本書主要介紹與光機(jī)電控綜合實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)相關(guān)的原理、技術(shù)、元器件,以及設(shè)計(jì)方法和設(shè)計(jì)實(shí)例,并通過引入科技論文撰寫方法、科技項(xiàng)目實(shí)施方法等相關(guān)內(nèi)容,旨在引導(dǎo)相關(guān)專業(yè)高年級(jí)本科生和研究生了解掌握實(shí)用的光電儀器系統(tǒng)的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)方法,以及科學(xué)研究的過程和方法。
高等教育教學(xué)過程是一個(gè)特殊的認(rèn)識(shí)過程,在繼承已有知識(shí)和學(xué)習(xí)間接經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上,逐步在實(shí)踐中鞏固所學(xué)理論,進(jìn)而努力使學(xué)習(xí)過程與實(shí)際科學(xué)研究工作一致起來。綜合性的實(shí)踐類課程是高等教育,尤其是工科高等教育課程設(shè)置中不可缺少的重要環(huán)節(jié)。在本科教學(xué)中設(shè)置綜合性實(shí)踐類必修課程,讓每個(gè)學(xué)生都得到解決實(shí)際工程問題的鍛煉機(jī)會(huì),教會(huì)學(xué)生綜合應(yīng)用基礎(chǔ)知識(shí)的方法,促進(jìn)學(xué)生將掌握的知識(shí)轉(zhuǎn)化為能力,對(duì)于提高工科類本科學(xué)生創(chuàng)新能力和實(shí)踐技能意義重大!肮怆姕y(cè)控系統(tǒng)專項(xiàng)實(shí)驗(yàn)”課程正是以加強(qiáng)學(xué)生創(chuàng)新精神和工程實(shí)踐能力培養(yǎng)為主要目標(biāo)的一門研究型課程,是北京理工大學(xué)測(cè)控技術(shù)與儀器專業(yè)的綜合實(shí)踐類學(xué)科基礎(chǔ)教育必修課。課程的目的是結(jié)合本學(xué)科其他基礎(chǔ)理論課程,培養(yǎng)學(xué)生初步形成儀器設(shè)計(jì)和系統(tǒng)構(gòu)成的基本思想,加強(qiáng)培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力和在實(shí)際工作中獨(dú)立發(fā)現(xiàn)問題、分析問題與解決問題的能力,以及表達(dá)能力和團(tuán)隊(duì)合作精神等其他科研能力,并將這種教學(xué)模式或教學(xué)思想推廣到整個(gè)專業(yè)課程的建設(shè)中。
“光電測(cè)控系統(tǒng)專項(xiàng)實(shí)驗(yàn)”課程的實(shí)質(zhì)是儀器類專業(yè)的綜合性課程設(shè)計(jì)。課程的內(nèi)容涵蓋了設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)課程的內(nèi)容,還包含了其他科研相關(guān)能力的訓(xùn)練。作為綜合性、設(shè)計(jì)性的實(shí)驗(yàn)課程,為了保證課程教學(xué)的開展兼具開放性和規(guī)則性,課程教材的建設(shè)是必不可少的一個(gè)環(huán)節(jié),也是課堂教學(xué)模式的一個(gè)有力補(bǔ)充。從目前調(diào)研結(jié)果來看,工科光電類實(shí)驗(yàn)課程的教材已有不少,大都是驗(yàn)證性、訓(xùn)練性實(shí)驗(yàn);部分現(xiàn)有教材包含個(gè)別綜合性和設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn),側(cè)重點(diǎn)是教材理論技術(shù)的應(yīng)用舉例。對(duì)于以綜合設(shè)計(jì)和能力訓(xùn)練為側(cè)重點(diǎn)的實(shí)踐類課程,基本都在探索階段,針對(duì)性教材基本還是空白。
到本書出版時(shí)為止,“光電測(cè)控系統(tǒng)專項(xiàng)實(shí)驗(yàn)”課程已經(jīng)進(jìn)行了8年。課程的設(shè)計(jì)和實(shí)施已經(jīng)從最初的嘗試探索,發(fā)展到今天逐步成熟。在多年的教學(xué)中,不管是在測(cè)控技術(shù)與儀器專業(yè)的技能訓(xùn)練方面,還是在工科實(shí)踐教育方面,編者都積累了一些經(jīng)驗(yàn)。在對(duì)課程不斷完善的同時(shí),我們也希望把這些知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)總結(jié)提煉形成文字,不僅為課程教學(xué)的繼續(xù)完善提供有力支持,也為工科類專業(yè)課程的立體化教學(xué)與實(shí)踐研究貢獻(xiàn)微薄的力量。
編著本書的目的旨在為工科光電類綜合設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)課程提供系統(tǒng)化的教學(xué)素材和參考書,幫助具備光、機(jī)、電、算、材、物等知識(shí)基礎(chǔ)的青年學(xué)人,學(xué)會(huì)綜合應(yīng)用基礎(chǔ)知識(shí)的方法,促進(jìn)他們將掌握的知識(shí)轉(zhuǎn)化為工程能力,提高工科類本科學(xué)生創(chuàng)新能力和實(shí)踐技能。并借此拋磚引玉,吸引更多對(duì)工程教育和綜合性實(shí)踐類課程教學(xué)有興趣和熱情的教育工作者,共同思考此類課程的實(shí)施方法和發(fā)展方向,提升實(shí)踐教學(xué)效果。
本書的特色主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面:
。1)教材內(nèi)容以光電測(cè)控類系統(tǒng)設(shè)計(jì)能力培養(yǎng)和實(shí)踐能力訓(xùn)練為本,不局限于具體的理論和技術(shù)細(xì)節(jié),而更側(cè)重授人以漁,從總體設(shè)計(jì)和應(yīng)用角度,幫助讀者掌握工程設(shè)計(jì)實(shí)踐的思路和方法。與常見的以實(shí)驗(yàn)為綱的指導(dǎo)書不同,本書偏重工科實(shí)踐類教育的設(shè)計(jì)和實(shí)施,既包括光電測(cè)控儀器系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)和模塊分析,也包括通用的文獻(xiàn)檢索和科技文獻(xiàn)寫作知識(shí)等,還包括了編者在工程實(shí)踐類教育設(shè)計(jì)方面的經(jīng)驗(yàn)分享。
。2)教材組織采用從總到分,從知識(shí)到實(shí)踐,從基礎(chǔ)到應(yīng)用的結(jié)構(gòu)。從工科實(shí)踐課程的設(shè)計(jì)和通用基礎(chǔ)出發(fā),在基本實(shí)踐能力訓(xùn)練基礎(chǔ)上,以光電測(cè)控系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)思路和方法步驟為入口,以光電測(cè)控系統(tǒng)功能模塊為綱,就各模塊分別展開討論,包括設(shè)計(jì)選型思路和使用原則,最后以學(xué)生綜合訓(xùn)練作品為例,給出了研究型課程項(xiàng)目設(shè)計(jì)的參考。
。3)教材面向工科實(shí)踐課程教學(xué)雙方廣泛的讀者群。本書定位不局限于課程配套教材,除了針對(duì)學(xué)生和技術(shù)人員的工程能力基礎(chǔ)訓(xùn)練和光電測(cè)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)指導(dǎo)之外,還包括了工程實(shí)踐類課程設(shè)計(jì)方面的討論。本書除了可以作為學(xué)生綜合實(shí)踐類課程的教材,也可以作為光電測(cè)控技術(shù)類設(shè)計(jì)人員的參考手冊(cè),還可以作為工程教育類教師設(shè)計(jì)研究型課程的參考資料。
本書分為兩大部分,第一部分從工科實(shí)踐教育的發(fā)展和國內(nèi)外工程教育認(rèn)證相關(guān)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)出發(fā),分別從教師角度和學(xué)生角度,系統(tǒng)討論綜合實(shí)踐類課程的目的和意義,以及研究型課程的設(shè)計(jì)思路和實(shí)施方法。第二部分是教材的主體,分為三篇。第一篇共兩章,系統(tǒng)論述了光電測(cè)控儀器設(shè)計(jì)的總體思路和方法,并給出了系統(tǒng)設(shè)計(jì)中相關(guān)有用知識(shí),包括文獻(xiàn)檢索的方法和技巧,項(xiàng)目設(shè)計(jì)任務(wù)的啟動(dòng)思路和模塊劃分,以及科技文獻(xiàn)寫作的原則和寫作方法等。第二篇共四章,以光電測(cè)控系統(tǒng)的各功能模塊為綱,分析光電測(cè)控系統(tǒng)中涉及的光機(jī)電系統(tǒng)選擇和設(shè)計(jì)的主要思想和方法。第三篇為應(yīng)用前兩篇部分知識(shí)的幾個(gè)綜合實(shí)踐設(shè)計(jì)實(shí)例,精選幾個(gè)綜合性較強(qiáng)的光電測(cè)控系統(tǒng)課題,全面展現(xiàn)了學(xué)生在整個(gè)課程訓(xùn)練過程中各階段的工作和進(jìn)展,既可以作為學(xué)生研究型課程項(xiàng)目設(shè)計(jì)的參考,也可以供從事實(shí)踐教育的教師作為案例分析使用。
本書第一部分由周雅執(zhí)筆,第二部分第一篇第1章由趙躍進(jìn)執(zhí)筆,第2章由周雅執(zhí)筆,第二篇第3章、第4章由胡搖執(zhí)筆,第5章由劉明、董立泉執(zhí)筆,第6章由董立泉執(zhí)筆,第三篇學(xué)生實(shí)例由胡搖、周雅整理點(diǎn)評(píng)。
由于編著者水平有限,書中難免有不妥之處,懇請(qǐng)讀者在使用過程中批評(píng)指正。
編者
于北京理工大學(xué)
北京理工大學(xué)光電學(xué)院副教授、博士,中國光學(xué)學(xué)會(huì)會(huì)員;中國儀器儀表學(xué)會(huì)光機(jī)電技術(shù)與系統(tǒng)集成分會(huì)理事中國光學(xué)學(xué)會(huì)會(huì)員.
目 錄
緒論 (1)
第一部分 大工程時(shí)代,你準(zhǔn)備好了嗎?
教 師 篇
I 工科實(shí)踐教育的發(fā)展和啟發(fā) (5)
I.1 國際工程師互認(rèn)相關(guān)協(xié)議簡(jiǎn)介 (5)
I.2 幾種國際國內(nèi)的工程教育認(rèn)證和規(guī)范的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)準(zhǔn)則 (7)
I.2.1 美國工程教育專業(yè)認(rèn)證ABET (8)
I.2.2 澳大利亞工程師協(xié)會(huì)IEAUST專業(yè)認(rèn)證 (11)
I.2.3 CDIO教育模式 (14)
I.2.4 中國全國工程教育專業(yè)認(rèn)證 (17)
I.2.5 教育部卓越工程師教育培養(yǎng)計(jì)劃 (19)
II 研究型教學(xué)和研究型課程設(shè)計(jì) (21)
II.1 研究性學(xué)習(xí)和研究型教學(xué)的概念 (21)
II.2 研究型課程的特征和設(shè)計(jì)依據(jù) (23)
II.2.1 研究型課程教學(xué)方法的特征 (23)
II.2.2 研究型課程的設(shè)計(jì)依據(jù) (23)
II.3 研究型課程的教學(xué)設(shè)計(jì) (26)
II.3.1 研究型課程“光電測(cè)控系統(tǒng)專項(xiàng)實(shí)驗(yàn)”的教學(xué)環(huán)境分析 (26)
II.3.2 研究型課程“光電測(cè)控系統(tǒng)專項(xiàng)實(shí)驗(yàn)”的教學(xué)組織 (27)
II.3.3 研究型課程“光電測(cè)控系統(tǒng)專項(xiàng)實(shí)驗(yàn)”的學(xué)生自主學(xué)習(xí)階段設(shè)計(jì) (29)
II.3.4 研究型課程“光電測(cè)控系統(tǒng)專項(xiàng)實(shí)驗(yàn)”的教學(xué)設(shè)計(jì)評(píng)價(jià) (31)
II.4 研究型課程的設(shè)計(jì)理念和項(xiàng)目式教學(xué)中的一些問題 (31)
II.4.1 研究型課程中實(shí)驗(yàn)專題項(xiàng)目?jī)?nèi)容的擴(kuò)展 (33)
II.4.2 研究型課程中學(xué)生的自我認(rèn)識(shí)和資質(zhì)挖掘 (34)
II.4.3 研究型課程中的團(tuán)隊(duì)合作 (34)
學(xué) 生 篇
III 成為一名合格工程師應(yīng)具備哪些素質(zhì) (36)
IV 如何準(zhǔn)備研究型課程的學(xué)習(xí) (38)
參考文獻(xiàn) (40)
第二部分 光電測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)
第一篇 光電測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)總體
第1章 光電測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一般方法和步驟 (42)
第2章 系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一些知識(shí) (46)
2.1 文獻(xiàn)檢索的方法和技巧 (46)
2.1.1 文獻(xiàn)檢索有什么用 (46)
2.1.2 文獻(xiàn)檢索怎么用 (47)
2.1.3 常用的文獻(xiàn)檢索工具 (48)
2.1.4 常用的文獻(xiàn)檢索語法 (51)
2.1.5 文獻(xiàn)檢索技巧 (53)
2.1.6 文獻(xiàn)檢索示例 (57)
2.2 如何開始一個(gè)設(shè)計(jì)任務(wù)/項(xiàng)目 (59)
2.2.1 立項(xiàng)階段:需求和問題分析 (60)
2.2.2 明確問題階段:技術(shù)路線的分析與確定 (61)
2.2.3 項(xiàng)目進(jìn)行的關(guān)鍵問題:模塊劃分和管理 (62)
2.2.4 系統(tǒng)設(shè)計(jì)、模塊劃分和進(jìn)度管理表格使用舉例 (71)
2.3 設(shè)計(jì)技術(shù)工作總結(jié)和報(bào)告的撰寫 (74)
2.3.1 文獻(xiàn)綜述報(bào)告的提綱和撰寫 (76)
2.3.2 開題報(bào)告的提綱和撰寫 (78)
2.3.3 結(jié)題報(bào)告的提綱和撰寫 (82)
2.3.4 課題研究中的團(tuán)隊(duì)寫作 (84)
2.3.5 科技寫作的一些其他提醒 (85)
參考文獻(xiàn) (90)
第二篇 光電測(cè)控系統(tǒng)基本模塊
第3章 光信息的產(chǎn)生模塊 (91)
3.1 光電測(cè)控系統(tǒng)中的光源及輻射源 (91)
3.1.1 光源的幾個(gè)基本概念 (91)
3.1.2 測(cè)控系統(tǒng)中的光源選擇 (94)
3.1.3 測(cè)控系統(tǒng)中的幾種常用光源及其特性 (95)
3.1.4 光信號(hào)的調(diào)制 (114)
3.2 光電測(cè)控系統(tǒng)中的光學(xué)系統(tǒng)和常用光學(xué)元件 (121)
3.2.1 測(cè)控系統(tǒng)中的成像光學(xué)系統(tǒng)選擇 (121)
3.2.2 幾種常用光學(xué)系統(tǒng)的特點(diǎn)和主要應(yīng)用范圍 (130)
參考文獻(xiàn) (135)
第4章 光信息的獲取和轉(zhuǎn)換模塊 (137)
4.1 光電探測(cè)器 (137)
4.1.1 光輻射探測(cè)器的性能參數(shù)和噪聲 (137)
4.1.2 光電探測(cè)器件的工作原理和特性 (140)
4.2 光電成像器件 (149)
4.2.1 光電成像器件的應(yīng)用領(lǐng)域 (149)
4.2.2 像管和攝像管的工作原理和特性簡(jiǎn)介 (151)
4.2.3 固體成像器件的工作原理和主要特性 (156)
參考文獻(xiàn) (166)
第5章 光電信息的處理模塊 (168)
5.1 光電檢測(cè)與光電測(cè)控系統(tǒng)中的電路設(shè)計(jì) (168)
5.1.1 概述 (168)
5.1.2 基本電路元器件介紹 (168)
5.1.3 常見光電元器件檢測(cè)方法 (189)
5.2 電子電路設(shè)計(jì)制作的一般方法 (193)
5.2.1 電子電路的設(shè)計(jì)過程 (193)
5.2.2 印制電路板的設(shè)計(jì)方法和技巧 (194)
5.3 軟硬件開發(fā)環(huán)境 (196)
5.3.1 MATLAB (197)
5.3.2 Visual C++ (208)
5.3.3 單片機(jī)開發(fā) (218)
參考文獻(xiàn) (227)
第6章 光電測(cè)控系統(tǒng)的執(zhí)行模塊 (228)
6.1 光電測(cè)控系統(tǒng)中的機(jī)械結(jié)構(gòu) (228)
6.1.1 測(cè)控系統(tǒng)中機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的要求、方法和基本準(zhǔn)則 (228)
6.1.2 測(cè)控系統(tǒng)中光學(xué)零件的固緊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) (234)
6.1.3 測(cè)控系統(tǒng)中常用的幾種傳動(dòng)機(jī)構(gòu) (238)
6.2 光電測(cè)控系統(tǒng)中的控制執(zhí)行機(jī)構(gòu) (244)
6.2.1 機(jī)械伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì) (244)
6.2.2 導(dǎo)向機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) (247)
6.2.3 微位移機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) (250)
參考文獻(xiàn) (251)
第三篇 實(shí) 例 篇
第7章 測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)舉例 (252)
7.1 壓電陶瓷移相干涉法測(cè)量光學(xué)元件微面形 (252)
7.1.1 開題報(bào)告 (253)
7.1.2 結(jié)題報(bào)告 (256)
7.1.3 項(xiàng)目研究報(bào)告 (257)
7.1.4 教師點(diǎn)評(píng) (263)
7.2 激光反射法音頻聲源定位與語音內(nèi)容解析 (264)
7.2.1 開題報(bào)告 (264)
7.2.2 結(jié)題報(bào)告 (269)
7.2.3 項(xiàng)目研究報(bào)告 (270)
7.2.4 教師點(diǎn)評(píng) (283)
7.3 復(fù)雜表面物體體積的非接觸光學(xué)測(cè)量 (284)
7.3.1 開題報(bào)告 (284)
7.3.2 結(jié)題報(bào)告 (290)
7.3.3 項(xiàng)目研究報(bào)告 (292)
7.3.4 教師點(diǎn)評(píng) (302)
7.4 基于光電導(dǎo)航的智能移動(dòng)測(cè)量小車 (302)
7.4.1 開題報(bào)告 (303)
7.4.2 結(jié)題報(bào)告 (308)
7.4.3 項(xiàng)目研究報(bào)告 (309)
7.4.4 教師點(diǎn)評(píng) (316)