固態微風傳感器輔助測試裝置設計

鄧霖邦 姜爽

開發研制產品中所使用的測試輔助裝置一般不為產品使用者所關注，也經常被產品設計開發者所忽視。由于一些產品生產中，重復性測試、調試會影響產品性能指標，重視產品測試輔助裝置的設計與制作工作往往會使得整個產品研制生產效率大幅度提高。

筆者在社會實習中曾參與一項稱作固態微風傳感器的后期開發工作，主要工作是對每件產品進行指標測試，部分產品則需要根據測試情況進行調試或參數修正。這是該產品封裝出廠前最后一個可以修改軟件代碼的階段。因此這個階段的工作直接影響這種微風傳感器測量精度這項最關鍵的性能指標。測試過程要對多個不同的風速點進行八個角度測試。因為微風傳感器是在小型風洞中測試，每次調整風速點和角度都需要停止風洞并打開風洞窗口將傳感器轉動到相應的角度后啟動風洞，等風洞中的風速穩定在一定的風速點時才能讀數。這是一項既費時又繁瑣且重復性強的工作，測完一個傳感器往往需要一整天的時間。筆者經過幾天測試工作，理解到測試工作的主要關鍵點后，想到應該設計一種輔助裝置來簡化測試工作。

這個傳感器測試輔助裝置采用巧妙的多重套筒結構設計，使用這個測試輔助裝置可以在風洞外面變換傳感器的角度，不用打開風洞窗口和啟停風洞，同時避免了原來手動調整角度而導致微風傳感器位置漂移影響測試結果的情況，而且這樣一天下來能測出6-7只傳感器，測試工作效率得到成倍提高。

一、 背景分析及設計構思

（一） 設計背景分析

本文不是關于固態微風傳感器設計而是其測試輔助裝置的設計，但本測試輔助裝置是為保障傳感器的生產質量及提高測試效率而提出和展開的設計。所以需要對固態微風傳感器相關原理及生產調試做簡要說明。

本文所涉及的固態微風傳感器相對于傳統風輪機械式測風傳感器而言，是一種新型可編程嵌入式電子測風傳感器?？蛇M行風、溫、壓等多種氣象環境數據采集、處理和傳送，能在較為惡劣環境條件下自動工作。由于優化的感風結構及多要素采集軟件優化，其靈敏度、測試精度較傳統機械式風輪測風傳感器有顯著的優勢，使用全固態感風技術解決了微風段啟動風點及瞬時測量問題，克服了小風段測量中湍流干擾等問題。全固態感風技術的核心是利用先進的固態微壓傳感器自動測量兩個正交方向（如移動武器平臺及彈道氣象諸元的橫風和縱風）與風速成比例的電壓信號，通過專用的數字化技術處理后，形成兩個正交方向的數字化風向、風速信號輸出。固態微風傳感器外形為圓柱形結構（參見圖1-1），頂部呈圓弧形，底部設有固定螺孔。圓柱體自上而下分三部分，上部為測風微壓感應模塊，主要由分布在圓柱體壁上4組微壓感應孔組成；內部靠中間部位是微壓傳感控制模塊及含有CPU電子線路板，主要由二個固態微壓傳感器，數據采集控制器、通信接口等組成；底部為靜壓力、溫度傳感器。

與本設計相關的部位是上部測風感應孔分兩層共2×12個，分別沿兩個圓周均勻分布于圓柱體外立面上，每2×3個感應孔組合與一個微壓感應面相通；上下部的壓力感應孔共24個，都沿一圓周線均勻分布于圓柱體外立面上。

該傳感器最后出廠前需要將傳感器放置在風洞中對這些感應口進行校準性測試。方法是把傳感器從風洞的窗口伸入風洞并用膠帶固定在內部的鐵棍上，傳感器底部有USB口連接的數據線通過風洞底部的口與外部的筆記本電腦相連。將傳感器上部雙層的2×12個劃分為8個位置對迎向風吹的方向，旋轉測量與風洞的標準值對比。一圈360°分別對應0°、45°、90°、135°、180°、225°、270°、315°的位置。每個位置都要將風洞內風速分別設置為1m/s、3m/s、8m/s、10m/s、20m/s。待風速值達到測試點后穩定1min，開始讀數分別記錄風洞標準器與傳感器示值數據，根據數據對比了解傳感器測試性能，并做必要的軟件參數調整。

如上所述，每個角度需要測試過5個風速點后，需要關閉風洞打開風洞上的窗口將傳感器旋轉45°后用膠帶固定關閉風洞窗口再啟動風洞。筆者按這樣的步驟測試后發現如下問題：

1、每次調整一次角度都需要啟停風洞待風速穩定后讀數，比較耗時。

2、每次按照目測刻度調整角度，角度不均勻，傳感器的感風口無法準確對準風向（盡管這不會很大程度影響測試結果，但也不是理想情況）。

3、手動旋轉并用膠帶固定傳感器，會影響傳感器水平或上下位置的一致性。

4、頻繁打開風洞窗口，偶或窗口管不嚴。

筆者主要針對上述問題為改善測試效果提高測試效率，提出了設計一個測試輔助裝置的構想（這類裝置在工業制造領域有時稱為工裝，因此本文有些地方把測試輔助裝置簡稱工裝），就是通過一種機械機構來替代目前每次旋轉角度都要進入風洞調整傳感器的測試方式。

（二） 測試輔助裝置設計構思

1、基本思路

筆者希望能設計一個測試輔助裝置使得轉換角度時能在風洞外面進行，不用每次都啟停風洞及打開風洞窗口。用一個能固定傳感器的裝置，該裝置能從風洞下面的伸出一截以便在風洞外面帶著傳感器旋轉。該裝置每間隔45°位置可以相對固定用于測量讀數。因需要帶動里面部分結構旋轉，整體又要固定在風洞外壁上，所以采用多重套筒結構。

2、測試輔助裝置的組成

為了實現上述目標，筆者將測試輔助裝置設計成3個功能單元組成（見圖1-3新測試示意圖）：

放置固態微風傳感的套管（圖1-3中藍色實線部分），套管下面有較長的細管，這部分細管伸出風洞外面用于旋轉操作；開有8個凹槽且下面帶通管的固定盤（圖3中紅色虛線部分）；與固定盤連接的底盤（圖1-3中綠色實線部分）。

二、 設計內容及實施方法

（一） 測試輔助裝置功能單元

1、 套管

套管分兩部分（見圖2-1），上部分是較粗的圓筒用于放置傳感器，其管壁內設有環形平臺，此平臺的外徑大于微風傳感器的外徑。下部分有細管伸出風洞的外部，可用于旋轉。細管中通部分用于傳感器底部的信號線由此穿過，此信號線與筆記本電腦通訊用。被測傳感器放置在此圓通內環形平臺上，圓筒壁上設有螺絲口，可用平頭螺釘穿過螺絲口使得微風傳感器固定。圓筒靠近底部與細管結合部分上加工有梯形外凸，可與后面介紹固定盤上凹槽配合用于旋轉定位。

2、 固定盤

固定盤（見2-2 固定盤結構示意圖）也是中間開口，底部連著通管，上面介紹的套管的細管部分可以穿過本固定盤中間的開口及下面的通管。

形成多重套筒結構。固定盤的上面開一個直徑與套管上圓筒一樣的圓形凹槽，槽的深度至少3毫米，但不超過固定盤厚度。圓形槽的四周每間隔45°，開有類似鋸齒一樣的凹槽與上面介紹的套管上的凸槽配合。固定盤下面的通管使用時也是伸出風洞外面的，通管外部加工成了螺紋。后面介紹的底盤中間開有圓口可以套在該通管上后擰上螺母。這樣固定盤和底盤中間可以夾著風洞的外壁，實現整個裝置固定。

3、 底盤

此底盤僅起到一個固定作用，類似經常用到的螺母墊片。需要指出的是該方形的底盤上表面加工成與風洞外側一樣的曲率。擰緊螺絲后可以與風洞外壁貼緊。

4、 整體配合實施

為了更清楚、完整地說明本設計方案，下面將結合整體結構示意圖作說明。

本設計是關于一種微風傳感器測試輔助裝置，如上圖設計了套管1，套管1的上方放置被測量的微風傳感器4，套管1上設計有梯形外凸5，而固定盤2上設計有梯形凹槽6，兩個做很好的配合。同時套管1的下方設有細管10，固定盤2的下方也設有通管，該通管連接有底盤3，并穿過底盤3上設有的圓孔7和套管1下部的細管10穿過此通管，這樣整體從上到下是一個通口式設計，傳感器底部出來的USB信號線由此穿過。

（二） 設計關鍵點及結構優化分析

在構思及設計過程中，需要完成幾個技術突破、設計優化工作，以下結合上節中圖2-4和圖2-5，按上下順序摘選闡述。

本設計所述的套管1頂部的內側切薄一層3毫米的壁厚，在套管內側形成一圈平臺9，可以放置外徑小于套管1內經的微風傳感器4，微風傳感器下部放置在裝置套管內，上面24個感風口暴露在套管外面；這樣的結構既能解決傳感器放置問題，且在內部形成通管結構，也解決了內部走信號線問題。但出現的問題是傳感器的尺寸如果比套管的尺寸小的太多，微風傳感器4會在里面晃動，有可能不會很好地跟隨套管旋轉。如果利用尺寸正負公差則配合太緊，不僅影響放置也會由于摩擦，在傳感器外表留下劃痕等問題。后經筆者反復研究，考慮使用頂絲的辦法來固定傳感器，這樣尺寸要求就不用太嚴格了。實施辦法是在套管1上面放置微風傳感器4重疊部分的管壁上開設內螺絲口8，并配有平頭螺釘，放置微風傳感器后，扭入平頭螺釘可以頂住微風傳感器4，這樣微風傳感器4需要旋轉更換測試位置時就可以跟隨套管1轉動。

同樣套管1上的梯形凸結構及固定盤2上8個梯形凹槽6，開始并不是梯形的而是立方形的凸與凹配合，由于需要在風洞外邊通過細管10旋轉套管1帶著傳感器4來調整測試位置，過緊則不容易定位或定錯位置，過松則會晃動。最后分別把套管1上的凸結構和固定盤2上的凹槽設計成正梯形和倒梯形，問題得到完好解決。

本設計中套管1上半部帶著被測微風傳感器4和固定盤2上半部是在風洞內部，套管1的細管10部分和固定盤2下半部帶螺紋的通管及底盤均設計在風洞外部；測試工作時，可以旋轉風洞外部的套管下半部分的細管10帶動安裝在該套管1上面的微風傳感器4能分別測試傳感器8個不同位置進風口的風量。固定盤2下部設計一個外面有螺紋的通管，該部分通管可以上螺母，這樣固定盤2和底盤3之間 著風洞的外壁，整個測試裝置可以穩定不動，只有測試裝置最下面伸出較細的管提起后整體可以轉動到每個梯形槽的位置。

此外，為盡量避免結構對小型風洞環境影響，避免雜風干擾將固定盤2下面設計成與風洞內壁同樣曲率的圓弧形，可以使其嚴絲合縫地貼緊風洞內表面，同理也將底盤3的上表面也設計成與風洞下壁外表面相同曲率的弧形結構。這樣在固定盤2下面有螺紋的通管上扭緊螺絲后，整體配合的比較緊固。

三、結語

本設計的加工完成及在生產調試中反復應用表明，該測試輔助裝置多重套筒結構設計很巧妙地將微風傳感器固定在密閉在小型風洞中，并在風洞外部操作使其旋轉，將微風傳感器在360°范圍內分別定位成8個位置進行測量，這部分測試工作是微風傳感器調試、生產過程中非常重要的環節。對于提高產品質量、降低次品率，提高產品生產效率等均可取得顯著的效果。同時，以此研究為基礎可進一步開展能結合電動裝置的結構設計，并與計算機相連而進行程序化采集與控制，最終可實現產品批量生產線上的全智能生產制造。

測試輔助裝置屬于生產工藝設計范疇，因其直接影響產品質量及生產效率而應得到足夠的重視，在有些場合其設計加工復雜程度可能會超過產品本身，這時更不能忽視其技術和資金投入。在生產線上，產品大規模批量生產中，工裝的設計和使用會直接影響最終產品在激烈市場中的競爭力。