现代TRIZ在激光粒度测量仪创新设计中的应用

吴欣，季玲，张开骁（.南京理工大学，江苏南京，0094；.江苏省生产力促进中心，江苏南京，004；河海大学，江苏南京， 0098）



现代TRIZ在激光粒度测量仪创新设计中的应用

吴欣1，季玲2，张开骁3
（1.南京理工大学，江苏南京，210094；2.江苏省生产力促进中心，江苏南京，210042；3河海大学，江苏南京， 210098）

摘 要：本文应用现代TRIZ创新理论来提高激光粒度测量仪的测量精度，按照问题识别、问题解决、概念验证三大步骤对原始问题进行TRIZ的标准化，应用矛盾矩阵、TRIZ原理、分离原理、资源分析、科学效应库等工具，提取技术矛盾和物理矛盾，提出解决方案。最后使用PUGH矩阵对方案作出相应评价，为激光粒度测量仪的创新设计方向提出可靠的指引。

关键词：现代TRIZ；PUGH矩阵；激光粒度测量仪；技术矛盾；物理矛盾

引言

激光粒度仪是专指通过颗粒的衍射或散射光的空间分布（散射谱）来分析颗粒大小的仪器。由激光器发出的一束激光。当通过某种特定的方式把颗粒均匀地放置到平行光束中时，激光将发生散射现象，一部分光向与光轴成一定的角度向外扩散［1］。理论与实践都证明：大颗粒引发的散射光的散射角小，颗粒越小，散射光的散射角越大，如图1所示。这些不同角度的散射光通过富氏透镜后将在焦平面上将形成一系列的光环，由这些光环组成的明暗交替的光斑称为Airy斑。Airy中包含着丰富的粒度信息，简单地理解就是半径大的光环对应着较小的粒径的颗粒，半径小的光环对应着较大粒径的颗粒；不同半径上光环的光能大小包含该粒径颗粒的含量信息，对这些信号进行数学处理，就可以得出粒度分布了。

图1 激光粒度仪测量原理图

图2 激光粒度测量仪的原理示意图

传统的激光粒度测量仪，把原料加入在合适的溶剂中，杯子盛放溶剂，机器带动搅拌棒搅拌杯中溶剂，使原料悬浮于溶剂中，机器带动循环泵抽取溶剂到检测皿，动态激光照射检测皿，测量原料粒径，循环泵抽取溶剂回到杯子中，如图2所示。激光散射的原理就要求保证颗粒间分散开来，因此对溶剂提出如下要求：不能溶解此原料颗粒，粘度低，密度适中，并通过搅拌使颗粒分散悬浮起来，以增加系统的测量精度。在某企业的新品研发过程中，产生了某种成分未知的颗粒，其特性是部分可溶于水，不溶于油，但是其密度较大，采用大豆油作为分散介质。因为大豆油粘度大，颗粒难以分散；如果采用葵花籽油，虽然粘度小，易于分散，但分散后由于颗粒的密度大很快就会沉降，导致无法测量［2］。如何较为准确地测量此类颗粒，显然已成为该企业新品研发和激光粒度测量仪厂商共同面对的难题。

本文运用TRIZ原理对该问题进行分析，并提供解决思路，同时为新一代的激光粒度仪的设计提供创新方案。

1 TRIZ理论概述

TRIZ （简称发明问题解决理论）［3］是前苏联发明家根里奇·阿奇舒勒带领团队在研究分析了250万份发明专利的基础上提出的具有可操作性、创造性思维方法的分析方法与解决工具。该理论被广泛应用于解决产品的创新问题。创新从最通俗的意义上讲就是创造性地发现问题和解决问题的过程，TRIZ理论的强大作用正在于它为人们创造性地发现问题和解决问题提供了系统的理论和方法工具。TRIZ解决问题的核心就在于从问题的常规描述中发掘核心的矛盾问题（包含技术矛盾和物理矛盾）。

现代TRIZ则是在经典TRIZ基础之上，结合欧美其他创新与管理方法形成的。相比于经典TRIZ，现代TRIZ侧重于企业/商业应用，不仅在于解决技术问题而且更侧重于开发具有实际意义的创新产品和技术。现代TRIZ还有支持解决问题过程的所有步骤，包括问题定义、描述（重新描述）、识别和解决问题、解决方案的评估和实施计划等。现代TRIZ解决问题的流程如图3所示。

图3 现代TRIZ流程图

2 激光粒度测量仪问题的TRIZ流程分析

2.1 问题识别——功能分析①功能分析、因果分析、方案评价使用软件为亿维讯公司的Pro/I Desktop V5

根据现代TRIZ流程，首先对激光粒度测量仪进行功能分析，见图4。通过功能分析可以看出影响测量精度的两个功能因素：a.溶剂的特性要求比较苛刻；b.搅拌程度控制难以实现，容易出现气泡影响测量。

图4 激光粒度测量仪功能分析图

2.2 问题识别——因果分析

经过功能分析之后，将溶剂的特性和搅拌控制问题进行更加深入的因果分析，分析出更深层次的原因，从深层次入手解决问题。因果分析见图5。通过因果分析，可以找到如下的关键原因：

（1）水对原料有一定的溶解作用；

（2）为了避免气泡产生，搅拌的速度不够；

（3）搅拌棒的数量不足导致搅拌效果差。

图5 激光粒度测量仪因果分析图（部分）

2.3 问题识别——矛盾分析与关键问题

从关键原因切入可得到以下技术矛盾，如表1所示。

表1 技术矛盾分析

技术矛盾的背后隐含着物理矛盾，而这一物理矛盾对应的问题常常是解决问题的关键，在ARIZ中也被称为“最小问题”。这“最小问题”就是物理矛盾：搅拌棒的速度要适中，需要搅拌棒快速搅拌（以分散颗粒），但又不需要搅拌棒快速搅拌（会产生气泡）。

要解决这一物理矛盾首先需要“强化矛盾”，引入“X元素”，定义理想“X元素”可以分散颗粒，同时又无需搅拌，那么就不会产生气泡影响测量精度。所选的“X元素”应该在操作空间和时间内具有相反的两种属性或状态，以调和双方矛盾。

虽然可以通过分离原理与创新原理的对应关系去找到“X元素”，但是任何原理的类比应用最终都离不开对系统资源的发掘和使用，这也是提高解决方案“理想度”的重要途径，采用经典TRIZ的九屏幕法可以发掘系统相关的各类资源，如表2所示。

表2 激光粒度测量仪的九屏幕资源分析表

3 问题解决——提高激光粒度测量仪测量精度的创新设计方案

根据表1所示的技术矛盾，矛盾矩阵表推荐的发明原理提出如下问题解决方法。

3.1 干湿分法互换

由于水对原料有一定的溶解作用，导致测量精度不高，可以利用预先作用原理将原料预先分散于溶剂（水）之中，得到该原料的饱和溶液，进而加入足量原料进行分散。但由于原料的饱和溶液是一个动态的溶解和析出的过程，采用饱和溶液获得的测量结果反映的是该原料的溶解析出后的粒径，无法获得原料的原始粒径，针对这一缺陷根据发明原理机械体统替代，提出改变原有的液体（水或者油）作为分散剂的方式，采用气体作为分散介质，即变湿分法测量为干分法测量，而传统的激光粒度仪中湿分法测量仪和干分法测量仪为不同的系列产品，无法满足需求，利用已有的激光测量原件和传输管道设计干湿分法互换套件，结构原理如图6所示。

图6 干湿分法互换原理图

3.2 多维阵列搅拌器

在使用大豆油作为分散剂时，虽然大豆油不溶解颗粒，但由于油的粘稠度高密度低容易导致颗粒无法分散，所以需要进行充分搅拌，但如果搅拌速度过高就会导致气泡产生影响测量精度。根据预先作用原理采用如图7所示多维阵列搅拌器，则可以在较低的搅拌速度下获得良好的搅拌效果。

图7 多维阵列搅拌器

3.3 球形输送管道

在使用葵花籽油作为分散剂时，虽然葵花籽油不溶解颗粒，粘稠度较低易于分散颗粒，但由于油的密度低容易导致已分散的颗粒在传输至检测皿的过程中发生沉降影响测量精度。根据发明原理增加不对称性把原先均匀变化的传输管道设计成为球形管道，如图8所示，利用流体的雷诺数的改变而是的传输过程中的颗粒自动分散降低沉降。

图8 球形输液管道

3.4 采用非均匀交流电场使颗粒分散

在悬混过程中如果对悬混物均匀度要求不高时，激光粒度仪一般采用机械混合，较大量的混合采用超声波进行。但对混合物均匀度有严格要求，并且起始颗粒被限定在有限体积的容器内时，超声波配合机械混合效率很低。可将颗粒密封在一个电介质容器中，把非均匀的交流电场接通到电极装置上，电场的幅度、空间方向和振荡时间都不断变化，使得颗粒带电并沿着电场幅度和方向决定的轨道移动，同时进行振荡，可以得到良好的混合效果。

除了上述解决方案，应用现代TRIZ的解题工具如40条创新原理，4大分离原理，76个标准解，知识效应库等，为提高激光粒度测量仪精度提出了若干创新设计解决方案如表4所示。这些创新设计概念方案可以单独采用也可联合使用，为激光粒度测量仪的创新设计指引方向。

表3 技术矛盾解决方案

4 概念验证——方案评价

利用现代TRIZ理论，可以得到大量创新设计方案，需要进行比较和权衡，以做出最优的选择。本文应用最常用的权衡分析工具PUGH矩阵对以上方案进行评价［4］，首先根据表4设置评价参数及权重。

表4 评价参数表

进而根据专业知识和经验通过对不同方案预估其方案参数得到如下评价见图9，为问题的解决和后续产品开发提供了有效的指导。

图9 方案评价（部分）

5 结束语

本文应用现代TRIZ流程去解决激光粒度测量仪测量精度问题，在创新设计过程中提炼出多个技术矛盾和物理矛盾，着重应用科学效应库、资源分析等解题工具，提出了若干激光粒度测量仪的创新设计方案。但由于问题自身特性以及文章篇幅限制，只阐述了重点问题，这后续研发方向指明了方向。

参考文献

［1］http：//baike.ofweek.com/1278.html.

［2］ 张明勤 TRIZ入门100问——TRIZ创新工具导引 北京： 机械工业出版社，2012.

［3］ 檀润华发明问题解决理论 北京： 科学出版社，2004.

［4］ 林岳，谭培波，史晓凌，茹海燕，技术创新实施方法论（DAOV）北京： 科学出版社，2009.

［5］TRIZ在垂直旋转式立体车库驱动系统创新设计中的应用_李春艳《起重运输机械》 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

中图分类号：TQ577

文献标识码：A

文章编号：2095-8412 （2016） 02-287-05工业技术创新 URL： http//www.china-iti.com

DOI：10.14103/j.issn.2095-8412.2016.02.044

作者简介：

吴欣（1974-），男，研究生，南京理工大学讲师。研究方向：机械设计及理论，机械制图等。

E-mail： 8038084@qq.com