时间：2023-08-20 14:47:15
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【关键词】企业；技术改造；经济分析
机电的一体化系统并未形成具体的标准和统一的定义，从机械的角度上认为机电一体化系统的本质特征就是机械，是在机械的系统的主功能和相应的信息以及控制功能的实现上引进了相应的电子技术，使相应的机电系统实现与软件的有机结合，是一种特殊的机械系统。从机电系统的设计功能上考虑，完成了机械类、运动和信息等多任务的机械和相应部件联系起来，形成了机电系统的一体化模式以及形成了完整的机电系统，强调各种技术和功能的协调和良好结合，从而形成相应的机电的自动化系统。
一、机电系统的概念设计中的信息一体化
随着经济的发展和相应的技术革命，各学科的基础理论由于研究基础的发展和技术的相互渗透实现了产品设计的不断发展和完善，相应的机械设计逐步走向自动化和智能化的发展趋势从而实现机械设计指导的自动化和科学化、知识化。通过相应的计算公式和模型设计和比对实现了最优化的方案设计模式，机械概念设计的发展也逐步向现代化的设计模式靠近。通过计算设计的分析和综合，实现了更大范围内的机电系统的信息流动和管理控制，从而使相应的信息流更好地为机电系统的一体化设计服务。计算机与机电系统设计的相结合实现了信息载体的转换，通过更为新颖和快捷的设计方式和信息交流实现了信息的极大交流，从而使相应的机电系统设计方案的设计和选择达到最优状态。
二、机电系统概念设计中的功能结构一体化
功能结构的设计是机电系统设计的重点和关键，一般说来机电系统的功能结构设计分为功能设计和功能映射两个模块，然而这样分块的设计模式使机电系统的设计过程建立在抽象的概念基础之上，难以实现形象化和具体化的特点，设计过程中易出现信息的模糊和残缺，致使这样的设计模式难以形成形象而直观的感受，并从相应的机械制造的理论层面进行推理控制，这样的设计方式不利于机电系统概念设计的一体化模式的形成和协调。在相应的机电系统概念设计过程中应在建立了信息交流模式的基础之上增强概念系统设计的可行性和可操作性。在建立相应的信息交流模式基础之上实现机电系统的一体化优化设计。
三、机电系统概念设计的机电技术一体化
传统的机电系统的概念设计将机械与电子技术结合起来，从而通过机械、电子技术的系统结合实现相应的机械系统的功能特点，同时改变了人工的操作和判断，形成机电系统的自动化模式，并通过相应的程序协调机电系统的任务模式。然而传统的机电系统的设计难以满足现代机电系统设计的创新性要求，从而要实现一体化和自动化、智能化的发展模式。实现机械系统和电子技术的良好结合，从整体的系统功能上进行协调，从而实现机械技术和电子技术的协调组合，共同构成机电系统的功能结构。
四、机电系统概念设计的人机交互系统一体化
机电系统的一体化和信息化设计的最终目的是形成人机一体化的交互模式，形成智能化和科学化的机电系统的设计方式，随着计算机技术和相应技术的发展和创新，机械设计和应用的智能化模式逐步成为机械设计和应用的发展模式，人机交互系统的设计实际上实现了更为方便快捷的系统操作和应用模式，同时也提高了相应的生产的效率，提高了设计的科学化程度。在机电系统概念设计过程中，应以人为本建立机电系统的协同发展决策，从而使相应的机电系统充分使用于相应的设计人员。
参考文献
电力电子技术的应用已经深入到工业生产和社会生活的各个方面，成为传统产业和高新技术领域不可缺少的关键技术。随着科学技术的发展，电力电子技术又与现代控制理论、材料科学、电机工程、计算机科学等许多领域密切相关。目前电力电子技术已逐步发展成为一门多学科互相渗透的综合性学科。电力电子技术不但本身是一项高新技术，而且是其他多项高新技术发展的基础。正是由于该课程是一门综合性学科，对于高职学生来说，如果按照高等学校那样的传统式教育，即一般所指的“先生讲，学生听”，教师传授知识，学生接受知识的“灌输式教学”，不能适应现在高职学生的实际学习情况，需要根据学生的实际情况，采用合适的教学方式，提高学生的学习积极性，改善教学效果。对于电力电子技术这门课程，高职学生的学习现状是怎样的呢？
一、高职学生学情分析
首先，高职学生学习该课程的目的是学会应用这些电路，即了解电力电子技术在工程技术领域的应用，熟悉典型电力电子器件的工作原理、外特性和主要参数，各类电力电子变换电路的基本工作原理、分析方法，而不是参与这些电路的设计与计算。所以如果采用传统的教学模式，除了抽象的波形分析，还有一些复杂的公式推导，这些对于高职学生而言相对比较枯燥，而且觉得深不可测，容易产生厌学情绪，尤其是某些高职学生的基础课的知识相对薄弱，一些专业基础课例如电工基础、电子技术没有掌握好的话，学起来非常吃力，这样的教学效果是非常差的。
其次，电力电子技术是一门理论性和实践性均较强的专业技术基础课，就算是以理论教学为主，附加开展个别实验，尤其是验证性实验，学生还是没有学习兴趣，觉得实用性不强，今后也涉及不到这方面的内容，学习积极性不高。因此，如果实验没有从实际应用出发，与学生今后的就业相关不大，这样的实验效果就不理想。
根据学生的实际情况，结合学校现有的教学设备，学生今后毕业的工作要求，我们提出了电力电子技术这门课程采用理论实践一体化教学。
二、采用理论实践一体化电力电子教学
1.划分模块，增加应用部分。
采用理论实践一体化教学之后，我们对电力电子技术的教学内容进行了重新整合，将电力电子技术这门课程划分为基础模块和应用模块两大部分，基础模块以介绍电力电子器件的工作原理、外特性和主要参数以及各类电力电子变换电路的基本工作原理为主，应用模块以电力电子变换电路为主，与直流电动机组成相应控制电路。
（1）基础模块
基础模块就是常见的电力电子电路的分析，其中结合相关的电路中出现的电力电子器件，简单地介绍这些器件的工作原理、外特性和主要参数的介绍。根据电力电子电路的主要功能分成以下五个课题：不可控整流电路、可控整流电路、交流调压电路、直流变换电路和变频器，这五个课题还有相应的子课题，具体如表1.1所示。
（2）应用模块
结合学校现有的实验设备，我们将现有的电力电子实验板和电机板组合起来，搭建直流调速系统，根据所能搭建的电路分类，应用模块具体分成以下三个课题：不可逆调速系统、可逆调速系统和直流脉宽调速系统（见表1.2）。
2.以实践为主，简化理论教学。
由于进行了模块划分，在进行基础模块教学时，通常将学生分成几个小组，循序渐进地完成各个课题。每个课题设置两至三个实验为主，相关的理论知识以简单介绍为主，主要是波形分析不涉及相关的计算。对于学生来说，通过亲自参与试验动手调出相应的波形，并且画出波形，记录相关参数，由此了解电路的工作原理，并且配有相应的思考题帮助学生加深了解相应电路的工作原理。比如说单相半波不可控整流电路，电感性负载时电路的工作原理，让学生将电感接入电路，变成电感性负载，如图1.1所示。
让学生测量电路的输出电压波形，学生就会发现输出电压的波形发生了改变，出现了一段负电压区。对这种情况，学生会自己思考“为什么会产生这样的波形？如何才能消除负电压区？”自己去查找原因，通过当场与教师交流，来解决问题。亲自动手充分调动了学生的学习积极性，能够主动参与整个学习过程，这种学习方式比起在课堂中枯燥的理论教学更生动具体，学生的学习效率高。
3.搭建应用平台，让学生学以致用。
在基础模块的基础上，将基础模块的基本电路与直流电动机组成调速系统，让学生了解电力电子电路的简单应用，这样就为学生搭建了一个应用平台，组成了应用模块。对于应用模块可以根据学生的实际学习情况提供难易不同的课题供学生选择，让学生完成相应的课题。通过完成课题，学生初步了解了电力电子变换电路的应用，如何完成电路的控制。比如说，由晶闸管组成的直流调速系统，学生拿到课题之后可以参阅相关资料，自己确定电路图，将整流电路与直流电动机连接，调出设定的转速，画出实际的波形图，通过提供一个反电动势负载模拟逆变过程。学生通过完成课题，掌握了通过调节控制角调节转速的方法。一些学得较好的学生，还可以掌握通过两组晶闸管的配合控制，完成可逆调速系统的控制。这样学生觉得自己是学习的主体，从“要我学”转变成“我要学”。
4.科学评价，建立激励机制。
由于是理论实践一体化的教学模式，我们不再采用传统的学生学业评价中的“一考定全局”终结性评价模式，采用多样化的考试方式，学生的学业成绩的构成也是多元化的，要将每个课题的完成情况作为平时考查成绩和最后的考试成绩按一定比例综合成为课程总成绩。特别要重视与评价学生的创建和研究与创新能力及其成果，给予一定的加分，作为一种激励措施。课程考核评价方案应在开课时公开的告诉学生，让学生能够自动参与评价，充分体现学生在学习中的主体地位。
三、教学效果
这种以理论实践一体化的教学方法是以学生为中心的教学方法。课程的学习逐步深入，通过实践不断有新的问题出现，学生有兴趣解决这些问题，因此他们会积极地组织自己的学习，通过书本或者其他的信息渠道寻找答案，在寻找答案的过程中，查阅资料，学会了如何搜集有用的信息；在与同学、教师的讨论中，他们学会了如何与人交往，在课堂上向大家表述自己小组的结论和想法，锻炼了学生综合信息以及团队合作能力和自我表达能力。教学研究发现，学生在学习过程中对知识的掌握有不同的层次，只进行阅读掌握10%；如果只是听教师讲，没有视觉感应，掌握26%；如果只是视觉效果，掌握30%；如果听和看结合，掌握50%；如果可以简单地重复讲出来，掌握70%；而如果自己通过做而讲出来就掌握了90%，因此，这种理论实践一体化的教学模式，使学生参与教与学的过程，学生能够最大程度地掌握所学的知识，而且各方面能力得到了锻炼，课程讲授也达到了最终目标。
四、结语
我们对电力电子技术实施理论实践一体化的教学，其实也是一种参照德国双元制的教学模式的改革，这种改革使我们反思了“教”与“学”的关系，在教学过程中强调以学生为主，教师作为教学的组织者、指导者、帮助者和促进者。今后这类教学改革，我们还要不断地进行，使学生更快更好地掌握电力电子技术，能够在工作岗位上更好地应用这些知识，成为应用型人才。
参考文献：
［1］王兆安，黄俊主编.电力电子技术［M］.北京：机械工业出版社，2000.
关键词：机电一体化；控制原理，应用
前言：现代科学技术的飞跃发展，对不同学科的交叉与渗透起到了极大的推动作用，引起了工程领域的技术改造和革命。机电一体化作为机械技术与微电子技术相互融合发展的结晶，打破了传统的机械工程、建筑工程、控制工程等旧单元模块的划分，形成了集机械技术、计算机技术等技术为一体的新兴交叉学科。
1.机电一体化技术的控制原理
PC机控制一个机器运动是机电一体化技术典型的代表。就现代工业来说，基本上由PC机发出的电子信号，然后被机械识别，最后由电动机拖动。对于控制电动机的起动、停止、调速和制动，一般需采用接触器或电子元件，通过控制电动机电路的通断实现【1】。
接触器要控制电动机电路的通断，主要是控制线圈的电源，即：接触器的线圈通电，使其触头改变状态，由原来的断开的变成闭合，或者原来的闭合的变成断开。由于计算机输出的信号功率太小，而控制接触器一般需要较大的功率才能工作。因此，为了实现对电动机的工作状态的控制，需要通过断电器或其它元件对控制信号进行功率放大，再用放大后的信号控制接触器的通电与断电。
有触点的控制系统是采用继电器、接触器控制的电路系统，是较早采用的控制方案，目前仍具有相当广泛的应用；现在的控制系统很多采用晶闸管、晶体管等作为控制元件，称为无触点控制系统【2】。计算机输出的信号同样需要进行功率放大，然后控制允许通过的较大电流、能承受高电压的晶闸管或大功率晶体管。通过控制信号控制晶闸管或大功率晶体管，实现晶闸管或大功率晶体管接通或断开电动机的主电路，从而控制电动机工作。
2.机电一体化技术的应用
纵观我国机电一体化的发展历程，可发现机电一体化在我国的起步发展是较晚的，为此，大量的基础理论与技术未能得到较好的研究，国内也未能涌现出强大的自助研发能力，前期只能研究国外的机电一体化产品，从中获得经验和技术成果。但是，20世纪80年代起，机电一体化技术得到了国务院的重视，成立了专门的机电一体化领导小组，并纳入了“国家863计划”。在制定“九五”规划和2010年发展纲要时充分考虑了国际上关于机电一体化技术的发展动向，以及由此可能带来的影响【3】。在国内，许多研究机构、高校设立专门项目、专业课程来研发、学习该技术，部分大型企业也对机电一体化技术的发展及应用做了大量工作，取得了一定的成果，具体有以下几个方面的突出表现。
2.1 在现代机械制造业中的应用
传统的机械制造业是建立在规模经济的基础之上，靠企业规模、批量生产、产品结构和重复性来获得竞争优势，主要强调的是资源的有效利用，以低成本获得高效率、高质量，其盈利来自于机器取代人，复杂的专业加工取代人工技能。而先进的机械制造业则不同，是以信息为主导，采用先进的生产模式、制造系统、制造技术、组织管理的全新机械制造业，具有网络化、虚拟化、智能化、全球化以及环保绿色化的特征。现代制造业集成了现代科学技术的发展，充分利用电子计算机技术，使制造技术提高到新的高度【4】，近年来，制造工程领域也相继诞生了很多的新技术，如：计算机数字控制、现代集成制造系统、柔性制造技术等。
2.2 在煤矿行业中的应用
随着工业的快速发展，向机电要产量、要效益是煤炭行业提出的新要求和目标。机电一体化在煤炭行业中有着小型化、智能化、数字化、绿色化的发展方向。
机电一体化技术在煤矿含有中的应用主要体现在一下几个方面：（1）在线监控、故障自诊、自动报警，即对煤矿机械的电动机、传动系统、工作装置、制动系统和液压系统等的在线运行状态监控，出现故障能动报警并准确地指出故障的部位；（2）节能降耗，提高生产效率，例如：井下使用的胶带输送机、通风机、提升机等，使用变频起动、PLC控制系统，节电量就为30％左右，同时生产效率也大大提高【7】；（3）自动化或半自动化程度的提高。煤矿机械实现自动化或半自动化控制，可以减轻操作者的劳动强度，提高生产效率，并减少因操作者的经验不足对作业精度的影响。
2.3 在数控机床中的应用
机电一体化技术在数控机床及相应的数控技术中的使用，经过40年的发展，在结构、功能、操作和控制精度等方面都得到了迅速提高【9】，主要体现在一下几个方面：（1）总线式、模块化、紧凑型的结构，以单板、单片机作为控制机，加上专用芯片及模板组成结构紧凑的数控装置；（2）能同时完成多个独立加工任务或控制多台和多种机床的能力，将刀具破损检测、物料搬运、机械手等控制都集成到系统中去，实现了多过程、多通道控制；（3）WOP技术和智能化的运用，系统能提供面向车间的编程技术和实现二、三维加工过程的动态仿真，并引入在线诊断、模糊控制等智能机制；（4）系统的多级网络功能，加强了系统组合及构成复杂加工系统的能力；（5）硬件体系结构和功能模块具有层次性、兼容性、符合接口标准，能最大限度地提高用户的使用效益，实现了开放性设计；（6）数控功能、CNC系统控制功能，得到丰富和加强的大容量存储器的应用和软件的模块化设计。
结束语：
机电一体化将会促使机械工业发生战略性的变革，也会使传统的机械设计方法、设计概念发生革命性的变化。本文对机电一体化技术的控制原理及主要应用领域进行了讨论阐述，大力发展新一代机电一体化产品，不仅是改造传统机械设备的要求，而且也是推动机械产品更新换代和开辟新领域、发展与振兴机械工业的必由之路。
参考文献：
[1]郭致江.机电一体化技术浅析[J].中国电子商务，2011,2:102-103.
[2]董金森，张小扬.论机电一体化技术[J].有色金属加工，2009，38（1）：51,55-58.
[3]郝明焕，汤宏伟.机电一体化的应用[J].科技论坛，2011，（19）：72-72.
1在电力系统的工作过程中，计算机信息系统是普遍应用的
随着时代的发展，供电公司的信息化体系不断健全，其自动化应用需求不断得到提升，这其中涉及到很多的工作模块，比如办公自动化系统，用电营销系统，输变电工程系统等，这都需要进行自动化程序的控制。目测来说，电能量计量遥测系统是这个控制体系的核心，其需要在专门的虚拟网络中进行传输。为了更有效的进行计算机信息网络的改善，进行电力专用通信网络的开拓是必要的，从而保证计算机网络的不断延展及其延伸，扩散到各个生产场所，保证为其信息化应用系统创造条件，保证其可靠性的信息传输，进行通信模块，计算机信息网络模块的传输，保证供电企业的信息一体化工作，从而满足当下工作的需要。为其创造统一性的信息传输平台，从而有利于供电企业的信息一体化过程。
2在通信及其信息网络系统的应用过程中
可以进行计算机信息网络系统的升级，保证信息网络整体系统的优化，按照企业的信息化工作需要，进行自动化应用系统的更新，保证其实时性、安全性及其可靠性，更好的满足不同工作业务的需要。更好的进行数据模块，故障模块的控制，更好的减少系统的崩溃率，从而更好的降低网络传输的不稳定几率，为网络信息化及其自动化应用系统的工作创造一个良好的条件，保证其统一信息传输平台的应用。通过对通信系统及其信息网络系统的整合，更好的进行计算机信息网络的延伸，更好的进行网络生产管理信息的良好运作。这就需要做好信息网络变电及其输电过程的业务控制管理，做好查询模块、统计模块等的工作，更好的进行生产管理信息的优化，保证其管理工作的效率提升。在实践工作中，电力企业信息化仍然面临着巨大的挑战，这些挑战涉及多个模块的内容。如果缺乏必要的策划控制，就容易导致信息的不完整性，也就难以保证电力系统的统一性。这就需要进行电力单位的管制，更好的保证电力企业的信息化进程。但是在这一发展过程中，如果缺乏健全的信息化构建系统，就难免出现电力企业信息化中的麻烦。这就需要针对电力企业的发展程度，进行不同个工作模块的优化。针对不同信息化含量的电力工作展开布置，保证策划程序的良好性，针对其业务进程及其管制展开分析，做好业务的整理工作，更好的进行信息化的建设，策划好各个信息体系的工作步骤，保证信息化的质量。
3不能缺乏计算机的有效管理
如果缺乏计算机的管理，其信息的发出及其接收就难以得到控制，也就难以进行信息的识别。这就需要按照当下计算机信息处理的工作需要进行控制，进行工作模块的标准化流程，做好计算机程序的各个工作，进行数据标准化的控制，及时的进行计算机的处理，保证数据库的良好管理，保证科学化、信息化管理模块的协调，保证电力系统管理水平的提升。随着社会的不断进步，电力信息面临着巨大的挑战，也面临着更好的发展机遇，很多的厂商都推出了面向电力行业的管理方案。经营决策者需要根据市场的信息及其需要进行企业发展策略的决定，这需要信息管理者们做好生产信息及其经营信息的管理工作，保证决策模块的优化，做好信息的积极处理工作。
二、关于计算机信息管理及其电力企业
信息一体化目标的分析在电力系统工作过程中，可以串联各个电力部门之间的信息化体系，保证电力单位的程序运作智能化，保证不同应用体系之间的相互结合，这样可以打破独立信息化体系运作之间的局限性，通过对电子商务的利用，更好的提升电力单位的市场竞争力，也有利于针对电力单位的工作步骤，进行工作范围的开拓，保证电力单位内部结构的协调性。凭借电子商务的使用推动电力单位在竞争中处于优势的地位。还有，针对电力单位内部机构中一些封闭的工作范畴，经过贯彻单位的整合运用，能够把电子商务和那些封闭的工作范畴有机联系起来，进而能够推动电力单位内部结构各个信息化的体系综合起来。通过对不同电力信息体系的结合，更好的保证电力系统的综合管理，保证不同模块中的数据信息的结合，保证这些数据材料的良好应用，进行电力单位的信息化体系的修整，以满足当下工作的需要，提升其应用效率。电力单位内部的作业程序要按照数字信息化的形式开展。如，在使用ERP软件体系搜索有关内容时，就要凭借综合模块进行完成，这就必须在完成电力单位信息体系的综合时要把有关的工作程序管制的体系综合起来。
三、结语
关键词:中国制造2025；机电一体化；现状；展望；863计划
1当前机电一体化产品概念设计国内外研究现状
1.1国内研究现状
我国机电一体化的研究主要伴随着“863项目计划”而开展，我国的智能机器人等项目也在该计划的支持下取得突飞猛进的发展，目前我国的工业化整体处于“工业3.0”左右的阶段。（1）数控技术方面：截止2016年，我国数控技术经历58年，目前国产数控机床可供品种达2000左右多种，船舶制造、航空航天等行业的发展拉动高端数控机床的发展，进而推动机电一体化进程。（2）工业机器人方面:目前，国内机器人销量以百分之四十五以上速度增长，并且我国计划有系统地攻关，在原有的良好基础上更上一层，后期能立于世界先进行列之中。（3）激光术方面：近年来，激光技术发展很快，我国自1985年以来，更以每年25%以上速度增长，最近又扩大了紧凑型的高功率激光器的应用的范围，例如，用于激光制造、汽车发动机的发展或用于空间探索的推进器系统改造。（4）互联网应用方面：推行互联网思维下的智能制造，苏州纽威阀门有限公司和三一集团有限公司分别运用CAX系统和SPC工具进行智能制造，提高了效率，建立了一个高度灵活的个性化和数字化的产品与服务的生产模式。通过这几方面可以看出机电一体化产品概念设计有着很大发展，但是离德国、美国等欧美国家还有一定的差距。
1.2国外研究现状
机电一体化的相关研究在国外最早在上个世纪60年代开始，在九十年代后期机电一体化进入深入发展阶段，并出现了“机电液”和“机电光”等一些新的分支，现阶段以德国和美国为代表的发达国家工业化发展已经达到了“工业4.0”，并在国际上处于领先地位。
2未来建立机电一体化的产品概念设计理论与方法的意义
未来建立机电一体化产品概念设计理论与方法意义深远，在新的技术不断冲击下，机电一体化会不断提高，能提高我国的机械工业化水平，也是社会生产力的必然要求，能在追求特定价值功能的基础上，实现系统的最优化，能很好地代表当今机械工业主要趋势。
3未来机电一体化的发展展望
未来，随着微电子技术和机械电子技术的迅猛发展，机电一体化必将注入更多新的内容，各个学科将继续相互交叉、相互支持和互相发展，并且机电一体将朝着更加智能化、微型化、系统化和环保化方向发展，总理在政府工作报告中指出，实施“中国制造2025”计划，坚持创新驱动，智能转型，强化基础，绿色发展，加快从制造大国转向制造强国，并且我国今年推出了“工业互联网”和“互联网+”概念，并且在一些高等院校举办“互联网+”创新比赛，并取得不错的效果，让机电一体概念设计理论与方法化不断升级，加强了工业化与信息化的紧密结合，下一阶段我们将运用信息—物理融合系统（CPS）,实现大型大型工程系统实时感知、动态控制和信息服务，更好利用机电一体化解决实际问题，不断促进中国工业化发展。
4结语
在“中国制造2025”计划的推动下，机电一体化的研究和相关领域必将出现突飞猛进的发展，当然，与机电一体化相结合的技术（机电液和机电光）很多，相信未来在机电一体化的促使下中国工业将迈向“工业4.0”。
作者:于志业 单位:太原科技大学
参考文献：
[1]孙彦广。工业智能控制技术与应用[M].北京:科学出版社，2007.
[2]李建勇。机电一体化技术[M].北京:科学出版社，2004.
【关键词】渗透压仪;机电一体化;冰点测量;医药卫生
Abstract：Osmotic pressure meter is widely used in medicine，health. At present，the most commonly used osmotic pressure meter have disadvantages of complex structure，high cost，low precision and efficiency. To solve these problems，we propose a novel osmotic pressure test instrument in the paper，which is designed by mechanotronics theory. Meanwhile，the principle，the realization scheme and functional characteristics of the system are introduced in the paper. The instrument has the advantages of small size，high accuracy，fast detection speed etc.. In addition，the apparatus is designed with a data transmission interface，convenient data analysis and comprehensive utilization.
Key words：Osmotic pressure meter;Mechanotronics;Freezing point test;Medicine
引言
渗透压仪在医药、卫生领域应用十分广泛。在制作注射针剂、滴眼液等药物时，必须考虑药剂的渗透压，渗透压过高或过低都会导致人体细胞或细胞壁破裂等严重后果。为了更好的指导医生临床用药，必须在药物标签上注明溶液的渗透压相关参数[1-2]。因此研制开发渗透压测试仪器在药物研发、生产及临床用药等方面具有重大意义。
目前，常用的渗透压测定方法有：冰点下降法、沸点升高法、半透膜法等[3]，本文提出的新型渗透压测量仪采用冰点下降法设计，融合了机电一体化系统设计理论。该仪器克服了传统检测方法的不足，具有体积小、精度高、重复性好、操作简便等优点。
1.渗透压仪工作原理及技术方案
1.1 工作原理
本文提出的渗透压仪基于拉乌尔冰点理论设计。所谓拉乌尔冰点理论就是任何溶液如果其单位体积所溶解的颗粒总数相同，则引起溶液冰点下降的值也相同。根据该理论，我们知道，水溶液的渗透压摩尔浓度与其对应的冰点值有一一对应关系;其渗透压摩尔浓度与冰点温度下降值为线性关系，其关系为;其中表示水溶液的渗透压摩尔浓度;表示水溶液的冰点温度值相对于水的冰点温度值的下降值。可见，通过测量被测水溶液的冰点温度下降值可以算出对应水溶液的渗透压摩尔浓度。
对于任意水溶液，其结冰过程可以用图1所示的结冰曲线来描述。图中AB段为降温阶段;BC段为过冷阶段;CD段为溶液受到扰动后，开始结晶放热，溶液温度回升阶段;DE段为温度稳定阶段，该段温度即为所测溶液的冰点温度。因此，测得这段平稳曲线的温度值，最终就能评价所测溶液的渗透压值。
图1 水溶液结冰曲线图
1.2 技术方案
基于拉乌尔冰点理论的渗透压测量仪总体上可以分为机械结构和控制电路两部分，仪器整体是一个典型的机电一体化装置，整个系统的设计遵循机电一体化系统设计原则。其中，机械结构部分包括一套探针搅拌机构、两套制冷机构、和两套传动及定位机构。控制电路部分包括供电电路、单片机电路、通信电路、传动控制电路、制冷控制电路、高精度温度检测电路、按键及显示电路等，控制电路结构如图2所示。仪器采用AC220V供电，通过内部的供电电路，转换成+5V、±15V，+12V等控制电源供仪器使用;单片机选用STC12C5A芯片，实现键盘读入、LCD显示、高精度温度测量、制冷和传动控制等功能。STC12C5A60S2是一款高效微控制器，内部集成了10位ADC模块，转换速度可达250K/S，具有技术成熟可靠、灵活方便、价格低廉等优点，其软硬件资源可以满足设计要求[4];溶液冰点温度测量采用美国SENSOR公司的负温度系数热敏电阻SP60A实现。该型号的热敏电阻采用玻璃封装形式，能够实现液体温度的高精度测量，误差为±5%;半导体制冷元件采用单级温差电制冷组件TEC1-12706设计，该组件采用+12V供电，配合NTC温度传感器实现对样品和探针的制冷控制;此外，仪器还设计有按键、液晶显示、EEPROM存储等电路，用于完成标定和测量参数显示等功能。
图2 渗透压仪控制电路结构图
图3 机械系统结构示意图
2.仪器机械结构设计
本仪器的机械结构主要包括三部分，下面将分别介绍。
1）探针搅拌机构。由直流电动机、曲柄滑块机构和探针组成，该机构利用电机转动，带动探针做上下直线运动，从而实现对溶液的搅动并触发其立刻结晶。
2）制冷机构。本仪器有两套制冷机构，分别负责对被测溶液和探针的制冷控制。每套制冷机构包括制冷半导体、制冷铜块、温度传感器和绝热填充材料等。
3）传动和定位机构。本仪器有两套传动和定位机构，分别负责对制冷机构的平移控制和探针搅拌机构的升降控制。每套传动和定位机构由直流电动机、齿形带传动机构、光耦开关等组成（见图3）。
3.仪器硬件电路设计
3.1 冰点温度检测电路
仪器中，溶液冰点温度的检测采用NTC温度传感器SP60A来完成。检测电路如图4所示。NTC插入样品，与被测溶液充分接触，当溶液温度发生变化时，NTC的阻值也随之变化，利用图4所示的电路可以测得阻值的变化，从而测得溶液温度。根据结冰曲线，可以分析出溶液的冰点温度。电路分析：IC6A，R97，R98组成一个200mA恒流源电路;利用恒流源将NTC的阻值转换为电压信号;再利用IC7采集并将信号送给单片机;最后单片机再根据温度曲线计算冰点温度。
3.2 传动控制电路
传动控制电路是本设计的重要组成部分，是整个电路系统的一个有机整体。仪器中有两套传动机构，分别由两个12V供电的直流电机控制，实现制冷机构的平移控制和探针机构的升降控制。电机控制由LMD18200完成[5]。LMD18200是美国国家半导体公司推出的专用于直流电机驱动的H桥组件。其连续输出电流达3A，工作电压高达55V，且具有过热和短路保护功能，能够方便的实现对直流电动机的可靠控制。电机控制电路原理如图5所示，LMD18200所接收的转向信号由单片机的P1.1输出，而PWM信号由P1.2模拟输出，实现直流电动机的转速和转向控制，进而实现对传动系统的控制。
图5 电机控制电路原理
3.3 制冷控制电路
渗透压仪在工作过程中，（下转第121页）（上接第119页）探针和被测溶液需要通过半导体制冷来使其达到规定的温度范围。本仪器中半导体制冷元件采用单级温差电制冷组件TEC1-12706设计，该组件采用+12V供电，配合NTC温度传感器实现对样品和探针的制冷控制。电路图如图6所示。当P2.1为低电平时，Q1导通，制冷半导体得电，开始制冷;当温度达到规定值时，P2.1变为高电平，Q1截止，制冷半导体失电，停止制冷。
图6 制冷控制电路原理图
3.4 RS485总线接口电路
本文设计的总线接口电路采用RS485通信方式，接口电路原理如图7所示。利用RS485总线接口，实现渗透压仪的数据传输与分析。
图7 RS485接口电路原理图
4.实验与分析
针对设计的渗透压测量仪，进行了测试实验，实验对象是质量分数为0.9%的NaCl标准溶液。三次测量据如表1所示。实验结果表明，三次测量结果的相对偏差小于1%，测量平均值的相对误差小于1%，本仪器的测量精度和重复性较高，能够满足设计要求。
表1 渗透压仪精度及重复性实验数据表
电压值（V） 冰点温度
（℃） 渗透压摩尔浓度
（mOSmol/kgH2O） 误差
第一次测量 1.837 -0.535 287.9 -0.2%
第二次测量 1.839 -0.538 289.5 0.3%
第三次测量 1.835 -0.532 286.3 -0.7%
平均值 1.837 -0.535 287.9 -0.2%
标准值 288.5
5.结束语
本文提出的新型渗透压测量仪采用冰点下降法设计，融合了机电一体化系统设计理论。该仪器克服了传统检测方法的不足，具有体积小、精度高、重复性好、操作简便等优点。在医药、生物和食品卫生等领域具有广阔的应用前景。
参考文献
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一、机电一体化技术发展历程及其趋势
自电子技术一问世,电子技术与机械技术的结合就开始了,只是出现了半导体集成电路,尤其是出现了以微处理器为代表的大规模集成电路以后,"机电一体化"技术之后有了明显进展,引起了人们的广泛注意.
(一)"机电一体化"的发展历程
1.数控机床的问世,写下了"机电一体化"历史的第一页;
2.微电子技术为"机电一体化''''''''带来勃勃生机;
3.可编程序控制器、"电力电子"等的发展为"机电一体化"提供了坚强基础;
4.激光技术、模糊技术、信息技术等新技术使"机电一体化"跃上新台阶.(二)"机电一体化"发展趋势
1.光机电一体化.一般的机电一体化系统是由传感系统、能源系统、信息处理系统、机械结构等部件组成的.因此,引进光学技术,实现光学技术的先天优点是能有效地改进机电一体化系统的传感系统、能源(动力)系统和信息处理系统.光机电一体化是机电产品发展的重要趋势.
2.自律分配系统化——柔性化.未来的机电一体化产品,控制和执行系统有足够的“冗余度”，有较强的“柔性”，能较好地应付突发事件，被设计成“自律分配系统”。在自律分配系统中，各个子系统是相互独立工作的，子系统为总系统服务，同时具有本身的“自律性”，可根据不同的环境条件作出不同反应。其特点是子系统可产生本身的信息并附加所给信息，在总的前提下，具体“行动”是可以改变的。这样，既明显地增加了系统的适应能力(柔性)，又不因某一子系统的故障而影响整个系统。
3.全息系统化——智能化。今后的机电一体化产品“全息”特征越来越明显，智能化水平越来越高。这主要收益于模糊技术、信息技术(尤其是软件及芯片技术)的发展。除此之外，其系统的层次结构，也变简单的“从上到下”的形势而为复杂的、有较多冗余度的双向联系。
4.“生物一软件”化—仿生物系统化。今后的机电一体化装置对信息的依赖性很大，并且往往在结构上是处于“静态”时不稳定，但在动态(工作)时却是稳定的。这有点类似于活的生物：当控制系统(大脑)停止工作时，生物便“死亡”，而当控制系统(大脑)工作时，生物就很有活力。仿生学研究领域中已发现的一些生物体优良的机构可为机电一体化产品提供新型机体，但如何使这些新型机体具有活的“生命”还有待于深入研究。这一研究领域称为“生物——软件”或“生物系统”，而生物的特点是硬件(肌体)——软件(大脑)一体，不可分割。看来，机电一体化产品虽然有向生物系统化发展趋，但有一段漫长的道路要走。
5.微型机电化——微型化。目前，利用半导体器件制造过程中的蚀刻技术，在实验室中已制造出亚微米级的机械元件。当将这一成果用于实际产品时，就没有必要区分机械部分和控制器了。届时机械和电子完全可以“融合”，机体、执行机构、传感器、CPU等可集成在一起，体积很小，并组成一种自律元件。这种微型机械学是机电一体化的重要发展方向。
三、典型的机电一体化产品
机电一体化产品分系统(整机)和基础元、部件两大类。典型的机电一体化系统有：数控机床、机器人、汽车电子化产品、智能化仪器仪表、电子排版印刷系统、CAD／CAM系统等。典型的机电一体化元、部件有：电力电子器件及装置、可编程序控制器、模糊控制器、微型电机、传感器、专用集成电路、伺服机构等。这些典型的机电一体化产品的技术现状、发展趋势、市场前景分析从略。
四、北京发展“机电一体化”而临的形势和任务
机电一体化工作主要包括两个层次：一是用微电子技术改造传统产业，其目的是节能、节材，提高工效，提高产品质量，把传统工业的技术进步提高一步；二是开发自动化、数字化、智能化机电产品，促进产品的更新换代。
前者是面上的工作，普及工作；后者是提高工作，深层次工作。
(一)北京“机电一体化”工作面临的形势
1.北京用微电子技术改造传统工业的工作量大而广，有难度
(1)在700余家北京市属工业系统的企业中，有60%以上的企业用微电子技术改造机床设备、工业窑炉、风机电泵、生产过程的任务还未完成需要量的一半。
(2)北京工业系统还有2000余台机床设备亟需用微电子技术进行改造；在已改造的近6500台机床设备中，大约有15%需进一步改造。
(3)北京工业系统尚有近250座工业炉窑亟需用电子信息技术进行改造；且610座已改造过的工业炉窑也很有进一步应用模糊技术进行二次改造的必要。
(4)北京工业系统CAD应用还有较大差距。目前，北京工业品设计，CAD应用率仅17%(而美、日等国已超过85%；国内先进地区也超过了30%)；CAD的覆盖率才达到11%(而全国CAD应用工程领导小组指出，“八五”期间大中型企业要达到35%，中小型骨干企业要达到15%—20%；到“九五”时，按国务委员宋健的要求，基本上要甩掉绘图板)。
(5)北京工业系统共有改造价值的各种风机电泵装机容量50万千瓦，尚49万多千瓦用变调速技术进行改造的任务，占总任务量的99.5%左右。
(6)工业是全市能源消耗大户。1992年，北京工业系统占全市能耗总量的59.5%。而北京是一个能源严重缺乏的城市，1992年北京工业系统万元产值能耗折合标煤为2.47吨，比上海的1.57吨高57%，比天津的2.15吨高14%，比先进的工业化国家高近9倍。因此，北京工业系统节能降耗的任务非常重，而电力电子技术是节能降耗的王牌。
2.北京用机电一体化技术加速产品更新换代，提高市场占有率的呼声高，有压力。北京市的工业产品大约有3万种，每年约开发试制新产品3000种，更新周期很长。由于更新换代速度跟不上市场变化的需要，影响了北京工业产品的竞争能力。
1993年，北京市工业系统生产的机电一体化产品约837种，在当年生产的产品品种总数中仅占7.8%左右。其中：机械局系统主要产品约1200种，机电一体化产品不到150种机电一体化产品所占比例仅4%强；仪器仪表总公司系统主要产品350种，机电一体化产品210种，机电一体化产品所占比例为60%；轻工系统主要产品总数为649种，机电一体化、智能化产品15种，机电一体化、智能化产品所占比例约2.3%；汽车工业总公司系统平均每辆汽车的总成本为3.5万元，每辆汽车平均装用电子产品的费用约300元，不是总成本的1%；与国外约28%的先进水平相差甚远；与国内先进水平相差一半左右。
3.北京用机电一体化产品取代技术含量和附加值低，耗能、耗水、耗材高，污染、扰民产品的责任重，有意义。在北京工业系统中，能耗、耗水大户，对环境污染严重的企业还占相当大的比重，且不少地处城区和近郊区。近年来北京的工业结构、产品结构虽然几经调整，但由于多种原因，成效一直不够明显。这里面固然有上级领导部门的政出多门问题，有企业的“故土难离”“死守故业”问题，但不可否认也有优化不出理想的产业，优选不出中意的产品问题。上佳的答案早就摆在了这些企业的面前，这就是发展机电一体化，开发和生产有关的机电一体化产品。机电一体化产品功能强、性能好、质量高、成本低，且具有柔性，可根据市场需要和用户反映时产品结构和生产过程做必要的调整、改革，而无须改换设备。这是解决机电产品多品种、少批量生产的重要出路。同时，可为传统的机械工业注入新鲜血液，带来新的活力，把机械生产从繁重的体力劳动中解脱出来，实现文明生产。
另外，从市场需求的角度看，由于我国研制、开发机电一体化产品的历史不长，差距较大，许多产品的品种、数量、档次、质量都不能满足需求，每年进口量都比较大，因此亟需发展。
(二)北京“机电一体化”工作的任务
北京在机电一体化方面的任务可以概括为两句话：一句话是广泛深入地用机电一体化技术改造传统产业；另一句话是大张旗鼓地开发机电一体化产品，促进机电产品的更新换代。总的目的是促进机电一体产业的形成、为北京产业结构和产品结构调整作贡献。
1.北京应用机电一体化技术改造传统产业的工作重点
(1)大力采用模糊技术，工业炉窑改造应上新台阶
国内外成功的范例表明，应用模糊技术改造工业炉窑比单纯用计算机和PID技术好的多。因此，我们建议今后北京在改造工业炉窑时要大力推广应用模糊技术，到2000年，对应该进行改造但尚未改造的近250座工业炉窑要用模糊技术等先进电子信息技术改造完毕，其中采用模糊技术改造要在80%。
(2)积极采用数控技术，机床高备改造要达新水平
对机床设备的改造重点应放在经济型数控系统的推广应用上。根据需要和可能，到1995年，北京应该改造的机床设备(8420台)的改造率要达80%以上，到本世纪末要改造完毕。
(3)努力推广变频调速技术，风机电泵改造要攀新高度
风机、电泵采用变频调速后一般可节电20%以上，效果十分显著。因此，在今后几乎，北京要把交流变频调速技术的推广应用作为重点来抓。到1995年，应该采用变频调速技术改造的风机、电泵要改造完60%；到本世纪末，北京的风机、电泵和其它调速电机要普遍；采用先进的变频调速技术。
(4)优先应用CAD／CAM技术，工业设计水平提高要有新目标
北京工业产品更新换代慢，设计工作跟不上需求变化是重要原因之一。目前，北京工业系统CAD的应用率为17%，CAD的覆盖率为11%，到1995年应分别达到20%和15%，本世纪末，要力争分别达到55%和45%。
2.北京机电一体化产品开发的奋斗目标
(1)总体目标：到1995年全市的机电一体化产品数应不少于800种，2000年，应不少于2000种，机电产品的机电一体化率分别达到25%和60%。
(2)单项目标：
·机床数控化率：1995年，产量数控化率达5%，产值数控化率达16%；2000年，分别达12%和40%。
·汽车电子化程度：1995年，平均每辆汽车上装用和电子产品的费用不少于1000元，在整车成本中所占比例不低于3%；到2000年分别不少于3000元，不低于8%。
·PLC的开发生产能力：“八五”期间，开发能力要稳居全国首位；“九五”北京要成为全国主要的PLC生产基地之一。
·“电力电子”开发生产能力：“八五”期间掌握第二代电力电子器件的批量生产技术和第三代电力电子器件的开发技术。“九五”期间第三代电力电子器件的生产要形成经济批量。在电力电子产品应用方面，“八五”期间，开关电源、高频电源、逆变电源要成为拳头产品；交流变频调速装置要达到批量生产程度；高频电子镇流器要能出口创汇；“九五”，北京要形成一个具有电力电子器件、电力电子装置研制、生产、开发、推广综合配套能力的高新技术产业。
·模糊控制器的开发生产能力：“八五”要把北京建成全国模糊技术控制器的开发生产基地，开发出用于工业炉窑改造，压力、温度、流量控制的模糊技术控制系统典型产品来；交逐步将模糊技术应用于家用电器中。1995年，空调器、洗衣机、电冰箱、吸尘器、电风扇等家用电器产品模糊控制器的普及率要分别达到15、20%、5%、15%、8%左右。到本世纪末，北京家用电器模糊技术普及率要达到50%以上。
·其它机电一体化产品的开发生产能力：微机控制多色印刷机要稳居全国第一；电子医疗仪器的开发、生产争取在“八五”有较大突破，“九五”在品种和产量上全国领先；在“八五”期间，以30万千瓦汽轮发电机组为代表的发电设备要形成综合配套能力，打出规模效益来；数字化、智能化仪器仪表，自动化装置要上品种、上批量……
总之，机电一体化技术既是振兴传统机电工业的新鲜血液和源动力，又是开启北京机电行业产品结构、产业结构调整大门的钥匙。如果北京完成好上面所建议的“机电一体化”发展两方面的目标，那么，到本世纪末，北京就会形成一个销售额超过200亿元的机电一体化产业。其中，数控机床、机电一体化印刷系统、新型电子医疗设备和数字化智能化仪器仪表等机电一体化装备销售额可超过150亿元；“电力电子”的销售额可超过20亿元；PLC模糊控制器等销售额可超过15亿元；汽车电子化、自动化智能化轻工民用电器产品销售额可超过25亿元。机电一体化产业不仅是北京高新技术产业的主力军，也是机电行业停工、待产、明亏、潜亏企业的出路所在。
五、北京发展“机电一体化”的对策
(一)加强统筹安排，协调发展计划
目前，北京地区从事“机电一体化”研究开发及生产的单位很多。各自都有一套发展策略和计是。同时，市政府各有关委、办、局(总公司)也有不少相应的发展计划与规划。各单位的计划由于受各自立足点、着眼点的限制，难免只考虑局部利益，市政府各主管部门的有关计划和规划，也有统一考虑不足，统筹安排不够的问题，全市缺少综观全局的有权威性的发展计划和战略规划。因此，建议市政府责成有关机构在进行深入调查研究、科学分析的基础上，制定出北京统管全局的“机电一体化”研究、开发、生产计划和规划，避免开发上重复，生产上撞车!
(二)强化行业管理，发挥“协会”作用
目前，北京“机电一体化”较热，而按目前的行业划分方法和管理体制，“政出多门”是难哆的。因此，北京有必要明确一个“机电一体化”行业的统管机构，根据目前国家政治体制改革和经济体制改革的精神，以及机电一体化行业特点，我们建议，尽快加强北京机电一体化协会的建设，赋予其行业管理职能。
“协会”要进一步扩大领导机构——理事会的代表层面和复盖面，要加强办公室、秘书处的建设；要通过其精明干练的办事机构、经济实体，组织“行业”发展计划、战略规划的拟制；指导行业布点布局的调整，进行发展突破口的选择，抓好重点工程的试点和有关项目的发标、招标工作……
(三)优化发展环境、增大支持力度
优化发展环境指通过宣传群众，造成一种社会上下、企业内外都重视、支持“机电一体化”发展的氛围，如尽快为外商到北京投资发展“机电一体化”产业提供方便；尽可能为兴办开发、生产机电一体化产品的高新技术企业开绿灯；尽力为开发、生产机电一体化产品调配好资源要素等。
增大支持力度，在技术政策上，要严格限制耗电、耗水、耗材高的传统产品的发展，对未采用机电一体化技术落后产品限制强制淘汰；大力提倡用机电一体化技术对传统产业进行改造，对有关机电一体化技术对传统产业乾地改造，对有关技术开发、应用项目优先立项、优先支持，对在技术开发、应用中做出贡献的单位领导、科技人员进行表彰奖励等。
在经济政策上，要多给机电一体化科研攻关课题、开发应用项目利用科技专项基金和科技三项费用的机会；银行发设贷款要多向机电一体化技术改进、生产合资和机电一体化产业规模化建设项目上倾斜；成立“机电一体化”发展基金，支持机电一体化生产发展等。
(四)突出发展重点，兼顾“两个层次”
机电一体化产业复盖面非常广，而我们的财力、人力和物力是有限的，因此我们在抓机电一体化产业发展时不能面面俱到、平铺直叙，而应分清主次，大胆取舍，有所为，有所不为。要注意抓两个层次上的工作。第一个层次是“面上”的工作，即用电子信息技术对传统产业进行改造，在传统的机电设备上植入或嫁接上微电子(计算机)装置，使“机械”和“电子”技术在浅层次上结合。第二个层次是“提高”工作，即在新产品设计之初，就把“机械”与“电子”统一起来进行考虑，使“机械”与“电子”密不可分，深度结合，生产出来的新产品起码正做到机电一体化。
我们认为，北京“机电一体化”发展，当务之急，重中之重是：
抓紧开发生产GTO、GTR、VDMOS等新型电力电子器件及其应用装置——交流变频调速器、逆变焊机、高频电子镇流器等，用电力电子技术进行的节能、节材为主要目的的技术改造；
抓紧推广应用经济型数控系统，改造机床设备；开发生产低、中档数控系统；
