基于传感器效应及量纲研究仪器创新设计模型摘要基于量纲分析技术和传感器效应，研究仪器中典型物理效应量纲表达及分类方法，仪器效应与物理参数量纲的映射关系，建立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，形成基于量纲分析的仪器原理创新的系统化设计模型。关键词传感器效应；量纲分析；创新设计TP212文献标识码A1674-6708(2012)78-0194-02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一原理一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0.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；LReyleigh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H定理：每一个物理定律都可用几个零量纲矗次的量表述，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-lo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...