理论物理引领振弦传感技术新方向

张晗

他曾是一位普通的物理教师，却成为了山东科技大学“测试计量技术及仪器”硕士点学科带头人，获得国家中青年有突出贡献专家称号及中国工程院院士提名；他协助院士创建了矿山压力研究所，又创建了仪器仪表研究所，研发了大量先进的振弦式传感器和仪器，为国家培养了一批科技人才，为祖国建设注入了新的力量；他退休后更发挥余热，为企业开发多项国际首创新产品，获六项发明专利；他就是成功突破传统技术框架、创建《邓氏振弦传感技术》的邓铁六教授。

半生科研教学路，硕果丰腴

1958年，毕业于武汉大学物理系基本粒子研究生的邓铁六，由于家庭及政治运动影响，被分配到新建的山东煤矿学院（山东科技大学前身）任物理教师。这个打击是很大的。由于对马列主义毛泽东思想的信仰，对辩证唯物论的确认，受新中国初期好政策的感召，他没有丝毫消沉，不能再从事自己喜欢的理论物理研究，就积极学习转行到国家很需要的电子应用技术。1971年至1975年间，深入到煤矿、冶金矿山，边学边干，帮助解决自动化问题，同时培养矿需人才。得到现场领导好评，引起学院领导重视。1978年被调往矿山压力研究所，后任副所长主持煤矿矿压监测仪表研究开发。为防治煤矿顶板灾害，实现安全高效生产，配合所长宋振骐老师，参予创立山东矿院实用矿山压力理论体系，研制成功一系列先进有效的矿压检测仪和监测预报系统，共同承担难采工程项目，十多年共同完成国家和部级项目十余项，在监测预报系统和顶板检测实践方面达到了国际先进水平，推广应用取得了良好的社会效益和经济效益，对防治顶板灾害、促进安全生产做出了突出贡献。获国家科技进步二等奖和煤炭部科技进步一等奖各一项。所长和他均晋升教授，所长还被选为中科院学部委员（院士） ，他被授予国家中青年有突出贡献专家、全国煤炭工业劳动模范，享受国务院政府特殊津贴。

邓铁六教授研发矿压监测仪表，将岩土工程大量使用尚不完善的振弦式传感器技术引进到煤矿并着力发展，从理论物理角度出发，创造性地创建了《邓氏振弦传感技术》基础：（1） 在振弦式传感器传统数学模型的基础上，提出通用精确数学模型及确定振弦式传感器两个常数A、B的方法，应用引进的先进电子计算器编程由频率计算待测物理量（如载荷、压力、位移等），达到简便、快速、准确（精度较传统数学模型提高近一个数量级）。为应用计算机自动快速准确处理数据打下基础。（2） 设计了测量支柱载荷的振弦式传感器系列及测量顶底板移近量、移近速度的振弦式顶板动态传感器。（3） 提出弱激发原理，消除了长电缆对测得频率的影响；解决了各个钢弦激发电路获得频率不一致问题；以及显著减小了频率波动。进一步提高了仪器、系统的精度和分辨率。（4） 应用多倍周期快速准确测频率方法采集数据。（5） 在上述基础上研制成功振弦式便携、遥测以及计算机多点多参数矿压监测预报系统三代新产品。

他创建仪器仪表研究所并担任所长期间，一方面进一步发展应用振弦传感技术，承担煤炭部重点项目，完成振弦式支架工况地面监测系统，鉴定评为国际先进水平；完成振弦式箕斗煤量称重仪，为国家级新产品，获山东省科技进步三等奖；力变换式《钢弦力传感器》和《单线圈电流型振弦传感器与激发器》获发明专利。力-液压-力转换结构为大量程高准确度振弦传感器开辟了道路。另一方面，他牵头申办了山东省和煤炭部第一个<测试计量技术及仪器>硕士点，亲自为我国培养了一批高新人才，包括硕士11名，其中7名到重点大学攻读博士，大都晋升教授、高工，成为教学科研骨干。其中年龄最小的硕士读了同济大学博士，留上海中科院微系统研究所工作，并成为神七释放的卫星项目负责人，获得国家科技进步二等奖，进入科技万人工程，很有培养前途。

这期间，邓教授特别忙，但还是与两名学生合作出版了专著《谐振式传感器理论及测试技术》，发表了多篇论文，向业界介绍了他们在振弦传感技术方面取得的进展。

退休参与产业，推动经济发展

邓教授于1999年退休。2000年研制成功力-液压转换式锚索测力传感器，获发明专利。2001年，山东科大决定将邓教授振弦传感技术成果产业化，于是他先后受聘于泰安洛赛尔传感技术有限公司、山东交润交通科技有限公司、山东省尤洛卡自动化仪表有限公司和山东交润交通科技有限公司。期间，他重点开发了振弦式锚索测力仪和振弦式动态汽车称重系统等产品。在大量程高性能振弦式测力仪和动态汽车称重方面取得了突破性发展，达到国际先进水平。例如，为上海建筑科学院研制量程400t、误差<0.1%FS振弦式锚索测力仪，用于上海磁悬浮列车轨道梁预应力施加设备的标定，中国德国监理认可，发挥重要作用；为北京石油装备公司研制三台深井测量仪，配用进口振弦式传感器，可测石油钻井6000米深处的原油压力和温度；提出高准确度振弦传感器工作膜设计方法，研制成功“H型大台阶工作膜《高准确度振弦压力传感器》”，获发明专利。与山东济菏高速公路有限公司合作，对动态汽车衡的物理模型进行理论研究，创新开发《分体式小秤台动态车辆称重系统》，获国家计量器具型式批准证书以及两项专利，达到国际先进水平；“两体式三角形动态汽车衡”获国家发明专利；完成公司原产品《双台面振弦式动态汽车称重检测仪》的全面改进，获两项实用新型专利，销39套，价500万元。

邓教授还与人合作研制成功“微摩擦阻力的力-液压转换装置”，并将它与高准确度振弦压力传感器组合成振弦测力称重传感器，其特征是：量程大（0-500t），精度高（0.1%FS），成本低，易系列化，合格率几乎100%。正积极寻找有实力的合作伙伴，争取将《邓氏振弦传感技术》推广应用于大量程高精度测力称重以及低频动态测量。

理论物理指导创新 精神可嘉

从提出振弦式传感器通用精确数学模型，到高准确度振弦式压力传感器发明专利，到力-液压转换式测力称重传感器，突破了振弦式传感器和仪器的传统技术框架，向着大量程高精度低成本高合格率的方向推进了一大步；随着高性能弱激发钢弦激发电路的诞生、多倍周期快速准确测频电路的成熟，采样频率已达400Hz，可满足振弦式动态汽车称重的技术要求，同时自然证明振弦技术可用于低频动态测量。经过30余年的潜心研究，邓铁六教授的创新从这两个方面拓宽了磁性钢弦振弦传感技术的应用范围，前景可观。对于非磁性弦高精度高稳定性电流型振弦传感器系列来说，至少邓氏数学模型是可以借用的。

邓教授之所以能取得这种突破和成就，既与他喜欢深入探索的性格有关，更与他有研究理论物理扎实基础分不开。一些实际技术难题，他从数理原理出发逐步弄清根源，找到有效解决办法。

例如振弦传感器数学模型，1980年，他在初次用以拟合振弦传感器校准曲线时，发现误差较大，一般>1%FS。那时国内外人们都把该模型当作金科玉律，认为传感器就是这个水平，已经不错了；他却从校准曲线都是光滑的抛物线，看出该模型的缺陷在于缺少频率的一次方项，因此有许多抛物线不能用它准确描写，即用它拟合误差偏大。寻找精确的数学模型，有两种途径：其一，认为式中K是的函数，寻找此函数，得；还有人直接提出多项式模型；其二，邓教授发现，依据两条合理假设可推导出该模型，而K是一个与钢弦长度、密度、应力及传感器结构相关的常数，由此提出修正模型。而后从数学分析和大量实验数据检验确定，唯有邓氏模型兼有下述三项特征：（1） 拟合准确，比原模型误差小近一个数量级，即误差小五倍以上；（2） 可实现调零去皮，适用于衡器称重；（3） 隐含零点温漂修正，对于好材料热处理好老化合格已达稳定的传感器，在相当宽广的温度范围内，只要能事先调零测量即准确，不需加软硬件温度补偿。特别适合衡器使用。因此，邓氏模型是现有振弦式传感器数学模型中最好的一个，对振弦式传感器的推广应用有重要价值。同时，那两条合理假设，其一是解决钢弦激发电路问题，提出弱激发原理的基础；其二是设计高精度振弦式传感器的指导原则。

由此可见，理论物理指导，理论联系实际，精心实践检验，锲而不舍，几十年如一日地进行探索，是邓教授创建《邓氏振弦传感技术》取得成功的原因所在，精神可嘉。

产业化遇到困难，诚邀有实力的合作伙伴。如今该技术已在两家小公司推广应用，但缺实力不成气候。因此，邓教授诚邀有实力的合作伙伴，共同应用《邓氏振弦传感技术》开发各种新产品，实现科技成果产业化。我们期待着这一技术更好的为祖国的经济建设献力，期待邓教授的科研之路更加辉煌。endprint