基于创新理论的霍尔传感器装配装置设计

黄兆飞 邱仕安 陈勇 关文勇

摘要：霍尔传感器装配是制作高斯计的关键技术之一。本文运用创新理论中的相关知识主要是创新策略，成功的设计了一能够进行霍尔传感器装配的装置，解决了原来装配装置设计中机械结构复杂的问题，同时也验证了创新设计理论的可行性和优越性。

关键词：霍尔传感器；装配；创新理论；创新策略

引言

高斯计是磁场强度检测的重要工具。目前国内只有少数的仪器厂家生产该类型产品。高斯计制作中，霍尔元件在铜管中的安装极为关键，决定着传感器的最终精度要求。在对其进行设计的过程中，根据高斯计的功能原理及相关要求，进行了初步设计，但是由于其机械结构较为复杂，很难设计下去。本文借助创新设计理论中的一些方法和工具另辟途径，最后圆满的完成了产品的设计。

1.创新设计简介

1.1创新设计概念

创新设计是指充分发挥设计者的创造力，利用人类已有的相关科学技术成果、理论、方法等，构思创新产品概念，并进一步应用新技术、新原理和新方法进行产品的设计和分析，开发具有新颖性和实用性产品的实践活动[1]。产品创新设计的实质是发现问题、分析问题和解决问题的一系列创造性的过程，是关于“产品设计如何能满足目标市场开发的功效性要求”的创新。

1.2.创新设计的策略

创新设计过程就是设定一个特定的目标，然后找到达到该目标的合适的路径。根据设计问题类型的不同，将创新设计问题分为四类：面向问题的创新、面向目的的创新、面向产品的创新和面向载体的创新，并根据不同的类型，采用TRIZ、FBS平台、创造性模板和非逻辑思维等不同的方法实现创新，所有以上四种类型，不论采用什么创新策略，最终的创新概念产生，都需借助非逻辑思维、科学效应库和多层次网络信息搜索。图1表示了创新设计的分类（问题确定、定义和表征）以及达到该目标（问题解决）所需采用的策略。

图1 创新设计的分类及求解策略

1.2.1面向问题的创新

面向问题的创新的目标是提高现有产品或系统的性能，解决现有产品或系统中影响主要功能的问题，朝着理想化的目标前进。这类设计问题往往针对的是某种具体的技术问题，采用的策略是解决最小化问题，解决系统中的冲突，对系统仅作渐进式改进。TRIZ方法是实施策略比较好的方法。

1.2.2 面向目的的创新

面向目的的创新的目标是设计一个全新产品或系统，待设计的产品或系统在市场上可能并不存在，或者虽然存在，但是现有产品或系统的主要功能改进已达到极限。解决此类问题时，利用功能–行为–结构映射法结合科学效应、类比等方法，可以有效辅助设计人员对知识进行快速搜索，迅速产生多种解决方案，并从这些方案中选出针对该问题的最优解。

1.2.3 面向产品的创新

面向产品的创新的目标是现有产品的主要功能不作改变，着重在产品的次要功能的开发和改进。采用的策略是着眼产品本身和功能跟随形式的方法。创造性模板方法是实施此策略比较好的方法。

1.2.4 面向载体的创新

产品的主要功能和实现功能的原理是确定的，通过改变产品的外观形式，创造新的产品，主要用于满足用户文化和精神上的需求。采用的策略是非逻辑思维法，通过联想法、随机对象激励法产生新颖的设计概念。

2. 霍尔传感器装配装置设计

本文主要是基于以上理论方法设计一个霍尔传感器装配装置。在高斯计的制作中，霍尔元件的装配的原理图如下图2所示。根据功能要求，在制作磁场强度测试探头时，要将霍尔元件装入到铜管中并确保霍尔元件的感应方向和铜管的几何轴线相重合。

图2 霍尔传感器在铜管内的安装示意图

为解决上述问题，通过搜集资料和调查研究，经过课题人员讨论形成的初步设计思路如下图3所示：

图3 霍尔元件安装调整装置

上述方案是通過改变横杆的位置来实现霍尔元件方位的调整。在上图中，可以看到铜管所在横杆的两端分别向上向下运动调整霍尔元件上下边缘的高度从而实现对铜管以及霍尔元件上下方位的位置确定。该装置调整时，由于横杆的长度是固定的，当横杆的两端上下调整时，左右立杆既存在着上下运动，又存在着向中心的水平运动。若再加上霍尔元件在水平方位的调整，整个机械结构十分复杂。

下面运用创新设计理论来进行该装置的设计。由于没有找到相关的设计资料进行借鉴，对我们而言该设计是一个全新的产品设计。在选择创新理论中的求解策略时，选择面向目的的产品创新。在面向目的的创新中，要思考设计最终的目的是什么，是否有其它方法和技术可以更好地达到此目的，采用的策略是解决最大化问题和对系统的工作原理改变，解决此类问题时，利用功能–行为–结构映射法结合科学效应、类比等方法，以有效辅助对知识进行快速搜索，产生多种解决方案，并从这些方案中选出针对该问题的最优解。

重新回顾要求，我们将要设计的机构实现的主要功能描述为：调节传感器感应的方向（总功能目标）。初步方案的提出时对问题的定义为如何通过调节传感器上下、左右的位置而实现传感器位置的调整。由于在结构设计时遇到了困难，下面尝试运用创新方案生成问题的定义方法重新对问题进行定义。通过对传感器端面调整的方式进行深入分析；调整传感器端面的上下、左右边线实际上是传感器在沿着中心作两个方向的翻转运动，这个运动轨迹是一个球形，这样可以把问题定义描述为如何实现传感器在两个方向的旋转转动。有了这个定义后，思路就打开了。下面运用面向目的的创新策略中FBS映射法求解新的结构方案。

（1）产品的F–B映射：

调节传感器的方向（功能）–沿着中心上下、左右方向的旋转。

也就是说我们可以通过对传感器沿着中心进行上下方向的旋转和左右方向的旋转来实现位置的调整。

（2）产品B–S映射。

在问题的定义描述时，已经分析到，该运动实际上是一个沿着中心的球形运动，通过联想类比，首先想到球。把旋转运动向球形结构上进行映射。取球的两条相互垂直的最大圆线，让其中一条圆线绕球心作上下旋转运动，另外一条作左右旋转运动。两条圆线间内外套装，活动连接，因而可以有相互位置变化。外圈圆线通过活动连接定位到工作台上。重新设计的结构模型如下图4所示。和初始设计方案相比，上述设计很好的解决了原机械结构过于复杂的问题，在功能上完全能够满足需要。

图4 球形旋转装置

上述方案虽然实现了要求的各项功能，相对于初始方案结构也很简单，但是其结构形式不很美观，占用空间较大。我们把这类问题归结为第四类创新策略要解决的问题，选用面向载体的创新策略中的非逻辑思维法。运用非逻辑思维法中的联想法，借助知识库，检索和联想能实现类似运动的机构，发现医院的CT机、地球仪，360度旋转风扇（火车用）等是个很好的借鉴。由于上述设备的结构设计方法，考虑到工作台的易用性设计了如下图5结构。

图5 霍尔元件安装调整装置

3.小结

在上述设计中，运用创新理论中策略及方法工具，迅速的解决了霍尔传感器调节机构初步设计中机构过于复杂的问题，使用创新策略面向目的的创新中对问题的重新定义法和FBS映射法完成了机械结构初步设计。运用面向载体的创新工具–联想法最终完成了机械结构、外形设计方案。因此，在机械产品设计中有效的运用创新工具可以辅助我们快速地完成设计任务。

参考文献：

[1]李彦，李文强等.创新设计方法.北京：科学出版社.2012

[2]李彦，王杰，李翔龙，赵武，胡伟.创造性思维及计算机辅助产品创新设计研究[J].计算机集成制造系统-CIMS， 2003， 9（12）： 1092-1096.