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1、精品_精品资料_面中教向行业应用的光电综合设计探究与实践- 中教数据论文面中教向行业应用的光电综合设计探究与实践刘海,李雷,张胜,荆胜羽 中国矿业高校信息与电气工程学院,江苏徐州221008摘要：行业特色高校着重于培育同学解决实际应用问题的才能,专业综合实践必需立足于创新才能的拓展.常用的电类传感监测技术易受恶劣环境干扰且难以实现对温度的实时监测及远程数据传输.将基于拉曼散射的分布式光纤测温度技术应用到煤矿温度监测,大幅提高了煤矿灾难预知预警的技术才能.通过综合运用光电技术基础学问 ,指导同学自主搭建 DTS 光纤分布式测温试验系统,包括系统整体方案设计、硬件设计、软件开发和运行调试的全部过程
2、,为煤矿安全评估供应科学依据.实践说明,同学的应用设计才能通过光电综合设计过程有了极大的提高.关键词 :分布式测温.光电技术.综合实践doi:10.16083/ki.1671 1580.2022.01.036中图分类号： O6-33文献标识码： A 文章编号： 1671 1580 （ 2022 ）01 0136 03收稿日期： 2022 07 02作者简介：刘海（ 1983 ）,男,湖北仙桃人,中国矿业高校信息与电气工程学院电子信息工程系副主任,副教授,博士.讨论方向：光纤传感与通信 技术.基金工程：国家自然科学基金工程51404268, 中国矿业高校教改工程可编辑资料 - - - 欢迎下载精
3、品_精品资料_No.2022YB16 与 No.2022YB10 资助.一、引言国家训练改革的稳步实施要求高校形成自己的办学理念和风格,对学科布局、专业设置、教案方法进行改革,针对就业市场和社会进展方向对专业及课程设置进行实时调整和动态更新.光电子技术作为实践性要求较高的本科专业方向,着重培育直面工程一线的创新实践型人才 1 ,以理论教案为主的现有教案方式,难以培育广大本科生自主探究和过程协作的才能.因此,只有合理配置试验、设计与综合实践,才能激发创新思维意识,培育同学在工程实践中思考问题和解决问题的才能.本文从矿业院校背景下光电子专业方向起步较晚且基础薄弱的现状动身,与整个电子科学与技术专业
4、的培育体系紧密结合,以光电综合实践设计为突破,完全转变光电类课程教案过程中实践环节比较薄弱的现状.中国矿业高校作为面对煤炭行业的部属高校,无论是同学培育仍是科学研究同样须面对煤矿工程实际.煤矿安全事故中瓦斯爆炸、煤炭自燃等灾难占了较大比例,煤矿安全监测也是重中之中.煤矿局部温度变化是这类灾难事故前的重要特点,因此实时监控分析温度变化情形,提高灾难预知预警的技术才能是预防煤矿灾难事故的根本方法.目前,煤矿安全监测仍是以电信中教号传感器为主,易受环境及四周电磁场干扰,无法实现实时自动监测及数据传输.随着光纤及通信技术的进展,光纤传感器脱颖而出,不仅易于传输、抗电磁干扰且灵敏度高,无源本质安全相宜井
5、下恶劣环境. 2 将光纤传感技术应用到煤矿安全监测,集传感和传输技术于一体,能为煤矿生产安全性评估供应科学依据.3 通过指导同学独立搭建分布式光纤测温试验系统, 4 并以综合设计为主可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_线,全面培育具备行业特色的光电专业创新实践型人才.要完成专业综合实践目标,要求同学能把握光电技术与光电检测技术的理论基础,明晰光时域反射技术和拉曼散射温度效应.独立设计基于分布式光纤测温原理的温度传感系统结构.对光电转换信号进行降噪放大处理.确定系统各模块单元工作特性及参数,搭建 DTS 试验测试系统.完成输出电信号的处理及温度标定.二、分布式光纤测温系统设计方案分布
6、式光纤测温技术基于拉曼散射光的温度效应,通过关联光纤区域温度信息与光纤中斯托克斯光、反斯托克斯光的功率来解调温度.5-6 整体系统包括掌握触发单元、信号采集单元、光电转换单元和电信号处理单元四个部分.图 1 显示了分布式光纤测温系统结构框图.掌握触发单元使用FPGA 实现,产生脉冲宽度和重复频率肯定的同步脉冲.信号通过脉冲激光器产生较窄脉宽的大功率脉冲信号,通过带滤波功能的波分复用器后得到斯托克斯和反斯托克斯光.然后通过光电转换单元将柔弱光信号转换为电压信号送入高速数据采集 卡.可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_整个设计过程当中,必需综合利用光电技术相关基础学问,要求同学全面考虑
7、一些实际应用过程中显现的细节问题.比如挑选系统最优中心波长,必需充分考虑波分复用器、滤光片、光纤、APD 等各元件适应波长范畴.同时,系统工作波长与灵敏度、稳固性、待检测光功率需求都有关联,需要综合测试选定正确波长.此外,同学在设计过程中必需考虑到各类实际损耗和误差补偿.实际信号采样过程中,难以防止噪声对温度信号的干扰,同学可以挑选累加平均法去噪,用恒温箱作为标准温度进行定标.三、DTS 试验系统搭建与测试光电综合实践教案对经费和人力要求较高,光学、光电仪器比较精密、昂 贵,因此需要提高仪器设备利用率 7-9 .我们所购置的设备都是模块化可组合的光学试验平台,同时能满意验证性试验和自主创新型试
8、验的设计需求.我们通过使用现有常用设备引导同学搭建DTS 简易试验系统,确保综合实践环节环环相扣.图 2 为试验系统图,选用 1550nm的脉冲光纤激光光源,增益倍数2022 的双路 APD 放大模块包含恒温掌握电路,带FC/APC 连接头和滤波单元的 WDM和 PCI-2022高速数据采集卡.可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_同学第一需要熟识光纤光学和激光原理相关基础学问,选定最优工作波 长.其次,需要把握光电检测技术和分布式测温原理,查阅资料补偿各类因素对温度解调的影响,而不能单纯依靠理论公式解调10 .依据实际情形同学提出双参考点温度解调方法,通过在已知温度值的两个不同位置
9、处设置参考点, 分别运算 APD 中 Anti-Stokes和 Stokes 通道的直流偏置量对温度解调公式进行修正.经过恒温箱标定测试及数据采集卡校准,完成了数据处理和温度解调 程序设计,得到不同光纤位置点的温度实时分布如图3 显示.四、实践创新与探究以上综合实践设计的实现,源于我们为进一步提高同学面对行业应用背景 的综合实践才能,做好了大量的实践教案改革预备工作.面对行业应用背景的 光电综合实践的教案改革应依靠核心课程体系,遵循“宽口径,厚基础、重能 力、偏应用”的指导原就 11 .所以,光电综合实践设计应尽量摸拟或贴近实际工作环境,依据“产学研结合”-13 的1思2想支配实践设计工程,为
10、同学日后的学习、就业增加核心竞争力.光电综合实践设计技术路线如图4 所示.可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_合理的设置光电综合实践设计内容,勉励高校生亲身参加本专业的科学研究,对提高高校生的实践动手才能和创新才能特别关键.以 DTS 试验系统设计为例,这类原本只见于科研工程的选题,就特殊注意自主性、探干脆、协作性和学科性.我们的目的正是探究以光电专业学问体系为依靠,以同学为主体的创新性综合实践改革,调动同学的主动性、积极性和制造性,激发高校生的创新思维和创新意识,同时培育同学在综合设计实践中摸索问题、解决问题的才能.因此,面对行业应用的综合实践设计应第一达到下面三个目标：1. 与
11、专业课程学习紧密结合,锤炼学以致用的才能可以进一步促进专业理论课程的学习,包括光电子技术、光电检测技术和传感与检测技术等专业核心课程.另一方面,完整的光电系统设计过程,会使专业学问的学习更深化,更具有针对性,为同学以后参加科研工作或者应用设计奠定基础.2. 丰富同学的学问储备,促进专业综合实践才能基于现有常用设备所搭建的试验平台,可以进一步拓展功能,比如使用应力光纤传感器,光纤光栅等实现可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_煤矿各类安全问题的监测,能增强同学自身的创新设计水平,解决现在高校生实践才能普遍不足的问题,通过布置任务,同学查阅文献并解决问题,可以拓宽学问面解决就业面过于狭窄
12、的现实问题.3. 合理设计综合实践过程,加强创新应用才能综合实践设计过程中,不仅需要考虑各类理论基础学问,仍需要引导同学依据实际情形进行细节调整.比如DTS 系统设计实例中,温度恒温测试时需要结合实际环境进行补偿,数据采集卡需要校准,光纤传输过程中需要进行色散补偿等细节问题.合理设置创新性设计工程,将能逐步实现创新性应用才能的培育目标. 参考文献 1 余向东,沈为民,徐苏南等 .光电电路综合设计实践课程教案改革和探究J.试验室科学, 2022 （01 ）.2K.T.V.GrattanandT.Sun.Fiberopticsensortechnology:anoverviewJ.Sens ors
13、andActuatorsA:Physical,2022 （ 01 ）.3 孙继平 .煤矿监控新技术与新装备 J. 工矿自动化, 2022 （ 01 ）.4 于庆.分布式光纤测温技术在煤矿中的应用 J.工矿自动化, 2022 （04 ）.5HartogAH.DistributedtemperaturesensorinsolidcorefibersJ.Electroni csLetters ,1985 （23 ）.6 DakinJP,PrattDJ,BibbyGW,andRossJN.DistributedopticalfiberRamantemperaturesensorusingasemic
14、onductorlightsourceanddetectorJ.ElectronicsLetters, 1985 （13 ）.可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_7 李勇军,李立明,尹新 .构建创新型实践教案体系的几点摸索 J.试验技术与治理, 2022 （09 ）.8 刘咏梅,祝均,戴敏 .构建实践教案体系,强化创新实践才能培育J.试验室讨论与探究, 2022 （02 ）.9 陈吉明,高校生创新实践基的建设与创新人才培育J. 试验室讨论与探究, 2022 （12 ）.10 刘建胜,李铮 .光纤拉曼测温系统的温度标定及设计考虑J. 光学学报, 2022 （ 10 ）.11 倪振文,
15、王俊年,刘昆山.电子信息类专业实践教案体系改革的讨论J.试验室讨论与探究, 2022 （02 ）.12 张润锋,李运涛等 .从科研训练和科研立项内容开发综合性试验教案工程J.试验技术与治理, 2022 （11 ）.13 田运生,刘维华,王景春.综合性设计性试验工程建设的探究与实践J.试验技术与治理, 2022 （02 ） 责任编辑：马妍春 可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_7 李勇军,李立明,尹新 .构建创新型实践教案体系的几点摸索 J.试验技术与治理, 2022 （09 ）.8 刘咏梅,祝均,戴敏 .构建实践教案体系,强化创新实践才能培育J.试验室讨论与探究, 2022 （02 ）.9 陈吉明,高校生创新实践基的建设与创新人才培育J. 试验室讨论与探究, 2022 （12 ）.10 刘建胜,李铮 .光纤拉曼测温系统的温度标定及设计考虑J. 光学学报, 2022 （ 10 ）.11 倪振文,王俊年,刘昆山 .电子信息类专业实践教案体系改革的讨论J.试验室讨论与探究, 2022 （02 ）.12 张润锋,李运涛等 .从科研训练和科研立项内容开发综合性试验教案工程J.试验技术与治理, 2022 （11 ）.13 田运生,刘维华,王景春 .综合性设计性试验工程建设的探究与实践J.试验技术与治理, 2022 （02 ） 责任编辑：马妍春 可编辑资料 - - - 欢迎下载