刍议广义机电学科基础逻辑架构之十六：

电工电子学科及技术人工物结构新的逻辑架构初探

摘要

本文通过类比生物体的层次结构，提出了电工电子学科的层次结构，包括多电工电子串联层次，基础件层次、组合件层次、转换器层次、电路层次、电器整机层次和复杂电器系统层次等，并详细探讨各层次的定义、组成、功能和生成关系及典型实例。这一逻辑架构建立了电工电子学科的结构严整性和功能有序性。并归纳总结得到了机械、液压气动、建筑电工电子学科的结构严整性和功能有序性，初步得到了技术人工物的统一的逻辑架构。

目录

一、研究对象方法和目的

二、电工电子学科的基础逻辑架构和层次划分的研究现状

三、电工电子材料简述

四、电工电子学科的学科结构的层次划分和基础逻辑架构

五、技术人工物学科结构的层次划分和基础逻辑架构

参考文献

  后记

 1、 研究对象方法和目的

1.1.  研究对象

1.1.1 技术人工物的一种分类方式

为了说明本文的研究对象，有必要对技术人工物做一个特殊的分类。所谓特殊的分类，就是依据技术人工物的基本运动形式进行分类。

技术人工物，涉及的运动形式包括宏观运动和微观运动两种基本运动形式。例如，机械运动，包括宏观机械运动和微观机械运动或微运动和热运动。热运动包括微观分子运动和可能伴随的宏观运动（流体的宏观运动），化学反应也是一种运动形式。发动机内的燃料的燃烧是一个化学变化，伴随放热（热运动），形成气体的宏观运动。电化学反应，电池的化学反应等也是化学反应。所以机械产品包括化学反应。电子产品也有化学反应，如铅酸电池，燃料电池等。除了电子的运动和电磁场运动外，其它形式的运动，还有磁致伸缩，热胀冷缩，光敏材料形成的运动，还包括其他界面效应形成的运动等。

机械产品的运动形式包括机械运动、热运动和化学变化运动，以及重力作用下的运动。既有宏观运动也有微观运动。

一个完全的电子产品涉及的运动形式包括电磁场运动，电子运动和量子运动，以及与各种电子运动相关的微观机械运动，还包括化学变化或电化学变化形成的微观运动等。

机电一体化产品则涉及以上多种运动形式。宏观机械运动和电子运动都占有比较大的比重。在功能实现方面，两种运动形式都有相当的贡献。

实际上，现代复杂的技术人工物多是机电一体化产品，是多种技术的融合。

实际的分类是把以机械运动（包括部分微观运动和热运动，流体运动）为主，并含有少部分电子运动的产品称为机械产品。如车床，铣床，虽然含有电机和机械式电开关，仍然称为机械产品。机械产品的功能主要体现在机械层面。

把以电子运动（包括部分微观运动和化学变化运动）为主，并含有少部分机械运动的产品称为电器产品。如电脑，虽然含有机械键盘，电风扇等，任然称为电器。电器产品的功能主要在电子特性方面。如电视机。

把同时含有机械运动和电子运动的产品称为机电一体化产品。例如磁带录放机是一个机电一体化产品。复印件是一个机电一体化产品。数控机床是一个机电一体化产品。在一个机电一体化产品或部件中，机械多个电子或液压气动各个分支，都扮演重要的角色。

这种比较模糊的分类方法比较符合实际情况，也与日常生活的习惯接近。但是这种分类方法在各个类别之间进行明确的分界是比较困难的。

1.1.2本文的研究对象

本文的研究对象就是模糊的分类方法所说的电器产品。即研究以电子运动（包括部分微观进行运动和化学变化运动等）为主，并可能含有少部分机械运动的人工物产品。本项研究聚焦于电工电子学科涉及的技术人工物及其相互关系，重点是结构的部件的关系。例如，以电阻器、电容器、二极管、三极管、集成电路、收音机，电视机等电器设备等作为研究对象。

1.2.  研究方法

本文主要应用类比法，归纳法，移植法和个案分析法。

类比法，亦称“比较类推法”或“类推法”，是一种基于事物间相似性进行推理的方法。应用领域包括科学研究、法律推理 、日常决策、 教育和学习。类比法虽然应用广泛 ，但结论具有或然性，需谨慎评估其适用性和准确性。本文的类比对象是生物结构。

1.2.2 移植法

移植法是将某一领域中的原理、技术、方法等应用到另一领域，以解决新问题或推动科学进步的方法。其基本原理基于不同领域间的相似性和共性 。

移植法的类型包括原理移植、技术移植 、方法移植 、结构移植 、功能移植 等等。本文应用移植法，就是把机械学科的结构严整性用于电工电子的结构层次划分等。

1.2.3 归纳法

归纳法分为完全归纳法和不完全归纳法。完全归纳法考察某类事物的全部情况，结论具有必然性；不完全归纳法则基于部分情况推断整体，结论具有或然性。本文应用不完全归纳法，对本文涉及的诸多的电工电子器件设备系统等等做归纳，找出规律便于层次划分和统一各个分支系统。

本文还应用了个案分析方法，用于分析几个整机等。

1.3.  研究目的

1.4.  本项研究旨在达到两个目的。一个是建立一个新的电工电子领域的逻辑架构，该架构将包含新的层次划分和部件生成关系。通过综合运用类比法、移植法和归纳法等研究方法，深入分析电工电子学科中的技术人工物及其相互关系；第二个目的是归纳综合机械液压气动建筑和电工电子的结构层次，建立技术人工物的统一逻辑架构。

2、 电工电子人工物层次结构层次划分的研究现状

2.1层次结构分析的重要性和意义

层次，作为系统科学的核心概念，具有双重含义：既指具体的、单一的层级（level），也指由多个层级构成的完整体系（hierarchy）。复杂系统往往层次繁多，且层次间关系错综复杂。本文重点探讨的是层次结构，即由基本元素通过特定关系形成子系统，这些子系统再进一步组合成更高级系统的逐级构成方式。

在这一框架下，特定层次的系统由低层系统构成，而这些低层系统又是构成更高层系统的基础。美国学者赫伯特·A·西蒙对此有深刻见解，他认为层级结构是由相互关联的子系统组成的复杂系统，每个子系统内部同样呈现层级性，直至达到最基本的子系统层次。他强调，层级结构是复杂系统构建的主要方式之一。

从系统突现性的视角来看，系统的整体特性是构成元素相互作用后产生的质的飞跃。层次，作为这一过程中的不同阶梯，体现了从元素特性到系统特性的逐步演变。如果将系统演化视为纵向进程，那么层次便是这一进程中的横向截面，即性质相近或互补的元素形成的横向组织。

层次结构具有两大核心特征：一是低层系统对高层系统具有构成性，是高层系统不可或缺的组成部分；二是高层与低层系统间存在复杂的相互作用规律，这包括：

上向因果关系：低层系统及其相互作用是高层系统形成的原因，体现了低层对高层的根源性影响。

下向因果关系：尽管高层系统由低层系统构成，但低层系统却受到高层系统及其规律的制约和支配，体现了高层对低层的控制和限制作用。

高层次的相对独立性：高层系统虽源于低层，但一旦形成便具有独特的结构、规律、属性和功能，不能简单归结为低层系统的总和。高层次的涌现是低层次相互作用的结果，但具有超越低层次的独立性和新颖性。

所以，高层与低层物质系统间存在相互作用的双向因果关系，同时高层系统又具有相对的独立性。历史上，忽视这种层次间本质差异和高层对低层下向因果关系的观点被称为“绝对还原论”，这是不正确的。正确的方法应是结合上向和下向因果关系进行层次分析和层次综合，以全面理解系统的层次结构和动态演化。 

2.2  电工电子架构层次的研究现状

 检索到的文献或教育资源对电工电子学科涉及的技术人工物结构没有一个统一的广为接受的层次划分。

电工电子学科是一个广泛的领域，涵盖了从基础理论到前沿技术的多个方面。不同的文献和教育资源会根据其特定的教学目标、研究领域或行业需求，对自己领域技术人工物进行不同的层次划分。一些文献可能会侧重于基础理论和元件的介绍，而另一些则可能更关注复杂的电路设计和系统应用。同时，随着新技术的不断涌现和发展，电工电子学科的内容也在不断更新和扩展，这也使得层次划分更加多样化和动态化。

在电工电子学科中，技术人工物的层次划分可以从不同的角度进行理解。例如，根据最新的学科调整，电气工程一级学科被划分为10个二级学科，这些包括电工理论与新技术、电工材料与电介质、电机系统及其控制、智能电器与电工装备、电力系统及其自动化、电力信息技术、高电压与绝缘技术、电力电子与电能变换、新能源发电与电能存储、生物电磁技术等 。这种划分体现了从基础理论到应用技术，从传统领域到新兴领域的层次性。

 更多的看到教科书中隐含的层次结构。特别是电工电子概论方面的教材。出于教学目的，教材作者都会对内容做出某种 合理的安排。多数是从简单到复杂，从低级到高级安排内容。这种安排，反映了教材作者对电工电子学科结构层次的理解和认识。基于此，我们可以建立一个基本的层次结构。下面给出的层次划分，就是相关教材中比较多见的层次划分：

（1）、基本元器件层次：如电阻、电容、电感、二极管、三极管等，是构成电工电子电路的基础元素，功能相对单一，主要用于实现基本的电路特性，如限流器、滤波器、整流器，灯泡，电池等.

（2）、 基础电路层次：像串联电路、并联电路、直流电路、单相交流电路等，由基本元器件组成，用于实现简单的电能传输、分配和基本信号处理功能，是构建、理解和分析更复杂电路的基础。 还包括控制电路：包括各种逻辑控制电路、电机控制电路和传感器电路等，能够根据输入信号和预设条件，对电路的通断、电流大小、电压极性等进行控制，实现对设备或系统的简单控制功能，如实现电机的启停、正反转控制等.

（3）集成电路层次：将多个电子元器件及连接线路集成在一个微小的芯片上，实现了更复杂的功能，如运算放大器、定时器、计数器等，大大提高了电路的性能和可靠性，减少了电路的体积和功耗.

 （4）、 电子系统层次：由多个不同功能的电路或模块组成，如音频功率放大器系统、电源管理系统等，能够协同工作完成特定的复杂功能，涉及到信号的采集、处理、放大、传输等多个环节，需要对各部分电路的性能和相互之间的匹配进行综合考虑和设计.包括小型电子产品：如收音机、电视机，电子时钟、充电器等，是电子系统的具体应用实例，将各种电子技术和电路集成在一起，形成具有完整功能的产品，需要综合运用电子技术、机械结构设计、工艺制造等多方面的知识来实现.还包括智能控制系统：融合了传感器技术、微处理器技术、通信技术等多种先进技术，能够实现对复杂系统的智能化监测、控制和管理，如智能家居系统、工业自动化控制系统等。

（5）、 复杂电子设备与电器层次：如大型通信基站、卫星导航系统、医疗电子设备等，涉及到大规模集成电路、高速信号处理、高精度测量与控制等前沿技术。该层次结构复杂、功能强大。对可靠性、稳定性和安全性要求极高.

目前电工电子学科涉及的技术人工物层次划分呈现出多样化的研究现状。不同的划分方式从各自的角度揭示了技术人工物的内在结构和特性，反映了电工电子学科在功能实现、技术演进、学科融合以及应用拓展等多方面的复杂性和丰富性。

2.3 存在问题和要做的工作

当前的层次划分研究仍存在一些不足之处，例如各划分方式之间缺乏统一的整合框架。特别是不同学科之间的类比存在困难，导致不同研究成果之间难以进行有效的比较和协同应用。

   我们进行的层次划分，是在现有的层次划分的基础上，类比生物结构的层次划分，并移植机械学科的层次划分成果。

我们认为，层次划分和基础逻辑架构的建立，有两点至关重要。一是基本结构单元和基本结构单元的连接。连接包括连接方法和连接模式等。二是层次划分的依据。

与生物结构类比，现有的机械液压气动，建筑和电工电子学科的层次划分，没有一个学科是与生物结构的层次相吻合的，参见表格1。所有的结构层次都缺少某一个层次或几个层次。例如机械领域直接从构件到达机构，没有与生物结构中的组织层次和器官层次对应的层次。建筑直接从基本的构件如砖瓦梁等直接到达建筑物、构筑物，中间缺少必要的层次过渡。电工电子结构可以说是从元件器件直接构成电路，也缺少一些必要的层次衔接。液压气动系统的层次，与生物的层次划分，是最为接近的，液压系统有一个液压阀层次，这是一个至关重要的层次，是其他学科中没有的层次。现有的液压气动结构层次包括构件层次，液压阀层次，液压回路层次和液压整机系统层次。液压气动结构层次仅仅缺失组合件层次。

 在补齐和重构的过程中，实体运动副层次和组合件层次是两个重要的层次。建立实体运动副的概念并确立它所代表的层次，思考良多。而组合件功能和层次的确立，过程最长，起初无奈多于主动。在机械、建筑电工电子学科中，各个领域都缺失组合件层次。是否增加组合件层次，一直是一个不那么理直气壮的决定。一直作为与生物组织强制对应的层次。机械结构的组合件层次称为复合构件，其中，把定常结构列为一个新层次，这相当于有一部分组合件是一个新层次，建筑也类似。在对建筑物层次划分时，构筑物的出现，为组合件层次做了一个支撑，组合件有了存在的必要性。于是把构筑物作为一个新层次。而粘合的两块砖是一个复合构件，不构成一个层次。直到最近，才才哲学层面，从物理层面，从自然辩证法层面和道教思想方面，特别是在发现界面效应在电工电子学科的重要作用之后，才深刻的理解和认识到组合件层次的重要地位和意义。组合件层次是一个关键层次，必不可少。是从一到多必经之路。目前才最终把组合件的地位坚定地确立下来。所以各个层次都有组合件层次。其他层次也做了补充，补全。各个领域的层次都给予重新定义。

所以，建立统一的结构层次，我们应当找到基本的结构单元并补全缺少的过渡层次，找到相应的连接方法和连接模式。然后再构建整个人工物逻辑架构。我们尽可能构建一个与生物结构相类似的逻辑架构。机械、液压、建筑结构等学科的基础的逻辑架构，我们已经基本完成了层次划分，并有所发展。例如在个别层次建立了多个子层次。例如机构层次，又细分为 串联机构层次、并联机构层次、网联机构层次等。个体对应的人工物整机层次，又细分为简单整机，复杂整机和超级复杂整机等不同层次。那么在电工电子学科的逻辑架构构建当中，我们也将遵循这样一些基本的原则。

 对于更为复杂的层次，例如生物中的种群，群落，生态系统和生物圈层次，人工物，也有对应的层次。我们只是简单的给与名称，没有进一步深入的研究。

在这些复杂的层次，多学科融合是普遍存在的现象。孤立的复杂系统几乎不存在。各个系统相互包含，高度一体化。

3、电工电子材料简述

3.1、电工电子材料作为现代工程技术领域的重要基石，其性能和应用直接关系到电工电子设备的功能、效率、可靠性和成本。随着科技的飞速发展，电工电子材料的种类日益丰富，性能不断提升，为电工电子行业的创新提供了坚实的物质基础。

3.2 电工电子材料的重要性

在工程技术领域中，材料的选择与应用至关重要。电工电子材料作为电工领域各类材料的统称，是实现电能转换、传输、控制和利用的关键。新材料的出现往往能推动电工技术的重大进步，如硅钢片的出现提高了旋转电机和变压器的效率，高矫顽力、高剩磁的钕铁硼等永磁材料的应用促进了永磁同步电动机的发展，而高临界温度超导材料的突破则为低耗（或无损耗）输电和电能的工业规模储存提供了可能。

   表格1 给出了现有的人工物的层次划分现状。与生物比较，多个环节是缺失的

表格1 生物结构层次与人工物结构层次研究现状的比较

3.3、电工电子材料的分类

 电工电子材料按其技术人工物的本质属性分为主体材料和连接材料。这种分类方法是基于笔者提出的技术人工物的本质属性做出的分类。整体串联和连接串联分别对应技术人工物的两个本质属性。

电工电子材料按其电学、磁学或机械等性能可分为多类，主要包括导电材料、半导体材料、绝缘材料（或电介质材料）、磁性材料、功能材料和机械材料，连接材料等。上述材料都可以作为主体材料。连接材料在某些情况下也可以作为主体材料。主体材料是部件发挥主要功能的材料。

3.3.1 导电材料

导电材料具有高电导率，是电工设备中不可或缺的导体材料。导电材料主要包括金属导体材料、合金导体材料和其他导体材料。

金属导体因其良好的导电性和导热性，被广泛应用于电线、电缆、电路板、连接器、散热片等，如铜、铝等。好多机械材料都可以在电工电子领域内获得应用。

某些特殊合金通过调整成分可获得更好的机械性能、耐腐蚀性或更高的导电率，适用于特定要求的电子器件，如铜合金、铝合金等。机械学科的很多材料都可以应用于电工电子领域。

低温导电材料和超导材料，如纯铝在液氢温度下的低温导电性，钡、钇、铜氧化物陶瓷的超导性，在特定领域也有重要应用。

其他导电材料，如高电阻合金（镍铬、铬镍铁、锰铜、康铜）用于加热元件或电阻器；石墨材料因其化学惰性和高熔点，以及制品具有低的摩擦系数和一定的机械强度，被广泛用作电刷、电极等。

3.3.2半导体材料

半导体材料电导率介于导电材料和绝缘材料之间，其性质随缺陷和杂质含量而显著变化，可通过掺杂来控制其性能。例如硅、锗、砷化镓等。硅是集成电路（IC）和太阳能电池板的主要材料，通过掺杂和工艺处理可控制其导电性，是现代电子工业的基础。锗、砷化镓等，用于特定性能的电子器件，如高速开关、微波器件等。

半导体的电导率对外界因素极为敏感，如光电效应、热电效应、霍耳效应等。这些性质使得半导体材料在光敏元件、热电偶、霍尔传感器等方面有广泛应用。

2.3.3绝缘材料（或电介质材料）

绝缘材料具有高电阻率，是电工设备中用于隔离导电部分、防止电流泄漏的关键材料。绝缘材料有多种，例如塑料，橡胶，陶瓷或其他绝缘材料。

塑料如聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯等，因其质轻、绝缘性能好、加工方便，常用于电线电缆的绝缘层、电子元件的封装等。橡胶，特别是硅胶和氟橡胶，具有优异的耐高温、耐老化性能，适用于高温或恶劣环境下的绝缘和密封。陶瓷用于制造高压绝缘子、电容器等，因其具有高绝缘电阻、良好的热稳定性和化学稳定性应用比较广泛。

其他绝缘材料：如气体绝缘材料（六氟化硫气体）、液体绝缘材料（矿物绝缘油、合成绝缘油）以及固体绝缘材料（天然材料如棉纱、丝绸等）。

3.3.4磁性材料

磁性材料在电工电子设备中用于实现磁能转换、磁场控制等功能。磁性材料包括软磁材料，硬磁材料和特殊磁性材料。软磁材料，如铁氧体、硅钢片等，主要用于变压器、电感器等元件，能够响应外部磁场变化而改变自身的磁化状态。硬磁材料也称为永磁材料，例如钕铁硼、铝镍钴等，用于制造永磁体，广泛应用于电机、发电机、磁记录设备等。还有 磁记忆材料，磁致伸缩材料等特殊磁性材料，用于超声发生器、接收器及机电换能器等。

3.3.5机械材料

机械材料在电工电子领域的应用十分广泛，它们构成了电子设备的基础结构，并直接影响到电子产品的性能、可靠性、耐用性以及成本。金属与合金：用于电子设备的外壳、框架、散热片等，不仅要求有良好的机械强度，还需考虑电磁屏蔽、散热性能等因素。复合材料如碳纤维增强塑料（CFRP）、玻璃纤维增强塑料（GFRP）等，因其轻质高强、耐腐蚀等特点，在便携式电子设备、航空航天电子设备中得到应用。

3.3.6连接材料

在技术人工物的构建和生成过程中，连接是必须的。简单的部件通过连接构成复杂部件。机械的连接也是如此。

在技术人工物的构建和生成过程中，连接是一个关键环节。下面分别介绍机械连接方法和电工电子学科的连接方法，并比较它们在材料应用方面的区别。

 电工电子学科的连接方法，一个是机械连接一个是电气连接。电气连接用于传递电能和数据信号。电气连接重要的是电气性能，包括稳定性和耐腐蚀性等。电子连接更注重电气性能的稳定性和耐腐蚀性。许多机械连接设计为可拆卸的，电子连接也有类似的结构。电气连接广泛应用插拔式连接。例如，插头与插排之间的连接，集成电路模块与电路板之间的连接。插拔式连接部件的结构多是梳联结构。所以梳联结构，是一种应用比较普遍的结构形式。

从机械连接发展到电气连接，是一个概念扩展的过程。从力的传递发展到电流的传递，还有不同材料的连接界面还会出现界面效应。出现界面效应的连接是一种完全新型的连接方式。

界面概念的出现，不仅对于连接是一个新概念，对于应用几何的面概念，也是一个突破。面不仅有厚度，还有物理特性的变化。界面不仅是一个几何面，还是一个物理意义的面。

界面：界面是两个不同相（物质状态或组成）之间的边界区域。在物理学、化学、材料科学等领域中，界面的概念非常重要，因为它涉及到不同物质之间的相互作用和特性变化。 界面可以是固体、液体或气体之间的边界，例如水面（水和空气之间的界面）、金属和陶瓷之间的界面等。界面并非一个没有厚度的理想平面，而是一个具有一定厚度的过渡区域。这个厚度可以从几个原子层到几个微米不等，取决于材料和界面的性质。界面处的物理化学性质，如电导率、热导率、化学活性等，可能与体相不同。这些性质对材料的性能和应用有重要影响。

界面不是静态的，它可能随着时间、温度、压力等条件的变化而变化。例如，界面处的原子或分子可能会发生扩散或重新排列。界面可以根据其组成和性质进行分类，如固-固界面、固-液界面、液-液界面、固-气界面等。

界面在材料的力学、电学、热学和化学性能中起着关键作用。例如，在复合材料中，界面的强度和粘附性直接影响材料的力学性能。

界面效应（Interface Effect）

界面效应通常指的是在不同物质的接触界面（即两种不同物质相遇的边界区域）上发生的物理、化学或生物学性质的变化。这种现象在多个学科领域都有体现，以下是一些具体的解释：

界面效应在半导体器件中非常重要，因为许多固相交界面在外界应力作用下会发生各种物理化学变化，导致器件参数的不稳定和退化。此外，界面效应也在复合材料的力学性能中起着关键作用，如传递应力、阻断效应、不连续效应、散射和吸收效应以及诱导效应。

电气连接主要包括以下几种方法。

（1）.焊接：通过熔化焊料将导线或电子元件与电路板连接起来，如手工焊接、自动焊等。（2）.压接：通过机械压力使连接器与导线或电缆连接在一起，如RJ45接头（水晶头）、香蕉插头等。（3）.绕接：将导线直接绕在电路板上的绕接点上，适用于高频电路。（4）.粘接：使用导电胶将电子元件粘合到电路板上。（5）.插座连接：通过插座和插头实现电路的快速连接和断开，如USB、电源插座等。（6）.螺钉连接：使用螺钉和螺母将导线或元件固定在电路板上。

可以看出，电工电子学科的连接主要用于传递电能和数据信号。而机械连接主要用于传递力、运动和能量。

对于连接的要求，机械连接与电气连接也有不同。机械连接通常需要承受机械负荷和环境因素，因此耐久性要求较高；电子连接通常要求更高的精度，以适应微小电子元件和电路板的设计。

机械连接涉及多种材料，包括金属、塑料、陶瓷等，而电子连接主要涉及导电材料。

电气连接，按照是否需要借助其他材料或部件实现连接，分为，无材料连接，如插接，压接，绕接，热熔焊接等，使用材料或元件的连接，如螺钉连接，锡焊，粘接等。电气连接存在多输入多输出连接。连接端是梳联结构。

连接使用的材料是技术人工物设计和制造中的关键因素，它们必须满足特定的应用要求，包括机械性能、电气性能、耐腐蚀性、耐温性、成本和加工性。

以下是对几种常用的电气连接材料，它们各自具有特殊的性质，以满足电子组件的特定需求：

 （1）. 金属材导电料

a. 铜，铜具有极好的导电性和导热性，是制作电线和电缆的主要材料。它还常用于制造各种连接器、接插件和印刷电路板（PCB）的导电路径。

b. 铝：铝的导电性仅次于铜，但重量更轻，成本更低。它常用于需要减轻重量和成本的场合，如电源线、散热器等。

c. 金：金具有极佳的导电性和抗氧化性，常用于高可靠性的接触点，如金手指连接器、高端电子产品的焊接点。

d. 银和银合金：银是导电性最好的金属，但由于成本较高，通常只用于特定的高性能连接，如高频信号连接。

e. 镀层材料：为了提高耐腐蚀性和导电性，通常会在铜或其他金属上镀上一层镍、金或锡。镀锡用于可焊性，镀镍用于提高耐磨性，而镀金用于提高接触可靠性。

（2）. 粘接材料

a. 焊锡：焊锡是电子连接中最常用的粘接材料，它通过熔化并冷却来连接金属部件，形成牢固的电气连接。

b. 硅胶和环氧树脂：用于固定和绝缘电子组件，具有良好的耐热性和电绝缘性。

 （3）. 绝缘材料

a. 塑料：聚乙烯、聚氯乙烯（PVC）、聚酰亚胺（PI）等塑料用于绝缘电线和电缆，以及作为连接器的外壳材料。

b. 环氧树脂：用于封装电子组件，提供机械保护和电气绝缘。

 （4）. 导电胶：导电胶用于连接细小的电子元件，它结合了粘接和导电的特性，适用于不能使用传统焊接方法的情况。

3.3.6功能材料：功能材料就是具有优良的电学、磁学、光学、热光、声学、力学、化学和生物学功能及其相互转化的功能，被用于非结构目的之高技术材料"。按照材料的物质性分类，分为有机功能材料（包括金属和非金属材料），无机功能材料和复合功能材料。各种传感器材料，各种物理效应材料。按照材料的功能性分类：力学功能材料，声学功能材料，热学功能材料，电学功能材料，磁学功能材料，光学功能材料，化学功能材料，生物医学功能材料，核功能材料。功能材料具有优良的电学、磁学、光学、热光、声学、力学、化学和生物学功能及其相互转化的功能。可以进行能量和信息的传递，转换调制存储等等。

例如锆钛酸铅（PZT）是一种压电材料，用于制作传感器、换能器等，能将机械能与电能相互转换。热电材料如碲化锑（Sb₂Te₃）等，用于温差发电或制冷，在热电偶、热电堆等测温元件中有应用。

3.4材料的生成方式

材料的生成与生产是一个复杂的科学和工程过程，涉及从原材料的提取、加工、合成到最终产品的成型和应用。

天然材料来源于自然界，如金属矿产、非金属矿产、生物材料等。人工合成材料则是通过人类智慧和技术手段，对天然材料进行加工、改性和复合，从而获得具有特定性能的新材料。

以下是一些重要材料的来源、生成过程或方法：

3.4.1、材料来源

（1）. 金属矿产：铁、铜、铝、锌等金属元素主要来源于地壳中的金属矿产。这是天然资源：

（2）. 非金属矿产：硅、钙、碳、硫等非金属元素主要来源于地壳中的非金属矿产。

（3）. 生物材料：来源于动植物体内的有机物质，如蛋白质、纤维素等。

（4）. 再生资源：通过回收、再利用废弃物，转化为新材料。如废纸制浆、废塑料再生等实现材料的循环利用。

3.4.2、原材料的提取与制备

材料的生成始于原材料的提取，这一过程根据材料的种类不同而有所差异。

（1）. 采矿与选矿：对于金属材料，如铁、铝、铜等，首先通过地质勘探确定矿藏位置，然后通过采矿作业从地壳中提取矿石。提取后的矿石通过选矿工艺，如浮选、磁选或重力分选，来提高其纯度。

（2.） 农业与林业：对于天然有机材料，如棉花、木材、纤维素等，通过农业和林业活动进行种植、收割和加工。

（3）. 生物技术：利用生物工程方法，如发酵、细胞培养等，从微生物或动植物细胞中提取生物材料。

3.4.3、材料的加工与合成

（1）. 热加工：金属材料通常需要通过热加工，如铸造、锻造、轧制等，来改变其形状和性能。这些过程涉及高温下的材料变形。

（2）. 化学合成：合成材料，如塑料、橡胶、纤维等，通过化学反应将单体转化为高分子聚合物。这些反应包括聚合、缩合、加成等。

（3）. 无机合成：无机非金属材料，如陶瓷和玻璃，通过高温烧结或溶胶-凝胶法等无机合成技术制备。

3.4.4、材料的成型与加工

（1）. 成型：材料通过成型工艺，如注射成型、挤出成型、压制成型等，被赋予最终的形状。这些工艺适用于塑料、金属、陶瓷等多种材料。

（2）. 加工：通过机械加工，如切削、磨削、钻孔等，对材料进行精加工，以达到所需的尺寸和表面质量。

3.5材料用途  串联用于生产零件，构件，或产品、消费品等。

随着科技的进步和新材料的不断涌现，电工电子材料的发展呈现出高性能化、智能化、纳米微型化等趋势。未来，随着新材料、新技术的不断涌现和电工电子行业的不断创新，电工电子材料将在更广泛的领域发挥更重要的作用。

4、电工电子人工物结构层次划分及基础逻辑架构

4.1 分层次的方法和分类别方法

对电工电子系统可以进行层次划分，也对各个层次的部件再进行分类，期望得到与生物学结构和机械结构类似的逻辑架构。分层次和分类别，是两种不同的划分方法。

4.1.1 层次划分

一般说来，分层次是按照系统的结构和功能，将一个复杂的整体从微观到宏观或者从低级到高级或从简单到复杂划分成不同的层次。每个层次都有相对独立的功能和结构特点，高层次的系统由低层次的子系统组成，层次之间存在着包含和被包含的关系。这种方法有助于理解系统的整体架构，明确不同层次之间的交互、协作和生成方式，便于从局部到整体逐步深入分析系统，或更方便的生成更大的系统。

例如，计算机系统可以分为硬件层、操作系统层、应用程序层等。再例如，地球的整体结构，可以分为地壳、地幔、地核等。

4.1.2. 分类

分类是根据事物的某些共同特征或属性，将其划分成不同的类别。这些类别之间是并列的关系，每个类别都有自己的特点和范围，通过分类可以更好地对事物进行归纳和整理，便于识别和研究具有相同属性的一组事物，发现它们的规律和特点。例如，电工电子学科，在电子元件中，可以分为有源元件和无源元件。计算机在编程语言方面，可分为机器语言、汇编语言、高级编程语言。

4.2、生物的结构层次划分和机械结构的层次划分

4.2.1生物学结构的层次划分

自然界生命体组织结构的框架，从微观到宏观依次为：生物大分子、细胞、组织、器官、系统、个体、种群，群落，生态系统，生物圈等。细胞作为最基本的生命单位，通过组合形成组织，组织进一步构成器官，器官协同工作形成系统，系统整合成完整的个体，个体则在环境中形成种群。这一层次划分不仅体现了生命体的结构复杂性，还揭示了各层次间的功能协调与依赖关系。

细胞作为最基本的单位，具有高度的自我复制和分化能力；组织由形态相似、结构和功能相同的细胞群组成，执行特定的生理功能；器官则是由多种组织构成的，能行使特定生理功能的结构；系统则是由多个器官协同工作，完成更为复杂的生理功能；个体是生物体的最高层次，具有独立的生命活动和适应能力；种群则是由多个同种个体组成的群体，体现了生物在自然环境中的生存和繁衍策略。群落层次，生物群落是指在一定时间内生活在一定区域或环境内各种生物种群的集合。生态系统层次生态系统是生物群落和它的无机环境相互作用而形成的统一整体。这种层次划分具有高度的结构严整性和功能有序性，为其他科学领域提供了类比和借鉴的基础。

4.2.2、机械结构的层次划分

机械学科中，对于结构层次划分，笔者借鉴了生物学的思想，对机械结构的层次进行了重新划分。从简单的构件到复杂的整机，由材料作为起点，依次包括：构件（如杆件、凸轮、钉子）、复合构件（多个构件固定连接的整体，如定常结构）、实体运动副（具有相对运动的构件组合）、机构（由实体运动副连接构成的整体）、整机（完整执行特定功能的机械系统）。其中，实体运动副层次和组合件层次，是笔者提出并定义的概念和层次。这一层次划分体现了从基础到复杂、从局部到整体的构建逻辑。构件是机械结构的基础单元，具有特定的形状和尺寸；复合构件由多个构件固定连接而成，实现了更复杂的结构功能；实体运动副则通过相对运动实现力的传递和转换；机构则是由多个实体运动副连接构成的整体，能够完成特定的机械运动；整机则是机械系统的最高层次，集成了多个机构，实现复杂的机械功能。这一层次划分方法为电工电子学科的结构层次划分提供了有益的参考。进一步的层次划分，包括简单机械群和复杂机械群等 。

4.3 电工电子结构物的层次划分

电工电子学科，作为一门高度复杂且技术密集的领域，其结构层次划分同样可以借鉴生物和机械的层次划分方法，类比生物，以构建出一个既科学又实用的逻辑架构。这种层次划分不仅有助于我们更深入地理解电工电子系统的内在机理，还能为技术创新和产品设计提供有力的支撑。

层次划分的方法因为依据的规则不同，而多种多样。本文层次划分采用的基本原则却是这样的：从简单到复杂，由低级到高级，层次内的各个独立元素可以模块化设计，以及各个层级的生成关系必须满足或基本满足，低层级的元素（部件）是构成相邻高层级元素（部件）的基本结构单元。这些原则确保了层次划分的合理性和有效性，重要的是，层次划分结果与生物结构和机械结构的层次具有相似性。由于电工电子领域的多样性和复杂性，符合这些原则的层次划分方案，并不是唯一的。本文仅给出一种符合条件的层次划分方案。

在进行层次划分时，我们可以选择先分类再划分层次，或者先划分层次再分类。这两种方法各有优劣，具体选择取决于实际需求和设计目标。同时，每个层次内还可以进一步细分，每个层次也可以根据其特性进行分类和层次细分，这种灵活性使得层次划分更加贴近实际，更具实用性。

由于电工电子系统的层次划分是通过与生物体类比和移植机械学科的层次结构而得来的，其根源可以追溯到生物学的层次结构。因此，在本文中，我们采用了先以整体上划分层次再对各个层次进行分类和层次细分的方法，这种方法所得出的结构是与机械、生物的结构层次相似的。这有利于机械与电工电子的结构统一，也为未来在结构层面上统一生物学与技术人工物学提供了一条可能的通路。

 依据上述原则，电工电子结构层次划分为材料层次，基础件层次，组合件层次，转换器层次，电路层次电器整机层次等等。材料层次亦如前述。不再赘述。比整机层次更为复杂的层次，包括复合整机层次，局域物联网层次和广域物联网层次等，已经不是一个或两个领域的复合，而是多领域或全部领域的高度关联的强相互作用的复杂系统。这些高度复杂的系统，本文不作深入研究。

每一个层次的部件，除作为下一个层次的基本结构单元外，有一些部件还可以直接应用。

4.3.1 基础件层次

4.3.1.1 基础件定义及其重要性

作为电工电子领域中最基本、通常（认为）不可再分的功能单元，基础件，相当于生物学中的细胞或机械学科中的构件。它们是构成更复杂电子元件和系统的基石，没有基础件，就无法构建出功能完善的电工电子系统。

基础件由相应的材料加工得到。基础件用于构成组合件或更复杂的部件或直接应用。

4.3.1.2 结构与功能

基础件由主体和连接子两大部分构成。主体部分实现主要功能，连接子完成连接功能。基础件主要承担导电、绝缘、储能、信号传输等基本功能。这些功能是通过基础件的特定结构和材料来实现的。基础件通常由主体部分和连接部分组成，主体部分实现特定的电学或磁学等性能，如导电、绝缘或储能；而连接部分则用于与其他元件或系统连接，确保电流的顺畅传输和信号的准确传递或正常使用。

基础件结构参见图1。图1是基础件的拓扑结构图。1是主体，具有满足人的主观或客观需求的能力，2、3 是连接子表面，用于与外界连接，或用于构成组合体更复杂的部件或在某些特殊情况下供人们直接使用。具有满足人的主观或客观需求的能力及其连接能力是所有基础件的最本质的特性。

     图1  基础件拓扑结构示意图图

    （1，基础件主体，2，3基础件连接子）

4.3.1.3 分类与实例

根据功能的不同，基础件可以分为导电类基础件、储能类基础件、功能类基础件和机械结构类基础件等。导电类基础件如电阻体、裸体导线等，它们通过控制电流的大小来实现电路的稳定运行；储能类基础件如电容器，它们能够储存电能并在需要时释放；功能类基础件如半导体材料模块，它们具有传输电能和信号的功能，是构成二极管、三极管等电子元件的基础。有时，单独的基础件是可以作为个体直接应用的。这一点与机械中的构件相似。

下面介绍几种基础件。

裸导体线：

裸导线是指没有绝缘层的光金属导线。裸导线就是主体。两个端面是连接子。它具有良好的导电性能和机械性能。在很多裸导线的表面都涂有高强度的绝缘漆，用于抗氧化和绝缘（这样的裸导线已经变为组合件）。裸导线按形状可分为圆单线、裸绞线、软接线和型线等多种类型。

圆单线，有硬线和软线之分。硬线抗拉强度较大；半硬线有一定的抗拉强度和延展性；软线的延展性最高。

裸绞线，导电性和机械性能良好，且钢芯绞线承受拉力较大。

软接线，柔软，耐弯曲性强。

型线，如铜铝扁线，其机械性能与圆单线基本相同，结构形状为矩形。

裸导线常在各种电线、电缆中作为导电线芯使用。在电动机、变压器等电气设备中作为导电部件使用；在远离人群的外高压输电铁塔架空线上作为输送配电使用。

电阻体

电阻体是一种用于控制电流大小的元件。电阻体由导电材料制成，两端则具有连接导线的连接子表面，以便与其他元件或电路连接。电阻体在电路中起着消耗电能并转化为热能的作用，是电路设计和电子产品制造中不可或缺的基础件。

半导体材料模块则是另一种重要的基础件。它们具有独特的电学性能，能够传输电能和信号，并且可以通过控制其内部的载流子浓度和分布来改变其导电性能。半导体材料模块是构成二极管、三极管等电子元件的基础，也是现代电子技术和信息技术的重要支撑。例如P型半导体：掺入受主杂质（提供空穴）的半导体材料中，空穴的数量远多于导电电子的数量。N型半导体：掺入施主杂质（提供电子）的半导体材料中，自由电子为多子，空穴几乎为零，称为少子。

绝缘体是指那些不善于传导电流和热量的物质，也称为电介质。在绝缘体中，原子或分子的电子被紧紧束缚在原子核周围，因此它们不能自由移动来传递电流。这使得绝缘体在电场作用下能够保持电荷的局部化，而不会形成电流。常见的绝缘体包括塑料膜、橡胶块、玻璃体、陶瓷体和某些类型的聚合物等。绝缘体在电气和电子设备中起着至关重要的作用，用于隔离电流、保护电路和防止电击等。

除了上述典型的基础件外，还有许多其他类型的基础件在电工电子领域中发挥着重要作用。这些基础件各具特色，共同构成了电工电子结构的基本结构单元或功能单元。

4.3.2 组合件层次

4.3.2.1 定义与组成

组合件是由两个或多个基础件固定连接在一起形成的具有特定功能的整体。它们类似于生物学中的组织或机械学科中的复合构件（定常结构），是电工电子系统中较为复杂和较高级的结构单元。组合件的功能由某一个主要基础件的功能确定或多个基础件共同确定，这使得组合件能够实现比单个基础件更复杂的电学或磁学功能。例如，漆包线是一个组合体。漆包线中心是导体，导体的外围是绝缘油漆形成的薄膜。漆包线的导体的端部（裸露面）是连接子表面。

两个或多个组合件的组合，不仅仅是简单的叠加，多数情况下会产生新的功能。由一到二，有时是一个飞跃，形成涌现。

所以，在新的逻辑结构的层次划分中，组合件层次是必须独立出来的一个层次。这种认识是逐渐形成的。因为，我们一直认为，构件是一个基本结构单元，零件是加工制造单元。构件可以是一个零件，也可以由多个构件组装形成。一个零件是构件，两个多个零件连接起来还是构件。

这种观点阻碍了对组合件的重要性的认识。在电工电子领域，新的连接方式的出现，特别是界面效应的应用，确立了组合件作为一个独立层次和重要概念的地位。我们认为，从一到二，既有量的积累，又或会产生质的突变。机械领域有定常结构，电工电子领域有界面效应产生的各种传感器。因此，组合件层次是一个重要的不可或缺的层次。 

4.3.2.2 结构与功能

组合件结构参见图2。图2是组合体的拓扑结构图。1是主体，具有满足人的主观或客观需求的能力，不同的组合件，不同的组合模式，都会产生不同的功能。2、3 是连接子表面，用于与外界连接，组合件用于构成转换器或更大的系统或供人们直接使用。主体由两个或多个基础件固定连接构成，具有满足人的主观或客观需求的能力及其连接能力是所有组合体的最本质的特性。

        图2组合体结构拓扑示意图          图3 电阻组合体(图片来源互联网)

（1，电阻组合件主体，2.3 连接子） （1，电阻组合件主体，2.3 连接子）                          

组合件的生成：通过特定的连接方法（如焊接、粘接，等等）将多个基础件组合在一起，形成一个整体。这种结构不仅提高了元件的稳定性和可靠性，还使得组合件能够承担更为复杂的任务和功能。组合件的功能多种多样，包括信号放大、滤波、转换等，它们在现代电子技术和通信领域中发挥着重要作用。

组合件的连接多为紧密连接。不同材料之间的紧密接触会产生界面效应。界面效应使组合件形成新的功能。

4.3.2.3 分类与实例

根据组合方式和功能的不同，组合件可以分为导体类组合件，例如总线、线束，界面效应类组合件，如PN结组件、传感器组合件等。有源类和无源类组合件，等等。如电容组件等。

导体组合件：实用的导线是组合件。导线的结构多种多样，主要取决于导线的用途、材料以及所需的电气和机械性能。多数由裸导体和绝缘体构成，导体的两端是连接子。超导体是理想导体。目前实际应用的导体有电阻，不是理想导体。

电阻体是电阻器的主要部分，决定电阻值的大小。它由具有一定电阻率的材料制成，如碳膜、金属膜、金属氧化膜、合金丝等。电阻体的长度、截面积和材料电阻率共同决定了电阻值。骨架用于支撑和固定电阻体，通常由绝缘材料制成，如陶瓷、塑料等。骨架的形状和尺寸根据电阻器的类型和功率要求而设计。电阻体与骨架构成转换子。连接子是导体的端面。

绝缘导线有橡皮绝缘导线、塑料绝缘导线漆包线 无机绝缘线等。

扁平电缆（排线或带状电缆）是组合件。它由许多根导线结合在一起，导线相互之间绝缘的一种扁平带状多路导线的软电缆形成。这种电缆可用作插座间的连接线、印制电路板之间的连接线及各种信息传递的输入-输出柔性连接。

屏蔽线也是组合件，在塑胶绝缘电线的基础上，外加导电的金属屏蔽层和外护套而制成的信号连接线。屏蔽线具有静电屏蔽、电磁屏蔽和磁屏蔽的作用，能防止或减少线外信号与线内信号之间的相互干扰。

电缆：包括射频同轴电缆、馈线和高压电缆等。导线结构

导线的结构

圆形导线结构：

单圆线：主要的品种有铜单线、铝单线及铜铝合金线。除单一材质的圆单线外还有复合型圆单线，如铝包钢线（铝导电率高，钢线抗拉力强）、铜包铝线（铜导电率高，铝轻）和镀层单线，如镀锡铜线，镀镍铜线。

圆绞线：由多根相同直径的圆单线绞合成各种截面的圆绞线。是并联结构的组合件。

其他形状的导线结构：

还有扁平型线材、板材、同轴电缆和异型导体。

导线的结构虽然多种多样，但都是组合件结构。

线束则是多根导线并行排列集合在一起形成的电缆束，外面包裹着保护层以提供额外的保护和支撑，线束在复杂电路中的信号和电源分布中起着至关重要的作用。线束具有高速、高可靠性的特点，广泛应用于计算机、通信等领域。

PN结是半导体中非常重要的一种结构，由P型半导体和N型半导体组合而成，是一个2端口器件。PN结组件是由P型半导体和N型半导体通过特定工艺连接而成的组合件。PN结两端构成连接面。外部以绝缘层和封装保护层。PN结构成PN结的主体，PN结的端面构成PN结的连接子。PN结是半导体中的关键结构，由P型（空穴多）和N型（电子多）半导体组成。当两者结合，载流子因浓度差异扩散，形成空间电荷区及自建电场，阻止进一步扩散，达到动态平衡。PN结具有单向导电性：正向电压下导通，反向则截止。它是构成二极管、三极管等半导体器件的基础。它们具有整流、检波等功能，是构成二极管等电子元件的基础。PN结组件在电子电路中起着关键的作用，它们能够控制电流的流向和大小，从而实现电路的稳定运行和信号的准确传输。

除了上述典型的组合件外，还有许多其他类型的组合件在电工电子领域中发挥着重要作用。特别是基于界面效应的组合件，利于很多传感器是基于界面效应的。

4.3.3 转换器层次

4.3.3.1 定义与重要性

转换器，作为电工电子系统中实现能量、信号转换或形态变换的功能单元，其地位相当于生物学中的器官或机械学科中的实体运动副。在电工电子系统中，转换器扮演着至关重要的角色，它们能够高效、准确地将一种形式的能量或信号转换为另一种形式，从而满足各种复杂的应用需求。无论是电能的转换、信号的传输，还是形态的变换，转换器都发挥着不可替代的作用。

                a                    b

                 图 4转换器拓扑结构示意图

          （a、转换器结构拓扑结构图1，b、转换器结构拓扑结构图2）

            （1，转换器主体，2，3转换器连接子）

                  图5 电阻器结构示意图(图片来源互联网)

                   （1，电阻器 主体，2，3电阻器连接子）

4.3.3.2 组成、结构与功能

转换器结构参见图3。图3是转换器的拓扑结构图。1是主体，具有满足人的主观或客观需求的能力，转换器具体的功能由转换器的实际结构确定。2、3 是连接子 ，用于与外界连接，包括用于构成电路或更大的系统或供人们直接使用。具有满足人的主观或客观需求的能力及其连接能力是所有转换器的最本质的特性。不同的转换器因其不同的结构会有不同的功能。转换器与机械中的实体运动副处于同一个层次，与实体运动副不同的是，转换器传递的运动是电子运动或其他的微运动。

转换器通常由输入端连接子、输出端连接子和转换子三部分连接组成，共同构成一个完整的功能单元。连接子和转换子多是组合件。有时输出端与输入端共用一个连接子。通常，转换器是一个功能完整的模块。

输入端连接子：这是转换器的“门户”，负责接收来自外部的信号或能量。它必须具备良好的兼容性和稳定性，以确保信号或能量的准确传输。

输出端连接子：作为转换器的“出口”，它负责将转换后的信号或能量输出给外部系统或设备。输出端连接子的设计需考虑输出信号或能量的特性，以确保其能够满足后续应用的需求。与机械同层次的不仅比较，转换器的连接子有不是是多接口连接子。例如集成模块的连接子。

转换子：这是转换器的核心部件，负责实现具体的转换功能。转换子通常由主体功能部件、绝缘部件和封装部件等组成。主体功能部件是转换功能的具体实现者，如电阻、电容、晶体管PN结等；绝缘部件则用于隔离不同电路部分，防止信号或能量的干扰；封装部件则用于保护转换子免受外界环境的影响，确保其长期稳定运行。转换器种类繁多。每一个转换器都是由连接子和转换子组成。关于转换器的组成，对于每一个集体的转换器，都是一样的。下面在谈到转换器的组成时，或不再重复这一点。

4.3.3.3 分类与实例

根据转换功能的不同，转换器可分为多种类型，以下介绍一下常用的转换器。

A. 无源转换器类

无源转换器包括电阻器、电容器、电感器等。

a1 电阻器：通过电阻元件实现电能的消耗和转换，是电路中的基本元件之一。例如，限流电阻用于限制电流大小，保护电路安全；分压电阻则用于将电压分压，满足不同电路部分的需求。

电阻器主要由两个连接子导线组合件和导体组合件（转换子）三部分构成。

电阻体组合件由电阻体、骨架或绝缘体组成，导体组合件由导体和绝缘层构成是连接子。

电阻体是电阻器的主要部分，决定电阻值的大小。它由具有一定电阻率的材料制成，如碳膜、金属膜、金属氧化膜、合金丝等。骨架用于支撑和固定电阻体，通常由绝缘材料制成，如陶瓷、塑料等。电阻体与骨架构成转换子。

连接子是导体组合件或称为引出端：连接子是电阻器与外界连接的部分，通常由金属制成，如铜、铁等。引出端可以是引脚、焊片或导线等形式，便于焊接到电路板上。

电阻器种类繁多。例如碳膜电阻器、金属膜电阻器、金属氧化膜电阻器、线绕电阻器。

电阻器按阻值是否可变分类：

固定电阻器：阻值固定不变，是电路中最常用的电阻器类型。

可变电阻器：阻值可以通过旋转或滑动调节，也称为电位器，常用于音量调节、亮度调节等场合。

其他还有限流电阻、分压电阻、滤波电阻等等。

可变电阻器

可变电阻器，也称为变阻器或电位器，是一种 电阻值可以在一定范围内连续调整的电阻器。手动或自动改变电阻。这是一种机电一体化产品。

可变电阻器通常由实体运动副和电阻体、滑动触点（也称为刮水器或动片）和固定触点（也称为定片）组成。电阻体是实体移动副的定子、滑动触点（也称为动片）是固定在运动子上。固定触点在定子上。这个复合电子功能的实体运动副是转换子。引脚就是连接子，连接子由导线做成。可变电阻器通常有三个连接子，其中两个是固定引脚，用于连接到电路的其他部分，另一个是滑动触点的引脚（连接子），用于调整电阻值。

实体运动副的运动子带动滑动触点在电阻体上移动，改变滑动触点与固定触点之间的电阻值，从而调整电路中的电流或电压。

可变电阻器按照实体移动副的类型分为两种：电位器和滑动变阻器。

电位器：实体移动副是实体转动副，通过转动改变电路中的电阻值。

滑动变阻器：实体移动副是实体移动副，通过移动改变电路中的电阻值。

a2 电容器：是一种能够储存电荷并在需要时释放电荷的转换器，它在电子电路中起着至关重要的作用。能够储存电荷并在电路中实现滤波、耦合等功能。

电容器的转换子主要由两个平行的导电板（电极）组成，这两个板之间相隔一小段距离，并且中间填充有绝缘材料（电介质）。

电容器连接子由导线构成。当电容连接到电源时，一个电极会积累正电荷，而另一个电极会积累等量的负电荷，从而在两个电极之间形成电场。

电容器种类繁多 。按照电容的大小是否可变分类有固定电容器，可变电容器和微调电容器 。

按介质分类，有纸质电容器、陶瓷电容器、薄膜电容器、电解电容器等。

a                b

  图 6 电容器结构示意图(图片来源互联网)

      （1、转换子，2、3、连接子）

可变电容器是一种电容量可以在一定范围内调节的电容器。它通常由一个实体移动副作为主骨架结构；相互绝缘的两组极片组成一个转换子，其中一组极片固定不动，称为定片（即实体运动副的定子）；另一组极片可以移动，称为动片即实体运动副的运动子。通过改变极片间的相对有效面积或片间距离，可以相应地改变电容器的电容量。可变电容器主要用于无线电接收电路中的调谐。此外，它还可用于振荡电路、滤波电路等场合。

可变电容器，按照结构分类，有微调、单联、双联、四联电容器等几种。

         图 7  可变电容器

（1，耦合子，2运动子，3定子，4动导电板，5静止导电板，6，连接子，7，连接子，8调节端）

微调可变电容器：也叫半可调电容器，电容量调整范围较小 。

单联可变电容器：由相互绝缘的两组金属铝片对应组成，其中一组为动片，另一组为定片构成一个复合实体运动副。通过调整转轴可以带动动片转动，从而改变电容值。

双联或四联可变电容器：由两个或四个单联可变电容器组合而成 。

a4 电感器（Inductor）是一种能够储存电能并将其转化为磁能的电子转换器。当电流通过电感器时，它会在其周围产生磁场，而这个磁场又会反过来影响电流的变化。电感器在电子电路中起着滤波、谐振、储能等重要作用。

电感器的基本结构包括转换子和连接子。转换子由骨架、绕组、磁芯和磁棒屏蔽罩、封装材料等组成。连接子是导线。转换子是一个组合件。转换子与连接子的连接，必须是导体与导体连接，绝缘体与绝缘体连接，保护层与保护层连接。其他的部件之间的连接也遵循这样的原则。

骨架：绕制线圈的支架，通常采用塑料、胶木、陶瓷等材料制成，根据实际需要可制成不同形状。 绕组：具有规定功能的一组线圈，是电感器的基本组成部分。绕组有单层和多层之分 。

磁心与磁棒：用于增强电感效果的材料，一般采用镍锌铁氧体（NX系列）或锰锌铁氧体（MX系列）等材料，形状多样，如“工”字形、柱形、帽形、“E”形、罐形等。

铁心：另一种增强电感效果的材料，主要由硅钢片、坡莫合金等制成，外形多为“E”型。

屏蔽罩：为避免电感器在工作时产生的磁场影响其它电路及元器件正常工作，有些电感器会增加金属屏蔽罩。但采用屏蔽罩会增加线圈的损耗。

封装材料：部分电感器（如色码电感器、色环电感器等）绕制好后，会用塑料或环氧树脂等封装材料将线圈和磁心等密封起来。

电感器种类比较多。按结构分类有线绕式电感器和非线绕式电感器。 按工作频率分类有高频电感器、中频电感器、低频电感器。按可调性分类有固定电感器和可调电感器。

可变电感器

可变电感器，也称为可调电感器，是一种电感值可以调节的电子转换器。它广泛应用于需要调整电感量的电路中，如调谐收音机的调台功能等。

可变电感器的主要结构包括机械和电器两部分：机械部分是一个实体运动副，电器部分是附着在实体运动副上的电器组合件。电器组合件包括线圈磁芯等。线圈由导电材料绕制而成，是电感器的核心部分。磁芯通常由可饱和磁铁芯材料制成，具有三个铁芯柱，包括一个中央铁芯柱和两个外铁芯柱。在中央铁芯柱上缠绕着控制线圈，而在外铁芯柱上缠绕着两个并联连接的外线圈。通过改变控制线圈中的电流，可以改变外铁芯柱的饱和度，进而调节电感器的电感值。

常见的可变电感器有单圈、多圈可变电感器

B. 有源转换器类

b1 电池：将化学能转换为电能，是便携式电子设备的主要电源之一。如锂离子电池具有高能量密度、长寿命等优点，广泛应用于手机、笔记本电脑等设备中。

一个典型的电池的结构  有正极（阳极）和负极（阴极）两个连接子和一个主体组成。这种主体包括电解质、隔膜和外壳等。

正极是电池内部发生氧化反应的电极，即失电子的部位。负极是电池内部发生还原反应的电极，即得电子的部位。

电解质是允许离子移动但不允许电子通过的物质，它可以是液体、固体或者凝胶形式，电解质中通常含有离子导体。隔膜是一种多孔材料，它位于正负极之间，防止两极直接接触导致短路，同时允许离子通过。外壳用于容纳电池的所有组成部分，并提供物理保护

电池的工作原理是基于电化学系列中的氧化还原反应。包括充电过程和放电过程。

b2 变压器：能够实现电压的变换和传输，是电力系统中不可或缺的设备。如电力变压器用于将高压电转换为低压电，供家庭和工业使用。

变压器是利用电磁感应的原理来改变交流电压的装置，同其他转换子的结构一样，变压器的转换器也是由转换子和连接子组成。变压器是机电一体化产品。

连接子主要由铁芯和绕组组成。铁芯是变压器的磁路部分，而绕组则是变压器的电路部分，由一定匝数的漆包线绕制而成。

转换子还包括油箱、套管、调压装置、冷却装置、保护装置、绝缘材料等。

铁芯是变压器的磁路通道，通常由高导磁材料制成，如硅钢片。 硅钢片片间用绝缘漆隔开。铁芯分为铁芯柱和铁轭两部分，铁芯柱上套绕组，铁轭将铁芯柱连接起来，使之形成闭合磁路。 

绕组是变压器的电路部分，与电源相连的线圈称为原绕组（或原边，或初级绕组），与负载相连的线圈称为副绕组（或副边，或次级绕组）。绕组与绕组及绕组与铁芯之间都是互相绝缘的。绕组的形式有圆筒式、螺旋式、连续式、纠结式等结构。为了便于绝缘，低压绕组靠近铁芯柱，高压绕组套在低压绕组外面，两个绕组之间留有油道。

油箱是装铁芯和绕组的外壳，油箱内灌满变压器油，起绝缘和散热作用。

油箱用钢板焊成，中、小型变压器的油箱由箱壳和箱盖组成，变压器的器身就放在箱壳内，将箱盖打开就可吊出器身进行检修。

连接子由绝缘套管和导线组成。套管的作用是将绕组的引出线从油箱内引至油箱外，起固定引出线和对地绝缘的作用。

调压装置用于调节变压器输出电压。此外，为了保证正常工作变压器还有冷却装置和保护装置。

连接子与转换子之间的连接，必须是导体与导体连接，绝缘体与绝缘体连接，保护层与保护层连接。

b3 逆变器：将直流电转换为交流电，是太阳能发电、电动汽车等领域的关键设备。如光伏逆变器用于将太阳能电池板产生的直流电转换为交流电，并入电网或供家庭使用；车载逆变器则用于将汽车电瓶的直流电转换为交流电，为车载电器提供电源。

b4 稳压电源：能够提供稳定的直流电压输出，保护电路免受电压波动的影响。如线性稳压电源具有输出电压稳定、纹波小等特点，适用于对电压稳定性要求较高的场合。

C. 晶体管类转换器

晶体管类转换器是利用晶体管的特性实现转换功能的转换器。

c1 二极管：

二极管是一种半导体器件，是一种转换器。它具有单向导电性，即电流可以在一个方向上通过，而在相反方向上则被阻止。 如整流二极管用于将交流电转换为直流电；检波二极管则用于从调制信号中检出原始信号。

二极管由两个连接子导线和一个转换子主体组成。转换子主体包括PN结、绝缘层封装层和其他部分。转换子是一个组合件。

 PN结： P区和N区相遇的地方形成了一个称为PN结的区域。这个结是二极管工作的关键部分，它具有单向导电性。P区和N区是串联连接，是紧密的面接触。

封装材料：用于保护二极管内部结构不受外界环境影响，并提供机械支撑。封装材料可以是玻璃、塑料、金属或其他材料。

绝缘层：封装内通常包含一层或多层绝缘材料，用于隔离电极和封装材料，防止短路。

标记：许多二极管封装上都有标记，用于指示二极管的类型、极性、最大电流和电压等参数。封装材料、绝缘层、标记之间是并联连接。封闭式并联面连接。

在某些大功率二极管中 还有散热片。散热片有助于将热量传导到外部环境，防止二极管过热。

连接子就是引线 。引线是从PN结延伸出来的金属引线，用于将二极管连接到电路中。通常，一个引线连接到P区（阳极），另一个连接到N区（阴极）。引线的末端称为电极，用于焊接或插入电路板。

二极管广泛应用于各种电子电路中，用于整流、调制、保护、开关和其他功能。常见的二极管类型包括整流二极管、稳压二极管、发光二极管（LED）、光电二极管等。

c2 双极晶体管：

三极管，也称为双极型晶体管（Bipolar Junction Transistor，BJT），具有放大、开关等功能，是构成放大电路、开关电路等的基础元件。如NPN型双极晶体管用于放大电路中的信号；PNP型双极晶体管则常用于开关电路中。它是电子学中的基本元件之一。

三极管由转换子部分和连接子组成。转换子由三层半导体材料和绝缘分装材料构成。三层半导体材料通常是硅（Si）或锗（Ge），这三层分别称为发射区、基区和集电区，对应三个电极：发射极（Emitter, E）、基极（Base, B）和集电极（Collector, C）。发射区与发射极相连，掺杂浓度高，负责向基区提供大量载流子（电子或空穴），基区位于发射区和集电区之间，掺杂浓度很低，且很薄，是控制电流的关键区域。集电区与集电极相连，掺杂浓度也较高，用于收集从基区过来的载流子。三层半导体基础件之间是串联连接，并形成两个界面效应。三层半导体与封装基础件和绝缘基础件之间是并联连接，封闭式并联连接。

三极管基于PN结的单向导电性和电流控制作用。当在基极和发射极之间施加一个小信号电流时，可以控制集电极和发射极之间较大的电流，实现电流的放大作用。

三极管分为NPN型和PNP型两种：NPN型：发射区是N型半导体，基区是P型半导体，集电区是N型半导体。PNP型：发射区是P型半导体，基区是N型半导体，集电区是P型半导体。

三极管由多种用途，主要包括：

放大管：用于信号放大，具有高输入阻抗、低输出阻抗和较大的电流放大倍数。

开关管：用于电路的开关控制，具有低饱和压降和高开关速度。

高频管：适用于高频电路，具有较高的截止频率和良好的高频特性。

功率管：能够承受大功率，用于功率放大和电源管理等场合。

达林顿管（Darlington Transistor）：由两个或多个三极管复合而成，具有更高的电流放大能力和更低的输入阻抗。

光敏三极管：具有光敏特性，其电流受光照强度控制，常用于光探测和光耦合器。

三极管因其多样性和灵活性，在电子电路中扮演着极其重要的角色，是现代电子设备中不可或缺的基础元件。

c3 单极晶体管（场效应晶体管）：具有高输入阻抗、低噪声等特点，广泛应用于高频放大、开关电路等领域。如金属氧化物半导体场效应晶体管，具有高速、低功耗等优点，适用于数字电路和模拟电路中的放大和开关应用。

单极晶体管，也被称为单极性晶体管或场效应晶体管（Field-Effect Transistor, FET），是一种在电子学中广泛使用的半导体器件。它的工作原理基于电场对半导体材料导电性能的影响，而非像双极型晶体管（Bipolar Junction Transistor, BJT）那样通过电流控制来实现信号的放大或开关功能。

单极晶体管的结构相对简单，主要包括栅极（Gate, G）、源极（Source, S）、漏极（Drain, D）以及在某些类型的FET中可能存在的衬底（Substrate, B）。

单极晶体管的主要特点是输入电阻很高，输入电流很低，具有很高的输入阻抗和电压增益。这使得它们在低噪声、高频、低功耗的放大器和开关电路中得到了广泛应用。

D. 传感器类转换器

传感器类转换器是将非电学量（如温度、湿度、压力等）转换为电学量的转换器。下面是几种比较常用的传感器。

d1感应开关和触摸开关

感应开关是一种转换器，是一种装有传感器的智能开关。它通过检测特定元素（如人体、红外线、微波等）来自动开启和闭合电路。由转换子和连接子两个部分组成。

感应开关的转换子包括敏感元件、转换元件和输出电路。敏感元件负责接收被测量的信息（如人体红外线、微波信号等），转换元件将接收到的信息转换为电信号，输出电路则根据电信号控制电路的通断。连接子是导线组合件。

感应开关的种类繁多，人体感应开关、红外线感应开关、微波感应开关、电磁感应开关、光电感应开关等等。感应开关广泛应用于各种需要自动控制的场合，如走廊、楼道、仓库、车库、洗手间等场所的自动照明、抽风等用途。

d2 温度传感器：能够感知环境温度并转换为电信号输出，是工业自动化、智能家居等领域的重要元件。如热敏电阻温度传感器利用热敏电阻的阻值随温度变化而变化的特性来测量温度；热电偶温度传感器则利用两种不同金属在温度变化时产生的热电势来测量温度。

d3 湿度传感器：能够感知环境湿度并转换为电信号输出，在气象监测、农业自动化等领域发挥着重要作用。如电容式湿度传感器利用湿敏电容的容值随湿度变化而变化的特性来测量湿度；电阻式湿度传感器则利用湿敏电阻的阻值变化来测量湿度。

d4磁敏传感器：能够感知磁场强度并转换为电信号输出，在电子罗盘、磁卡读写器等领域有着广泛的应用。如霍尔传感器利用霍尔效应来测量磁场强度；磁阻传感器则利用磁阻效应来测量磁场方向。

传感器的外延十分丰富。以上仅仅是几个常见的例子。

E. 继电器和机械开关类转换器

继电器和机械开关类转换器是通过机械动作实现电路通断的转换器。

e1 继电器：一种电控制器件，具有隔离、转换等功能。如电磁继电器利用电磁力驱动触点闭合或断开；固态继电器则利用半导体器件实现无触点开关功能。继电器是一个机电一体化的部件（前面的博文已有介绍）。

e2 刀型开关

刀型开关，又称闸刀开关，主要由实体转动副和机电一体化的电子骨架组成。连接子是导线和运动子手柄。手柄与动触刀固定连接成为一体，动触刀是导体、手柄是绝缘体，静触座是实体运动副定子，定子由导体、转动耦合子支座和绝缘底板组成。动触刀通过手柄的操作与静触座接触或分离，从而接通或断开电路。连接子是导线。刀型开关根据极数可分为单极、双极和三极。连接子可以有多个连接端口。

e3按钮开关

按钮开关主要由实体移动副和机电一体化的电子骨架及连接子组成。机电一体化实体运动副由按钮帽、复位弹簧、固定触点、可动触点、外壳和支柱连杆等组成。按钮是实体运动副运动子，其上有可动触点，复位弹簧驱动按钮向一侧移动。不受外力作用时，可动触点的分合状态决定了开关的状态。

按钮开关按照触点的状态可分为常开按钮（启动按钮）、常闭按钮（停止按钮）和复合按钮（既有常开又有常闭触点）。

e4转动开关主要由机电一体化实体转动副和 连接子组成。机电一体化实体运动副由旋转轴、动片、绝缘基片、定片和其他固定零件组成。旋转轴是转动耦合子、动片是转动副运动子、绝缘基片、定片和其他固定零件是定子。动片和定片则用于导电。绝缘基片常使用高频陶瓷、玻璃布胶板等绝缘材料制成，旋转轴带动动片旋转，从而改变动片与定片之间的接触状态，实现电路的通断或切换。连接子有单端口和多端口。

常见的转动开关有波段开关、旋转式波段开关等，广泛应用于收音机、电视机、仪器仪表等设备中。

刀型开关、按钮开关和转动开关都是实体运动副在电工电子领域的应用拓展，是机电一体化产品。刀型开关和转动开关都是实体转动副类电子开关。

e5机械式触摸开关

机械式触摸开关是一种可通过触摸感知操作力的转换器，是一种机电一体化的元件，通过触摸动作来接通或断开电路的开关型转换器。主要由转换子和连接子组成。

触摸开关的转换子是机电一体化实体移动副。包括顶盖、柱塞、拱形触头、模制树脂底座等部分。顶盖保护开关的内部机构，柱塞是运动子，用于接收用户的触摸力并将其转化为移动运动，推动拱形触头，拱形触头在受到压力时发生运动，从而接通或断开电路。模制树脂底座则用于固定和支撑开关的各个部件。

触摸开关广泛应用于各种需要手动控制的场合，如家用电器、智能设备、工业控制等领域。

e6 机械键盘：机械键盘是电脑的一种输入设备。是应用梳联连接构成的机械电开关组合体，每一个按键都包含一个实体移动副，用于实现按键的触发行为。机械键盘具有响应速度快、手感好等优点，广泛应用于计算机键盘、游戏键盘等领域。

机械键盘的核心组件是机电一体化式开关。每个按键下都有一个独立的机械开关。

多个机电一体化开关通过梳联固定连接的方式固定在一个平面上。形成一个键盘。实体移动副包括轴心、金属片、弹簧、上盖和底壳。连接子由有些连接和无线连接两种。机械键盘还包括外部框架（由上盖和底盘组合成机械键盘的外壳主体框架）、内部结构（由PCB板、隔音垫、定位板等硬件组成）、键帽等部分。有的键盘还会添加夹心棉、轴下垫和底棉以消除腔体杂音。

机械键盘的工作基于金属接触式开关的原理。当用户按下按键时，按键帽上的力被传递到按键杆上，使按键杆（实体移动副的运动子）下压，进而驱动开关触点闭合。开关触点闭合后，电流得以通过金属触点连接到基板上的金属触点，通过内置的按键矩阵电路向电脑发送键码信息。计算机接收到键码信息后，根据ASCII码表或其他编码表将其转化为相应的字或指令。由于每个按键都有一个独立的机械开关，因此机械键盘能够确保输入的准确性，并在多键同时按下时提供更准确的响应。

F. 电子显示器件转换器

电子显示器件转换器是将电信号转换为可见光信号的转换器。

f1 发光二极管显示器（LED）：利用LED发光原理实现信息显示，具有功耗低、寿命长、亮度高等优点。LED数码管用于显示数字信息；LED显示屏则用于显示图像和视频信息。

f2 液晶显示器（LCD）：利用液晶分子的光电效应实现信息显示，具有体积小、重量轻、功耗低等特点。LCD显示屏广泛应用于手机、平板电脑、电视等电子设备中。

f3 等离子显示器（PDP）：利用气体放电原理实现信息显示，具有色彩鲜艳、对比度高、视角大等优点。但由于功耗较高和成本问题，目前已被其他显示技术所取代。

f4 阴极射线管显示器（CRT）：利用电子束轰击荧光屏实现信息显示，具有色彩还原度高、响应速度快等特点。但由于体积庞大、功耗高以及环保问题，目前已被淘汰或仅在特定领域使用。

f5 有机发光二极管显示器（OLED）：利用有机材料在电场作用下发光的原理实现信息显示，具有轻薄、柔性、高对比度、低功耗等优点。OLED显示屏已逐渐成为高端手机、电视等电子设备的标配。

G微执行器类转换器

微执行器作为机电一体化中的关键组件，是一直重要的转换器。其发展和应用对现代科技有着深远的影响。 

微执行器，也称为微致动器，是指在微电子机械系统（MEMS）中用于实现精确机械运动的微型装置，它能够在微小尺度下进行机械运动 。微执行器其尺寸一般在微米至毫米量级。它们通常具有尺寸小、重量轻、功耗低、响应速度快.

根据工作原理和结构特点，微执行器可分为以下几类：

g1电磁型微执行器：利用电磁力驱动，如微电机、微电磁阀等。

g2热驱动型微执行器：利用热膨胀、热应力等原理驱动，如微热膨胀执行器、微热气动执行器等。如双金属执行器这个执行器由两个金属片制成，通过焦耳热（电阻加热）获得使两个热臂变形，进而使执行器发生位移所需的温度升高。与冷臂相比，热臂的膨胀程度更大，从而导致执行器弯曲。这种执行器的工作涉及电流传导、生热和热传导以及热膨胀引起的结构应力和应变等多个耦合物理现象。 电热微执行器：这种执行器通过施加的电压加热，并以变形的方式“执行”指令。电热微执行器的工作过程涉及电气、热和结构等多种物理现象的密切耦合，这些现象会影响器件的性能。它们不需要高工作电压即可工作。

g3形状记忆合金（SMA）微执行器：利用形状记忆合金的相变特性驱动，如微夹持器、微泵等。

g4压电型微执行器：利用压电材料的逆压电效应驱动，如微镜、微泵等。

g5静电型微执行器：利用静电力驱动，如微镜、微开关等。

由科学出版社出版的《微传感器与微执行器全书》，是一部关于微机械系统方面的重要论著和首选技术参考书，系统的详细的介绍了微执行器和微传感器技术的所有研究领域，并提供了大量的参考文献。更多的微执行器和传感器可参考该文献。

转换器与实体运动副位于同一个层次。而某些转换器就是一个实体运动副。

转换器种类繁多。除了上述典型转换器外，还有许多其他类型的转换器在电工电子领域中发挥着重要作用。这些转换器各具特色，共同构成了电工电子系统的丰富多样性和复杂性。通过深入了解和研究这些转换器的工作原理和应用场景，我们可以更好地利用它们来满足各种复杂的应用需求，推动电工电子技术的不断发展和进步。

4.3.4 电路层次

4.3.4.1 电路的定义与重要性

电路，作为电流流动的路径，是由各类转换器（如电源、用电器、导线和开关等元器件）按特定方式连接而成的总体。它不仅负责传输和转换电能，还承担着传递和处理信号的重任。电路在现代电子技术中占据着举足轻重的地位，其应用范围广泛，涵盖了通信、计算机、医疗设备、家用电器等多个领域。

4.3.4.2 电路的组成与结构

电路结构参见图3。图3是转换器的拓扑结构图。1是主体，具有满足人的主观或客观需求的能力，2、3 是连接子 ，用于与外界连接，包括用于构成电路或更大的系统或供人们直接使用。具有满足人的主观或客观需求的能力及其连接能力是所有电路模块的最本质的特性。不同的转换器会有不同的功能。

图 8  电路模块拓扑结构示意图

（1、电路主体，2、连接子，3、连接子）

主体部分由多种转换子以某种连接方式连接构成一个整体。连接模式包括但不限于串联模式、并联模式、混联模式等。

电路主体的基本组成部分包括电源、负载、导线、开关、保护元件、被动元件和主动元件。电源是提供电能的设备，如电池或发电机，它是电路的能量源泉；负载则是消耗电能的设备，如灯泡、电动机等，它们将电能转化为其他形式的能量；导线则负责连接电源和负载，实现电能的传输；开关则控制电路的通断，从而控制电流的流动；保护元件如保险丝和断路器，用于在电路发生过载或短路时切断电流，保护电路免受损害；被动元件如电阻器、电容器和电感器，它们对电流和电压进行控制和调节；主动元件如晶体管和集成电路，则用于放大、开关或处理信号。电路的连接子是导体或导体组合件。

4.3.4.3 电路分类

电路作为电器整机的一个重要部件和层次，其种类繁多，功能各异。为了更深入地理解电路，先进行基本的分类。

A. 按电流流动方式分类，有直流电路和交流电路。

B. 按电路中元件的连接方式分类，有串联电路、并联电路、串并联电路、混联电路。交流电路中，还有三角形连接电路和星型连接电路等。

C. 按电路中元件的性质分类，有电阻电路、电容电路：电感电路。

D. 按电路中元件的作用分类有放大电路、滤波电路、 振荡电路、计算电路。

E. 按电路的功能分类，有数字电路和模拟电路。

F. 按电路的复杂程度分类有简单电路和复杂电路。

G. 按电路的用途分类，有通信电路、电源电路、控制电路、测量电路等等。

4.2.4.4 基础电路层次：

基本电路层次是由基本元件组成的简单电路，如电阻分压器、电容滤波器、晶体管放大器等。

这些基本电路可以实现基本的电子功能，如信号放大、滤波、整流等。

基本电路层次实例：

a电阻电路：包括 串联电阻电路 并联电阻电路 分压电路

电流分配电路

b电容电路： 并联电容电路 串联电容电路 滤波电路（低通、高通、带通、带阻） 积分电路 微分电路

c电感电路： 滤波器（LC滤波器） 谐振电路 电源去耦电路

d二极管电路： 整流电路（全波整流、桥式整流） 稳压电路 信号调制电路（如PWM控制）

c晶体管电路： 放大器电路（共射、共集、共基放大） 开关电路 振荡器（如科尔皮茨振荡器）

d运算放大器电路： 非反相放大器 反相放大器 电压跟随器（缓冲器）积分器 微分器 仪表放大器

基本电路还有很多。这些基本电路是电子工程中的基础，它们可以进一步组合和扩展，形成更复杂的电子系统。每个基本电路都有其特定的应用和功能，是电子设计师工具箱中的重要组成部分。

4.3，4.3 简单功能模块层次：

功能模块：由多个基本电路组成的模块，如运算放大器模块、电源管理模块、信号发生器模块等。

功能模块通常实现特定的功能，可以作为一个整体在更复杂的电路中使用。

在功能模块层次，电路开始展现出更复杂的功能，这些模块通常是由多个基本电路组成的，用于实现特定的电子功能。

以下是一些功能模块层次的实例：

a模拟信号处理模块：例如，模拟滤波器（低通、高通、带通、带阻），信号放大器（运算放大器模块、功率放大器），信号转换器（模拟到数字转换器 ADC、数字到模拟转换器 DAC），信号发生器（函数发生器、波形发生器），模拟乘法器等等

b数字信号处理模块：例如，逻辑门电路（与门、或门、非门、异或门等）

，多路复用器（MUX）和 demultiplexers（DEMUX），数字计数器（二进制、十进制），数字时钟管理器（时钟发生器、时钟分频器），微处理器和微控制器单元（MCU）等等。

c电源管理模块：例如，线性稳压器（低压差线性稳压器 LDO、正负稳压器），开关电源（降压转换器、升压转换器、反激转换器、正激转换器），电池管理系统（BMS），电源模块（DC-DC转换器、AC-DC转换器）等等。

d通信模块：例如，调制解调器（Modem），无线通信模块（Wi-Fi、蓝牙、RFID、ZigBee），网络接口控制器（NIC），光纤通信模块（光纤收发器）等。

e传感器和执行器模块：例如，温度传感器模块（热电偶、热敏电阻），压力传感器模块，光传感器模块（光敏电阻、光电二极管），电机驱动器（步进电机驱动器、伺服电机驱动器）等。

f存储模块：例如随机存取存储器（RAM），只读存储器（ROM），闪存存储器（NAND、NOR），磁存储器（硬盘驱动器 HDD、固态硬盘 SSD）等等。

g用户接口模块：例如键盘和鼠标控制器，显示驱动器（LCD、LED驱动器），触摸屏控制器，音频编解码器（ADC、DAC）等。

功能模块种类繁多。这些功能模块通常被集成在集成电路（IC）中，或者由多个IC和分立元件组成，它们可以在更复杂的电子系统中作为构建块使用。功能模块的设计通常需要考虑性能、功耗、尺寸、成本和可靠性等多方面因素。

2. 复杂电路模块层次：

集成电路（IC）：将大量的基本电路和元件集成在单一的半导体芯片上，如微处理器、存储器芯片、模拟前端芯片等。

集成电路是构成更复杂电子系统的基本单元。

在集成电路层次，元件和基本电路被集成在单一的半导体芯片上，形成了具有复杂功能的模块。以下是一些集成电路（IC）层次的实例。

例如，intel 公司生产的Intel Core系列处理器，，由AMD公司推出的

AMD Ryzen系列处理器等。还有 PIC微控制器、 AVR微控制器等等.

4.3.5 整机层次

4.3.5.1 由多个电路模块组成的完整的电路系统称为电器整机。简称整机。

整机由主体和和连接子组成。主体是由一个或多个电路通过串联并联混联或其他多种连接模式连接构成的整体，连接子通常有多组。连接方式多样。

整机结构参见图3。图3是整机模块的拓扑结构图。1是主体，具有满足人的主观或客观需求的能力，2、3 是连接子 ，用于与外界连接，包括用于构成更大的系统或供人们直接使用。具有满足人的主观或客观需求的能力及其连接能力是所有整机模块的最本质的特性。不同的整机模块会有不同的功能。

整机中的电路（有时还包括转换器等）提出通过串联连接并联连接或混联连接等多种连接方式，进行连接构成一个整体。整机中个各个部件的连接，多是三维空间中的连接，连接结构复杂。下面仅以机电的整机为例，意在说明其基本组成和层次结构。以平面二维的机电整机为例。

      图 9  整机模块拓扑结构示意图

  （1、整机主体，2、连接子，3、连接子）

4.3.5.2 整机层次 实例分析

实例1以一台收音机电路为例。

一个最简单的收音机，通常被称为“晶体管收音机”，其基本构成可以简化输入模块，输出模块和主体模块等三个核心模块：

输入模块即连接子模块，包括天线（Antenna）：用于接收空中传播的无线电波。调谐电路（Tuning Circuit）：包括一个可变电容器和一个固定电感器，用于选择特定频率的无线电波。用户界面（User Interface）至少包括一个调谐旋钮，用于选择不同的电台。这些模块都是不同的转换器。

主体模块

包括检波器（Detector）：从接收到的无线电信号中提取音频信号。在最简单的晶体管收音机中，检波器通常集成在晶体管中。放大器（Amplifier）：一个或多个晶体管组成的放大电路，用于放大检波后的音频信号。电源（Power Supply）：为收音机提供电能，可以是电池。这些模块都是不同的转换器。

输出模块包括扬声器（Speaker）或耳机等：输出模块将放大后的音频电信号转换成声音。这些模块也都是不同的电路或转换器。

上述列出的是实现基本收音机功能所必需的最小组件集合。在实际应用中，即使是最简单的收音机也可能包含额外的组件，如音量控制、耳机插孔（连接子类部件）等。

复杂系统层次和层级复杂系统层次 由N（N>1）个整机系统连接起来构成的复杂系统。

完全由电器构成的复杂系统，例如，网络层次，包括局域网（LAN）：连接局部区域内的设备局域网：连接不同地区或国家的网络；互联网，全球性的计算机网络；物联网（IoT），通过互联网连接的设备网络。等等。本文给出的连接架构同样适用于这个层次。但是，本文对这个层次的系统不做分析。

4.4电工电子学科逻辑架构及其结构严整性

4.4.1生成关系的意义和重要性

技术人工物的生成关系，遵循从简单到复杂从低级到高级的历史发展逻辑。生成关系同生物体，机械人工物相似。在生成关系中，由简单到复杂是一条主线。但是，并不是说，所有的部件都取自上一个层次，存在例外。例如，一些转换器部件内部包括电路。而电路是比转换器更高级的层次。各个领域都会有类似的情况。这是技术人工物的反哺现象。系统各个层次之间的反馈也是一种技术反哺现象。

4.4.2电工电子学科的结构各个层次的生成关系

 电工电子学科的技术人工物基本生成关系如下所述。

从材料生成基础件，从基础件生成组合件；从组合件生成转换器。

 从组合件生成转换器，多依靠某种固定或活动连接， 固定连接，又依靠连接产生的界面效应，连接模式有串联并联混联；包括紧密型的连接和点连接等。

从转换器生成电路，从电路生成整机。

整体是与机械人工物和生物具有相似性。

4.4.3、关于生成关系的说明

4.5.3.1、关于上一个 层次的元素是相邻较高层次元素的基本结构单元，不仅仅指本学科的上一个层次，也包括相邻学科的上一个层次。例如计算机作为电器产品，应用的机械开关、机械键盘就是机电一体化的产品。可调高度和角度的显示屏支架用的是机械产品（实体移动副和实体转动副）。有些鼠标产品有轮式实体转动副。一台车床，虽然是机械产品，却有电路。这是跨学科的组合。

再例如，在电工电子领域，一个电池供电的简单的照明电路，有一灯泡，一个电池，一个机械电开关组成，另外灯泡安装在一个灯座上，灯座与灯泡之间有一个实体转动副连接，灯泡的角度可以通过转动副调节。这是一个机电一体化产品。

我们说，这个电路由三个转换子和一个实体运动副构成。电路与机构虽然是同一个层次的部件，但不是一个技术领域的元素。电路应当是由转换子组成的，转换子与实体运动副是一个层次的，是与机光电一体化的电开关一个层次的。

我们说，电路是由上一个层次的部件组成的，如果仅限于电工电子的转换子层次的部件（元素），则我们没有办法构建这一个简单电路。或只有改变设计，把机械电开关换为感应开关，取消实体转动副。因为，电工电子领域内没有机械开关，没有实体转动副。因此，我们探讨层次划分及其应用，必须放在机液光电一体化的大场景内。这样，表达比较严密，工程实现比较容易。这表明学科融合是大趋势。

注意：上述照明电路的组成中没有提到导线，新的逻辑架构下都是这样的。这没有问题。这不是遗漏。这是由转换子的结构决定的。因为每一个转换子都有连接子。这儿，连接子就是导线。而且，连接子没有长度限制。机械学科的连接定理在电工电子学科仍然适用。按照连接定理，两个导线连接后会变成一根导线，连接处的连接子消失。

4.5.3.2、关于上一个 层次，还不仅仅是本学科的上一个层次，也应该包括本层次的、和较高的层次的部件。例如实体运动副，自身有时会包括实体运动副或机构，机构是下一个较高层次的部件。

构建机光电一体化部件，主要是应用较低层次的元素，有时也会包括较高层次的或平级层次的元素。各个学科中都有这个情况。例如，液压气动学科的液压阀，是对应生物器官的层次，就包括实体运动副。电工电子领域也有这种情况。例如转换子的内部包括另外的一个转换子或实体运动副，甚至包括某一个电路。这是技术发展的必然现象，是一种技术反哺现象。

4.6.4电工电子学科的结构严整性

部件结构完整性是电工电子系统可靠性的基石，首先体现在都有相同的拓扑结构。都是由整体和连接子组成。每一个电子元件、每一个电路模块，其设计制造验收和使用条件下保持了结构的完整性和功能的稳定性。这种要求在设计阶段就进行充分的仿真和测试，以验证部件的性能和可靠性。同时，在制造过程中，需要严格控制材料质量、加工工艺和测试标准，以确保部件的结构完整性。此外，部件结构完整性还涉及到部件之间的连接和接口设计，从而确保电气连接的可靠性和信号传输的准确性。

电工电子学科的结构有序性体现在生成关系的顺序上，体现在从材料、元件到整机的层层加工、组装和集成过程中。这一过程不仅要求每一层级的设计都精确无误，还需确保各层级之间的接口标准和通信协议的一致性。在电工电子系统中，基础件作为最小结构单位，通过精确的组合和连接形成具有特定功能的组合件模块；组合件模块连接构成转换器模块，转换器模块再进一步连接，包括串联、并联、混联（交流电路还有三角形连接或Y型连接等）等连接，构成较为复杂的电路系统； 多个电路系统相互连接构成更为复杂的大系统，形成一个完整的电工电子大系统。这种结构有序性不仅保证了系统的稳定性和可靠性，还提高了系统的可维护性和可扩展性。连接模式是有规律的是有序的。

5  技术人工物结构层次划分及基础逻辑架构初探

5.1层次划分的意义和依据

5.1.1  自然辩证法关于层次的论述

自然物质系统存在层次结构，层次有具体层次与完整层次结构两层含义。其组成元素经相干关系构成系统，再经新相干关系构成新系统，形成逐级构成的结构关系。

层次结构有两大特点：一是低层系统是高层系统的构成部分，存在构成性关系；二是同一层次系统间有相干关系，通过相干作用构成高一层次系统。

生命世界从生物大分子构成细胞开始，经组织、器官、系统到生物个体、种群、生物群落、生态系统直至生物圈，呈现出多级层次结构

高层次与低层次物质系统相互关系规律包括：低层对高层有上向因果关系，常用上向层次解释高层次现象；高层对低层有下向因果关系，解释低层次现象需引用高层次规律；高层次具有相对独立性，有特殊结构、规律。高层次的属性与功能，不能简单归结为低层次系统总和。总之，高低层次物质系统相互作用，有双向因果关系且高层次具独立性，层次分析和综合方法基于上述几项规律。

5.1.2相干关系和层次独立性

相干关系是同一层次系统之间的相互作用，包括彼此约束、选择、协同和放大等作用，这种相互作用使得这些系统能够构成具有特定功能的高一层次系统。

从层次结构的形成来讲，组成元素通过相干关系构成系统，系统又经过新的相干关系构成新的系统。对于某一层次系统，参与构成它的是低层系统，由它构成的是高层系统。

以原子为例，原子核和核外电子之间具有电磁相互作用，这就是一种相干关系。这种相干关系使得原子这个系统很稳定，并且原子核与核外电子构成一个层次系统，它们共同构成更高的层次——原子层次。

以并联机构为例，并联机构的各个各个支链之间存在相干关系。各个支链的串联机构原本是各自独立的自由的。但是构成并联机构之后，他们相互关联，相互配合，构成一个新的系统，获得新的特性。界面效应也是一种相干关系。

5.2技术人工物层次划分的基础 

关于机电一体化产品的层次划分，在有了机械，液压气动，建筑和电工电子等领域的层次划分之后，机电一体化产品的层次划分不存在理论上的难点。而且在这些已有技术人工物产品的层次化的加持下，就基本上为机电一体化的技术人工物的各个层次定了位。

首先，在液压气动，机械领域已经涉及到了机电一体化的一些部件。例如电液阀，电液伺服阀。机械电开关，继电器。这些就是机电一体化部件。这些部件属于器官层次。在电工电子领域也涉及到了机械开关，可变电阻器，可变电容器等和其他一些机电一体化的部件。这些部件也属于器官层次。严格的说，电工电子领域研究的一些传感器，本身就是机电一体化部件。例如双金属片，压电传感器，记忆合金，磁致伸缩材料，等等。

在细胞层次和组织层次，机电一体化的部件多数是由功能材料架构得到的。其组成方式与机械或电工电子部件类似，连接方式类似。在生物的系统层次，机电一体化几乎没有自己的独立结构形式。多数机械或电工电子或液压气动的对于的结构上的改进。例如，有控制系统的机械设备，含机械部件的电器产品。

前面我们对机械液压气动电工电子建筑等等学科进行了层次划分，获得了相似的层次结构。各个领域的相同层次，虽然层次名称不同，但是都有某种共性。因为他们都对于相同的生物体层次。这为统一创造了条件。我们对各个层次进行统一。统一命名各个层次的名称，包括内涵和外延。归纳提炼找出他们的共性，在此基础上，指出他们的区别。

 完成从各个分支领域到多个领域的统一之后，我们把结论推广到技术人工物。其基本逻辑依据是归纳推理。以上领域，已经基本涵盖了技术人工物的大部分，而且具有代表性。

下面把基于机电液建得到的结论推广应用到技术人工物。

5.3、关于技术人工物的层次划分

技术人工物材料层次，是机械材料、建筑材料、电工电子材料和液压气动材料等的总称。是机械液压气动电工电子建筑（以下简称机电液建）材料的并集。是生成基元的基石。

技术人工物基元层次，基元是机械构件，液压气动构件、管件，建筑构件和电工电子基础件层次元素的总称，是机电液建等各个等各个领域内同一个层次元素的并集。基元是生成组合件的基本结构单元或基本功能单元。

技术人工物组合件层次，组合件是机械复合构件、定常结构，构筑物，组合件，机电液建等同一个层次元素的总称，是机电液建等各个领域内等同一个层次元素的并集。组合件是生成关联器的基本结构单元或基本功能单元。

在该层次，出现了连接概念。连接分为多种类型。机械连接和界面效应连接是两个重要的连接。还有直接连接和间接连接等。

技术人工物关联器层次，关联器是机械实体运动副、联轴器，刹车器，定常结构，液压阀，转换器等同一个层次元素的总称。关联器是机电液建等各个领域内该层次元素的并集。关联器层次的运动包括机械运动电子运动化学运动和场运动等等。宏观运动和微观运动。还包括有规律运动和无规律运动。连接方法包括直接接触连接和间接连接（例如无线连接），点连接线连接和面连接  ，连接模式重要有串联模式 并联模式混联模式 等等。

关联器是生成机路的基本结构单元或基本功能单元。

技术人工物机路层次，机路是机构（包括串联机构并联机构梳联机构等）、机器、液压回路、气动回路，电路等机电液建等该层次元素的总称，是机电液建等各个领域内该层次元素的并集。机路层次的连接以点对点连接为主。多为固定连接方法。机路是生成整机的基本结构单元或基本功能单元。

技术人工物整机层次，整机层次是机构（包括串联机构并联机构梳联机构等）、机器、液压回路、气动回路，电路等机电液建等中该层次元素的总称，是机电液建等各个领域内该层次元素的并集。机路层次的连接以点对点连接为主。多为固定连接方法。

从机械到建筑，器官层面引入实体运动副概念和容积型构件的概念，系统层面，及机械的机构和机器层面，引入梳联机构的概念，梳联机构与串联机构和并联机构并列。同时，由并联梳联机构的概念，为楼群和机构群建立了联系。

从机械到液压气动，刚体运动部位流体运动，构件引入流体构件。实体运动副与液压阀建立了兄弟关系。

表格2 是 技术人工物各个领域的逻辑架构层次与生物体的层次对比。主要列出了机械领域，液压气动领域和电工电子领域及其建筑领域的结构层次对比。重点是基础层次的对比。与动物层次不同的是，表格2 ，把材料层次也列入其中。对于更为复杂的层次，如种群、群落生态系统生物圈对于的层次，没有做进一步的分析。这些层次是一个高度融合的复杂结构。本文重点在基础层面的统一。

表格2中的其他人工物是指机械液压气动电工电子和建筑所不能涵盖的技术人工物。多是可以用技术人工物结构理论解构或说明的人工物。例如，书籍，从物理结构看是纸的集合，是纸张经过梳联连接构成的整体。一张纸的展开类似或可简化为一个柔顺实体转动副，实体转动副的轴线在书背处，与书背平行。一本书是一个梳联柔顺机构。每一个字都是一个空间结构构件，一个句子的相邻的字与字之间是串联连接。行与行之间是并联连接，是固定并联连接的线连接。从语义学视角观察，这些结构特征却没有给出句子表达的内容。其它人工物还包括一些模糊区间的人工物。再如食品，一个馒头，应该说是一个技术人工物，但是，通常人们把它作为消费品。或许，把馒头放在动物与人工物的融合的大背景下，作为含能量构件，构成动物的一个能量部件，可以做出合理的解释。还有乐器，乐器是艺术人工物还是技术人工物？我们可以把它作为技术人工物研究。看来，技术人工物与非技术人工物存在一个模糊的区域。我们倾向把有形的人工物都看作为技术人工物。不论它是为技术人工物服务还是为社会人工物或艺术人工物服务。

表格2  技术人工物各个领域的逻辑架构层次对比

在表格2中，各个方格的元素是孤立的。实际上它们是有相互联系的。首先，在最基本的层面，与同领域的上下级形成生成关系。其次，还同相邻的甚至不相邻前后左右的方格内的元素产生关系。这是技术的融合与发展，构成技术人工物的复杂性。

5.4机械电子学学科的结构各个层次的生成关系

在生成过程中。离不开三个要素：基本结构单元，连接方法，连接模式。连接是广义的，连接包括改变。

从材料生成基元，多依靠某种改变，或机械或物理变化或化学改变；

从基元生成组合件，多依靠某种连接，以固定连接方式多见。连接模式有串联并联梳联等等；

从组合件生成转换器，多依靠某种固定或活动连接， 固定连接，又依靠连接产生的界面效应，连接模式有串联并联混联；包括紧密型的连接和点连接等。

从转换器生成机路，多依靠某种固定或活动连接，  连接模式有串联并联混联，交流电电路还有三角形和星型连接模式；主要包括点连接等。机路包括机构，机器，液压气动回路，电路等。

从机路生成整机，同样多依靠某种固定或活动连接， 连接模式有串联并联混联；主要包括点连接等。机路中的电路多是空间连接结构，比较复杂。

由简单到复杂，由低级到高级，是一条生成关系的主线。实际的生成关系中，还包括较高层次的元素。例如，一个转换器层次的部件可能包含电路元素。

技术反哺现象是比较普遍存在的。

5.5.机械电子学学科的结构有序性

机械电子学（机电一体化）作为机械工程与电子技术的结合体，其结构有序性虽然更为复杂，层次划分仍然同生物学结构保持一致。

机械电子学学科的结构严整性不仅体现在各层级部件的自相似性、结构完整性和严格有序性上，还体现在从元件到整机、从单一学科到跨学科融合的动态生成关系中。这种严整性为建立一个层次清晰。逻辑严密，简单自洽的逻辑体系奠定了坚实的基础，也为建立机电一体化的统一理论奠定了坚实的基础。

在机械电子系统中，机械部件负责执行物理任务，而电子系统则负责控制、监测和优化机械部件的工作状态。两者通过精密的设计和严格的接口管理，实现了功能上的互补和整体性能的提升。这种结构有序性使得机械电子系统能够更加高效地运行和管理，并满足日益复杂的应用需求。其他学科之间液压类似的分工与协作关系

5.6各层级部件的结构完整性和自相似性

5.6.1自相似性与结构统一

自相似性，作为自然界和工程领域中普遍存在的现象，在机电学科中扮演着至关重要的角色，它不仅是一种设计哲学，更是一种优化资源利用、提高系统效率的有效手段。在电工统中，自相似性体现在多个层面：从基本的电子元件（如电阻、电容）到复杂的集成电路，再到整个电子系统或网络，每一层级都遵循着相似的设计原则和结构模式。这种自相相似性。不仅有助于简化设计和制造过程，还促进了技术的快速迭代和升级。通过模块化和标准化的设计，电工电子系统能够实现高效的资源管理和灵活的功能扩展，从而满足不断变化的应用需求。我们知道，各个层级的部件或元素器结构都具有相似性。因为他们都是有主体部件和连接子组成，连接子都具有某种连接功能，主体部件都可以满足人们的某种需求。

5.6.2主体结构完整性

每个部件都具有相同的结构。整体结构的完整性是电工电子系统设计核心目标规定的。它要求系统在设计、制造和运行过程中，必须保持内部结构和功能的完整性，以确保系统的稳定性和可靠性。在电工电子领域，这涉及到电路设计的合理性、元件选择的精确性、制造工艺的精细性以及系统集成的严谨性等多个方面。

5.6.3同一个子系统的各个部件的结构自相似性

在同一个子系统内，各个部件往往承担着相似的功能或扮演着相似的角色。这些部件通常采用相似或相同的设计理念和结构模式。例如，在数字电路设计中，不同类型的逻辑门电路（如与门、或门、非门等）虽然功能各异，但它们的基本结构（如输入端、输出端、整体部件逻辑运算单元）却具有高度相似性。部件之间的自相似性还有助于提高系统的可维护性和可扩展性。

5.6.4同子系统之间各个部件的结构自相似性

在更宏观的层面，不同子系统之间的部件同样展现出结构自相似性。这通常发生在需要共享资源或协同工作的场景中。例如，在通信系统中，信号处理模块负责数据的编码、解码和传输；而在控制系统中，控制逻辑模块则负责信号的接收、处理和输出。虽然它们服务于不同的子系统，但在数据处理和信号传输方面可能采用相似的架构和算法。这种结构自相似性 促进了不同子系统之间的兼容性和互操作性，使得整个系统能够更加高效地运行和管理。

5.7  关于技术融合

在机械电子系统中，技术融合体现在两个方面。一个是技术自身的各个分支领域之间的交叉和融合，一个是技术人工物与生物之间的交叉与融合。

5.7.1 技术各个分支领域之间的交叉和融合

机械部件和电子系统相互依存、相互影响。机械部件的运动和力学特性会影响到电子系统的控制和监测效果；而电子系统的控制和监测又会反过来影响到机械部件的工作状态和性能。因此，在设计和制造机械电子系统时，必须充分考虑机械部件和电子系统之间的相互作用和影响，以确保整个系统的稳定性和可靠性。（相关性）

技术人工物各个分支领域的融合是一个发展趋势。各个领域的各个层次，我们已经看到了从低层次的，简单层次到高层次，复杂层次。它们融合逐渐多见，从构件到组合件这个层次之间的融合相对较少。到关联器层次已经出现普遍的融合，也就是一体化。例如，在关联器层次。机液阀是机械实体运动副和液压的融合。空气开关，普通机械电开关是机械和电子的融合，空气开关。电液伺服阀是机液电三者的融合。所以，在关联器层次里，出现了多领域的融合。在机路层次，所谓机路是机构，机器电路液压回路，驱动回路的总称。在这个层次已经出现了深度融合。

一台发动机，一台电视，都离不开机械的支撑。系统越复杂，融合越全面，复杂，相互交错。在高层次几乎不存在孤立的系统，不存在一个孤岛，不存在完全机械的，或完全电子的孤岛。融合的过程，是一个概念不断扩展的过程。机械的宏观运动到机械的微观运动，是微机械和柔顺机构和传统机构的融合过程，从物理运动到化学运动是机构到机器的融合阶段，从机械运动到电子运动是机械和电器之间的融合，从实物运动到，无形物的运动，也是一个深度融合的过程。

另外，由于所有这些领域的层次划分都是类比生物学结构层次，所以他们具有统一的层次，这些层次也为机电一体化产品找到了依据和一些确切的对应。现在是，在器官层次上，已经为机电一体化产品找到了对应物。 各种传感器，各种转换器，各种实体运动副，液压阀，他们是同一个层次的部件。基础件和组合件层次与液压气动，机械领域建筑的对于层次，很容易建立联系。这些联系逻辑清晰，关系紧密。没有丝毫勉强之意。实际上，转换器中的微驱动其就是微位移实体运动副。这是深度融合交叉的例证。

5.7.2 技术人工物与生物之间的交叉与融合

随着科学技术的飞速发展，技术人工物与生物体已经深度融合。生物技术在技术人工物中获得广泛的应用。包括生物材料、生物传感器、生物制造技术等。

生物技术产生的生物材料被广泛应用于制造技术人工物。例如，生物相容性材料如钛合金和聚合物被用于制造人工关节和支架，它们能够与人体组织良好相容，减少排斥反应。

生物传感器设备，可以检测和测量生物体内的化学物质。这些技术在医疗监测、环境检测和食品安全等领域发挥着重要作用。

生物制造技术，如组织工程和3D生物打印，正在革新医疗产品的制造。这些技术用于修复或替换受损的组织和器官。

技术人工物在生物医学领域的应用。例如植入式医疗设备心脏支架、人工心脏、人工肾等。再生医学利用生物材料和细胞工程技术来修复、再生或替换受损的组织和器官。例如，种植牙和人工髋关节。

人机接口技术（BMI）的发展使得生物体与技术人工物之间的交互达到了新的高度。BMI技术可以帮助残疾人士恢复感官或运动功能。 

技术人工物中应用生物技术的案例遍布多个领域。

例如 生物降解材料在包装和一次性产品中被广泛使用。这些材料是通过生物技术从可再生资源（如玉米淀粉）中提取的，它们在自然条件下能够被微生物分解，减少环境污染。在环境监测和医疗诊断中， 生物传感器如酶传感器利用生物酶作为识别元件来检测特定的化学物质，如葡萄糖传感器用于监测血糖水平。在化工生产中，酶作为一种生物催化剂，被用于合成药物、食品添加剂和其他化学品。这些酶催化剂通常比化学催化剂更高效、更环保。生物芯片（或称为实验室芯片）集成了微型化的生物检测设备，可以用于快速基因测序、蛋白质分析等生物分析任务。

此外还有生物发酵、生物电子学、生物材料、纳米生物技术等等、在技术人工物中获得越来越广泛的应用。

5.8关于连接方式及其连接模式的拓展

5.8.1 连接方法的进化

技术人工物的本质属性包括两个方面。一个是 满足人的客观和主观需求，

一个是连接（包括改变），无连接，无人工物。在前几篇博文中，探讨了连接方法和连接模式。大部分机械连接方法可以应用于电工电子领域。插接连接是电工电子比较常用的连接方法。各种各样的插头插件，十分常见。连接模式，除串联梳联并联外，交流电还有Y型连接和三角形连接等等。连接模式有新发展。

关于连接，从两个部件的接触面的大小来看，有点连接和线连接或面连接。通常说的串联电路并联电路的连接是点连接。其他的连接通常不被提及或没有专门的名称。焊接连接有点焊（这个点是应用几何的点）。有些特殊的焊接如堆焊，其焊缝是面型焊缝，粘接连接的连接面积也会很大。还有一种连接是材料自身的力形成的紧固连接，如导线外套。点连接构成的结构模式被研究的比较充分，而面型连接通常不被特别指明，看上去，没有被重视。面型连接主要用于构建结构。建筑中，面连接也比较普遍。砖与砖之间的连接，是面连接。房间与房间之间的连接是面型连接。接触连接，每个部件，都有连接表面。有些部件的全部表面都可以作为连接表面。面连接是指连接处是一个二维平面或曲面。如果面积比较多，而且对于某一个部件呈现包容趋势，则称为包容式连接。

进入电工电子领域，连接方式有拓展。连接，按照连接面是否直接接触，分为接触连接和非接触连接。非接触连接，例如无线连接。在电工电子领域，无线连接应用比较普遍，机械连接多是接触连接。对于两个平面或曲面之间的连接，如果连接是一条连续的线段，则称为线连接，对于一个平面或曲面与一个三维物体之间的连接，如果连接是一条连续的线段，则称为线连接。两个三维物体之间的连接，如果是稜棱与棱连接或棱与面连接，连接是一台连续的线段，则称为线连接。

面型连接分为包容式面连接和非包容式面连接。

5.8.2关于新连接模式

不同的连接可以形成不同的结构模式。所谓连接模式是指某种连接后构成的空间结构的样式。多个转换器进行串联的点连接，在电工电子领域形成串联电路，组合件的串联点连接可以构成转换器。

 同样是并联，点连接形成并联电路或并联机构。线连接的并联，则是另一种结构模式。面型连接的并联，则是另一种固定结构模式。包容式连接是一种〇间距固定并联连接模式。

接触连接有两种结构。一个是机械接触，两个接触表面没有发生变化，或虽然有变化，但是这种变化没有被人们应用。一个是接触表面发生变化，出现界面效应，两个接触表面发生变化，这种变化并为人们所应用。界面效应是一种重要的连接，连接的结构是一种新的结构模式。

串联有三种结构模式。

串联电路，多个转换器以点连接形串联构成的闭环电路；

串联结构，多个基础件或组合件以点连接形式串联构成的复合结构会定常结构，开环或闭环；

串联机构，多个实体运动副以点连接形式串联构成的开环机构。

并联也有三种结构模式。

并联电路，多个转换器以点连接形式并联构成的闭环电路；

并联结构，多个基础件或组合件以点连接形式并联构成的复合结构会定常结构，开环或闭环；

并联机构，多个实体运动副以点连接形式串联构成的闭环机构。

并联模式又分为〇间距并联模式和非〇间距并联模式。

绝缘导线是〇间距并联结构模式。非仿生步行机器人是〇间距并联机构模式。

连接构成的模式多种多样。连接可以形成固定结构模式，也可以形成活动结构模式。不同的模式形成不同的系统特性。

参考文献

1、＜功能材料及其应用手册》编写组  功能材料及其应用手册  北京机械工业出版社出版 1991

2、张明金，尹慧主编，电工与电子学概论／北京：化学工业出版社，2008.7

3、钟力生等编．电气材料基础／一北京：机械工业出版社，2023.12

4、王姬，崔陵主编．机电一体化概论／-2版．一北京：高等教育出版社，2018

5、 朱承高等编．电工学概论／--2版．-﹣北京：高等教育出版社，2008.6(2012.8重印）

6、 张兴，黄如，刘晓彦编著．微电子学概论／-3版．﹣北京：北京大学出版社，2010.2

7  刘迎春，叶湘滨编著，现代新型传感器原理与应用／一北京：国防工业出版社，1998(2002.9重印）

8、何希才编著．﹣传感器及其应用／北京：国防工业出版社，2001.5

9、机电一体化技术手册编委会编，机电一体化技术手册：第1卷／第2版，﹣北京：机械工业出版社，1999.9

10、机械工程手册电机工程手册编辑委员会编、电机工程手册：基础卷（一）（二）电机卷，输变电，配电设备卷，电力系统卷，应用卷（一）（二）自动化与通讯卷。输变电、配电设备卷／-一北京：机械工业出版社，2版，1997

11、章吉良，周勇，戴旭涵编著，微传感器：原理、技术及应用／一上海：上海交通大学出版社，2005

12、（美）格雷戈里 T . A ．科瓦奇著：张文栋等译  微传感器与微执行器全书／一北京：科学出版社，2003.3

13 吴国林 主编  自然辩证法概论／．修订版．北京：清华大学出版社，2018

14 栾玉广主编  自然辩证法原理 ．-3版． 合肥：中国科学技术大学出版社2007.8

15 司汉武  著 解释与建构：理论科学的方法论  

16  雷源源，张晓燕主编．材料科学概论／ 北京：北京大学出版社，2013.1

17 王伯鲁著．技术究竟是什么？：广义技术世界的理论阐释／北京：中国书籍出版社，2019.1

18李文林主编．数学的统一性  大连：大连理工大学出版社，2009.1

19（英）泰勒著；暴永宁译．自然规律中蕴蓄的统一性  北京：北京理工大学出版社，2004.2

20 张景中等著． 数学哲学／北京：北京师范大学出版社，2010.10(2014.8重印）

21 （日）米山国藏著；毛正中， 吴素华译   数学的精神、思想和方法／上海：华东师范大学出版社，2019

22 苏步青，华宣积 编著．应用几何教程／ 2版． 上海：复旦大学出版社，2012.

 23 雷源源，张晓燕主编．材料科学概论／ 北京：北京大学出版社，2013.12

 2 4［美］库兹（ Kutz , M .）著；陈祥宝，戴圣龙等译．材料选用手册／

  北京：化学工业出版社，2005.4

25谷振诣，刘壮虎著．批判性思维教程  北京：北京大学出版社，2006.9（博雅大学堂·哲学）

26许树柏编著实用决策方法 一 层次分析法原理  天津大学出版社出版

 1988

27黄秦安著／数学哲学新论：超越现代性的发展． 北京：商务印书馆，2013(2014.2重印）

 （法）雅罗森著；张莹译．科学哲学／﹣北京：北京大学出版社，2000.4（观点丛书·科学）

28张巨青主编  科学逻辑／． 上海：学林出版社，（2021）

29 庞志成编著  物质结构原理新编． 北京：化学工业出版社，2013.7

 30李喜先等著  知识系统论／ 北京：科学出版社，2011.6

31（加）斯米尔著：潘爱华，李丽译．材料简史及材料未来：材料减量化新趋势  北京：电子工业出版社，2015.7

32 （法）吉尔贝．西蒙东著；许煜译．论技术物的存在模式／ 南京：南京大学出版社，2024.2

33 姜祖桢主编．逻辑学概论／ 北京：对外经济贸易大学出版社，2013

 34李喜先等著．工程系统论／ 北京：科学出版社，2007

35 陈昌曙著． 技术哲学引论／北京：科学出版社，201

36 陈波  逻辑学导论（第3版）北京中国人民大学出版社，2014年七月

 37工潘恩荣著 程设计哲学：技术人工物的结构与功能的关系／北京：中国社会科学出版社，2011.7

38 乔瑞金，牟焕森，管晓刚主编．技术哲学导论／ 北京：高等教育出版社，2009.11

39 《科学技术哲学》编写组编．科学技术哲学／-﹣北京：高等教育出版社，2019.1

40 （美）弗兰克·维尔切克著；柏江竹，高苹译．万物原理／ 北京：中信出版社，2022.1(2022.11重印）

41 栾玉广编著．自然科学技术研究方法2版．／  合肥：中国科学技术大学出版社，2010.9

42 蒋志萍汪文贤著  数学思维方法／  杭州：浙江大学出版社，2011.6

43 王德伟  人工物引论   哈尔滨  黑龙江人民出版社2004

后记：

对于一个电工电子学科涉及的技术人工物，这样一个庞大的知识体系，做一个新的全面的知识结构层次划分，建立一个新的或更加科学合理的、类似生物学结构的逻辑架构。坦率地讲，对于一个非电工电子专业的科技人员来说，是一个勉为其难的工作。本文仅给出了一个层次划分的原则，并对电工电子的整体做了一个概略的层次划分，对各个层次内的部件，或简单归纳。或解剖几种麻雀，给出一个粗线条的逻辑框架。权作为抛砖引玉。

本文借助于AI，如豆包等，对文本部分段落做了修改。仅对献身于AI的众多科学家、工程师表示感谢。

关于参考文献，在开始撰写本系列博文的时候，笔者打算写完最后一篇，再列参考文献。结果，过程比较长，而且越写越像论文，而不像一个简单的研究笔记，参考文献的问题就突出出来。所以就从上一篇开始列出了参考文献。这一篇也列出了参考文献。至于前十余篇博文涉及的文献，就再等基本架构完成以后再列出了。还好，还有两三篇博文，就基本告一段落。届时，就会列出所有参考文献了。谨向稍后列出的文献作者表示歉意。

由于研究时间拖得太长，早期并无意发表，只是兴趣所至。当时的参考文献没有做详细的记载，特别是一些网上资料。现在列出的参考文献多是在本次写作当中直接参考的文献，与真实的给予启示的，真正参考获益的文献并不一致。这着实有些遗憾。如果读者发现未列出的参考文献，请指出，笔者将及时纠正。

笔者参考的文献有两大类。一个是与学科知识直接相关的，一个是与学科知识不直接相关的，但是可以获得启示的。后者多数是哲学和数学方面的。例如技术哲学，数学哲学，数学方法，自然辩证法，方法论，认识论等方面的文献。