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TRIZ 意譯為發(fā)明問題的解決理論。TRIZ 理論成功地揭示了創(chuàng)造發(fā)明的內(nèi)在規(guī)律和原理，著力于澄清和強(qiáng)調(diào)系統(tǒng)中存在的矛盾，其目標(biāo)是完全解決矛盾，獲得最終的理想解。它不是采取折中或者妥協(xié)的做法，而且它是基于技術(shù)的發(fā)展演化規(guī)律研究整個設(shè)計與開發(fā)過程，而不再是隨機(jī)的行為。實踐證明，運(yùn)用TRIZ 理論，可大大加快人們創(chuàng)造發(fā)明的進(jìn)程而且能得到高質(zhì)量的創(chuàng)新產(chǎn)品。

如圖1 所示，TRIZ 方法解決工程問題的流程是首先將待解決的問題轉(zhuǎn)化為問題模型，然后用解決方案模型，最后提出解決方案。本文通過應(yīng)用TRIZ工具解決降低脈沖超聲波檢測儀測量誤差問題。

1 描述問題

脈沖反射式超聲波探傷技術(shù)是一種應(yīng)用廣泛的常規(guī)無損檢驗方法，對于鑄造行業(yè)而言由于工件結(jié)構(gòu)、形狀復(fù)雜很難采用自動化探傷裝置，通常使用手工探傷的方式，探頭在工件表面滑動掃查過程中，檢驗員對探頭施加的壓力不穩(wěn)定導(dǎo)致缺陷定位和定量誤差較大，如何保證探頭保持恒定的壓力，降低檢測誤差成為當(dāng)務(wù)之急。

2 問題分析

2.1 功能分析

脈沖反射式超聲波檢測儀由數(shù)據(jù)線、探傷儀、外殼、晶片、耦合劑、空氣、工件等部件組成，如圖2所示。

該系統(tǒng)的工作原理：通過超聲波探頭發(fā)射超聲波，超聲波在被測工件中傳播，遇到缺陷或底面時反射，探頭接收反射波，根據(jù)反射波在熒屏上的位置和波幅高度判斷缺陷的大小和位置，通過計算超聲波在缺陷部位及工件表面之間往返一次傳播的時間來衡量缺陷在工件內(nèi)部的位置[3]。

圖2 脈沖反射式超聲波探傷系統(tǒng)

圖2 中：T1—耦合層厚度，T2—工件內(nèi)部的缺陷到工件表面的距離。

耦合層中超聲波的傳輸時間S1=2T1/C1（C1：耦合層聲速）；

工件中超聲波的傳輸時間S2=2T2/C2（C2—工件聲速）；

超聲波檢測儀顯示的工件內(nèi)部缺陷深度為T2’=（S1+S2）C2/2；

耦合層厚度引起的測量誤差為△T=T2’-T2=S1C2+S2C2-T2=S1C2/2=T1C2/C1；

綜上所述耦合層厚度T1越小，則耦合層厚度引起的測量誤差△T 越小，所以在保證耦合良好的基礎(chǔ)上，耦合層厚度越小，測量誤差越小。耦合層的厚度關(guān)鍵因素在于對探頭施加的壓力。

該系統(tǒng)的作用對象是工件，各組件之間的相互關(guān)系以及作用為：檢驗員控制外殼，外殼支撐晶片，晶片結(jié)合耦合劑，耦合劑排除空氣連接工件，相互作用如圖3 所示。實際生產(chǎn)表明，在這些相互作用中，檢驗員對外殼的控制作用不充分，耦合劑對空氣的排出作用不充分，導(dǎo)致耦合層不均勻反射波形誤差大，最終導(dǎo)致檢測誤差大。

圖3 脈沖式超聲波探傷系統(tǒng)功能模型圖

2.2 因果分析

使用脈沖式超聲波檢測儀探傷檢測過程中，應(yīng)用“因果鏈分析”工具（圖4 所示）分析，去除超系統(tǒng)組件因素（檢驗員、空氣）、不可改變原因（工件），檢測誤差大的根本原因有兩個，原因一是檢驗員對外殼施加的壓力不穩(wěn)，原因二為耦合劑粘黏度大。

3 解決問題

3.1 技術(shù)矛盾

技術(shù)矛盾是指系統(tǒng)中兩個參數(shù)之間存在相互制約，提高技術(shù)系統(tǒng)的某一參數(shù)時，導(dǎo)致了另一個參數(shù)的惡化而產(chǎn)生的[4]。

本文探討的問題中，對根本原因一“檢驗員施加外力不穩(wěn)”，提出技術(shù)矛盾如下：

技術(shù)矛盾1：如果在外殼上增加環(huán)形磁鐵，那么外殼施加力的穩(wěn)定性得到提高，但是設(shè)備系統(tǒng)變得復(fù)雜重量增加；；

技術(shù)矛盾2：如果在外殼上不增加環(huán)形磁鐵，那么設(shè)備系統(tǒng)簡單輕便，但是外殼施加壓力的穩(wěn)定性降低。

圖4 脈沖式超聲波測量誤差因果鏈分析

從上述技術(shù)矛盾中找到惡化的技術(shù)參數(shù)是1“運(yùn)動物體的重量”，改善的技術(shù)參數(shù)是13“穩(wěn)定性”。對照阿奇舒勒矛盾矩陣[5]，可以找到4 種發(fā)明原理，8 配重、1 分割、37、熱膨脹、18：機(jī)械振動”。通過對這些原理的比較，從發(fā)明原理8 中提出概念方案1：在外殼上配重使得重力達(dá)到25 N 恒定壓力。

在本文探討的問題中，對根本原因二“耦合劑黏度大”，提出技術(shù)矛盾如下：

技術(shù)矛盾1：如果增加耦合劑流動性，那么耦合層均勻性得到提高，但是空氣不易從耦合劑中排出；

技術(shù)矛盾2：如果降低耦合劑流動性，那么空氣可以完全從耦合劑中排出，但是降低了耦合層均勻性。

從上述技術(shù)矛盾中找到惡化的技術(shù)參數(shù)是30“作用與物體的有害因素”，改善的技術(shù)參數(shù)是13“穩(wěn)定性”。對照阿奇舒勒矛盾矩陣[6]，可以找到4 種發(fā)明原理，35 物理/ 化學(xué)狀態(tài)變化、24 中介物、30柔性外殼和薄膜、18 機(jī)械振動。通過對這些原理的比較，從發(fā)明原理35 中提出概念方案2：外殼增加自動可調(diào)流量的噴水系統(tǒng)稀釋耦合劑。

3.2 物理矛盾

在任何一個系統(tǒng)中，可以應(yīng)用物理矛盾進(jìn)行分析和解決任何一個問題，物理矛盾和技術(shù)矛盾相互關(guān)聯(lián)，可從技術(shù)矛盾中提出物理矛盾，轉(zhuǎn)換思維換角度思考解決方案。本文探討的問題中，針對根本原因一“外殼施加壓力不穩(wěn)定”，提出物理矛盾如下：

物理矛盾1：為了提高反射波穩(wěn)定性需增大外殼施加壓力；

物理矛盾2：為了減小晶片磨損提高設(shè)備可靠性，需要減小壓力。

本文針對外殼施加壓力不穩(wěn)定，提出相反要求的物理矛盾，應(yīng)用解決方案“條件分離法”選擇相應(yīng)的發(fā)明原理替代法27 提出概念方案3：用新型密度大的材料制造壓電晶片代替外殼施加恒定壓力；選擇發(fā)明原理性能轉(zhuǎn)換法35 提出概念方案4：在探頭外殼上增加磁鐵，利用磁鐵與磁性材料的特性，通過磁力給探頭外殼與工件間施加25N 恒定壓力。

針對根本原因“耦合劑黏度過高”，提出物理矛盾如下：

物理矛盾1：為了提高耦合層均勻性，需要增大耦合劑的流動性；

物理矛盾2：為了使空氣完全從耦合劑中排出，需要降低耦合劑的流動性。

本文針對耦合劑黏度過高，提出了要求相反的物理矛盾，應(yīng)用解決方案“系統(tǒng)級別分離法”選擇對應(yīng)的發(fā)明原理系統(tǒng)替代法28 提出概念方案5：改變耦合劑用水做耦合介質(zhì)；選擇發(fā)明原理40 復(fù)合材料法提出概念方案6：耦合劑中增加可以自振動的材料使空氣完全排出。

3.3 物場模型

阿奇舒勒通過對功能的研究，發(fā)現(xiàn)并總結(jié)出技術(shù)系統(tǒng)中最小的單元是物場模型，由兩種物質(zhì)以及他們之間的相互作用量組成，輸出功能。物質(zhì)S2 通過能量F 作用于物質(zhì)S1 產(chǎn)生的輸出（功能）[2]，如圖5 所示。

物場模型解決功能不足時，一般提供3 種標(biāo)準(zhǔn)解法：

1）增加另外一個場F2來強(qiáng)化有用的效應(yīng)，

2）插進(jìn)一個物質(zhì)S3 并加上另一個場F2來提高有用效應(yīng)[2]，

3）增加另外一個場F2（或者F2和S3 一起）替代原來的場F1（或者F1及S2）.

圖5 物場模型

本文探討的問題中，用物場模型進(jìn)行分析晶片對工件的施加力不穩(wěn)定建立物場模型1 如圖6 所示，檢驗員（人）通過機(jī)械場對外殼有施加外力的作用，但作用不充分。依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)解法的應(yīng)用準(zhǔn)則選擇第二級改變系統(tǒng)中S2 使用更可控的場，提出概念方案7：在外殼上增加可設(shè)定力的機(jī)械手，使外殼和工件間的壓力恒定。

圖6 物場模型1

在本文研究的問題中，用物場模型進(jìn)行分析空氣不能從耦合劑中完全排出問題，構(gòu)建物場模型2如圖7 所示，耦合劑通過機(jī)械場對空氣的擠壓的作用不充分。依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)解法的應(yīng)用準(zhǔn)則選擇第二級改變系統(tǒng)中S2 匹配組成物場模型中的場與物質(zhì)元素的節(jié)奏，提出概念方案8：在耦合劑中增加活性元素產(chǎn)生增強(qiáng)耦合劑對空氣的壓力使得空氣完全排出。

圖7 物場模型2

3.4 方案評價

從消除矛盾、產(chǎn)生新的危害、投入成本、復(fù)雜性以及可行性5 個方面對以上解決方案進(jìn)行評價，通過0/1/2 三個等級分值越大越有利于消除矛盾、產(chǎn)生的新危害越小的原則，對5 種解決方案進(jìn)行優(yōu)先級排序。如表1 所示，得分最高的方案4 為優(yōu)選方案。

采用概念方案4，設(shè)置如圖8 超聲波檢測儀輔助裝置，包括超聲波檢測儀、探頭外殼、環(huán)形磁鐵；螺孔、固定螺栓，對脈沖超聲波檢測儀系統(tǒng)設(shè)備進(jìn)行改進(jìn)，解決了檢驗人員對探頭施加壓力不穩(wěn)定的問題。

4 結(jié)論

本文通過應(yīng)用TRIZ 分析工具探尋降低脈沖超聲波測量誤差最優(yōu)解決方案，在探頭外殼上增加環(huán)形磁鐵，利用磁鐵與磁性材料的特性，通過磁力給探頭外殼與工件間施加25N 恒定壓力解決實際檢驗時對探頭施加壓力無法控制的難題，使得檢驗更加規(guī)范化、標(biāo)注化，減少了因耦合層不均勻帶來的測量誤差，同時降低了勞動強(qiáng)度，提高設(shè)備可靠性。

表1 方案評價表

圖8 超聲波檢測儀輔助裝置