别的安防系统监测距离短且容易受到电磁的扰动，而本文中叙述的安防系统不仅监测距离长而且不容易受到电磁的干扰，对安防领域具有重要意义。光纤传感入侵定位监测系统可以通过监测光纤应变或震动等确定事件发生的位置，已有传感定位系统多采用Sagnac干涉环结构或者马赫-增得干涉结构实现定位，但无法同时满足高精度和长距离探测。这样的话就必须采用BOTDR原理，利用自制的光纤纵模分布反馈激光器，结合边缘滤波调解技术，建立一套分布式光纤传感入侵定位系统监测，实现了对入侵事件的实施快速定位监测，空间分辨率也相应高了起来。
一、布里渊散射传感原理
布里渊散射原理是基于光纤中光波与声波在传播过程的相互作用，这两者的相互作用会使光产生频移，该频移的产生相当于入射波被一个声光栅散射产生了反射光子，我们利用这个频移，通过测得其频移方向和大小，来实现传感物理量的转换。光纤所处温度、所受应变皆可通过布里渊频移间接计算得出。在实际工程使用中，由于入侵事件都是不确定的，所以需要一套具有实时监控能力且无盲点的监测系统才能完全监测到入侵、避免出现遗漏，而光纤作为传感原件是沿线路连续分布的，这就避免了线路中产生盲点。通过对光纤中布里渊散射频移量大小的监控，可以分析得出被入侵点的准确位置，以及被入侵程度，这就是目前布里渊散射在光纤传感入侵定位监测系统中最有效的应用方式，达到了兼备高精度、无盲点、长距离、实时性等诸多优异性能。
二、实验与分析
由于本项研究处于早期阶段，所以此次试验都是采用自制的激光器、自制传感光缆以及其他自制光信号解调器。并参考了各类中外文献，以及前辈所写的论文，保证本次试验和分析能够得出更为准确的结论，更好的为国家安防事业做出贡献。我们将激光输出进行一定的比例分束，然后小比例的一束作为本振光，另外一个大比例的经偏振控制器调整偏振态，通过电光调制器进行脉冲的调制，经过掺铒光纤放大器1放大之后，波分复用器滤过自发辐射噪声通过扰偏器和环形器，输入到单模传感光纤里面去。散射回的信号此时变得非常非常弱，必须得通过掺铒放大器2来放大，然后再经过一个环形器，通过自己制造的窄带可调谐光纤光栅滤波器之后的布里渊反射光和本振光相干，通过高速光电探测器的监测，然后得到了实验的最终结果---后向布里渊散射信号。
在实验中，波分复用器滤波的通道为1550nm，带宽30nm，隔离度大于20dB，损耗小于0.15dB，和本振光相比，相对有一定的偏移量，能满足实验的要求并且监测到相干信号。放大之后的布里渊信号只有um量级，采用高速光电探测器前置放大滤波电路对信号再次放大滤波，然后通过边缘滤波，将布里渊信号的平移变化转换成强度变化，并通过累加平均处理，平均2的12次方次后，得到最K监测结果。其中前置放大滤波电路实现对微弱电信号的放大并抑制信号频带以外的噪声，其滤波中心频率为11GHz，3dB快带为1Hz，插入损耗小于0.1dB。实验系统采用50ns脉宽的光脉冲，重复频率为10KHz，传感光纤长度为10km。因此，完成2的12次方次累计平均处理所需时间小于1s，即系统的监测周期小于1s，可满足快速监测入侵事件的要求。
经过实验分析表明。实验系统在室温25度环境下且光纤不受外力时，布里渊信号的中心频率在10.9GHz左右。因此当应变和温度引起的频移总和超过初始中心频率100MHz时，信号将越过带通滤波器的单边上升沿的边界，导致信号幅值减小，从而引起错误判断，限制了系统的监测范围。采用更大带宽的带通滤波器并合理的选择其中心频率，可以扩大系统监测的动态范围。
至于如何消除缓变温度的影响，适应野外环境下的应用，以及进一步提高系统的应变分辨率，将在后续的工作中研究。
结论：在BOTDER原理中用单纵模光纤光栅到带通滤波器理论结合实际的实验中表明，系统可以在1s对10km范围的传感器进行测量，并达到5m的空间分辨率和200uε的应变分辨率。这项实验表明本系统在监测入侵领域的能力，即便现在所处阶段并不成熟，也能对国家安防领域起到很重要的积极意义，而且经分析判断和实验结论，基于布里渊散射的分布式光纤传感入侵定位监测系统在长距离入侵定位方面有着良好的前景。
参 考 文 献
【关键词】光电测试技术 教学内容研究 电力特色
《光电测试技术》是上海电力学院测控技术及仪器专业的重要专业选修课。它是一门综合性很强的课程，涉及了光学、电子和计算机等多门学科，也是现代检测技术重要的发展方向，对培养学生综合运用专业知识及创新能力起着非常重要的作用。如何在有限的学时内，通过该课程的学习，培养学生达到教学目标，这对教师提出了挑战。笔者从教学内容的选取和组织安排等方面进行了一定的探索和研究。
一、优选教学内容
光电测试技术课程包涵的知识点很多，并且随着科技的进步，新的测试技术不断地出现，需要进一步扩充教学内容。而不同的院校有又不同的背景，在不同的领域上有所侧重，需要量体裁衣，合理选择教学内容。
（一）突出电力特色
上海电力学院的办学定位与培养目标是主要为社会培养和输出所需要的应用型技术人才，特别要为电力行业的科技进步服务，培养电力行业所需的第一线的应用型技术人才。为了突出本校的电力特色，尤其考虑到测控技术与仪器专业的部分学生在毕业后会进入电厂等相关电力领域工作，所以在教授内容中加入最新的电力知识是很有必要的。
近年来，光电测试技术的发展可以说是日新月异，新的科技成果不断涌现，在电力系统中的应用，主要体现在以下几个方面。
1.火焰图像检测器
光学成像技术在燃煤火电厂煤粉炉炉膛火焰视频监视上的应用，可以直接地反映炉膛内的燃烧情况，给运行人员提供相对直观的判断依据，对锅炉的安全运行和操作起到及时的指导作用。安装好、调试好、使用好炉膛火焰电视设备，对锅炉的安全和节能经济运行都有着非常重要的意义。这部分内容可以和书本教材中的固体成像器件配合起来教学。
2.激光盘煤技术
传统的煤场存煤量测量方法不仅需要耗费大量的人力和物力，其测量结果也极不准确，严重制约了电厂现代化管理水平的提高。目前新型的自动盘煤方法为激光盘煤仪，采用二维高频率激光扫描仪对料场的表面进行高频率断面扫描获得高密度的断面数据，结合行程测量器获得的料场长度和回程测量器获得的扫描仪偏转角度数据，实现料场体积的计算、料场三维模型的显示。在盘煤的实时性和准确性方面都有显著的改善，取得了比较满意的结果。[1]该部分内容可以和书本教材中红外辐射与红外探测器配合起来教学，还可结合数字信号处理、数字图像处理等课程对图像恢复重建等展开探讨。
3.光纤传感技术
光纤传感技术具有细而柔软、抗电磁干扰、绝缘性能好、防爆性能好、 耐腐蚀、导光性能好、信号衰减小等特点，可以解决常规检测技术难以完全胜任的测量问题。分布式光纤传感技术是随着“智能结构和智能材料”的需要而发展起来的一项新技术，集传感与信息传输于一体，广泛应用在电力行业中：电缆状态监测，如电力电缆的表面温度检测监控、事故点定位、电缆隧道、夹层的火情监测等；变电站监测，如母排、桥袈、变压器、电动机、发电机、配电盘的温度分布、测量及故障点检测等；水电站、发电厂监测，如加热系统、蒸汽、输油管道；送煤系统的温度监测和故障点的检测等等。
光纤传感技术正好和书本教材的光导纤维与光纤传感器匹配，在了解光导纤维与光纤传感器的基本原理后，引入大量的光纤传感技术在电力系统中应用的工程实例，更好地贯彻了理论联系实际这一原则，可以使学生思考如何学以致用。
（二）适应科技发展
光电测试技术内容多，知识面广，又是多学科交互融合、互相渗透的前沿科学。通常情况下，教材对基础知识、基本原理和基础效应介绍较多，对具体应用和设计方面则较少；对经典的光电器件介绍较多，新型光电器件较少；传统技术叙述较多，尖端技术和综合应用较少。由于种种限制，不可能找到一本非常完美、各方面都满意的书本教材，我们只能选择较合适的，在讲授基本内容的同时，一定要补充最新的相关内容，将新型的光电检测器件、新型的光电测试技术和手段、各种光电检测器件的最新进展和应用等最新相关科研成果融合在教学过程之中，不断进行教学内容的完善和改进，有效的引导学生了解最新的、最先进的科学内容。比如在中国第一个目标飞行器和空间实验室——天宫一号与神舟十号飞船实现对接时，激励学生关注其中所采用的最新光电测试技术。
以上的内容是书本教材所无法包括的，所以我们要结合时代科技的进步，与时俱进，不断深化教学内容，注意学校的行业特色，关注火电厂及电力设备等的光电测试技术，对于教材上没有提到的但是有益的内容，一定要在课堂上提出，或者给出相关概念引导学生自己查找所需资料，不断的通过自制多媒体课件、课外资料等来添加教学内容，给《光电测试技术》注入新的血液，来激发学生的学习兴趣。
二、 精心组织教学内容
上海电力学院将该课程核定为32学时，在短课时内，面对如此多的教学内容，需要根据本专业的特点精心组织安排，否则会使得内容杂乱无章，缺少完整性和系统性，让学生无所适从。
（一）课程认识和章节联系
首先讲解课程的主要内容、结构和各章节的之间的联系，让学生对该课程有一个整体性的认识，然后具体到每一个章节。在开始学习前都列出教学要求，学完一章后都有复结，让学生清楚自己应该达到的标准，也方便期末考试。第一部分光电测试技术的理论基础是最基础的内容，尤其是我校未开设《物理光学》《应用光学》等相关课程，学生只是在《大学物理》中接触过有关光的知识，这部分必须详细讲解。第二部分是常用的光辐射光源，只有这一章是讲如何产生光信号的，其中光电测试用主要的光源发光二极管和半导体激光器都是从电信号转换成光信号，正好与第三部分光电检测器件是如何进行将光信号转换成电信号相对应，可以让学生更换地理解光电转换。第三部分是各种光电检测器件的结构原理及应用，要结合它们各自典型的应用系统的分析和设计，使学生对整个知识体系有个更全面、更深刻的理解。
（二）注意知识点的联会贯通
光电测试技术涉及光、机、电、自动控制等许多领域。如在讲到光电器件和集成运算放大器连接时，模拟电子技术中运算放大器的三大特点：“虚短”“虚断”和“虚地”，如何运用它们来完成电压放大、电流放大和阻抗变换，而这牵涉深度负反馈的概念，又与自动控制相关。所以在教授新课程的时候，不断地回顾先前学习过的课程，可以较好地调动学生的参与积极性，不会觉得什么都是新的，都要从头开始学，能够温故知新。
（三）重视实践教学
《光电测试技术》又是一门实践性很强的学科，我们积极鼓励学生参加大学生科技创新活动，坚持课堂教学与课外创新实践活动相结合，提高学生的设计与综合分析能力。
例如讲解光敏电阻后，先采用浙江英联科技开发有限公司的YL系列传感器实验仪及系统实验台开设光敏电阻的特性测试实验，让学生先了解光敏电阻的光电特性、伏安特性和光谱响应特性，对书本知识深入掌握后，再鼓励学生从光敏电阻特点出发自己设计路灯自动点熄电路，通过查找阅读资料并与实际应用电路比较，能否进一步改进，使其更加智能化、自动化等，最后以小论文的形式提交。这样不仅加深了学生对基础知识的理解，拓宽了知识面，更是锻炼了学生独立思考和自主创新的能力。
在教学过程中，注意提出在日常生活中的一些光电检测系统应用实例，可以提高学生学习的热情。如讲到光电开关，就会提到在洗手时，是如何实现手到水出的？除了光电开关外，还有什么器件能够达到这种效果的？热释电器件可不可以？
三、结论
对《光电测试技术》的教学内容进行了探讨，通过合理选择教学内容、注重结合我校电力特色、重视实践教学，将学生独立思考能力、动手能力和创新能力的培养融合到专业课教学中，培养适应21世纪全面发展的高素质人才。
【参考文献】
[关键词]传感技术；实验教学：改革；创新思维
[中图分类号]G40―057
[文献标识码]A
[论文编号]1009―8097(2009)13―0307―02
引言
高等学校是培养高素质创新人才的基地，如何培养出培养高层次高素质技能型人才以满足社会需要，已经成为当代高校教育的核心问题。实验教学是高等院校教学体系的重要组成部分，是实现素质教育和创新人才培养目标的重要教学环节，相对理论教学，更具有直观性、实践性、综合性、探索性和启发性，对启迪学生的思维，加强学生对理论知识的理解，培养学生掌握科学的实验方法与技能。提高学生综合素质、动手能力与创新能力起着关键性的作用。传感器技术是一门实践性很强的学科，其教学过程中实践教学环节的重要性也就尤为突出。
一 传感技术实验教学现状
近年来随着社会发展对人才要求的进一步提高，实验教学工作已越来越引起人们的普遍关注，但是其现状仍不乐观。《传感器技术》作为自动化、测控技术及仪器等专业的一门专业基础课，其实验教学环节仍然存在如下现象：实验教学模式仍是应试教育模式，比如实验教学本身没有完全摆脱以验证理论为主、学生“照着做”的实验模式；长期的应试教育，养成了学生重视理论课学习而轻视实验课学习，学生对实验课是敷衍了事。整个实验过程中学生处在一种被动盲目的状态，学生只动手而很少动脑，缺少参与实验的主动性和积极性。实验教学方法方面，注重程序化训练模式多，发挥学生主动性不够；重知识传授多，培养学生动手操作力不够；注重灌输式教学方法多，采用启发式、研讨式教学方法少。实验教学内容方面，偏重于传统验证性实验，内容单一、陈旧，方式单调枯燥，学生对综合性、设计性实验的兴趣和动手能力没有得到提高；学生的创新心理得不到满足，创造能力得不到培养，个性得不到充分发挥。另外实验仪器设备条件相对比较薄弱，可能也是学生不重视实验课的原因之一。正是此类种种原因使得实验教学没有达到其真正目的，根据我校检测技术实验室现状提出一点个人见解，旨在提高学生的动手能力，培养创新型人才。
二 传感技术实验教学改革探讨
1 提高学生对实验课重要性的认识
要搞好实验教学和改革，必须要转变理论教学高于实践教学的这种轻视实验教学的传统思想观念。教学效果优秀与否在于教师，而学生的学习效果在很大程度上取决于他们对这门课程的重视程度。通常情况下，学生认为实验课是理论教学的辅助和补充，因此对其不够重视，导致实验做完后只是学会了一些简单的操作和仪器的基本使用方法，而忽略了实验过程中对问题的的分析和解决。所以必须提高学生对实验课的重视程度，变被动学习为主动学习，培养调动学生的积极性，最终实现学生自主创新能力的培养与提高。针对这些问题，我们将实验学时列入计划学时之内，并且体现在教学课表中，使实验教学与理论教学同步，且实验成绩作为该课程成绩的一部分：在采取了这些措施之后，学生对实验课程的重视程度有了明显的提高。
2 加强对实验课的考核
学生最关心的就是成绩，因此成绩评定方式对于实验教学十分重要，要充分利用这一特点来设计合理的考核方案，在达到考察目的的同时，使学生通过实验能够深入理解理论知识，进而培养学生的动手、创新能力，为此，我们设计了较为合理的实验成绩评定公式：实验总成绩=纪律成绩(30％)+操作成绩(40％)+报告成绩(30％)。成绩评定的重点在于学生是否理解并灵活应用了所学知识，同时鼓励创新思想和创新实践过程，而不仅仅是实验结果的正确与否。成绩评定重视实验数据的处理过程而不仅仅是实验报告的形式。另外，对于设计性实验，考核公式中的操作成绩以当面验收为考核依据，通过演示和口头介绍展示实验过程及实验结果。虽然在实验指导及考核过程中，指导教师的工作量有所增加，但这种约束体制有利于培养学生的动手及创新能力。
3 实验教学内容的改革
为了突出实践教学在培养学生应用意识与工程实践能力方面的作用，达到使学生消化理论、提高能力的目的，对传感技术的实验教学内容进行了一系列改革。
其一，保留一些基础验证性实验，如电阻应变、电涡流特性、光纤传感器特性实验等，使学生通过这些实验，理解传感器的基本原理和特性，消化并吸收理论教学内容。
其二，增加一些综合性实验，包括原理上的综合、方法上的综合以及传感器特性的综合；如利用电阻应变片设计数字电子秤，利用霍尔传感器设计测速电路等：也有方法上的综合，如可以利用多种传感器完成转速、位移、重量等被参数的测量。这类实验基本上都是在现有实验设备基础上能够完成的实验，目的是让学生在实验的过程中理解和吸收理论教学中的原理型知识，并加以简单应用。初学这门课程的学生对于这类实验很感兴趣，甚至由此对该课程产生好奇，极大的激发了学生深入探究传感器技术的欲望。
其三，开设一些简单的设计性实验，利用实验台上的某一部分，与学生自行设计的内容连接，来实现对某一信号的检测。如在直线霍尔式位移传感器实验中，让学生自己设计一个信号转换电路来替代实验台配套的处理模块，并将其测量的实验结果与原来的结果进行比较，分析差异的原因，并在其基础上进行改进。这类实验主要是一些设计量小、费时少、需要另加元件也较少的项目。目的是在加深理解理论教学中转换电路作用的同时，锻炼学生的实际动手与设计能力。
其四，开设综合设计型实验，该类实验项目主要是实验教师根据课程及实验大纲要求，设置情景，提供材料，提出问题，在此基础上，让学生通过分析问题、资料收集、理论验证，最后提出解决问题的方法；使学生进一步认识到传感器在控制过程中的实际作用，使其在解决问题中获取知识、应用知识，以培养其创新精神、提高其综合素质和实践能力。例如，针对目前家用天然气设备增多的同时，天然气安全隐患也随之增长的现象，让学生利用传感器设计一个简单的天然气安全报警器，要求实现的功能是检测空气中甲烷(CH4)浓度的含量(天然气主要成分是CH4，浓度介于4～16％时会发生爆炸)，当超出安全限时可以实现声光报警：设计中所必需的元器件由实验室提供。对于这类实验项目，需要学生自己查找资料设计天然气安全报警器的检测电路，并通过实验进行验证。在此实验过程中学生不仅领会了传感器的作用，还了解了传感器在生活中的应用，更重要的是锻炼了学生的动手和实践能力。再比如可以让学生自己制作一些小产品模型，如自动避障小车、恒温控制仪、湿度检测仪等与生活息息相关的各种小仪器，让学生在做实验的同时，也真正的体
会到传感技术在生活中的无处不在。通过一届学生的试验我们发现学生对这类实验项目的兴趣非常高，而且有很多其他班级、年级的同学都期待能够早日步入检测技术实验室，来体验生活中的传感技术。因为实验学时所限。该类实验只局限在一些较简单的设计项目上，起到抛砖引玉的作用。
其五，研究型实验。研究型实验的目的是培养学生独立分析问题、解决问题的能力。对于该类实验，实验室提供进行开发的各种仪器设备，如计算机、示波器、仿真器、开发板、传感器等，学生自拟题目，自由组队，分工合作。在实验进行之前要求学生进行方案论证、可行性分析以及设计‘结果预期，由主要指导教师对报告进行审核，通过后学生方可进入实验阶段，在实验过程中指导老师及实验室老师应给予必要的技术指导。实验结束后由主要完成人并提交实验报告及相关研究论文，并进行汇报。该类实验项目设为全校公开实验项目，或定位为面向全校开放检测技术实验室。目前此项工作正在运行并计划长期坚持下去，我们期待它的成功，并坚信一定能培养出具有更强竞争力的人才。
4 实验教学方法的改革
实验课是验证理论、应用理论以及锻炼学生动手能力的重要环节。在实验指导的方法上，应改变传统的灌入式实验教学方法，采用多种方式同步进行。例如：启发式教学方法，以问题为中心，让学生发现并提出问题，或教师提出问题，或师生共同提出问题，在此基础上，通过分析、资料证明、理论验证，提出解决问题的方法，让学生在问题的提出与解决中获取知识、应用知识，培养创新精神和实践能力：实验探讨教学模式，主要是教师和学生共同设置实验目的，讨论实验要求，分析实验对象、条件，预测实验结果，让学生手、眼、脑并用，广泛参与实验操作，动手实验，观察实验，记载实验，分析实验等。对于实验指导方法要因人而异。有时还要具体问题具体分析。
如今多媒体教学和网络教学已经成为现代教学的发展主流，利用图文并茂、生动形象的多媒体教学，可以激发学生的积极性与创造性、变被动为主动学习。网络教学可以实现资源共享，而且可以不只是单一的学生或者老师搜集信息，很多学生和老师可以共同收集信息，很多人都可以参与进来，把一个在学校里的平台，拿到了全世界，同时又可以随时享用别人的成果。将多媒体和网络教学引入到实验教学环节，丰富了教学内容，拓展了教学情景，推进了实验教学的信息化，构建起了自主学习的新型教学模式。同时使用多媒体实验教学可以降低实验消耗，提高教学效率。当然这就要求教师制作出高水平的多媒体课件，不仅要集中各项教学信息，而且要题材新颖、方式独特，互动性好，能够直接用于课堂教学及网络教学。此外，设计并开发基于网络的虚拟传感器实验室也是我们实验室建设和实验教学改革的又一发展方向。
[关键词]分布式光纤振动传感器；马赫-曾德（M-Z）干涉仪；相位
中图分类号：TN818 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）15-0122-02
0 引言
厂区安全，逐渐变成人们关注的焦点。为了保证一个厂区的周边安全，往往需要安排大量的安防人员进行定时定期的巡检，此种方法不但复杂而且消耗大量的人力物力，无法实时监测厂区安全状态和及时发现厂区的入侵破坏行为。而随着科技的发展，人们开始将光纤传感技术应用于厂区周界的安全防护上，由此一些公司开始研发周界安防产品，与其它周界防护方法来说该系统有着无法比拟的优势。
振动光缆周界防护系统是新一代信息化安全预警系统，采用光缆作为传感器件，无论是通过对光纤的直接接触，还是通过承载物间接接触，都将引起光缆的扰动。当光缆产生振动后，系统从光缆中采集扰动数据，进行分析处理，处理后交给后端服务程序进行智能识别（智能识别可以判断出不同的外部干扰类型，报警程序可根据智能识别结果实现系统预警或实时告警功能，从而达到对设防区域进行入侵监测的目的。该系统以光纤作为传感单元，可实现高灵敏、长距离，大范围的周界防护，非常适合于厂区周边的入侵防范应用。
本文采用M-Z干涉技术，结合实际应用条件，实现了一种振动光缆周界防护系统。系统结合厂区周界防护环境和综合信息平台，实现对厂区的实时监控，实现厂区安全的监测预警，避免恶意入侵行为的发生。
1 系统原理
系统采用在监测区域铺设光缆作为振动光缆的探测设备，对监测区域环境的振动信息进行连续的分布式的监测，并根据振动信息的异常点处激光信息正反向传输达到振动设备主机的时间差值，进行振动异常点定位。
振动光缆周界防护系统是基于M-Z干涉技术为基础进行设计。由激光器发出连续激光，经过耦合器1分为两束，分别进行顺时针方向传输和逆时针方向传输。顺时针方向直接进入到耦合器2和耦合器4搭建的M-Z干涉仪中感受外界振动信息，经耦合器3输出被探测器2探测到；逆时针方向经过耦合器3，进入到耦合器4和耦合器2搭建的M-Z干涉仪中感受外界振动信息，耦合器2直接输出被探测器1探测到。
M-Z干涉仪分为信号臂和参考臂，信号臂主要用于感受外界振动信息，参考臂提供相位参考值作为相位变换对比。由干涉原理可知同频率同振动方向的两束光波发生干涉时，该点干涉的光强为：
式中，、分别为发生干涉的两束光的初始光强，为两束光之间的初始相位差。光通过耦合器进入干涉仪两臂传输后再发生干涉。此时发生干涉的两束光的相位差可以看作是由于两条光纤臂本身光程不对称等原因造成的初始相位差，压力作用造成的相位差，以及应变导致光纤长度变化产生的相位差三者的迭加。即：
由于通过光电探测器可以探测到光强，而初始相位差是一个定值，因此光强的变化只与后面两项所表示的相位差和的变化有关，所以在测得光强的变化后可以得出两束光的相位差的变化。通过对相位差的分析，就能得到作用在干涉臂上的振动压力的情况。
系统的定位算法，是通过检测两路携带相同振动信息的干涉信号分别被两个探测器探测的时延差而进行定位的，其计算公式如下：
其中X为振动信号到达监测主机的光缆长度；L为3芯传感光缆的长度；ν为光在光纤中传输的速度；Δt为两个探测器探测到信号的时延差。
时延的计算可通过正反两个光路的光信号的互相关函数求取。假设两端信号为：
其中，分别为两个探测器检测到的信号，为管道的振动信号，为噪声，为比例系数，为两个信号之间的时延。
通常是互不相关的平稳随即过程，则两探测器信号的互相关函数为：
互相关函数中，时，会出现峰值。确定获得最大值所对应的值，可确定两个测试信号之间的时间差。
2 系统架构和功能
振动光缆周界防护系统根据设备安装和使用环境分为中央控制室和工业园区两部分。整个系统架构如图2所示。
中央控制室主要包含主机、报警器、中心数据库和监控显示端；工业园区主要包括传感光缆和光模块。
系统主要通过传感光缆感受到外部振动信息，并将信息传送给主机进行分析判断，主机针对探测信息进行相位信息变化判断。当有非法入侵产生时，相位信息会产生特殊变化，结合智能识别算法进行相位信息变化判断，排除环境干扰信号影响因素，确定出非法入侵的特性并确定出准确位置。
系统探测到非法入侵的报警信息，通过局域网传输给综合信息平台进行报警界面显示和报警器、摄像头等设备联动；同时也将报警信息存储到中心数据库，用于报警信息查询、分析和处理。
振动光缆周界防护系统根据组网可包含如下软件平台，分别为监控平台、控制平台和数据处理平台，三个平台相互连接形成三级管理体系。
信号处理平台主要实现对探测区域的振动信号进行实时检测，并实现光信号到微弱电流信号、微弱电流信号到电压信号的转换，完成信号的提取，并对转换后的信号进行预处理；对采集的不同振动信号滤除环境干扰信号，进行特征向量提取，根据信号持续的时间长度、振动强度、光学相位变化趋势和信号的频谱等特征进行分类学习；对非法入侵事件根据时延差进行定位计算。
控制平台起到连接信号处理平台和监控平台的桥梁，将信号处理平台的报警信息数据上传给监控平台；同时能够对数据处理参数和区域进行调整，保证报警信息真实有效。
监控平台根据现场情况自主定制图形化操作界面，便于用户操作和报警查看，以生动的图像形式向用户展现报警信息；支持报警历史记录管理、记录、查询，提供短信、邮件报警通知，提供胁迫密码报警功能；可提供联动视频、声光报警器等外部报警器等功能。
3 应用研究
在某工业园进行应用，工业园总长度约为7050米，为保证人为入侵能够准确被测量到，采用振幅为1米的正弦波光缆铺设方式，该方式铺设，光缆使用长度约为工业园总长度的2倍，同时为了维修方便，在部分位置留有预留光缆，铺设光缆总长度为20000米。采用光缆为4芯直埋光缆，留有1芯作为备用芯。
振动光缆铺设一共分为4层，自底层往上依次为底层土工布、格栅（光缆固定于格栅上）、上层土工布、草坪。其铺设示意图如图3所示。
图3 铺设示意图
底层土工布为可渗水土工布，位于最底层，深度约为5厘米，土工布上摆放格栅，选用尼龙扎带将光缆绑扎在格栅上，每30厘米作为一共绑扎点，正弦铺设宽度约为1米，放置好格栅和光缆后，铺设上层可渗水土工布，并覆盖上约为3厘米土壤，最后将绿化草坪铺设于上部，进行隐蔽布置。
在该种铺设条件下，进行不同体重的人为走动、翻墙跳跃等不同方式的模拟入侵，系统能够及时探测到，并联动声光报警器进行报警提示，同时监控端构图界面对应位置颜色发生变化，且显示报警信息；经过几百次模拟入侵，系统能够准确报警定位，定位平均误差小于15米；系统误报率极低，完全可以满足需求，可有效实现周界安全的防护和监控。
4 结论
振动光缆周界防护系统可以有效的监测厂区周围的各种入侵行为，并且可以联动视频对现场的情况进行拍照取证。警务人员接到报警后立即出警，避免的复杂的巡检工作，节省了人力物力。
目前该系统已经应用于安全防护项目中，根据现场使用情况来看，该系统具有较高的灵敏度和定位精度，系统通过与人防的紧密结合，实现了人防联动，防护厂区安全等方面发挥了举足轻重的作用，有效地保护了厂区的安全，保证了生产工作的顺利进行，为厂区的发展做出了贡献。
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关键词：智能结构；应用现状；现代建筑；
中图分类号：B83文献标识码： A
经济的快速增长，人民生活水平的不断提高，在推动建筑行业的发展的同时，也对其发展提出了更高的标准。目前在我国大型建筑物日益重要，像高层建筑、大型水坝、地下工程等都需要有一个高强度的骨架作为支撑，才能使建筑物的安全性、实用性得到保障，此时智能土木结构应运而生，并担当了“土木工程界的知识经济”。现今，智能土木结构在现代建筑中发挥重要作用的同时，也开辟了土木工程快速发展的新天地。
一、智能结构简介
在社会高速发展的信息时代，土木工程师把视野转入信息材料上，开始了将传感器、驱动材料应用于建筑结构中的探索，以求建筑结构本身稳固性的同时，还能对建筑结构内部进行及时的感知，使人们能及时对建筑物的安全性与稳固性做出更确切的分析，从而做出对该建筑物是维修还是报废的判断，这也是人们对智能结构最初的尝试。现在书籍中对智能结构进行了定义，是指在基体材料中融入具有仿生功能的材料，是最终的材料或者构件满足人们对其智能化的需要，这种结构就是智能结构。智能土木结构按其材料可分嵌入式智能土木结构和基体、智能材料耦合结构两种类型。现在建筑工程对智能架构的应用是十分广泛的，建筑结构中安装使用智能结构，使建筑物能准确应对外界环境的变化并对自身作出及时的内部调整，特别在遭遇强风或地震时，智能结构对整个建筑物尤其重要。在地震幅度不是很明显时智能结构实现结构控制一体化的优势更能充分发挥其作用，此外，智能结构对提高建筑结构的抗震性也发挥着很重要的作用，智能结构在建筑领域的应用对建筑设计、建筑施工及建筑检测都起着至关重要的作用，智能土木结构保障建筑物的稳固的同时，也保证了人民的生命财产安全。
二、智能结构应用现状
智能建筑与我国可持续发展观中生态和谐理念高度契合，所以和其他国家相比，目前我国智能建筑主要功能更加凸显了环保、节约、可持续发展利用等特点，在运用智能化结构对建筑结构进行设计时更加注重节能减排以及高效低碳能否实现。智能建筑随着经济的发展已经成为未来建筑的主要发展趋势，智能结构作为智能建筑的重要支撑在建筑智能化发展中被广泛应用，智能结构与传统的建筑结构有着密切的联系，智能土木结构以传统结构为基础，并以此为依据对传统结构做了改进，因此对智能结构的应用离不开对传统结构的理解与掌握。目前，建筑工程中对智能结构的研究有建筑结构的检测与监控、建筑结构抗震抗风降噪的自控制等，利用智能结构使建筑设备自动化、办公化，最终实现建筑物全面的拟智能生命化也是今后智能结构在建筑领域的发展方向。
（一）智能传感元件的应用
土木工程中对建筑物健康检测时常将传感元件埋入或粘贴在建筑结构中，在保证检测结果的准确性的同时，对建筑物的安全性与稳固性作出更确切的评价，得到最精准的数据，从而决定建筑物是维修还是报废。对于重大土木工程建筑结构，由于修建时间较长，设备一般比较陈旧，传统的传感器不能适应此种建筑物的内部环境，这时就需要采用性能较高传感器对其进行结构及健康的监测。利用光纤、智能材料等制成的传感器的应用在土木工程发展史上具有划时代的意义，开辟了土木工程发展史的新篇章。
（二）建筑工程的健康检测
智能结构在建筑工程结构损伤及健康检测方面也发挥着重要作用。在土木工程中对建筑物检测通常采用目测法，此外还常利用超声波、声发射、x 射线等技术进行无损检测，利用这种方法检测是有很多弊端的，如建筑物内部结构的破损情况、建筑物的实时动态等都不能准确的被监测，不能满足人们了解建筑物整体状况的需求，检测结果往往会失真、检测效率也低，甚至会出现完全错误的检测结果。现在利用光导纤维、压电材料、半导体材料等制成的检测器材，在建筑物内部的传感器能及时感知建筑物自身状况，检测损伤并根据建筑结构损坏过程进行损伤定位，例如建筑物发生损伤，内部出现裂纹，裂纹在外界作用力作用下损伤力度加大，并以声速失稳扩展，这些都会被由这些特殊材料制成的传感元件所感知，使人类能准确及时的了解建筑物内部状况，及时对建筑物进行整体规划、采取必要措施避免事故发生。
三、智能结构关键问题总结及建议
（一）提高智能传感技术
传感元件在建筑工程中的应用离不开纯熟的传感技术，因此提高智能传感技术势在必行。从仿生学来看，传感器相当于建筑物的感觉器官，提高智能传感技术必须增强传感技术的系统性，提高传感器感知、处理与识别能力，在此基础上提高传感系统的可靠性和灵敏度实现传感技术的智能化。在建筑工程中要求传感元件不影响建筑物的结构外形，与建筑材料具有很好的相容性，使对建筑结构的强度影响降到最低，此外还应具有对信号的抗干扰能力，在此基础上对建筑物的整体状况能准确感知。
（二）提高智能传感技术
智能结构系统中主要有传感元件、驱动元件及乙级控制元件，它们在对整个建筑物内部损伤情况进行定位时常会有一个计算的过程，在计算过程中常采用小波分析技术、时间有限元模型等对连接网络、数据总线进行定位，最终使传感器的信息处理和数据传输融合。
（三）发展智能控制集成
智能控制系统相当于人类的中枢神经系统的最高级部分大脑，不仅决定着运动系统、感觉系统的有序运行，还担负着整个脑神经高级功能的运转。在土木工程内部安装智能控制集成系统，能使建筑物在遭遇风暴、强降雨等恶劣自然灾害情况下，迅速采取应急措施，使损失降低到最小，因此发展智能控制集成技术也是十分重要的。
（四）发展智能驱动技术
驱动在计算机中的应用十分广泛，所有的硬件设备都需要安装相应的驱动程序才能正常工作。智能驱动技术能够对智能结构的形状和力学原理加以控制，便于对智能结构的管理与规划。驱动相当于一个入口，只有通过这个入口操作系统才能实现对整个部件的控制，在土木工程中驱动技术发挥着不可小觑的作用，发展智能的驱动技术，才能实现建筑物整体的控制，才能使建筑物的性能更加稳固。在建筑工程中要求所使用的驱动系统材料自身机械性能要高，保障其具有很强的抗冲击性；再次，驱动材料与建筑材料本身要有很好的兼容性；最后，还应提高驱动速度，便于及时掌握建筑物的状况。
四、结束语
我国建筑业产值的持续增长推动了建筑智能化行业的发展，目前我国处于智能建筑行业的快速发展期。科学技术的不断进步，经济水平的不断提高，人们对建筑安全性、舒适性、便利性等有了更高层次的要求，者为智能建筑的发展提供契机的同时，也给智能建筑的发展提出了新的挑战。
土木工程智能建筑结构作为智能建筑的灵魂与支撑，在未来智能建筑的发展中不可或缺，因此，我们在今后智能结构的发展道路上必须用发展的眼光、科学的手段，与时俱进，开拓创新。
参考文献：
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[2]淡丹辉，何广汉. 智能土木结构理论初探[J]. 四川建筑科学研究，2001，27（4）：7-9，12.
【关键词】新型；环保；小便池；传感器；报警系统
在公共男厕所，我们经常会看到人们在使用小便池时，有尿液滴溅在地上，造成便迹难以清洗和增加细菌流动很不卫生，而且我国人口众多，如果这一问题不处理好，就会造成很大的环境污染。根据实验发现，造成这一现象的主要原因是因为人们在使用过程中，站立的位置不对，这就要求我们设计一种新型小便池，可以规范人们在使用时的站立位置，防止尿液滴溅，保护环境，提高国民素质。
1 现有环保小便池及其缺陷
目前市场上的环保小便池，主要有以下三种功能：
（一）在便池的设计上可以分别收集小便和大便，并且在使用时通过排气扇把意味向下排放，不用时有挡板自动隔离，去出臭味；此外，还把洗手池的下水管与小便收集桶相连，起到节水作用。
（二）在设计上将洗手池和小便池一体化，充分利用洗手水清洁小便池，起到节水作用。
（三）将便池与各种医疗检测装置相连，使便池具有健康检测功能。
综上所述，我国在便池节水、除臭、便于收集肥料以及结合医疗设备进行健康检测方面已有相关研究报道。但并未解决因人们使用小便池时，站立位置不对，有尿液滴溅在地上，造成便迹难以清洗，并增加细菌流动，造成细菌流动污染环境这一问题。这就要求我们设计一款新型环保小便池，可以规范人们在使用时的站立位置，如果站立位置符合要求则可以使用小便池，不符合要求则不能使用小便池，起到防止尿液滴溅，保护环境的作用。
2 新型环保小便池的总体设计
根据上述缺陷，这就要求我们设计一种新型环保小便池，解决因人们使用小便池时，站立位置不对，有尿液滴溅在地上，造成便迹难以清洗，并增加细菌流动，造成细菌流动污染环境这一问题。本项目的设计在于在小便池的外侧增加一块可收缩的挡板，当人们需要上厕所时，站到规定位置时传感器感应到，发出信号，控制电动机正转，带动盖板自动收缩，人们就可以使用；当使用结束人离开后，传感器感应消失，撤消信号，控制电动机反转控制盖板自动放下。
2.1 功能说明
1）当需要使用时，人们站到划线规定位置，双脚下两个传感器感应到，发出信号，控制电动机正转，收起盖板。不会影响人们正常使用，又能防止尿液溅出或直接滴在地上，造成便迹难以清扫，并产生细菌流动的现象。
2）当使用结束时，人们离开划线位置，双脚下两个传感器无感应，撤消信号，控制电动机反转，放下盖板。
通过这套系统，就可以很直观的告诉使用者，他该站立的位置，防止使用小便池时尿液滴溅，减少细菌流动，起到保护环境的作用。
2.2 原理图（图1、图2）及各部件作用说明
1）传感器：检测使用者双脚站立位置是否正确，正确传感器发出信号控制电动机正转；站立位置不正确，传感器则无信号发出。
2）电动机：系统动力源装置，带动转动杆。
3）转动杆：带动盖板收起和放下。
4）盖板：限制使用者的站立位置，未在规定位置，不得使用小便池，遮挡异味。
3 传感器的选用
传感器用于检测是否有物体存在于传感器的感应范围内，并以此作为判断使用者双脚是否站立到位。
3.1 性能比较
1）磁性开关，在实际应用中，主要用于检测气缸中活塞的运动位置，可在被测物体（如在气缸的活塞或活塞杆）上安装磁性物质，在气缸缸筒外面的两端各安装一个磁感应式接近开关，就可以用这两个传感器分别标识气缸运动的两个极限位置。故不适用于此设备中。
2）光电接近开关（本文中简称光电开关），通常在环境条件比较好、无粉尘污染上的场合下使用。光电开关工作时对被测对象几乎无任何影响。因此，在生产线上被广泛地使用。通常用于生产线设备中，用以检测是否有物料存在，光电开关就会感应到，发出信号，通过控制程序，就可以利用该信号状态来判断出传送带或送料机构中有无物料，从而判断是否驱动下一机构动作。而本文所设计的新型环保小便池工作原理，当人们需要上厕所时，站到规定位置时传感器感应到，发出信号，控制电动机正转，带动盖板自动收缩，人们就可以使用；当使用结束人离开后，传感器感应消失，撤消信号，控制电动机反转控制盖板自动放下。所以光电传感器完全可以满足以上功能要求。
3）光纤式光电接近开关，光纤式光电开关由光纤检测头、光纤放大器两部分组成，光纤放大器和光纤检测头是分离的两部分，光纤检测头的尾端部分分成两条光纤，使用时分别插入放大器的两个光纤孔。光纤式光电开关的输出连接至PLC。光纤式光电开关也是光纤传感器的一种，光纤传感器传感部分没有电路连接，不产生热量，只利用很少的光能，这些特点使光纤传感器成为危险环境下的理想选择。光纤传感器还可以用于关键生产设备的长期高可靠性和稳定性的监视。相对于传统传感器，光纤传感器具有下述优点：抗电磁干扰、可工作于恶劣环境，传输距离远，使用寿命长，此外，由于光纤头具有较小的体积，所以可以安装在空间很小的地方。光纤放大器根据需要来放置。比如有些生产过程中烟火、电火花等可能引起爆炸和火灾，而光能不会成为火源，不会引起爆炸和火灾，所以可以将光纤检测头设置在危险场所，将放大器单元设置在非危险场所进行使用。根据调节的强度，光纤传感器可以检测不同的物品或者检测距离，所以光纤传感器完全可以满足新型环保小便池的功能要求。
3.2 价格比较
1）磁性开关的价格比较便宜，售价大概在20-200元之间，常用的大概在30元左右。
2）光电接近开关的价格，相对于磁性开关的价格略高一点，相对于光纤式光电接近开关的价格便宜很多。售价大概在80-300元之间，常用的大概在100元左右。
3）光纤式光电接近开关的价格最高，售价大概在300-1800元之间，常用的大概在800元左右。
综上所述，根据各类传感器的性能和价格的比较，选用光电接近开关（光电式传感器），首先光电式传感器完全可以满足新型环保小便池设计的功能要求，而且价格相对比较便宜，适合批量组装使用。本设备选用上海通尔生产型号为G012-MDNA-A的光电式传感器，检测距离0-200cm。
4 程序设计
4.1 PLC可编程逻辑控制器
在机电一体化设备中，有一个可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller，简称PLC）模块，PLC种类有三菱系列、西门子系列、欧姆龙系列、松下系列，本论文仅以三菱PLC为例来讲解。
图3 三菱FX2N-48MR结构图
三菱FX2N-48MR结构图3所示。它有X0-X7、X10-X17、X20-X27共24个输入，Y0-Y7、Y10-Y17、Y20-Y27共24个输出组成。三菱FX2N-48MRPLC主要由CPU模块、输入模块、输出模块和编程器组成。
4.2 PLC程序设计
1）电气控制原理图（图4）
图4 电气控制原理图
2）I/O分配表（表1）
表1 新型环保小便池I/O分配
3）PLC程序设计（图5）
图5 PLC程序设计
本文所设计的新型环保便池，当人们需要上厕所时，站到规定位置时传感器感应到，发出信号，控制电动机正转，带动挡板自动收缩，人们就可以使用；当使用结束人离开后，传感器感应消失，撤消信号，控制电动机反转控制挡板自动放下。此套装置可以解决因人们使用小便池时，站立位置不对，有尿液滴溅在地上，造成便迹难以清洗，并增加细菌流动，造成细菌流动污染环境这一问题。本设计可以起到提高国民素质，规范国民行为习惯，保护环境的作用。
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