中小学机器人教学中应注重的基本结构原理和机械原理

第一篇：中小学机器人教学中应注重的基本结构原理和机械原理

中小学机器人教学中应注重的基本结构原

理和机械原理

近年来以机器人竞赛为动力, 以培养学生的动手能力、创新思维能力为目标的中小学机器人活动在我市许多学校相继开展了。机器人教学作为中小学信息技术课程的发展方向，越来越受到重视。

机器人科学是集机械、结构、动力、电路、传感器、控制、算法等为一体的新兴学科，所以机器人从宏观上又分为了机器人硬件和机器人软件两个部分。机器人硬件活动主要培养锻炼学生的动手与实践能力，在我的机器人兴趣小组活动中，每节课我都会安排一定时间让学生动手搭建机器人的机械结构和传感器电路，让他们熟练使用常用的工具，比如钳子、螺丝刀、剥线钳、万用表等。课堂最后让学生自己调试程序，观察机器人的运行情况，然后修改完善程序。在不知不觉中，学生的动手能力得到了很大的提高。机器人软件部分主要涵盖程序的编写，机器人的运行是程序执行的结果，学生通过编写程序让机器人按照任务要求完成某一个动作，这个程序是事先在学生的大脑中“执行”过的。程序从简单到复杂，从单一到多元，学生的逻辑思维能力可以得到很好的锻炼和提高。

在中小学阶段机器人教学中是以机器人硬件（及结构、机械、动力等）为主，还是以机器人软件（及机器人程序的编写）为主呢？首先兴趣是一个人最好的老师，在中小学阶段培养学生对机器人科学的兴趣是最主要的前提和目标，所以根据中小学生现阶段发展特点，让

学生参与各种机器人的兴趣活动，在兴趣活动中让学生自己动手实践，设计制作机器人这样能更有效的提高学生对机器人的学习兴趣。

在机器人硬件中也包含了机械、结构、动力、电路、传感器等各类知识。在中小学阶段的机器人教学中如何让学生掌握这些知识是我们应该深入研究的。不管是多么复杂精密的机械和结构，都是从最基本的机械和结构原理发展而来的。就像我们在大学学到的数学知识也是从小学的1+1最简单的基本知识积累而来一样。所以掌握最基本的原理性知识更有助于为学生打下良好的基础。

我于2005年开始从事青少年机器人创新实践活动的教学工作，根据多年的教学经验总结了一些在中小学阶段应该让学生掌握的最基本的结构原理和机械原理。

一、基本结构原理

1、平衡和重心：平衡是两个或两个以上的力作用于一个物体上，各个力互相抵消，使物体成相对的静止状态。亦泛指平稳，稳定。重心是一个物体的各部分都要受到重力的作用。从效果上看，我们可以认为各部分受到的重力作用集中于一点，这一点叫做物体的重心。如何使机器人的平衡达到最佳状态，是个很重要的问题。由于机器人臂杆的重心不通过其转轴，因而产生偏重力矩，它随着机器人臂杆运动的位置、速度以及加速度的不同不断变化。这对机器人的运动学、动力学特性都有很大的影响，因此，机器人应具有良好的平衡。良好的平衡对改善和提高机器人的性能起着至关重要的作用。首先平衡有利于控制和改善机器人的动力学特性，提高运行精度，其次，还可以减

少传动载荷和摩擦力。在我们的实际教学中经常出现这样的情况。第一机器人在直线行走的过程中始终会出现左偏或右偏的情况。第二机器人在上坡过程中出现翻倒情况。第三机器人臂杆在运动过程中出现翻倒情况。以上情况都和机器人平衡状态不好有关，平衡不好造成机器人重心偏移，机器人在运动过程中就会出现这样或那样的问题，所以应将平衡和重心的概念贯穿整个机器人的教学过程。

2、力量：力是物体之间的相互作用，是使物体获得加速度和发生形变的外因。力有三个要素，即力的大小、方向和作用点。在我们的机器人运动过程中会出现各种各样的力，在其中最重要的是动力和摩擦力。机器人的动力在我们的中小学机器人活动中主要是由各种类型的马达来提供。如现在常用的马达和伺服马达，马达即我们通常说的直流马达在机器人运动中主要提供前进（马达正转）、后退（马达反转）和刹车（马达停转）功能。伺服马达本质上是一个可定位的马达，主要用作运动方向的控制部件。当伺服马达接受到一个位置指令时，它就会运动到指定的位置，成为一个可控的运动关节，具有大扭力、控制简单的特点，可适用于创意、人形机器人模型、航模等需精确定位的项目。当然不管是马达还是伺服马达如何运用最终还是要根据机器人的设计来确定。如直流马达通过一些机械装置和程序的设计也能实现伺服马达的精确定位功能。摩擦力是两个表面接触的物体相互运动时或有运动趋势时互相施加的一种物理力。在我们的机器人运动中摩擦力有时需要加大有时需要避免，如机器人在上坡和转弯过程中应增加摩擦力，在一些机械连动装置中应减小或避免摩擦力。让学生认

识各种各样的力有助于学生对机器人的设计和制作，更能帮助学生掌握这种最基本的物理知识。

3、轮子和轴：轮子，是用不同材料制成的圆形滚动物体。简单来说，它包括轮子的外圈、与外圈相连接的辐条和中心轴。透过滚动，轮子可以大大的减少与接触面的磨擦系数。轴，是穿在轴承中间或车轮中间或齿轮中间的物件。轴是支承转动零件并与之一起回转以传递运动、扭矩或弯矩的机械零件。机器中作回转运动的零件就装在轴上。在我们的机器人制作过程中学生往往只注重轮子的选择和安装，而忽略了轴的重要性。如在我的机器人活动中经常出现这样的情况，学生选择了两个最大的轮子在安装过程中用一根轴将两个轮子和两个马达连接在一起，机器人运动过程中当两个马达运动方向相同时机器人能动，但当两个马达运动方向相反或有差异时机器人就会出现问题。所以应对学生强调轮子的转动是由于轴转动而传递出的动力。

二、基本机械原理

在中小学的机器人活动中齿轮是使用最广变化组合最丰富的机械零件。首先，齿轮是轮缘上有齿能连续啮合传递运动和动力的机械元件。其次，齿轮是将旋转运动从一根轴传递到另一根轴的装置。在中小学机器人活动中让学生掌握一些齿轮使用的基本原理和基本组合，能丰富我们的机器人教学活动。

1、齿数比：只要数出每个齿轮的齿数，用输出齿轮的齿数除以输入齿轮的齿数，我们就能计算出齿数比。例如，输入齿轮是8个齿、输出齿轮是24个齿，那么齿数比就是24/8=3。标准表达方法是用与

1相比较的带分号表达式，写成3:1。

齿数比3:1是什么意思呢？首先，这是轴的转速比，齿数少的齿轮转的更快些，在这个例子里，8齿齿轮的速度是24齿齿轮的3倍。其次，扭矩比与齿数比是反比例关系，在这个例子里，8齿齿轮的扭矩是24齿齿轮的1/3。

当你使用齿轮提高转速时，扭矩会减小，这叫做“齿轮增速”，可以用这种方式来保护下游的组件，使其免受电机大扭矩的冲击，也能增加机器人的速度。当使用齿轮降低转速时，扭矩会增大，这叫做“齿轮减速”，可以使用这种方法增加机器人力量，如利用小电机或曲柄来提升重物。在我们的生活中汽车上坡为什么要用低速档，平路要用高速档也是这个道理。有时，我们也会选择既不增速、也不减速，只是使用齿轮将扭矩从一点传递到另一点，在这一过程中转速和扭矩都不会发生变化。

2、直齿轮：直齿轮用于两根平行的轴上。下图中，安装在绿色轴上的灰色齿轮是驱动轮，安装在黄色轴上的红色齿轮是从动轮。注意，这两个齿轮的速度比是3:2，这和它们的齿数比24:16是一样的。再注意，齿轮上每个齿的轮廓不是平直的，我们称之为渐开线，这种形状可以使齿轮做相对的转动，而不是滑动，这样可以最大限度地减少摩擦力，提高传动效率。我们还会看到，每根轴都有两个支撑作用。一般来说，每根轴至少需要2个轴承支撑来平衡齿轮的载荷。轴承越靠近齿轮，其支撑作用就越有效。在齿轮的两侧设置支撑轴承（就像蓝色的砖块）效果要好于把轴承设置在齿轮的一侧。一对直齿轮的作

用之一，就是让输出轴与输入轴以反方向做旋转运动。直齿轮是我们在机器人制作中最常见的齿轮组合。

3、锥齿轮：锥齿轮用在两根轴不平行的情况中。锥齿轮可以在两根轴成任意角度的情况下使用。下图中，安装在黄色轴上的红色齿轮是驱动轮，安装在绿色轴上的蓝色齿轮是从动轮。两个齿轮的齿数相同，这两根轴的转动速度也相同。锥齿轮的轮齿形状复杂，在支撑轴上产生的力也很复杂。因此，相对于直齿轮来说，在锥齿轮的支撑轴上使用合适的轴承更为重要。一般来说，每根轴至少需要2个轴承支撑来平衡齿轮的载荷。轴承越靠近齿轮，其支撑作用就越有效。下图中，使用了一个特殊的齿轮箱来实现这个支撑作用。在我们的机器人活动中如果要改变动力的输出方向就要使用锥齿轮。

4、涡轮：可以把涡轮想象成只有1个齿的齿轮。在我们的机器

人中涡轮是与直齿轮配合使用的，两根轴相互垂直。涡轮具有一些和其他齿轮不同的特性。首先，涡轮只有1个齿，涡轮组的齿数比就是配合齿轮的齿数，如，1个涡轮和40齿的直齿轮配合使用，齿数比就是40:1，因此使用涡轮可以实现很大程度的减速。其次，与其它齿轮相比，涡轮的摩擦力较大（传动效率也较低），这是因为涡轮的齿面与相配合的齿轮齿面之间是滑动摩擦，负载越大，摩擦力也越大。最后，涡轮不能被反向驱动。下图中，是绿色轴上的蜗轮在驱动红色轴上的蓝色直齿轮，但是如果你转动红色轴，蜗轮是无法被驱动的。这个特点在需要锁止位置的场合很有用，比如升降闸门时。

5、齿条：可以把齿条理解为将一个直齿轮展平。使用齿条，可以把直齿轮或小齿轮的旋转运动转换成直线运动。这里没有传统意义上的齿数比，但驱动轮的齿数越少，传递给齿条的功率就越大。齿条的横向移动距离与小齿轮的齿数成正比。齿条一般被用于小车的转向控制结构中，也会被用于其他方面，如吊车的伸缩吊臂中。

当然在工业应用中，还有其它几十种不同形式的齿轮和更加精密复杂的齿轮组合。在中小学机器人活动中，我们也可以使用以上简单的机械原理设计出复杂的机械结构。如下图中的4速变速箱。

从接触机器人到现在，我和学生们利用这些结构和机械的基本原理，设计制作出了各种各样有趣的机器人实现了很多有趣的任务。从机器人的活动中我深刻体会到这项活动为我们的中小学生带来了什么。

开拓与创新：孩子往往是没有束缚，最有创造力的。而我们正是要鼓励他们创新，帮助他们去实现。在学生由一个想法到完成制作的过程中，我们也鼓励他们开拓全新的领域，设计或趣味或实用的新型

机器人。

探究与挑战：我们鼓励学生好奇与质疑，鼓励他们挑战权威与冲破藩篱。让他们以探究的姿态来制作、设计机器人。在任务完成过程中，机械的、电路的、程序的会出现各种他们想象不到的问题。而我们要做的就是，鼓励他们勇于面对、发现和解决这些问题。鼓励与帮助学生参加省市和全国机器人比赛来让他们接受更大的挑战。

中小学生机器人活动将随着时代的发展越来越焕发它的魅力，希望在不久的将来机器人教学活动能走进所有的中小学校，成为中小学教育的新亮点。

第二篇：机械结构及原理学习心得体会

机加设备结构及原理学习心得体会

为了使我们更多地掌握设备的结构及原理，提高每一个技术人员的技术水平，进一步加深对各类设备的认识，开阔视野，特意聘请了大学的专业老师对我们进行了针对性培训，充分体现了领导对我们技术人员的关怀，对技术工作的重视，学习了《机加设备结构及原理》，我对机加设备结构及原理有了更深的认识，下面谈谈学习的心得体会：

通过参加这次继续培训学习，使我感受很深，收效较大，作为一名技术人员，必须要经常学习先进的科学技术和最新的理论，时刻更新丰富自己的知识，用最新的理论知识去指导自己的工作，才能使自己的工作有所突破、有所创新，才能在工作中遇到问题时做到游刃有余，彻底解决问题，才能为公司多做贡献。这次的培训，使我得到了较多收益。

随着工业自动化的发展,设备在减轻工人的劳动强度的同时, 大大提高了劳动生产率。尤其是数控设备，相对传统继电器控制设备具有结构复杂，使用简单，工作量小，劳动强度低，加工精度高等明显的优势，但同时存在维修困难，且费用高，工作环境要求较高等缺点。而我司的设备多数为数控设备，因此，要求我们必须要快速诊断设备出现的故障及降低设备的维修率，保证设备的正常运行，从而提高设备的工作效率。这就对设备技术人员就提出了很高的要求，所以我们每一个技术人员都要较深层次掌握数控设备的结构及原理，才能快速应对设备在生产过程中出现的各种问题，才能保证生产的正常进行。通过此次学习，使我掌握了典型设备的结构及原理，并将所学应用到工作中去，得到了较好的效果。

总之，通过此次培训，掌握了课程的内容，并将所学与生产现场结合起来，提高了分析问题、解决问题的能力，达到了学以致用的目的。

制造部 2013-4-15

第三篇：扫描电镜的基本结构和工作原理（精选）

扫描电镜的基本结构和工作原理

扫描电子显微镜利用电子枪发射的电子束，经过几级电磁透镜缩小后，电子束到达样品，激发样品中的二次电子，二次电子被探测器接收，通过信号处理并调制显示器上一个像素发光，由于电子束斑直径是纳米级别，而显示器的像素是100微米以上，这个100微米以上像素所发出的光，就代表样品上被电子束激发的区域所发出的光。实现样品上这个物点的放大。如果让电子束在样品的一定区域做光栅扫描，并且从时空上一一对应调制显示器的像素的亮度，便实现这个样品区域微观形貌的放大成像。细聚焦电子束在样品表面逐点扫描，与样品相互作用产行各种物理信号，这些信号经检测器接收、放大并转换成调制信号，最后在荧光屏上显示反映样品表面各种特征的图像。扫描电镜具有景深大、图像立体感强、放大倍数范围大、连续可调、分辨率高、样品室空间大且样品制备简单等特点，是进行样品表面研究的有效分析工具。

扫描电镜所需的加速电压比透射电镜要低得多，一般约在1～30kV，实验时可根据被分析样品的性质适当地选择，最常用的加速电压约在20kV左右。扫描电镜的图像放大倍数在一定范围内(几十倍到几十万倍)可以实现连续调整，放大倍数等于荧光屏上显示的图像横向长度与电子束在样品上横向扫描的实际长度之比。扫描电镜的电子光学系统与透射电镜有所不同，其作用仅仅是为了提供扫描电子束，作为使样品产生各种物理信号的激发源。扫描电镜最常使用的是二次电子信号和背散射电子信号，前者用于显示表面形貌衬度，后者用于显示原子序数衬度。

扫描电镜的基本结构可分为电子光学系统、扫描系统、信号检测放大系统、图像显示和记录系统、真空系统和电源及控制系统六大部分。

必须抛光而不需腐蚀。

第四篇：机械原理课程设计目的和任务

第一节

机械原理课程设计目的和任务

一、机械原理课程设计的目的

机械原理课程设计是使学生较全面、系统掌握机械原理课程的基本原理和方法的重要环节，是培养学生“初步具有确定机械运动方案，分析和设计机械的能力”及“开发创新能力”的一种手段。其目的是：

1)以机械系统运动方案设计与拟定为结合点，把机械原理课程中分散于各章的理论和方法融会贯通起来，进一步巩固和加深学生所学的理论知识；

2)通过拟定机械运动方案的训练，使学生初步具有机构选型与组合和确定运动方案的能力；

3)使学生在了解机械运动的变换与传递及力传递的过程中，对机械的运动、动力分析与设计有一个较完整的概念；

4)进一步提高学生运算、绘图、运用计算机和技术资料的能力；

5)通过编写说明书，培养学生表达、归纳、总结和独立思考与分析的能力。

二、机械原理课程设计的任务

对给定的设计要求进行分析，将总功能分解；制定机构运动循环图；设计实现各个分功能的机构运动原理，构成几种运动方案，对各运动方案进行对比和选择；对选定方案中的机构进行分析与设计，画出机构运动简图；设计飞轮；对机构进行必要的运动和动力分析。

三、机械原理课程设计进行的方式

根据具体情况有下列几种方式可供选择。

1)集中式：在机械原理课程课堂教学完成后，集中一段时间进行；

2)分散式：将课程设计与课程教学平行安排；

3)集中与分散：在机械原理课程教学的中后期先进行课程设计的调研及部分工作方案设计工作，课程结束后集中一段时间进行绘图、分析、编写说明书等工作。

上述三种方式中，第一种与第三种对进行机械系统运动方案设计有利，第二种对密切联系每章中的理论教学较好，适宜于解析法为主要手段的机构分析与综合类的课程设计题，而对机械运动方案设计类的题目较难进行。

四、课程设计的一般步骤和方法

机器主要是由原动部分、传动部分和执行部分三大部分组成，传动部分和执行部分又主要由各种机构组成，机械原理课程设计要求针对某种简单机器进行机械运动设计，最终获得机械运动简图。机械运动设计的一般步骤是：

1、确定执行构件的运动及运动参数

所谓执行构件的运动，是指完成机器预定功能所需的所有执行构件的运动形式、运动参数和变化规律，以及它们之间的相互配合关系。当机器的工作要求确定之后，根据对所需的功能要求进行分析，可确定出实现功能的原理，进一步便可确定执行构件的运动。

这一步包括将两个工作：

1)通过对设计功能的分析,确定完成功能所需的工艺动作的数量和类型，并将设计要求由功能要求细化为对各个执行构件的运动形式和运动参数的要求。

2)按照功能要求，设计出所有各个执行构件之间在运动上的协调关系，绘制出机械运动循环图。

2、确定原动机的类型和运动参数

原动机的类型和运动参数影响机械传动的形式、机构类型的选择和机械系统的复杂程度，因此应首先选好原动机。

常用原动机有三相异步电动机、调速电动机和往复式油缸（或气缸）等。机器中一般多采用三相异步电动机为原动机，同时对电动机的运动参数的选择应综合考虑电动机和传动部分的重量、尺寸、价格、机构系统的复杂程度以及机械效率等各方面的因素。

3、确定机器的运动方案 此部分包括两个内容：

1)机器运动方案的设计。当执行构件的工艺动作和原动机的运动确定后，就可以选择适当的机构及其合理组合，形成完成各个工艺动作的机器工作原理以及原动机与执行机构之间的传动方案。设计机器运动的工作原理，其基础是对机械原理课程中所讲述的各种常用机构的结构组成、运动特点、工作原理的掌握。同时，在拟定机器工作方案时还应遵循以下原则：

①采用尽可能简短的运动链这有利于降低机械的重量和制造成本，也有利于提高机械效率和见小累积误差。②优先选用基本机构基本机构结构简单、设计方便、技术成熟，故在满足功能要求的条件下，应优先选用。

③应使机械有较高的机械效率。

④合理安排不同类型传动机构的顺序一般来说，通常将转变运动形式的机构安排在运动链的末端，与执行构件靠近；其次，带传动等摩擦传动，一般都安排在转速较高的运动链起始端，以减少其传动的转矩，从而见小其外廓尺寸。

⑤合理分配传动比运动链的总传动比合理的分配给各级传动机构。具体分配时应注意：一是每一级传动的传动比应在通常的范围内选取；二是当运动链为减速传动时，一般情况下，按照“前小后大”的原则分配传动比。

⑥保证机械的安全运转。2)选择最优机器运动方案

同一个运动可以由多种实现方法，因此可以设计出多种运动方案，这就设计方案的选择问题。最为机械原理课程设计，仅要求完成方案的初步训练，大致可从以下几个方面进行分析、比较：

①机械功能的实现质量这里主要包括工作的精确性、稳定性、适应性和扩展性等。②机械的工作性能机械在满足功能要求的条件下，还应具有良好的工作性能。如运转的平稳性、传力性能及承载能力等。

③机械的动力性能如冲击、振动、噪声及磨损性等。

④机械结构的合理性结构的合理性包括结构的复杂程度、尺寸及重量大小等。

⑤机械的经济性经济性包含设计工作量的大小、制造成本、维修难易及能耗大小等。

4、机械系统的运动尺寸设计

机械系统的运动尺寸设计包括传动机构和执行机构的运动尺寸设计。

传动机构的运动设计在运动设计节段，主要是确定总传动比，以及相应的齿轮齿数、链轮齿数、蜗轮蜗杆齿数、带轮直径等，以使执行机构得到所需的速度。

执行机构的运动尺寸设计，则要对各构件的长度，机架的位置、高副运动副元素的几何形状、螺旋机构的导程、棘轮棘抓机构的齿数、槽轮机构的尺寸和轮槽数等进行确定，其决定方法在机械原理的相应章节中已经详细说明。

5、绘制机构运动简图

在机器运动方案的设计和机构运动尺寸设计的基础之上，选择适当的比例尺绘制机器运动简图。对于执行机构应适当标注与运动有关的尺寸参数，对于传动机构则应标注相应的齿轮和链轮齿数及带轮直径等。原动机和执行构件的运动及其参数也应使用相应的符号和数字予以表示。图中还可以用简要的文字注明一些技术要求，如运动的不均匀性要求，为了达到运动协调配合，分配轴上元件的相角调整要求，对某些元件的平衡精度要求等。机构运动简图的绘制方法参考机械原理教材。

6、机构运动分析

为了检查所设计的机构是否满足预定的运动要求，是否回发生运动干涉，确定机构运动所需的空间大小，为机构动态静力分析提供资料，应对所设计的机构进行运动分析。

课程设计中，一般可对主体机构或指定的机构进行运动分析，应画出执行构件的运动线图，一般进行分析比较。还要求出指定构件的角加速度和质心的加速度，以便进行动态静力分析。运动分析可采用图解法和解析法。

7、机构动态静力分析

在运动分析的基础上，对机构进行动态静力分析，动态静力分析的内容是主动件处于每个给定位置按预定规律运动时，求出各运动副中的反力，及机构的平衡力或平衡力矩。为后续的飞轮设计，原动机的功率选择，以及零部件的工作能力设计提供原始资料。

机构动态静力分析也可采用图解法和解析法进行分析。

8、机器周期性速度波动调节

对于在短期尖峰载荷下工作的机器，为了改善机器的工作平稳性，见小所需电动机的容量，需要添加飞轮。集体方法可参阅机械原理教材相应内容。

9、确定的电动机功率

主体机在周期性变速稳定运转时所需电动机的理论功率为：

N电式中：Mvd－主动件上的等效驱动力矩(N·m)，一般为常数；

Mvr－主动件上平均等效力矩(N·m)；

ωm－主动件平均角速度(rad/s)。考虑到传动效率，则电动机的功率为：

MudmMvrm(kW)10001000

(1.2~1.6)N电(1.2~1.6)N电由于没有考虑其它执行构件所需的功率和启动时所需的功率的增加，因此电动机所需的功率可能还要增大，通常用类比法参照同类机器修正计算所得的电动机功率。查阅电动机的使用资料，根据所需功率和运动参数的大小即可确定电动机的型号。

10、编写设计说明书

说明书是设计计算的整理和总结，是图纸设计的理论依据，而且是审核设计的技术文件之一。说明书编写要求和注意事项在后面有详细说明。

五、课程设计说明书的编写

1、课程设计说明书的内容

编写技术报告、可行性论证报告、产品说明书等技术文件是学生在校期间应该掌握的基本技能之一。课程设计说明书属于技术说明书中的一种，对说明书的编写是培养学生编写技术文件的重要途径之一。

编写课程设计说明书，是学生对课程设计的总结，内容大致包括：

1)目录

2)设计任务书(包括设计条件和要求)；

3)运动循环图（执行构件运动协调配合关系）； 4)原动机的运动类型及其运动参数的选择；

5)机器运动方案(三种或三种以上方案)设计及其选择;6)传动系统运动尺寸设计；

7)执行机构（主体机构和辅助机构）的运动尺寸设计；

8)机构运动简图；

9)主体机构运动分析；

10)主体机构动态静力分析；

11)机器周期性行速度波动调节；

12)确定电动机功率；

13)自我评价及感想；

14)参考资料。

2、课程设计说明书的编写要求和注意事项

1)预备好草稿本。每个学生在接到课程设计题目之后要备一草稿本，把你在课程设计过程中查阅、摘录的资料、初步的运算、编程的草稿、设计构思的草图、心得思路、书写的草稿等都记录在案，不要轻易散落、丢失。这些材料是写正式说明书的基本素材。

2)说明书应该用钢笔写在16开课程设计说明书专用纸上，要求字迹端正、文句通顺、步骤清楚、叙述简明。通过课程设计说明书的编写，学生应学会整理设计数据，绘制图表和简图，用工程术语表达设计成果的方法，说明书是每个学生治学态度、独立分析能力、归纳总结表达能力的综合反映，每个学生必须下功夫斟字酌句写出自己的水平与风格，也为书写其他课程设计、毕业设计和论文打下基础。

3)说明书中计算部分的书写，必须附上与计算有关的图，先列出计算式，再按顺序代入各文字符号的数字，最后写出计算结果。计算所引用的公式和数据应注明来源，包括参考资料的编号和页码。

4)说明书中，每一自成单元的内容都应有大小标题，使其醒目突出。

5)凡是用图纸绘出的图形，在说明书中可不必绘出，但需说明（如：见图××），其余图形均应绘出。

6)说明书应加上统一的封面，并与目录装订成册。

7)课程设计提交时，说明书应与图纸一同装入课程设计档案袋内，图纸应按制图要求进行折叠，并做好大便准备。

Mudm(kW)1000

第五篇：避雷器SPD工作原理和结构

避雷器SPD工作原理和结构

电涌保护器(Surge protection Device)是电子设备雷电防护中不可缺少的一种装置，过去常称为“避雷器”或“过电压保护器”英文简写为SPD。电涌保护器的作用是把窜入电力线、信号传输线的瞬时过电压限制在设备或系统所能承受的电压范围内，或将强大的雷电流泄流入地，保护被保护的设备或系统不受冲击而损坏。

电涌保护器的类型和结构按不同的用途有所不同，但它至少应包含一个非线性电压限制元件。用于电涌保护器的基本元器件有：放电间隙、充气放电管、压敏电阻、抑制二极管和扼流线圈等。

一、SPD的分类：

1．按工作原理分：

（1）开关型：其工作原理是当没有瞬时过电压时呈现为高阻抗，但一旦响应雷电瞬时过电压时，其阻抗就突变为低值，允许雷电流通过。用作此类装置时器件有：放电间隙、气体放电管、闸流晶体管等。

（2）限压型：其工作原理是当没有瞬时过电压时为高阻扰，但随电涌电流和电压的增加其阻抗会不断减小，其电流电压特性为强烈非线性。用作此类装置的器件有：氧化锌、压敏电阻、抑制二极管、雪崩二极管等。

（3）分流型或扼流型

分流型：与被保护的设备并联，对雷电脉冲呈现为低阻抗，而对正常工作频率呈现为高阻抗。

扼流型：与被保护的设备串联，对雷电脉冲呈现为高阻抗，而对正常的工作频率呈现为低阻抗。

用作此类装置的器件有：扼流线圈、高通滤波器、低通滤波器、1/4波长短路器等。

2．按用途分：

（1）电源保护器：交流电源保护器、直流电源保护器、开关电源保护器等。

（2）信号保护器：低频信号保护器、高频信号保护器、天馈保护器等。

二、SPD的基本元器件及其工作原理：

1．放电间隙(又称保护间隙)：

它一般由暴露在空气中的两根相隔一定间隙的金属棒组成，其中一根金属棒与所需保护设备的电源相线L1或零线（N）相连，另一根金属棒与接地线(PE)相连接，当瞬时过电压袭来时，间隙被击穿，把一部分过电压的电荷引入大地，避免了被保护设备上的电压升高。这种放电间隙的两金属棒之间的距离可按需要调整，结构较简单，其缺点时灭弧性能差。改进型的放电间隙为角型间隙，它的灭弧功能较前者为好，它是靠回路的电动力F作用以及热气流的上升作用而使电弧熄灭的。

2．气体放电管：

它是由相互离开的一对冷阴板封装在充有一定的惰性气体(Ar)的玻璃管或陶瓷管内组成的。为了提高放电管的触发概率，在放电管内还有助触发剂。这种充气放电管有二极型的，也有三极型的，气体放电管的技术参数主要有：直流放电电压Udc;冲击放电电压Up(一般情况下Up≈(2～3)Udc;工频耐受电流In;冲击耐受电流Ip；绝缘电阻R(>109Ω)；极间电容(1-5PF)

气体放电管可在直流和交流条件下使用，其所选用的直流放电电压Udc分别如下：在直流条件下使用：Udc≥1.8U0（U0为线路正常工作的直流电压）

在交流条件下使用：U dc≥1.44Un(Un为线路正常工作的交流电压有效

3．压敏电阻：

它是以ZnO为主要成分的金属氧化物半导体非线性电阻，当作用在其两端的电压达到一定数值后，电阻对电压十分敏感。它的工作原理相当于多个半导体P-N的串并联。压敏电阻的特点是非线性特性好（I=CUα中的非线性系数α），通流容量大（～2KA/cm2），常态泄漏电流小（10-7～10-6A），残压低（取决于压敏电阻的工作电压和通流容量），对瞬时过电压响应时间快（～10-8s），无续流。

压敏电阻的技术参数主要有：压敏电压（即开关电压）UN，参考电压Ulma；残压Ures；残压比K(K=Ures/UN)；最大通流容量Imax；泄漏电流；响应时间。

SPD工作原理和结构

压敏电阻的使用条件有：压敏电压：UN≥[（√2×1.2）/0.7]U0（U0为工频电源额定电压）

最小参考电压：Ulma≥（1.8～2）Uac(直流条件下使用)

Ulma≥（2.2～2.5）Uac（在交流条件下使用，Uac为交流工作电压）

压敏电阻的最大参考电压应由被保护电子设备的耐受电压来确定，应使压敏电阻的残压低于被保护电子设备的而损电压水平，即(Ulma)max≤Ub/K，上式中K为残压比，Ub为被保护设备的而损电压。

4．抑制二极管：

抑制二极管具有箝位限压功能，它是工作在反向击穿区，由于它具有箝位电压低和动作响应快的优点，特别适合用作多级保护电路中的最末几级保护元件。抑制二极管在击穿区内的伏安特性可用下式表示：I=CUα，上式中α为非线性系数，对于齐纳二极管α=7～9，在雪崩二极管α=5～7。

抑制二极管的技术参数主要有

（1）额定击穿电压，它是指在指定反向击穿电流（常为lma）下的击穿电压，这于齐纳二极管额定击穿电压一般在2.9V～4.7V范围内，而雪崩二极管的额定击穿电压常在5.6V～200V范围内。

（2）最大箝位电压：它是指管子在通过规定波形的大电流时，其两端出现的最高电压。

（3）脉冲功率：它是指在规定的电流波形（如10/1000μs）下，管子两端的最大箝位电压与管子中电流等值之积。

（4）反向变位电压：它是指管子在反向泄漏区，其两端所能施加的最大电压，在此电压下管子不应击穿。此反向变位电压应明显高于被保护电子系统的最高运行电压峰值，也即不能在系统正常运行时处于弱导通状态。

（5）最大泄漏电流：它是指在反向变位电压作用下，管子中流过的最大反向电流。

（6）响应时间：10～11s 5．扼流线圈：扼流线圈是一个以铁氧体为磁芯的共模干扰抑制器件，它由两个尺寸相同，匝数相同的线圈对称地绕制在同一个铁氧体环形磁芯上，形成一个四端器件，要对于共模信号呈现出大电感具有抑制作用，而对于差模信号呈现出很小的漏电感几乎不起作用。扼流线圈使用在平衡线路中能有效地抑制共模干扰信号（如雷电干扰），而对线路正常传输的差模信号无影响。这种扼流线圈在制作时应满足以下要求：

（1）绕制在线圈磁芯上的导线要相互绝缘，以保证在瞬时过电压作用下线圈的匝间不发生击穿短路。

（2）当线圈流过瞬时大电流时，磁芯不要出现饱和。

（3）线圈中的磁芯应与线圈绝缘，以防止在瞬时过电压作用下两者之间发生击穿。

（4）线圈应尽可能绕制单层，这样做可减小线圈的寄生电容，增强线圈对瞬时过电压的而授能力。

6． 1/4波长短路器

1/4波长短路器是根据雷电波的频谱分析和天馈线的驻波理论所制作的微波信号电涌保护器，这种保护器中的金属短路棒长度是根据工作信号频率（如900MHZ或1800MHZ）的1/4波长的大小来确定的。此并联的短路棒长度对于该工作信号频率来说，其阻抗无穷大，相当于开路，不影响该信号的传输，但对于雷电波来说，由于雷电能量主要分布在n+KHZ以下，此短路棒对于雷电波阻抗很小，相当于短路，雷电能量级被泄放入地。

由于1/4波长短路棒的直径一般为几毫米，因此耐冲击电流性能好，可达到30KA（8/20μs）以上，而且残压很小，此残压主要是由短路棒的自身电感所引起的，其不足之处是工频带较窄，带宽约为2％～20％左右，另一个缺点是不能对天馈设施加直流偏置，使某些应用受到限制。

三、SPD的基本电路

电涌保护器的电路根据不同需要，有不同的形式，其基本元器件就是上面介绍的几种，一个技术精通的防雷产品研究工作者，可设计出五花八门的电路，好似一盒积木可搭出不同的结构图案。研制出既有效又性能价格比好的产品，是防雷工作者的重任 发布日期：2011-3-14 文章作者：雷晟转载 查看次数：1705

简 介： 电涌保护器(Surge protection Device)是电子设备雷电防护中不可缺少的一种装置。电涌保护器的作用是把窜入电力线、信号传输线的瞬时过电压限制在设备或系统所能承受的电压范围内，或将强大的雷电流泄流入地，保护被保护的设备或系统不受冲击而损坏。

关键字：电涌保护器 防雷 信号传输

电涌保护器(Surge protection Device)是电子设备雷电防护中不可缺少的一种装置，过去常称为“避雷器”或“过电压保护器”英文简写为SPD。电涌保护器的作用是把窜入电力线、信号传输线的瞬时过电压限制在设备或系统所能承受的电压范围内，或将强大的雷电流泄流入地，保护被保护的设备或系统不受冲击而损坏。

电涌保护器的类型和结构按不同的用途有所不同，但它至少应包含一个非线性电压限制元件。用于电涌保护器的基本元器件有：放电间隙、充气放电管、压敏电阻、抑制二极管和扼流线圈等。

一、SPD的分类：

1．按工作原理分：

（1）开关型：其工作原理是当没有瞬时过电压时呈现为高阻抗，但一旦响应雷电瞬时过电压时，其阻抗就突变为低值，允许雷电流通过。用作此类装置时器件有：放电间隙、气体放电管、闸流晶体管等。

（2）限压型：其工作原理是当没有瞬时过电压时为高阻扰，但随电涌电流和电压的增加其阻抗会不断减小，其电流电压特性为强烈非线性。用作此类装置的器件有：氧化锌、压敏电阻、抑制二极管、雪崩二极管等。

（3）分流型或扼流型

分流型：与被保护的设备并联，对雷电脉冲呈现为低阻抗，而对正常工作频率呈现为高阻抗。

扼流型：与被保护的设备串联，对雷电脉冲呈现为高阻抗，而对正常的工作频率呈现为低阻抗。

用作此类装置的器件有：扼流线圈、高通滤波器、低通滤波器、1/4波长短路器等。