基于傳感器效應及量綱分析的儀器創新設計模型

馬力輝 ，孫 輝 ，高永陽 ，李國翚

1.天津大學精密儀器與光電子工程學院，中國天津 300072

2.天津開發區奧金高新技術有限公司，中國天津 300072

產品的功能設計、原理設計和結構設計是概念設計的核心內容，創新設計的核心是要在概念設計階段產生有競爭力的工作原理。對于儀器的創新設計也不例外，儀器的創新設計的核心就是要通過功能—原理—結構的映射及相應的邏輯推理產生全新的工作原理。工作原理通常包含兩個方面的內容∶物理效應和功能載體。物理效應泛指自然界一切現象經研究得出的普遍規律性的結果，包括各學科領域的定理、定律和法則；功能載體是指實現物理效應的物理實體。物理效應可將儀器工程問題與科學中的定理定律緊密的聯系起來。作為實現功能的原理，效應是原理設計的關鍵。可以運用本領域特別是其他領域的有關定律解決設計中的問題，物理效應可以通過將有關的量的互相聯系起來的定律來描述，即按照定律規定的原理將輸入量轉化成輸出量，實現相應的功能。

曹國忠根據事物的產生、成長、消亡的過程，將功能分解成產生、移動、結合、分離、變化、穩定、檢測、保持、存取、消除十類，并把輸入量輸出量分解成物質、能量與信息，通過效應及其關聯實現輸入量到輸出量的轉化。

本文針對儀器創新設計的核心過程，利用量綱分析技術，研究儀器中的物理量和典型物理效應間的映射關系和關聯，提出一種全新的利用量綱分析方法搜索物理效應的儀器原理創新設計方法。

1 量綱分析基礎

量綱分析是一種在物理領域中建立數學模型的方法。將儀器設計問題所涉及的物理量按屬性進行分類，找出不同類物理量間的相互關系，進而找出某些物理量與另外一些物理量間的因果關系。

1822年Fourier將量綱從幾何學推廣到物理學范疇；1883年O.Reynolds運用量綱分析研究層流與紊流判據，將多個影響因素綜合為一個無量綱的比值，提出了無量綱數雷諾數Re，以此作為判斷同一問題中出現不同現象的準則；L.Reyleigh在流體力學、聲學等領域中運用量綱分析，創立了瑞利法，做出了開創性的貢獻；二十世紀初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，形成了模型試驗以及當今普遍應用的數值模擬所應遵循的原則，奠定了現代量綱分析理論基礎。目前，量綱分析法已發展為通過研究物理量的量綱關系進而揭示其內在規律的重要方法，在物理學、工程領域、經濟學和運籌學等方面得到了廣泛應用。

原理設計是儀器創新設計的重要環節，涉及大量的物理效應；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、效應之間的關聯關系，尋找全新物理作用原理的某些規律和線索。因而，量綱分析可以作為儀器中的效應一般化建模、創新的重要工具。

2 效應量綱圖表的建立及分析

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

表1 基本傳感器效應量綱表

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

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

表1所列基本傳感器效應的輸入輸出已由量綱表達。例如，壓電效應的輸入為LMT-2，輸出為L2MT-3I-1。由表中所列效應輸入輸出的量綱，可以找出各效應之間的關系，根據輸入輸出量綱可對效應進行全新組合，從而形成全新的效應。由各效應輸入輸出量綱的關系，可容易找出它們的關聯效應模式，連成新效應鏈。例如，壓電效應的輸入為LMT-2，輸出為L2MT-3I-1；電磁效應的輸入為L2MT-3I-1，輸出為MT-2I-1。可以看出壓電效應的輸出和電磁效應的輸入量綱相同，即LMT-2—壓電效應—L2MT-3I-1—電磁效應—MT-2I-1，則可以將兩個效應結合起來，形成新的效應鏈，應用此新效應鏈，有可能開發出新的儀器。

3 基于量綱分析的儀器創新設計過程模型

基于量綱分析的儀器創新設計模型應用的一般過程是在創新求解過程中建立的。當設計者得到設計要求后，進行功能分析，按照其功能確定輸入輸出量綱，進一步在傳感器效應量綱表中找出相應效應，進行結合形成新的效應鏈，開發出新的儀器。

基于量綱分析的儀器創新設計流程如圖1所示。

圖1 基于量綱分析的儀器創新設計流程圖

4 應用實例

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

5 結論

儀器的創新設計屬于多域系統設計問題，儀器原理設計過程不能僅囿于在某一特定領域知識空間的簡單搜索，本文針對現代儀器的特點，采用進化設計思想，研究儀器效應與物理參數量綱的映射關系，分析基于效應鏈的新效應產生方法和基于量綱分析的儀器新效應生成方法，建立了基于量綱分析和傳感器效應的儀器原理創新設計的系統化設計模型，為提高儀器產品的創新水平和效率提供理論和技術支撐，對儀器行業的創新發展具有參考價值。

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