固態(tài)微風(fēng)傳感器輔助測(cè)試裝置設(shè)計(jì)

鄧霖邦 姜爽

開發(fā)研制產(chǎn)品中所使用的測(cè)試輔助裝置一般不為產(chǎn)品使用者所關(guān)注，也經(jīng)常被產(chǎn)品設(shè)計(jì)開發(fā)者所忽視。由于一些產(chǎn)品生產(chǎn)中，重復(fù)性測(cè)試、調(diào)試會(huì)影響產(chǎn)品性能指標(biāo)，重視產(chǎn)品測(cè)試輔助裝置的設(shè)計(jì)與制作工作往往會(huì)使得整個(gè)產(chǎn)品研制生產(chǎn)效率大幅度提高。

筆者在社會(huì)實(shí)習(xí)中曾參與一項(xiàng)稱作固態(tài)微風(fēng)傳感器的后期開發(fā)工作，主要工作是對(duì)每件產(chǎn)品進(jìn)行指標(biāo)測(cè)試，部分產(chǎn)品則需要根據(jù)測(cè)試情況進(jìn)行調(diào)試或參數(shù)修正。這是該產(chǎn)品封裝出廠前最后一個(gè)可以修改軟件代碼的階段。因此這個(gè)階段的工作直接影響這種微風(fēng)傳感器測(cè)量精度這項(xiàng)最關(guān)鍵的性能指標(biāo)。測(cè)試過程要對(duì)多個(gè)不同的風(fēng)速點(diǎn)進(jìn)行八個(gè)角度測(cè)試。因?yàn)槲L(fēng)傳感器是在小型風(fēng)洞中測(cè)試，每次調(diào)整風(fēng)速點(diǎn)和角度都需要停止風(fēng)洞并打開風(fēng)洞窗口將傳感器轉(zhuǎn)動(dòng)到相應(yīng)的角度后啟動(dòng)風(fēng)洞，等風(fēng)洞中的風(fēng)速穩(wěn)定在一定的風(fēng)速點(diǎn)時(shí)才能讀數(shù)。這是一項(xiàng)既費(fèi)時(shí)又繁瑣且重復(fù)性強(qiáng)的工作，測(cè)完一個(gè)傳感器往往需要一整天的時(shí)間。筆者經(jīng)過幾天測(cè)試工作，理解到測(cè)試工作的主要關(guān)鍵點(diǎn)后，想到應(yīng)該設(shè)計(jì)一種輔助裝置來簡化測(cè)試工作。

這個(gè)傳感器測(cè)試輔助裝置采用巧妙的多重套筒結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，使用這個(gè)測(cè)試輔助裝置可以在風(fēng)洞外面變換傳感器的角度，不用打開風(fēng)洞窗口和啟停風(fēng)洞，同時(shí)避免了原來手動(dòng)調(diào)整角度而導(dǎo)致微風(fēng)傳感器位置漂移影響測(cè)試結(jié)果的情況，而且這樣一天下來能測(cè)出6-7只傳感器，測(cè)試工作效率得到成倍提高。

一、 背景分析及設(shè)計(jì)構(gòu)思

（一） 設(shè)計(jì)背景分析

本文不是關(guān)于固態(tài)微風(fēng)傳感器設(shè)計(jì)而是其測(cè)試輔助裝置的設(shè)計(jì)，但本測(cè)試輔助裝置是為保障傳感器的生產(chǎn)質(zhì)量及提高測(cè)試效率而提出和展開的設(shè)計(jì)。所以需要對(duì)固態(tài)微風(fēng)傳感器相關(guān)原理及生產(chǎn)調(diào)試做簡要說明。

本文所涉及的固態(tài)微風(fēng)傳感器相對(duì)于傳統(tǒng)風(fēng)輪機(jī)械式測(cè)風(fēng)傳感器而言，是一種新型可編程嵌入式電子測(cè)風(fēng)傳感器。可進(jìn)行風(fēng)、溫、壓等多種氣象環(huán)境數(shù)據(jù)采集、處理和傳送，能在較為惡劣環(huán)境條件下自動(dòng)工作。由于優(yōu)化的感風(fēng)結(jié)構(gòu)及多要素采集軟件優(yōu)化，其靈敏度、測(cè)試精度較傳統(tǒng)機(jī)械式風(fēng)輪測(cè)風(fēng)傳感器有顯著的優(yōu)勢(shì)，使用全固態(tài)感風(fēng)技術(shù)解決了微風(fēng)段啟動(dòng)風(fēng)點(diǎn)及瞬時(shí)測(cè)量問題，克服了小風(fēng)段測(cè)量中湍流干擾等問題。全固態(tài)感風(fēng)技術(shù)的核心是利用先進(jìn)的固態(tài)微壓傳感器自動(dòng)測(cè)量兩個(gè)正交方向（如移動(dòng)武器平臺(tái)及彈道氣象諸元的橫風(fēng)和縱風(fēng)）與風(fēng)速成比例的電壓信號(hào)，通過專用的數(shù)字化技術(shù)處理后，形成兩個(gè)正交方向的數(shù)字化風(fēng)向、風(fēng)速信號(hào)輸出。固態(tài)微風(fēng)傳感器外形為圓柱形結(jié)構(gòu)（參見圖1-1），頂部呈圓弧形，底部設(shè)有固定螺孔。圓柱體自上而下分三部分，上部為測(cè)風(fēng)微壓感應(yīng)模塊，主要由分布在圓柱體壁上4組微壓感應(yīng)孔組成；內(nèi)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(gè)固態(tài)微壓傳感器，數(shù)據(jù)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(shè)計(jì)相關(guān)的部位是上部測(cè)風(fēng)感應(yīng)孔分兩層共2×12個(gè)，分別沿兩個(gè)圓周均勻分布于圓柱體外立面上，每2×3個(gè)感應(yīng)孔組合與一個(gè)微壓感應(yīng)面相通；上下部的壓力感應(yīng)孔共24個(gè)，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(fēng)洞中對(duì)這些感應(yīng)口進(jìn)行校準(zhǔn)性測(cè)試。方法是把傳感器從風(fēng)洞的窗口伸入風(fēng)洞并用膠帶固定在內(nèi)部的鐵棍上，傳感器底部有USB口連接的數(shù)據(jù)線通過風(fēng)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(gè)劃分為8個(gè)位置對(duì)迎向風(fēng)吹的方向，旋轉(zhuǎn)測(cè)量與風(fēng)洞的標(biāo)準(zhǔn)值對(duì)比。一圈360°分別對(duì)應(yīng)0°、45°、90°、135°、180°、225°、270°、315°的位置。每個(gè)位置都要將風(fēng)洞內(nèi)風(fēng)速分別設(shè)置為1m/s、3m/s、8m/s、10m/s、20m/s。待風(fēng)速值達(dá)到測(cè)試點(diǎn)后穩(wěn)定1min，開始讀數(shù)分別記錄風(fēng)洞標(biāo)準(zhǔn)器與傳感器示值數(shù)據(jù)，根據(jù)數(shù)據(jù)對(duì)比了解傳感器測(cè)試性能，并做必要的軟件參數(shù)調(diào)整。

如上所述，每個(gè)角度需要測(cè)試過5個(gè)風(fēng)速點(diǎn)后，需要關(guān)閉風(fēng)洞打開風(fēng)洞上的窗口將傳感器旋轉(zhuǎn)45°后用膠帶固定關(guān)閉風(fēng)洞窗口再啟動(dòng)風(fēng)洞。筆者按這樣的步驟測(cè)試后發(fā)現(xiàn)如下問題：

1、每次調(diào)整一次角度都需要啟停風(fēng)洞待風(fēng)速穩(wěn)定后讀數(shù)，比較耗時(shí)。

2、每次按照目測(cè)刻度調(diào)整角度，角度不均勻，傳感器的感風(fēng)口無法準(zhǔn)確對(duì)準(zhǔn)風(fēng)向（盡管這不會(huì)很大程度影響測(cè)試結(jié)果，但也不是理想情況）。

3、手動(dòng)旋轉(zhuǎn)并用膠帶固定傳感器，會(huì)影響傳感器水平或上下位置的一致性。

4、頻繁打開風(fēng)洞窗口，偶或窗口管不嚴(yán)。

筆者主要針對(duì)上述問題為改善測(cè)試效果提高測(cè)試效率，提出了設(shè)計(jì)一個(gè)測(cè)試輔助裝置的構(gòu)想（這類裝置在工業(yè)制造領(lǐng)域有時(shí)稱為工裝，因此本文有些地方把測(cè)試輔助裝置簡稱工裝），就是通過一種機(jī)械機(jī)構(gòu)來替代目前每次旋轉(zhuǎn)角度都要進(jìn)入風(fēng)洞調(diào)整傳感器的測(cè)試方式。

（二） 測(cè)試輔助裝置設(shè)計(jì)構(gòu)思

1、基本思路

筆者希望能設(shè)計(jì)一個(gè)測(cè)試輔助裝置使得轉(zhuǎn)換角度時(shí)能在風(fēng)洞外面進(jìn)行，不用每次都啟停風(fēng)洞及打開風(fēng)洞窗口。用一個(gè)能固定傳感器的裝置，該裝置能從風(fēng)洞下面的伸出一截以便在風(fēng)洞外面帶著傳感器旋轉(zhuǎn)。該裝置每間隔45°位置可以相對(duì)固定用于測(cè)量讀數(shù)。因需要帶動(dòng)里面部分結(jié)構(gòu)旋轉(zhuǎn)，整體又要固定在風(fēng)洞外壁上，所以采用多重套筒結(jié)構(gòu)。

2、測(cè)試輔助裝置的組成

為了實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)，筆者將測(cè)試輔助裝置設(shè)計(jì)成3個(gè)功能單元組成（見圖1-3新測(cè)試示意圖）：

放置固態(tài)微風(fēng)傳感的套管（圖1-3中藍(lán)色實(shí)線部分），套管下面有較長的細(xì)管，這部分細(xì)管伸出風(fēng)洞外面用于旋轉(zhuǎn)操作；開有8個(gè)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(shí)線部分）。

二、 設(shè)計(jì)內(nèi)容及實(shí)施方法

（一） 測(cè)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(nèi)設(shè)有環(huán)形平臺(tái)，此平臺(tái)的外徑大于微風(fēng)傳感器的外徑。下部分有細(xì)管伸出風(fēng)洞的外部，可用于旋轉(zhuǎn)。細(xì)管中通部分用于傳感器底部的信號(hào)線由此穿過，此信號(hào)線與筆記本電腦通訊用。被測(cè)傳感器放置在此圓通內(nèi)環(huán)形平臺(tái)上，圓筒壁上設(shè)有螺絲口，可用平頭螺釘穿過螺絲口使得微風(fēng)傳感器固定。圓筒靠近底部與細(xì)管結(jié)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(zhuǎn)定位。

2、 固定盤

固定盤（見2-2 固定盤結(jié)構(gòu)示意圖）也是中間開口，底部連著通管，上面介紹的套管的細(xì)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(jié)構(gòu)。固定盤的上面開一個(gè)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(shí)也是伸出風(fēng)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(fēng)洞的外壁，實(shí)現(xiàn)整個(gè)裝置固定。

3、 底盤

此底盤僅起到一個(gè)固定作用，類似經(jīng)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(fēng)洞外側(cè)一樣的曲率。擰緊螺絲后可以與風(fēng)洞外壁貼緊。

4、 整體配合實(shí)施

為了更清楚、完整地說明本設(shè)計(jì)方案，下面將結(jié)合整體結(jié)構(gòu)示意圖作說明。

本設(shè)計(jì)是關(guān)于一種微風(fēng)傳感器測(cè)試輔助裝置，如上圖設(shè)計(jì)了套管1，套管1的上方放置被測(cè)量的微風(fēng)傳感器4，套管1上設(shè)計(jì)有梯形外凸5，而固定盤2上設(shè)計(jì)有梯形凹槽6，兩個(gè)做很好的配合。同時(shí)套管1的下方設(shè)有細(xì)管10，固定盤2的下方也設(shè)有通管，該通管連接有底盤3，并穿過底盤3上設(shè)有的圓孔7和套管1下部的細(xì)管10穿過此通管，這樣整體從上到下是一個(gè)通口式設(shè)計(jì)，傳感器底部出來的USB信號(hào)線由此穿過。

（二） 設(shè)計(jì)關(guān)鍵點(diǎn)及結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析

在構(gòu)思及設(shè)計(jì)過程中，需要完成幾個(gè)技術(shù)突破、設(shè)計(jì)優(yōu)化工作，以下結(jié)合上節(jié)中圖2-4和圖2-5，按上下順序摘選闡述。

本設(shè)計(jì)所述的套管1頂部的內(nèi)側(cè)切薄一層3毫米的壁厚，在套管內(nèi)側(cè)形成一圈平臺(tái)9，可以放置外徑小于套管1內(nèi)經(jīng)的微風(fēng)傳感器4，微風(fēng)傳感器下部放置在裝置套管內(nèi)，上面24個(gè)感風(fēng)口暴露在套管外面；這樣的結(jié)構(gòu)既能解決傳感器放置問題，且在內(nèi)部形成通管結(jié)構(gòu)，也解決了內(nèi)部走信號(hào)線問題。但出現(xiàn)的問題是傳感器的尺寸如果比套管的尺寸小的太多，微風(fēng)傳感器4會(huì)在里面晃動(dòng)，有可能不會(huì)很好地跟隨套管旋轉(zhuǎn)。如果利用尺寸正負(fù)公差則配合太緊，不僅影響放置也會(huì)由于摩擦，在傳感器外表留下劃痕等問題。后經(jīng)筆者反復(fù)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(yán)格了。實(shí)施辦法是在套管1上面放置微風(fēng)傳感器4重疊部分的管壁上開設(shè)內(nèi)螺絲口8，并配有平頭螺釘，放置微風(fēng)傳感器后，扭入平頭螺釘可以頂住微風(fēng)傳感器4，這樣微風(fēng)傳感器4需要旋轉(zhuǎn)更換測(cè)試位置時(shí)就可以跟隨套管1轉(zhuǎn)動(dòng)。

同樣套管1上的梯形凸結(jié)構(gòu)及固定盤2上8個(gè)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(fēng)洞外邊通過細(xì)管10旋轉(zhuǎn)套管1帶著傳感器4來調(diào)整測(cè)試位置，過緊則不容易定位或定錯(cuò)位置，過松則會(huì)晃動(dòng)。最后分別把套管1上的凸結(jié)構(gòu)和固定盤2上的凹槽設(shè)計(jì)成正梯形和倒梯形，問題得到完好解決。

本設(shè)計(jì)中套管1上半部帶著被測(cè)微風(fēng)傳感器4和固定盤2上半部是在風(fēng)洞內(nèi)部，套管1的細(xì)管10部分和固定盤2下半部帶螺紋的通管及底盤均設(shè)計(jì)在風(fēng)洞外部；測(cè)試工作時(shí)，可以旋轉(zhuǎn)風(fēng)洞外部的套管下半部分的細(xì)管10帶動(dòng)安裝在該套管1上面的微風(fēng)傳感器4能分別測(cè)試傳感器8個(gè)不同位置進(jìn)風(fēng)口的風(fēng)量。固定盤2下部設(shè)計(jì)一個(gè)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(fēng)洞的外壁，整個(gè)測(cè)試裝置可以穩(wěn)定不動(dòng)，只有測(cè)試裝置最下面伸出較細(xì)的管提起后整體可以轉(zhuǎn)動(dòng)到每個(gè)梯形槽的位置。

此外，為盡量避免結(jié)構(gòu)對(duì)小型風(fēng)洞環(huán)境影響，避免雜風(fēng)干擾將固定盤2下面設(shè)計(jì)成與風(fēng)洞內(nèi)壁同樣曲率的圓弧形，可以使其嚴(yán)絲合縫地貼緊風(fēng)洞內(nèi)表面，同理也將底盤3的上表面也設(shè)計(jì)成與風(fēng)洞下壁外表面相同曲率的弧形結(jié)構(gòu)。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(jié)語

本設(shè)計(jì)的加工完成及在生產(chǎn)調(diào)試中反復(fù)應(yīng)用表明，該測(cè)試輔助裝置多重套筒結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)很巧妙地將微風(fēng)傳感器固定在密閉在小型風(fēng)洞中，并在風(fēng)洞外部操作使其旋轉(zhuǎn)，將微風(fēng)傳感器在360°范圍內(nèi)分別定位成8個(gè)位置進(jìn)行測(cè)量，這部分測(cè)試工作是微風(fēng)傳感器調(diào)試、生產(chǎn)過程中非常重要的環(huán)節(jié)。對(duì)于提高產(chǎn)品質(zhì)量、降低次品率，提高產(chǎn)品生產(chǎn)效率等均可取得顯著的效果。同時(shí)，以此研究為基礎(chǔ)可進(jìn)一步開展能結(jié)合電動(dòng)裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并與計(jì)算機(jī)相連而進(jìn)行程序化采集與控制，最終可實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品批量生產(chǎn)線上的全智能生產(chǎn)制造。

測(cè)試輔助裝置屬于生產(chǎn)工藝設(shè)計(jì)范疇，因其直接影響產(chǎn)品質(zhì)量及生產(chǎn)效率而應(yīng)得到足夠的重視，在有些場(chǎng)合其設(shè)計(jì)加工復(fù)雜程度可能會(huì)超過產(chǎn)品本身，這時(shí)更不能忽視其技術(shù)和資金投入。在生產(chǎn)線上，產(chǎn)品大規(guī)模批量生產(chǎn)中，工裝的設(shè)計(jì)和使用會(huì)直接影響最終產(chǎn)品在激烈市場(chǎng)中的競(jìng)爭力。