科研的開端

呂喆

哈爾濱工業(yè)大學(xué)物理系教授、博士生導(dǎo)師，主要從事新能源材料物理與器件、氧化物功能材料及應(yīng)用光譜技術(shù)方面的研究。在承擔(dān)教學(xué)、科研任務(wù)和指導(dǎo)研究生工作之余，還多次指導(dǎo)本學(xué)生科技創(chuàng)新活動。指導(dǎo)的博士生3人獲得教育部博士生學(xué)術(shù)新人獎，2人獲哈爾濱工業(yè)大學(xué)優(yōu)秀博士學(xué)位論文獎，指導(dǎo)的碩士生2人獲得黑龍江省優(yōu)秀碩士學(xué)位論文獎；指導(dǎo)的大學(xué)生科創(chuàng)項(xiàng)目5次獲得校級一等獎。

我寫下這篇文章，既是為了紀(jì)念20多年前自己走進(jìn)實(shí)驗(yàn)室、開始科研工作的一段經(jīng)歷，同時(shí)也希望它能給那些打算或者已經(jīng)下實(shí)驗(yàn)室做點(diǎn)事情的本科生們一點(diǎn)兒鼓勵和啟發(fā)。

課外科研小組

1991年7月，我是吉林大學(xué)物理系剛剛結(jié)束大二學(xué)習(xí)的一名本科生。期末考試前后，系輔導(dǎo)員通過班長傳下話來，說在暑假期間系里會安排一些學(xué)生下實(shí)驗(yàn)室做些課外科研工作，取得成果者將去參加當(dāng)年10月的“挑戰(zhàn)杯”全國大學(xué)生課外科技活動競賽?，F(xiàn)在想想，當(dāng)時(shí)的這種安排似乎有點(diǎn)兒臨時(shí)抱佛腳的感覺，區(qū)區(qū)3個(gè)月時(shí)間，能做出啥東西來？要知道，如今的各種大學(xué)生科技創(chuàng)新計(jì)劃項(xiàng)目可都是1年期的，而且還有國家級或者校級經(jīng)費(fèi)資助。當(dāng)時(shí)我們倒是沒有想這么多，20多個(gè)想?yún)⒓舆@項(xiàng)活動的同學(xué)按照通知時(shí)間到系團(tuán)委報(bào)到。很快，這些人大約被分成了10組，開始了課外科研工作。

當(dāng)時(shí)老師們提出的課題是五花八門，既有科研項(xiàng)目中提取出來的小課題，也有教學(xué)研究課題。我和本班的樊文俊同學(xué)選擇了“液芯光纖溫度傳感器”這個(gè)課題，指導(dǎo)老師是本系的里佐威老師和裴力老師。里佐威老師是我們大二《普通物理力熱實(shí)驗(yàn)》課的主講教師，他曾經(jīng)搞過一次很大膽的創(chuàng)新，在開設(shè)實(shí)驗(yàn)課時(shí)打破了傳統(tǒng)教學(xué)習(xí)慣，在必做的基本實(shí)驗(yàn)之外又開設(shè)了一批自選實(shí)驗(yàn)（這在今天已經(jīng)不稀奇了，但在當(dāng)時(shí)并不多見），允許學(xué)生分成若干小組利用一些單套實(shí)驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行研究型的實(shí)驗(yàn)，為此還增加了實(shí)驗(yàn)室的開放時(shí)間，所以給我們這屆學(xué)生留下了異常深刻的好印象。因?yàn)橄Ｍ覀兡軌蛟谕瓿烧n題時(shí)做出個(gè)實(shí)際的樣機(jī)，所以里老師安排他課題組的裴力老師來具體指導(dǎo)我們的實(shí)驗(yàn)工作。

我們所做的液芯光纖溫度傳感器的工作原理其實(shí)并不復(fù)雜，和我們常用的液體溫度計(jì)（如水銀溫度計(jì)、酒精溫度計(jì)）相似，也是利用液體受熱后體積的膨脹，使進(jìn)入毛細(xì)管的液柱長度隨溫度變化發(fā)生改變的原理進(jìn)行測溫的。不過，普通溫度計(jì)所用的工作物質(zhì)都是不透明但反光明顯的汞，或者透明但已染色的液體，借助玻璃管的光學(xué)視角放大作用使細(xì)細(xì)的液柱液位變得更寬而易觀察。

而我們要搞的這種液芯光纖溫度傳感器，雖然也是利用一個(gè)薄壁玻璃泡內(nèi)盛一定量的液體進(jìn)行感溫，但普通溫度計(jì)所用的那種硬質(zhì)、厚壁細(xì)孔的玻璃毛細(xì)管被換成了可以彎曲的空心玻璃光纖，對所使用的感溫工作物質(zhì)也有特殊的要求，必須是苯、甲苯、吡啶和二硫化碳之類折射率大于玻璃的透明有機(jī)溶劑，這樣才能讓它在進(jìn)入空心玻璃光纖時(shí)能夠滿足光傳播條件。在觀測溫度變化時(shí)，這種傳感器并不是直接觀測液柱的長度，而是在液泡端頭處用激光照射，使激光沿著液芯光纖傳播，直至液芯的端點(diǎn)（與空氣界面）處散射出來，形成一個(gè)很亮的光點(diǎn)。當(dāng)溫度發(fā)生變化時(shí)，這種液芯光纖的傳光長度會發(fā)生單值的變化，如果在不同溫度時(shí)對傳感器的光點(diǎn)位置進(jìn)行標(biāo)定，利用光點(diǎn)的位置就能準(zhǔn)確地指示溫度。

各種搗鼓實(shí)驗(yàn)

事實(shí)上，此前里老師、裴老師和課題組的其他老師已經(jīng)發(fā)明了液芯光纖的封裝方法，并成功進(jìn)行過這種傳感器的原理性試驗(yàn)，這次是希望我們能夠把它做成具有一定顯示度的樣機(jī)（這樣也好拿去參賽）。所以，我們面臨的問題，就變成如何把一個(gè)用氦氖激光器照明的簡易實(shí)驗(yàn)裝置變成一個(gè)小型化的、有一定應(yīng)用價(jià)值的儀器樣機(jī)？

我認(rèn)為，要完成這個(gè)任務(wù)，首先需要把那個(gè)體積不小、當(dāng)時(shí)價(jià)格不菲的氦氖激光器換掉，也就是說，必須尋找一個(gè)亮度足夠的小型光源。為此，我去了長春工農(nóng)大路西北段的“電子一條街”，并在一家公司的柜臺上找到了我想要的東西——一種現(xiàn)在看起來很不稀奇，但當(dāng)時(shí)還不太多見的高亮度發(fā)光二極管（LED）。與當(dāng)時(shí)經(jīng)常被用作指示燈的各種紅色、綠色或黃色半透明封裝的尋常發(fā)光二極管不同，這種發(fā)光二極管擁有一個(gè)透明的外殼，在通電后能發(fā)出刺眼的紅光，我當(dāng)即買了幾個(gè)拿回了實(shí)驗(yàn)室。我們按照裴老師教的做法，封裝了兩根充苯的液芯光纖，在端頭用高亮度LED光源進(jìn)行了照明實(shí)驗(yàn)，效果挺好，在暗室中用肉眼可以很容易看到液芯頂端明亮的光點(diǎn)，用手一摸感溫液泡，光斑會迅速向前移動，非常靈敏，初戰(zhàn)告捷！

下一步，我們必須想辦法做個(gè)樣機(jī)，用這個(gè)傳感器搞點(diǎn)兒控制。要進(jìn)行控制，當(dāng)然不能老用眼睛在小黑屋盯著光點(diǎn)的移動，必須找個(gè)探測元件替代人眼。我在自己當(dāng)時(shí)還比較有限的電子元器件知識和資料中搜索了一番，決定用光電二極管試試。

買來光電二極管，串聯(lián)一個(gè)電阻，后面加上一個(gè)LM324運(yùn)算放大器做的比較器，接通電路，設(shè)置好參考電壓，在密不透風(fēng)的理化樓482房間“小黑屋”中，我們終于看到了光斑經(jīng)過光電二極管探測器時(shí)LM324輸出的變化。與此同時(shí)，我們也注意到了雜光和感應(yīng)信號（當(dāng)時(shí)手接觸了電極）帶來的干擾。我又去手頭的資料中尋找這個(gè)問題的解決方案，很快想到可以利用LM567音頻鎖相環(huán)進(jìn)行調(diào)制解調(diào)來抑制噪聲，不過這個(gè)方案太復(fù)雜了，成本也偏高，所以最后并沒采用。

在使探測器“看到”光點(diǎn)以后，如何把它用于溫度的控制呢？參考水銀電接點(diǎn)溫度計(jì)的工作原理，我們決定讓光電二極管探測器“埋伏”在光點(diǎn)必經(jīng)之路上，待其通過時(shí)“采取行動”。這次我們選擇的是《電子線路》課上講過的時(shí)序邏輯電路——D觸發(fā)器，用光斑經(jīng)過時(shí)運(yùn)放（做比較器用，實(shí)際是個(gè)整形電路）輸出端產(chǎn)生的電脈沖作為時(shí)鐘信號讓74LS74觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)，產(chǎn)生的高低電平邏輯信號經(jīng)過電流放大后推動后面繼電器工作，以實(shí)現(xiàn)溫度控制。這個(gè)實(shí)驗(yàn)做得比較成功。至此，我們的液芯光纖溫度傳感器的原理性問題已經(jīng)得到了解決，剩下的就是怎樣做樣機(jī)了。

在組裝樣機(jī)階段，我們這個(gè)課題組成員也各顯神通。為了拼湊裝樣機(jī)必備的機(jī)殼等材料（現(xiàn)在很容易買到的各種塑料和金屬機(jī)殼，當(dāng)時(shí)可不好買，而且很貴），裴老師在本系找了很多實(shí)驗(yàn)室仍未有所獲，最后在設(shè)備處的報(bào)廢儀器倉庫里要出來3臺舊儀器，拆下機(jī)殼來用。樊文俊同學(xué)是長春拖拉機(jī)廠的子弟，傳感器的探測器外殼（圓盤形的塑料殼）以及有機(jī)玻璃表盤由他回家去找人加工。電路板的繪制和腐蝕，則由我親自操刀，為此我的一件灰白色的夾克衫永久地染上了三氯化鐵紅褐色的印記。

一陣忙碌過后，樣機(jī)已經(jīng)初具規(guī)模，經(jīng)過調(diào)試已經(jīng)可以穩(wěn)定工作了。1991年9月底，我和樊文俊帶著組裝好的儀器以及用來演示控溫效果的加熱器（頭天晚上從近代物理實(shí)驗(yàn)室借來的一個(gè)電吹風(fēng)）參加了校內(nèi)評獎答辯，結(jié)果被評為校級一等獎，被學(xué)校推薦參加當(dāng)年10月底在浙江大學(xué)舉辦的“挑戰(zhàn)杯”大學(xué)生課外科技活動競賽的展會和評獎。為此，我們又忙碌了大半個(gè)月。在這個(gè)過程中，在指導(dǎo)老師的幫助下，我將我們的科研成果雕琢成了一篇小的學(xué)術(shù)論文（該文次年發(fā)表在《大學(xué)科技》雜志上）。

后來因?yàn)榻?jīng)費(fèi)緊張，我和文俊同學(xué)沒能親自去杭州參賽，但最終我們的成果還是被評為鼓勵獎（當(dāng)時(shí)的規(guī)則是前20%獲得一、二、三等獎，20%～60%獲鼓勵獎）。

和老蛇一起研究單片機(jī)

在那個(gè)暑假，最初我們年級有10個(gè)組拿到課題，但最后堅(jiān)持做完的只有3個(gè)組，其中一個(gè)還是我們自己在寢室吃過晚飯后侃大山自由組合出來、最初階段并沒有導(dǎo)師指導(dǎo)的課題組。

話說當(dāng)時(shí)的我們班里曾有一位奇才，是外號“老蛇”的王志剛同學(xué)。老蛇本人極其聰明，學(xué)校的科創(chuàng)課題他沒幾天就做完了。當(dāng)時(shí)他還想再做點(diǎn)兒東西，最好是那種看得見、摸得著還用得上的東西。某天的黃昏，我們幾個(gè)留在學(xué)校的同學(xué)聚集在229寢室聊天，聊著聊著，話題聊到了計(jì)算機(jī)技術(shù)上。老蛇在高中就有一定計(jì)算機(jī)編程基礎(chǔ)（這在當(dāng)時(shí)很不容易）、當(dāng)時(shí)還擔(dān)當(dāng)著物理系學(xué)生機(jī)房首席管理員（相當(dāng)于后來的網(wǎng)管），不過，當(dāng)時(shí)的電子計(jì)算機(jī)還很稀罕，機(jī)房的管理老師肯定不會容許我們這些小本科生去隨便鼓搗那幾臺Solar機(jī)（一種PC兼容機(jī)，主頻8MHz，內(nèi)存640k，有兩個(gè)5吋360k的軟驅(qū)）的硬件，而純軟件編程，一時(shí)間也沒有啥值得做的好項(xiàng)目。這時(shí)，見多識廣的老蛇提出，其實(shí)是可以用單板機(jī)（代表型號是用Z-80 CPU的TP-801）做點(diǎn)兒硬件的。拿單板機(jī)能做什么？幾經(jīng)討論之后，我們決定利用定時(shí)/計(jì)數(shù)器功能做一個(gè)微秒級時(shí)間測量的儀表。

說起這個(gè)計(jì)時(shí)儀表，倒也是有非常現(xiàn)實(shí)的需求。前面我曾經(jīng)提到，里佐威老師曾經(jīng)在力熱實(shí)驗(yàn)中大膽引入了學(xué)生自選的探索性實(shí)驗(yàn)，我對“固體中的聲速測量”這個(gè)實(shí)驗(yàn)的印象尤其深刻。實(shí)驗(yàn)時(shí)我們發(fā)現(xiàn)用RC充放電進(jìn)行鋼棒與鋼板的接觸時(shí)間的辦法測量并不精確，就向老師申請換用數(shù)字毫秒計(jì)進(jìn)行計(jì)時(shí)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)在這個(gè)測量中儀器只能給出兩位數(shù)字，很不精準(zhǔn)，當(dāng)時(shí)就想，要是有一臺能進(jìn)行微秒級時(shí)間測量的儀表就好了。終于，這次我們可以自己來嘗試制作這樣一臺儀表了。

會談的次日，我們在做實(shí)驗(yàn)房間的角落里找到了一臺設(shè)備，上面恰好有一部TP-801單板機(jī)，但在一番鉆研之后，老蛇覺得這個(gè)單板機(jī)使用起來有很大難度。隨后幾天，他又泡圖書館查了些資料，回來和我們說，其實(shí)可以用集成度更高（PIO、CTC、SIO等硬件芯片等都和CPU一起集成在一個(gè)不大的芯片內(nèi)）的單片機(jī)來做這個(gè)項(xiàng)目，最終他選擇了當(dāng)時(shí)很風(fēng)靡的Intel MCS-51系列的8031單片機(jī)（這種系列的單片機(jī)目前也是入門首選）。

用單片機(jī)做，難度其實(shí)也不小。雖然與單板機(jī)相比，單片機(jī)芯片價(jià)格不算太貴，但卻必須要有一個(gè)專門的開發(fā)系統(tǒng)（現(xiàn)在這東西已經(jīng)是白菜價(jià)了，當(dāng)年的價(jià)格在1000元以上，大約相當(dāng)于我們20個(gè)月的伙食費(fèi)）。我們又在系內(nèi)展開了搜索，終于打聽到當(dāng)時(shí)核物理教研室的核電子學(xué)組有這種開發(fā)系統(tǒng)，當(dāng)時(shí)那里有老師在用單片機(jī)開發(fā)熔融指數(shù)儀等設(shè)備。在得到系里支持和里佐威老師的經(jīng)費(fèi)資助后，我們這個(gè)由學(xué)生自己攢起來的課題組就算成立了。

說干就干，老蛇從圖書館借來單片機(jī)的圖書資料，潛心鉆研單片機(jī)的硬件結(jié)構(gòu)和匯編語言編程，我的任務(wù)則是進(jìn)行外圍硬件電路設(shè)計(jì)，并協(xié)助他用面包板把這些電路“插”出來。聰明的老蛇極有效率，他用了不長的時(shí)間就學(xué)會了匯編語言編程，在暑假結(jié)束之前，我們就在面包板上完成了原理性實(shí)驗(yàn)，能夠用這個(gè)電路實(shí)現(xiàn)分辨率為2微秒（當(dāng)時(shí)用的6MHz晶振，12分頻使用）的時(shí)間測量。下面，又將面臨如何裝出一臺儀器的問題。

最開始，我們想弄一個(gè)類似于當(dāng)時(shí)的開發(fā)系統(tǒng)那樣的扁平盒子，把四聯(lián)的面包板連同上面的一堆集成塊、數(shù)碼管和單芯線一股腦塞進(jìn)去。不過這種工藝水平的東西，只能算個(gè)臨時(shí)的實(shí)驗(yàn)裝置，絕對算不上產(chǎn)品。雖然現(xiàn)在我也偶爾會在學(xué)校展示本科生科技創(chuàng)新課題的展板上看到類似很粗糙的東西，但即使在當(dāng)時(shí)，也還是希望追求完美的老蛇難以接受的。更重要的一點(diǎn)是面包板插出來的電路可靠性極差，輕微的震動都可能造成接觸不良，然后便會出現(xiàn)一些刁鉆古怪的異?，F(xiàn)象。

然而，在當(dāng)時(shí)如果采用手工繪制電路板的做法，即使是當(dāng)時(shí)在班里搞電路最強(qiáng)悍的班長徐玉朋都沒把握繪制出線寬很小、定位極其精準(zhǔn)的雙面印刷電路板（PCB）。但這個(gè)問題很快得到了解決，里佐威老師同意由他的實(shí)驗(yàn)室出資去采購最終裝機(jī)所用的元器件，并加工雙面極。當(dāng)然，這塊電路板是老蛇自學(xué)了一個(gè)SmartWork的PCB繪制軟件，用了一天一宿，一條線一條線、一個(gè)焊盤一個(gè)焊盤地畫出來的。雖然我們只做了一塊PCB，但最后還是花掉了150元（相當(dāng)于3個(gè)半月的伙食費(fèi)）。而這臺儀器所用的機(jī)箱，也是裴力老師從設(shè)備處廢舊儀器倉庫要來的一臺舊儀器的上拆下來的。電路板有了，元器件都齊了，最后的裝機(jī)工作很快也提到議事日程上來了。

在動手裝機(jī)方面，當(dāng)時(shí)我并沒有什么經(jīng)驗(yàn)和見識，所以微秒計(jì)的課題組必須擴(kuò)招，這次來的“新人”就是此前沒少參與討論，但因?yàn)楸仨毭刻熘凳卦O(shè)備無法分身的班長徐玉朋。徐玉朋出身礦區(qū)的工人家庭，他父親是個(gè)資深的業(yè)余無線電愛好者，常跟著父親動手做些東西，所以他的見識和動手能力遠(yuǎn)比我強(qiáng)悍得多。在隨后的裝機(jī)工作中，班長充分發(fā)揮了他在焊接、加工制作方面的優(yōu)勢，廢寢忘食努力工作，終于圓滿地完成了整機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和安裝調(diào)試的工作。隨著最后一個(gè)零件安裝完成，一張打印有“智能數(shù)字微秒計(jì)”字樣的打印紙條被用透明膠帶粘貼到班長用銼刀修整出的舊噴砂面板上，我們的這臺儀器宣告完工。

然而，這個(gè)在我眼中堪稱完美的研究成果，在學(xué)校的評獎中卻沒能得到太高的評價(jià)，最終無緣全國大學(xué)生“挑戰(zhàn)杯”競賽的展示和評獎，給我們這段激情燃燒的歲月留下了些許的遺憾。究其原因，雖然這臺儀器的實(shí)用性很強(qiáng)（此前力熱實(shí)驗(yàn)室大量裝備的都是以0.1毫秒分辨率的毫秒計(jì)，這臺儀器的分辨率是2微秒），但原理上的新穎性似乎不算太強(qiáng)，而這個(gè)作品表現(xiàn)出的完整的體系結(jié)構(gòu)和接近產(chǎn)品級的工藝水平，在當(dāng)時(shí)似乎并不是評委們所看重的。

不過，在這段研制智能數(shù)字微秒計(jì)的經(jīng)歷中，我個(gè)人的收獲頗豐。跟著老蛇，我開闊了視野，初窺單片機(jī)技術(shù)的門道；跟著班頭，我又學(xué)到了加工制作方面的很多知識。

責(zé)任編輯：曹曉晨