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电子世界,电气时代--电气成就世界,电气创造未来!

2018-06-14 01:36   来源:未知

  

电气工程(Electrical Engineering 简称EE)是现代科技领域中的核心学科之一,更是当今高新技术领域中不可或缺的关键学科。例如正是电子技术的巨大进步才推动了以计算机网络为基础的信息时代的到来,并将改变人类的生活工作模式等等。 从某种意义上讲,电气工程的发达程度代表着国家的科技进步水平。正因为此,电气工程的教育和科研一直在发达国家大学中占据十分重要的地位。 1870年以后的第二次工业革命(Second Industrial Revolution),科学技术的发展突飞猛进,各种新技术、新发明层出不穷,并被迅速应用于工业生产,大大促进了经济的发展,对人类的文明产生了深远的影响,这次工业革命就是以电力的广泛应用为标志的! 电气工程是一种涉及电学与电磁学的研究与应用的工程技术。也有人将电机工程与电子工程统称为电气工程。美国主要大学电气工程学科的教学与科研领域简要归纳为11个方向:它们是通讯与网络,计算机科学与工程,信号处理,系统控制,电子学与集成电路,光子学与光学,电力,电磁学,微结构(Microstructure),材料与装置,生物工程。 也有学者认为电力系统及其自动化、输配电工程、高电压与绝缘技术、供用电技术、继电保护、远动系统通讯、电机、电力电子、电工理论与新技术、电力传动、变频传动是当前电气工程的几大研究方向。电能量的存储,自然界能量向可利用电能的转换,节能技术的深入研究,也是电气工程的方向。 美国斯坦福大学教授指出:今天的电气工程涵盖了几乎所有与电子、光子有关的工程行为。本领域知识宽度的巨大增长,要求我们重新检查甚至重新构造电气工程的学科方向、课程设置及其内容,以便使电气工程学科能有效地回应学生的需求、社会的需求、科技的进步和动态的科研环境。 今后若干年内对电气工程发展影响最大的主要因素包括: 1、信息技术的决定性影响。信息技术广泛地定义为包括计算机、世界范围高速宽带计算机网络及通讯系统,以及用来传感、处理、存储和显示各种信息等相关支持技术的综合。信息技术对电气工程的发展具有特别大的支配性影响。信息技术持续以指数速度增长在很大程度上取决于电气工程中众多学科领域的持续技术创新。反过来,信息技术的进步又为电气工程领域的技术创新提供了更新更先进的工具基础。 2、与物理科学的相互交叉面拓宽。 由于三极管的发明和大规模集成电路制造技术的发展,固体电子学在20世纪的后50年对电气工程的成长起到了巨大的推动作用。电气工程与物理科学间的紧密联系与交叉仍然是今后电气工程学科的关键,并且将拓宽到生物系统、光子学、微机电系统(MEMS)。21世纪中的某些最重要的新装置、新系统和新技术将来自上述领域。 3、快速变化。技术的飞速进步和分析方法、设计方法的日新月异,使得我们必须每隔几年对工程问题的过去解决方案重新全面思考或审查。这对我们如何聘用新的教授,如何培养我们的学生有很大影响。 在当今中国大陆电气工程研究的十大热门方向分别是:1.PLC(可编程控制器);2.NC(数控技术);3.CAM(计算机辅助制造);4.ROBOT(机器人技术);5.单片机;6.变频器;7.步进电机;8.触控屏幕;9.LED;10.LCD等十大元件模块! 其中PLC技术,NC技术,CAM技术和ROBOT技术是当今工业生产自动化的四大支柱!电气工程研究的这十大热门方向也是优秀电气工程师必须熟练掌握的核心技能! 1.机器人(Robot)是自动执行工作的机器装置。它既可以接受人类指挥,又可以运行预先编排的程序,也可以根据以人工智能技术制定的原则纲领行动。它的任务是协助或取代人类工作的工作,例如生产业、建筑业,或是危险的工作。 实用上,机器人是自动执行工作的机器装置。机器人可接受人类指挥,也可以执行预先编排的程序,也可以根据以人工智能技术制定的原则纲领行动。机器人执行的是取代或是协助人类工作的工作,例如制造业、建筑业,或是危险的工作。 机器人可以是高级整合控制论、机械电子、计算机、材料和仿生学的产物。目前在工业、医学甚至军事等领域中均有重要用途。 一个机器人可以包括一个感觉与动作之间的连结,而且这个连结不是由人类直接控制的。机器人的动作也许是电动机或是驱动器(也称效应器)移动一只手臂,张开或关闭一个夹子的动作。此种直接而详尽的控制跟回馈也许是由在外部或是嵌入式的电子计算机或是微控制器上运行的程序提供。根据这个定义,所有的自动装置都算机器人。 另一方面,机器人也泛指“机器构成的人”,或是像动物的自动机器。真实的或虚构的机器都包括在内。机器人也泛指在工作或娱乐中直接取代人类或动物的机器。机器人的这个意思就是“仿生(模仿生物)的机器”。很少有人将一台高度复杂的现代洗衣机称为机器人,也许就是因为此机器不够拟人。 还有些人只将高度自动的机器或者计算机程序称为机器人。这种分法排除了大部分的机器。机器人以及人工智能研究的目标一直是不断提高自动的程度。 虽然人们常期望高度精密的机器人,机器人的基本元素其实十分简单。结合多种电子计算机与电机系统就能表现出相当的精密性。 2.单片机即单片微型计算机,是把中央处理器、存储器、定时/计数器、输入输出接口都集成在一块集成电路芯片上的微型计算机。与应用在个人电脑中的通用型微处理器相比,它更强调自供应(不用外接硬件)和节约成本。它的最大优点是体积小,可放在仪表内部,但存储量小,输入输出接口简单,功能较低。由于其发展非常迅速,旧的单片机的定义已不能满足,所以在很多应用场合被称为范围更广的微控制器,但是目前在中国大陆仍多沿用“单片机”的称呼。 3.LED是 Light Emitting Diode 的缩写,中文名字发光二极管,是一种半导体元件。初时多用作为指示灯、显示板等;随著白光LED的出现,也被用作照明。它被誉为21世纪的新型光源,具有效率高,寿命长,不易破损等传统光源无法与之比较的优点。 加正向电压时,发光二极管能发出单色、不连续的光,这是电致发光效应的一种。改变所采用的半导体材料的化学组成成分,可使发光二极管发出在近紫外线、可见光或红外线的光。 1955年,美国无线电公司(Radio Corporation of America)的鲁宾·布朗石泰(Rubin Braunstein)(1922年生)首次发现了砷化镓(GaAs)及其他半导体合金的红外放射作用。1962年,通用电气公司的尼克·何伦亚克(Nick Holonyak Jr.)(1928年生)开发出第一种实际应用的可见光发光二极管。 4.液晶显示器,或称LCD(Liquid Crystal Display),为平面超薄的显示设备,它由一定数量的彩色或黑白画素组成,放置于光源或者反射面前方。液晶显示器功耗很低,因此倍受工程师青睐,适用于使用电池的电子设备。 每个画素由以下几个部分构成:悬浮于两个透明电极(氧化铟锡)间的一列液晶分子,两个偏振方向互相垂直的偏振过滤片,如果没有电极间的液晶,光通过其中一个过滤片势必被另一个阻挡,通过一个过滤片的光线偏振方向被液晶旋转,从而能够通过另一个。 液晶分子本身带有电荷,将少量的电荷加到每个画素或者子画素的透明电极,则液晶的分子将被静电力旋转,通过的光线同时也被旋转,改变一定的角度,从而能够通过偏振过滤片。 在将电荷加到透明电极之前,液晶分子处于无约束状态,分子上的电荷使得这些分子组成了螺旋形或者环形(晶体状), 在有些LCD中,电极的化学物质表面可作为晶体的晶种,因此分子按照需要的角度结晶,通过一个过滤片的光线在通过液芯片后偏振防线发生旋转,从而使光线能够通过另一个偏振片,一小部分光线被偏振片吸收,但其余的设备都是透明的。 将电荷加到透明电极上后,液晶分子将顺着电场方向排列,因此限制了透过光线偏振方向的旋转,假如液晶分子被完全打散,通过的光线其偏振方向将和第二个偏振片完全垂直,因此被光线完全阻挡了,此时画素不发光,通过控制每个画素中液晶的旋转方向,我们可以控制照亮画素的光线,可多可少。 许多LCD在交流电作用下变黑,交流电破坏了液晶的螺旋效应,而关闭电流后,LCD会变亮或者透明。 为了省电,LCD显示采用复用的方法,在复用模式下,一端的电极分组连接在一起,每一组电极连接到一个电源,另一端的电极也分组连接,每一组连接到电源另一端,分组设计保证每个画素由一个独立的电源控制,电子设备或者驱动电子设备的软件通过控制电源的开/关序列,从而控制画素的显示。 检验LCD显示器的指标包括以下几个重要方面:显示大小,响应时间(同步速率),阵列类型(主动和被动),视角,所支持的颜色,亮度和对比度,分辨率和屏幕高宽比,以及输入接口(例如视觉接口和视频显示阵列)。 5.可编程逻辑控制器(Programmable Logic Controller,PLC),是一种用自动化实时控制的数位逻辑控制器,广泛应用于目前的工业控制领域。在可编程逻辑控制器出现之前,一般要使用成百上千的继电器以及计数器才能组成具有相同功能的自动化系统,而现在,经过编程的简单的可编程逻辑控制器模块基本上已经代替了这些大型装置。可编程逻辑控制器的系统程序一般在出厂前已经初始化完毕,用户可以根据自己的需要自行编辑相应的用户程序来满足不同的自动化生产要求。 最初的可编程逻辑控制器只有电路逻辑控制的功能(IO控制),所以被命名为可编程逻辑控制器,后来随着不断的发展,这些当初功能简单的计算机模块已经有了包括逻辑控制,时序控制、模拟控制、多机通信等许多的功能,名称也改为可编程控制器(Programmable Controller),但是由于它的简写也是PC与个人电脑(Personal Computer )的简写相冲突,也由于多年来的使用习惯,人们还是经常使用可编程逻辑控制器这一称呼,并在术语中仍沿用PLC这一缩写。 现在工业上使用可编程逻辑控制器(PLC)已经相当接近于一台轻巧型电脑所构成,甚至已经出现整合个人电脑(采用嵌入式操作系统)与PLC架构的PC-BASE控制器,能透过数位或类比输入/输出模组控制机器设备、制造处理流程、及其它控制模组的电子系统。PLC可接收(输入)及发送(输出)多种型态的电气或电子讯号,并使用他们来控制或监督几乎所有种类的机械与电气系统。 PLC具有通用性强、使用方便、适应面广、可靠性高、抗干扰能力强、编程简单等特点。在工业控制领域中,PLC控制技术的应用已成为工业界不可或缺的一员。 6.触控屏幕(英文:Touch panel ,Touchscreens)又称为触控面板,是个可接收触头(无论是手指或胶笔尖等)等输入讯号的感应式液晶显示装置,当接触了屏幕上的图形按钮时,屏幕上的触觉反馈系统可根据预先编程的程式驱动各种连结装置,可用以取代机械式的按钮面板,并借由液晶显示画面制造出生动的影音效果。 而简单说是指种可触控式的屏幕,通常是在半反射式液晶面板上覆盖一层压力板,其对压力有高敏感度,当物体施压于其上时会有电流讯号产生以定出压力源位置,并可动态追踪。 触控屏幕的用途非常广泛,从常见的PDA、提款机、到工业用的触控电脑,因为触控屏幕为亲切且生动的人机接口。 7.变频器的英文译名是VFD(Variable-frequency Drive),这可能是现代科技由中文反向译为英文的为数不多实例之一。(但VFD也可解释为Vacuum fluorescent display,真空荧光管,故这种译法并不常用)。变频器是应用变频技术与微电子技术,通过改变电机工作电源的频率和幅度的方式来控制交流电动机的电力传动元件。变频器在中、韩等亚洲地区受日本厂商影响而曾被称作VVVF(Variable Voltage Variable Frequency Inverter)。 变频器原理以及基本知识,变频器是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率的电能控制装置。 8.步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。在非超载的情况下,电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数,而不受负载变化的影响,即给电机加一个脉冲信号,电机则转过一个步距角。这一线性关系的存在,加上步进电机只有周期性的误差而无累积误差等特点。使得在速度、位置等控制领域用步进电机来控制变的非常的简单。 步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。通俗一点讲:当步进驱动器接收到一个脉冲信号,它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度(及步进角)。您可以通过控制脉冲个数来控制角位移量,从而达到准确定位的目的;同时您可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度,从而达到调速的目的。步进电机是一种感应电机,它的工作原理是利用电子电路,将直流电变成分时供电的,多相时序控制电流,用这种电流为步进电机供电,步进电机才能正常工作,驱动器就是为步进电机分时供电的,多相时序控制器 虽然步进电机已被广泛地应用,但步进电机并不能象普通的直流电机,交流电机在常规下使用。它必须由双环形脉冲信号、功率驱动电路等组成控制系统方可使用。因此用好步进电机却非易事,它涉及到机械、电机、电子及计算机等许多专业知识。 9.NC (Numerical Control,数字控制,简称数控)指用离散的数字信息控制机械等装置的运行,只能由操作者自己编程 CNC(数控机床)是计算机数字控制机床(Computer number control)的简称,是一种装有程序控制系统的自动化机床。该控制系统能够逻辑地处理具有控制编码或其他符号指令规定的程序,并将其译码,从而使机床动作并加工零件。 基于数字控制的 DC 转换器为当今电源所具有的标准特性带来了新的应用空间。数字电源实现了在电源设计方面的两大根本性的变化,即通过数字接口与转换器进行通信和对环路的数字控制。我们通常将其分别称为数字管理电源与数字控制电源。电源转换器在设计方面的这两种变化使得电源特性具有更大的自由度,并且能够进行现场重新配置,而无需更改电源中的任何组件。普通电源的电压排序特性就是一个很好的例子。 在数字控制电源中,控制器拥有非常高级的功能来管理和监控基于时间的事件。通常,数字控制器具有多个可自由处理的定时器和寄存器。除电源排序特性之外,控制器管理集成定时器还具有另外一些功能,如调制 PWM 输出或管理数字通信总线。 模拟和数字技术很快将争夺电源调节器件控制电路的主导权,但实际情况是,在反馈回路控制方面,这两种技术看起来正愉快地共存着。的确,许多电源管理供应商都提供了不同的方案。一些数字控制最初的可编程优势现在甚至在采用模拟反馈回路的控制器和稳压器中也有了。当然,数字电源还是有一些吸引人之处。 在一个PID控制器(更复杂的实例)中,每个ADC输入都要执行基于一系列系数的算法。比例系数是与灵敏度相关的增益因子。整数系数按照错误出现的时间长短来调节PWM的占空比。诱导系数补偿回路的时间延迟(相位更有效)。综合起来,PID算法的各个系数决定了系统的频率响应。控制器随后将ADC的输出电压表示转换成维持期望的输出电压所需的脉冲持续时间(占空比)信息。然后,该信息被传送至一个DPWM,它执行与模拟PWM一样的驱动信号产生功能。注意模拟和数字控制方案管理开关晶体管的不同。模拟控制器在时钟上升沿触发开关晶体管成ON状态,并在电压坡度达到预设的门槛电压时将晶体管触发成OFF状态;PID控制器则计算开关晶体管ON和OFF状态期间所需的持续时间。理论上,模拟控制可以提供连续精度的输出电压。但ADC精度和采样率的交互作用再加上DPWM开关速率,使事情变得有些复杂。 程序块处理时间及其它由于CPU处理速度的提高,以及CNC制造商将高速度CPU应用到高度集成化的CNC系统中, CNC的性能有了显著的改善。反应更快、更灵敏的系统实现的不仅仅是更高的程序处理速度。事实上,一个能够以相当高的速度处理零件加工程序的系统在运行过程中也有可能象一个低速处理系统,因为即使是功能完备的CNC系统也存在着一些潜在的问题,这些问题有可能成为限制加工速度的瓶颈。 在很多方面,这种情况和赛车的驾驶很相似。速度最快的赛车就一定能赢得比赛吗?即使是一个偶尔才观看车赛的观众都知道除速度以外,还有许多因素影响着比赛的结果。 车手对于赛道的了解程度很重要:他必须知道何处有急转弯,以便能恰如其分地减速,从而安全高效地通过弯道。在采用高进给速度加工模具的过程中,CNC中的待加工轨迹监控技术可预先获取锐曲线出现的信息,这一功能起着同样的作用。同样的,车手对其他车手动作以及不可确定因素的反应灵敏程度与CNC中的伺服反馈的次数类似。CNC中伺服反馈主要包括位置反馈、速度反馈和电流反馈。 10.CAM (computer Aided Manufacturing,计算机辅助制造)的核心是计算机数值控制(简称数控),是将计算机应用于制造生产过程的过程或系统。1952年美国麻省理工学院首先研制成数控铣床。数控的特征是由编码在穿孔纸带上的程序指令来控制机床。此后发展了一系列的数控机床,包括称为“加工中心”的多功能机床,能从刀库中自动换刀和自动转换工作位置,能连续完成锐、钻、饺、攻丝等多道工序,这些都是通过程序指令控制运作的,只要改变程序指令就可改变加工过程,数控的这种加工灵活性称之为“柔性”。 ———————————————————————————————————————————————————————————— 美国开发的著名单机游戏红色警戒2(or 尤里的复仇)中盟军5000系列超级武器:闪电风暴!其破坏力超过核武器的威力! 在闪电风暴武器准备时间(10Min)完成启动之后,会在所指定的区域出现30秒大型电闪雷鸣现象,极大程度破坏敌方基地内装甲轻的重要建筑,使敌方基地内生产和防御陷入严重混乱。 中国想要在21世纪和平崛起就必须改革,而改革就必须借鉴弱电学中的智慧! 改革是指改变旧制度、旧事物:对旧有的生产关系、上层建筑作局部或根本性的调整变动,改革是社会各个阶级利益重新分配的过程!改革是社会发展的强大动力。 改革相当于《电路》中的电路动态过程,电路动态过程的实质是当电路发生变化(或叫换路)时,储能元件中储藏能量重新分配的过程! ———————————————————————————————————————————————————————————— 科技实际上就是人类在巧妙的利用光,热,磁,电,地心引力(势能),原子能等一切宇宙的能量! 但是人类到目前为止使用的主要能源仍然是以石油,天然气和煤炭为主的化石燃料燃烧产生的热能(内能)!但是化石燃料给地球的环境带来了很大的破坏,例如地球的温室效应和空气污染等等! 香港电影《未来警察》中人类可以发明太阳能天幕,将光能直接转化为电能,可以开发出新型混合动力飞车,人类不再需要石油等化石燃料,可以缓解能源危机,并且电能将成为未来的主要能源! 第三代核武器EMP(核电磁脉冲弹)是核弹头在高空爆炸后释放出极强的γ射线进入密度不均匀的大气层,使空气发生电离后产生的电子以光速离开爆心,使爆心周围聚集了大量正离子形成强电磁场,电磁场高速向外辐射就产生了强电磁脉冲。核电磁脉冲弹是将核弹头经过改造“剪裁”,使其爆后总能量的40%转换成电磁脉冲。强电磁脉冲作用到电子系统、电子设备、通信系统中可产生很高的瞬时电压和电流,从而造成毁坏或瞬时干扰。 19世纪德国物理学家基尔霍夫发现的基尔霍夫电流定律(KCL)和基尔霍夫电压定律(KVL)分别体现了电路中的电荷守恒定律和能量守恒定律! 而电荷定向移动便形成的电流实际上也是一种能量的转移,电荷守恒定律也是能量转化守恒定律的一种特例!因为能量既不会凭空产生也不会突然消失,它只会从一个物体转移到另一个物体,或由一种形式转化成另一种形式,而能量互相转换时其量值保持不变! 能量其实就是老子所说的:反复回圈,周流不息的运行,产生绵延不尽生命的“大道”! ———————————————————————————————————————————————————————————— 中国著名科幻漫画《决战萨斯城》第三部:揭秘皇冠岛 基因山小伯爵与萨斯王展开激战,萨斯宫内汇聚了皇冠岛一半以上的磁能量。萨斯王用阴阳磁力混合波小伯爵的螺旋棍感染上了病毒,难以发挥巨大威力,萨斯宫内的磁能量却越来越强...... 基因山小伯爵为了抵御阴阳磁力混合波不得不使用“螺旋轻纱罩”来防身,这样就难以用全力对付萨斯王的袭击,他的处境十分不利! 杆兄弟用望远镜发现这个情况之后,立即启用紧急程序指令,一道耀眼的龙形霹雳出现了! 龙形霹雳的出现使小伯爵惊喜异常,他从中悟出了螺旋棍9句口诀最后两句的奥秘! 小伯爵的螺旋棍经霹雳感应后,螺旋棍感染上了病毒已全部被清楚,而且它还吸纳了龙形霹雳的能量,威力远胜于前了! 螺旋环升空后高速旋转,发出一道道刺眼的光芒,摧毁了萨斯王的萨斯宫,抓捕并初始化了萨斯王!萨斯族一朝彻底覆亡! 美国开发的著名单机游戏《红色警戒2(or 尤里的复仇)》中盟军5000系列超级武器——闪电风暴!其破坏力超过核武器的威力! 在闪电风暴武器准备时间(10Min)完成启动之后,会在所指定的区域出现30秒大型电闪雷鸣现象,极大程度破坏敌方基地内装甲轻的重要建筑,使敌方基地内生产和防御陷入严重混乱。 中国想要在21世纪和平崛起就必须改革,而改革就必须借鉴弱电学中的智慧! 改革是指改变旧制度、旧事物:对旧有的生产关系、上层建筑作局部或根本性的调整变动,改革是社会各个阶级利益重新分配的过程!改革是社会发展的强大动力。 改革相当于《电路》中的电路动态过程,电路动态过程的实质是当电路发生变化(或叫换路)时,储能元件中储藏能量重新分配的过程! 科技实际上就是人类在巧妙的利用光,热,磁,电,地心引力(势能),原子能等一切宇宙的能量! 但是人类到目前为止使用的主要能源仍然是以石油,天然气和煤炭为主的化石燃料燃烧产生的热能(内能)!但是化石燃料给地球的环境带来了很大的破坏,例如地球的温室效应和空气污染等等! 香港电影《未来警察》中人类可以发明太阳能天幕,将光能直接转化为电能,可以开发出新型混合动力飞车,人类不再需要石油等化石燃料,可以缓解能源危机,并且电能将成为未来的主要能源! 第三代核武器EMP(核电磁脉冲弹)是核弹头在高空爆炸后释放出极强的γ射线进入密度不均匀的大气层,使空气发生电离后产生的电子以光速离开爆心,使爆心周围聚集了大量正离子形成强电磁场,电磁场高速向外辐射就产生了强电磁脉冲。核电磁脉冲弹是将核弹头经过改造“剪裁”,使其爆后总能量的40%转换成电磁脉冲。强电磁脉冲作用到电子系统、电子设备、通信系统中可产生很高的瞬时电压和电流,从而造成毁坏或瞬时干扰。 ——美国有一段时间老是喜欢停电,可能就是遭到了核电磁脉冲弹的袭击导致电气设备发生短路而造成的大面积停电事故! 19世纪德国物理学家基尔霍夫发现的基尔霍夫电流定律(KCL)和基尔霍夫电压定律(KVL)分别体现了电路中的电荷守恒定律和能量守恒定律! 而电荷定向移动便形成的电流实际上也是一种能量的转移,电荷守恒定律也是能量转化守恒定律的一种特例!因为能量既不会凭空产生也不会突然消失,它只会从一个物体转移到另一个物体,或由一种形式转化成另一种形式,而能量互相转换时其量值保持不变! 能量其实就是老子所说的:反复回圈,周流不息的运行,产生绵延不尽生命的“大道”!

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