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(dòng)。指導(dǎo)的博士生3人獲得教育部博士生學(xué)術(shù)新人獎(jiǎng)，2人獲哈爾濱工業(yè)大學(xué)優(yōu)秀博士學(xué)位論文獎(jiǎng)，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(jiǎng)；指導(dǎo)的大學(xué)生科創(chuàng)項(xiàng)目5次獲得校級(jí)一等獎(jiǎng)。

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(lì)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(guò)班長(zhǎng)傳下話來(lái)，說(shuō)在暑假期間系里會(huì)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(guó)大學(xué)生課外科技活動(dòng)競(jìng)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(lái)？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(guó)家級(jí)或者校級(jí)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(dòng)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(lái)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(guò)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(lái)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(zhǎng)度隨溫度變化發(fā)生改變的原理進(jìn)行測(cè)溫的。不過(guò)，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(duì)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(cè)溫度變化時(shí)，這種傳感器并不是直接觀測(cè)液柱的長(zhǎng)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(lái)，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(zhǎng)度會(huì)發(fā)生單值的變化，如果在不同溫度時(shí)對(duì)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(guò)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(wèn)題，就變成如何把一個(gè)用氦氖激光器照明的簡(jiǎn)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(shuō)，必須尋找一個(gè)亮度足夠的小型光源。為此，我去了長(zhǎng)春工農(nóng)大路西北段的“電子一條街”，并在一家公司的柜臺(tái)上找到了我想要的東西——一種現(xiàn)在看起來(lái)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(huì)迅速向前移動(dòng)，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(dòng)，必須找個(gè)探測(cè)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(shí)和資料中搜索了一番，決定用光電二極管試試。

買來(lái)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(guò)光電二極管探測(cè)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(hào)（當(dāng)時(shí)手接觸了電極）帶來(lái)的干擾。我又去手頭的資料中尋找這個(gè)問(wèn)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(lái)抑制噪聲，不過(guò)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(cè)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(cè)器“埋伏”在光點(diǎn)必經(jīng)之路上，待其通過(guò)時(shí)“采取行動(dòng)”。這次我們選擇的是《電子線路》課上講過(guò)的時(shí)序邏輯電路——D觸發(fā)器，用光斑經(jīng)過(guò)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(hào)讓74LS74觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)，產(chǎn)生的高低電平邏輯信號(hào)經(jīng)過(guò)電流放大后推動(dòng)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(wèn)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(cāng)庫(kù)里要出來(lái)3臺(tái)舊儀器，拆下機(jī)殼來(lái)用。樊文俊同學(xué)是長(zhǎng)春拖拉機(jī)廠的子弟，傳感器的探測(cè)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(guò)后，樣機(jī)已經(jīng)初具規(guī)模，經(jīng)過(guò)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(lái)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(lái)的一個(gè)電吹風(fēng)）參加了校內(nèi)評(píng)獎(jiǎng)答辯，結(jié)果被評(píng)為校級(jí)一等獎(jiǎng)，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(dòng)競(jìng)賽的展會(huì)和評(píng)獎(jiǎng)。為此，我們又忙碌了大半個(gè)月。在這個(gè)過(guò)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(lái)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(píng)為鼓勵(lì)獎(jiǎng)（當(dāng)時(shí)的規(guī)則是前20%獲得一、二、三等獎(jiǎng)，20%～60%獲鼓勵(lì)獎(jiǎng)）。

和老蛇一起研究單片機(jī)

在那個(gè)暑假，最初我們年級(jí)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(guò)晚飯后侃大山自由組合出來(lái)、最初階段并沒有導(dǎo)師指導(dǎo)的課題組。

話說(shuō)當(dāng)時(shí)的我們班里曾有一位奇才，是外號(hào)“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(lái)的網(wǎng)管），不過(guò)，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(huì)容許我們這些小本科生去隨便鼓搗那幾臺(tái)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(shí)廣的老蛇提出，其實(shí)是可以用單板機(jī)（代表型號(hào)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(jí)時(shí)間測(cè)量的儀表。

說(shuō)起這個(gè)計(jì)時(shí)儀表，倒也是有非?，F(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(duì)“固體中的聲速測(cè)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(cè)量并不精確，就向老師申請(qǐng)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(cè)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(tái)能進(jìn)行微秒級(jí)時(shí)間測(cè)量的儀表就好了。終于，這次我們可以自己來(lái)嘗試制作這樣一臺(tái)儀表了。

會(huì)談的次日，我們?cè)谧鰧?shí)驗(yàn)房間的角落里找到了一臺(tái)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(lái)有很大難度。隨后幾天，他又泡圖書館查了些資料，回來(lái)和我們說(shuō)，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(lái)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(lái)的課題組就算成立了。

說(shuō)干就干，老蛇從圖書館借來(lái)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(yǔ)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(lái)。聰明的老蛇極有效率，他用了不長(zhǎng)的時(shí)間就學(xué)會(huì)了匯編語(yǔ)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(cè)量。下面，又將面臨如何裝出一臺(tái)儀器的問(wèn)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(guò)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(duì)算不上產(chǎn)品。雖然現(xiàn)在我也偶爾會(huì)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(lái)的電路可靠性極差，輕微的震動(dòng)都可能造成接觸不良，然后便會(huì)出現(xiàn)一些刁鉆古怪的異常現(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(zhǎng)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(wèn)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(gòu)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(lái)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(tái)儀器所用的機(jī)箱，也是裴力老師從設(shè)備處廢舊儀器倉(cāng)庫(kù)要來(lái)的一臺(tái)舊儀器的上拆下來(lái)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(lái)了。

在動(dòng)手裝機(jī)方面，當(dāng)時(shí)我并沒有什么經(jīng)驗(yàn)和見識(shí)，所以微秒計(jì)的課題組必須擴(kuò)招，這次來(lái)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(wú)法分身的班長(zhǎng)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(wú)線電愛好者，常跟著父親動(dòng)手做些東西，所以他的見識(shí)和動(dòng)手能力遠(yuǎn)比我強(qiáng)悍得多。在隨后的裝機(jī)工作中，班長(zhǎng)充分發(fā)揮了他在焊接、加工制作方面的優(yōu)勢(shì)，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(zhǎng)用銼刀修整出的舊噴砂面板上，我們的這臺(tái)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(píng)獎(jiǎng)中卻沒能得到太高的評(píng)價(jià)，最終無(wú)緣全國(guó)大學(xué)生“挑戰(zhàn)杯”競(jìng)賽的展示和評(píng)獎(jiǎng)，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(tái)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(tái)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(jí)的工藝水平，在當(dāng)時(shí)似乎并不是評(píng)委們所看重的。

不過(guò)，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(shí)。

責(zé)任編輯：曹曉晨