科研的开端——忆大学时代的科技创新

　　我写下这篇文章，既是为了纪念20多年前自己走进实验室、开始科研工作的一段经历，同时也希望它能给那些打算或者已经下实验室做点事情的本科生们一点儿鼓励和启发。

　　课外科研小组

　　1991年7月，我是吉林大学物理系刚刚结束大二学习的一名本科生。期末考试前后，系辅导员通过班长传下话来，说在暑假期间系里会安排一些学生下实验室做些课外科研工作，取得成果者将去参加当年10月的“挑战杯”全国大学生课外科技活动竞赛。现在想想，当时的这种安排似乎有点儿临时抱佛脚的感觉，区区3个月时间，能做出啥东西来？要知道，如今的各种大学生科技创新计划项目可都是1年期的，而且还有国家级或者校级经费资助。当时我们倒是没有想这么多，20多个想参加这项活动的同学按照通知时间到系团委报到。很快，这些人大约被分成了10组，开始了课外科研工作。

　　当时老师们提出的课题是五花八门，既有科研项目中提取出来的小课题，也有教学研究课题。我和本班的樊文俊同学选择了“液芯光纤温度传感器”这个课题，指导老师是本系的里佐威老师和裴力老师。里佐威老师是我们大二《普通物理力热实验》课的主讲教师，他曾经搞过一次很大胆的创新，在开设实验课时打破了传统教学习惯，在必做的基本实验之外又开设了一批自选实验（这在今天已经不稀奇了，但在当时并不多见），允许学生分成若干小组利用一些单套实验设备进行研究型的实验，为此还增加了实验室的开放时间，所以给我们这届学生留下了异常深刻的好印象。因为希望我们能够在完成课题时做出个实际的样机，所以里老师安排他课题组的裴力老师来具体指导我们的实验工作。

　　我们所做的液芯光纤温度传感器的工作原理其实并不复杂，和我们常用的液体温度计（如水银温度计、酒精温度计）相似，也是利用液体受热后体积的膨胀，使进入毛细管的液柱长度随温度变化发生改变的原理进行测温的。不过，普通温度计所用的工作物质都是不透明但反光明显的汞，或者透明但已染色的液体，借助玻璃管的光学视角放大作用使细细的液柱液位变得更宽而易观察。

　　而我们要搞的这种液芯光纤温度传感器，虽然也是利用一个薄壁玻璃泡内盛一定量的液体进行感温，但普通温度计所用的那种硬质、厚壁细孔的玻璃毛细管被换成了可以弯曲的空心玻璃光纤，对所使用的感温工作物质也有特殊的要求，必须是苯、甲苯、吡啶和二硫化碳之类折射率大于玻璃的透明有机溶剂，这样才能让它在进入空心玻璃光纤时能够满足光传播条件。在观测温度变化时，这种传感器并不是直接观测液柱的长度，而是在液泡端头处用激光照射，使激光沿着液芯光纤传播，直至液芯的端点（与空气界面）处散射出来，形成一个很亮的光点。当温度发生变化时，这种液芯光纤的传光长度会发生单值的变化，如果在不同温度时对传感器的光点位置进行标定，利用光点的位置就能准确地指示温度。

　　各种捣鼓实验

　　事实上，此前里老师、裴老师和课题组的其他老师已经发明了液芯光纤的封装方法，并成功进行过这种传感器的原理性试验，这次是希望我们能够把它做成具有一定显示度的样机（这样也好拿去参赛）。所以，我们面临的问题，就变成如何把一个用氦氖激光器照明的简易实验装置变成一个小型化的、有一定应用价值的仪器样机？

　　我认为，要完成这个任务，首先需要把那个体积不小、当时价格不菲的氦氖激光器换掉，也就是说，必须寻找一个亮度足够的小型光源。为此，我去了长春工农大路西北段的“电子一条街”，并在一家公司的柜台上找到了我想要的东西——一种现在看起来很不稀奇，但当时还不太多见的高亮度发光二极管（LED）。与当时经常被用作指示灯的各种红色、绿色或黄色半透明封装的寻常发光二极管不同，这种发光二极管拥有一个透明的外壳，在通电后能发出刺眼的红光，我当即买了几个拿回了实验室。我们按照裴老师教的做法，封装了两根充苯的液芯光纤，在端头用高亮度LED光源进行了照明实验，效果挺好，在暗室中用肉眼可以很容易看到液芯顶端明亮的光点，用手一摸感温液泡，光斑会迅速向前移动，非常灵敏，初战告捷！

　　下一步，我们必须想办法做个样机，用这个传感器搞点儿控制。要进行控制，当然不能老用眼睛在小黑屋盯着光点的移动，必须找个探测元件替代人眼。我在自己当时还比较有限的电子元器件知识和资料中搜索了一番，决定用光电二极管试试。

　　买来光电二极管，串联一个电阻，后面加上一个LM324运算放大器做的比较器，接通电路，设置好参考电压，在密不透风的理化楼482房间“小黑屋”中，我们终于看到了光斑经过光电二极管探测器时LM324输出的变化。与此同时，我们也注意到了杂光和感应信号（当时手接触了电极）带来的干扰。我又去手头的资料中寻找这个问题的解决方案，很快想到可以利用LM567音频锁相环进行调制解调来抑制噪声，不过这个方案太复杂了，成本也偏高，所以最后并没采用。

　　在使探测器“看到”光点以后，如何把它用于温度的控制呢？参考水银电接点温度计的工作原理，我们决定让光电二极管探测器“埋伏”在光点必经之路上，待其通过时“采取行动”。这次我们选择的是《电子线路》课上讲过的时序逻辑电路——D触发器，用光斑经过时运放（做比较器用，实际是个整形电路）输出端产生的电脉冲作为时钟信号让74LS74触发器翻转，产生的高低电平逻辑信号经过电流放大后推动后面继电器工作，以实现温度控制。这个实验做得比较成功。至此，我们的液芯光纤温度传感器的原理性问题已经得到了解决，剩下的就是怎样做样机了。

　　在组装样机阶段，我们这个课题组成员也各显神通。为了拼凑装样机必备的机壳等材料（现在很容易买到的各种塑料和金属机壳，当时可不好买，而且很贵），裴老师在本系找了很多实验室仍未有所获，最后在设备处的报废仪器仓库里要出来3台旧仪器，拆下机壳来用。樊文俊同学是长春拖拉机厂的子弟，传感器的探测器外壳（圆盘形的塑料壳）以及有机玻璃表盘由他回家去找人加工。电路板的绘制和腐蚀，则由我亲自操刀，为此我的一件灰白色的夹克衫永久地染上了三氯化铁红褐色的印记。

　　一阵忙碌过后，样机已经初具规模，经过调试已经可以稳定工作了。1991年9月底，我和樊文俊带着组装好的仪器以及用来演示控温效果的加热器（头天晚上从近代物理实验室借来的一个电吹风）参加了校内评奖答辩，结果被评为校级一等奖，被学校推荐参加当年10月底在浙江大学举办的“挑战杯”大学生课外科技活动竞赛的展会和评奖。为此，我们又忙碌了大半个月。在这个过程中，在指导老师的帮助下，我将我们的科研成果雕琢成了一篇小的学术论文（该文次年发表在《大学科技》杂志上）。

　　后来因为经费紧张，我和文俊同学没能亲自去杭州参赛，但最终我们的成果还是被评为鼓励奖（当时的规则是前20%获得一、二、三等奖，20%~60%获鼓励奖）。

　　和老蛇一起研究单片机

　　在那个暑假，最初我们年级有10个组拿到课题，但最后坚持做完的只有3个组，其中一个还是我们自己在寝室吃过晚饭后侃大山自由组合出来、最初阶段并没有导师指导的课题组。

　　话说当时的我们班里曾有一位奇才，是外号“老蛇”的王志刚同学。老蛇本人极其聪明，学校的科创课题他没几天就做完了。当时他还想再做点儿东西，最好是那种看得见、摸得着还用得上的东西。某天的黄昏，我们几个留在学校的同学聚集在229寝室聊天，聊着聊着，话题聊到了计算机技术上。老蛇在高中就有一定计算机编程基础（这在当时很不容易）、当时还担当着物理系学生机房首席管理员（相当于后来的网管），不过，当时的电子计算机还很稀罕，机房的管理老师肯定不会容许我们这些小本科生去随便鼓捣那几台Solar机（一种PC兼容机，主频8MHz，内存640k，有两个5吋360k的软驱）的硬件，而纯软件编程，一时间也没有啥值得做的好项目。这时，见多识广的老蛇提出，其实是可以用单板机（代表型号是用Z-80CPU的TP-801）做点儿硬件的。拿单板机能做什么？几经讨论之后，我们决定利用定时/计数器功能做一个微秒级时间测量的仪表。

　　说起这个计时仪表，倒也是有非常现实的需求。前面我曾经提到，里佐威老师曾经在力热实验中大胆引入了学生自选的探索性实验，我对“固体中的声速测量”这个实验的印象尤其深刻。实验时我们发现用RC充放电进行钢棒与钢板的接触时间的办法测量并不精确，就向老师申请换用数字毫秒计进行计时，结果发现在这个测量中仪器只能给出两位数字，很不精准，当时就想，要是有一台能进行微秒级时间测量的仪表就好了。终于，这次我们可以自己来尝试制作这样一台仪表了。

　　会谈的次日，我们在做实验房间的角落里找到了一台设备，上面恰好有一部TP-801单板机，但在一番钻研之后，老蛇觉得这个单板机使用起来有很大难度。随后几天，他又泡图书馆查了些资料，回来和我们说，其实可以用集成度更高（PIO、CTC、SIO等硬件芯片等都和CPU一起集成在一个不大的芯片内）的单片机来做这个项目，最终他选择了当时很风靡的IntelMCS-51系列的8031单片机（这种系列的单片机目前也是入门首选）。

　　用单片机做，难度其实也不小。虽然与单板机相比，单片机芯片价格不算太贵，但却必须要有一个专门的开发系统（现在这东西已经是白菜价了，当年的价格在1000元以上，大约相当于我们20个月的伙食费）。我们又在系内展开了搜索，终于打听到当时核物理教研室的核电子学组有这种开发系统，当时那里有老师在用单片机开发熔融指数仪等设备。在得到系里支持和里佐威老师的经费资助后，我们这个由学生自己攒起来的课题组就算成立了。

　　说干就干，老蛇从图书馆借来单片机的图书资料，潜心钻研单片机的硬件结构和汇编语言编程，我的任务则是进行外围硬件电路设计，并协助他用面包板把这些电路“插”出来。聪明的老蛇极有效率，他用了不长的时间就学会了汇编语言编程，在暑假结束之前，我们就在面包板上完成了原理性实验，能够用这个电路实现分辨率为2微秒（当时用的6MHz晶振，12分频使用）的时间测量。下面，又将面临如何装出一台仪器的问题。

　　最开始，我们想弄一个类似于当时的开发系统那样的扁平盒子，把四联的面包板连同上面的一堆集成块、数码管和单芯线一股脑塞进去。不过这种工艺水平的东西，只能算个临时的实验装置，绝对算不上产品。虽然现在我也偶尔会在学校展示本科生科技创新课题的展板上看到类似很粗糙的东西，但即使在当时，也还是希望追求完美的老蛇难以接受的。更重要的一点是面包板插出来的电路可靠性极差，轻微的震动都可能造成接触不良，然后便会出现一些刁钻古怪的异常现象。

　　然而，在当时如果采用手工绘制电路板的做法，即使是当时在班里搞电路最强悍的班长徐玉朋都没把握绘制出线宽很小、定位极其精准的双面印刷电路板（PCB）。但这个问题很快得到了解决，里佐威老师同意由他的实验室出资去采购最终装机所用的元器件，并加工双面极。当然，这块电路板是老蛇自学了一个SmartWork的PCB绘制软件，用了一天一宿，一条线一条线、一个焊盘一个焊盘地画出来的。虽然我们只做了一块PCB，但最后还是花掉了150元（相当于3个半月的伙食费）。而这台仪器所用的机箱，也是裴力老师从设备处废旧仪器仓库要来的一台旧仪器的上拆下来的。电路板有了，元器件都齐了，最后的装机工作很快也提到议事日程上来了。

　　在动手装机方面，当时我并没有什么经验和见识，所以微秒计的课题组必须扩招，这次来的“新人”就是此前没少参与讨论，但因为必须每天值守设备无法分身的班长徐玉朋。徐玉朋出身矿区的工人家庭，他父亲是个资深的业余无线电爱好者，常跟着父亲动手做些东西，所以他的见识和动手能力远比我强悍得多。在随后的装机工作中，班长充分发挥了他在焊接、加工制作方面的优势，废寝忘食努力工作，终于圆满地完成了整机结构设计和安装调试的工作。随着最后一个零件安装完成，一张打印有“智能数字微秒计”字样的打印纸条被用透明胶带粘贴到班长用锉刀修整出的旧喷砂面板上，我们的这台仪器宣告完工。

　　然而，这个在我眼中堪称完美的研究成果，在学校的评奖中却没能得到太高的评价，最终无缘全国大学生“挑战杯”竞赛的展示和评奖，给我们这段激情燃烧的岁月留下了些许的遗憾。究其原因，虽然这台仪器的实用性很强（此前力热实验室大量装备的都是以0.1毫秒分辨率的毫秒计，这台仪器的分辨率是2微秒），但原理上的新颖性似乎不算太强，而这个作品表现出的完整的体系结构和接近产品级的工艺水平，在当时似乎并不是评委们所看重的。

　　不过，在这段研制智能数字微秒计的经历中，我个人的收获颇丰。跟着老蛇，我开阔了视野，初窥单片机技术的门道；跟着班头，我又学到了加工制作方面的很多知识。

　　文/吕喆