摘" " 要： 針對目前帶式輸送機張力檢測存在易損壞及準(zhǔn)確性和可靠性差的問題，提出了一種基于光纖傳感的帶式輸送機的張力檢測方法。將法珀腔傳感頭置于帶式輸送機張緊裝置的液壓回路中，液壓回路的壓力使法珀腔傳感頭的硅膜片產(chǎn)生形變，引起法珀腔傳感頭反射光變化；光電解調(diào)器光路接收法珀腔傳感頭的反射光后，經(jīng)光路解調(diào)后得到反射光譜，通過光電解調(diào)器電路的光電轉(zhuǎn)換、處理、分析后，得到反射光光譜的自由光譜范圍，再根據(jù)油缸內(nèi)部面積計算出帶式輸送機張力，實現(xiàn)了帶式輸送機張力檢測。根據(jù)雙干涉效應(yīng)原理設(shè)計了法珀腔傳感頭，采用Jetson Nano嵌入式系統(tǒng)開發(fā)板設(shè)計了光電解調(diào)器硬件，采用Python語言設(shè)計了光電解調(diào)器軟件，并進行了實驗研究。實驗結(jié)果表明：該方法能夠?qū)崿F(xiàn)帶式輸送機張力檢測，壓力測量范圍為0～25 MPa，靈敏度為0.148 nm/MPa，測量精度為0.1%，不易損壞，抗干擾性好，準(zhǔn)確性和可靠性高。

關(guān)鍵詞： 光纖傳感器；帶式輸送機；張力檢測；張緊油缸；法珀腔傳感頭；光電解調(diào)器

中圖分類號： TD76；TP212.44" " " " " " 文獻標(biāo)志碼： A" " " " " " " " 文章編號：" １６７１－０２４Ｘ（２０24）０4－００67－08

Tension detection technology of belt conveyor based on optical fiber sensor

MIAO Changyun， ZHANG Yufei

（School of Electronics and Information Engineering， Tiangong University， Tianjin 300387， China）

Abstract： A tension detection method of belt conveyor based on optical fiber sensing is proposed for the current problems of easy damage， poor accuracy and reliability of belt conveyor tension detection. The method is based on the principle of double interference effect by placing the Fabry Perot cavity sensor in the hydraulic circuit of the belt conveyor tensioning device， and the pressure of the hydraulic circuit causes deformation of the silicon diaphragm of the Fabry Perot cavity sensor， which causes changes in the reflected light of the Fabry Perot cavity sensor. After the optical demodulator optical circuit receives the reflected light from the Fabry Perot cavity sensing， the reflected spectrum is obtained after demodulation of the optical circuit， and the free spectral range of the reflected light spectrum is obtained through photoelectric conversion， processing and analysis of the photoelectric demodulator circuit， and then the belt conveyor tension is calculated according to the internal area of the cylinder， which realizes the belt conveyor tension detection. A Fabry Perot cavity sensor and an electro-optical demodulator are designed， and the software of the electro-optical demodulator is designed using Python language， and experimental studies are conducted. The experimental results show that the method can achieve belt conveyor tension detection with a pressure measurement range of 0-25 MPa， sensitivity of 0.148 nm/MPa， measurement accuracy of 0.1%， not easy to damage， good anti-interference， high accuracy and reliability.

Key words： optical fiber sensor； belt conveyor； tension test； tensioning cylinder； Fabry Perot cavity sensor； optical demodulator

帶式輸送機是一種現(xiàn)代化生產(chǎn)中連續(xù)運輸設(shè)備，具有運量大、運距遠、能耗小、運費低、效率高、運行平穩(wěn)、裝卸方便、適合于散料運輸?shù)葍?yōu)點，與汽車、火車一起成為三大主力工業(yè)運輸工具，已被廣泛應(yīng)用于煤炭、港口、電力、礦山、冶金、化工等領(lǐng)域[1-2]。由于帶式輸送機驅(qū)動力、帶速、物料流量變化以及安裝調(diào)整不當(dāng)?shù)仍?，會?dǎo)致輸送帶張力過大或過小[3-5]。當(dāng)張力過大時，造成輸送帶的塑性變形、斷帶、機架和電氣傳動裝置損壞等安全事故；當(dāng)張力過小時，輸送帶與驅(qū)動滾筒間摩擦力減小，造成打滑、滾筒包膠磨損，縮短滾筒和膠帶的使用壽命，降低物料運輸量，增加能耗，引起局部溫度升高，發(fā)生火災(zāi)安全事故。為了確保帶式輸送機安全可靠地運行，我國《智慧礦山信息系統(tǒng)通用技術(shù)規(guī)范》（GB/T 3467.9—2017）和《帶式輸送機工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》（GB50431—2020）要求對帶式輸送機進行張力保護。

目前，帶式輸送機張力檢測方法主要采用張力傳感器和壓力傳感器檢測。張力傳感器檢測法是將張力傳感器串聯(lián)在張緊裝置的張緊鋼絲繩中，實現(xiàn)張力檢測。這種方法易受到改向滾筒的震動影響，檢測準(zhǔn)確性差，易損壞，可靠性差[6-7]。楊小林等[8]設(shè)計了一種帶式輸送機永磁智能驅(qū)動系統(tǒng)，采用張力傳感器檢測帶式輸送機張力；揭施軍等[9]設(shè)計了帶式輸送機拉緊裝置，采用拉力傳感器檢測帶式輸送機張力。壓力傳感器檢測法是將壓力傳感器置于張緊裝置張緊油缸中，實現(xiàn)張力檢測，易損壞和受電磁干擾，準(zhǔn)確性和可靠性差[10-11]。張宏明等[12]設(shè)計了帶式輸送機液壓絞車自動張緊裝置，采用壓力變送器測量帶式輸送機張力；曾飛等[13]設(shè)計了基于LabVIEW的帶式輸送機動態(tài)特性參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)，采用壓力傳感器檢測帶式輸送機張力。

針對目前帶式輸送機張力檢測存在易損壞、準(zhǔn)確性和可靠性差的問題，本文提出一種基于光纖傳感的帶式輸送機的張力檢測方法，將法珀腔傳感頭置于帶式輸送機張緊裝置的液壓回路中，液壓回路的壓力使法珀腔傳感頭的硅膜片產(chǎn)生形變，引起法珀腔傳感頭反射光變化，通過光電解調(diào)器檢測反射光譜、光電轉(zhuǎn)換、處理與分析后，得到反射光光譜的自由光譜范圍，再根據(jù)油缸內(nèi)部面積計算出帶式輸送機張力，實現(xiàn)帶式輸送機張力檢測，具有不易損壞、抗干擾性好、測量精度高、準(zhǔn)確性好和可靠性高等優(yōu)點。

1 帶式輸送機張力檢測系統(tǒng)及光電解調(diào)器設(shè)計方案

基于光纖傳感的帶式輸送機張力檢測系統(tǒng)由光電解調(diào)器、法珀腔傳感頭、顯示屏和上位機等組成，其組成框圖如圖1所示。該系統(tǒng)采用雙干涉效應(yīng)原理，將法珀腔傳感頭置于帶式輸送機張緊裝置的液壓回路中，液壓回路的壓力使法珀腔傳感頭硅膜片產(chǎn)生形變，引起法珀腔傳感頭反射光變化，通過光電解調(diào)器檢測反射光譜、光電轉(zhuǎn)換、處理與分析后，得到反射光光譜的自由光譜范圍，再根據(jù)油缸內(nèi)部面積計算出帶式輸送機張力，實現(xiàn)帶式輸送機張力檢測，將檢測到的張力送給顯示屏，當(dāng)檢測到張力過大或過小時，通過報警器報警，并通過以太網(wǎng)將檢測的張力結(jié)果傳輸給上位機。

法珀腔傳感頭通過螺紋連接方式置入張緊裝置的液壓回路中，安裝示意圖如圖2所示。法珀腔傳感頭接收到光電解調(diào)器入射的光信號后在單模光纖端面和硅膜片內(nèi)表面產(chǎn)生反射光[14]，形成干涉，液壓回路壓力變化改變硅膜片形狀，引起法珀腔傳感頭反射光變化，將反射光傳輸給光電解調(diào)器。

光電解調(diào)器是由光路和電路組成，其組成框圖如圖3所示。其中，光源選用ASE寬帶光源，通過光環(huán)形器為法珀腔傳感頭提供光源；光環(huán)形器選用PIOC-3偏振無關(guān)三端環(huán)形器，用于正反向傳輸光的分離；陣列波導(dǎo)光柵選用型號為AAWG-C161C39G24-01的1×16型陣列波導(dǎo)光柵，用于分離法珀腔傳感頭反射光，得到反射光譜；光電轉(zhuǎn)換電路用于將陣列波導(dǎo)光柵輸出反射光譜信號轉(zhuǎn)換為電信號；調(diào)理電路用于對光電轉(zhuǎn)換電路輸出的電信號進行調(diào)整；A/D轉(zhuǎn)換電路用于將調(diào)理電路輸出的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號；主處理器模塊通過SPI接口獲取A/D轉(zhuǎn)換電路的數(shù)字信號，對光譜數(shù)據(jù)的處理、解調(diào)、張力計算，實現(xiàn)帶式輸送機張力檢測，將檢測到的張力信號送給顯示屏，當(dāng)檢測張力過大或過小時，通過報警器報警，并通過以太網(wǎng)將檢測張力的結(jié)果傳輸給上位機。

2 法珀腔傳感頭設(shè)計

2.1 法珀腔傳感頭原理

法珀腔傳感頭是檢測系統(tǒng)中傳感部件，由單模光纖、反射腔、硅膜片、樹脂外殼等構(gòu)成，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示。

將單模光纖插入到反射腔內(nèi)，光電解調(diào)器的入射光分別在單模光纖的端面和硅膜片的內(nèi)表面發(fā)生反射，由于硅膜片具有不透明性，入射光在硅膜片的內(nèi)表面不產(chǎn)生折射，因此兩束反射光形成雙干涉效應(yīng)[15]，兩束反射光光程差為

式中：n為反射腔中的空氣折射率；L為反射腔腔長。

設(shè)入射光波長為？姿，則兩束反射光的光程差之間的相位差可表示為

假設(shè)入射光譜分布為I0（？姿），光纖端面反射率為R1，硅膜片端面反射率為R2，法珀腔的反射光譜公式為：

由式（4）可知，反射光譜Ir（？姿）的大小不僅與腔長L和入射光的波長？姿有關(guān)，還與光纖端面反射率R1和硅膜片的反射率R2有關(guān)。當(dāng)R1、R2、？姿和I0（？姿）不變的情況下，因待測壓力使得硅膜片發(fā)生形變導(dǎo)致腔長發(fā)生變化，從而反射光Ir（？姿）也會發(fā)生改變，所以可以利用光纖法珀腔傳感頭輸出的光譜檢測出壓力的大小。

2.2 法珀腔傳感頭的制備

法珀腔傳感頭的制備流程如圖5所示。首先使用三維打印機打印樹脂外殼，樹脂外殼內(nèi)徑為500 μm，長度為15 mm；然后使用環(huán)氧樹脂膠將5 mm×5 mm×400 μm的硅片固定在樹脂外殼的端面上；最后使用纖徑為125 μm的單模光纖制造干涉儀，將單模光纖插入樹脂外殼中，并在纖維表面和硅膜片內(nèi)表面之間形成反射腔，完成對法珀腔傳感頭的制備。

2.3 法珀腔傳感頭仿真分析

假設(shè)反射腔中氣體的折射率n為1，入射光的中心波長？姿為1 550 nm，初始相位？準(zhǔn)0為0°，并假設(shè)兩面平面鏡的反射率的絕對值相同，即|R1| = |R2| = R，當(dāng)反射面的反射率R發(fā)生改變時，反射率與干涉圖案之間的關(guān)系如圖6所示。

假設(shè)反射腔中氣體的折射率n為1，入射光的入射波長在1 525～1 575 nm之間，初始相位？準(zhǔn)0為0°，反射率R為0.4，腔長與干涉圖案之間的關(guān)系如圖7所示。分析不同的腔長與干涉圖案之間的關(guān)系，由圖7可知隨著腔長L的增大，在1 525～1 575 nm的波長范圍內(nèi)，反射光譜的自由光譜范圍減小，由此可根據(jù)自由光譜范圍來解調(diào)。

2.4 法珀腔傳感頭實驗及結(jié)果分析

將法珀腔傳感頭通過螺紋連接的方式接入到手壓泵的液壓管路中，通過生料帶來保證液壓的密封性，使用手動液壓泵調(diào)節(jié)液壓管路中壓力的大小，采用HC-YS60液壓壓力表來測量實際液壓壓力。通過這種方式，可以在傳感頭上施加不同的液壓壓力，在常溫下對法珀腔傳感頭進行0～25 MPa的加壓測試，每5 MPa采集反射光譜進行分析[16]，隨著液壓壓力的增加，法珀腔傳感頭的壓力特性如圖8所示。

實驗結(jié)果表明，隨著壓力的增加，法珀腔傳感頭的硅膜片的形變量增加，使法珀腔傳感頭內(nèi)腔長L減小，使反射光譜的波長和強度都發(fā)生了變化。光譜數(shù)據(jù)中強度最小的波長之間的差在增大，即自由光譜范圍增大，與圖7中的仿真結(jié)果相吻合。

3 帶式輸送機張力計算

3.1 自由光譜范圍計算

對圖8分析，得出隨著壓力的增大反射光譜的自由光譜范圍在增大，因此本文通過求解法珀腔反射光譜中的自由光譜范圍與壓力之間的關(guān)系，求解出壓力大小，最終實現(xiàn)帶式輸送機張力的檢測。而法珀腔傳感頭的反射光譜在較窄的波長范圍內(nèi)，可以近似地認為是周期性的，光譜周期即自由光譜范圍FSR為常數(shù)[17]，即

因此通過獲取反射光譜中的頻率信息即可實現(xiàn)對反射光譜的解調(diào)，對0 MPa壓力下的反射光譜進行快速傅里葉變換，所獲得的頻譜圖像如圖9所示。

從圖9中可知，快速傅里葉變換獲得的反射光譜頻率信息分辨率較低，這是因為光譜儀分辨率較低，導(dǎo)致頻譜信息中的諧波分量較少。使用快速傅里葉變換獲得自由光譜范圍的方法要求光譜分辨率高，解調(diào)成本高，因此本文使用三角函數(shù)擬合的方法求解自由光譜范圍，假設(shè)反射光譜滿足：

采用最小二乘法求殘差為：

3.2 張力計算

張力的大小會影響輸送帶和滾筒間摩擦力和托輥間垂度，為保證帶式輸送機在啟動、運行和制動工況下保持穩(wěn)定，需要對光電解調(diào)器獲得的自由光譜范圍與壓力標(biāo)定并進行計算，獲得張力的大小。由于各個礦場中所采用的帶式輸送機型號參數(shù)的不同，以及張緊裝置中張緊油缸參數(shù)的不同，假設(shè)帶式輸送機張緊裝置如圖2所示，張緊油缸和液壓回路中無摩擦，無氣孔，無背壓，且張緊油缸中壓力處處相等；忽略輸送帶彈性、粘性阻尼和慣性[18]。張緊油缸中有效活塞直徑為D，張緊油缸中的液壓壓力為P，則張緊油缸輸出力方程為

輸送帶張力為

Ft = F（10）

4 光電解調(diào)器的設(shè)計

4.1 光電解調(diào)器的硬件設(shè)計

4.1.1 主處理器模塊設(shè)計

主處理器模塊是由主處理器電路、HDMI接口電路、GPIO擴展電路、以太網(wǎng)接口電路和電源電路等組成，其組成框圖如圖10所示。主處理器模塊選用Jet-son Nano高性能嵌入式開發(fā)平臺，具有4核64位ARM CPU和128核集成NVIDIA GPU，可提供472 GFLOPS的計算性能，且提供了基于Ubuntu 18.04的完整桌面Lin-ux環(huán)境，因此能夠以圖形化界面顯示帶式輸送機張力檢測系統(tǒng)中的內(nèi)容。

4.1.2 光電轉(zhuǎn)換電路設(shè)計

光電解調(diào)器采集到法珀腔傳感頭的反射光在光路中以光波的形式傳輸，光信號經(jīng)過光電轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換為電信號。本文選取PIN型光電二極管作為光電探測器，光電二極管有2種工作模式：光伏模式和光導(dǎo)模式。光電二級管工作在光伏模式下，不會流過任何暗電流，線性度和靈敏度達到最高，非常適合高精度測量應(yīng)用；光電二極管工作在光導(dǎo)模式下，響應(yīng)速度快，缺點是存在暗電流、高噪聲和線性度差。本文選取光電二級管的光伏模式作為光電轉(zhuǎn)換電路的工作模式。

4.1.3 調(diào)理電路設(shè)計

光電轉(zhuǎn)換電路將光信號轉(zhuǎn)換后的電信號仍為小信號，一般不能直接被A/D轉(zhuǎn)換電路采樣，因此需要設(shè)計具有放大功能的調(diào)理電路對該信號進行放大。本文采用LF353運算放大芯片設(shè)計調(diào)理電路，該芯片具有低輸入偏置電流、高輸入阻抗和高壓擺率等特點。

4.1.4 A/D轉(zhuǎn)換電路設(shè)計

A/D轉(zhuǎn)換電路將調(diào)理電路放大后的模擬電信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號。本文選用ADS1263模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片，ADS1263數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片擁有10通道32位高分辨率和38.4 kSPS的采樣速率，滿足光電解調(diào)器的采樣需求。ADS1263具有單端輸入和差分輸入2種配置模式，本文采用單端輸入模式，即將AVDD連接5 V，AVSS連接GND。

4.2 光電解調(diào)器的軟件設(shè)計

光電解調(diào)器使用Jetson Nano高性能嵌入式開發(fā)平臺，采用Python語言進行設(shè)計，其主程序流程圖如圖11所示。

主程序主要包含數(shù)據(jù)采集子程序，數(shù)據(jù)解調(diào)子程序和以太網(wǎng)通訊子程序。數(shù)據(jù)采集子程序通過SPI與A/D轉(zhuǎn)換電路通訊，實現(xiàn)對陣列波導(dǎo)光柵輸出的各通道光信號的強度數(shù)據(jù)采集；數(shù)據(jù)解調(diào)子程序?qū)⒉杉降臄?shù)據(jù)與預(yù)設(shè)的波長數(shù)據(jù)形成二維數(shù)組，解調(diào)后得到自由光譜范圍，計算出壓力大小和張力數(shù)值；張力監(jiān)控子程序負責(zé)將解調(diào)后的數(shù)據(jù)進行顯示并判斷，判斷張力是否存在過大或過小的情況控制報警器報警；以太網(wǎng)通訊子程序?qū)⒂脩粼谏衔粰C輸入的指令或解調(diào)程序計算的數(shù)據(jù)進行下發(fā)或上傳。

5 實驗及結(jié)果分析

5.1 實驗平臺搭建

基于光纖傳感的帶式輸送機張力檢測實驗平臺是由手動液壓泵、液壓回路、三通閥、數(shù)字壓力表、光環(huán)形器、陣列波導(dǎo)光柵、光源和光譜儀等構(gòu)成，其示意圖如圖12所示。通過手動液壓泵來調(diào)節(jié)液壓回路中的壓力大小來模擬帶式輸送機張緊裝置中張緊油缸中的壓力；通過HC-YS60數(shù)字液壓表來測量實際中液壓回路中的液壓壓力；將法珀腔傳感頭通過螺紋連接的方式接入到液壓回路中。光源發(fā)出的光信號經(jīng)過光環(huán)形器入射到法珀腔傳感頭中；法珀腔傳感器的反射光經(jīng)過光環(huán)形器入射到陣列波導(dǎo)光柵；通過光譜儀對陣列波導(dǎo)光柵的輸出光進行采集。

5.2 實驗結(jié)果及分析

通過光譜儀測量陣列波導(dǎo)光柵AWG分別輸出光譜各個通道與直接測量光環(huán)形器Port3光譜數(shù)據(jù)如圖13所示。

從圖13中可以看出，反射光經(jīng)過陣列波導(dǎo)光柵之后各通道的光譜數(shù)據(jù)與法珀腔傳感頭的反射光譜存在關(guān)系，因此通過多通道的陣列波導(dǎo)光柵能夠測量出反射光譜。采用16通道陣列波導(dǎo)光柵進行實驗測得的自由光譜范圍如圖14所示，16通道陣列波導(dǎo)光柵在25 ℃的測量范圍為1 546.133～1 558.192 nm ，各通道波長差？駐？姿 = 0.8 nm，由于其最大波長測量范圍為12.8 nm，小于2倍25 MPa壓力的自由光譜范圍，測量范圍內(nèi)不能完全表示出頻率信息，造成解調(diào)效果差，誤差過大。從法珀腔傳感頭的反射光譜中獲得1 542.937～1 560.614 nm范圍內(nèi)32個強度數(shù)據(jù)，來模擬32通道陣列波導(dǎo)光柵，其解調(diào)后的自由光譜范圍如圖14中所示，擬合直線參數(shù)如表1所示。

傳感器的靈敏度是判斷傳感器性能的重要指標(biāo)之一[19]，其中靈敏度為所測量到的光譜數(shù)據(jù)中自由光譜范圍變化量與壓力的比值，當(dāng)壓力與光譜中自由光譜范圍呈線性關(guān)系時，其靈敏度的大小為線性方程的斜率，即本文中所制備的光纖傳感器的靈敏度為0.148 nm/MPa。R2擬合優(yōu)度是指回歸直線對觀測值的擬合程度，R2的值越接近于1說明傳感器的線性度越好。本文提出的法珀腔傳感頭及其解調(diào)方法的線性度達到了0.995，線性度好。

傳感器的分辨率是指能夠測量到最小壓強變化，為避免測量過程中由于壓力表測量所帶來的測量誤差，連續(xù)測量0 MPa下的自由光譜范圍，取測量數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)差0.002 86 nm作為系統(tǒng)測量誤差[20]，得到傳感器所能測量的最小壓力為19 kPa，即傳感器的壓力分辨率為19 kPa。壓力測量精度為0.1%。

相比目前帶式輸送機采用的1%精度的GAD系列張力傳感器測量張力的方法，本文提出的光纖傳感的帶式輸送機張力檢測方法精度至少提高至0.1%。與采用電壓力傳感器測量帶式輸送機張力的方法相比，本文提出的張力檢測方法，具有抗電磁干擾、分辨率高、結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點，能夠滿足帶式輸送機在井下復(fù)雜環(huán)境中對張力的檢測。

6 結(jié) 論

本文提出了一種基于光纖傳感的帶式輸送機的張力檢測方法，該方法將法珀腔傳感頭置于帶式輸送機張緊裝置的液壓回路中，液壓回路的壓力使法珀腔傳感頭的硅膜片產(chǎn)生形變，引起法珀腔傳感頭反射光變化；光電解調(diào)器光路接收法珀腔傳感頭的反射光后，經(jīng)光路解調(diào)后得到反射光譜，通過光電解調(diào)器電路的光電轉(zhuǎn)換、處理、分析后，得到反射光光譜的自由光譜范圍，再根據(jù)油缸內(nèi)部面積計算出帶式輸送機張力，實現(xiàn)了帶式輸送機張力檢測。根據(jù)雙干涉效應(yīng)原理設(shè)計了法珀腔傳感頭，采用Jetson Nano嵌入式系統(tǒng)開發(fā)板設(shè)計了光電解調(diào)器硬件，采用Python語言設(shè)計了光電解調(diào)器軟件。實驗結(jié)果表明，該方法能夠?qū)崿F(xiàn)帶式輸送機張力檢測，壓力測量范圍0～25 MPa，靈敏度為0.148 nm/MPa，測量精度為0.1%，不易損壞，抗干擾性好，準(zhǔn)確性和可靠性高。

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本文引文格式：

苗長云， 張豫飛. 基于光纖傳感的帶式輸送機張力檢測技術(shù)研究[J]. 天津工業(yè)大學(xué)學(xué)報，2024， 43（4）： 67-74.

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收稿日期： 2022-11-24" " " " 基金項目： 國家自然科學(xué)基金面上項目（NSFC51274150）；天津市重點研發(fā)計劃科技支撐項目（18YFZCGX00930）

通信作者： 苗長云（1962— ），男，博士，教授，博士生導(dǎo)師，主要研究方向為光電檢測技術(shù)與系統(tǒng)。E-mail：miaochangyun@tiangong.edu.cn