理論物理引領(lǐng)振弦傳感技術(shù)新方向

張晗

他曾是一位普通的物理教師，卻成為了山東科技大學(xué)“測(cè)試計(jì)量技術(shù)及儀器”碩士點(diǎn)學(xué)科帶頭人，獲得國(guó)家中青年有突出貢獻(xiàn)專家稱號(hào)及中國(guó)工程院院士提名；他協(xié)助院士創(chuàng)建了礦山壓力研究所，又創(chuàng)建了儀器儀表研究所，研發(fā)了大量先進(jìn)的振弦式傳感器和儀器，為國(guó)家培養(yǎng)了一批科技人才，為祖國(guó)建設(shè)注入了新的力量；他退休后更發(fā)揮余熱，為企業(yè)開(kāi)發(fā)多項(xiàng)國(guó)際首創(chuàng)新產(chǎn)品，獲六項(xiàng)發(fā)明專利；他就是成功突破傳統(tǒng)技術(shù)框架、創(chuàng)建《鄧氏振弦傳感技術(shù)》的鄧鐵六教授。

半生科研教學(xué)路，碩果豐腴

1958年，畢業(yè)于武漢大學(xué)物理系基本粒子研究生的鄧鐵六，由于家庭及政治運(yùn)動(dòng)影響，被分配到新建的山東煤礦學(xué)院（山東科技大學(xué)前身）任物理教師。這個(gè)打擊是很大的。由于對(duì)馬列主義毛澤東思想的信仰，對(duì)辯證唯物論的確認(rèn)，受新中國(guó)初期好政策的感召，他沒(méi)有絲毫消沉，不能再?gòu)氖伦约合矚g的理論物理研究，就積極學(xué)習(xí)轉(zhuǎn)行到國(guó)家很需要的電子應(yīng)用技術(shù)。1971年至1975年間，深入到煤礦、冶金礦山，邊學(xué)邊干，幫助解決自動(dòng)化問(wèn)題，同時(shí)培養(yǎng)礦需人才。得到現(xiàn)場(chǎng)領(lǐng)導(dǎo)好評(píng)，引起學(xué)院領(lǐng)導(dǎo)重視。1978年被調(diào)往礦山壓力研究所，后任副所長(zhǎng)主持煤礦礦壓監(jiān)測(cè)儀表研究開(kāi)發(fā)。為防治煤礦頂板災(zāi)害，實(shí)現(xiàn)安全高效生產(chǎn)，配合所長(zhǎng)宋振騏老師，參予創(chuàng)立山東礦院實(shí)用礦山壓力理論體系，研制成功一系列先進(jìn)有效的礦壓檢測(cè)儀和監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)系統(tǒng)，共同承擔(dān)難采工程項(xiàng)目，十多年共同完成國(guó)家和部級(jí)項(xiàng)目十余項(xiàng)，在監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)系統(tǒng)和頂板檢測(cè)實(shí)踐方面達(dá)到了國(guó)際先進(jìn)水平，推廣應(yīng)用取得了良好的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益，對(duì)防治頂板災(zāi)害、促進(jìn)安全生產(chǎn)做出了突出貢獻(xiàn)。獲國(guó)家科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)和煤炭部科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)各一項(xiàng)。所長(zhǎng)和他均晉升教授，所長(zhǎng)還被選為中科院學(xué)部委員（院士） ，他被授予國(guó)家中青年有突出貢獻(xiàn)專家、全國(guó)煤炭工業(yè)勞動(dòng)模范，享受國(guó)務(wù)院政府特殊津貼。

鄧鐵六教授研發(fā)礦壓監(jiān)測(cè)儀表，將巖土工程大量使用尚不完善的振弦式傳感器技術(shù)引進(jìn)到煤礦并著力發(fā)展，從理論物理角度出發(fā)，創(chuàng)造性地創(chuàng)建了《鄧氏振弦傳感技術(shù)》基礎(chǔ)：（1） 在振弦式傳感器傳統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，提出通用精確數(shù)學(xué)模型及確定振弦式傳感器兩個(gè)常數(shù)A、B的方法，應(yīng)用引進(jìn)的先進(jìn)電子計(jì)算器編程由頻率計(jì)算待測(cè)物理量（如載荷、壓力、位移等），達(dá)到簡(jiǎn)便、快速、準(zhǔn)確（精度較傳統(tǒng)數(shù)學(xué)模型提高近一個(gè)數(shù)量級(jí)）。為應(yīng)用計(jì)算機(jī)自動(dòng)快速準(zhǔn)確處理數(shù)據(jù)打下基礎(chǔ)。（2） 設(shè)計(jì)了測(cè)量支柱載荷的振弦式傳感器系列及測(cè)量頂?shù)装逡平?、移近速度的振弦式頂板?dòng)態(tài)傳感器。（3） 提出弱激發(fā)原理，消除了長(zhǎng)電纜對(duì)測(cè)得頻率的影響；解決了各個(gè)鋼弦激發(fā)電路獲得頻率不一致問(wèn)題；以及顯著減小了頻率波動(dòng)。進(jìn)一步提高了儀器、系統(tǒng)的精度和分辨率。（4） 應(yīng)用多倍周期快速準(zhǔn)確測(cè)頻率方法采集數(shù)據(jù)。（5） 在上述基礎(chǔ)上研制成功振弦式便攜、遙測(cè)以及計(jì)算機(jī)多點(diǎn)多參數(shù)礦壓監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)系統(tǒng)三代新產(chǎn)品。

他創(chuàng)建儀器儀表研究所并擔(dān)任所長(zhǎng)期間，一方面進(jìn)一步發(fā)展應(yīng)用振弦傳感技術(shù)，承擔(dān)煤炭部重點(diǎn)項(xiàng)目，完成振弦式支架工況地面監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，鑒定評(píng)為國(guó)際先進(jìn)水平；完成振弦式箕斗煤量稱重儀，為國(guó)家級(jí)新產(chǎn)品，獲山東省科技進(jìn)步三等獎(jiǎng)；力變換式《鋼弦力傳感器》和《單線圈電流型振弦傳感器與激發(fā)器》獲發(fā)明專利。力-液壓-力轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)為大量程高準(zhǔn)確度振弦傳感器開(kāi)辟了道路。另一方面，他牽頭申辦了山東省和煤炭部第一個(gè)<測(cè)試計(jì)量技術(shù)及儀器>碩士點(diǎn)，親自為我國(guó)培養(yǎng)了一批高新人才，包括碩士11名，其中7名到重點(diǎn)大學(xué)攻讀博士，大都晉升教授、高工，成為教學(xué)科研骨干。其中年齡最小的碩士讀了同濟(jì)大學(xué)博士，留上海中科院微系統(tǒng)研究所工作，并成為神七釋放的衛(wèi)星項(xiàng)目負(fù)責(zé)人，獲得國(guó)家科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)，進(jìn)入科技萬(wàn)人工程，很有培養(yǎng)前途。

這期間，鄧教授特別忙，但還是與兩名學(xué)生合作出版了專著《諧振式傳感器理論及測(cè)試技術(shù)》，發(fā)表了多篇論文，向業(yè)界介紹了他們?cè)谡裣覀鞲屑夹g(shù)方面取得的進(jìn)展。

退休參與產(chǎn)業(yè)，推動(dòng)經(jīng)濟(jì)發(fā)展

鄧教授于1999年退休。2000年研制成功力-液壓轉(zhuǎn)換式錨索測(cè)力傳感器，獲發(fā)明專利。2001年，山東科大決定將鄧教授振弦傳感技術(shù)成果產(chǎn)業(yè)化，于是他先后受聘于泰安洛賽爾傳感技術(shù)有限公司、山東交潤(rùn)交通科技有限公司、山東省尤洛卡自動(dòng)化儀表有限公司和山東交潤(rùn)交通科技有限公司。期間，他重點(diǎn)開(kāi)發(fā)了振弦式錨索測(cè)力儀和振弦式動(dòng)態(tài)汽車稱重系統(tǒng)等產(chǎn)品。在大量程高性能振弦式測(cè)力儀和動(dòng)態(tài)汽車稱重方面取得了突破性發(fā)展，達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。例如，為上海建筑科學(xué)院研制量程400t、誤差<0.1%FS振弦式錨索測(cè)力儀，用于上海磁懸浮列車軌道梁預(yù)應(yīng)力施加設(shè)備的標(biāo)定，中國(guó)德國(guó)監(jiān)理認(rèn)可，發(fā)揮重要作用；為北京石油裝備公司研制三臺(tái)深井測(cè)量?jī)x，配用進(jìn)口振弦式傳感器，可測(cè)石油鉆井6000米深處的原油壓力和溫度；提出高準(zhǔn)確度振弦傳感器工作膜設(shè)計(jì)方法，研制成功“H型大臺(tái)階工作膜《高準(zhǔn)確度振弦壓力傳感器》”，獲發(fā)明專利。與山東濟(jì)菏高速公路有限公司合作，對(duì)動(dòng)態(tài)汽車衡的物理模型進(jìn)行理論研究，創(chuàng)新開(kāi)發(fā)《分體式小秤臺(tái)動(dòng)態(tài)車輛稱重系統(tǒng)》，獲國(guó)家計(jì)量器具型式批準(zhǔn)證書以及兩項(xiàng)專利，達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平；“兩體式三角形動(dòng)態(tài)汽車衡”獲國(guó)家發(fā)明專利；完成公司原產(chǎn)品《雙臺(tái)面振弦式動(dòng)態(tài)汽車稱重檢測(cè)儀》的全面改進(jìn)，獲兩項(xiàng)實(shí)用新型專利，銷39套，價(jià)500萬(wàn)元。

鄧教授還與人合作研制成功“微摩擦阻力的力-液壓轉(zhuǎn)換裝置”，并將它與高準(zhǔn)確度振弦壓力傳感器組合成振弦測(cè)力稱重傳感器，其特征是：量程大（0-500t），精度高（0.1%FS），成本低，易系列化，合格率幾乎100%。正積極尋找有實(shí)力的合作伙伴，爭(zhēng)取將《鄧氏振弦傳感技術(shù)》推廣應(yīng)用于大量程高精度測(cè)力稱重以及低頻動(dòng)態(tài)測(cè)量。

理論物理指導(dǎo)創(chuàng)新 精神可嘉

從提出振弦式傳感器通用精確數(shù)學(xué)模型，到高準(zhǔn)確度振弦式壓力傳感器發(fā)明專利，到力-液壓轉(zhuǎn)換式測(cè)力稱重傳感器，突破了振弦式傳感器和儀器的傳統(tǒng)技術(shù)框架，向著大量程高精度低成本高合格率的方向推進(jìn)了一大步；隨著高性能弱激發(fā)鋼弦激發(fā)電路的誕生、多倍周期快速準(zhǔn)確測(cè)頻電路的成熟，采樣頻率已達(dá)400Hz，可滿足振弦式動(dòng)態(tài)汽車稱重的技術(shù)要求，同時(shí)自然證明振弦技術(shù)可用于低頻動(dòng)態(tài)測(cè)量。經(jīng)過(guò)30余年的潛心研究，鄧鐵六教授的創(chuàng)新從這兩個(gè)方面拓寬了磁性鋼弦振弦傳感技術(shù)的應(yīng)用范圍，前景可觀。對(duì)于非磁性弦高精度高穩(wěn)定性電流型振弦傳感器系列來(lái)說(shuō)，至少鄧氏數(shù)學(xué)模型是可以借用的。

鄧教授之所以能取得這種突破和成就，既與他喜歡深入探索的性格有關(guān)，更與他有研究理論物理扎實(shí)基礎(chǔ)分不開(kāi)。一些實(shí)際技術(shù)難題，他從數(shù)理原理出發(fā)逐步弄清根源，找到有效解決辦法。

例如振弦傳感器數(shù)學(xué)模型，1980年，他在初次用以擬合振弦傳感器校準(zhǔn)曲線時(shí)，發(fā)現(xiàn)誤差較大，一般>1%FS。那時(shí)國(guó)內(nèi)外人們都把該模型當(dāng)作金科玉律，認(rèn)為傳感器就是這個(gè)水平，已經(jīng)不錯(cuò)了；他卻從校準(zhǔn)曲線都是光滑的拋物線，看出該模型的缺陷在于缺少頻率的一次方項(xiàng)，因此有許多拋物線不能用它準(zhǔn)確描寫，即用它擬合誤差偏大。尋找精確的數(shù)學(xué)模型，有兩種途徑：其一，認(rèn)為式中K是的函數(shù)，尋找此函數(shù)，得；還有人直接提出多項(xiàng)式模型；其二，鄧教授發(fā)現(xiàn)，依據(jù)兩條合理假設(shè)可推導(dǎo)出該模型，而K是一個(gè)與鋼弦長(zhǎng)度、密度、應(yīng)力及傳感器結(jié)構(gòu)相關(guān)的常數(shù)，由此提出修正模型。而后從數(shù)學(xué)分析和大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)檢驗(yàn)確定，唯有鄧氏模型兼有下述三項(xiàng)特征：（1） 擬合準(zhǔn)確，比原模型誤差小近一個(gè)數(shù)量級(jí)，即誤差小五倍以上；（2） 可實(shí)現(xiàn)調(diào)零去皮，適用于衡器稱重；（3） 隱含零點(diǎn)溫漂修正，對(duì)于好材料熱處理好老化合格已達(dá)穩(wěn)定的傳感器，在相當(dāng)寬廣的溫度范圍內(nèi)，只要能事先調(diào)零測(cè)量即準(zhǔn)確，不需加軟硬件溫度補(bǔ)償。特別適合衡器使用。因此，鄧氏模型是現(xiàn)有振弦式傳感器數(shù)學(xué)模型中最好的一個(gè)，對(duì)振弦式傳感器的推廣應(yīng)用有重要價(jià)值。同時(shí)，那兩條合理假設(shè)，其一是解決鋼弦激發(fā)電路問(wèn)題，提出弱激發(fā)原理的基礎(chǔ)；其二是設(shè)計(jì)高精度振弦式傳感器的指導(dǎo)原則。

由此可見(jiàn)，理論物理指導(dǎo)，理論聯(lián)系實(shí)際，精心實(shí)踐檢驗(yàn)，鍥而不舍，幾十年如一日地進(jìn)行探索，是鄧教授創(chuàng)建《鄧氏振弦傳感技術(shù)》取得成功的原因所在，精神可嘉。

產(chǎn)業(yè)化遇到困難，誠(chéng)邀有實(shí)力的合作伙伴。如今該技術(shù)已在兩家小公司推廣應(yīng)用，但缺實(shí)力不成氣候。因此，鄧教授誠(chéng)邀有實(shí)力的合作伙伴，共同應(yīng)用《鄧氏振弦傳感技術(shù)》開(kāi)發(fā)各種新產(chǎn)品，實(shí)現(xiàn)科技成果產(chǎn)業(yè)化。我們期待著這一技術(shù)更好的為祖國(guó)的經(jīng)濟(jì)建設(shè)獻(xiàn)力，期待鄧教授的科研之路更加輝煌。endprint