工业技术原理概论

进入21世纪以来，国家*推出了一系列提升高校教学质量、自我强化完善的机制体制，围绕“新工科”教育，在教育教学方法、专业整体布局、实验实训、质量考核等各个环节进行了一系列的研究探讨，取得了丰硕的成果，在国内产生了一定的影响。

要实现“新工科”的理念，首先是教学师资力量和教材，没有教材，特别是好的教材，实现“新工科”教育理想，岂不成了无源之水、无本之木，再美好的理念也无法得到落实。同时，业界有与之相配套的教材、实验指导、课程设计、毕业设计等相关教学资料的需求，而本书正是为适应“新工科”理念所进行的有益探索和尝试。

大学沿袭工业化生产模式，导致条块分割过度专业化的弊端，博士越读越专，学问越做越窄，在当下日趋复杂、需要多专业相互协作解决的具体社会、科学问题，显现出诸多短板。呼吁打破学科壁垒，按社会、科学问题重组高校课程。现代学科高度融合，相互渗透，其间有着千丝万缕的联系，使得我们在研究某一学科、某一技术时，必须学习运用借鉴其他学科的技术思想、方法与应用成就。

由此联想到，不仅仅是进行各个行业的专业概论的普及，更应该了解人类文明历史进程中的带有普适性的科学技术原理，将中小学生人人都可以理解的《十万个为什么》，进一步对原理、机理进行科学描述，以提升大学生的科学思维。

本书的取材、选材全部来自工业实践，如何在编写过程中处理、照顾、平衡不同行业专业的内容，在介绍基础知识的同时，注意培养提高学生的创新能力，是一个永恒的主题，也是衡量一本教材质量的关键。作为适用于各个行业本科生的跨专业技术原理概论，从各个行业中选取1～2个典型的设备、工艺原理进行介绍，名头太大，取舍难度也大。本书选材遵循的思路是： 选取其在原理叙述、理解难度、构思结构有精巧之处的设备和工艺原理，并考虑其学术性、趣味性、普及性等方面，从日常生活简单常见的问题入手，采用案例项目方法，重点放在讲述问题原理的来龙去脉，追求知识点的技术原理和深度，而不过于追求技术的先进性和完整性。各章节围绕各自主题循序渐进，深入历史背景、问题演变、发展线索，梳理其中的结构原理，遵循从简到繁的原则，前后章节结构关联，力求系统全面。如此选取介绍，可能造成知识无法层层铺开，也算是美中不足了。

本书旨在将内容极其丰富、学科门类繁多的工业技术领域进行浓缩而又不失其系统性，将那些深邃的理论和繁难的计算分析通俗化，又不失科学性，文字凝练而又深入浅出，融知识性、科学性、趣味性和前瞻性于一体，对于工业技术发展各个时期典型工艺设备原理与成就，力求用精炼的文字和例证加以论述，把错综复杂的工艺发展脉络梳理清楚，令积淀千年的科学工艺技术原理读起来，略显轻松有趣。

本书作为一本技术理论概论课程教材，尽管在选材、取材方面，做了大量细致的筛选、整理分析等工作，但跨越众多理工科专业，难度可想而知，学生受益、教师难当，囿于学识能力、学术视野、阅历所限，书中难免存在理解不够深入，解释有偏差、疏漏、谬误之处。任何事物都存在着优与劣的平衡点，包罗万象就难免存在浅薄寡淡的一面，所以作者尽力做到内容丰富而不单调，雅趣别致而不枯燥。

作者期待着本书作为一本入门的教科书，能够为大学本科生、研究生及其他读者提供常用的工业技术原理、方法，以点带面，有所突破。本书虽经数次反复审核、修改，心中仍未释然，还会有这样那样的问题，在此抛砖引玉，诚望学界同仁不吝赐教。

工业行业门类繁杂，有化工、煤炭、冶金、建材、汽车、热机、信息、矿物等。本书分为三篇共13章，从工业生产设备的结构、典型工艺入手，选取典型案例，通过图、表等易于理解的方式，顺应学科发展脉络框架，深入浅出地讲述如时钟钟表，制冷与热机，汽车变速与差速器，微波与光学，振动、超声与射频，矿物与筛选，坐标、投影变换与信息编码，以及相关变换、效应、现象等知识，力求将知识性、科学性、趣味性融为一体，并对相关知识作了铺垫和有机衔接。

本书可作为高等院校工科学生、研究生的学习参考书，也可供有一定专业知识，又想拓宽其他专业知识的人员及行业爱好者阅读。

陆永耕， 教授、博士，毕业于中国矿业大学，多年从事教学科研工作，负责或参与20余项横向项目的研究，在建模与控制方面作了许多工作。发表论文40余篇，研究方向为工业自动化与过程控制。

部分基础篇

第1章机械钟表结构与原理3

1.1时间与时钟3

1.1.1时间与计时3

1.1.2擒纵调速与走时5

1.2机械闹钟结构与原理6

1.2.1机械式闹钟6

1.2.2走时系统结构与原理8

1.3机械手表自动系结构和工作原理15

1.3.1机械手表自动系工作原理15

1.3.2全自动手表上条结构16

习题18

第2章汽车自动变速器与差速器19

2.1轮系与传动比19

2.2自动变速器原理23

2.2.1自动变速器的分类23

2.2.2自动变速器的基本组成和工作原理24

2.2.3自动变速器选挡杆的使用26

2.2.4典型液力变矩器27

2.3单排行星齿轮机构29

2.3.1单排行星齿轮机构的组成29

2.3.2单排行星齿轮机构的运动规律29

2.3.3单排行星齿轮机构不同的动力传动方式30

2.4辛普森式行星齿轮变速器31

2.4.1四挡辛普森行星齿轮变速器的结构31

2.4.2四挡辛普森行星齿轮变速器各挡传递路线33

2.5拉威娜式行星齿轮变速器37

2.5.1四挡拉威娜行星齿轮变速器的结构与组成37

2.5.2四挡拉威娜行星齿轮变速器各挡传递路线37

2.6汽车差速器结构与工作原理41

2.6.1同步装置的基本结构41

2.6.2差速器结构原理41

习题44

第3章制冷与热机原理45

3.1概述46

3.2制冷方法48

3.3制冷介质48

3.4制冷方式50

3.4.1单级蒸气压缩式制冷循环50

3.4.2多级与复叠式制冷54

3.5空调器工作原理56

3.5.1空调器的基本功能与结构56

3.5.2可制热空调器的工作过程58

3.5.3空调制冷压缩机与冰箱制冷压缩机的区别59

3.6蒸汽机与内燃机的工作原理61

3.6.1蒸汽机与循环过程61

3.6.2内燃机62

3.6.3往复活塞式内燃机的工作原理63

3.6.4燃气轮机64

习题66

第4章惯性陀螺器件与导航67

4.1惯性与陀螺67

4.2陀螺结构与原理69

4.3陀螺仪的理论基础72

4.3.1陀螺仪工作原理72

4.3.2陀螺进动分析76

4.3.3多自由度陀螺仪78

4.4陀螺罗经结构与原理79

4.4.1陀螺罗经稳定指北80

4.4.2陀螺罗经的误差82

4.4.3陀螺盘的章动和进动分析85

习题86

第二部分提高篇

第5章机械结构与振动91

5.1振动91

5.2结构振动微分方程94

5.2.1运动方程的建立95

5.2.2建立运动方程实例96

5.2.3单自由度结构体系97

5.2.4多自由度结构体系(不计阻尼)98

5.2.5无限自由度结构体系98

5.3结构的动力特性99

5.3.1结构的自振频率99

5.3.2结构的振型 100

5.3.3结构的阻尼 100

5.4振型叠加法和直接积分法101

5.4.1结构体系运动方程101

5.4.2结构振型分解法101

5.4.3直接积分法103

5.5连续弹性体的振动105

5.5.1直杆的纵向振动105

5.5.2板的横向振动108

5.5.3梁的横向振动109

5.5.4固有频率的近似解法110

5.6受迫振动与实验111

5.6.1梁的受迫振动计算111

5.6.2振动模态实验112

习题116

第6章矿物、选矿与造粒成球117

6.1矿物117

6.1.1非金属矿物117

6.1.2金属矿物124

6.2选矿127

6.2.1重力选矿127

6.2.2水力分级选矿128

6.2.3跳汰选矿133

6.2.4重介质选矿136

6.2.5干法选煤138

6.3造粒与成球138

习题140

第7章超声波与测向原理141

7.1超声波原理141

7.2多普勒效应及其应用143

7.3超声波装置与应用144

7.4均匀声呐线阵列148

7.4.1均匀线阵列指向性函数148

7.4.2波束形成的技术原理148

7.4.3声呐波束的形成149

习题150

第8章编码与解码原理151

8.1算术编码原理151

8.1.1算术编码151

8.1.2算术编码算法155

8.1.3数字信号算术编码过程157

8.2几种编码方法158

8.2.1霍夫曼（Huffman）编码158

8.2.2游程编码159

8.2.3算术编码与Huffman编码的区别 160

8.3非接触式IC卡(RFID)与曼彻斯特编码161

8.3.1非接触式IC卡的工作原理161

8.3.2曼彻斯特(Manchester)编码163

8.3.3格雷码164

8.4条形码编码166

8.4.1条形码166

8.4.2二维码170

习题170

第三部分进阶篇

第9章坐标与投影变换173

9.1几何变换173

9.1.1二维变换矩阵174

9.1.2几何变换174

9.1.3坐标系之间的变换176

9.2投影变换177

9.2.1二维射影变换177

9.2.2二维射影坐标177

9.2.3二维射影对应的坐标表示179

9.2.4射影变换的不变元素179

9.3霍夫(Hough)变换181

9.3.1Hough变换过程181

9.3.2Hough变换算法182

9.4空间坐标转换184

9.4.1天球的主要点、线、圈185

9.4.2地球坐标系187

9.5视觉成像原理与标定188

9.5.1小孔摄像机模型189

9.5.2标定原理191

9.5.3标定求解过程192

习题194

第10章视觉与图像重建195

10.1视觉色彩195

10.2层析扫描技术与Radon变换198

10.2.1计算机层析扫描技术198

10.2.2Radon变换的定义与应用203

10.3图像重建205

10.3.1傅里叶(Fourier)变换的重建方法205

10.3.2扇形投影的重建方法207

10.4指纹识别210

10.4.1指纹图像获取211

10.4.2指纹图像处理212

10.4.3指纹识别方法 213

10.5视觉错觉215

习题215

第11章微波与光学器件216

11.1微波的特点与研究方法216

11.1.1微波的特点216

11.1.2微波的研究方法217

11.2微波传输线的基本理论218

11.2.1导行电磁波与导行机构——传输线218

11.2.2史密斯圆图221

11.2.3无耗传输线的阻抗匹配225

11.3规则金属波导226

11.3.1各种类型的微波传输线 227

11.3.2规则金属管内电磁波228

11.3.3矩形波导230

11.3.4圆波导235

11.4微波电抗元件238

11.5光学成像器件239

11.5.1常规光学器件240

11.5.2光学成像装置实验245

习题246

第12章冶金与化工原理248

12.1高炉炼铁254

12.1.1高炉炼铁工艺254

12.1.2高炉本体及主要构成255

12.1.3高炉冶炼产品256

12.1.4高炉炼铁原料和燃料258

12.2铁矿烧结与高炉内反应261

12.2.1烧结反应过程261

12.2.2高炉内物理化学反应261

12.3典型化学反应器的结构与原理267

12.3.1板式塔精馏操作267

12.3.2填料塔吸收269

12.3.3液液萃取270

12.3.4铜的浸出、萃取与置换272

习题273

第13章空间与距离274

13.1空间与距离的概念274

13.1.1空间274

13.1.2相似275

13.1.3距离275

13.1.4空间类型与变量的关系280

13.2广义距离与差异判别281

13.2.1广义距离281

13.2.2异常检测283

习题284

参考文献285

工业行业门类繁杂，有化工、煤炭、冶金、建材、汽车、热机、信息、矿物等。本书分为三篇共13章，从工业生产设备的结构、典型工艺入手，选取典型案例，通过图、表等易于理解的方式，顺应学科发展脉络框架，深入浅出地讲述如时钟钟表，制冷与热机，汽车变速与差速器，微波与光学，振动、超声与射频，矿物与筛选，坐标、投影变换与信息编码，以及相关变换、效应、现象等知识，力求将知识性、科学性、趣味性融为一体，并对相关知识作了铺垫和有机衔接。

本书可作为高等院校工科学生、研究生的学习参考书，也可供有一定专业知识，又想拓宽其他专业知识的人员及行业爱好者阅读。

陆永耕， 教授、博士，毕业于中国矿业大学，多年从事教学科研工作，负责或参与20余项横向项目的研究，在建模与控制方面作了许多工作。发表论文40余篇，研究方向为工业自动化与过程控制。