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原创 ABCCBA学习自激超声电源

 2007-9-18 21:32  2227 5 5 分类: 模拟

ABCCBA学习自激超声电源，请大侠们指正，请朋友们讨论（看图说话）

abccba 等级：

论坛积分:154 发贴数:204 第1贴

2005-02-20 00:45

大家过年都挺好的吧，先给大家拜个晚年！
过完年受朋友之托要做个功率超声电源，头一回接触，心里没底，请大家帮忙指点或有空一块儿讨论。

问题一》》
反馈变压器T1的设计原则：
1、初级电感的选择依据是什么？
2、初次匝数比n决定功率管的驱动电流和电压，设计时应该看成是电流驱动还是应该看成电压驱动，哪一个更实际些？驱动电流（电压）过大有什么危害？
3、既然有L1、L2与负载电容谐振，电路中为什么还要加L3、C1与T1的Lp组成谐振回路（为了讨论方便叫它反馈谐振回路吧）？是否多此一举呢？
4、反馈谐振回路属于并联谐振，如果Q值较高，在谐振时两端电抗很高，而它又是串联在输出回路中的，这会不会影响功率的输出？这个回路中的纯阻抗是Rp=（Np/Ns）^2*Rq，Rq是功率管的输入阻抗。这么理解是否正确？这个Q取值范围在多少合适？Rq又应该如何确定？
5、象这种情况下的设计，应该先从何处下手好？

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abccba 等级：

论坛积分:154 发贴数:204 第2贴

2005-02-20 13:31

1、电源输入电压（U-~U+）是全桥整流的馒头波，平均电压120V，峰值电压Umax=185V；
2、按300W计，流过半桥开关管的平均电流为300/120=2.5A，考虑每个开关管半个周期导通，峰值电流大致估算为2.5*（185/120）*2=8A。
3、开关管的hFE按20计，基极驱动为8A/20=0.4A。即反馈变压器T1的次级输出电流至少要满足0.4A。

　　以上是开关管驱动电流对T1的要求。
　　----------
　　这样考虑的思路不知对否？请指正，谢谢！

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abccba 等级：

论坛积分:154 发贴数:204 第3贴

2005-02-20 13:57

　　T1次级输出要使开关管导通，输出电压至少要高于（三个偏置二极管正向导通电压3*0.7=2.1V）+（开关管发射结正导电压0.7V）+（射极电阻压降2V）=5V。
　　这是该电路中开关管驱动电压对T1的要求。

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abccba 等级：

论坛积分:154 发贴数:204 第4贴

2005-02-20 13:57

我个人理解的变压器有两种工作方式：
１、电压变换如普通的电源变压器，传送功率变化时，初次级电压基本不变；
２、电流变换如电流互感器，传送功率变化时，初次级电压也变化。

在这个电路中的T1，串联在输出调谐回路中间，个人觉得它工作在电流变换方式。而且它的工作应该尽可能小地影响功率的输出，所以T1的初级电感Lp应该尽量小。

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abccba 等级：

论坛积分:154 发贴数:204 第5贴

2005-02-20 13:59

有时间的话，请大家都说两句吧，孤闷ing。

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abccba 等级：

论坛积分:154 发贴数:204 第8贴

2005-02-20 21:13

借到一本书，正在看。

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jyding 等级：

论坛积分:53 发贴数:5 第6贴

2005-02-20 17:33

此超声波机是用于焊接还是用于清洗?

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abccba 等级：

论坛积分:154 发贴数:204 第7贴

2005-02-20 21:10

清洗用
不知清洗与焊接的电源有什么区别？

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jyding 等级：

论坛积分:53 发贴数:5 第9贴

2005-02-20 23:42

我个人认为清洗机在工作中负载较焊接机稳定，所以制作比较容易。上面给定的电路中，L3,C1为自由振荡电路，它应该靠近换能器的机械振荡频率，
L1，L2为换能器的匹配电感它与晶片的参数有关，T1只是一升压变压器。

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abccba 等级：

论坛积分:154 发贴数:204 第10贴

2005-02-21 00:21

谢谢，很高兴您能回复。

　　“L3,C1为自由振荡电路”，您的意思是不是说，振荡频率由L3和C1组成的谐振网络决定，而T1只是挂在它上面取出反馈信号用的？

　　半桥镇流器电路的变压器，需要靠饱和来实现开关管的翻转导通，这个电路是靠L3C1的暂态振荡来实现开关翻转，还是和镇流器原理相同？

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jyding 等级：

论坛积分:53 发贴数:5 第11贴

2005-02-21 01:40

振荡建立时有换能器振荡频率应该同步到换能器的振荡频率,无换能器则自由振荡,只是个人认为.

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abccba 等级：

论坛积分:154 发贴数:204 第14贴

2005-02-21 13:26

您是说两个调谐回路（输出L1L2与换能器、T1初级LC）各自调谐，但调谐频率应通过调整保持一致或尽可能接近。

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xyx911 等级：

论坛积分:828 发贴数:765 第12贴

2005-02-21 11:38

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abccba 等级：

论坛积分:154 发贴数:204 第13贴

2005-02-21 13:22

太感谢了！
能告诉我是哪本书上的吗？

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xyx911 等级：

论坛积分:828 发贴数:765 第15贴

2005-02-21 13:47

从网上找的,具体哪本书忘了,去年八月搞的

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abccba 等级：

论坛积分:154 发贴数:204 第17贴

2005-02-21 15:09

谢谢，我再找找看。

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abccba 等级：

论坛积分:154 发贴数:204 第16贴

2005-02-21 15:07

问题二》》
超声换能器是否可以等效成RC回路？
在实际使用时，换能器的电参数是如何测量的？

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abccba 等级：

论坛积分:154 发贴数:204 第19贴

2005-02-23 14:11

D！

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abccba 等级：

论坛积分:154 发贴数:204 第18贴

2005-02-21 15:10

问题三》》
方波的开关信号能量如何传输到实际负载上的？

如果超声换能器可以等效成RC回路，那么输出回路可以等效成如下图：

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xyx911 等级：

论坛积分:828 发贴数:765 第20贴

2005-02-23 17:09

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abccba 等级：

论坛积分:154 发贴数:204 第21贴

2005-02-23 20:34

再次感谢！
1、这个图是输出回路的等效电路吗？
2、左右两侧，哪边是电源、哪边是负载？
3、图中的的变压器是输出匹配用的电路中的器件吗？那么1:2φ的φ是什么含义？
实在不好意思，真的没看懂，有时间请您解释以下可以吗？见笑了。

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abccba 等级：

论坛积分:154 发贴数:204 第22贴

2005-02-23 23:29

我搞错了，应该是换能器的等效电路。
1、左边是电端，C0是纯电容；
2、右边是力端，力学特性也可以表示成“容性”或“感性”，
　　右边的空接端子应该接换能器的力学负载，表现为纯阻性；
3、图中的变压器是电学和力学联系的等效变压器，１:２φ是换能器的电声学参数之一，具体是什么现在还说不好。

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abccba 等级：

论坛积分:154 发贴数:204 第23贴

2005-02-24 00:18

请教：(b)图中的-C0是什么？

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xyx911 等级：

论坛积分:828 发贴数:765 第25贴

2005-02-24 10:47

1109213255.pdf
第三节中有详细说明

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abccba 等级：

论坛积分:154 发贴数:204 第27贴

2005-02-24 11:45

谢谢！我先下载再读。

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abccba 等级：

论坛积分:154 发贴数:204 第28贴

2005-02-24 13:56

超声换能器到底是个什么玩意儿？……先说我的理解，再请大家指正！

1、从纯电学角度：它就是个电容，用电阻表量，不通；用电容表量有几百几千PF的容值；
2、从纯机械角度：它是个能谐振的弹性东西，振动在它内部有特殊的模式，象二胡的琴弦，但比它要复杂一点，在不同频率下表现出串联谐振和并联谐振特性；
3、从电声学角度：它是个转换器，加电压产生体积变化，限制它体积变化，就对限制它的物体产生力；加力在上就产生电压。
　　这种转换就象我们电源中用的变压器，描述变压器转换的参数是匝变比n，输入Vp输出Vs，则转换用Vp=-nVs表示，变压器两侧的参数都是电压V。
　　而描述换能器转换的参数是电声转换系数（电声比）Φ，电端参数电流I，声端(或叫机端)参数是声速v，转换用I= -Φv表示。

　　因为电学网络分析的理论较成熟，所以把力学向电学靠拢，就是说用电学的描述方式（如V、I、R、L、C等）来描述力学的规律。
　　在等效图的机端，力F相当于电学的电压V，声速v相当于电学的电流I，力阻抗Zm相当于电阻R。
　　于是在机端一侧，欧姆定律的力学形式为：F= v·Zm；机端侧的Lm、Cm等只做分析和理解用，是虚拟参数，难以实测，但可以通过其它参数的测量推算出来，如果用的到的话。

　　对物体施力物体就有状态变化的趋势，阻值形态变化的因素就是力阻Zm产生的原因，如损耗、变为动能、弹性势能等其它能量，于是
　　Zm = Rm + j·Xm = Rm + j·（ωM -K/ω）
　　可以这样理解：损耗因素Rm将能量转化为换能器以外的其它能量如热损，这种能量转换是不可逆的；
　　Xm可以理解为象LC等电元件那样存储能量的因素，包括转变为机械动能的ωM 项、产生弹性形变后变成弹性势能的K/ω项，储能这两项只是暂时存储能量，什么时候回收、什么时候它们之间相互转换，不同形、材的换能器就有不同的表现。

　　对于换能器压电器件的分析和等效，我想应该有三种状态：
　　１、自由状态：不夹紧的状态，分析压电片时；
　　２、夹紧状态：即做成换能器后但不施加负载时；
　　３、使用状态：实际使用情况，换能器置放于使用介质中，了解这一状态是我们设计电源最需要。

大家都说说吧，不然我一个人在这里得得地说，说的对错也不知道，是否显得太虎了点？

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xyx911 等级：

论坛积分:828 发贴数:765 第29贴

2005-02-24 14:43

换能器参数是分三种:
1.压电陶瓷片参数(可由生产厂商提供)
2.小信号测量换能器(书上有介绍方法,目的为匹配和检查换能器的质量)
3.大功率测量(实际产品,现很少有做测量的有效方法)

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xyx911 等级：

论坛积分:828 发贴数:765 第30贴

2005-02-24 14:47

换能器测量时包括的参数:
F:谐振频率(既阻抗最小时的状态)
FS:反谐振频率(阻抗最大时的状态)
F1-F2:带宽
R:动态电阻(阻抗)
C0:静电容(电容表就可测得)
C1:动态电容(匹配参数)
L1:动态电感(匹配参数)
以上数据可以通过阻抗分析仪/HP4139可以测得
关键的是动态的参数

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abccba 等级：

论坛积分:154 发贴数:204 第32贴

2005-02-24 16:35

阻抗分析仪是超声专用仪器，还是通用仪器，大致价钱多少？

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abccba 等级：

论坛积分:154 发贴数:204 第34贴

2005-02-24 18:14

　　从等效电路看，换能器和晶振滤波器等元件的电特性相似，应该有两个谐振频率，LCR串联谐振频率和LC0并联谐振频率。
　　如果换能器使用中(业内)通说的谐振频率只是指串联谐振频率(阻抗最小状态)，而忽略那个并联谐振频率，那么，是不是可以这样理解：要有效地完成电声转换，工作频率应该是串联谐振频率，只有在这个频率下L和C的电抗相互抵消，能量才能最大效率地传输到R上；而静电容C0通过电路中的匹配电感Lz进行中和，使开关管输出的电压和电流相位尽可能保持一致，从而满足电路输出能量传输的高效率。这样理解可以吗？
　　您说的参数中的L1、C1是否就是上面31贴图中的L、C？

　　如果是，那么是否还可以这样理解输出回路：
　　换能器接入电源后，暂且抛开反馈变压器的输出电路是一个串联谐振回路(L1C1R)并联在另一个串联回路(LzC0)的电容C0两端。前一个回路是不可调的（但不知是否受声学负载变化的影响？），而后一个回路可以通过Lz来调谐。

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abccba 等级：

论坛积分:154 发贴数:204 第31贴

2005-02-24 16:29

　　梅森(Mason)等效电路，通过材料力学和声学的推导，建立了压电器件(包括换能器)的等效电路，这个等效电路以前在使用石英晶振和陶瓷滤波器时常见，但到今天才知道它的真正意义，感谢xyx911！
　　　　　　　　

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xyx911 等级：

论坛积分:828 发贴数:765 第33贴

2005-02-24 16:50

力端自由应指是的换能器在未加负载的情况
超声应用实际应是一个电-机的转换
换能器只是其中的转换元件
当力端加上负载换能器会有一个参数的变化,对焊接换能器来说,在未增加模具前和增加模具后就是一个负载变化,其中的L1,R1,C1都会发生变化

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abccba 等级：

论坛积分:154 发贴数:204 第35贴

2005-02-24 18:20

这个变化有多大？比如自由与加载两种情况的谐振频率偏差。
是否影响设计的预期效果？
在设计时预修正，还是靠加载时的调试完成？

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xyx911 等级：

论坛积分:828 发贴数:765 第36贴

2005-02-25 10:37

这个换能器性能好坏的区分处
同时也包括换能器粘接技术的好坏(如需要的话)
如上面的两项都能很好控制质量的话在有负载时(负载需要计算出满负载状态不得超过)频率会下降2K左右
质量差的可能会下降50%
这个和电路设计没有太大的关系,最多是在调试时重新匹配下LCR,使工作时效率最高就可以了

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abccba 等级：

论坛积分:154 发贴数:204 第37贴

2005-02-25 22:41

今天上街去取板，顺便到书城转了一大圈，想找点资料回来，最后还是很失望。
谢谢xyx911老师，这几天在您的帮助下我学得了不少东西，谢谢！

　　有这样一个问题想再请教您：您在第30贴中说的动态电阻R是换能器在空载、小信号下测量的参数吧？
如果在使用时加了负载后，这个负载如果等效到电路里，是不是等效成那个动态电阻R变大？或者说在
L1C1R串联支路里又串进来一个负载电阻RL？

　　如果是这样，我很迷惑。因为在昨天从网上查到的一个厂家产品广告里说：“动态电阻小，损耗小、发
热量小。”如果超声电源是以恒流方式输出，这与上面的理解不矛盾，因为恒流驱动负载，电阻越小输出功
率越小。但是我那个电路和您贴来的电路好象都属于恒压源方式工作，负载电阻越小，输出功率越大，按我
上面的说法，换能器接一个恒压方式的电源，自由状态时的Ｒ最小电源的负荷最重，应该得出换能器不能工
作在空载情况，但又感觉不对头，好象钻了那个死牛犄角里去了。
　　请您提示一下。

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xyx911 等级：

论坛积分:828 发贴数:765 第38贴

2005-02-26 11:09

动态电阻是一个损耗,也被称为阻抗,就象摩擦力一样,F越大无用功就越大,效率就越低,越容易发热

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xyx911 等级：

论坛积分:828 发贴数:765 第39贴

2005-02-26 11:24

负载对频率的影响很小,设计电路时可以只考虑空载的情况

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abccba 等级：

论坛积分:154 发贴数:204 第41贴

2005-02-26 14:15

那就是说，照空载参数设计电路的频率匹配，没有太大问题。谢谢！

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abccba 等级：

论坛积分:154 发贴数:204 第40贴

2005-02-26 13:41

使用情况的负载等效成电阻后，是不是也可以看作是一种损耗，只不过能量不是变成换能器的发热热能，变成所需要的其它能量了？

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xyx911 等级：

论坛积分:828 发贴数:765 第42贴

2005-02-26 19:46

这种负载只是转换成机械能后的消耗,和电没关系
机械能会转换成我们需要的动能,同时也会有消耗(无用功)产生热能
产生的机械能=热能+做功

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abccba 等级：

论坛积分:154 发贴数:204 第43贴

2005-02-27 01:40

哦，好象明白了一些。谢谢！
请问您，1、换能器是不是可以空载工作？如焊解机不接触工件、清洗机不加水情况。
2、如果电路失谐，会不会对电路或换能器有损害？对电源来说，失谐时负荷大还是小？

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xyx911 等级：

论坛积分:828 发贴数:765 第45贴

2005-02-27 15:35

九

理论来说是可以空载的
但实际情况不一样,因为如果空载,那所产生的能量全部消耗在换能器上,出现换能器自己振自己的情况,换能片会很容易老化或直接爆掉(特别是清洗,雾化)

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abccba 等级：

论坛积分:154 发贴数:204 第46贴

2005-02-28 00:02

八

谢谢！
第2个问题您怎么看？

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xyx911 等级：

论坛积分:828 发贴数:765 第47贴

2005-02-28 10:12

七

你可以试着用一个可调电阻来调整频率,用设备观看各状态下的电路参数变化.
可以这样理解:电路产生的电能在谐振状态下全部转换成机械能,而在失谐状态下不能全部转换能机械能,转换的越少,换能器的使用就越少,所以对换能器没什么影响(因为它本身就没工作或部分工作),而多余的电能这时就全部消耗在电路上,所以失谐时电路做的无用功变大,对电路是有损坏的

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abccba 等级：

论坛积分:154 发贴数:204 第48贴

2005-03-01 01:08

六

　　按28贴所说的F= v·Zm，Zm为换能器本征参数，如果换能器谐振，Zm为动态电阻R0，换能器受力F越大，声速越v大。力F可看作是机械负载，F大机械负载大。那么力F如何等效到电路里呢？先说说我的看法：
　　F=Zm·v，力F越大，声速v越大；根据I=Y·V+A·v，如果电路中的匹配电感与C0谐振，公式则变成
　　I=A·v，那么力F越大，声速v越大，电源驱动电流越大。
如果以上推导正确的话，可以得出如下结论：
　　机械负载Rm等效到电路中，可以看作是与换能器动态电阻串联的电负载RL，如下图：

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xyx911 等级：

论坛积分:828 发贴数:765 第49贴

2005-03-01 10:16

五

声速是一定的,无论在哪种情况下!
改变的是F-频率,当有负载时频率下降(小幅度),R0动态电阻跟随变化
F0-谐振频率(动态电阻最小),FS-反谐振频率(动态电阻最大)
动态电阻的变化呈一个导纳圆形状

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xyx911 等级：

论坛积分:828 发贴数:765 第50贴

2005-03-01 10:20

四

I=U/R,谐振时R最小,也就是I最大

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abccba 等级：

论坛积分:154 发贴数:204 第51贴

2005-03-01 18:33

三

非常感谢！
　　是我理解错误，F=Zm·v中的v应该是换能器辐射面的机械振速吧？
　　您提到导纳圆图，我又看了一遍您上传的资料，在171页的图5.24中，对比空气介质与水介质，空气中可看成是换能器空载，水中看成是加载。比较两个圆的最右端的点，看出加载后电导减小，意味着加载比空载的电源驱动电流要小！？怎么会是这样？我究竟错在哪里？

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xyx911 等级：

论坛积分:828 发贴数:765 第52贴

2005-03-02 10:50

二

电导是动态电阻的倒数

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abccba 等级：

论坛积分:154 发贴数:204 第53贴

2005-03-02 23:54

一

xyx911老师，明天ABC要出差，等回来再接着向您请教，谢谢！
这段时间我再看看书，好好学习学习。

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lmrwh 等级：

论坛积分:121 发贴数:91 第24贴

2005-02-24 08:43

兄弟能否将参数标出来,也好让其他不是这个行业的工程师一起研究啊!

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abccba 等级：

论坛积分:154 发贴数:204 第26贴

2005-02-24 11:44

好。
C1、C2、C3、C4、C5、C6、C7：225/630V
R1、R2：0.25
R3、R4、R5：47K
其它参数不明。

　　这些参数只是参考，发此贴目的就是想通过讨论，真正理解电路，和大家一起总结出电路的设计原则和方案，只有这样参数才是自己的，我们才能真正应对各种不同用途的电路设计。单纯下载一张电路图的使用是有限的，而且在不明原理的情况下，调试生产都会有层出不穷的问题和障碍出现，会很累。
　　另外，单纯仿制虽然可能立杆见影见效益，但这是对前辈技术同仁劳动成果的不尊重，也是对同为技术人的自己的不尊重。而且大家如果都这样，中国的技术永远没有真正的创新，总是跟在老外的屁股后面颠，这是国人的耻辱。
　　网博给我们技术同仁提供这样一个好的交流平台，我们该珍惜和有效利用才是。

　　诚请各位老师、朋友发言，ABCCBA求教，谢谢！

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