DreamBlooms/HansPub-15000-to-45000 huggingface dataset:
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user: 1. 前言 双眼视(Binocular vision)是物体影像聚焦落在两眼视网膜对应点上，又称固视，对应点中央小凹大小约0.35 mm，需经由视觉系统整合作用与共同精确协调运动行为，完成两眼视的视觉机转，并具视觉空间感、视觉分析及视动整合形成立体感知的视觉。当两只眼睛视力完美协调一致，这称为正常双眼视觉。双眼视觉的正常机能包含调节力、内聚(Convergence)、发散(Divergence)及动眼能力，这些机能可以经由视觉训练使之增强。双眼视基础架构可以分为三大机转。感觉系统(Sensory system)接受外界视觉的刺激，运作包含视觉系统在眼球解剖生理上的发育性、生理性成因及神经传导至大脑视觉皮质的影像形成等。整合系统(Integrative system)将感觉机转汇整之视觉信息，融合形成单一视觉知觉区。运动系统(Motor system)控制眼睑的闭合，进入眼睛的光量，眼睛的屈光特性以及眼睛的运动 [ 1 ]。不等视的定义为无论是在单一主轴或是两个主轴两眼屈亮度不等，一八六七年Kaiser首先将屈亮度不等命名为屈光参差，其类型有：一眼正视(Emmetropia)与一眼远视(Hyperopia)、近视(Myopia)或散光(Astigmatism)；双眼屈光不正(Refractive error)，但屈亮度数不同的种类亦有所不同。低于1.50 D的屈光参差属于生理性，国外将双眼屈亮度相差1.00 D以上的称为屈光参差。屈光参差性弱视是双眼屈光参差(Binocular anisometropia)较大，同一物体在双眼视网膜(Binocular retinal)成像大小不等，融合困难，视皮质中枢抑制屈光不正较大眼睛，其易形成弱视眼。单眼近视、远视及散光造成屈光参差 [ 2 ]。两眼屈光绝对相等比较少见，多数人都表现出一定量的屈光参差，普遍存在屈亮度微小差异。眼睛发育过程中，如果两眼发展不同，就可能引起屈光参差。除发育因素外，创伤和其他疾病也可能引起屈光参差。屈光参差大多是先天性，常合并面部发育不对称。屈光参差大者会严重影响视功能，破坏双眼视功能，导致斜视(Strabismus)及弱视发生。发生年龄越小，对视功能影响会越严重。少年儿童的屈光参差要早期发现，建议六岁前检查视力，如出现屈光参差要尽早配镜矫正，不可忽略不戴眼镜 [ 2 ]。用眼习惯引起的调节力与集合力不同步及视网膜上清晰度程度不同导致屈光参差。本研究首先进行屈光参差成因的分析与处理方法，再进行脑波量测屈光参差设计与建立量测系统。研究方法系利用脑波讯号与视觉生理反应之间的关系，量测视觉清楚与模糊的脑波讯号变化，分析脑波专注与放松曲线作为不等视配镜优化。从量测数据可以得知受检者的融像与配戴舒适度，完成矫正左右不等视现象。不等视矫正方法以框架眼镜与隐形眼镜为主，其次角膜塑型镜及屈光手术。框架眼镜矫正不等视最大的不足是产生的棱镜效果，这样眼向上和向下看时，产生不适或融像时出现复视。对于非共同性不等像，即垂直或是水平性不等像及斜性不等像，只能通过框架眼镜进行矫正。
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user: 3. 系统架构 不等视检测装置包括远用视力表(Distance visual acuity chart)、他觉式计算机验光机(Auto-Refractor)、自觉式综合验光仪、验光试镜片组(Trial lens set)、试镜架、单极点脑波撷取模块及计算机等成，如图12所示。受检者配戴试镜架注视远方视标，调整试镜架屈亮度。经由单极点脑波撷取模块撷取脑波讯号，将脑波讯号传达至个人计算机分析，以了解受检者远方双眼状况，最后使用Worth4-dot视标法检验以及红绿分离法来检测受检者融像、立体视觉以及不等视状况。使用相关仪器及其用途简述如下。 图12. 不等视检测系统架构图 (a) 他觉式计算机验光机：系采用近红外线为光源，自动检测眼轴的长度来计算出受检者的屈亮度，具备测量眼球角膜弧度(K值)及曲率半径的功能。 (b) 自觉式综合验光仪：验光盘中有各式球面、柱面、辅助镜片、棱镜忆及红及绿色滤光片。可检测受检者屈光矫正的度数，也可以检测双眼视觉的相关功能。 (c) 验光试镜片组：含各式镜片与试镜架，受检者在完成所有的自觉式验光程序之后，最后确认受检者是否适应新处方的工具。试镜架要可以符合受检者的瞳距及多方位的调整，主要功能是试片可以保持受检者的顶点距离、倾斜度以及角度 [ 7 ]。 (d) 远用视力表：检测受检者辨识物体细微结构的视觉能力，评估受检者被检眼的视觉功能，或受检者的光学眼镜对于被检眼的矫正质量。六公尺视标为无限远，受检者被检眼的调节和聚散的状况最小，被检眼距离为六公尺的检测结果称为远用视力，用于测视远用视力的设备称为远用视力表，采用Snellen“E”字视力表 [ 8 ]。 (e) 单极点脑波撷取模块：调整试镜架上的屈亮度，检测二组屈亮度的脑波专注及放松的曲线。 3.1. 验光仪器 他觉式计算机验光机采用近红外线为光源，电子自动化技术进行调适视标，客观方式自动检测眼球系统屈光异常度数。操作简单，数秒即可获得受检者的验光结果。 验光时受检者需将头放正，停止眨眼，眼睛调节尽量放松，计算机验光仪内置雾视功能，使眼球放松。受检者注视验光机内视标清晰时，自动调焦测量。做检测时，每次测量三次，作为验光时的初始参考值。 测试距离为六公尺，不同距离时字母大小由五分视角等比例缩放，正视眼的人可以分辨Snellen字母1.0视标。 测试距离六公尺是在眼内产生(−1/6)D的入射聚散度。眼睛的景深大过这个值，不须用调节增加屈亮度来中和负的聚散度。距离太短会刺激调节，因此六公尺测试效果是无限远距离。 由于六公尺的目标对于注视眼所释放的调节和聚散情形已经很小，因此将测视距离为六公尺的视觉测试结果称为远用视力，用于测试远用视力的视标称为远用视力表。 视力(Visual acuity， V.A.)可以使用Snellen视力公式计算 [ 9 ]，如图13所示。 图13. 视力表设计原理 综合验光仪各种屈光度量测主要由三个转轮控制，转轮系统配合各种球面镜片屈亮度数组合成一系列等效屈亮度。最靠近受检者的转轮是高屈亮度数，中间低屈亮度数，最前面负柱面镜片，可使镜片度数在一定间距增减。受检者眼睛要通过视孔观看，会产生机械性近视。其具有高度稳定性能满足检查所需之功能设定且更换镜片快速。在临床操作上比传统试镜架验光更为有效率。透过简单的旋钮快速的转换镜片，能减少受检者受到干扰，缩短检测时间。其功能不仅完备且检测快速，唯无法让受检者体验实际配戴结果。 3.2. 单极点脑波撷取模块 图14所示为额头式单极点脑波撷取模块，模块功能主要是监测受检者屈光测量期间之专注力与视力变化检测。传统式脑波仪使用过程复杂又费时，很不便利。将单极点脑波撷取模块的导电电极贴于受检者前额偏Fp1处，撷取的脑波讯号经信号处理后透过蓝芽接口传输至计算机(图15)。将脑波中各种波型讯号利用视力专注值与放松值之方程式中计算。单极点脑波撷取模块有脑波侦测与信号处理两个单元，此二单元进行脑波侦测与信号处理。做双眼不等像检测时，受检者视觉被刺激，其脑波讯号即为受刺激脑部所产生的生物电流情形，透过信号处理与计算机运算，辅助量测并了解受检者目前视力的双眼融像及双眼不等像状态，是否单眼被抑制。 TGAM1讯号处理芯片包含电源3.3 V、接地(GND)、串行数据输出(TX)、串行数据输入(RX)、脑波讯号输入(EEG)、脑波讯号接地(GND)以及脑波讯号参考电位(REF)。接收脑波讯号后，处理芯片(TGAM1)所输出的封包数据系做为运算处理及后续控制。TGAM1可透过该模拟/数字转换器，将脑波讯号由模拟讯号转换成数字讯号，再透过串行传输模式连续输出至该接收结构。 TGAM1有脑波的撷取功能，其中包含了八个波段的脑波，δ (0.5~2.75 Hz)；θ (3.5~6.75 Hz)；α L (7.5~9.25 Hz)；α H (10~11.75 Hz)；β L (13~16.75 Hz)；β H (18~29.75 Hz)；γ L (31~39.75 Hz)；γ H (41~49.75 Hz)。其中，专注值讯号系取自γ L (31~39.75 Hz)及γ H (41~49.75 Hz)两个波段组合，此两波段数值越大，专注度越高。放松值讯号系取自β L (13~16.75 Hz)及α L (7.5~9.25 Hz)两个波段组合，此两波段数值越大，放松度越高 [ 10 ]。 图14. 国际脑波电极位置 图15. 感应电极置于被检者额头Fp1位置
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user: 5. 结论 通常测试不等像可用直接比较法，也就是对同一目标，轮流遮盖两眼，准确度也相当高，做主观的比较。视力检查(visual acuity)时所使用的试镜片会影响到放大率，因此所有试镜片基弧与厚度必须要保持一致。另一种检查方式可在其中一眼之前加入垂直棱镜，制造垂直复影，这样可同时比较双眼的影像大小。 本研究使用单点式脑波捕获设备进行融像测试，其方式以专注与放松曲线做作为判断，最后再使用Worth4-dot远用融像检测法比对测试，完成不等像检查以确定最佳双眼融像，达到最佳双眼视觉即可进行配镜。 未来的镜片设计如能达到相同的厚度、前表面曲率及镜片折射率，却能拥有不同的度数，以改善镜片对物体在眼内成像的放大率，达到双眼视觉与双眼融像的最佳效果，以及双眼立体视觉的舒适感，改善双眼竞争导致大脑和眼睛协同运作之间的视觉失调问题，也可避免屈光不正较重的那一眼被抑制，沦为屈光参差性弱视的问题。 额头式单极点脑波撷取模块期待能设计只撷取脑波讯号的γ L (31~39.75 Hz)及γ H (41~49.75 Hz)两个波段，以及讯号β L (13~16.75 Hz)及α L (7.5~9.25 Hz)两个波段，则检测双眼融像能更单纯、快速、有效率，不单只能检测不等像及双眼融像问题，还能提供其他视力检查项目或运用在孩童、精神耗弱、低视力患者的重要参考值。
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user: 摘要 高压氧治疗是常见的治疗方式，对高压氧治疗自助服务终端设计的研究，能有效改善其治疗的有序性，并提升整体工作效率。采用人机交互界面，并借助ADO技术连接数据库，提升自助服务终端的设计水平，能确保患者加入到高压氧治疗信息链中，提升整体工作效率，值得在高压舱中推广应用。
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user: 1. 引言 医疗技术的进步和发展，高压氧治疗的应用范围越来越广，在多种疾病的临床治疗中发挥着重要的作用。同时，高压氧舱的需求量不断增多，信息数据快速增长，数据查询、登记等工作越来越多。计算机和信息技术的发展，很多医院采用自助服务，在高压氧治疗服务自主终端设备的研究中还存在一些不足，硬件和软件需要进一步完善，加强对高压氧治疗自主服务终端的研究。
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user: 2. 高压氧治疗自助服务终端硬件设计 硬件设计中，主要包括主机和机柜量大部分。主机是整个终端运行的核心艘在，为软件的运行提供基础，也是各服务器和数据库链接的接口。机柜则是主机的载体，其为主机提供稳定的供电系统，并配置散热、红外式触摸及人体感应等模块 [ 1 ]。如图1所示。 图1. 高压氧治疗自助服务终端结构 2.1. 主机 主机主要是在PC总线工控机结构，底板是符合工业标准结构的插槽，主板卡中包括了CPU、网络接口、音视频输出及USB接口等。网络接口按照IEEE 802.3标准，采用的是双工模式，其速率为100 Mbit/s。音频输出可以支持大部分有源音箱 [ 2 ]。视频输出主要运用模拟信号视频图。为实现显示人机交互界面及触摸功能，将显示器与机柜红外式触摸模块合为一体。对于条形码扫描枪，为提升识别率，采用连续扫描的方式，一般扫描时间长度为5 s，且间隔只有1 s。 2.2. 机柜 机柜主要是全钢机壳，自身具有较强的稳定性，在内部包括了红外触摸、人体感应及散热模块，还包括了散热和供电系统，以确保主机的正常运行。 首先是红外式触摸模块，主要是运用红外线矩阵，对触摸手势的电子设备进行检测定位，和电容式、声波信号等触摸方式下相比，透光率更高，且不需要多次重新校准，对触摸介质的时适用性较强，具有明显的优势。其次是人体感应模块，主要是采用反射式的红外传感器，在辐射照面有菲尼尔滤光片，以减少环境对系统的干扰，可以应用于终端对人体识别并能发送音频信号。再次，散热系统的设计中，主要影响因素是风道，一般采用四个正压风扇，对机柜进出风口的温度进行控制，确保进出风口温度差在10℃以内。最后是供电系统。系统采用的是220 V的交流电，从过载空开到电源开关依次接入，确保整个设备通电且安全稳定运行，开关电流是直流电，根据脉冲宽度对集成电路进行控制，采用金属氧化物半导体效应管，从而减少电网引入的干扰 [ 3 ]。
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user: 3. 软件设计 软件程序的开发主要是在Delphi 7.0环境下进行编译，采用Pascal语言，是通用的一种计算机高级程序设计语言，有严谨的结构化形式，完备的数据类型，在应用中效率较高，且具有较高的查错能力 [ 4 ]。设计中主要包括了预约及查询功能。预约主要是患者自助地对高压氧治疗进行预约，查询当前的治疗人数和等待时间，并查询个人的详细资料数据。结构设计中包括了人机交互、查询、打印等程序。 3.1. 人际交互界面 该界面主要包括舱位分布、说明和患者信息等部分。舱位中用不同颜色显示舱位当前的预约状态，绿色表示舱位空闲，红色表示预约已满。说明部分主要是对预约步骤、终端使用操作等进行简单说明讲解，方便初次使用的人员能快速了解该系统并进行快速预约 [ 5 ]。患者信息主要包括姓名、年龄、条形码等，患者持条形码到自助服务终端机进行扫描，查询和预约信息。 3.2. 数据库链接 主要是采用MySQL5.6为网络数据库，运行的成本较低、速度较快，且源码开放，终端软件采用ActiveX Data Objects的方式链接数据库、治疗和预约数据信息。 3.3. 重复查询函数 通过减少数据表查询次数，提升系统的响应速度。患者通过治疗卡扫描条形码，触发函数，扫描数据库中舱次内的预约信息，查询患者是否在此数据库中，如果患者已经预约过，则不能再次预约，如果显示患者未预约，则可以进行预约操作。 查重原则： 1) 使用标识码作为重复查询的标志，避免重名的问题； 2) 查重仅针对数据库表单中当天的数据进行比较； 3) 出现重复，即当日第二次预约时，返回空指令，屏蔽人机交互界面的输入接口。 3.4. 后台管理命令 后台管理命令包括创建、刷新及清除命令等，是对自助终端自动运行的补充命令。创建主要是手动创建舱次预约信息，主要是当终端设备出现故障时，可以人工进行操作。刷新主要是当后台删除预约信息时，对当前的预约状态进行刷新处理，显示最新的信息；清除主要是对具体预约位置进行清除操作，主要是对其显示颜色进行切换 [ 6 ]。 3.5. 预约条 预约条中主要包括了舱次信息，患者姓名，年龄，预约和打印时间及具体的说明等。预约条主要用于核对患者的治疗时间和舱位，是患者的入舱凭证。 3.6. 语音提示 主要是采用Delphi7的MediaPlayer组件进行代码编译，语音文件一般是wave格式，当机柜红外传感器检测到有人体靠近时，会想终端程序发送触发信号，此时终端进行语音提示的播报。代码设计如下： Mediaplayer.FileName:='D:\hbopifo\sound\语音提示.wav';//获取语音提示音频文件； Mediaplayer.Open;//控件打开； Mediaplayer.Play;//控件播放音频文件。
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user: 4. 系统应用流程分析 主要是采用自动化的运作模式，一般不需要人工的操作和干预，在运行中患者持有的治疗卡条形码标签是高压氧治疗预约的凭证，也是系统查询数据库的标识。 患者在高压氧治疗预约中，如果是无卡治疗，首次预约需要到医院护士站创建信息，医护人员通过人工操作的方式在数据管理系统进行患者信息和治疗信息的创建，并打印条形码，如果不是第一次预约，治疗卡丢失，需要去医院护士站补办治疗卡。 患者持有治疗卡条形码标签，在自助服务终端进行扫描，终端系统对条形码加以识别，从而作为标识查询服务数据库，查询结果返回到界面，患者在操作中需要对服务终端程序内容进行核对，查看其是否为本人的信息，如果是本人信息可查阅相关信息，如果不是本人的信息，需要到护士站进行咨询，或者补办治疗卡，再到自助服务系统进行预约操作。确保患者的信息准确无误后，触摸屏幕按钮操作，并选择查询和预约功能 [ 7 ]。 预约功能选择后，终端界面舱位的分布图功能会被激活，根据预约号，治疗时间、当前信息等，对相关信息进行打印。查询功能选择后，需要将打印的条形码作为标识，显示数据库相关治疗信息。具体应用流程如图2所示。
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user: 5. 自助服务终端应用效果分析 在终端应用中，其硬件系统运行相对稳定，且具有良好是散热效果，景观测试，当环境温度为40℃左右时，高压氧治疗自助服务终端可以连续工作10小时，主机性能良好，在运行中没有出现过断电、死机等故障问题，当环境光照强度达到30，000 lx时，红外触摸系统并未受到明显的干扰，系统仍然可以正常运行且识别位置信息等。 整体来讲，高压氧治疗自助服务终端系统和服务器相对比较稳定，运行速度较快，重复查询函数访问请求的响应速度较快，后台管理命令能减少突发故障出现时终端不能自助运行的问题。分析打印条打印，遇到卡纸问题时，能旋转机器侧边的旋钮，从而及时排除故障。而红外传感器的感应度和灵敏度较强，语音提示正常。 图2. 自助服务终端应用流程 人机交互设计中，主要按照操作简单便捷的原则，在运用中患者反映效果较好，能解决原有的患者抢座现象，也能减少原有的人工操作无序状态，提升了高压氧治疗的有序性，为患者带来了极大的便利。 在自助服务终端系统运行过程中，除了特殊情况，不需要人工操作可实现自动运行，能定时自动启动和关机，自动切换舱次，且实现对人体智能化探测和语音提示。在运行过程中，如果遇到突然停电和关机等问题，在系统恢复正常运行状态后，可以自动执行刷新操作，能保持与服务器同步预约，且保留后台管理命令接口，以便特殊情况下可以人工进行干预。自动服务终端的自动化程度越来越高，新的技术和手段的融合，在提升医务人员工作效率方面发挥着越来越重要的作用。 此外，这种自助终端设计系统在实际应用中也存在一些问题，其中最突出的是治疗卡的管理问题。自助终端系统条形码标签的治疗卡是患者身份的重要标识，治疗卡是高压氧治疗的有效凭证，但是患者自身的治疗卡保护意识相对较弱，常常出现治疗卡丢失等问题，但是内部监控等常常被忽视，影响到治疗卡的安全和正常使用，如果丢失需要到人工操作窗口进行重新办理，花费更多时间，且目前相关的规章制度并未完善落实。同时，对老年患者来讲存在操作难度。一些老年患者自身的操作能力相对较差，如果没有陪同治疗人员，自己不能操作终端服务系统进行预约和查询，需要医护人员的协助和指导。此外，高压氧自主服务终端的应用并未与医院其他综合服务系统有效结合，系统多是孤立存在，并未建立综合服务系统，给医务人员和患者带来不便。 当前移动终端设备的普及，信息技术的高速发展，在高压氧治疗自助服务系统建设中，还要重视网络数据库的建设，充分运用计算机技术，人工智能技术等，将医护终端、自助服务终端、手机App程序等有效结合，优化高压氧就诊和治疗的整个流程，患者可以通过手机App、医院官网或者是微信小程序进行信息查询、预约、就诊咨询等，医护人员可以通过医护终端设备了解预约患者信息，当前预约人数和等，提升工作效率，也提升患者的满意度。
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user: 6. 结语 综上所述，高压氧治疗之主服务终端的设计和应用，改变了原有的人工操作模式的弊端，是我国高压氧界研究的重大突破，通过硬件设备和软件系统的设计，确保软件流畅运行，从而与服务器链接作出快速响应。在应用中，条形码标签是患者重要的个人识别码，能降低终端硬件的成本，同时人机交互操作便捷，借助互联网数据库，能实现患者就医过程的监控，提升资源利用率，红外传感器等能实现人体智能识别和语音提示，在应用中取得了良好的效果。能让患者参与到高压氧治疗信息链中，从而优化诊断治疗的秩序，减少医务人员的工作量，提高工作效率，在系统建设优化中，要结合实际需要，充分借助互联网技术、计算机技术等，重视系统的革新，同时将高压氧治疗自助服务终端系统与医院综合服务自助终端系统结合，给医护人员和患者带来更大的便利。
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user: 摘要 过程控制系统具有的大滞后性给航站楼环境控制节能带来挑战。为提高航站楼内环境控制系统能效，开发基于STM32和Zigbee技术的航站楼环境参数实时无线监测系统。采用STM32F103ZET6微控制器制作低功耗检测节点，为降低系统损耗灵活调整数据传输周期。在Visual Studio平台通过开辟多线程实现监测软件高效率运行。实验和应用结果表明，该系统与固定周期数据传输系统相比，功耗显著降低，系统稳定性好；在提高能效方面，CO 2 浓度比温度随客流量变化更加灵敏，延迟时间短，可为航站楼空调系统提高能效作为参考依据。
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user: 1. 引言 据统计，大型机场的航站楼平均能源消耗占机场能源消耗总量的60% [ 1 ] [ 2 ]。降低航站楼能源消耗是机场节能减排的关键 [ 3 ] [ 4 ]。航站楼内环境控制系统存在的大滞后性给航站楼节能运行带来挑战。随着旅客出行对方便性、快捷性、舒适性的要求越来越高，精确测量航站楼主要环境参数，缩短环境控制系统滞后性，在提升旅客出行舒适度的同时，可以逐步降低能耗，实现节能环保。 传统监测系统多采用有线通信方式，存在布线复杂、维护困难、终端节点不能灵活部署等问题 [ 5 ]。因为低成本、可大规模部署节点、节点自动组网等优点，无线传感器网络开始大规模使用。如基于蓝牙的分布式温室监控系统 [ 6 ]，基于GSM的温室监测系统 [ 7 ]。以上无线传感器节点多数采取电池供电方式，电池电量有限，不能长久持续供电。鉴于此，提高传感器节点能源利用率、确保系统数据低功耗传输，使监控系统长时间稳定工作成为研究热点。 为解决现实存在的难题，根据ZigBee技术，使用STM32微控制器设计无线实时监测系统，实现机场航站楼内主要环境参数实时测量。根据碳浓度、温度等参数随旅客量变化，检测航站楼内碳浓度和温度，系统自动分析数据，优化航站楼内空调控制系统，不断降低能耗，实现节能目标。
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user: 2. 系统架构设计 本系统包括检测器节点、路由节点、协调器节点和上位机。航站楼环境参数：CO 2 浓度、温度等由检测器节点采集后发送至路由节点。寻找、建立以及修复路由信息由路由节点完成，并向协调器发送数据包。协调器在Zigbee网络中负责网络的建立和配置，接收路由节点的数据并通过串口RS232与上位机通信 [ 8 ]。上位机通过监测软件对采集数据进行存储、显示、分析，进行节点管理、历史数据查询。系统架构见图1。
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user: 3. 检测器节点设计 检测器节点主要由电源部分、传感器部分、微控制器和无线模块等组成 [ 9 ]。检测器节点设计见图2。 图1. 系统架构图 图2. 检测器节点设计图 3.1. 光伏供电和可控电源部分 监测系统需要在航站楼内长时间运行，当采用普通电池供电，电量耗尽后会造成检测器节点停止工作。经常更换检测器的电池将会提高维护成本。航站楼多采用屋顶镂空设计，因此设计太阳能电池板在阳光充足时给锂电池供电 [ 10 ]，锂电池给检测器节点供电，可保证检测器长时间工作。 微控制器通过可控电源模块RT9167/A芯片控制锂电池仅在系统采样时向传感器等部件供电。在两个采用周期之间，通过关闭传感器等模块的电源实现降低检测器能耗 [ 11 ]。 3.2. 二氧化碳浓度传感器和温度传感器 选用COZIR-AX-5000型号CO 2 浓度传感器和DS18B20温度传感器作为检测器节点的主要传感器。该型号CO 2 浓度传感器测量范围为0~5000 ppm，测量误差小于±10 ppm。DS18B20测温范围大，在−55℃到+125℃之间，精度为正负0.5℃，优点有：精度高、体积小等。以上传感器均满足航站楼环境监测需求。 3.3. 微控制器变周期数据传输机制设计 作为检测器节点的控制核心，微控制器负责控制各模块协调工作，其主要功能有：加入网络、环境参数检测、数据存储、数据分析后传输、接收指令等。微控制器接收指令后进入中断程序，主要实现的功能有：传输已采集的数据、参数设置、同步时间等。微控制器计算本周期数据与前一周期数据差值，差值在设置范围内则本次采集数据保留，差值大于设置范围则发送本次采集数据。当上位机收到数据时，实时显示数据；当上位机未收到本周期数据时，判定为环境参数未超出设置范围，显示前一周期数据；从而实现降低数据传输造成的能耗。检测器节点工作原理见图3。 图3. 检测器节点工作原理 图3中， Δ C 表示本周期CO 2 浓度与上一周期CO 2 浓度差值， Δ T 表示本周期温度与上一周期温度差值。系统初始化后，直接发送首个周期检测到的数据，不进行判断。 ε c 和 ε t 表示航站楼内CO 2 浓度和温度设定的参数变化阀值。 为确保检测器能够顺利实现上述功能，选择STM32F103ZET6作为微控制器 [ 12 ]。它具有SPI接口，能够满足无线通信需求。且STM32F103ZET6具有休眠模式，在两个采样周期之间进入休眠状态可以减低检测器功耗。因此，该款微控制器十分适用于实时监测系统 [ 13 ] [ 14 ] [ 15 ]。检测器实物见图4。 系统无线传输模块选用CC2420射频模块，它符合2.4 GHz IEEE802.15.4协议规范，是广泛应用与无线网络汇总的低功耗、低电压的射频收发芯片。CC2420通过SPI接口与微控制器进行数据读写、指令收发等通信。 图4. 检测器实物图
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user: 4. 高效率监测系统软件设计 监测系统软件设计主要指上位机用户监测软件设计。选用基于微软Visual Studio平台的C#语言进行监测系统用户界面软件开发。Visual C#具有功能强大的用户开发环境，提供很多方便应用开发的工具，可以大大提高软件开发效率 [ 16 ]。 上位机监测系统软件设计主要有：实时数据显示功能和历史数据查询功能。实时数据显示功能包括：接收环境数据、分析数据、存储数据，通过图像和表格等多种形式实时、直观地显示航站楼中CO 2 浓度和温度等环境参数，还可通过操作按钮向节点发送指令。历史数据查询功能根据用户选择的日期和检测器节点读取历史数据并显示。 考虑到上位机接收数据时，如果仅采用单个线程，用户进行查询历史数据时，会造成数据接收延误，甚至爱数据丢失。为确保监测软件在查询历史数据的同时也可以实时接收数据，通过开辟新的线程实现历史数据查询功能。从而实现两个主要功能同时运行而不受彼此影响，保证上位机监测系统高效、快速运行。
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user: 5. 监测系统实验及应用 选取天津滨海国际机场T2航站楼作为监测系统实验及应用场所。 5.1. 系统部署 将监测系统部署在天津滨海国际机场T2航站楼出发大厅。分别在E、F、G、H四个值机岛分别布置10个检测器节点，检测出发大厅环境参数。每个值机岛布置一个路由节点，整个系统设置一个协调器节点，上位机使用一台电脑运行监测软件实现功能。每个检测器的基本采样周期设置为5 min， ε c 设置为15 ppm， ε t 设置为0.5℃。为进行对比实验，部署第二套相同硬件的上述设备，设置其为固定周期传输数据。 5.2. 监测系统性能实验 在天津滨海国际机场T2航站楼出发大厅进行主要环境参数采集，根据采集过程中系统能耗和系统稳定性进行性能分析。 5.2.1. 检测器节点能耗测试 系统正常运行时，检测各模块功耗，结果见表1。 Table 1 Power consumption statistics of each modul 模块 平均功耗(mW) CO 2 传感器 3.5 温度传感器 3.3 CC2420无线射频模块 57.4 表1. 各模块功耗统计表 根据表1得出：功耗最大的模块是无线射频模块，检测器能耗与发送数据量呈正比。实验期间，统计31天中两种模式(传统固定周期传输和变周期数据传输)下数据传输字符总长度，统计结果见图5。 图5. 数据字符长度累加对比图 实验结果显示：采用变周期传输模式比传统固定周期传输模式节能67.22%。变周期传输模式中监测系统传输数据总量大大小于传统传输模式，显著降低功耗。 5.2.2. 系统稳定性测试 为验证监测系统稳定性，采用变周期传输模式传输一组数据，重复30次，纪录上位机监测软件接收情况。对照组采用传统固定周期传输模式进行相同数据传输，系统稳定性测试结果见图6。 图6. 系统稳定性测试结果 分析上位机接收数据结果，传统固定周期传输模式下，所有检测节点相同周期发送数据造成数据传输网络堵塞，数据丢失率为2.3%。变周期传输模式下，避免重复数据传输，减小网络负荷，大大降低数据丢失率，数据丢失率仅为0.49%，数据传输稳定性好，系统更加可靠。 5.3. 监测系统在航站楼中的应用 监测系统在航站楼中的应用主要包括：根据监测系统采集的数据，结合出发大厅内旅客量，进行参数延迟时间和变化率分析，可以为旅客提供舒适环境，并对提高环境控制系统能效提供参考依据。 5.3.1. 出发大厅内环境参数分析 出发大厅E、F、G、H四个值机岛中，H值机岛代理航空公司数量占机场运营航空公司总数的60%，因此选择布置在H值机岛H06节点检测的环境数据进行分析 [ 17 ]。使用监测软件通过历史数据查询功能，读取H06检测器节点内存储在EEPROM中的数据，读取3月31号CO 2 浓度和温度数据，如图7所示。 图7. 出发大厅内环境参数曲线 根据图7可以看出，当日CO 2 浓度参数曲线主要出现四个波峰，分别在10:00、14:55、16:30和18:10达到峰值525 ppm、543 ppm、549 ppm和522 ppm。CO 2 浓度值小于中国《室内空气质量标准》国标GB/T18883-2002中规定的CO 2 室内空气质量标准1000 ppm，航站楼内空气质量良好。但温度参数曲线仅存在两个波峰，在17:20达到主峰值23.3℃，在18:54达到次波峰23.2℃。监测上述指标，当CO 2 浓度高于室内空气质量标准，或者温度过高(过低)时，会给旅客带来不适，可以通过空调系统增加新风量降低CO 2 浓度，调节空调供冷(或供暖)来优化航站楼内环境质量。 5.3.2. 出发大厅内客流量分析 为分析CO 2 浓度、温度随旅客变化规律，对出发大厅内客流量进行统计、分析。根据Gamma分布规律将相同时间段内每个航班旅客到达数量累加，取Gamma分布下形状参数为3.87，尺度参数为3.6，计算出发大厅内旅客数量 [ 18 ]。设出发大厅内旅客计算周期为监测系统固定采样周期5分钟。考虑旅客办理值机手续、托运行李等时间，旅客在出发大厅内平均停留时间为20分钟 [ 19 ]。根据3月31号航班计划离港信息可以得到T2航站楼出发大厅内旅客数量见图8。 图8. 出发大厅内旅客数量 根据图8可知：当日出发大厅中旅客最早到达和最晚离开的时刻分别是3:30和22:05。当日旅客数量变化曲线图共存在五个主要波峰，其中在8:50达到当日旅客最大峰值532人，在15:50达到当日第二个峰值378人 [ 20 ]。 5.3.3. 延迟时间分析 结合客流量曲线图及监测系统采集的环境数据，分析CO 2 浓度和温度随旅客量变化存在的延迟时间。分析3月31号客流量开始增加的时刻、当日主波峰、次波峰时刻环境参数的延迟时间见表2。 Table 2 Analysis ofdelay tim 时刻 客流量/个 客流量状态 CO 2 响应时刻 CO 2 延迟时间/min 温度响应时刻 温度延迟时间/min 3:30 1 开始增加 4:30 60 6:40 190 8:50 532 主波峰 10:00 70 17:20 510 15:50 378 次波峰 16:30 40 18:54 184 表2. 延迟时间分析 根据表2可知：CO 2 浓度随客流量变化的平均延迟时间为57 min，温度随客流量变化的平均延迟时间为295 min。CO 2 浓度参数随客流量变化响应更快，比温度参数对客流量变化延迟时间缩短5.2倍，CO 2 浓度参数对客流量变化更加灵敏。 5.3.4. 参数变化率分析 客流量在19:20时达到当日第五个波峰200人后逐渐减少，为掌握环境参数每个周期的变化情况，监测系统采用传统固定周期采集出发大厅环境参数，数据见表3，根据表3数据详细分析CO 2 浓度和温度数据变化规律。 Table 3 Environmental parameters in departure hal 时间 温度/℃ 温度变化率/% CO 2 /ppm CO 2 变化率/% 19:20 23.3 516 19:25 23.2 0.43 494 4.26 19:30 23.2 0.00 481 2.63 19:35 23.2 0.00 475 1.25 19:40 23.2 0.00 449 5.47 19:45 23.1 0.43 480 -6.90 19:50 23.1 0.00 461 3.96 19:55 23.1 0.00 439 4.77 20:00 23.0 0.43 448 -2.05 20:05 23.0 0.00 465 -3.79 20:10 23.0 0.00 437 6.02 20:15 23.0 0.00 436 0.23 20:20 23.0 0.00 443 -1.61 20:25 22.9 0.43 426 3.84 20:30 22.9 0.00 437 -2.58 20:35 22.9 0.00 432 1.14 20:40 22.8 0.44 425 1.62 20:45 22.8 0.00 400 5.88 表3. 出发大厅环境参数 根据表3可知：温度和CO 2 均伴随客流量减小而逐渐降低。其中温度平均值为23℃，降低速率为0.13%；CO 2 浓度平均值为452 ppm，降低速率为1.40%，CO 2 浓度降低速率是温度降低速率的10.77倍，CO 2 浓度随客流量变化更迅速。
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user: 6. 结束语 本文开发基于STM32和Zigbee技术的航站楼环境参数实时无线监测系统，完成变周期数据传输检测器节点的开发，在监测软件界面可以实时了解航站楼内环境参数。通过实验和航站楼实际应用，得出如下结论： 1) 与传统固定采样周期系统相比，变周期数据传输系统降低超67%的能耗，数据丢失率小于0.5%，系统更加可靠，功耗显著降低。 2) 监测系统在航站楼应用过程中，能够稳定、准确监测内CO 2 浓度和温度环境参数。CO 2 浓度参数比温度参数对客流量变化延迟时间缩短5.2倍，且CO 2 随客流量变化速率为温度变化速率的10.77倍。CO 2 浓度对客流量变化更加灵敏，显著降低航站楼内环境控制系统滞后性，可以作为航站楼环境控制系统提高能效的一项重要参数。 3) 通过检测CO 2 浓度，可以实时掌握旅客量变化情况。当旅客量逐渐增多时，提前向航站楼内增加新风量、进行温度调节。当旅客数量减小时，逐渐减小新风量和空调系统运行功率，可显著减低航站楼空调系统能耗。
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user: 摘要 光纤EFPI超声传感器是基于Fabry-Pérot光学干涉原理来检测局放超声信号，具有灵敏度高、抗电磁干扰等优点，广泛应用于电气设备局部放电的检测。应用压强平衡光纤EFPI超声传感器在变压器内部测局部放电时，相对于在空气中测量，存在信号的幅值有较大衰减、传感器的灵敏度会降低的情况。本文研究了检测变压器中局放超声信号的内置式光纤EFPI超声传感器的信号衰减情况，并基于有限元法对光信号在F-P腔体的传播特性进行了仿真。通过仿真和实验确认了内置式传感器光纤端面的光反射率，论证了光在F-P腔的损耗。
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user: 1. 引言 鉴于我国能源分布东西不均，跨区域电力传输成为必然选择，高压电力设备如高压电力变压器、GIS等成为电网必然需求。然而，制造、运输高压电力设备时不可避免地产生绝缘缺陷，这些缺陷在运行过程中会导致绝缘劣化甚至绝缘失效。在绝缘劣化的前期阶段会产生局部放电现象 [ 1 ] [ 2 ] [ 3 ]。局部放电检测被用作检测绝缘缺陷的方法，在局部放电前期对存在缺陷的高压电气设备及时做出停电和检修安排，可以避免主绝缘击穿进而导致电力系统的恶性停电事故 [ 4 ] [ 5 ] [ 6 ]。 局部放电伴随着超声波信号，超声波检测局部放电是一种被证明的有效检测方法 [ 7 ] [ 8 ] [ 9 ]。但对变电站现场运行的设备进行局放检测时，传统的压电超声传感器容易受到现场的干扰从而降低信噪比 [ 10 ] [ 11 ]，同时高压电气设备的内部结构复杂、较厚的设备外壳均增加了外置式的压电超声传感器在现场检测的难度 [ 12 ] [ 13 ]。和压电超声传感器相比，基于Fabry-Pérot原理的光纤超声传感器是一种测量局放的非电性检测方法 [ 14 ]，具备很好的电绝缘性，传感器可小型化、灵敏度高等优点 [ 15 ]。 高压电力设备内部均为充油或充气的结构，在设备投运前要进行抽真空除湿、真空注油(气)等操作，应用在电力变压器的光纤EFPI超声传感器，由于受到油(气)压和温度的影响，改变了传感器F-P腔的长度，并影响了振动膜片的振动特性。采用压强平衡结构的光纤EFPI超声传感器，变压器油和SF6等绝缘介质将进入F-P腔，改变激光在F-P腔内的传播特性，主要是绝缘介质对光的吸收和界面反射、透射率的变化，降低了两束干涉光的光强，从而降低了传感器的灵敏度。 本文将对压强平衡结构光纤EFPI超声传感器的F-P腔的激光传播特性进行研究，首先通过COMSOL仿真软件对光在F-P腔的传播特性进行仿真，然后用MS9740A光谱仪对F-P腔的光传播进行实验测量。COMSOL仿真结果与实验结果一致。
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user: 2. 光纤EFPI超声传感器原理 2.1. 普通光纤EFPI超声传感器原理 膜片式光纤EFPI超声传感器检测系统原理如图1所示，传感器探头的核心组件为石英膜片、单模光纤和石英毛细管。石英毛细管用于固定单模光纤和石英膜片，光纤端面和石英膜片的内表面组成F-P腔的两个反射面。 图1. 膜片式光纤EFPI超声传感器系统 传感器检测超声信号时，激光光源发出单色光沿着单模光纤入射到F-P腔内，根据Fresnel原理，入射光在光纤端面与空气所组成界面的反射率约为3.6%，其余96.4%的入射光会透过界面进入F-P腔，进入F-P腔的光入射到石英膜片上，大部分会通过石英膜片透射出去，其余部分在石英膜片内表面反射回到光纤端面，大约有3.3%的光透过空气与光纤端面所组成的界面回到光纤，光纤端面与膜片内表面的两束反射光在光纤内部干涉叠加引起光强的变化，最后通过光纤环形器输出。当超声信号作用到膜片上时，会引起膜片的振动继而引发膜片的变形，膜片的变形导致F-P腔的长度发生微小的变化，改变传感器的腔长进而改变两束光的相位差，从而使得两束光干涉后的光强变化，从而改变干涉光谱 [ 16 ] [ 17 ]。通过对接收到光强信号的解调，可以实现对外界振动信号的测量 [ 18 ] [ 19 ] [ 20 ]。两束光干涉后得到的光强为 [ 21 ]： I r = R 1 + R 2 − 2 R 1 R 2 cos ( Δ φ ) 1 + R 1 R 2 − 2 R 1 R 2 cos ( Δ φ ) ⋅ I 0 (1) Δ φ = 4 n 0 π λ ⋅ l (2) 式中： I 0 为光源发出的光强； R 1 为光纤端面的光反射系数； R 2 为石英膜片内表面反射回光纤的光反射系数；l为两个反射面之间的腔长； n 0 为空气的折射率； λ 为光的波长； Δ φ 为干涉光的相位差。 通过对式(1)、(2)进行数据仿真，得出结果如图2所示，在反射系数 R 1 、 R 2 确定的情况下，两束光干涉后的光强只与反射面之间的腔长l有关；同时列出三组 R 1 、 R 2 的值进行分析，从图中可以看出， R 1 、 R 2 的值越大，干涉光强的最大值 I max 越大； R 1 、 R 2 接近时，干涉光强的最小值 I min 越小， R 1 、 R 2 相等时， I min 能取最小值0，此时干涉光的衬比度最大。 I max 越大、 I min 越小，随着腔长l变化时，干涉光强I的变化越大，即传感器的灵敏度越高。 图2. 干涉光强随F-P腔长变化 2.2. 压强平衡结构光纤EFPI超声传感器 普通结构传感器的初始工作点受温度、外界压强影响，在F-P腔上打了两个通气孔从而使F-P腔的内外压强一致，其可以避免外界压强对F-P腔的影响，全石英焊接结构的EFPI超声传感器避免了引入多种温度系数不同的介质，可以大大降低传感器的温度系数，因此我们重新设计了压强平衡结构的光纤EFPI超声传感器，采用全石英焊接结构。其具体结构如图3所示。 图3. 压强平衡光纤EFPI超声传感器结构
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user: 3. 压强平衡结构光纤EFPI超声传感器探头仿真模型 压强平衡结构光纤EFPI超声传感器内置于变压器时，发现传感器灵敏度明显低于应用在空气中的灵敏度，为了进一步提高传感器应用在高压电力设备局放检测的可靠性，本文将对传感器探头进行仿真，探究激光在F-P腔的传播特性。 3.1. 传感器探头仿真模型的建立 利用COMSOL软件的光学仿真元件建立与实际实验环境相近的仿真模，传感器探头仿真模型如图4所示，本文重点研究激光在F-P腔的传播特性，因此对模型做了一些简化： a) 忽略光纤端面由于切割工艺缺陷导致的端面不平； b) 忽略石英膜片与石英毛细管焊接时，由于热熔导致的石英膜片与毛细管端面呈现的微小夹角，以及焊接的不规则度； c) 忽略由于膜片焊接、光纤切割导致的光纤端面与石英膜片的不平行度。 图4. 传感器探头仿真模型 光的传播过程符合能量守恒方程、菲涅耳方程、波动方程等，光在光纤中传播的s偏振光和p偏振光在界面的反射和透射系数分别为： r s = − sin ( i 1 − i 2 ) sin ( i 1 + i 2 ) (3) t s = 2 sin ( i 2 ) cos ( i 1 ) sin ( i 1 + i 2 ) (4) r p = tan ( i 1 − i 2 ) tan ( i 1 + i 2 ) (5) t p = 2 sin ( i 2 ) cos ( i 1 ) sin ( i 1 + i 2 ) cos ( i 1 − i 2 ) (6) 式中： i 1 为入射角， i 2 为反射角， r s 、 t s 分别为s偏振光的反射、透射系数， r p 、 t p 分别为p偏振光的反射、透射系数。 根据光的能量计算公式可知光功率在界面对的反射率和透射率分别为： R s = r s 2 (7) T s = cos i 2 cos i 1 ⋅ n 2 n 1 ⋅ t s 2 (8) R p = r p 2 (9) T p = cos i 2 cos i 1 ⋅ n 2 n 1 ⋅ t p 2 (10) 式中： n 1 、 n 2 分别为界面两侧的折射率， R s 、 T s 分别为s偏振光在界面的能量反射率、透射率， R p 、 T p 分别为p偏振光在界面的能量反射率、透射率。 为了清晰地探究光在F-P腔的传播特性，在COMSOL仿真模型光纤端面、变压器油界面、变压器油、石英膜片界面设置边界模式分析，其方程为： ( ∇ − i k 1 ) × [ ( ∇ − i k 1 ) × E 1 ] − k 0 2 ε r E 1 = 0 (11) 式中： ∇ 为拉普拉斯算子， k 1 为波矢， E 1 为包络函数， ε r 为变压器油的介电常数。 3.2. 传感器探头各部分材料参数设定 传感器探头主要由单模光纤、石英毛细管与石英膜片组成，由于着重探究光在传感器探头的传播规律，影响光传播规律的主要因素是材料的折射率，所以本文列出了传感器探头各个部分材料的折射率参数，如表1所示。 Table 1 Material parameter setting of sensor probe mode 探头结构 材料 折射率 光纤纤芯 二氧化硅(掺杂GeO 2 ) 1.467 光纤包层 二氧化硅(掺杂B 2 O 3 ) 1.46 F-P腔 变压器油 1.48 石英膜片 二氧化硅(掺杂GeO 2 ) 1.467 表1. 传感器探头模型的材料参数设置 3.3. 传感器探头仿真结果分析 对传感器原理分析可知，传感器灵敏度与F-P腔两个反射面(光纤端面、石英膜片内表面)的光反射率、透射率密切相关，仿真时在光纤纤芯设置一个光功率为1 W，波长为1550 nm的红外光源，通过式(3)~(11)对模型进行仿真计算，得到光纤、变压器油界面的反射率随入射角变化，如图5所示；变压器油的折射率为1.48，远高于空气的折射率1，并且对光有吸收作用，F-P腔中填充变压器油后改变了光的传播特性，并在传播过程中吸收部分光，通过仿真计算得到F-P腔对光的吸收率随腔长变化结果如图6所示，可以得出F-P腔长为80 μm时，光在F-P腔的损耗约为41.5%。 图5. 光纤、变压器油界面反射率随入射角变化 图6. 吸收率随F-P腔长的变化
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user: 4. 实验论证 为了论证光在F-P腔的传播特性，本文设计了光谱测量系统，用特制的光纤切割刀对光纤进行切割、抛光，保证光纤端面的平整度，然后将切割好的光纤端面直接深入变压器油箱中，测量系统如图7所示，由光源发出1550 nm的窄带激光，经过光纤环形器传播到单模光纤的切割端面，光纤端面将反射部分光经光纤环形器到MS9740A光谱仪，通过光谱仪测量反射光的功率。 图7. 反射光的光谱测量系统 因为没有很好的方法确定光纤端面切割的平滑度，所以先将端面置于空气中进行测试。光源的功率为5.445 mW，光纤环形器的端口1到端口2的传输率为76.38%，因此，光源出射的光经环形器传播到光纤端面的功率为4.159 mW，环形器端口2到端口3的传输率为65.03%，端面反射光经环形器到光谱仪的功率为96.828 μW，经计算可知光纤端面的反射率为3.58%。通过菲涅耳方程仿真计算光纤、空气界面的反射率随入射角的变化如图8所示，由于采用的光纤内芯的折射率为1.467，包层的折射率为1.46，根据Snell定律可知光入射到光纤端面的入射角小于5˚，因此从图中可以看出光在光纤、空气界面的反射率约为3.6%。由此可以确认切割的光纤端面平整。 将光纤端面置于变压器油箱中，如图7所示。和光纤端面置于空气中一样，测量端面置于变压器油中的反射光功率，为291.743 nW，其测量截图如图9所示，通过计算可知其反射率为0.00107%。 图8. 光纤、空气界面反射率随入射角变化 图9. 光纤端面置于变压器油中反射光谱 至此，论证了光纤端面置于变压器油中时的界面反射率，由于光的功率的可叠加性，为了研究光在F-P腔中的损耗还需知道传感器置于变压器油中时的反射光功率。根据前面的论述我们可以知道光纤、变压器油界面的反射率极低，这是由于光纤的材料二氧化硅的折射率1.467与变压器油的折射率1.48非常接近，而石英膜片的材料也是二氧化硅，因此变压器油与膜片界面的反射率和光纤、变压器油界面的反射率相同，反射光的功率是nW级，由于测量仪器的局限，测量将会误差较大，为了精确探究F-P腔的损耗，我们用石英膜片内表面局部镀膜的方法，提高石英膜片内表面的光反射率，使反射率达到99%，这样提高反射光用的功率，减小测量误差。石英膜片局部镀膜结构示意图和镀膜完成的石英膜片实物图，如图10所示。 将制作好的压强平衡光纤EFPI超声传感器置于变压器油中，静置24 h，让变压器油完全浸入F-P腔，然后用光谱仪测量反射光的干涉光谱，光谱如图11所示，我们可知反射光的功率为1.483 mW，通过计算光源发出的光在F-P腔传输率为54.85%，即损耗为45.15%。 图10. 传感器膜片局部镀膜结构示意图与膜片镀膜实物图 图11. 石英膜片镀膜压强平衡光纤EFPI超声传感器反射光谱
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user: 5. 结论 基于光纤EFPI超声传感器的原理，可知传感器的灵敏度与传感器F-P腔的两个反射面的光反射率密切相关，而内置于变压器的压强平衡光纤EFPI超声传感器由于F-P腔填充了变压器油，改变了光的传播特性，降低了两个反射面的反射率，通过仿真和实验共同论证了反射面的发射率降低到大约0.0107%，降低了传感器的灵敏度；通过建立传感器仿真模型，得到当F-P腔长80 μm时，变压器油对光的吸收率约为41.5%，由实验用MS9740A光谱仪测量光纤端面与传感器在变压器油、空气中的反射光谱，并经过计算，光在F-P腔的损耗率(即变压器油的吸收率)约为45.15%，实验与仿真结果相差4%，这是由于仿真中忽略了一些传感器制作偏差等影响因数，可以确认仿真结果与实验结果相符。
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user: 摘要 “通信网”课程为大多数高校通信专业的专业必修课，通信网已经成为国家的重要基础设施并深入到社会各个层面，由于科技快速发展导致通信网课程的教学经常存在滞后于现代通信网发展的节奏，本文就目前教学存在的问题进行了总结，并对今后的课程改革提出了具体的建议及方案，结合课程思政和工程教育专业认证，使学生能够紧跟通信网的发展方向，更加深入地理解通信网的基础理论及网络架构。
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user: 1. “通信网”课程的主要内容 该课程主要讲述通信网的基本概念及各个业务网的体系结构、参考模型和运行方式，包括支撑网、分组交换网、接入网、计算机网络等，讲授上述各种业务网的工作过程和设计初衷。各种概念定义纷杂繁多，从100多年前的电话通信网到如今的智能网、5G移动通信网，百年间通信网以渐变的方式进行着发展演变。随着社会的发展及交流的需要，通信网信号传输从模拟到数字，业务种类由少到多，接入速率由低速向高速发展，通信网的服务对象也趋于大众化，网络结构向集成化发展，三网融合及EPON技术已经成为如今通信网络的主流接入和传输技术。目前在人们的各种生活和社交领域中对通信网的依赖越来越强，通信网已经成为每个人生活中不可或缺的一部分 [ 1 ]，目前大多数高校的通信专业将“通信网”课程做为本专业的专业必修课。
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user: 2. 改革背景及目标 目前“通信网”课程采用的几种常用教材同时包含了传统意义上的电信网和计算机网络的内容，比如电话通信网、分组交换网等，教材内容章节也是按照通信网的传统业务属性进行区分，而如今电话通信网、数据通信网等已经不再是一个单独的通信网络而是依附于计算机网络、光纤接入网，同时现在通信网中的很多电信业务都在向IP化发展，各种新技术新业务不断以各种方式加入到通信网中，并且发展和迭代速度越来越快，电信网与计算机网络的关系越来越紧密，结构越来越相似，而目前整个“通信网”课程所使用的教材和教学方法呈现出一种“泛而杂”的特点，导致重点不突出、内容不深入、运用不实际，因此如果仍旧按照原来的内容结构讲授势必会造成讲授内容的割裂重复和脱离实际，同时根据通信网飞速发展的特点，结合目前国家教育大方针，提出以下改进设想： 1) 将课程内容按理论部分和工程应用部分进行大致区分 [ 2 ]，突出重点。 2) 根据教育部印发的《高等学校课程思政建设指导纲要》，把思想政治教育贯穿人才培养体系，结合课程内容和目前我国的通信网发展状况，在课程中引入课程思政元素，激发学生的爱国情怀，树立报效国家的信念。 3) 强化通信网理论基础，重点讲述通信网的层次架构、模型概念，区分各类网络之间的联系与区别，做到概念清晰，内容饱满。 4) 结合工程教育专业认证标准，突出实验及工程应用，让学生在更接近实际的环境中能够针对通信工程及相关领域内的复杂工程问题有较好的操作能力。 根据设想，在进行课程改革后要让学生真正掌握现代通信网的主要结构，了解通信网的作用及今后的发展方向，了解通信网各种技术要解决的基本问题是什么，理解技术和市场的关系，让学生能够不仅仅在理论上有深入的理解，而且具有一定的工程应用能力。
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user: 3. 教学内容及方式 教学内容主要分为两大部分：理论教学与实验教学。理论教学讲授通信网的概念、业务及结构，根据通信网所包含的内容，将理论教学内容分成基础理论部分及工程应用部分。 1) 绪论部分首先讲述通信网的定义及构成，让学生对业务网、传送网、支撑网有基本的了解，其次讲解通信网的交换技术和复用技术，通信的核心是交换 [ 3 ]，通信网由不同的业务网组成，涉及到多种不同的交换技术，因此掌握不同的交换技术是了解通信网的基础，该部分内容在“通信原理”、“信号与系统”等课程中已经有所涉及，学生应该具有相应基础。最后在讲述通信网发展史中引入课程思政元素，让学生在学习通信技术发展历史的同时了解我国通信网络这几十年的发展历程，是如何从一片空白发展到世界领先，从模仿到创新我们经历了什么，遇到了哪些阻力和挑战，对于西方国家的种种打压和制裁我们该如何应对，通过各种实例激励学生努力学习，报效国家。 2) 基础理论部分主要包括通信网总体结构以及三大支撑网、数据通信网、计算机网络的模型和体系结构，同时也是本课程的重要组成部分。三大支撑网做为通信网的基础，包含大量的理论内容，由于我国地域结构和早期电话网发展所确定下来的网络拓扑结构，信令网、同步网、数据通信网都具有类似的三级结构，彼此间既有区别又有联系，同时由于和计算机网络关系越来越密切，协议参考模型也趋近于OSI分层模型，讲述时将其融会贯通不仅可以避免重复枯燥的理论介绍，而且可以加深学生对结构模型的认识。 按照工程教育专业认证的毕业要求，人才培养目标定位以“复合应用型”为主，专业培养要适应社会与地域经济发展需要，故课程内容必须要结合工程实际，结合学校教学实际条件，本课程章节中计算机网络、传送网和宽带接入网和工程应用较为紧密。在讲解完计算机网络的体系结构和参考模型后对网络硬件包括传输介质(双绞线、同轴电缆、光纤等)和网络中继设备进行介绍，掌握线缆和接线头的制作、设备的连接和设置是解决通信工程相关领域内的复杂工程问题的基础 [ 4 ]，由于实验学时和课程设置的限制，该部分内容在条件允许的情况下可以在课堂上进行演示，并挑选部分学生亲自操作。 宽带接入网中基于ADSL和HFC的接入技术已经淘汰，目前基于FTTx的接入技术经成为现在宽带接入的核心技术。理论部分重点讲述以太网无源光网络(EPON)的宽带接入技术(FTTH、FTTB)。在理论讲授的基础上，结合工程认证标准，带领学生参观实际工程项目布线现场，现场讲解工程设计中的施工流程、安全规范以及设备安装的步骤方法，对遇到的复杂工程问题如何解决，在工程项目中如何组织和协调团队成员开展工作等实际工程知识，培养学生的工程意识、团队协作能力，为今后从事工程项目设计和管理奠定一定的基础。设备软件配置教学在实验环节进行，实验室中配有和现场相同或类似的EPON硬件设备，因此能够保证教学的一致性和连贯性。 由于教学计划安排和课时的原因，电话通信网和移动通信网章节所涉及的内容会在后续的“程控交换”和“移动通信”课程中做详细讲授，本课程中该部分内容仅做简要讲解，具体包括电话网的基本概念，交换机的交换原理，编号计划，移动通信网的基本技术，5G基本知识和关键技术等内容。另外电话通信网做为上一代网络，与之对应的NGN在此基础上实现了对各种业务的综合，包括流媒体服务和播放服务，软交换技术是NGN网络的核心技术，对于该部分内容课程中也要进行涉及，让学生对新发展的技术有初步的了解。 3) 实验教学方面，根据目前网络发展状况，EPON技术已经成熟的延伸到PC桌面，成为目前主流的光纤宽带接入方案 [ 5 ]，在实验教学中除去讲授已有的信令网基础、同步传输、出入中继实验外，根据工程认证的毕业要求指标点，结合实验室的华为EPON设备包括光线路终端(OLT) (MA5680T)和光网络单元(ONU)，开展光纤宽带接入实验，硬件方面先让学生了解机房中整个系统的搭建环境，包括设备的安装、线缆走线、机柜的分布方式等。在此基础上进行软件方面的调试，让学生掌握OLT设备(EPON-MA5680T)数据配置及规划，掌握ONT设备(EPON终端)注册配置信息和故障处理，掌握脚本程序的编写和运行调试方法，了解FTTH网络结构及解决方案，最大限度的贴近实际网络环境，从而更深入的了解现代通信网的组成及现网的组成形式。 4) 改进考核形式和考试内容。在工程教育专业认证的大背景下，重视工程知识的学习分析能力，由于教材中所涉及的内容大部分是定义和理论，公式及计算部分几乎没有，所以提高试卷中涉及工程问题分析和解决方案题目的分值占比，减少考核单纯的定义和理论知识，由闭卷考试改为开卷考试，避免对理论知识的死记硬背及划定考试范围，同时加大实验操作内容在总评成绩中的占比。
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user: 4. 结语 目前课程改革已经在2018级通信专业中逐步开展，通过两个学期的尝试，从统计情况来看，理论课和实验课均取得较好的效果，学生上课时的专注度明显较以往课程有较大的提高，在此基础上学生动手能力也得到较好的锻炼，基本满足工程教育专业认证的培养目标，今后结合专业发展，将继续在教学中进行总结，以期更好地发挥“通信网”课程的专业基础优势，为其他专业课程奠定扎实的基础。
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user: 课题项目 江苏海洋大学校级教改课题(JGX2019070)，江苏海洋大学校级教改课题(JGX2020015)。