基于传感器效应及量纲分析的仪器创新设计模型

马力辉 ，孙 辉 ，高永阳 ，李国翚

1.天津大学精密仪器与光电子工程学院，中国天津 300072

2.天津开发区奥金高新技术有限公司，中国天津 300072

产品的功能设计、原理设计和结构设计是概念设计的核心内容，创新设计的核心是要在概念设计阶段产生有竞争力的工作原理。对于仪器的创新设计也不例外，仪器的创新设计的核心就是要通过功能—原理—结构的映射及相应的逻辑推理产生全新的工作原理。工作原理通常包含两个方面的内容∶物理效应和功能载体。物理效应泛指自然界一切现象经研究得出的普遍规律性的结果，包括各学科领域的定理、定律和法则；功能载体是指实现物理效应的物理实体。物理效应可将仪器工程问题与科学中的定理定律紧密的联系起来。作为实现功能的原理，效应是原理设计的关键。可以运用本领域特别是其他领域的有关定律解决设计中的问题，物理效应可以通过将有关的量的互相联系起来的定律来描述，即按照定律规定的原理将输入量转化成输出量，实现相应的功能。

曹国忠根据事物的产生、成长、消亡的过程，将功能分解成产生、移动、结合、分离、变化、稳定、检测、保持、存取、消除十类，并把输入量输出量分解成物质、能量与信息，通过效应及其关联实现输入量到输出量的转化。

本文针对仪器创新设计的核心过程，利用量纲分析技术，研究仪器中的物理量和典型物理效应间的映射关系和关联，提出一种全新的利用量纲分析方法搜索物理效应的仪器原理创新设计方法。

1 量纲分析基础

量纲分析是一种在物理领域中建立数学模型的方法。将仪器设计问题所涉及的物理量按属性进行分类，找出不同类物理量间的相互关系，进而找出某些物理量与另外一些物理量间的因果关系。

1822年Fourier将量纲从几何学推广到物理学范畴；1883年O.Reynolds运用量纲分析研究层流与紊流判据，将多个影响因素综合为一个无量纲的比值，提出了无量纲数雷诺数Re，以此作为判断同一问题中出现不同现象的准则；L.Reyleigh在流体力学、声学等领域中运用量纲分析，创立了瑞利法，做出了开创性的贡献；二十世纪初E.Buckingham提出了П定理：每一个物理定律都可用几个零量纲幂次的量表述，形成了模型试验以及当今普遍应用的数值模拟所应遵循的原则，奠定了现代量纲分析理论基础。目前，量纲分析法已发展为通过研究物理量的量纲关系进而揭示其内在规律的重要方法，在物理学、工程领域、经济学和运筹学等方面得到了广泛应用。

原理设计是仪器创新设计的重要环节，涉及大量的物理效应；通过量纲分析，利用物理定律的量纲齐次原则，可以正确分析确定各物理变量、效应之间的关联关系，寻找全新物理作用原理的某些规律和线索。因而，量纲分析可以作为仪器中的效应一般化建模、创新的重要工具。

2 效应量纲图表的建立及分析

效应是输入、输出之间的关系，是指采用物理、化学、生物、数学、电子等领域中的原理解决设计中的创新问题。人类目前已总结出大量的物理效应、化学效应、生物效应和数学效应，每一个效应都可能是一个创新设计的解决方案。对于仪器的创新设计，其原理主要涉及物理效应。用量纲分析的方法来分析各物理变量、效应，同时参照其测量对象的物理量及相应的传感方式予以分类，可建立出基本传感器效应的量纲图表。

表1 基本传感器效应量纲表

表1包含了仪器创新设计中常用的基本传感器效应，这些效应按照其工作原理及输入和输出进行分类，并将其输入和输出用量纲表达。

仪器都有对应的效应原理，每一个新效应的产生都意味着可能会有新的应用。仪器的创新往往会使用新的效应，或者效应的新的应用。因此，怎样去寻找新的效应对仪器的创新有重大意义。

表1所列基本传感器效应的输入输出已由量纲表达。例如，压电效应的输入为LMT-2，输出为L2MT-3I-1。由表中所列效应输入输出的量纲，可以找出各效应之间的关系，根据输入输出量纲可对效应进行全新组合，从而形成全新的效应。由各效应输入输出量纲的关系，可容易找出它们的关联效应模式，连成新效应链。例如，压电效应的输入为LMT-2，输出为L2MT-3I-1；电磁效应的输入为L2MT-3I-1，输出为MT-2I-1。可以看出压电效应的输出和电磁效应的输入量纲相同，即LMT-2—压电效应—L2MT-3I-1—电磁效应—MT-2I-1，则可以将两个效应结合起来，形成新的效应链，应用此新效应链，有可能开发出新的仪器。

3 基于量纲分析的仪器创新设计过程模型

基于量纲分析的仪器创新设计模型应用的一般过程是在创新求解过程中建立的。当设计者得到设计要求后，进行功能分析，按照其功能确定输入输出量纲，进一步在传感器效应量纲表中找出相应效应，进行结合形成新的效应链，开发出新的仪器。

基于量纲分析的仪器创新设计流程如图1所示。

图1 基于量纲分析的仪器创新设计流程图

4 应用实例

输液治疗是现在医疗工作中常用的一种治疗手段，当医护人员不能及时换药或拔掉针头，则有可能出现医疗事故。针对此情况，开发输液自动报警器。输液自动报警器需要在药液将近输完时及时报警提醒护士或病人，进行换药或拔针头。首先，对输液自动报警器进行功能分析，在药液重量达到报警点时，需对此信号进行转化，最终转化为报警器的报警声。其次，确定输入输出及其量纲。药液重量可用应变片通过感受其重力的变化进行检测，即输入为力的变化LMT-2，输出为电阻的变化L2MT-3I-2，效应选择为压阻效应。报警器即小喇叭的原理是电流的变化影响磁场变化产生声音，效应为电磁效应，输入为电阻变化L2MT-3I-2，输出为磁场强度变化MT-2I-1。新效应链为LMT-2—压阻效应—L2MT-3I-2—电磁效应—MT-2I-1。由此新效应链即可开发出仪器——输液自动报警器。

5 结论

仪器的创新设计属于多域系统设计问题，仪器原理设计过程不能仅囿于在某一特定领域知识空间的简单搜索，本文针对现代仪器的特点，采用进化设计思想，研究仪器效应与物理参数量纲的映射关系，分析基于效应链的新效应产生方法和基于量纲分析的仪器新效应生成方法，建立了基于量纲分析和传感器效应的仪器原理创新设计的系统化设计模型，为提高仪器产品的创新水平和效率提供理论和技术支撑，对仪器行业的创新发展具有参考价值。

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