現代TRIZ在激光粒度測量儀創新設計中的應用

吳欣，季玲，張開驍（.南京理工大學，江蘇南京，0094；.江蘇省生產力促進中心，江蘇南京，004；河海大學，江蘇南京， 0098）

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現代TRIZ在激光粒度測量儀創新設計中的應用

吳欣1，季玲2，張開驍3
（1.南京理工大學，江蘇南京，210094；2.江蘇省生產力促進中心，江蘇南京，210042；3河海大學，江蘇南京， 210098）

摘 要：本文應用現代TRIZ創新理論來提高激光粒度測量儀的測量精度，按照問題識別、問題解決、概念驗證三大步驟對原始問題進行TRIZ的標準化，應用矛盾矩陣、TRIZ原理、分離原理、資源分析、科學效應庫等工具，提取技術矛盾和物理矛盾，提出解決方案。最后使用PUGH矩陣對方案作出相應評價，為激光粒度測量儀的創新設計方向提出可靠的指引。

關鍵詞：現代TRIZ；PUGH矩陣；激光粒度測量儀；技術矛盾；物理矛盾

引言

激光粒度儀是專指通過顆粒的衍射或散射光的空間分布（散射譜）來分析顆粒大小的儀器。由激光器發出的一束激光。當通過某種特定的方式把顆粒均勻地放置到平行光束中時，激光將發生散射現象，一部分光向與光軸成一定的角度向外擴散［1］。理論與實踐都證明：大顆粒引發的散射光的散射角小，顆粒越小，散射光的散射角越大，如圖1所示。這些不同角度的散射光通過富氏透鏡后將在焦平面上將形成一系列的光環，由這些光環組成的明暗交替的光斑稱為Airy斑。Airy中包含著豐富的粒度信息，簡單地理解就是半徑大的光環對應著較小的粒徑的顆粒，半徑小的光環對應著較大粒徑的顆粒；不同半徑上光環的光能大小包含該粒徑顆粒的含量信息，對這些信號進行數學處理，就可以得出粒度分布了。

圖1 激光粒度儀測量原理圖

圖2 激光粒度測量儀的原理示意圖

傳統的激光粒度測量儀，把原料加入在合適的溶劑中，杯子盛放溶劑，機器帶動攪拌棒攪拌杯中溶劑，使原料懸浮于溶劑中，機器帶動循環泵抽取溶劑到檢測皿，動態激光照射檢測皿，測量原料粒徑，循環泵抽取溶劑回到杯子中，如圖2所示。激光散射的原理就要求保證顆粒間分散開來，因此對溶劑提出如下要求：不能溶解此原料顆粒，粘度低，密度適中，并通過攪拌使顆粒分散懸浮起來，以增加系統的測量精度。在某企業的新品研發過程中，產生了某種成分未知的顆粒，其特性是部分可溶于水，不溶于油，但是其密度較大，采用大豆油作為分散介質。因為大豆油粘度大，顆粒難以分散；如果采用葵花籽油，雖然粘度小，易于分散，但分散后由于顆粒的密度大很快就會沉降，導致無法測量［2］。如何較為準確地測量此類顆粒，顯然已成為該企業新品研發和激光粒度測量儀廠商共同面對的難題。

本文運用TRIZ原理對該問題進行分析，并提供解決思路，同時為新一代的激光粒度儀的設計提供創新方案。

1 TRIZ理論概述

TRIZ （簡稱發明問題解決理論）［3］是前蘇聯發明家根里奇·阿奇舒勒帶領團隊在研究分析了250萬份發明專利的基礎上提出的具有可操作性、創造性思維方法的分析方法與解決工具。該理論被廣泛應用于解決產品的創新問題。創新從最通俗的意義上講就是創造性地發現問題和解決問題的過程，TRIZ理論的強大作用正在于它為人們創造性地發現問題和解決問題提供了系統的理論和方法工具。TRIZ解決問題的核心就在于從問題的常規描述中發掘核心的矛盾問題（包含技術矛盾和物理矛盾）。

現代TRIZ則是在經典TRIZ基礎之上，結合歐美其他創新與管理方法形成的。相比于經典TRIZ，現代TRIZ側重于企業/商業應用，不僅在于解決技術問題而且更側重于開發具有實際意義的創新產品和技術。現代TRIZ還有支持解決問題過程的所有步驟，包括問題定義、描述（重新描述）、識別和解決問題、解決方案的評估和實施計劃等。現代TRIZ解決問題的流程如圖3所示。

圖3 現代TRIZ流程圖

2 激光粒度測量儀問題的TRIZ流程分析

2.1 問題識別——功能分析①功能分析、因果分析、方案評價使用軟件為億維訊公司的Pro/I Desktop V5

根據現代TRIZ流程，首先對激光粒度測量儀進行功能分析，見圖4。通過功能分析可以看出影響測量精度的兩個功能因素：a.溶劑的特性要求比較苛刻；b.攪拌程度控制難以實現，容易出現氣泡影響測量。

圖4 激光粒度測量儀功能分析圖

2.2 問題識別——因果分析

經過功能分析之后，將溶劑的特性和攪拌控制問題進行更加深入的因果分析，分析出更深層次的原因，從深層次入手解決問題。因果分析見圖5。通過因果分析，可以找到如下的關鍵原因：

（1）水對原料有一定的溶解作用；

（2）為了避免氣泡產生，攪拌的速度不夠；

（3）攪拌棒的數量不足導致攪拌效果差。

圖5 激光粒度測量儀因果分析圖（部分）

2.3 問題識別——矛盾分析與關鍵問題

從關鍵原因切入可得到以下技術矛盾，如表1所示。

表1 技術矛盾分析

技術矛盾的背后隱含著物理矛盾，而這一物理矛盾對應的問題常常是解決問題的關鍵，在ARIZ中也被稱為“最小問題”。這“最小問題”就是物理矛盾：攪拌棒的速度要適中，需要攪拌棒快速攪拌（以分散顆粒），但又不需要攪拌棒快速攪拌（會產生氣泡）。

要解決這一物理矛盾首先需要“強化矛盾”，引入“X元素”，定義理想“X元素”可以分散顆粒，同時又無需攪拌，那么就不會產生氣泡影響測量精度。所選的“X元素”應該在操作空間和時間內具有相反的兩種屬性或狀態，以調和雙方矛盾。

雖然可以通過分離原理與創新原理的對應關系去找到“X元素”，但是任何原理的類比應用最終都離不開對系統資源的發掘和使用，這也是提高解決方案“理想度”的重要途徑，采用經典TRIZ的九屏幕法可以發掘系統相關的各類資源，如表2所示。

表2 激光粒度測量儀的九屏幕資源分析表

3 問題解決——提高激光粒度測量儀測量精度的創新設計方案

根據表1所示的技術矛盾，矛盾矩陣表推薦的發明原理提出如下問題解決方法。

3.1 干濕分法互換

由于水對原料有一定的溶解作用，導致測量精度不高，可以利用預先作用原理將原料預先分散于溶劑（水）之中，得到該原料的飽和溶液，進而加入足量原料進行分散。但由于原料的飽和溶液是一個動態的溶解和析出的過程，采用飽和溶液獲得的測量結果反映的是該原料的溶解析出后的粒徑，無法獲得原料的原始粒徑，針對這一缺陷根據發明原理機械體統替代，提出改變原有的液體（水或者油）作為分散劑的方式，采用氣體作為分散介質，即變濕分法測量為干分法測量，而傳統的激光粒度儀中濕分法測量儀和干分法測量儀為不同的系列產品，無法滿足需求，利用已有的激光測量原件和傳輸管道設計干濕分法互換套件，結構原理如圖6所示。

圖6 干濕分法互換原理圖

3.2 多維陣列攪拌器

在使用大豆油作為分散劑時，雖然大豆油不溶解顆粒，但由于油的粘稠度高密度低容易導致顆粒無法分散，所以需要進行充分攪拌，但如果攪拌速度過高就會導致氣泡產生影響測量精度。根據預先作用原理采用如圖7所示多維陣列攪拌器，則可以在較低的攪拌速度下獲得良好的攪拌效果。

圖7 多維陣列攪拌器

3.3 球形輸送管道

在使用葵花籽油作為分散劑時，雖然葵花籽油不溶解顆粒，粘稠度較低易于分散顆粒，但由于油的密度低容易導致已分散的顆粒在傳輸至檢測皿的過程中發生沉降影響測量精度。根據發明原理增加不對稱性把原先均勻變化的傳輸管道設計成為球形管道，如圖8所示，利用流體的雷諾數的改變而是的傳輸過程中的顆粒自動分散降低沉降。

圖8 球形輸液管道

3.4 采用非均勻交流電場使顆粒分散

在懸混過程中如果對懸混物均勻度要求不高時，激光粒度儀一般采用機械混合，較大量的混合采用超聲波進行。但對混合物均勻度有嚴格要求，并且起始顆粒被限定在有限體積的容器內時，超聲波配合機械混合效率很低?？蓪㈩w粒密封在一個電介質容器中，把非均勻的交流電場接通到電極裝置上，電場的幅度、空間方向和振蕩時間都不斷變化，使得顆粒帶電并沿著電場幅度和方向決定的軌道移動，同時進行振蕩，可以得到良好的混合效果。

除了上述解決方案，應用現代TRIZ的解題工具如40條創新原理，4大分離原理，76個標準解，知識效應庫等，為提高激光粒度測量儀精度提出了若干創新設計解決方案如表4所示。這些創新設計概念方案可以單獨采用也可聯合使用，為激光粒度測量儀的創新設計指引方向。

表3 技術矛盾解決方案

4 概念驗證——方案評價

利用現代TRIZ理論，可以得到大量創新設計方案，需要進行比較和權衡，以做出最優的選擇。本文應用最常用的權衡分析工具PUGH矩陣對以上方案進行評價［4］，首先根據表4設置評價參數及權重。

表4 評價參數表

進而根據專業知識和經驗通過對不同方案預估其方案參數得到如下評價見圖9，為問題的解決和后續產品開發提供了有效的指導。

圖9 方案評價（部分）

5 結束語

本文應用現代TRIZ流程去解決激光粒度測量儀測量精度問題，在創新設計過程中提煉出多個技術矛盾和物理矛盾，著重應用科學效應庫、資源分析等解題工具，提出了若干激光粒度測量儀的創新設計方案。但由于問題自身特性以及文章篇幅限制，只闡述了重點問題，這后續研發方向指明了方向。

參考文獻

［1］http：//baike.ofweek.com/1278.html.

［2］ 張明勤 TRIZ入門100問——TRIZ創新工具導引 北京： 機械工業出版社，2012.

［3］ 檀潤華發明問題解決理論 北京： 科學出版社，2004.

［4］ 林岳，譚培波，史曉凌，茹海燕，技術創新實施方法論（DAOV）北京： 科學出版社，2009.

［5］TRIZ在垂直旋轉式立體車庫驅動系統創新設計中的應用_李春艷《起重運輸機械》 2013 （4）.

Application of Modern TRIZ in Laser Particle Analyzer Innovative Design

Xin Wu1， Ling Ji2， Kaixiao Zhang3
（1.Nanjing University of Science and Technology， Nanjing， Jiangsu， 210094， China；2.Jiangsu Productivity Promotion Center， Nanjing， Jiangsu， 210042， China；3.Hohai University， Nanjing， Jiangsu， 210098， China）

Abstract：This paper demonstrates how to improve the accuracy of laser particle size analyzer by using modern TRIZ theory.The modern TRIZ problem solving procedures are standardized， including problem identification， problem solving， and verification.Firstly， the initial technical problem is analyzed， the technical and physical contradictions are extracted.Secondly， all the inventive tools such as contradiction matrix， TRIZ inventive principle， separation principle， resourceanalysis， scientific effects database are used to propose solutions.Finally， the PUGH matrix is used to evaluate all the solutions， finding the reliable solutions improving the accuracy of laser particle size analyzer.

Key words：Modern TRIZ； PUGH Matrix； Laser Particle Size Analyzer； Technical Contradiction； Physical Contradiction； ARIZ

中圖分類號：TQ577

文獻標識碼：A

文章編號：2095-8412 （2016） 02-287-05工業技術創新 URL： http//www.china-iti.com

DOI：10.14103/j.issn.2095-8412.2016.02.044

作者簡介：

吳欣（1974-），男，研究生，南京理工大學講師。研究方向：機械設計及理論，機械制圖等。

E-mail： 8038084@qq.com