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科研的开端 精选

已有 7446 次阅读 2011-8-27 08:12 |个人分类:科研|系统分类:人物纪事| 研究, 科研, 技术, 本科生, 实践

这篇博文的标题,是模仿一篇小学课文的标题“劳动的开端”(那是“中国的保尔”、我军著名的军工专家吴运铎的回忆录中的一节)。我写这下篇博文,既是为了纪念20年前自己走进实验室、开始科研工作的一段经历,同时也希望它能给那些打算或者已经下实验室做点事情的本科生们一点儿鼓励和启发。

整整20年前,也就是19917月,我当时的身份是吉林大学物理系刚刚结束大学二年级学习的一名本科生。大概在期末考试前后,系辅导员老师通过班长传话下来,说暑假期间系里会安排一些学生下实验室做些课外科研工作,争取做出些成果去参加当年10月的“挑战杯”全国大学生课外科技活动竞赛。现在想想,当时的这种安排有点儿“临难抱佛脚”的感觉,区区不足4个月的时间,能做出啥东西来?!要知道,现在的大学生科技创新计划的项目可都是1年期的,而且还是有国家级或者校级的经费资助的。当时我们没有想这么多,我们年级和下年级的一共20多个想参加这项活动的同学在放暑假后按照通知的时间(78日上午)到系团委报到,去选择本系老师提出的10余项研究课题。最后,20多人大约分成了10组,每组2-3人,开始了课外科研工作。

当时老师们提出的课题也是五花八门,既有科研项目中提取出来的小课题,也有教学研究课题,还有一些似乎是专门为了安排我们这些学生干点儿活儿而设置的课题。我和本班的樊文俊同学选择了一个“液芯光纤温度传感器”的题目,指导老师是本系的里佐威老师和裴力老师。因为里老师是我们大二《普通物理力热实验》的主讲教师,在大二上学期的实验课阶段我们接触比较多,也就比较熟悉。由于当时里老师曾经搞了一次很大胆的创新,在开设实验课时打破了传统教学习惯,在必做的基本实验之外开设了一批自选实验(这在今天已经不稀奇了,但在当时可并不多见),通过开放力热实验室,允许学生分成若干小组利用一些单套实验设备进行更接近科研套路的实验,所以给我们这届本科生留下了异常深刻的印象。我们这个课题是个希望具体做出个样机的,所以里老师安排他课题组的裴力老师具体指导我们。当天晚上,我和樊同学如约来到实验室,第一次见到了裴老师,并正式受领了研究工作。

我们所做的液芯光纤温度传感器的原理并不复杂,和我们常用的液体温度计(如水银温度计、酒精温度计)相似,也是靠液体受热后体积膨胀,使进入毛细管的液柱长度随温度发生改变的原理进行测温。普通温度计所用的工作物质都是不透明但反光明显的汞,或者透明但已染色的液体,然后再借助玻璃管的光学视角放大作用使细细的液柱变得更宽而容易观察。我们搞的这种液芯光纤温度传感器,也是一个薄壁玻璃泡内装上一定量的液体进行感温,但使用的感温工作物质选择有特殊的要求,必须是苯、甲苯、吡啶和二硫化碳等折射率大于玻璃的透明有机溶剂,这样才能让它在流入空心玻璃(或石英)光纤时能够满足光传播条件。在观测温度变化时,这种传感器并不是直接观测液柱的长度,而是在液泡端头处用激光照射,使激光在光纤沿着液芯传播,在液芯的端点(与空气界面)处散射出来,形成一个很亮的光斑。这种液芯光纤的传光长度会温度的不同而发生单值的变化,对传感器的进行标定,利用光斑的位置就能准确地指示温度。

里老师和裴老师等几位老师在此前已经发明了液芯光纤的封装方法,并做过了这种传感器的原理性实验,这次很希望我们把它做成一个具有一定显示度的样机(这样也好拿去参赛)。我们所面临的问题是如何把一个用氦氖激光器照明的实验装置变成一个小型化的、可以有一定应用价值的仪器样机。要完成这个任务,首先要把体积不小、价格不菲激光器省掉。我很快杀向位于工农大路西北段的电子一条街(那里邻近长春物理所和省电子器材公司,有许多卖电子元器件公司门市),并在一家公司的柜台上找到了我想要的东西——一种现在看起来很不稀奇,当时还不太多见的高亮度发光二极管,管子拥有一个透明的外壳,通电后能发出刺眼的红光,当即买了几个,拿回实验室。我们按照裴老师教的做法封装了两根充苯的液芯光纤,端头用我们新换的高亮度LED光源进行实验,效果挺好,用肉眼可以很容易看到液芯顶端的光斑,用手一摸感温液泡,光斑迅速向前移动,还真挺灵敏的。剩下的事情,就是怎么样用这个传感器搞点儿控制了,而要进行控制,当然不能老拿人眼睛去看,特别是在小黑屋中看,必须要找个传感器。我在自己当时还比较有限的电子元器件知识中搜索了一番,决定用光电二极管试试。买来光电二极管,串联一个电阻,后面加上一个LM324运算放大器作的比较器,设置好参考电压,在密不透风的482房间的“小黑屋”中我们终于看到了光斑经过光电二极管探测器时LM324输出的变化,但同时,我们也注意到了杂光和感应信号(当时手接触了电极)带来的干扰。于是,我又去手头的资料中寻找解决方案,想到了使用LM567音频锁相环进行调制解调来抑制噪声,不过这个方案太复杂,没最后采用。

用探测器“看到”光斑以后,剩下的问题时怎么样把它用于温度的控制?参考水银电接点温度计的工作原理,我们也决定让光电二极管探测器“埋伏”在光斑必经之路上,待其通过时“采取行动”,当然,会在光斑来的时候和回去的时候都“有所行动”。这次我们选择的是《电子线路》课上讲过的时序逻辑电路——D触发器,用光斑经过时运放(比较器,实际是个整形电路)输出端产生的电脉冲作为时钟信号让74LS74触发器翻转,经过放大后的电流信号再推动后面继电器动作,实现温度控制。这个实验做得比较成功,至此,我们的液芯光纤温度传感器的原理性问题已经得到了解决,剩下的就是怎样做“东西”出来的问题了。

在组装样机阶段,我们这个小小的课题组也是“各显神通”。为了拼凑装样机必备的机壳等材料(现在很容易买到各种塑料和金属机壳,当时不太容易,而且很贵),裴老师出面找了很多实验室,最后在设备处的报废仪器仓库里要了3个大小不太的旧仪器(其中一个用于我们做的另一个项目),拆下机壳来用(为了这事儿,裴老师还专门给设备处写了个情况说明)。樊文俊同学是长春拖拉机厂的子弟,传感器的探测器外壳(圆盘形的塑料壳)以及有机玻璃表盘由他回家去解决。电路板的绘制和腐蚀由我亲自操刀,为此还导致我的一件灰白色的夹克衫永久地染上了三氯化铁的印记。。。。。。

一阵忙碌过后,时间已到了1991年的9月底,学校通知,当年的课外科技活动课题进行校内评奖答辩。在一个周末的上午,我和樊文俊同学带着我们组装好的仪器以及用来演示控温效果的加热器(头天晚上从近代物理实验室借来的一个电吹风)与我参与的另一个课题的两位同学(“班头”和“老蛇”)携带的智能数字微秒计(另文介绍)来到和会场,我们当天的报告和演示效果很好,被评定为校级的一等奖,和其他院系的另外几项成果一起,被学校推荐参加当年10月底在浙江大学举办的“挑战杯”大学生课外科技活动竞赛的展会和评奖。为了准备正式的参赛和评奖,我们又在那年的10月忙碌了大半个月,进一步完善我们的作品,撰写并反复修改文字材料。在这个过程中里佐威老师和裴力老师又给了我们很多指导和帮助,才使我执笔撰写的一篇很像实验报告的文字材料最终能成为一篇小的学术论文(该文次年发表在《大学科技》杂志)。

因为经费紧张,我和文俊同学没能去杭州参加展会并做现场介绍,仪器交由计算机系88级的一位同学带去参赛,我们的成果最后被评为鼓励奖(当时的规则是前20%获得一、二、三等奖,20%~60%获鼓励奖)。

在那个夏天,本来并不是我们一组人在战斗,最初我们年级有10个组,但坚持做完的只有3个组,其中一个还是我们自己在寝室侃大山时自由组合、最初并没有导师指导的课题组。其间发生了许多趣闻轶事,今天这篇文章已经不能一一涵盖了。今天这篇博文,只能是从我个人视角出发记录下来一个偏重技术内容和过程介绍的“流水账“,整个过程的总结,也非几句话能说得完整,只能待我有空细细道来……

(未完待续)



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