面中教向行業(yè)應(yīng)用的光電綜合設(shè)計(jì)方案探索與實(shí)踐

1、面中教向行業(yè)應(yīng)用的光電綜合設(shè)計(jì)探索與實(shí)踐-中教數(shù)據(jù)論 文 面中教向行業(yè)應(yīng)用的光電綜合設(shè)計(jì)探索與實(shí)踐 劉海，李雷，張勝，荊勝羽 （中國礦業(yè)大學(xué)信息與電氣工程學(xué)院，江蘇徐州221008） 摘要：行業(yè)特色高校著重于培養(yǎng)學(xué)生解決實(shí)際應(yīng)用問題的能力，專業(yè)綜合實(shí) 踐必須立足于創(chuàng)新能力的拓展。常用的電類傳感監(jiān)測技術(shù)易受惡劣環(huán)境干擾且 難以實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的實(shí)時(shí)監(jiān)測及遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸。將基于拉曼散射的分布式光纖測 溫度技術(shù)應(yīng)用到煤礦溫度監(jiān)測，大幅提高了煤礦災(zāi)害預(yù)知預(yù)警的技術(shù)能力。通 過綜合運(yùn)用光電技術(shù)基礎(chǔ)知識(shí)，指導(dǎo)學(xué)生自主搭建 DTS光纖分布式測溫實(shí)驗(yàn)系 統(tǒng)，包括系統(tǒng)整體方案設(shè)計(jì)、硬件設(shè)計(jì)、軟件開發(fā)和運(yùn)行調(diào)試的全部過程

2、，為 煤礦安全評(píng)估提供科學(xué)依據(jù)。實(shí)踐表明，學(xué)生的應(yīng)用設(shè)計(jì)能力通過光電綜合設(shè) 計(jì)過程有了極大的提高。 關(guān)鍵詞：分布式測溫；光電技術(shù)；綜合實(shí)踐 doi:10.16083/j.c nki.16711580.2016.01.036 中圖分類號(hào)：06-33文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1671 1580 （ 2016） 01 0136 03 收稿日期：2016 07 02 作者簡介：劉海（1983 ）,男，湖北仙桃人，中國礦業(yè)大學(xué)信息與電氣 工程學(xué)院電子信息工程系副主任，副教授，博士。研究方向：光纖傳感與通信 技術(shù)。 基金工程：國家自然科學(xué)基金工程（51404268）,中國礦業(yè)大學(xué)教改工程 NO.2014YB

3、16 與 NO.2015YB10 資助。 一、引言 國家教育改革的穩(wěn)步實(shí)施要求高校形成自己的辦學(xué)理念和風(fēng)格，對(duì)學(xué)科布 局、專業(yè)設(shè)置、教案方法進(jìn)行改革，針對(duì)就業(yè)市場和社會(huì)發(fā)展方向?qū)I(yè)及課 程設(shè)置進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整和動(dòng)態(tài)更新。光電子技術(shù)作為實(shí)踐性要求較高的本科專業(yè) 方向，著重培養(yǎng)直面工程一線的創(chuàng)新實(shí)踐型人才1，以理論教案為主的現(xiàn)有教 案方式，難以培養(yǎng)廣大本科生自主探索和過程協(xié)作的能力。因此，只有合理配 置實(shí)驗(yàn)、設(shè)計(jì)與綜合實(shí)踐，才能激發(fā)創(chuàng)新思維意識(shí)，培養(yǎng)學(xué)生在工程實(shí)踐中思 考問題和解決問題的能力。本文從礦業(yè)院校背景下光電子專業(yè)方向起步較晚且 基礎(chǔ)薄弱的現(xiàn)狀出發(fā)，與整個(gè)電子科學(xué)與技術(shù)專業(yè)的培養(yǎng)體系緊密結(jié)合

4、，以光 電綜合實(shí)踐設(shè)計(jì)為突破，徹底改變光電類課程教案過程中實(shí)踐環(huán)節(jié)比較薄弱的 現(xiàn)狀。 中國礦業(yè)大學(xué)作為面向煤炭行業(yè)的部屬高校，無論是學(xué)生培養(yǎng)還是科學(xué)研 究同樣須面向煤礦工程實(shí)際。煤礦安全事故中瓦斯爆炸、煤炭自燃等災(zāi)害占了 較大比例，煤礦安全監(jiān)測也是重中之中。煤礦局部溫度變化是這類災(zāi)難事故前 的重要特征，因此實(shí)時(shí)監(jiān)控分析溫度變化情況，提高災(zāi)害預(yù)知預(yù)警的技術(shù)能力 是預(yù)防煤礦災(zāi)難事故的根本方法。目前，煤礦安全監(jiān)測仍是以電信中教號(hào)傳感 器為主，易受環(huán)境及周圍電磁場干擾，無法實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)自動(dòng)監(jiān)測及數(shù)據(jù)傳輸。隨 著光纖及通信技術(shù)的發(fā)展，光纖傳感器脫穎而出，不僅易于傳輸、抗電磁干擾 且靈敏度高，無源本質(zhì)安全適宜

5、井下惡劣環(huán)境。2將光纖傳感技術(shù)應(yīng)用到煤礦 安全監(jiān)測，集傳感和傳輸技術(shù)于一體，能為煤礦生產(chǎn)安全性評(píng)估提供科學(xué)依 據(jù)。3通過指導(dǎo)學(xué)生獨(dú)立搭建分布式光纖測溫實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，4并以綜合設(shè)計(jì)為主 線，全面培養(yǎng)具備行業(yè)特色的光電專業(yè)創(chuàng)新實(shí)踐型人才。要完成專業(yè)綜合實(shí)踐 目標(biāo)，要求學(xué)生能掌握光電技術(shù)與光電檢測技術(shù)的理論基礎(chǔ)，明晰光時(shí)域反射 技術(shù)和拉曼散射溫度效應(yīng)；獨(dú)立設(shè)計(jì)基于分布式光纖測溫原理的溫度傳感系統(tǒng) 結(jié)構(gòu)；對(duì)光電轉(zhuǎn)換信號(hào)進(jìn)行降噪放大處理；確定系統(tǒng)各模塊單元工作特性及參 數(shù)，搭建DTS實(shí)驗(yàn)測試系統(tǒng)；完成輸出電信號(hào)的處理及溫度標(biāo)定。 二、分布式光纖測溫系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案 分布式光纖測溫技術(shù)基于拉曼散射光的溫度效應(yīng)，通

6、過關(guān)聯(lián)光纖區(qū)域溫度 信息與光纖中斯托克斯光、反斯托克斯光的功率來解調(diào)溫度。5-6整體系統(tǒng)包 括控制觸發(fā)單元、信號(hào)采集單元、光電轉(zhuǎn)換單元和電信號(hào)處理單元四個(gè)部分。 圖1顯示了分布式光纖測溫系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。控制觸發(fā)單元使用FPGA實(shí)現(xiàn)，產(chǎn) 生脈沖寬度和重復(fù)頻率一定的同步脈沖。信號(hào)通過脈沖激光器產(chǎn)生較窄脈寬的 大功率脈沖信號(hào)，通過帶濾波功能的波分復(fù)用器后得到斯托克斯和反斯托克斯 光。然后通過光電轉(zhuǎn)換單元將微弱光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)送入高速數(shù)據(jù)采集 卡。 伶幣光纖 圖1分布式測溫系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 整個(gè)設(shè)計(jì)過程當(dāng)中，必須綜合利用光電技術(shù)相關(guān)基礎(chǔ)知識(shí)，要求學(xué)生全面 考慮一些實(shí)際應(yīng)用過程中出現(xiàn)的細(xì)節(jié)問題。比如選擇系

7、統(tǒng)最優(yōu)中心波長，必須 充分考慮波分復(fù)用器、濾光片、光纖、APD等各元件適應(yīng)波長范圍。同時(shí)，系 統(tǒng)工作波長與靈敏度、穩(wěn)定性、待檢測光功率需求都有關(guān)聯(lián)，需要綜合測試選 定最佳波長。此外，學(xué)生在設(shè)計(jì)過程中必須考慮到各類實(shí)際損耗和誤差補(bǔ)償。 實(shí)際信號(hào)采樣過程中，難以避免噪聲對(duì)溫度信號(hào)的干擾，學(xué)生可以選擇累加平 均法去噪，用恒溫箱作為標(biāo)準(zhǔn)溫度進(jìn)行定標(biāo)。 三、DTS實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)搭建與測試 光電綜合實(shí)踐教案對(duì)經(jīng)費(fèi)和人力要求較高，光學(xué)、光電儀器比較精密、昂 貴，因此需要提高儀器設(shè)備利用率7-9。我們所購置的設(shè)備都是模塊化可組合 的光學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，同時(shí)能滿足驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)和自主創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)需求。我們 通過使用現(xiàn)有常用

8、設(shè)備引導(dǎo)學(xué)生搭建DTS簡易實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，確保綜合實(shí)踐環(huán)節(jié)環(huán) 環(huán)相扣。圖2為實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)圖，選用1550nm 的脈沖光纖激光光源，增益倍數(shù) 2000的雙路APD放大模塊包含恒溫控制電路，帶 FC/APC連接頭和濾波單元 的WDM和PCI-2000高速數(shù)據(jù)采集卡。 ES2實(shí)臉系統(tǒng)團(tuán) 學(xué)生首先需要熟悉光纖光學(xué)和激光原理相關(guān)基礎(chǔ)知識(shí)，選定最優(yōu)工作波 長。其次，需要掌握光電檢測技術(shù)和分布式測溫原理，查閱資料補(bǔ)償各類因素 對(duì)溫度解調(diào)的影響，而不能單純依靠理論公式解調(diào)10。根據(jù)實(shí)際情況學(xué)生提 出雙參考點(diǎn)溫度解調(diào)方法，通過在已知溫度值的兩個(gè)不同位置處設(shè)置參考點(diǎn)， 分別計(jì)算APD中Anti-Stokes和Stokes通

9、道的直流偏置量對(duì)溫度解調(diào)公式進(jìn) 行修正。經(jīng)過恒溫箱標(biāo)定測試及數(shù)據(jù)采集卡校準(zhǔn)，完成了數(shù)據(jù)處理和溫度解調(diào) 程序設(shè)計(jì)，得到不同光纖位置點(diǎn)的溫度實(shí)時(shí)分布如圖3顯示。 圖3 不同光纖位置點(diǎn)的溫度實(shí)時(shí)分布 四、實(shí)踐創(chuàng)新與探索 以上綜合實(shí)踐設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)，源于我們?yōu)檫M(jìn)一步提高學(xué)生面向行業(yè)應(yīng)用背景 的綜合實(shí)踐能力，做好了大量的實(shí)踐教案改革準(zhǔn)備工作。面向行業(yè)應(yīng)用背景的 光電綜合實(shí)踐的教案改革應(yīng)依托核心課程體系，遵循“寬口徑，厚基礎(chǔ)、重能 力、偏應(yīng)用”的指導(dǎo)原則11。所以，光電綜合實(shí)踐設(shè)計(jì)應(yīng)盡量摸擬或貼近實(shí) 際工作環(huán)境，按照“產(chǎn)學(xué)研結(jié)合”-13的思想安排實(shí)踐設(shè)計(jì)工程，為學(xué)生日 后的學(xué)習(xí)、就業(yè)增加核心競爭力。光電綜合實(shí)

10、踐設(shè)計(jì)技術(shù)路線如圖4所示 Vais 立 lEDAttftK 創(chuàng)第性實(shí)M I克筆設(shè)計(jì) f含 J過程 / t 功禪違IT 府用還tt 研究 其犧問 I、（鮭果測試 1 y* ri 圖斗光電綜合實(shí)踐設(shè)計(jì)技術(shù)路純圖 合理地設(shè)置光電綜合實(shí)踐設(shè)計(jì)內(nèi)容，鼓勵(lì)大學(xué)生親身參與本專業(yè)的科學(xué)研 究，對(duì)提高大學(xué)生的實(shí)踐動(dòng)手能力和創(chuàng)新能力非常關(guān)鍵。以DTS實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì) 為例，這類原本只見于科研工程的選題，就特別注重自主性、探索性、協(xié)作性 和學(xué)科性。我們的目的正是探索以光電專業(yè)知識(shí)體系為依托，以學(xué)生為主體的 創(chuàng)新性綜合實(shí)踐改革，調(diào)動(dòng)學(xué)生的主動(dòng)性、積極性和創(chuàng)造性，激發(fā)大學(xué)生的創(chuàng) 新思維和創(chuàng)新意識(shí)，同時(shí)培養(yǎng)學(xué)生在綜合設(shè)計(jì)實(shí)踐

11、中思考問題、解決問題的能 力。因此，面向行業(yè)應(yīng)用的綜合實(shí)踐設(shè)計(jì)應(yīng)首先達(dá)到下面三個(gè)目標(biāo)： 1. 與專業(yè)課程學(xué)習(xí)緊密結(jié)合，鍛煉學(xué)以致用的能力 可以進(jìn)一步促進(jìn)專業(yè)理論課程的學(xué)習(xí)，包括光電子技術(shù)、光電檢測技術(shù)和 傳感與檢測技術(shù)等專業(yè)核心課程。另一方面，完整的光電系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程，會(huì)使 專業(yè)知識(shí)的學(xué)習(xí)更深入，更具有針對(duì)性，為學(xué)生以后參與科研工作或者應(yīng)用設(shè) 計(jì)奠定基礎(chǔ) 2. 豐富學(xué)生的知識(shí)儲(chǔ)備，促進(jìn)專業(yè)綜合實(shí)踐能力基于現(xiàn)有常用設(shè)備所搭建的 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，可以進(jìn)一步拓展功能，比如使用應(yīng)力光纖傳感器，光纖光柵等實(shí)現(xiàn)煤礦各類安全問題的監(jiān)測，能增強(qiáng)學(xué)生自身的創(chuàng)新設(shè)計(jì)水平，解決現(xiàn)在大學(xué)生 實(shí)踐能力普遍不足的問題，通過布置任

12、務(wù)，學(xué)生查閱文獻(xiàn)并解決問題，可以拓 寬知識(shí)面解決就業(yè)面過于狹窄的現(xiàn)實(shí)問題。 3. 合理設(shè)計(jì)綜合實(shí)踐過程，加強(qiáng)創(chuàng)新應(yīng)用能力綜合實(shí)踐設(shè)計(jì)過程中，不僅需 要考慮各類理論基礎(chǔ)知識(shí)，還需要引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行細(xì)節(jié)調(diào)整。比如 DTS系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)例中，溫度恒溫測試時(shí)需要結(jié)合實(shí)際環(huán)境進(jìn)行補(bǔ)償，數(shù)據(jù)采集 卡需要校準(zhǔn)，光纖傳輸過程中需要進(jìn)行色散補(bǔ)償?shù)燃?xì)節(jié)問題。合理設(shè)置創(chuàng)新性 設(shè)計(jì)工程，將能逐步實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新性應(yīng)用能力的培養(yǎng)目標(biāo)。 參考文獻(xiàn) 1余向東，沈?yàn)槊?，徐蘇南等光電電路綜合設(shè)計(jì)實(shí)踐課程教案改革和探索 J.實(shí)驗(yàn)室科學(xué)，2012 （ 01）. 2K.T.V.Gratta nan dT.S un .Fiberoptic

13、se nsortech no logy:a no verviewJ.Se ns orsandActuatorsA:Physical，2000 （ 01）. 3孫繼平.煤礦監(jiān)控新技術(shù)與新裝備J.工礦自動(dòng)化，2015 （01）.4于慶. 分布式光纖測溫技術(shù)在煤礦中的應(yīng)用J.工礦自動(dòng)化，2012 （04）. 5HartogAH.Distributedtemperaturese nsori nsolidcorefibersJ.EIectro ni csLetters， 1985 （ 23）. 6Dak in JP，PrattDJ，BibbyGW ，1985 （ 13） an dRossJN.Distr

14、ibutedopticalfiberRama ntemperaturese nsorusi ngasemic on ductorlightsourcea nddetectorJ.EIectro nicsLetters 7 李勇軍，李立明，尹新.構(gòu)建創(chuàng)新型實(shí)踐教案體系的幾點(diǎn)思考J.實(shí)驗(yàn)技術(shù) 與管理，2007 （ 09）. 8 劉詠梅，祝均，戴敏構(gòu)建實(shí)踐教案體系，強(qiáng)化創(chuàng)新實(shí)踐能力培養(yǎng)J.實(shí)驗(yàn) 室研究與探索，2009（ 02）. 9 陳吉明，大學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐基地建設(shè)與創(chuàng)新人才培養(yǎng)J.實(shí)驗(yàn)室研究與探 索，2006（ 12）. 10 劉建勝，李錚光纖拉曼測溫系統(tǒng)的溫度標(biāo)定及設(shè)計(jì)考慮J.光學(xué)學(xué)報(bào)， 2003

15、 （ 10）. 11 倪振文，王俊年，劉昆山電子信息類專業(yè)實(shí)踐教案體系改革的研究J. 實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2004（ 02）. 12 張潤鋒，李運(yùn)濤等從科研訓(xùn)練和科研立項(xiàng)內(nèi)容開發(fā)綜合性實(shí)驗(yàn)教案工 程J.實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2013 （11）. 13 田運(yùn)生，劉維華，王景春綜合性設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)工程建設(shè)的探索與實(shí)踐J. 實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2012（ 02） 責(zé)任編輯：馬妍春 7 李勇軍，李立明，尹新.構(gòu)建創(chuàng)新型實(shí)踐教案體系的幾點(diǎn)思考J.實(shí)驗(yàn)技術(shù) 與管理， 2007 （09） . 8 劉詠梅，祝均，戴敏構(gòu)建實(shí)踐教案體系，強(qiáng)化創(chuàng)新實(shí)踐能力培養(yǎng)J.實(shí)驗(yàn) 室研究與探索， 2009 （02 ） . 9 陳吉明，大學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐基地建設(shè)與創(chuàng)新人才培養(yǎng) J .實(shí)驗(yàn)室研究與探 索， 2006