光學工程的研究方向范文

導語：如何才能寫好一篇光學工程的研究方向，這就需要搜集整理更多的資料和文獻，歡迎閱讀由公務員之家整理的十篇范文，供你借鑒。

篇1

對，都出現了鏡子。從本質上說，都和光學有關。

大到探月的嫦娥衛星，小到日常生活中的單反相機、CD光盤，無論是國家進步，還是你我的生活質量，都與光學工程息息相關。由于光學工程的應用實踐要求十分嚴格，相關本科專業的畢業生往往無力承擔與光學工程科學技術研究直接相關的工作。因此，每年有大量相關專業的本科畢業生選擇考研。

由于光學工程是一門高層次、高門檻的學科，相較于機械工程、計算機科學與技術等專業，開設此專業的院校并不多。總體看來，光學工程專業的考研競爭比較激烈，尤其是在一些光學工程名校之中，2012年浙江大學光學工程的報錄比就曾高達17∶1。

目前，我國具有光學工程博士一級授予資格的高校共38所。具有光學工程國家重點學科的高校共有清華大學、北京理工大學、南開大學、天津大學、長春理工大學、南京理工大學、浙江大學、華中科技大學、國防科學技術大學等9所，具有國家重點（培育）學科的高校有上海理工大學、電子科技大學兩所，具有博士培養資格的中國科學院相關研究院所主要有長春光機所、西安光機所、上海光機所、上海技術物理所、安徽光機所、成都光電所等6所。

我們如何在為數不多的頂級名校或科研院所中選擇一所最適合自己的院校呢？

第一，重視院校綜合實力，避免依賴單一數據。

各種評估結果中的得分、排名等數據往往只能反映院校的宏觀指標，且不同機構均有不一樣的標準，很難客觀真實地反映院校的全部情況。各院校的研究方向獨具特色，互有長短，具體到每個研究方向，實力強弱更不相同，比如，光學設計這一領域，普遍認為實力強弱依次為清華大學、北京理工大學、浙江大學、天津大學等。同樣的道理，單純地看重院校的院士、長江學者數量、實驗室規模、研究經費等指標也是不科學的。院校研究水平的高低并不能直接反映研究生教育質量的好壞，院校的導師構成、地理區位與就業環境、同學本科來源的層次與學術氛圍等軟實力也不是量化指標可以衡量的，然而這些因素對研究生階段的學術成就以及未來的職業發展，往往比宏觀數據具備更大的影響，萬萬不可忽視。

第二，光學工程不是什么院校都能“玩得轉”。

在考生中廣泛存在“211高校未必比985高校差”的思想，從而選擇考研難度相對較小的“211工程”院校深造。不可否認，一些“211工程”院校在其傳統優勢學科上的確不比“985院校”差，甚至更有優勢。但是，光學工程是一門“高富帥”的學科，只有高層次的院校才能承載光學工程這門學科，而優秀的光學工程人才往往也出自優秀的院校。主要原因體現在兩個方面：第一，光學工程精密程度非常高，對實驗儀器設備和資金的依賴性比較強，缺少國家重視和資金上的傾斜，院校很難承擔昂貴的實驗儀器設備，從而限制研究生的發展；第二，“985”院校導師的視野更加開闊，對研究生的基本要求更加嚴格、培養目標更高，甚至某些院校的本科生在導師的指導和嚴格要求下也能在諸如Optical Letters等國際頂級光學期刊上。此外，高層次的院校學術氛圍更加濃厚，出國深造、就業等方面也具備更大的優勢。

在此背景下，有必要對光學工程相關院校及其考研情況進行深度解讀。本文將以擁有國家重點學科的浙江大學、華中科技大學、天津大學、南開大學，以及中國科學院的上海光機所為例進行具體分析。

浙江大學：為強者而生

學科地位：浙江大學光學工程學科設立于光電信息工程學系內，該系前身為浙江大學光學儀器專業，是中國光學工程學科的誕生地，具有雄厚的學科實力。在2007―2009年、2010―2012年教育部學科評估中均排名第一。

學科特色：有現代光學儀器國家重點實驗室、國家光學儀器工程技術研究中心、國防重點學科實驗室等國家級研究基地。目前設置有光學工程研究所、光電信息及檢測技術研究所、光電子技術研究所、光電顯示技術研究所、先進納米光子學研究所和光及電磁波研究中心、光學慣性技術工程研究中心等機構。

研究領域：浙江大學光學工程主要研究領域十分寬廣，包括微納光學與介觀光學與器件、光學光電子薄膜、光電顯示技術、高精度光纖傳感、光電成像技術、微納米精密檢測技術、生物光子學、新型激光與光電子技術、光電子集成器件與系統，光通信技術與系統和新穎人工光電介質等。

師資力量：光及電磁波研究中心以長江計劃特聘教授何賽靈為領軍人物，大部分導師均為杰出“海歸”或外籍教授，在光子學和電磁波的理論和實驗研究領域開展了大量工作，獲得了許多具有國際影響的學術成果。

地理區位：長江三角洲地區具有規模龐大的光電產業集群，具有國際化、起點高的特點，相較于珠三角地區以封裝、為主的光電―半導體產業而言具有廣闊的發展前景。

競爭情況：浙江大學就讀光學工程的研究生中超過半數來自于浙江大學、天津大學、南開大學等名校的推免生。考研競爭極為激烈，從近年報錄比便可見一斑。

考試特色：浙江大學光學工程考研參考書為郁道銀、談恒英著的《工程光學》。浙江大學光學工程的專業課考試較其他學校包括的內容更多，報考的同學需要復習幾何像差、傅里葉光學等本科階段較為薄弱的知識板塊。此外，也會考查一定的激光原理知識。

華中科技大學：光谷傳奇

學科地位：華中科技大學光學工程近年來發展迅速，實力雄厚。尤其是在籌的武漢光電國家實驗室是我國目前僅有的幾個國家實驗室之一，學科地位非同一般。華中科技大學在2010―2012年教育部學科評估中與浙江大學并列第一。

學科特色：光學與電子信息學院設有武漢光電國家實驗室、激光加工技術國家工程研究中心、下一代互聯網接入系統國家工程實驗室、國家集成電路人才培養基地、教育部電子信息功能材料重點實驗室（B類）、教育部敏感陶瓷工程中心等研究機構。其中武漢光電國家實驗室是由教育部、湖北省和武漢市共建，依托于華中科技大學，聯合武漢郵電科學研究院、中國科學院武漢物理與數學研究所、中國船舶重工集團公司第七一七研究所共同組建，已投入4億多元建立了12個科學研究平臺以及1個光電公共測試平臺。

研究領域：華中科技大學主要研究方向為光電測控技術、光電信息存儲、光通信技術、基礎光子學、激光科學與工程、光電子器件與集成、納米光電子學、生物醫學光子學、能源光子學、太赫茲技術。

地理區位：華中科技大學地處著名的武漢光谷，當地產業集群形成的產學研體系研究水平很高，產業價值巨大，尤其在光通信、激光等領域具有較大優勢，就業前景看好。

競爭情況：華中科技大學工學復試分數線2013年為330分、2012年為340分、2011年為330分。招生人數60人左右，隨當年推免生比例有所波動。

考試特色：華中科技大學光學工程專業課考試偏向物理光學、電子學、激光原理相關知識。需要注意的是有兩個單位可以接收光學工程的碩士生，分別是光電學院和武漢光電國家實驗室。

天津大學：精益求精

學科地位：天津大學光學工程學科設立在天津大學精密儀器與光電子工程學院，是我國較早設立光學工程的高校之一。天津大學光學工程在2007―2009年教育部學科評估中名列第二，2010―2012年教育部學科評估中名列第三。此外，天津大學精密儀器與光電子工程學院也是教育部“教育教學改革特別試驗區”的15個全國試點學院之一。

學科特色：所在學院設有精密測試技術及儀器國家重點實驗室、光電信息技術科學教育部重點實驗室、精密儀器中心、現代光學研究所、光電子研究中心、傳感工程研究所、照明技術研究所、光電測控技術研究所、激光與光電子技術研究所、生物光學研究所、安全防偽技術研究中心等研究和開發機構。

研究方向：超快激光理論與應用研究、光學信息處理及其應用、光學技術在計算機科學中的應用、數字圖像處理技術、光學傳感器技術、先進固體激光及非線性頻率變化技術、光電子學與光通信技術、激光與光電子應用技術等。

師資力量：中國科學院院士1人，中國工程院院士1人，長江計劃特聘教授4人。天津大學光學工程的師資隊伍配置十分合理，老中青年教師比例合理。老年教授如姚建銓院士、王清月教授等可以保證該學科的頂級實力，中年學科骨干如劉鐵根教授近年來在光纖傳感領域碩果累累，超快激光實驗室的胡明列教授是天津大學最年輕的教授，學術前景十分光明。

地理區位：既緊挨近年來得到長足發展的天津濱海新區，又毗鄰首都北京，就業環境較為優越。

競爭情況：就讀于天津大學的研究生中，本校生源占有較大比例。天津大學工學復試分數線2013年為330分，2012年為335分，2009―2011光學工程報錄比如下：

考試特色：天津大學考研參考書目為郁道銀、談恒英著的《工程光學》和周炳著的《激光原理》，建議欲報考的同學參考天津大學蔡懷宇教授編寫的《工程光學復習指導與習題解答》。

南開大學：雖小而精

學科地位：南開大學光學工程設立于南開大學現代光學研究所內，隸屬于電子信息與光學工程學院。現代光學研究所由光學工程元老母國光院士創建，是全國高校中最早取得光學和光學工程兩個學科博士學位授予權的單位。在2010―2012年教育部學科評估中，南開大學光學工程名列第五。

學科特色：設有教育部光電信息技術科學重點實驗室以及博士后流動站。

師資力量：南開大學光學工程規模較小，共有教師28人，教授、研究員18人，副教授8人，其中有院士1人，特聘教授1人，博士生導師13人，但導師隊伍水平相當優秀，哈佛大學、劍橋大學等歐美名校留學、訪問研究的經歷非常普遍，近年來在Nature、Science等國際最頂尖期刊發表多篇論文，令國內同行為之拜服。較為出色的是青年教師劉海濤教授，在Nature發表兩篇論文，在Physical Review Letters發表兩篇論文，主要研究方向為表面等離子體等微納光學的相關理論。

培養模式：南開大學光學工程招生規模較小，幾乎與導師人數平齊，每個研究生均能得到導師的大量指導，研究生教育接近于精英教育。需要注意的是，南開大學光學工程的專業型碩士培養計劃與學術型碩士培養計劃基本相同，這與其他學校的培養模式有所區別。

研究領域：相比其他高校，南開大學光學工程的研究方向的理論特色較為明顯，其研究領域主要有：光學/數字圖象處理科學與技術、光學處理與光計算技術、激光與非線性光學科學與技術、現代光通信技術、光波電子學、光子技術、眼視覺光學和共焦顯微技術、飛秒激光技術、微納光學。

地理區位：與天津大學相同。

競爭情況：南開大學近年來考研報錄情況如下所示，可見相較于其他院校，南開大學光學工程的性價比較高。

考試特色：南開大學光學工程往年專業課參考書是趙凱華、鐘錫華編著的《光學》，專業課考試風格自2013年起有所變化，并且2014年考研沒有提供參考書目，需要考生注意。

中國科學院上海光機所：臥虎藏龍

學科地位：上海光機所是我國建立最早、規模最大的激光專業研究所。

學科特色：上海光機所現設8個研究室，分別是：強場激光物理國家重點實驗室、中科院量子光學重點實驗室、中科院強激光材料重點實驗室、高功率激光物理聯合實驗室、空間激光信息技術研究中心（含：中科院空間激光通信及檢驗技術重點實驗室、上海市全固態激光器與應用技術重點實驗室）、信息光學與光電技術實驗室、高密度光存儲技術實驗室、高功率激光單元技術研究與發展中心。

值得一提的是，上海光機所建成了國內僅有國際上也為數不多的“神光”系列高功率大型激光裝置，用于激光分離同位素的激光與光學系統、超短超強激光系統、激光原子冷卻裝置、空間全固態激光器研制平臺。在各種新型、高性能激光器件、激光與光電子功能材料的研制方面，也進入了國際先進水平，是我國現代光學和激光與光電子領域取得研究成果最多的單位之一。

研究領域：強激光技術、強場物理與強光光學、信息光學、量子光學、激光與光電子器件、光學材料等。顯而易見的是，上海光機所的研究方向非常偏向于理論研究，因而十分適合于光學工程理論方向的深造。

地理區位：地處長三角的核心上海，地理區位優勢相當明顯。

競爭情況：每年有許多來自清華大學、浙江大學等頂尖學府的畢業生通過推免進入上海光機所，研究所人才濟濟。近年來上海光機所光學工程的復試分數線為：2013年320分，2012年325分，2011年330分。每年招生人數在40―50人，隨當年推免比例有所浮動。

培養模式：上海光機所的專業型碩士與學術型碩士培養計劃相近，且第一年是在安徽合肥的中國科學技術大學培養。

篇2

光學之芒,燦爛輝煌。在光學的領域里,他頭頂著太多的“光環”,卻沒有絲毫松懈,肩負著無限重任,但始終沉著、堅毅。他淵博寬厚,抱定赤子之心,十余載春秋獻身中國光學領域,他就是首都師范大學物理系研究員、系科研副主任張巖。

九天攬月鴻鵠志 步步為營創輝煌

在通往科學高峰的路上,張教授一路前行,品嘗著希望與困難,交融著榮耀與汗水,深造期間,他用不懈的努力換來了中國光學科技前沿領域的重大突破。讀研期間,他同導師劉樹田教授一起在國內率先開展光學分數傅立葉變換的研究。為利用光學分數傅立葉變換進行信息處理鋪平了道路。在中科院物理所攻讀博士學位期間,開拓了分數傅立葉變換在光學信息處理領域中的應用,被評價是國內在現代光學技術科學領域研究工作中的優秀成果具有國際先進水平。

1999-2001年,他獲得日本學術振興會博士后基金資助,在日本山形大學工學部從事生物成像研究,被應用在實際的儀器上。2001-2002年,他在香港理工大學電子工程系從事光纖氣體傳感器研究。其研究內容被收錄在《光纖傳感技術新進展》一書中,已出版發行。2002-2003年,他在德國洪堡基金的資助下在德國斯圖加特大學應用光學研究所任洪堡研究員,從事數字全息重建算法的研究,提出了利用相位恢復算法來進行數字全息重建的新方案,引起了同行的重視和肯定。這部分內容作為美國Nova Science出版社的新書《New Developments in Lasers and Electro-Optics Research》中的一章,已經出版發行。

2003年,他進入首都師范大學物理系工作,先后獲得了北京市科技新星計劃,北京市留學人員擇優資助等人才項目的資助。作為北京市“太赫茲波譜與成像”創新團隊的核心成員,主要從事太赫茲波譜與成像,太赫茲波段表面等離子光學和微納光電子器件設計研究。他提出的多波長成像方法得到了美國Rice大學太赫茲研究者Mittleman的認可,被評價為不僅可以有效地增加成像范圍,還可以提高信噪比。多篇論文被太赫茲領域的虛擬期刊收錄。并于2007年和2009年分別到美國倫斯特理工大學和德國康斯坦茨大學進行訪問研究。

歡聲震地 驚退萬人贏戰績

篇3

博觀而約取厚積而薄發

自2002年于暨南大學攻讀碩士學位起，楊榮騫選擇現代醫療儀器作為研究方向，不僅在電子信息、計算機應用與儀器儀表的理論和設計方面打下堅實的基礎，而且擴展了基礎醫學知識，緊密結合臨床對醫學儀器的需求，負責企業規劃的多項醫療器械新產品的研發，完成了婦產康復治療儀、LEEP手術系統等5個產品的研制。

在上海交通大學攻讀博士學位期間，他師從中國無創醫學領域開拓者之一陳亞珠院士從事腫瘤物理治療領域的研究。深入研究實時溫度測量的理論和技術，提出了基于結構光的三維紅外成像方法，在結構光系統標定、三維表面數據快速重建等方面取得了創新性成果。發表SCI論文4篇、EI論文3篇，獲國家發明專利授權1項。

進入華南理工大學生物醫學工程系任職后，楊榮騫組建和帶領由青年教師、博士生和碩士生組成的科研小組，開展以手術導航、心功能評價和放射治療等為特色方向的理論與應用研究，主持承擔國家自然科學基金及省、市級科技項目多項。提出基于配準的四維心臟圖像全自動分割、精確近紅外攝像機標定、標記點自動提取與立體匹配等新方法，設計高精度近紅外光學定位系統，完成了手術工具的標定、跟蹤定位等算法。發表學術論文25篇，其中SCI論文3篇、EI論文7篇；申請國家發明專利6項，其中授權1項；獲軟件版權1項。

緊跟前沿科技結合臨床應用

隨著生活水平提高和生活方式變化，人類預期壽命在延長，但心血管疾病發病率和死亡率也在不斷上升，對國民健康形成巨大威脅。心血管疾病的早期診斷和預防已成為全球關注的重大問題。在心臟醫學影像領域，常見的有MRI、SPECT、CT、US等，基于不同圖像來源可重建出不同精度的模型。近年出現的雙源CT（DSCT），為采集清晰動態的心臟圖像提供了可靠的影像學保障，可實現在無需使用β-受體阻滯劑和不受心率影響的情況下對心臟病患者進行成像。CUDA（computeuni fieddevicear chitecture）是建立在圖形處理單元（graphic proces singunit，GPU）基礎之上的通用計算開發平臺，通過它可以將GPU視為一個并行數據計算的設備。利用DSCT提供的良好的心臟斷層圖像，結合GPU并行計算能力，為可視化心臟輔助診斷系統的研究提供了良好的醫學影像學和計算機基礎。

緊跟這項前沿科技，楊榮騫主持完成了“基于GPU的心臟DSCT系列圖像精確分割技術及三維可視化研究”（中央高校基金面上項目），采用基于模板的配準技術實現創新的四維心臟圖像的全自動分割，不僅大大減少了醫生半自動分割圖像的時間，而且提高了分割精度。通過與廣州總醫院放射科密切合作，還獲得了冠脈灌注測評和動態心功能評價方法等相關研究的新成果。將進一步結合臨床影像數據和醫學專家知識，構建符合國人特征的具有臨床應用價值的輔助診斷和評價模型。

在腫瘤開顱手術前，須先進行手術入路規劃。目前，神經外科醫生一般是根據影像學提供的病灶信息，結合自己的經驗，采用定性的方法設計勾畫開顱部位。由于對腫瘤的形態、尺寸及空間位置不能精確量化，往往造成較大切口引起更大損傷，也可能因反復探查而拖延術前計劃時間。依靠經驗定性方式的入路規劃也不利于術中腦功能區保護和有效完全切除腫瘤。如果采用立體定向頭架或神經外科導航系統，則能精確定位腦部腫瘤，且正確引導手術入路的方向和深度，但費用昂貴、操作繁瑣，難于在醫院普及。

為克服人工經驗方法的不足，提高定位精確度，減小手術損傷，保障手術的有效性和安全性，楊榮騫團隊成功研究一種不依賴昂貴設備，且操作簡便，易于掌握的輔助腫瘤開顱手術入路規劃方法和軟件，基于術前檢查獲取的醫學影像數據，確定腫瘤病灶的三維形態和空間位置，對腫瘤、頭皮表面和設定標志點進行三維可視化重建。在這個虛擬半透明可視化模型中可直觀地看到腫瘤在頭皮的投影，人機界面能夠輔助醫生進行手術入路規劃設計，以實際尺寸等比例打印方式輸出規劃結果。該項技術與廣州總醫院神經外科合作研發，并得到臨床試用60多例，明顯比人工經驗方法提高了定位精確度，減小了開顱創口，縮短了入路規劃時間。該成果的進一步研究發展，將結合生物力學機理研究有效抑制開顱后腦漂移對腫瘤定位的影響，把電刺激獲取的腦功能區位置映射到MRI影像中為醫生提供更豐富的信息規劃手術路徑。

致力導航技術延伸醫生視覺

手術導航為微創手術提供了重要的輔助手段，從一開始就在神經外科中得到應用和大力發展，特別是對顱腦腫瘤手術治療而言，實現了手術醫生的視覺延伸。通過術前計劃和虛擬導航輔助制定詳盡的手術計劃，指導術中精確定位，對提高手術精確度，保障手術安全有效，提高手術效率發揮了極大作用。手術導航是現代醫學影像、雙目視覺、虛擬可視化、立體定向等技術與計算機應用技術有機結合構成的醫療儀器系統，目前的手術導航產品最成熟的技術主要是在術中導航精確定位部分，已經可以達到較高的跟蹤定位精度。關于術前計劃部分，主要是虛擬手術研究領域的相關進展，在CT、MRI圖像融合技術及應用軟件方面取得較好成果，但是還未有機地融入到手術導航系統中。此外，手術導航的術后評估方法已經逐漸進入研究關注范圍，但現有進展不夠深入，基本未形成示范性有價值的指導。

鑒于導航技術在現代醫療設備中的重要地位和面對關鍵技術難點提出的挑戰，楊榮騫主持承擔了“高精度近紅外光學導航技術”（中央高校基金重點項目）和“手術導航中高精度大視場光學定位技術研究”（國家自然科學基金項目）。由于光學定位技術具有定位精度高，使用靈活，基礎技術較成熟等優勢，且得到廣泛的應用，因而選擇光學定位技術構建系統并深入開展導航技術研究。仔細分析了目前光學定位技術存在的兩個主要缺點：一是光學成像設備受攝像機有效視場限制，使得手術必須在攝像機的有效視場范圍內完成；二是手術中光線容易被阻擋。醫生只能調整成像設備或者手術工具到合理的位置來完成定位，給實際使用帶來了很大的不便。楊榮騫提出創新的能夠自動跟蹤手術工具的大視場高精度近紅外光學定位技術，達到克服上述缺陷的目的。每個攝像機的內外部參數都通過光學測量精確標定，實現了多件手術工具高精度定位和實時跟蹤。基于FPGA（現場可編程門陣列）新設計了一種近紅外光學定位單元，實現多攝像機的動態圖像信號同步采集，很好地消除了由于圖像采集不同步而產生的抖動現象。

篇4

戴博，2011年“國家優秀自費留學生獎學金”獲得者。1986年出生，2009年于香港城市大學獲電子及通訊工程學榮譽學士學位（甲等），2013年于英國赫瑞瓦特大學獲光子及量子學哲學博士學位。2011年獲日本情報通訊研究機構實習研究獎學金，在此機構擔當實習研究員1年多。研究方向包括光通信、全光信號處理及光學成像。讀博期間，在IEEE/OSA學術雜志及會議上發表學術論文28篇。

對我來說，能夠獲得自費生獎學金意義深遠。首先，這是祖國對我科研成果的肯定，是一份特別的榮譽。其次，也鼓勵我再接再厲，在科研的道路上更上一層樓。作為一個城市規劃與設計的研究者，一直都希望能夠把自己在西方所學到的規劃理念和研究成果應用到祖國的城鎮建設中去，為祖國的城鎮化作出貢獻。——林艷柳

林艷柳，2012年“國家優秀自費留學生獎學金”獲得者。1980年出生，2004年獲華南理工大學城市規劃與設計專業學士學位，2005年獲比利時魯汶大學人居專業碩士學位，2011年獲荷蘭埃因霍芬理工大學城市規劃與設計方向博士學位。2012年9月于荷蘭烏得勒支大學城市規劃系進行博士后研究和教學。博士期間，在Urban Studies、Habitat International等知名學術期刊發表多篇學術論文，多次參加該領域國際會議和競賽，是多種刊物和會議的委員會委員及審稿人。

萬里求學路，十載礪劍心。能獲此殊榮，我非常感動。這不僅僅是一份獎勵，而是一個國家和民族對知識的尊重，對知識分子的厚愛。衷心感謝祖國的養育、導師的培養，以及親友們無私的扶持。我一定會再接再厲、激流勇進，以期將來能為祖國的發展與進步貢獻自己的綿薄之力。——黃斌

黃斌，2012年“國家優秀自費留學生獎學金”獲得者。1984年出生，2006年、2008年分獲中南大學工學學士、碩士學位，同年獲澳大利亞政府全額獎學金資助赴南澳大利亞大學攻讀博士學位。研究領域為機械工程及特種機器人技術。目前已在國內外學術期刊18篇，國際學術會議論文2篇，獲各級獎勵和資助35項。

篇5

關鍵詞：焊接自動化；圖像處理；應用；發展趨勢

中圖分類號：C37 文獻標識碼：A

一、概述

隨著計算機視覺技術的發展,近年來利用機器視覺直接觀察焊接熔池,對焊

接質量進行閉環控制是通過圖像處理獲取熔池的幾何形狀信息,已是當前研究的主要方向。

和傳統的手工焊和半自動焊接過程相比,使用機器視覺進行直接觀測焊接熔池有著很明顯的優點,采集的數字圖像信息豐富,表象直觀,且數字化的圖像數據可以實時傳輸到計算機高速緩存內,提取特征信息, 進行實時處理,同時作出在線判決,可以實現焊接過程質量實時控制和傳感。

在傳統的手工焊接和半自動焊接過程當中,對于一個有經驗的焊工,通過直接觀察熔池的行為、接頭的位置、焊道外形及電弧形狀,能夠感知焊接的狀態。若是感覺到實際焊接過程中同最佳狀態不一致,為了達到最佳狀態可以通過調節各參數,以獲得高質量的焊縫。可以把這個過程劃分為眼－腦－手的控制過程。圖像處理在焊接過程中的重要意義就等同于手工焊接過程中人的眼睛,可以實現采集和處理焊接位置的傳感、焊接時熔池、焊道對中、熔寬和熔深的信息,然后利用計算機發出指令,實現焊接過程的各種工藝參數如電流、電壓、焊接速度的調節和電弧或焊絲的對中。

二、圖像處理的概念

圖像處理(image processing)，用計算機對圖像進行分析，以達到所需結果的技術。又稱影像處理。一般圖像處理就指的是對數字圖像處理。數字圖像是指用數字攝像機、掃描儀等設備經過采樣和數字化得到的一個大的二維數組，該數組的元素稱為像素，其值為一整數，稱為灰度值。圖像處理技術的主要內容包括圖像壓縮，匹配、描述和識別以及增強和復原這3個部分。常見的處理包括有圖像復原、圖像數字化、圖像增強、圖像編碼、圖像分析和圖像分割等

三、焊接圖像攝取方法

圖像的處理一般包括量化、圖像識別和圖像預處理等幾個步驟。圖像預處理包括圖像增強、圖像變換和圖像恢復,盡量把因為隨機因素的干擾和攝像中各種條件的限制而產生的不足和噪聲減小,繼而可以獲取焊縫位置的精確信息;量化由圖像卡完成;圖像識別包括邊緣提取和圖像分割等,可借助小波變換、快速傅立葉變換、概率統計等數學工具對圖像進行理解、分析、模式識別和特征提取。

從國內外大量文獻來看,利用機器視覺采集焊接熔池圖像的方法主要分為被動式直接視覺傳感和主動式直接視覺傳感兩大類,視覺傳感器常采用CCD攝取原始圖像。CCD是英文(Charge-Coupled Devices)的縮寫,意即“電荷耦合器件”。具有體積小、耐震動、重量輕、穩定性好、壽命長、速度高,幾何失真小及耐高壓等一系列優點。CCD是固態圖像傳感器的一種,固態圖像傳感器是指把布設在半導體襯底上的許多感光小單元的光－電信號,用所控制的時鐘脈沖讀取出來的一類功能器件。

動式直接視覺傳感利用窄帶復合濾光系統濾除非連續光譜的電弧強光,并采用高強脈沖激光或具有圖像增強器的高頻閃光燈作為輔助光源,可有效地抑制弧光獲得清晰圖像。被動式直接視覺傳感是利用焊接過程中的結構光進行成像。主被動式直接視覺傳感存在強光干擾的問題,激光焊接中,通常采用中性減光的辦法解決強光干擾的問題;在電弧焊中,對于短路電弧焊和脈沖電弧焊.可在短路期間或基值電流期間獲取圖像數據,或者在攝像機前通入部分保護氣,減少煙霧和飛濺的影響;TIG/MIG/MAG焊時弧光在600～700nm波段內相對光強最弱最穩定,選用這一波段內的干涉濾光片和防熱玻璃可有效地排除弧光及紅外干擾。

四、圖像處理在焊接中的應用

現如今，對于圖像處理主要集中應用在脈沖機器人焊接、TIG焊、激光焊和焊縫質量的檢測等領域。圖像技術在機器人焊接領域應用較廣。由于機器人需要有很強的適應能力,借助三維視覺傳感系統和計算機圖像處理技術,焊接機器人可對焊接環境進行實時控制。通過圖像的采集,可幫助機器人進行焊縫的對中,為機器人焊接提供實時特征信息,如熔深、熔寬和熔池的形狀等,從而實現焊接過程的智能控制。目前國內哈工大的吳林教授在這方面作了較深入的研究,從焊縫位置的傳感到熔滴的過渡,從過程實時控制到最后焊接質量的檢測都進行了較為系統的研究。

哈工大的何景山博士在脈沖TIG焊熔深及熔透的彩色圖形法傳感方面進行了較深入的研究。圖像處理目前用得最廣的領域是在脈沖TIG焊中,國內外許多學者都對該領域進行了積極的探索。首先創建了一套適用于脈沖TIG焊的彩色圖像法熔深和熔透的傳感系統,通過對脈沖峰值和脈寬的控制實現對熔深和熔透的控制,其控制信息來源于基值期間,進行圖像信息的采集。

此外，圖像處理還在焊接的其它領域中有一定的應用。有的將圖像處理用于焊接缺陷的自動監測與缺陷尺寸的保真,也都收到了良好的效果。有些科技工作者還將圖像處理用于水下濕法焊接,通過復合濾光技術和水下CCD攝像系統,采集出了藥芯焊絲水下濕法焊接電弧區域的圖像,用中值濾波和梯度算子的電弧區域圖像邊緣檢測方法,有效地區分了電弧燃燒區域和電弧氣泡區域。哈爾濱工業大學的何景山、楊春利等人結合采用埋弧焊進行容器類焊接結構制造過程中的工藝特點及實際工況,設計了一種將微型攝像機、微型半導體激光發生器及具有濾光功能的光學系統三者集成一體的焊縫視覺傳感器。

焊接控制過程中的一個重要環節就是焊接縫隙檢測,圖像處理在這方面的應用也有許多學者研究。為了實現電弧焊過程的自動對中和焊縫質量控制,必須對焊接縫隙的相對位置和坡口幾何參數進行檢測。西安交大的梁晉、賈昌申等在《圖像法焊接縫隙檢測的研究》一文介紹了一套自行設計的計算機焊接縫隙檢測系統,包括圖像采集卡、計算機接口、光學傳感器、圖像處理軟件,分析了它們的基本結構和工作原理,討論了提高光學傳感器、圖像處理軟硬件等抗干擾能力的措施。該系統工作原理是:由光源和CCD攝像機組成的光學傳感器攝取圖象,CCD攝像機把圖象轉換為電信號,再經圖象采集卡把模擬信號變為數字信號存儲于計算機內,計算機對此信號進行必要的處理,即可得到縫隙位置和坡口幾何參數信息,在監視器屏幕上顯示出來,或經過D/A電路給執行機構,修正焊槍位置,實現閉環對中控制。有的將圖像分割和小波分析應用于焊接領域,小波分析在焊縫視覺跟蹤過程中檢測焊縫,采用多次小波變換可獲得清晰的焊縫邊緣,大大簡化了硬件設備；圖像分割法可減小焊縫識別的圖像處理的復雜性,使得焊接過程的實時性增強。

五、圖像處理在焊接中應用的展望

為焊接現象的描述及內在規律的解釋提供了極佳的條件和直接的證據,推動焊接理論和實踐的發展就是通過圖像傳感的這種方法。同時也使得研究者能夠觀察到其它傳感方法所不能觀察到的被強光所淹沒的豐富直觀的信息。

把圖像處理技術應用到現代焊接技術中,將會推動焊接過程質量實時傳感與控制的發展和成熟,使得焊接過程通過閉環反饋控制而實現完全自動化,保證焊接質量,提高焊接生產效率。

總之，作為智能控制中關鍵技術―數字圖像技術,在焊接過程中發揮的作用將會越來越大,將為焊接智能化生產作出貢獻。現代工業正朝著信息化和智能化方向發展,現代焊接技術也必然要實現智能化。

參考文獻：

[1]段佳佳,楊迎春.圖像處理在自動焊接中的應用[J].電子測試,2012,02:12-15.

[2]陳彥賓,李俐群,陳鳳東,陳杰.圖像處理在自動焊接中的應用和展望[J].材料科學與工藝,2003,01:106-112.

作者簡介：

篇6

地質和礦業類

同目前的熱門專業如管理、計算機等相比，地礦類專業相對屬冷學門專業，因為很多人對地礦類專業存在偏見，認為地礦行業的工作條件比較艱苦。其實，在世界形勢變化日新月異的今天，自動控制、計算機技術、通信技術等先進的科學技術，極大地促進了采礦工程理論研究和技術應用的發展，使得地礦類專業的就業環境發生了翻天覆地的變化：以前的勘探需要背著帆布包拿個小鐵錘翻山越嶺去采礦，現在則是地球衛星定位系統勘測和自動繪圖：以前采礦挖煤需要肩扛手刨，現在則是電腦控制機械操作。同時，因為近年來，石油、煤、各種礦產如稀土等國家戰略資源在世界各個國家中正日益顯示出重要性，人類在21世紀將為資源問題的解決投入越來越多的力量，地礦類專業也會變得炙手可熱。

榜單解讀

近年來，一些礦業類高校紛紛改名，轉變辦學方向。除了中國礦業大學，其他的煤炭院校基本都看不見這個“礦”字了，反之被科技大學、理工大學這些字樣所取代。比如，原來的山東礦業學院現在成了山東科技大學，阜新礦業學院變成了遼寧工程技術大學，西安礦業學院成為西安科技大學，淮南礦業學院成了安徽理工大學。

其實，地礦類專業不像很多人想象中那樣，像石油工程、采礦工程（研究有色金屬方向）等都是比較好的專業。研究有色金屬礦山開采的采礦工程專業，例如中南大學的采礦與巖石工程專業，研究領域安全系數較高，就業的渠道（主要是工程部門，如中鐵、中建和研究院）廣泛。

報考須知

身體不好者不適合報考地礦類專業。肺、肝、腎、脾、胃腸等動過較大手術，功能恢復良好，或曾患有心肌炎、胃或十二指腸潰瘍、慢性支氣管炎、風濕性關節炎等病，甲狀腺機能亢進已治愈一年的以及先天性心臟病經手術治愈，或房室間隔缺損分流量少，動脈導管未閉返流血量少，經二級以上醫院專科檢查確定無需手術者，均不宜就讀地礦類專業。

材料類

材料學一門跨學科的科學，涵蓋的范圍很廣，子學科多，可謂森羅萬象，無所不包，因為國內外各行各業發展都離不開的一門基礎而重要的學科。目前據相關專家分析，我國在材料成型設計方面缺乏的人才在20萬～30萬之間，并且呈逐年遞增趨勢，材料科學與工程專業的畢業生已經成了“搶手貨”。目前我國整個材料行業都缺少高精尖人才，我國材料行業的人才缺失問題已經成了眾多企業發展的桎梏。

榜單解讀

材料類相關專業分布很廣，據不完全統計，我國已經有400多個高校開設了材料科學相關專業，各個院校根據自身的特點，該專業的側重點和人才培養的目標上有較大的差異。如中南大學材料學院現設有材料物理系、材料學系、材料加工工程系、材料化學系、實驗中心、新材料研究開發中心二級單位；東北大學的材料學院由原鋼鐵冶金系、有色金屬冶金系、材料科學與工程系、熱能工程系、金屬壓力加工系合并組建而成，是國內第一個集材料、冶金、熱能工程、環境科學等現代工業與傳統工業科學為一體的二級學院；北京科技大學材料加工專業有強大的實力，以鋼鐵材料的加工為特色。

報考須知

材料學分為三個大類：金屬材料、無機非金屬材料和高分子材料。因此，大部分高校會開設材料科學與工程專業，專業下又分出幾個方向，針對性的學習這三大類的知識，并且它還與其他一些工程科學相重疊，因此在各大院校。材料科學與工程都有若干分支。

機械類

機械被稱為“工程之母”，幾乎所有的工程行業都需要機械專業人才。大到萬噸輪船，小到手機，高精到航天飛機，普通到小圖釘的制造，都離不開機械人才。機械類專業還有著一通百通的特點，學建筑機械可以適應醫療器械的工作，學石油機械可以從事飛機制造的工作，是跨度比較大的專業。此外，機械專業人才并不是只有機械行業才需要，其他行業，不管是研發型的企業還是生產型的企業，只要是在使用生產線和機械設備。機械專業人才就有用武之地。在社會經濟正常發展的情況下，機械專業畢業生是不愁找不到就業機會的。

榜單解讀

目前，國內開設機械專業的高校有幾百所，有很多名牌大學，如上海交通大學、浙江大學、清華大學和華中科技大學等，還有一些頗具實力，但名氣不大的地方院校，如浙江工業大學、合肥工業大學、廣東工業大學、哈爾濱工業大學等。這類院校沒有名牌大學知名度高，但是有著雄厚的工科專的業實力和悠久的學術底蘊，是準備報考機械專業，但分數夠不上知名院校考生的好選擇。

報考須知

從機械作為一門學科來說。它屬于教育部規定的一級學科。因此它底下可設有許多二級學科，雖然各個大學具體開設的方向有所差異，但基本上都有這么幾個：機械制造及其自動化、機械電子工程、機械設計及理論、車輛工程、工業工程、動力機械及工程、流體機械及工程，可以根據自己的興趣選擇專業。

自動化類

所謂自動化，是指機器或裝置在無人干預的情況下按規定的程序或指令自動地進行操作或運行。廣義地講，自動化還包括模擬或再現人的智能活動。自動化技術廣泛用于工業、農業、國防、科學研究、交通運輸、商業、醫療、服務以及家庭等各方面。現代生活最鮮明的標簽，莫過于無處不在的“自動”。電燈可以自動亮滅，電梯可以自動啟停，房門被強制進入會自動報警，地鐵無人駕駛也可以自動運行……如果要總結它們的共同點，那就是會檢查、會判斷、會執行。以信號檢測為耳目，以控制策略為頭腦，以傳動部件為四肢，不需要人類辛苦調節引導，就能有目標、有秩序地工作。而實現這個“檢測一判斷一執行”的過程，賦予它們自動能力的學問，就是自動化。

榜單解讀

開設自動化專業的綜合性老牌院校包括清華大學、東南大學、上海交通大學、浙江大學、華中科技大學、中國科技大學等。不同學校開設的自動化專業擁有各自的特色，譬如北京理工大學的自動化專業是軍民結合，寬口徑培養軍民兩用人才；浙江大學的自動化專業的儀表自動化方向實力比較強；清華大學的自動化專業設置比較全面，其中信息、CIMS實力都比較強。其他如南京理工大學、東北大學也具有較強的實力，前者長于模式識別與智能系統，而后者則有控制理論與控制工程的博士點和國家級重點學科點。

報考須知

自動化專業的學生編程能力比不上計算機專業學生，硬件設計能力比不上電子系學生，管理能力比不上經濟管理系學生，致使有人認為自動化有“萬金油”之稱，但沒有哪樣精通，好像沒有發展前途。但從技術角度來說，自動化專業是受到各行各業的實際需求推動的，如果該專業能同各行各業結合起來，“萬金油”并不是壞事，一定會有大顯身手的空間。所以，擁有一個工科背景，不管今后從事什么工作，即使是管理，也是受益匪淺，有很多學自動化專業的人目前都是從事高級管理工作的。

儀器類

在工業企業進步及發展的過程中，自動化的技術進步是一個大的發展趨勢，這就對各種儀器儀表的需求從質到量上都有一個不斷革新的過程。儀器與儀表類專業是信息科學技術的源頭，是光學、精密機械、電子、計算機與信息技術多學科互相滲透而形成的一門綜合學科。它的應用面很廣，小到制造車間的檢測，大到衛星火箭發射的監控，就連我們日常生活中也能處處看到它的影子，比如，我們到超市買東西時見到的電子秤，上醫院看病時使用的溫度計，乘出租車時見到的時速表和里程表等，都是測控技術與儀器給我們帶來的方便。

榜單解讀

儀器相關專業是中國大學中比較大的專業，開設該專業的高校超過一百所，當然主要還是綜合性及理工類院校。天津大學是我國規模最大的多科性工業大學之一，在測控技術與儀器專業上擁有很強的實力，擁有測試計量技術及儀器、檢測技術與自動化裝置兩個國家級重點學科，同時也有這兩個學科和精密儀器及機械的博士學位授予權。清華、哈工大兩校也具有雄厚的實力，其精密儀器及機械也是國家級重點學科。北京航空航天大學、重慶大學也有精密儀器及機械、測試計量技術及儀器的博士學位授予權，其精密儀器及機械亦為國家級重點學科點。浙大則擁有檢測技術與自動化裝置的兩個國家級重點學科點之一，其他如中國科技大學、北京理工大、東南大學、南京理工大等院校也是不錯選擇，都有測試計量技術及儀器、精密儀器及機械、檢測技術與自動化裝置博士學位授予權。

報考須知

有些人認為儀器相關專業的學生畢業之后只能從事一些機加工之類的工作，其實精儀系的畢業生有很廣泛的學科背景，本科生教育涉及機械、電子、工業工程、材料加工等各個領域，同時也有很扎實的數學基礎和研究能力，可以自主進行項目攻關，同時可以從事多學科交叉的一些工作。可以說儀器相關的課程設置為畢業生打造了很好的就業前景，適合于當代社會綜合型人才的需要。同時，四年的學習中有很多課程涉及，很大程度上鍛煉了學生的動手能力和獨立思維能力，而且目前制造業是國民經濟的支柱產業，中國的制造業正在蓬勃發展，精儀系的學生大有用武之地。

能源動力類

能源是維持國民經濟發展的重要物質基礎和根本保證，它與材料和信息構成現代社會繁榮和發展的三大支柱。自然界絕大多數的一次能源，如石油、煤炭、天然氣、水力能、核能、太陽能、風能和生物質能等，均采用各種能源轉換和利用設備轉化為人類生產和生活所必須的各種能源和動力。

榜單解讀

能源動力學科和機械學科關系甚為密切，因此許多大學常把能源動力類專業歸并到機械學院。比如清華、同濟的熱能工程系隸屬機械工程學院、上海交大則有機械與動力工程學院、浙大設有機械與能源工程學院。當然也有一些高校將能源動力專業獨立成院，如哈爾濱工業大學的能源科學與工程學院和北京航空航天大學的能源與動力工程學院。

報考須知

相對機械而言，能源動力這門學科的領域更具專門化。概括講來，能源動力這門專業是有關能源開發與利用、環境保護、清潔燃燒、能源利用系統及設備的優化與防震、動力工程及控制等領域的專門系科，主要為航空航天動力工程及自動化、汽車動力工程、電廠熱能動力及自動化、制冷及低溫技術、能源與環境工程等領域培養高級專門人才。能源動力專業又可分為工程熱物理、熱能工程、動力機械及工程、制冷及低溫工程等二級學科。

計算機類

隨著科技不斷的創新，信息化時代已經向我們走來，這個時代的最重要的標志就是計算機的廣泛應用。我們的生活因有了計算機而變得更現代化。如今社會上計算機應用已經達到非常普及的程度，隨時隨地都可以見到計算機的身影。在2012年新修訂的專業目錄中，計算機是工學中改動最大的一級學科，下面設立六個二級學科，分別是：計算機科學與技術、軟件工程、網絡工程、信息安全、物聯網工程、數字媒體技術。不論是軟件工程還是信息安全，都是時下最流行也是，需求量非常大的專業，畢業生就業趨勢不錯，薪金亦不菲。

榜單解讀

在計算機相關專業方面，實力強大的大學很多，而北大、清華無疑是其中的佼佼者。華中科大則具有計算機系統結構、計算機軟件與理論、計算機應用技術的博士學位授予權，還擁有計算機系統結構兩個國家級重點學科點之另一個。吉大、北京航空航天大學、上海交大等院校實力也很強，在軟件工程方面級國家級重點學科點。哈工大、東南大學、西北工業大學、浙大、武大等院校也有計算機應用技術、計算機系統結構、計算機軟件與理論博士學位授予權。

報考須知

一些實力較強的院校還成立了軟件學院或者軟件工程專業，它們起點高。理論新，學費也非常昂貴，通常是普通計算機專業的2～3倍，高達一萬多元一年，非一般家庭所能承受。

電氣類

由于目前我國重視高科技發展推動了科技進步，從而帶動了與此相關的計算機專業、電子專業人才需求的大幅增長。近兩年國家每年動通訊基礎設施的投資多達近兩千億元，按照教育部劃分標準，電氣信息類專業主要包括：電氣工程及其自動化、自動化、電子信息工程三個專業。

榜單解讀

開設本專業的院校有數百所，其中，清華、浙大、上海交大、天津大學等學校實力最強，成績超重點線50分以上：其次可選擇華南理工大學、北京理工大學、北京郵電大學、北京交通大學、大連理工大學、東北大學、西北工業大學、中南大學、電子科技大學等：還有原屬部委的院校，如重慶郵電學院、北京機械工業學院、燕山大學、中北大學（原華北工學院）、沈陽工業大學、東北電力學院、上海電力學院、華東交通大學、桂林電子工業學院等，專業實力都較強。

報考須知

電氣工程就業優勢對廣大考生有很強的吸引力，屬于熱門專業，高考錄取分數線往往要比其他專業方向高許多。考生需要具有扎實的數學、物理基礎和一定的動手操作能力。

電子信息類

電子信息是科學技術領域最為活躍的前沿領域之一。信息的獲取、傳輸、變換、存儲、識別、處理、顯示，無一不依賴于電子信息技術。用信息技術改造傳統產業，是傳統產業發展的必然趨勢。據教育部的統計資料，各地方、各高校的人才招聘會上計算機、微電子、通信等電子信息類人才需求巨大，畢業生供不應求。電子信息類主要包括四個專業：通信工程電子信息科學與技術、微電子學、光信息科學與技術。

榜單解讀

北大、清華、中國科技大學、中山大學等院校的基礎雄厚，選擇如浙大、電子科大、西安電子科大、北京郵電大學等院校也不錯，這些學校都設有各具優勢和特色的電子信息科學與技術本科專業。

報考須知

微電子學作為電子信息產業的重要分支。直接關系到信息產業、電子工業、航天工業、機械工業、自動化、國防工業等國民經濟各個部門的發展水平，也正成為一個國家是否已是強國的標志之一。光電子在信息、能源、材料、航天航空、生命科學和材料科學技術中的應用，直接促進光電子產業的迅猛發展。光電子技術必將成為21世紀國際競爭的關鍵技術之一，光信息科學與技術迅猛發展還引起光學領域的深刻變化。

建筑類

第二次世界大戰結束以來，建筑同其他各種有關科學技術的關系更加密切，建筑技術的進展日新月異。新的結構理論、新材料和新設備的運用，高層建筑和大跨度建筑的發展，體現了新技術的威力。學習建筑學不僅要求學生有較強的形象思維能力、圖形表達能力和較強動手的能力，還要求學生有良好的數學、英語、歷史、美術的基礎。因為數學關系到一個人邏輯思維的形成和發展，是人們認識事物、學習知識的基礎之一，同時也是工程學的基礎。國內大概有70多所大學設有建筑學專業，此專業的名校生非常有競爭力，而一般院校里，專業性的建筑院校比綜合性院校的畢業生更受歡迎。此專業的學制一般是五年。

榜單解讀

建筑學是我國高校開設最久的工科專業之一，有近一百所高校開設該專業，主要集中于綜合性和理工類院校。東南大學的建筑學是其傳統的優勢學科之一，擁有建筑歷史與理論、建筑設計及其理論、建筑技術科學等學科的博士學位授予權，其中前兩者也是國家級重點學科。清華、天津大學也有建筑設計及其理論、建筑歷史與理論、建筑技術科學博士學位授予權，其建筑設計及其理論亦為國家級重點學科。同濟大學、重慶大學也具有不俗的實力。其他如哈工大、浙大、昆明理工大、西南交大、北京建筑工程學院等院校也都不錯，它們都設有建筑歷史與理論碩士點。另外，哈工大和浙大還設有建筑設計及其理論博士點，而后三者則具有建筑設計及其理論碩士學位授予權。

報考須知

建筑學專業主要培養建筑設計和建筑規劃的高級專門技術人才，要求學生既要具備一定的繪畫基礎和藝術修養，也要具備一定的社會科學知識。建筑工程技術方面的課程是建筑學專業的必修課程，由于專業的深度和廣度，大部分高校的建筑學專業的學制是五年制。考生在報考時要衡量自身的特點和能力，再結合成績來綜合衡量自己是否適合建筑專業。

土木類

在新的專業目錄中，以往的土建類一分為二，變成了建筑學和土木類兩大學科，側面說明了土木類和建筑類的差別。簡單來講，建筑學是設計建筑物的總的造型（外型）和內部主要的構型，需要綜合考慮許多問題，如建筑與城市環境的結合、建筑物本身的使用功能、技術性能、經濟效果、藝術形式等等。土木工程的核心課程往往涉及工程數學、材料力學、結構力學、橋梁工程道路勘探設計等工程類，與建筑學更加強調的“設計”關系不大。隨著科學技術的進步和工程實踐的發展，土木工程這個學科也已發展成為內涵廣泛、門類眾多、結構復雜的綜合體系，如房屋工程、鐵路工程、道路工程、飛機場工程、橋梁工程、隧道及地下工程、特種工程結構、給水和排水工程、城市供熱供燃氣工程、港口工程、水利工程等學科。其中有些分支，例如水利工程，由于自身工程對象的不斷增多以及專門科學技術的發展，已從土木工程中分化出來成為獨立的學科體系，但是它們在很大程度上仍具有土木工程的共性。

榜單解讀

同濟大學是國內土木建筑領域最大、專業最全的大學之一，在建筑、土木、環境等領域居于國內領先水平，另外還有市政工程、防災減災工程及防護工程等學科的博士學位授予權。哈工大實力也相當強，市政工程為該學科唯一的國家級重點學科。清華、東南大學、湖南大學等院校則設有結構工程、巖土工程、橋梁與隧道工程、市政工程、防災減災工程及防護工程等博士點，亦擁有結構工程的國家級重點學科點。西南交大、中南大學等院校也具有橋梁與隧道工程、結構工程、市政工程、巖土工程、防災減災工程及防護工程等學科的博士學位授予權。另外，西南交大還有工程環境控制、景觀工程等自設博士點。其他如浙大、河海大學、重大、天津大學、華中科大等院校也是不錯的選擇，都設有巖土工程、結構工程、市政工程、橋梁與隧道工程、防災減災工程及防護工程等博士點。另外，中國礦業大學則長于巖土工程，而廣西大學和西安建筑科技大學的結構工程學科為國家級重點學科。

報考須知

報考時需要注意的是，建筑和土木類都需要考證，執業資格認證均需要一定年限的相關工作經驗才能報考。因此如果你有志從事土木工程相關的工作。那即便走上工作崗位后也要注意知識結構的更新，盡早報考以取得相關的執業資格。

水利類

水利是一門既古老而又現代的專業。之所以說它古老，是因為在原始社會，人類靠漁獵游牧為生，逐水草而居，部族定居以后，需水日增，人畜供水和生產用水的引水、供水工程就產生了。在信息化時代，傳統水利行業面臨全面技術提升和改造的歷史任務，應用高新技術對傳統的水利行業進行改造，并采用計算機技術、微電子技術、現代通訊技術、遙感技術、地理信息系統、全球定位系統及自動化技術等進行技術改造。水利類包括水利水電工程、水文與水資源工程、港口航道與海岸工程等專業。

榜單解讀

水利水電工程是中國大學中比較小的專業，開設有該專業的高校約有40所，主要集中在綜合性和理工類院校。作為一所以水利為特色的全國重點大學，河海大學的水利學在全國總體實力居于領先地位，相關學科門類齊全，水利及其支撐學科人才梯隊的綜合實力處于國內一流地位，擁有水工結構工程國家級重點學科點，同時也擁有水工結構工程、水利水電工程、城市水務等學科的博士點。

清華、武大、川大等院校也具有雄厚的實力，各校都具有水利水電工程、水工結構工程博士學位授予權。另外，清華的水工結構工程也是國家級重點學科，而武大則擁有水利水電工程的國家級重點學科點。大連理工大學則長于水工結構工程，擁有該學科的博士點及國家級重點學科點。而華中科大的水利水電工程學科亦設有博士點和國家級重點學科點。天津大學則擁有水利水電工程、水工結構工程兩個學科的博士學位授予權。其他如昆明理工大學、太原理工大學也不錯，都設有水利水電工程、水工結構工程碩士點。由于其涉及農業灌溉等問題，因此一部分農業院校也有設置水利類專業，如中國農業大學、西北農林科技大學、沈陽農業大學等。水文與水資源工程專業的開設院校同樣以綜合性院校和理工類院校居多，由于其專業特色，也有少部分礦業院校設有此專業。

報考須知

招生院校雖然沒有男女生比例要求，但水利類專業的報考者以男生居多。該專業由于是在野外實習和作業，報考者要有吃苦耐勞的毅力。

測繪類

測繪科學與技術屬于較為專門的專業科學。概括講來。測繪科學就是以現代空間和電子技術為手段測定地球形狀及外部重力場和地球外部物理特征的一門學科，主要應用對象是各種工程（如城市建設、交通、水利、礦山、海洋建筑、大型精密設備安裝等）的勘測設計、施工及運營各階段中的測繪工作。

榜單解讀

測繪工程是比較“小眾而不冷門”的專業，開設該專業的高校有四十所左右。本專業重點院校有武漢大學、同濟大學、中國礦業大學、中國地質大學（北京）、中國石油大學（華東）、河海大學、長安大學。作為世界上測繪學科門類最齊全的全國重點大學，武大在測繪工程領域居于全國領先地位，擁有大地測量學與測量工程、攝影測量與遙感兩個學科唯一的國家級重點學科點，同時也擁有這兩個學科以及地圖制圖學與地理信息工程博士點。中國礦業大學、中南大學、信息工程大學也有雄厚的實力，三校都有大地測量學與測量工程、攝影測量與遙感、地圖制圖學與地理信息工程等博士學位授予權。部分二本院校也開設了測繪類專業，如東華理工學院（原華東地質學院）、江西理工大學。

報考須知

測繪科學在本科階段設置測繪工程專業，一般分為工程測量、大地測量、衛星應用工程、攝影測量與制圖等分支方向。學科專業性很強，有主干學科支持，也有相關學科的支持，涉及到空間、電子、信息、激光等科學的研究。主要的專業課程有大地測量學基礎、空間測地理論與技術、影像與制圖、數字攝影測量學、地理信息系統原理及應用、遙感原理與應用、電子地圖原理與應用等。各個方向根據各自的研究領域還有其他的專業課程，比如衛星應用工程方向的專業課程還有無線電通訊與導航、數字圖像處理等。

環境與安全類

環境工程是研究環境問題的一門學科，它的任務是通過評價人類生產和社會活動對環境的影響，用具體的工程、規劃和管理措施，收集和處理污染物，消除水、氣、聲和固體廢棄物等方面的污染，凈化環境，使社會、經濟和環境保護協調發展。水治理是環境治理的一個重要領域，常常是環境治理最初著手的領域，所以在很多院校。給水排水工程與環境工程也設在一起。

在高校專業的分類中，跟環境工程分在一起的還有安全工程。安全工程，簡而言之，研究的是生產、工程或者說是行業的安全問題。很顯然，不同行業需要有各自不同的具體安全措施，所以，安全類專業是依托于各個行業的。

榜單解讀

環境類專業盡管屬于新興專業，但發展較快，僅本科院校中就有超過兩百所設置，并且有專門的院系。本專業的主要院校有清華大學、浙江大學、哈爾濱工業大學、華東理工大學、河海大學、上海大學、南昌大學等。有些學校頗有特色，如南京信息工程大學在大氣環境、生態環境及環境污染治理方面有很強的師資力量和研究水平。揚州大學的環境科學與工程學院設有環境科學、環境工程、給水排水工程、建筑環境與設備工程、農業資源與環境五個專業。

安全工程則是讓一個充滿“責任”的專業，因此你選擇了這個專業。等于你選擇責任。本專業重點大學有中國科學技術大學、中國礦業大學、中南大學、中國地質大學等，二本可關注中北大學（原華北工學院）、沈陽航空工業學院、哈爾濱理工大學、江蘇理工大學、江西理工大學等。

報考須知

考生體檢時，結論為色盲、色弱及嗅覺和聽覺不合格者不能報考本類專業。

化工與制藥類

化學工程是一個歷史悠久的專業，其應用廣泛，包括化工、能源、材料、藥物、食品等許多行業都需要化工人才，可以說化工是21世紀最基礎、最具活力、應用最廣的學科之一。醫藥產品是人類戰勝疾病，維護身體健康不可或缺的特殊產品，在國民經濟中占有重要地位。當今世界，醫藥產品的研發受到各國政府的普遍重視，醫藥工業成了名副其實的高技術產業，現代制藥業成為與當前國民經濟及社會生活領域中最活躍、與人民生活息息相關的熱點行業和高新技術產業之一。

榜單解讀

天津大學的化工專業是其傳統的優勢學科之一，其水平居于國內領先地位，清華、華東理工大學、北京化工大學、浙大、南京工業大學等院校也有很強的實力，都有化學工程、工業催化、化學工藝等學科的博士學位授予權，其中，化學工程也是國家級重點學科。中國石油大學、太原理工大學則除了設有化學工程、工業催化、化學工藝等博士點外，還擁有化學工藝的國家級重點學科點。其他如華南理工大學、川大、南京理工大學等院校也各具優勢：華南理工大學長于化學工程，川大和南京理工大學則均有化學工程、化學工藝、工業催化博士學位授予權。

制藥工程是比較小眾的專業，但卻是比較熱門的專業，近些年發展迅速，開設該專業的高校約有60多所，主要還是綜合性及理工類院校。在這些院校中，華東理工大學、天津大學、南京工業大學等院校均具有較強的實力，擁有制藥工程與技術博士學位授予權。重慶大學、太原理工大學則具有制藥工程碩士學位授予權。其他如浙大、中國藥科大學、北京化工大學、東南大學、北京中醫藥大學、成都中醫藥大學、西南農大、吉林化工學院等院校也是不錯的選擇，各校都設有各具特色的制藥工程本科專業，成都中醫藥大學等院校還設有專科專業。

報考須知

在化工和制藥兩大分類的基礎上，化工專業又可以分為許多小的專業和方向，大致有：化學工程、化學工藝、高分子科學與工程、催化科學與工程、應用化學、精細化工、生物工程、過程裝備與控制工程等。

相對化工專業有多個方向，制藥工程的學科相對單一，該專業的學生要學習化學、化工、藥物化學、藥廠工藝設計及設備等方面的基礎理論及實驗技能訓練。

交通運輸類

交通運輸類專業在工學學科中，屬規模較大的專業。高校中的交通專業研究方向主要和計算機信息技術和智能技術結合起來，形成許多新的研究方向，出了很多研究成果，比如GPS衛星導航定位實驗系統、交通監控系統、智能車輛與智能化診斷系統。

交通類專業涵蓋甚廣，它主要培養交通領域的高素質復合型人才，能在交通運輸、物流工程、汽車運用工程、交通工程等領域從事科學研究、技術開發、生產及經營管理、工藝和設備設計、教學等方面的工作。

榜單解讀

交通運輸專業要分布在綜合性及理工類院校。西南交大在交通運輸專業上的實力居于國內領先地位，其道路與鐵道工程、載運工具運用工程均為國家級重點學科。長安大學同樣擁有道路與鐵道工程、載運工具運用工程博士學位授予權，同時這兩個學科亦為國家級重點學科。中南大學、同濟大學也具有雄厚的實力。其他如哈爾濱工業大學、中南大學、北京交大、東南大學、吉大、武漢理工大學等院校也具有較強的實力。

報考須知

從分類上來說，交通類專業主要分為交通運輸和交通工程兩大類。交通運輸專業側重運輸系統規劃及管理能力的研究，而交通工程則側重交通工程方面的規劃與設計。從具體的專業劃分上看，主要分為交通運輸規劃與管理、交通信息工程與控制、載運工具運用工程、道路與鐵道工程、物流工程等專業。當然另外還有一些方向，由各所大學根據自己的特色開設決定。

海洋工程類

海洋工程屬于工學學科。可以這么理解海洋工程，土木工程是在陸地上造房子、規劃設計，而海洋工程就是在海洋中從事這些活動。海洋工程方向主要就是培養從事現代海洋工程研究、規劃、設計、制造、管理以及教育的高級技術人才。既然陸地上造的是房子，那么海洋中造的自然是船舶了。同時，船舶的運輸也需要管理和研究。作為一級學科，海洋工程專業下面又分了許多不同的研究方向。一般包括有運土交通運輸上等方向。各個方向又可細分，比如船舶工程又可以包含輪機工程、水聲工程、船舶與海洋結構物設計制造等方向。

榜單解讀

一般來說，靠近江河海域有著水域優勢的大學才能夠有能力并且有針對性地開設海洋工程專業，其中，又以工程技術實力較強的大學在該學科上有較強實力。本專業的主要招生院校有上海交大，華中科技大學、天津大學、武漢理工大學、哈爾濱工程大學，除了上交該專業分數較高外，其他幾所院校的錄取平均分略高于重點線30～50分。二本院校招生院校主要有集美大學、江蘇科技大學（原華東船舶工業學院）。

報考須知

作為一級學科，海洋工程專業下面又分了許多不同的研究方向。一般包括有運土交通運輸上等方向。各個方向又可細分，比如船舶工程又可以包含輪機工程、水聲工程、船舶與海洋結構物設計制造等方向。本專業對身高、視力等身體條件要求比較高，對船舶制造、遠洋駕駛感興趣的考生。可考慮報考船舶與海洋工程專業。

生物工程類

市場急需掌握生命科學和工程科學的高技術的人才，生命科學的發展以及它和工程科學的結合帶來了生物工程產業的蓬勃發展，生命科學和工程科學的滲透為生物工程人才提供了廣闊的發展前景。

生物工程專業的應用十分廣泛，如研究改變遺傳基因，培育出抗病能力極強的小麥；利用微生物的作用發酵香蕉，釀造甜酒；利用轉基因植物生產各類蛋白類藥物，吃了含有這種含藥物基因的食品，就可以起到防病、治病的作用；還有克隆羊、克隆豬、克隆牛等等，利用的都是生物工程技術。

榜單解讀

生物工程專業由于具有較多的分支學科，各個高校的側重點和優勢也不一樣，考生宜根據自己的愛好和特長進行選擇報考。江南大學長于發酵工程，該學科在國內處于領先地位。華東理工大學也具有雄厚的實力，除了設有發酵工程、生物化工博士點外，其生物化工同樣是國家級重點學科。天津大學、北京化工大學、浙大、清華、南京工業大學、太原理工大學擁有生物化工的博士點，等院校也具有較強的實力，各校都有生物化工博士學位授予權。而昆明理工大學、南京林業大學則設有生物化工碩士點。東北農大的發酵工程學科也頗具實力，擁有該學科的博士學位授予權。西北農林科技大學、四川理工學院等院校則設有發酵工程碩士點。

報考須知

放眼當前社會，生物工程專業的就業狀況并不太好，其中只有與醫藥相關的專業方向情況較好。追究這種狀況的根源，這與我國整個生物工程行業的現狀是分不開的。目前，我國生物產業的整個發展方向側重于實驗室成果，而不注重在試驗轉化中投入，因而建設期長失敗率高，因此，社會難以大幅度增加對畢業生的需求量，也難以為他們提供廣闊的自我發展空間。

航空航天類

在宇宙這樣特殊的環境下，機械、火箭燃料會受到什么影響？行星勘探用機器人如何應用？航天航空類專業主要關注這些話題，它主要研究飛行器（飛機、宇宙飛船、衛星、火箭等）的運動規律及其結構與性能。航天航空技術的發展與軍事應用密切相關，并且我國正在開拓許多新的技術領域和研究課題，如衛星通信正在成為現代傳遞信息的重要手段，衛星導航實現了全球、全天候、高精度的導航定位，宇宙空間站的開發，可容五六百人乘坐的大型客機的開發等。學習該專業具備良好的物理和數學基礎十分重要。未來我國航天、航空事業的迅速發展，展示了本專業良好的發展前景。

榜單解讀

目前，北京航空航天大學、哈爾濱工業大學、清華大學等21所普通高校開辦了航空航天專業，其中隸屬于工業和信息化部的高校有北京航空航天大學、哈爾濱工業大學、南京航空航天大學等6所，教育部所屬高校有清華大學、廈門大學、湖南大學等7所，交通運輸部所屬高校有中國民航大學，地方所屬高校有長春大學、上海工程技術大學、南昌航空大學等7所。在這些高校中，部分高校招收國防生，報考國防生的考生錄取與軍隊院校同屬提前批次錄取。

報考須知

航天航空類中設有四個專業：飛行器設計與工程、飛行器動力工程、飛行器制造工程、飛行器環境與生命保障工程。

兵器類

兵器類學科是一門研究用武器保衛國家安全和摧毀敵方的學問。兵器類主要分為七大研究方向：武器系統與工程、武器發射工程、探測制導與控制技術、彈藥工程與爆炸技術、特種能源工程與技術、裝甲車輛工程、信息對抗技術。在這七個方向的學習過程中，除了大量學習基礎知識和相關理論之外，還有大量的實踐性教學環節，包括到靶場、坦克部隊、炮兵部隊實習，去兵工廠觀摩兵器的生產過程和質量控制技術等。

本專業的特殊性決定了它就業范圍相對狹窄。因而報考這一專業的學生最好對這個學科有濃厚的興趣。如選報彈藥工程與爆炸技術的學生最好對原子彈沖擊波感興趣，喜歡收集有關子彈射程、彈藥的資料，常收集手榴彈爆炸參數，熟悉各種武器彈藥，對爆破技術感興趣等等。

榜單解讀

國內設置武器類專業的高校不多，主要是一些理工大學和工業、科技大學，北京理工大學、南京理工大學、華北工學院、西北工業大學開設的專業較全。其他還有北京航空航天大學、電子科技大學、淮南工業學院、西安電子科技大學、長春光學精密機械學院。有的院校就讀時間是5年。

報考須知

開設這個專業的院校很少，實力卻不容小覷。基本上都是一批本科里的名牌大學，對考生的數學、物理成績要求較高。與該專業結合最緊密的還是在軍工單位。這些單位一般都遠離繁華的都市，像我們從電視上看到的“神舟六號”的發射基地——酒泉衛星發射中心就位于遠離甘肅酒泉市的沙漠深處。所以，有志于獻身國防軍工事業的同學，要做好一定的思想準備。同時，選擇本專業不僅要有熱情，而且更要具有責任感。

工程力學類

隨著工業化發展，力學逐漸應用到很多工程方面，比如大型建筑、橋梁、飛機、火箭等方面。這些工程學科的發展在很大程度上正是依靠現代力學的知識發展起來的，如航空航天工業的發展離開力學就會寸步難行。而許多大學的力學專業，要么直接和航空航天專業掛鉤，要么就命名為工程力學專業，由此可見力學和工程技術關系密切之一斑。

榜單解讀

許多工科類大學，由于自身工程實力以及發展的需要，它們開設的力學專業往往和工程專業結合得更加緊密，因此更偏重于工程力學類型。比如上海交通大學的工程力學系屬于船舶與海洋工程學院，同濟大學的力學系則屬航空航天與力學學院，北京航空航天大學的力學系屬于航空科學與工程學院，前身則為飛行器設計與應用力學系。

報考須知

因為“力”這個東西看不見，摸不著，思考起來十分的抽象，研究它需要應用各種公式，總之，學習工程力學不是一件輕松簡單的事，需要做好思想準備。

公安技術類

公安技術類專業共分為兩個專業：刑事科學技術和消防工程。顧名思義，這兩個專業目前的應用主要是在公安、司法部門，當然也包括一部分相關企事業單位。隨著現代科技的發展和各種科技手段的應用，刑事科學技術更是得到了突飛猛進的發展和越來越多的應用，這也使得刑事科學技術專業的地位變得日益重要。

消防工程的目的就是為了培養具備消防工程技術和滅火救援等方面的知識和能力，能在公安消防部隊和企事業單位從事消防工程技術與管理和滅火救援指揮方面工作的工科學科高級專門人才。近幾年，公安院校尤其是部屬公安院校的學生幾乎不分專業，全部進入公安系統，消防工程專業也不例外。

榜單解讀

招收公安技術類專業的高校一般分成兩類：專門的公安類院校和政法大學。公安類院校一般直屬于公安部，如中國人民公安大學、中國刑事警察學院、江蘇警官學院，因此實踐機會較多，就業率高。而像西南政法大學這樣的高校則在理論研究方面實力較強。

篇7

（上海理工大學光電信息與計算機工程學院，上海200093）

摘要：為提升智能科學與技術專業學生的實踐能力，文章提出基于Arduino對該專業的實踐教學進行設計，重點闡述結合智能專業的特點以及Arduino的實踐性，對LED燈、溫度傳感器和開關基本操控的實驗教學設計；同時探討基于Arduino的智能車實現的可能性，為Arduino的智能應用設計做鋪墊。

關鍵詞 ：Arduino;智能科學與技術；實踐；教學設計

基金項目：2014年上海大學生創新創業訓練計劃項目(SH2014046)。

作者簡介：楊振堃，男，本科大三學生，研究方向為智能科學與技術；胡春燕（通訊作者），女，講師，研究方向為計算機應用及智能應用，hhuchy@163．com。

0 引 言

智能科學與技術是面向前沿高新技術的基礎性本科專業，其覆蓋面廣泛，專業涉及：機器人技術，以新一代網絡計算為基礎的智能系統，微機電系統( MEMS)，與國民經濟、工業生產及日常生活密切相關的各類智能技術與系統，新一代的人一機系統技術等。經過近幾十年的發展，智能技術及其應用已經成為IT行業創新的重要生長點，例如智能機器人、智能化機器、智能化電器、智能化樓宇、智能化社區、智能化物流等，對人類生活產生了重要影響。而自動化工程、機電工程、計算機工程等工程學科的核心內容就是智能科學與技術，它的工程性和實踐性非常強，所培養的學生正是目前高新技術研究及產業發展急需的人才，同時此類人才也會對傳統產業的提升和改造起到積極作用。該專業融合機械、電子、傳感器、計算機軟硬件、人工智能、智能系統集成等眾多先進技術，是現代檢測技術、電子技術、計算機技術、自動化技術、光學工程和機械工程等學科相互交叉和融合的綜合學科。它涉及到的技術有檢測技術、控制技術、計算機技術、網絡技術及有關工藝技術，正影響著國民經濟的很多領域，已成為一個國家科技發展水平和國民經濟現代化、信息化的重要標志。智能科學與技術專業以光、機、電系統的單元設計和總體集成及工程實現的理論、技術與方法為主要內容，面向前沿高新技術，培養具備基于計算機技術、自動控制技術、智能系統方法、傳感信息處理等科學與技術，進行信息獲取、傳輸、處理、優化、控制、組織等并完成系統集成，具有相應工程實施能力，具備在相應領域從事智能技術與工程的科研、開發、管理工作的寬口徑知識和較強適應能力及現代科學創新意識的高級技術人才。

Arduino是開源電子原型平臺，特點是便捷靈活、方便上手，包含硬件（各種型號的Arduino板）和軟件（Arduino IDE）。Arduino構建于開放原始碼simple I/O介面版，而且具有使用類似Java、C語言的Processing/Wiring開發環境。Arduino不僅能通過各種各樣的傳感器感知環境，而且還可以通過控制燈光、馬達和其他裝置來反饋和影響環境。板子上的微控制器可以通過Arduino的編程語言來編寫程序，編譯成二進制文件，燒錄進微控制器。對Arduino的編程利用Arduino編程語言（基于Wiring）和Arduino開發環境（基于Processing）來實現。基于Arduino的項目，既可以只包含Arduino，也可以同時包含Arduino和其他一些在PC上運行的軟件，它們之間通過通信(比如flash，Processing，MaxMSP)來實現。

1 平臺軟件介紹

Arduino是一個開放源代碼的單芯片微電腦，它使用Atmel AVR單片機，采用基于開放源代碼的軟硬件平臺。

Atmel AVR系列是一種基于改進的哈佛結構、精簡指令集( Reduced Instruction Set Computing，RISC)的微控制器，由Atmel公司于1996年研發。AVR系列是首次采用閃存(Flash Memory)作為數據存儲介質的單芯片微控制器之一。目前為止，AVR處理器發展了6個系列，分別是：tinyAVR，ATtiny系列；megaAVR，ATmega系列；XMEGA，ATxmega系列；Application-specific AVR，面向特殊應用的AVR系列，增加LCD控制器、USB控制器、PWM等特性；FPSLIC，FPGA上的AVR核；AVR32，32位AVR系列，包含SIMD和DSP以及音視頻處理特性，與ARM形成競爭。

Arduino IDE和各種組件如圖1和圖2所示，組件包括Arduino Uno R3開發板、ArduinoXbee V5.0傳感器擴展板、Bluebee藍牙模塊、LCD1602 12C液晶模塊、繼電器模塊、蜂鳴模塊、光敏電阻模塊、可調電位器、舵機等。

2 實踐操作

2.1 Arduino基礎實驗設計與實現

2.1.1 基于Arduino對LED燈的控制

LED( Light Emitting Diode)中文稱作發光二極管，是一種固態的半導體器件，它能夠直接把電轉化為可見光。智能應用中有很多場合會涉及對LED燈的控制。在基礎實驗的實踐中，首先測試LED小燈的控制，利用其I/O口和外接直插LED燈來完成實驗，使用到的實驗器材有Arduino控制器、USB下載線、紅色M5、直插式LED、220Ω直插電阻、面包板和面包板跳線。連接后的實物如圖3所示。

Arduino的語法結構中有兩個必不可少的函數，分別是void setup0和void loop0，它們是setup0函數中初始化動作的區塊，所有串行端口、腳位輸出入都在這里進行初始化，loop0函數是板子重復執行動作的區塊。arduino上傳程序后，首先從setup0函數開始運行，setup0函數運行一次后便進入loop0函數中不停循環運行，實現的核心部分是設置引腳pinMode和寫人數字腳digitalWrite兩個函數。

在此基礎上可以對LED燈的變化加入更多方式，例如流水燈的變換，實驗原理與上述LED燈控制變化沒有太大區別，但是需要在LED燈和導線數量上有所增加。LED燈的擺放形式可以進行各種變換，圖3展示的只是一種最簡單的形式，還可增加LED燈數量，根據個人創新設計擺出更多漂亮圖案。

2.1.2 基于Arduino對溫度傳感器的控制

智能應用中根據溫度進行操作的例子很多，如空調環境控制，感測建筑物內溫設備或機器，并進行過程監測和控制。為了解溫度信息的采集過程，在實踐中使用DS18820型號的溫度傳感器，并用Arduino控制傳感器進行實時溫度檢測。本次實驗用到的器材有：Arduino Uno板、溫度傳感器DS18820、數據下載線和面包線。電源線、地線分別連到Arduino實驗板的+5V、GND端口，數據總線連至數字端口12，實物連接如圖4所示。在實驗中，Arduino板子和軟件實現溫度傳感器與電腦的連接，并能實時顯示溫度。由于溫度顯示反應較慢，測得溫度數值較相近，但仍能看出溫度變化。

2.1.3基于Arduino對開關的控制

開關可以分為按鍵開關和輕觸開關，在電子設備領域有著廣泛應用，例如數碼產品、遙控器、通訊產品等。

本實踐使用按鈕控制LED燈，按鈕按下時燈亮，放開時燈滅，實踐元件有按鍵開關、紅色直插LED、220Ω電阻、10KΩ電阻、面包板及面包板跳線。

編程讀取模擬0口電壓值，當電壓值大于1000時，設置第7引腳為高電平，此時LED燈點亮；當電壓值小于1 000時，則設置第7引腳為低電平，LED燈熄滅。

2.2 Arduino拓展實驗設計與實現

以循跡智能車為例，循跡是指小車在白色地板上循黑線行走，由于黑線和白色地板對光線的反射系數不同，于是可以根據接收到的反射光強弱來判斷小車的“軌道”。而紅外探測法就是最常采用的方法。

紅外探測法利用的是紅外線在不同顏色的物體表面具有不同反射性質的特點：在小車行駛過程中不斷向地面發射紅外光，紅外光在白色紙質地板上發生漫反射，反射光被裝在小車上的接收管接收；如果遇到黑線則紅外光被吸收，小車上的接收管接收不到紅外光。Arduino單片機就以是否收到反射回來的紅外光為依據來確定黑線的軌跡和小車的行走路線。但需要注意的是紅外探測器探測距離是有限的。

基于Arduino控制的簡易自動尋跡小車系統，包括小車系統構成軟硬件設計方法。以Arduino Uno為控制核心，利用紅外光電傳感器對白色路面中的黑色軌跡進行探測，并將路面檢測信號反饋給Arduino單片機。程序燒進板子后，Arduino單片機對采集到的信號予以分析判斷，及時控制驅動電機來調整小車方向，使小車沿著黑色軌跡自動行駛，實現小車自動尋跡。

TCRT5000紅外對管在機器人設計和工業制造中應用非常普遍，可利用TCRT5000制作黑白尋跡機器人。由于紅外線對顏色的反射率不同，所以將反射信號的強弱轉化成電流信號是TCRT5000紅外對管的工作原理，檢測到黑色時高電平有效，檢測到白色時低電平有效。

該控制系統的組成部分有主控制電路模塊、電源、紅外檢測模塊、電機及驅動模塊等。當小車進入循跡模式后，便開始不停掃描檢測與探測器連接的單片機I/O口，當檢測到其中某個I/O口有信號以后，進入程序進行判斷處理，這其中最重要的是要先確定3個探測器中哪一個探測到了黑線。其循跡流程圖如圖5所示。

3 結語

智能科學與技術作為一門全新的專業，自面世以來就一直受到社會各界的廣泛關注，其代表了科技的大趨勢，成熟的智能科學與技術必將會成為人類未來生活不可或缺的一部分。目前智能科學與技術尚在起步階段，在某些領域只存在于理論，想得到具體實踐還需要一定過程；高昂的價格也是阻礙其廣泛發展的原因之一。

對LED燈、溫度傳感器和開關的基本操控實踐，使該專業學生對智能應用設計有了初步認識。學生通過Arduino模擬環境感受智能控制，體會智能專業在生活中的應用，避免局限于枯燥、抽象的理論學習。同時，該實驗實踐加深了智能專業學生對C語言編程的認知，通過實際操作，多編程多調試，將理論聯系到實踐，再由實踐回到理論，實踐與理論知識完美融合，達到知識靈活運用的目的。智能專業的學生要善于創新、開闊視野、深入思考，走在智能應用的最前沿，了解有關智能應用的最新成果，提高專業敏感度，善于學習，借鑒有用的成果，將其運用到專業的理論學習和實踐操作當中。

參考文獻：

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[3]辛光紅，基于Android系統的Arduino智能車設計[D]．三亞：三亞學院理工學院，2014.

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[5]李響．基于Arduino的植物葉片葉綠素含量光學檢測儀器的研制[D]．北京：北京信息科技大學，2013．

[6]孟魁，基于Arduino的物流實驗體系建設[D]．荊州：長江大學管理學院，2013.

[7]寧慧慧，余紅英，基于單片機控制的簡易自動尋跡小車設計[D]．太原：中北大學信息與通信工程學院，2009．

篇8

關鍵詞： 投影顯示；LED；DLP；TIR棱鏡；Tracepro

中圖分類號：TN141.8 文獻標識碼：B

Study on Optical Engine System for DLP of Projection Display Based on LED

LIN Peng1, YU Jian-hua2, CHEN Ri-guang2, LIU Wei-jie1, KONG Ru-bin2, ZHANG Qi2, GONG Xiang-dong2, WU Guo-cheng2, LUO Liang-yu1

(1. Lasereffects Co., Ltd., Dongguan Guangdong 523000, China; 2. College of Electronic Science & Technology, Shenzhen Guangdong 518060, China)

Abstract: We study optical engine system for DLP projection display based on LED. By Using non-imaging optical theory, the size of LED chip and light pipe were calculated, which match the DMD chip. We have determined the parameters of TIR prism (an important optical element of the optical engine system), based on light refraction law and triangle rule. The simulation and design of the optical engine system were achieved by optical software Tracepro. The illuminance map, optical efficiency and uniformity of the system have been obtained. A good foundation for further experimental study on LED projector was built.

Keywords: projection display; LED; DLP; TIR prisma; Tracepro

引 言

投影顯示是一種對環境要求較低的投影顯示技術，適合于家庭、會議與控制指揮系統的大屏幕顯示。與平板顯示相比較，投影可以實現超大屏幕顯示[1]，是一種最經濟的、性價比最高的顯示技術。傳統的投影顯示采用弧光燈光源，體積大、功耗大、壽命短、發熱量高。近年來出現的大功率LED則具有體積小、功耗低、壽命長、無紅外輻射、符合環保要求等優點，且采用三色LED作為光源的投影顯示系統可得到鮮艷的投影畫面和具有更大的色域。本文研究以大功率LED為光源的DLP投影顯示光學引擎技術。

1 光學引擎的設計

光學引擎采用了單片0.7英寸的DMD芯片，系統由三色LED光源、方棒照明系統、DMD芯片及投影物鏡組成，其組成結構如圖1所示。

三色大功率LED發出的光由TIR透鏡收集并準直后進入合色棱鏡合色，再由會聚透鏡將光會聚到積分方棒中，從而對光束進行整形，得到均勻的照明光線。從方棒中出來的光是發散的，所以用準直透鏡組來壓縮光束的角度。光線進入TIR棱鏡后，被反射進入DMD芯片中，受到DMD芯片的調制后，符合條件的光經TIR棱鏡投射進入投影物鏡中，最后被投射到屏幕上。

DMD芯片的光學擴展量是一定的，其光學擴展量的計算如下式[2]：

EDMD=π*ADMD*sin2θDMD （1）

其中，ADMD為DMD芯片的面積，θDMD為DMD芯片的最大接受角度。

在理想的情況下，LED的光學擴展量應與DMD芯片的光學擴展量相等[3]，即在光傳輸效率最大情況下，LED在該光學擴展量內的光能量能夠全部照射到DMD上。當然，由于像差等因素的影響，實際的能量利用率會有所降低。由光學擴展量的守恒關系可得：

ELED=n2*π*ALED*sin2θLED=EDMD（2）

其中，n為LED封裝材料的折射率；ALED為LED的發光面積；θLED為LED封裝介質中光的最大發射半角。

由式（1）和（2）可推出：

ALED=ADMD*sin2θDMD/n2* sin2θLED （3）

又由于DMD的長寬比為4:3，所以LED的發光面的長寬比也為4:3。將此條件與式（3）聯合起來可得出與DMD匹配的LED的發光面的長和寬。經計算，紅光的發光面為3.263059mm×2.447294mm，綠光和藍光的發光面為4.6007980mm×3.454599mm。根據這些參數綜合考慮LED的選型，最后選用美國Luminus-Phlatlight系列的PT121型號的三基色大功率LED，此款LED非常適用于0.7英寸的DMD芯片。

方棒照明系統主要的作用是將光源輸出的圓形光斑轉化成所需要的矩形照明光斑，同時也滿足系統光能利用率及照明均勻性要求的光學系統[4]。光線進入光棒后，經過多次反射后從另一端面出射，在出射面上形成照明均勻的矩形光斑。

在投影顯示系統中，為了提高能量的利用率，方棒端面的大小需與DMD芯片的大小匹配。由于DMD芯片的長寬比為4:3，所以方棒的長寬比也為4:3。設方棒的端面的長為C，寬為K，則C=4*K/3。由二維的光學擴展量即拉赫不變量可知[3]：

K*sinθ=KDMD*sinθDMD （4）

其中，KDMD是DMD芯片的寬度，它的值是確定的，θ是從方棒出射的光的角度，是由光源決定的參數。在Tracepro軟件中可測得θ約等于20°。θDMD是入射到DMD芯片上的光線的角度，而DMD芯片可利用光線角度為12°，所以可令θDMD=12°估算方棒的寬度。經計算可得方棒的端面的大小為6.4850mm×8.6467mm。

光線進入方棒后，在薄膜和空氣的界面發生全反射，所以方棒的長度可由光線在方棒內的反射次數確定。設方棒的長度為Z，進入方棒的光線的角度為i，方棒的寬度的一半為k，則由折射定律可得：

方棒的長度不宜過長，太長會使得能量因全反射次數過多而衰減。而過短則會使得光棒出射的光束均勻度不夠。所以，一般來說光線在光棒中全反射3次后，均勻度就基本達到要求。在Tracepro軟件中可測得入射角i約等于20°，并將各項數據代入可得長度Z約為115.8mm。

一般的TIR棱鏡由兩個棱鏡膠合而成[5]，兩塊棱鏡膠合相鄰面之間保留有厚度幾微米左右的空隙。當光線入射到棱鏡和空氣界面時，由于入射光線滿足全反射的條件，光線發生全反射，進入DMD芯片中。光線經DMD芯片調制后，亮態下的光束直接透射至投影物鏡，而暗態下的出射光束則由于角度偏離而無法進入投影物鏡。所以，TIR棱鏡一方面用于分離入射照明光和出射光，另一方面保證暗態光束偏離投影物鏡和亮態光束進入投影物鏡。同時，為了提高能量利用率，會在兩塊棱鏡的膠合面上鍍增透膜，以提高亮態光束的透過率。使用TIR棱鏡使得系統的光路更加簡單及緊湊和提高了系統的對比度。TIR的工作原理如圖2（a）所示。

圖2（a）中接收入射光線的棱鏡的各個角度可由折射定律和三角法則計算[6]。經過計算可取，α=49.296°，β=98.024°，γ=32.5°。兩個棱鏡的平面平行，所以γ2=γ=32.5°。而α2和β2的值則由光線模擬的具體情況而定。由上述算出的結果在Tracepro軟件中建立經典的TIR棱鏡的模型，如圖2（b）所示。

TIR棱鏡也可以由三塊棱鏡粘合而成[7]，三塊棱鏡之間留有幾微米的空氣間隙，它是在經典TIR棱鏡的理論基礎上建立起來的。它在Tracepro軟件中建立的模型如圖2（c）所示。

為了驗證TIR棱鏡的設計效果，建立一個光源，讓其發出平行光，入射到TIR棱鏡，經DMD芯片調制后再由TIR棱鏡透射或反射出去。所以，要對DMD芯片進行建模。DMD芯片中有成千上萬個像素點，在Tracepro全部列出是比較繁瑣的，所以將其簡化，像素設為：4×3。將DMD芯片模型中的像素點部分設為暗狀態即旋轉到-12°，部分設為暗狀態即旋轉到+12°，仿真結果如圖3所示。

與典型的TIR棱鏡相比，三片式的TIR棱鏡的體積較大，且加工較復雜，但亮光束和暗光束的分離效果好，有利于提高系統的對比度。所以，系統的中TIR棱鏡采用三片式的TIR棱鏡。

2 DLP光學引擎系統的建模及仿真

經過前面的計算分析，系統主要元器件的參數綜合如表1所示。

根據表1提供的參數，整個光學引擎系統的在Tracepro軟件中的建模圖如圖4所示。

根據表1設置光源的各項參數，并將DMD的像素點全部設為亮狀態，光學引擎系統的仿真圖如圖5所示。

測得屏幕上的入射光通量圖如圖6所示。

由圖6可知，總的輸出光通量為356.58 lm，所以系統的光能量利用率為：

3 結 論

本文研究基于LED光源的DLP投影顯示光學引擎，利用非成像光學理論計算了與所選用的DMD芯片相匹配的LED光源的發光面的尺寸及方棒的尺寸，并在此基礎上利用Tracepro軟件對光學引擎系統進行設計、建模、模擬。測得屏幕上的光能輸出為356.58 lm，光能利用率為10.52%，照度均勻性為68.7%。本設計采用單片式DLP投影顯示系統，系統結構簡單，為進一步實驗研究奠定了良好的基礎。

參考文獻

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關鍵詞 OCR技術；文字識別；嵌入式技術；云端；智能投影

中圖分類號：TP273 文獻標識碼：A 文章編號：1671-7597（2013）16-0023-01

在信息交互日益重要的人類社會中，閱讀紙質報刊，雜志在很長時間里成為人們了解世界，與世界聯結的主要途徑。但隨著科技的迅猛發展，特別是自媒體的涌現，對傳統報刊、雜志的發展造成了極大的沖擊。人們可以通過互聯網迅速了解當下的新聞，獲悉自己想要的知識，而傳統報刊，雜志業日益衰退。但由于人們長久以來對紙質文化的依賴而形成的習慣，使得傳統媒體業依然有生存下去的可能，而這就需要其充分提高創新性，與現代科技進行融合，創造“高科技”紙質文化。

通過人們閱讀報紙，雜志時，加入相關新聞的動態視頻無疑是一大創新點。而通過現有的OCR核心技術，實現報刊關鍵字識別與搜索，可實現對相關視頻在報刊上進行智能投影。

1 OCR技術簡介

OCR（Optical Character Recognition）光學字符識別技術，是自動識別技術領域一個重要的方面。該技術利用掃描儀、攝像機等任何攝影器材檢測紙質文件上的字符，通過檢測亮、暗的模式確定其形狀，然后利用字符識別方法將形狀翻譯成計算機文字的過程。具體工作過程為，漢子文稿的光信號通過電荷耦合器件CCD轉換為電信號，再經過模數轉換器轉換為數字信號傳輸給計算機。衡量OCR系統性能好壞的主要指標有：誤識率、拒識率、識別速度、產品穩定性，用戶界面友好性，易用性和可行性等。

軟件結構包括圖像輸入和預處理。

1.1 圖像的輸入

對于不同圖像格式，圖像的存儲格式，壓縮方式不同。在圖像攝入時選擇適宜的分辨率，調整好對比對和亮度值對于提高圖像的攝入質量很重要。

1.2 圖像的預處理

1.2.1 二值化

當用攝像頭拍攝的圖片為彩色圖像時，由于彩色圖像包含信息量巨大，為了讓計算機更快，更好識別文字，我們要先對彩色圖進行處理，使圖片只分為前景信息和背景信息，所以可以簡單地定義前景信息為黑色，背景信息為白色，即二值化圖。

1.2.2 噪聲去除

圖片受到干擾會含有噪聲，噪聲的存在會使圖像模糊，降低圖像的質量，我們可以根據噪聲特征不同選取相關的圖像平滑處理，即噪聲去除。

1.2.3 傾斜校正

在拍照文檔時由于拍攝角度的隨意使拍攝出的圖片不可避免地產生傾斜，這就需要文字識別軟件進行校正。

除此之外圖像預處理還包括版面分析、字符切割、字符識別等過程。

2 嵌入式系統的應用

嵌入式系統指操作系統和功能軟件集成于計算機硬件系統中，即將系統的應用軟件和硬件一體化。其具有軟件代碼小，高度自動化，響應速度快等特點，特別適合要求實時和多任務的體系。采用特殊的算法如基于統計原理的算法，可實現OCR技術在嵌入式系統上的實現。在該智能投影系統中，通過OCR技術識別處理后的關鍵字返回給嵌入式芯片，嵌入式芯片通過web搜索技術，通過接受到的關鍵字訪問“云端”在線視頻，然后將搜索到的相關視頻返回給嵌入式芯片，由芯片處理后輸出給投影儀投影在報紙或雜志紙面上。在此，可提出構想，主流報刊、雜志可以與云計算公司或視頻網站合作建立專門用于該報刊、雜志所刊載內容相關視頻的視頻數據庫，以便于更快搜索、投影。

3 系統主要組成及工作

本智能投影系統由微型攝像頭，OCR文字識別處理軟件，小型投影儀及相關嵌入式芯片組成可攜帶移動設備。可將本系統組成的攜帶式移動設備掛在胸前或制作成帽子等裝備，以使攝像頭及投影儀可方便拍攝報刊上的標題以及將相關視頻投影其上。工作過程為，攝像頭拍攝報刊文字標題，將數據傳輸給OCR文字處理軟件，處理后的文字信息輸入至嵌入式芯片，芯片利用關鍵字搜搜技術搜索“云端”在線視頻，并將搜索到的相關視頻傳輸給投影儀，投影儀投影在報紙或雜志版面上，讀者便可實現“動態”觀看報刊雜志了。本系統的主要工作流程圖如圖1。

4 結束語

本系統充分利用了現有前端技術，OCR技術以及嵌入式系統的方便靈活，構建了“動態”觀看報刊雜志的實現方式，使傳統媒體業與現代科技結合，更好地隨時展。

參考文獻

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篇10

（邯鄲派瑞節能控制技術有限公司 河北 邯鄲 056000）

【摘 要】本文詳細地綜述了近年來微裝配技術的國內外發展現狀以及其發展過程中面臨的一些關鍵技術，并對微裝配的發展進行了展望。

關鍵詞 微機電系統；微裝配；微夾持器；顯微視覺

1. 引言?

（1）自從20世紀80年代以來，微機電系統(MEMS)以飛快的速度發展成為一個集微型機械、微傳感器、微能源、微致動器、微控制器、微執行器、信號處理、智能控制于一體的新興研究領域，如微型藥泵、微傳感器、微驅動器、微加速度計以及其他光電子醫學器件等。微機電系統(MEMS)如果按照外形尺寸大小可分為：1～10 mm的微小機械，1μm～1 mm的微機械以及1nm～1μm的納米機械。由于具有在狹小空間內進行作業而有不擾亂工作環境和對象的特點，微機電系統的意義和應用將涉及航空航天、軍事、生物醫學工程、太空探險、深海探查等諸多領域。如果一旦技術上成熟并形成產業化，必將對國民經濟建設、國防建設乃至社會發展產生深遠地影響，因此被譽為20世紀十大關鍵技術之首，21世紀最具代表性的技術。?

（2）微機電系統具有體積小、精度高、質量輕、性能穩定、可靠性高、能耗低、靈敏性和工作效率高、多功能和智能化、適合大批量生產、制造成本低廉等特點。其基本技術主要有微機械系統設計技術、復雜可動結構微細加工(高深寬比多層微結構加工)、微機械材料、微裝配和封裝、微操作、微測量、微系統的集成與控制、微宏接口等技術。微傳感器、微致動器、微控制器，是微系統的基礎單元。?

（3）隨著微機電系統技術的深入發展，微機械技術的研究已經從基礎研究階段逐步發展到研制開發與實用階段，許多微傳感器、微執行器和微光學部件已經在許多行業獲得應用。國外也正在從微型機械電子系統向微型光機電系統方向發展和擴展，在尺寸上會向更微型化電子機械系統逼近。而且，這些微機電系統日趨復雜，其中許多包含了不同的材料或者需要經過多種工序來實現。因此，針對微機電系統的微裝配和微操作的研究日益引起國內外研究人員的高度重視。

2. 微裝配的國內外發展概況?

（1）微裝配主要指對亞毫米尺寸(通常在幾μm～幾百μm之間)的零部件進行的裝配作業。目前針對微米級的操作和裝配問題，主要有2種解決方法：一是用帶有超精密控制系統的一般操作手和系統，另一是將操作手微型化。利用集成電路工藝制造微裝配系統是未來發展的方向，但目前還有許多問題要解決。在傳統的宏觀技術上實現微裝配是目前許多學者研究的內容，其系統類型大致分為遠端操作方式和自動操作方式。近年來，越來越多的微裝配領域的學者把注意力放在了自動微裝配系統的研究上。?

（2）鑒于微裝配系統技術的優勢和廣闊的發展前景，各先進的工業化國家為了維持自身的競爭優勢都對微機電系統技術表現出了足夠的重視，紛紛投入巨資開展研究。日本、德國和美國在微裝配系統的研究方面比較突出，已具有一定的成果。它們研制成功的微裝配系統大致可分為2類：一種是基于SEM的裝配系統，另一種是基于傳統光學顯微鏡的裝配系統。前者具有放大倍數高、焦深大、分辨率高等特點，相比之下是一種理想的裝配方法，但其不足之處是操作復雜且設備昂貴。而后者則有操作簡單，成本低廉等優點。美國在微裝配系統的開發研究方面取得了顯著的進展，他們利用AFM(原子力顯微鏡)和高精度反饋技術，成功地感知了超光滑表面原子級尺寸的凹凸不平，同時還實現了原子遷移，展示了驚人的成就。?

（3）日本東京大學研制的納米機器人是由右腕、左腕和基座三部分組成，是在電子顯微鏡下工作的系統。右腕由壓電元件驅動3軸，左腕由粗動和壓電元件驅動3軸，基座有2軸機構。其使用金剛石刀或用電解的鎢針作為工具，該納米機器人已做過LSI表面的鋁配線切斷實驗。?

（4）日本島津制作所研制的生物細胞微操作器，具有2套三軸粗動、微動的作業腕。粗動作業腕由步進電機驅動，微動作業腕由音圈電機驅動。?

（5）名古屋大學研制在血管中操作的有源導管，利用3個SMA(形狀記憶合金)細絲來控制前端的導向。瑞典Uppsala大學研制的微機器人也是在電子顯微鏡下工作的，該機器人有兩個作業腕，分別有4個和3個自由度。其工具為針狀的鑷子．利用該機器人已進行了切割200μm硅片、硅片熔接、制作硅單晶微型針等工作。?

（6）我國的微裝配系統的研究工作起步于九十年代初，10多年來，國家自然科學基金委員會、國家科技部、中國科學院、國家教育部、總裝備部和地方立了10余項與MEMs相關的重點和重大課題以及若干面上課題，總投資約1億元人民幣，其中也包括微裝配系統的研究。目前，清華大學、大連理工大學和中國科學院長春光學精密機械研究所、北京大學、上海交通大學、重慶大學、中國科技大學、中國科學院電子所、中國科學院半導體所、南開大學、東南大學、復旦大學、西安交通大學、哈爾濱工業大學、南京航空航天大學、北京航空航天大學、浙江大學、華中理工大學、中國科學院高能物理研究所、中國科學院力學所、中國科學院物理所、華東師范大學等，在微系統方面開展了微裝配裝置、生物細胞轉基因微操作系統、微型光譜儀、微電泳芯片及細小管道微機器人等研究工作。其中，上海交通大學在成功研制2 mm微動電機的基礎上，自建了一套微型裝配實驗系統，主要是用來提供精密定位裝置的操作平臺；北京航空航天大學機器人研究所利用微機器人對微觀領域的操作技術開展了實驗研究；清華大學精密儀器與機械學系儀器科學與技術研究所自1996年以來從事微裝配技術與系統方面的實驗研究，并取得了一定的成果。這些工作都為真正的微裝配系統的構建奠定了基礎。

3. 微裝配系統的關鍵技術?

隨著微加工技術、顯微技術和集成電路技術的發展，微裝配的概念發生了根本性的變化、產品的范圍和應用領域被拓寬，出現了許多新的技術。因此，微裝配技術的發展是與微機電系統(MEMS)、納米技術等相關技術密切相關。?

3.1 微裝配技術的發展階段。?

3.1.1 手工裝配。

經過特殊培訓的操作技術人員可以手工裝配一些精密的光學和電磁器件。一些小型光纖、用于小型SCM的Electron Columns也在Illinois大學的微工藝應用實驗室手工裝配實現。但隨著零件的更加微形化，公差變得越來越小，手工裝配將受到很大局限。?

3.1.2 自動化的裝配。

為了減小操作者的勞動強度，降低微系統的制造成本，自動化的裝配是一個合適的選擇。例如：使用一個視覺和力混合的機械手在操作桿控制下實現多自由度運動，進行裝配工作。使用自動化裝配不僅使得裝配效率提高，而且可以進行批量裝配，降低裝配成本。微器件就是因為它體積小成本低才有廣闊的發展前途，因此自動化裝配應該是微裝配的發展目標。?

3.1.3 微機械手的裝配。

機械手因具有柔性好、操作靈活、能適應各種作業的特點，被廣泛應用于現代工業中。微裝配要求較高的定位精度，就必須使得微機械手有高的制造精度，零件的公差必須被限制在納米范圍內。目前，使用微機械手以及微機器人進行微裝配是研究的主要方向。?

3.2 微裝配中的視覺技術。?

（1）微裝配的部件尺寸大多在幾μm～幾百μm之間，對于裝配精度的要求就需要提高，通常為亞微米級。由于這個精度要求已經超出了一般工業應用的開環精密裝配系統的標定精度，那么在微裝配中使用精確的閉環定位系統是必要的。因此，對于微裝配系統，視覺系統作為其柔性反饋系統，所具備的功能應該能夠滿足裝配的要求。?

（2）目前顯微視覺研究主要集中在大學和科研單位。美國加利福尼亞大學研制了使用AFM的顯微視覺系統進行微裝配中高精度定位研究；美國麻省理工大學利用光聚焦顯微鏡、機器視覺技術和圖象處理開發了可靠和廉價的MEMS測試系統；德國斯圖加特大學，利用SLM雙目立體成像的特點研究了SLM條紋投影系統；韓國科技學院研發出三目立體視覺的微機器人，主要應用于微夾持、微裝配和微操作等領域。在國內，南京航空航天大學、北京航空航天大學、哈爾濱工業大學機器人研究所和清華大學都開展了與顯微視覺相關的研究。?

（3）通過目前國內外的研究情況來看，顯微視覺的研究方向主要集中在視覺信息獲取和視覺引導、位置和運動的自動控制以及力的傳感和控制。前者是微操作系統的基礎，因此是目前研究的熱點。其研究重點是基于平面顯微圖象的視覺引導和基于立體顯微圖象的視覺引導。?

3.3 微夾持器。?

（1）微裝配過程中微夾持器的合理設計和制造是一個關鍵環節。由于微夾持器不僅需要滿足微操作條件下復雜的力不確定性，而且必須具有一定的自由度以滿足各種不同操作。在微夾持器設計上，靈活抓取目標必需的運動學要求、穩定和安全抓取的力要求、傳感和驅動方式以及可控性等特點是必須考慮的。?

（2）微夾持器是一種典型的微執行機構，它在微機械零件加工、微機械裝配和生物工程等方面部有較好的應用前景，近來發展十分迅速。目前，按驅動力類型不同，見表1，已經研制出靜電力驅動、電磁力驅動、功能材料驅動的種類眾多的微小尺度操作和微小尺寸的夾鉗，其中一些已研究成功，體現出現時和潛在的應用價值。?

（3）微夾持器的制作技術主要有：一是基于傳統工藝技術，如：Shimada等人采用了一種應用傳統工藝制成的單自由度微夾持器；另一是LIGA(Lithographic Galvan forming Ab-formung)技術，如Carrozza等制作了一種以鎳為基，表面覆蓋金的微夾持器厚度只有200μm。該工藝首先使用同步加速器產生的軟X射線，通過掩摸照射在光敏聚合物上留下部件的立體模型，再提高電場將金屬遷移形成金屬結構。在此基礎上又出現了不需要昂貴的同步輻射X光源的準LIGA技術，并且與集成電路工藝有更好的兼容性。?

3.4 微驅動技術。

驅動技術也是微操作和微裝配領域的關鍵技術之一。它不僅要求有非常好的響應特性，而且還有工作空間和部件尺寸的限制。國內外研究人員把許多基礎效應和新型材料應用到微驅動和精確定位上，做了大量的工作。如壓電材料、靜電材料、電磁材料以及形狀記憶材料等。目前應用的最廣泛的還是壓電效應技術，如Carrozza等的微夾持器由壓電材料驅動。

4. 微裝配技術發展展望?

4.1 微裝配技術的研究從90年代初始到現在，已有10余年的時間，并且在這10年里取得了長足的進步，但隨著微細加工技術等半導體集成電路工藝的發展，微裝配和微操作技術中一些不足之處也將日益顯示。主要在微裝配系統中各個關鍵技術的研究還不夠，如視覺反饋手段、微夾持手的設計、控制以及驅動方式等方面都還有許多問題沒有得到完全解決。微裝配技術研究的最終目標是實現微器件的全自動裝配操作，但到目前為止，這一目標還仍未能實現，其主要原因有以下三方面：

(1)微器件操作的許多關鍵技術還未被完全掌握；(2)微觀領域中出現的特殊現象及其物理機制仍需不斷深入研究探討，如微機械粘附等；(3)簡便、廉價的微器件加工設備沒有得到開發，這也是由于微裝配技術、策略等多方面因素所致。?

4.2 未來的發展方向應當是融合微電子、材料、機械、計算機等多學科技術來解決微觀領域的問題。

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