基于創新理論的霍爾傳感器裝配裝置設計

黃兆飛 邱仕安 陳勇 關文勇

摘要：霍爾傳感器裝配是制作高斯計的關鍵技術之一。本文運用創新理論中的相關知識主要是創新策略，成功的設計了一能夠進行霍爾傳感器裝配的裝置，解決了原來裝配裝置設計中機械結構復雜的問題，同時也驗證了創新設計理論的可行性和優越性。

關鍵詞：霍爾傳感器；裝配；創新理論；創新策略

引言

高斯計是磁場強度檢測的重要工具。目前國內只有少數的儀器廠家生產該類型產品。高斯計制作中，霍爾元件在銅管中的安裝極為關鍵，決定著傳感器的最終精度要求。在對其進行設計的過程中，根據高斯計的功能原理及相關要求，進行了初步設計，但是由于其機械結構較為復雜，很難設計下去。本文借助創新設計理論中的一些方法和工具另辟途徑，最后圓滿的完成了產品的設計。

1.創新設計簡介

1.1創新設計概念

創新設計是指充分發揮設計者的創造力，利用人類已有的相關科學技術成果、理論、方法等，構思創新產品概念，并進一步應用新技術、新原理和新方法進行產品的設計和分析，開發具有新穎性和實用性產品的實踐活動[1]。產品創新設計的實質是發現問題、分析問題和解決問題的一系列創造性的過程，是關于“產品設計如何能滿足目標市場開發的功效性要求”的創新。

1.2.創新設計的策略

創新設計過程就是設定一個特定的目標，然后找到達到該目標的合適的路徑。根據設計問題類型的不同，將創新設計問題分為四類：面向問題的創新、面向目的的創新、面向產品的創新和面向載體的創新，并根據不同的類型，采用TRIZ、FBS平臺、創造性模板和非邏輯思維等不同的方法實現創新，所有以上四種類型，不論采用什么創新策略，最終的創新概念產生，都需借助非邏輯思維、科學效應庫和多層次網絡信息搜索。圖1表示了創新設計的分類（問題確定、定義和表征）以及達到該目標（問題解決）所需采用的策略。

圖1 創新設計的分類及求解策略

1.2.1面向問題的創新

面向問題的創新的目標是提高現有產品或系統的性能，解決現有產品或系統中影響主要功能的問題，朝著理想化的目標前進。這類設計問題往往針對的是某種具體的技術問題，采用的策略是解決最小化問題，解決系統中的沖突，對系統僅作漸進式改進。TRIZ方法是實施策略比較好的方法。

1.2.2 面向目的的創新

面向目的的創新的目標是設計一個全新產品或系統，待設計的產品或系統在市場上可能并不存在，或者雖然存在，但是現有產品或系統的主要功能改進已達到極限。解決此類問題時，利用功能–行為–結構映射法結合科學效應、類比等方法，可以有效輔助設計人員對知識進行快速搜索，迅速產生多種解決方案，并從這些方案中選出針對該問題的最優解。

1.2.3 面向產品的創新

面向產品的創新的目標是現有產品的主要功能不作改變，著重在產品的次要功能的開發和改進。采用的策略是著眼產品本身和功能跟隨形式的方法。創造性模板方法是實施此策略比較好的方法。

1.2.4 面向載體的創新

產品的主要功能和實現功能的原理是確定的，通過改變產品的外觀形式，創造新的產品，主要用于滿足用戶文化和精神上的需求。采用的策略是非邏輯思維法，通過聯想法、隨機對象激勵法產生新穎的設計概念。

2. 霍爾傳感器裝配裝置設計

本文主要是基于以上理論方法設計一個霍爾傳感器裝配裝置。在高斯計的制作中，霍爾元件的裝配的原理圖如下圖2所示。根據功能要求，在制作磁場強度測試探頭時，要將霍爾元件裝入到銅管中并確保霍爾元件的感應方向和銅管的幾何軸線相重合。

圖2 霍爾傳感器在銅管內的安裝示意圖

為解決上述問題，通過搜集資料和調查研究，經過課題人員討論形成的初步設計思路如下圖3所示：

圖3 霍爾元件安裝調整裝置

上述方案是通過改變橫桿的位置來實現霍爾元件方位的調整。在上圖中，可以看到銅管所在橫桿的兩端分別向上向下運動調整霍爾元件上下邊緣的高度從而實現對銅管以及霍爾元件上下方位的位置確定。該裝置調整時，由于橫桿的長度是固定的，當橫桿的兩端上下調整時，左右立桿既存在著上下運動，又存在著向中心的水平運動。若再加上霍爾元件在水平方位的調整，整個機械結構十分復雜。

下面運用創新設計理論來進行該裝置的設計。由于沒有找到相關的設計資料進行借鑒，對我們而言該設計是一個全新的產品設計。在選擇創新理論中的求解策略時，選擇面向目的的產品創新。在面向目的的創新中，要思考設計最終的目的是什么，是否有其它方法和技術可以更好地達到此目的，采用的策略是解決最大化問題和對系統的工作原理改變，解決此類問題時，利用功能–行為–結構映射法結合科學效應、類比等方法，以有效輔助對知識進行快速搜索，產生多種解決方案，并從這些方案中選出針對該問題的最優解。

重新回顧要求，我們將要設計的機構實現的主要功能描述為：調節傳感器感應的方向（總功能目標）。初步方案的提出時對問題的定義為如何通過調節傳感器上下、左右的位置而實現傳感器位置的調整。由于在結構設計時遇到了困難，下面嘗試運用創新方案生成問題的定義方法重新對問題進行定義。通過對傳感器端面調整的方式進行深入分析；調整傳感器端面的上下、左右邊線實際上是傳感器在沿著中心作兩個方向的翻轉運動，這個運動軌跡是一個球形，這樣可以把問題定義描述為如何實現傳感器在兩個方向的旋轉轉動。有了這個定義后，思路就打開了。下面運用面向目的的創新策略中FBS映射法求解新的結構方案。

（1）產品的F–B映射：

調節傳感器的方向（功能）–沿著中心上下、左右方向的旋轉。

也就是說我們可以通過對傳感器沿著中心進行上下方向的旋轉和左右方向的旋轉來實現位置的調整。

（2）產品B–S映射。

在問題的定義描述時，已經分析到，該運動實際上是一個沿著中心的球形運動，通過聯想類比，首先想到球。把旋轉運動向球形結構上進行映射。取球的兩條相互垂直的最大圓線，讓其中一條圓線繞球心作上下旋轉運動，另外一條作左右旋轉運動。兩條圓線間內外套裝，活動連接，因而可以有相互位置變化。外圈圓線通過活動連接定位到工作臺上。重新設計的結構模型如下圖4所示。和初始設計方案相比，上述設計很好的解決了原機械結構過于復雜的問題，在功能上完全能夠滿足需要。

圖4 球形旋轉裝置

上述方案雖然實現了要求的各項功能，相對于初始方案結構也很簡單，但是其結構形式不很美觀，占用空間較大。我們把這類問題歸結為第四類創新策略要解決的問題，選用面向載體的創新策略中的非邏輯思維法。運用非邏輯思維法中的聯想法，借助知識庫，檢索和聯想能實現類似運動的機構，發現醫院的CT機、地球儀，360度旋轉風扇（火車用）等是個很好的借鑒。由于上述設備的結構設計方法，考慮到工作臺的易用性設計了如下圖5結構。

圖5 霍爾元件安裝調整裝置

3.小結

在上述設計中，運用創新理論中策略及方法工具，迅速的解決了霍爾傳感器調節機構初步設計中機構過于復雜的問題，使用創新策略面向目的的創新中對問題的重新定義法和FBS映射法完成了機械結構初步設計。運用面向載體的創新工具–聯想法最終完成了機械結構、外形設計方案。因此，在機械產品設計中有效的運用創新工具可以輔助我們快速地完成設計任務。

參考文獻：

[1]李彥，李文強等.創新設計方法.北京：科學出版社.2012

[2]李彥，王杰，李翔龍，趙武，胡偉.創造性思維及計算機輔助產品創新設計研究[J].計算機集成制造系統-CIMS， 2003， 9（12）： 1092-1096.