基于傳感器效應(yīng)及量綱分析的儀器創(chuàng)新設(shè)計模型

馬力輝 ，孫 輝 ，高永陽 ，李國翚

1.天津大學(xué)精密儀器與光電子工程學(xué)院，中國天津 300072

2.天津開發(fā)區(qū)奧金高新技術(shù)有限公司，中國天津 300072

產(chǎn)品的功能設(shè)計、原理設(shè)計和結(jié)構(gòu)設(shè)計是概念設(shè)計的核心內(nèi)容，創(chuàng)新設(shè)計的核心是要在概念設(shè)計階段產(chǎn)生有競爭力的工作原理。對于儀器的創(chuàng)新設(shè)計也不例外，儀器的創(chuàng)新設(shè)計的核心就是要通過功能—原理—結(jié)構(gòu)的映射及相應(yīng)的邏輯推理產(chǎn)生全新的工作原理。工作原理通常包含兩個方面的內(nèi)容∶物理效應(yīng)和功能載體。物理效應(yīng)泛指自然界一切現(xiàn)象經(jīng)研究得出的普遍規(guī)律性的結(jié)果，包括各學(xué)科領(lǐng)域的定理、定律和法則；功能載體是指實(shí)現(xiàn)物理效應(yīng)的物理實(shí)體。物理效應(yīng)可將儀器工程問題與科學(xué)中的定理定律緊密的聯(lián)系起來。作為實(shí)現(xiàn)功能的原理，效應(yīng)是原理設(shè)計的關(guān)鍵?？梢赃\(yùn)用本領(lǐng)域特別是其他領(lǐng)域的有關(guān)定律解決設(shè)計中的問題，物理效應(yīng)可以通過將有關(guān)的量的互相聯(lián)系起來的定律來描述，即按照定律規(guī)定的原理將輸入量轉(zhuǎn)化成輸出量，實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的功能。

曹國忠根據(jù)事物的產(chǎn)生、成長、消亡的過程，將功能分解成產(chǎn)生、移動、結(jié)合、分離、變化、穩(wěn)定、檢測、保持、存取、消除十類，并把輸入量輸出量分解成物質(zhì)、能量與信息，通過效應(yīng)及其關(guān)聯(lián)實(shí)現(xiàn)輸入量到輸出量的轉(zhuǎn)化。

本文針對儀器創(chuàng)新設(shè)計的核心過程，利用量綱分析技術(shù)，研究儀器中的物理量和典型物理效應(yīng)間的映射關(guān)系和關(guān)聯(lián)，提出一種全新的利用量綱分析方法搜索物理效應(yīng)的儀器原理創(chuàng)新設(shè)計方法。

1 量綱分析基礎(chǔ)

量綱分析是一種在物理領(lǐng)域中建立數(shù)學(xué)模型的方法。將儀器設(shè)計問題所涉及的物理量按屬性進(jìn)行分類，找出不同類物理量間的相互關(guān)系，進(jìn)而找出某些物理量與另外一些物理量間的因果關(guān)系。

1822年Fourier將量綱從幾何學(xué)推廣到物理學(xué)范疇；1883年O.Reynolds運(yùn)用量綱分析研究層流與紊流判據(jù)，將多個影響因素綜合為一個無量綱的比值，提出了無量綱數(shù)雷諾數(shù)Re，以此作為判斷同一問題中出現(xiàn)不同現(xiàn)象的準(zhǔn)則；L.Reyleigh在流體力學(xué)、聲學(xué)等領(lǐng)域中運(yùn)用量綱分析，創(chuàng)立了瑞利法，做出了開創(chuàng)性的貢獻(xiàn)；二十世紀(jì)初E.Buckingham提出了П定理：每一個物理定律都可用幾個零量綱冪次的量表述，形成了模型試驗(yàn)以及當(dāng)今普遍應(yīng)用的數(shù)值模擬所應(yīng)遵循的原則，奠定了現(xiàn)代量綱分析理論基礎(chǔ)。目前，量綱分析法已發(fā)展為通過研究物理量的量綱關(guān)系進(jìn)而揭示其內(nèi)在規(guī)律的重要方法，在物理學(xué)、工程領(lǐng)域、經(jīng)濟(jì)學(xué)和運(yùn)籌學(xué)等方面得到了廣泛應(yīng)用。

原理設(shè)計是儀器創(chuàng)新設(shè)計的重要環(huán)節(jié)，涉及大量的物理效應(yīng)；通過量綱分析，利用物理定律的量綱齊次原則，可以正確分析確定各物理變量、效應(yīng)之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，尋找全新物理作用原理的某些規(guī)律和線索。因而，量綱分析可以作為儀器中的效應(yīng)一般化建模、創(chuàng)新的重要工具。

2 效應(yīng)量綱圖表的建立及分析

效應(yīng)是輸入、輸出之間的關(guān)系，是指采用物理、化學(xué)、生物、數(shù)學(xué)、電子等領(lǐng)域中的原理解決設(shè)計中的創(chuàng)新問題。人類目前已總結(jié)出大量的物理效應(yīng)、化學(xué)效應(yīng)、生物效應(yīng)和數(shù)學(xué)效應(yīng)，每一個效應(yīng)都可能是一個創(chuàng)新設(shè)計的解決方案。對于儀器的創(chuàng)新設(shè)計，其原理主要涉及物理效應(yīng)。用量綱分析的方法來分析各物理變量、效應(yīng)，同時參照其測量對象的物理量及相應(yīng)的傳感方式予以分類，可建立出基本傳感器效應(yīng)的量綱圖表。

表1 基本傳感器效應(yīng)量綱表

表1包含了儀器創(chuàng)新設(shè)計中常用的基本傳感器效應(yīng)，這些效應(yīng)按照其工作原理及輸入和輸出進(jìn)行分類，并將其輸入和輸出用量綱表達(dá)。

儀器都有對應(yīng)的效應(yīng)原理，每一個新效應(yīng)的產(chǎn)生都意味著可能會有新的應(yīng)用。儀器的創(chuàng)新往往會使用新的效應(yīng)，或者效應(yīng)的新的應(yīng)用。因此，怎樣去尋找新的效應(yīng)對儀器的創(chuàng)新有重大意義。

表1所列基本傳感器效應(yīng)的輸入輸出已由量綱表達(dá)。例如，壓電效應(yīng)的輸入為LMT-2，輸出為L2MT-3I-1。由表中所列效應(yīng)輸入輸出的量綱，可以找出各效應(yīng)之間的關(guān)系，根據(jù)輸入輸出量綱可對效應(yīng)進(jìn)行全新組合，從而形成全新的效應(yīng)。由各效應(yīng)輸入輸出量綱的關(guān)系，可容易找出它們的關(guān)聯(lián)效應(yīng)模式，連成新效應(yīng)鏈。例如，壓電效應(yīng)的輸入為LMT-2，輸出為L2MT-3I-1；電磁效應(yīng)的輸入為L2MT-3I-1，輸出為MT-2I-1。可以看出壓電效應(yīng)的輸出和電磁效應(yīng)的輸入量綱相同，即LMT-2—壓電效應(yīng)—L2MT-3I-1—電磁效應(yīng)—MT-2I-1，則可以將兩個效應(yīng)結(jié)合起來，形成新的效應(yīng)鏈，應(yīng)用此新效應(yīng)鏈，有可能開發(fā)出新的儀器。

3 基于量綱分析的儀器創(chuàng)新設(shè)計過程模型

基于量綱分析的儀器創(chuàng)新設(shè)計模型應(yīng)用的一般過程是在創(chuàng)新求解過程中建立的。當(dāng)設(shè)計者得到設(shè)計要求后，進(jìn)行功能分析，按照其功能確定輸入輸出量綱，進(jìn)一步在傳感器效應(yīng)量綱表中找出相應(yīng)效應(yīng)，進(jìn)行結(jié)合形成新的效應(yīng)鏈，開發(fā)出新的儀器。

基于量綱分析的儀器創(chuàng)新設(shè)計流程如圖1所示。

圖1 基于量綱分析的儀器創(chuàng)新設(shè)計流程圖

4 應(yīng)用實(shí)例

輸液治療是現(xiàn)在醫(yī)療工作中常用的一種治療手段，當(dāng)醫(yī)護(hù)人員不能及時換藥或拔掉針頭，則有可能出現(xiàn)醫(yī)療事故。針對此情況，開發(fā)輸液自動報警器。輸液自動報警器需要在藥液將近輸完時及時報警提醒護(hù)士或病人，進(jìn)行換藥或拔針頭。首先，對輸液自動報警器進(jìn)行功能分析，在藥液重量達(dá)到報警點(diǎn)時，需對此信號進(jìn)行轉(zhuǎn)化，最終轉(zhuǎn)化為報警器的報警聲。其次，確定輸入輸出及其量綱。藥液重量可用應(yīng)變片通過感受其重力的變化進(jìn)行檢測，即輸入為力的變化LMT-2，輸出為電阻的變化L2MT-3I-2，效應(yīng)選擇為壓阻效應(yīng)。報警器即小喇叭的原理是電流的變化影響磁場變化產(chǎn)生聲音，效應(yīng)為電磁效應(yīng)，輸入為電阻變化L2MT-3I-2，輸出為磁場強(qiáng)度變化MT-2I-1。新效應(yīng)鏈為LMT-2—壓阻效應(yīng)—L2MT-3I-2—電磁效應(yīng)—MT-2I-1。由此新效應(yīng)鏈即可開發(fā)出儀器——輸液自動報警器。

5 結(jié)論

儀器的創(chuàng)新設(shè)計屬于多域系統(tǒng)設(shè)計問題，儀器原理設(shè)計過程不能僅囿于在某一特定領(lǐng)域知識空間的簡單搜索，本文針對現(xiàn)代儀器的特點(diǎn)，采用進(jìn)化設(shè)計思想，研究儀器效應(yīng)與物理參數(shù)量綱的映射關(guān)系，分析基于效應(yīng)鏈的新效應(yīng)產(chǎn)生方法和基于量綱分析的儀器新效應(yīng)生成方法，建立了基于量綱分析和傳感器效應(yīng)的儀器原理創(chuàng)新設(shè)計的系統(tǒng)化設(shè)計模型，為提高儀器產(chǎn)品的創(chuàng)新水平和效率提供理論和技術(shù)支撐，對儀器行業(yè)的創(chuàng)新發(fā)展具有參考價值。

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