0 引言
電(dian)磁流量(liang)計
基于(yu)電磁感(gan)應原理(li)，利用導(dao)電流體(ti)經過電(dian)磁外加(jia)磁場🔞時(shi)産生✂️電(dian)動勢來(lai)測量導(dao)電流體(ti)的流量(liang)。電磁流(liu)量計是(shi)♈一種常(chang)見的檢(jian)測流量(liang)的傳感(gan)器，具有(you)成本低(di)、測量範(fan)圍🆚大和(he)精度高(gao)等優點(dian)，因此在(zai)工業領(ling)域應用(yong)廣👨❤️👨泛。
自(zi)動檢測(ce)與轉換(huan)技術課(ke)ｆｅ專業頭(tou)踐性強(qiang)，因此在(zai)教學過(guo)☁️程中要(yao)求理論(lun)與實踐(jian)結合。課(ke)堂教學(xue)教師想(xiang)攜帶實(shi)物✌️但礙(ai)于傳感(gan)器體積(ji)笨重，想(xiang)讓學生(sheng)親眼看(kan)到内部(bu)結構但(dan)現場拆(chai)解耽誤(wu)時間影(ying)響教學(xue)，導緻了(le)學生隻(zhi)聽原理(li)不見實(shi)物造成(cheng)學習興(xing)趣差效(xiao)⭐率低的(de)現象發(fa)生。當前(qian)課堂講(jiang)解的方(fang)式主要(yao)有兩種(zhong)：（１）教師口(kou)述；（２）Ｆｌａｓｈ動畫(hua)演示并(bing)結合講(jiang)解。口述(shu)相對抽(chou)象，印象(xiang)不深刻(ke)，記憶效(xiao)果差。動(dong)畫演示(shi)🔞，便于理(li)解原理(li)👈，但✍️和實(shi)際偏差(cha)大。
針對(dui)上述問(wen)題，通過(guo)采用三(san)維可視(shi)化技術(shu)，以電磁(ci)🛀流量計(ji)🌈爲研⛷️究(jiu)對象，設(she)計了畫(hua)面逼真(zhen)、聲音清(qing)晰和使(shi)用簡便(bian)的電磁(ci)流量計(ji)🈲三維仿(pang)真系統(tong)。
１系統開(kai)發軟件(jian)
1.1建模軟(ruan)件
３ＤＳＭａｘ具有(you)對ＰＣ配置(zhi)要求低(di)，安裝插(cha)件方便(bian)，角色動(dong)畫制作(zuo)☁️能力強(qiang)和建模(mo)步驟可(ke)堆疊的(de)優點，因(yin)此選擇(ze)３ＤｓＭａｘ作爲⛱️建(jian)模工具(ju)。建模是(shi)三維可(ke)視的第(di)一步，模(mo)型的好(hao)壞直接(jie)影💰響最(zui)終的表(biao)現效果(guo)。爲保證(zheng)模型的(de)精度和(he)正确率(lü)，在📐建模(mo)時應注(zhu)意：①保持(chi)模型的(de)尺📧寸應(ying)與電磁(ci)流量計(ji)的實際(ji)尺寸一(yi)緻；②保持(chi)模型🏃♂️的(de)基點與(yu)３ＤＭａｘ場景中(zhong)的中心(xin)💋一緻；③模(mo)型應抓(zhua)住電磁(ci)流量計(ji)的主體(ti)輪廓，盡(jin)可能減(jian)少面數(shu)，以💋減少(shao)計算📐數(shu)據量。
1.2視(shi)頻編輯(ji)軟件
ＡｄｏｂｅＰｒｅｍｉｅｒｅ是(shi)一款專(zhuan)業非線(xian)性視頻(pin)編輯軟(ruan)件，操作(zuo)簡便，特(te)技衆多(duo)，廣泛用(yong)于廣告(gao)制作、影(ying)視剪輯(ji)和動畫(hua)制作等(deng)🏃♂️領域🔞，具(ju)有📐良好(hao)的兼容(rong)性，可以(yi)和Ａｄｏｂｅ推出(chu)的其他(ta)軟件配(pei)合使🥵用(yong)［３］。爲保證(zheng)視頻編(bian)輯質量(liang)，在編輯(ji)時應注(zhu)意：①選擇(ze)合适的(de)編輯軟(ruan)件；②盡量(liang)搜集足(zu)夠的素(su)材；③少使(shi)用長鏡(jing)頭，切㊙️換(huan)鏡頭間(jian)隔💋１５ｓ左右(you)；④注意保(bao)存的尺(chi)寸和🔞格(ge)式。
１．３輔助(zhu)軟件
模(mo)型制作(zuo)需要貼(tie)圖，圖片(pian)來源于(yu)現場拍(pai)攝，但是(shi)受限于(yu)☔時間和(he)光照等(deng)因素的(de)影響，在(zai)貼圖之(zhi)前需要(yao)對閣像(xiang)進行光(guang)照、色度(du)調整，同(tong)時取景(jing)時摻雜(za)地面⁉️和(he)試驗台(tai)背景等(deng)因素，需(xu)要利用(yong)“仿制圖(tu)章”工具(ju)進行修(xiu)複。ＡｄｏｂｅＰｈｏｔｏｓｈｏｐ是一(yi)款專業(ye)的圖像(xiang)處理軟(ruan)件，功能(neng)強大，廣(guang)泛應用(yong)于平🔴面(mian)設計、廣(guang)告⛹🏻♀️制作(zuo)、網頁制(zhi)作和處(chu)理三維(wei)貼圖等(deng)領域。
２系(xi)統總體(ti)設計
維(wei)仿真系(xi)統由模(mo)型制作(zuo)和動畫(hua)合成兩(liang)部分組(zu)成。模型(xing)制作包(bao)括建模(mo)、材質貼(tie)圖、燈光(guang)攝影機(ji)、關鍵幀(zhen)動畫和(he)渲染。動(dong)🙇♀️畫合成(cheng)包括腳(jiao)本和字(zi)幕。系統(tong)設計流(liu)程如✂️圖(tu)１所示。
（１）模(mo)型制作(zuo)。①建模是(shi)三維可(ke)視化的(de)第一步(bu)，模型的(de)好壞直(zhi)㊙️接影響(xiang)最終的(de)表現效(xiao)果。常用(yong)的建模(mo)方法有(you)🌂多邊形(xing)建🔞模、ＮＵＲＢＳ建(jian)📐模、複合(he)對象建(jian)模和網(wang)格建模(mo)等。多邊(bian)形建模(mo)是将對(dui)象轉化(hua)成可編(bian)輯的多(duo)邊形通(tong)過對該(gai)多邊形(xing)對象的(de)🔱多個子(zi)對象進(jin)行編輯(ji)和修改(gai)🏃♀️來實現(xian)。ＮＵＫＢＳ建模，也(ye)稱曲線(xian)建模，在(zai)制作樣(yang)💋條線時(shi)可使用(yong)ＮＵＲＢＳ曲線，通(tong)過Ｌａｔｈｅ（車削(xue)）等修改(gai)器生☂️成(cheng)
基于ＮＵＲＢＳ曲(qu)線的３Ｄ曲(qu)面７。網格(ge)建模法(fa)采用“網(wang)格修改(gai)器”在🐆頂(ding)點、邊🔞、面(mian)三種子(zi)對象層(ceng)級上編(bian)輯物體(ti)。在建模(mo)的過程(cheng)中，往往(wang)針對同(tong)一個對(dui)象根據(ju)實際操(cao)作的需(xu)👈要采用(yong)多種建(jian)模方法(fa)👨❤️👨來創建(jian)模型。模(mo)型能夠(gou)表現物(wu)體的外(wai)觀，但不(bu)能展示(shi)物體的(de)表面效(xiao)果。②材質(zhi)和貼圖(tu)能夠表(biao)現物體(ti)的表面(mian)紋理。常(chang)見的貼(tie)圖方法(fa)有位圖(tu)貼圖💘、噪(zao)波貼圖(tu)和棋盤(pan)🌈格貼圖(tu)等。實際(ji)的貼圖(tu)之後還(hai)需要對(dui)圖片的(de)參數進(jin)行設置(zhi)，同時需(xu)要用到(dao)ＵＶＷ貼圖坐(zuo)标修改(gai)器修改(gai)貼圖的(de)位置☎️和(he)形态等(deng)。③燈光可(ke)以💔烘托(tuo)場景氣(qi)氛，使場(chang)景更加(jia)逼真。場(chang)景攝影(ying)機提供(gong)用戶自(zi)💛定義視(shi)角，通過(guo)攝影機(ji)來全方(fang)位的觀(guan)察對象(xiang)。④關鍵幀(zhen)動畫。３丨(shu)）ｓＭａｘ中的動(dong)畫主要(yao)有關鍵(jian)幀動両(liang)、運動學(xue)、粒子動(dong)畫和ｒｅａｃｔｏｒ動(dong)力學４種(zhong)類型，關(guan)鍵幀動(dong)＿是最基(ji)本的動(dong)畫類型(xing)。⑤渲染是(shi)㊙️将三維(wei)場景轉(zhuan)化㊙️爲二(er)維圖像(xiang)來對場(chang)景中的(de)各種效(xiao)果進行(hang)輸出。
（２）動(dong)畫合成(cheng)。①編寫文(wen)字腳本(ben)，然後采(cai)用軟件(jian)ＣｏｏｌＥｄｉｔ制作音(yin)頻。②字幕(mu)🌈是将語(yu)音内容(rong)以文字(zi)的形式(shi)顯示，幫(bang)助觀衆(zhong)理解☁️内(nei)容。
３系統(tong)開發過(guo)程
３．１模型(xing)制作
模(mo)型制作(zuo)。建模是(shi)模型制(zhi)作第一(yi)個環節(jie)，三維場(chang)景中所(suo)有要表(biao)現的内(nei)容都要(yao)靠模型(xing)來體現(xian)，模型的(de)精确與(yu)否直接(jie)影響到(dao)最終的(de)表現結(jie)果是否(fou)準确。在(zai)建模之(zhi)前要先(xian)分析建(jian)模對象(xiang)，電磁流(liu)量計外(wai)殼主要(yao)由圓柱(zhu)和長方(fang)體構成(cheng)，采用多(duo)邊形建(jian)模法較(jiao)好。以螺(luo)栓模型(xing)爲例，首(shou)先創建(jian)一個圓(yuan)柱在修(xiu)改器面(mian)闆裏設(she)置高度(du)、半徑，然(ran)後圖形(xing)中選擇(ze)樣條線(xian)找到多(duo)邊形，設(she)置多邊(bian)形的邊(bian)數爲６，半(ban)徑大于(yu)圓柱的(de)半徑，将(jiang)多邊形(xing)轉化爲(wei)可編輯(ji)的多邊(bian)形，在修(xiu)改器列(lie)表中找(zhao)到擠出(chu)設置參(can)數爲封(feng)口類型(xing)勾選始(shi)端末端(duan)變形，輸(shu)出勾選(xuan)網格。将(jiang)平面六(liu)邊行轉(zhuan)化爲可(ke)編輯的(de)網格，在(zai)修改器(qi)列表中(zhong)選擇選(xuan)擇面擠(ji)出。将做(zuo)好的六(liu)面體與(yu)圓柱進(jin)行在XY軸(zhou)平面内(nei)對齊，在(zai)左視圖(tu)中調整(zheng)六面體(ti)和圓柱(zhu)上表面(mian)的位置(zhi)，然後在(zai)命令面(mian)闆中樣(yang)條線菜(cai)單下選(xuan)擇螺旋(xuan)線色設(she)置半徑(jing)１和半徑(jing)２的大小(xiao)、螺旋線(xian)的高度(du)、圈數和(he)偏移量(liang)，做好後(hou)将其繞(rao)在圓柱(zhu)的周圍(wei)代表螺(luo)栓的螺(luo)紋。最後(hou)将圓柱(zhu)體、六邊(bian)體和螺(luo)旋線打(da)成組命(ming)名爲螺(luo)栓，其餘(yu)的四個(ge)相同的(de)螺栓直(zhi)接通過(guo)複制粘(zhan)貼即可(ke)。制作好(hao)的電磁(ci)流量計(ji)外殼模(mo)型如圖(tu)２所示。
現場拍(pai)攝的銘(ming)牌照片(pian)受限于(yu)拍攝角(jiao)度和環(huan)境摻🐇雜(za)實驗台(tai)⁉️和健，麵(mian)之前雜(za)雜進行(hang)賴Ｐｈｏｔｏｓｈｏｐ軟件(jian)中的裁(cai)剪工具(ju)和仿制(zhi)圖章工(gong)🔱具進行(hang)修複，然(ran)後在命(ming)令闆中(zhong)調整圖(tu)像的亮(liang)度/對比(bi)度、色階(jie)和色彩(cai)平衡，出(chu)禮完成(cheng)後保存(cun)爲JPG格式(shi)以備貼(tie)圖。處理(li)前後的(de)圖像對(dui)比😄圖見(jian)圖３。貼圖(tu)⛹🏻♀️，首先将(jiang)對像轉(zhuan)化爲可(ke)編輯的(de)多邊形(xing)，選擇可(ke)編輯🐅多(duo)邊形狀(zhuang)态下選(xuan)擇編輯(ji)層級爲(wei)⭐多邊形(xing)，然後選(xuan)💛定貼圖(tu)的面，在(zai)修改器(qi)卷🍉展欄(lan)下選擇(ze)UV坐标最(zui)後選擇(ze)UVW貼圖。打(da)☔開材質(zhi)編輯器(qi)找到貼(tie)圖将貼(tie)圖賦予(yu)材質球(qiu)，然後将(jiang)材質球(qiu)指定給(gei)選定對(dui)📐象。初⛷️步(bu)貼圖後(hou)是不精(jing)确的，此(ci)🚶♀️時需要(yao)使用UVW貼(tie)圖坐标(biao)修改器(qi)修改貼(tie)圖的位(wei)置和貼(tie)圖的大(da)小。
燈光可(ke)以照亮(liang)場景，使(shi)場景中(zhong)的對象(xiang)産生陰(yin)影。爲🐅了(le)使表難(nan)效果更(geng)加真實(shi)，需要給(gei)場景添(tian)加燈光(guang)。使㊙️用攝(she)影棚機(ji)優點是(shi)可以擺(bai)放在場(chang)景中任(ren)意位置(zhi)，給用戶(hu)提供自(zi)定義的(de)視角。在(zai)制作關(guan)鍵頓動(dong)畫時，采(cai)用目标(biao)🐅攝像機(ji)由遠及(ji)近來觀(guan)察電磁(ci)流量計(ji)。爲了全(quan)方位的(de)觀察電(dian)磁流量(liang)計的外(wai)觀🔞，需要(yao)在透視(shi)窗口下(xia)創建一(yi)架“自由(you)攝像機(ji)👌”。
關鍵喊(han)動畫就(jiu)是指制(zhi)作出幾(ji)個關鍵(jian)時間短(duan)的場景(jing)，然後🌍中(zhong)間的動(dong)畫由計(ji)算機來(lai)完成。在(zai)制作電(dian)磁👨❤️👨流量(liang)計三🚩維(wei)動👅畫的(de)過程中(zhong)，要注意(yi)物體和(he)攝像機(ji)不能同(tong)時移動(dong)♉，否則輸(shu)出的序(xu)列幀中(zhong)會産生(sheng)“抖動”現(xian)象。
在３ＤｓＭａｘ中(zhong)完成的(de)場景稱(cheng)爲工程(cheng)文件，隻(zhi)有對場(chang)景進行(hang)渲染，才(cai)能💰将材(cai)質、燈光(guang)及特效(xiao)表現出(chu)來。“默認(ren)掃描線(xian)渲染器(qi)”是３ＤＳＭａｘ最基(ji)本的渲(xuan)染器，渲(xuan)染速度(du)快，可以(yi)将場景(jing)渲染成(cheng)一系列(lie)的水平(ping)線💯，因此(ci)選擇掃(sao)描線渲(xuan)染器。在(zai)渲🔴染器(qi)輸出設(she)置對話(hua)框中，公(gong)用選項(xiang)欄勾選(xuan)設置渲(xuan)染幀的(de)範圍，幀(zhen)👄的編号(hao)，渲染區(qu)域選擇(ze)視✍️圖，輸(shu)出大小(xiao)爲１２８０ｘ９６０。在默(mo)認掃描(miao)線渲染(ran)器選項(xiang)框下勾(gou)選貼圖(tu)、陰影和(he)自動反(fan)射／折射(she)和鏡像(xiang)選項，過(guo)濾器選(xuan)Ｃａｔｍｕｌｌ－Ｒｍｎ選項ｎｉ］。實(shi)物和渲(xuan)染📧出的(de)三維模(mo)型如圖(tu)４所示。
３．２動(dong)畫合成(cheng)
腳本制(zhi)作。首先(xian)搜集電(dian)磁流量(liang)計資料(liao)，獲取電(dian)磁流🐇量(liang)計的結(jie)構、特點(dian)和原理(li)等信息(xi)，制作文(wen)字腳本(ben)。然後采(cai)用軟件(jian)ＣｏｏｌＥｄｉｔ将文字(zi)腳本轉(zhuan)化爲音(yin)頻腳本(ben)，ＷＡＶ音效好(hao)✌️接近無(wu)損音樂(le)格式，将(jiang)音頻保(bao)存爲ＷＡＶ格(ge)💯式。
Ｐｒｅｍｉｅｒｅ文字(zi)工具提(ti)供了創(chuang)建清晰(xi)生動文(wen)字所需(xu)要的各(ge)種💃🏻功能(neng)，使用“字(zi)幕屬性(xing)”面闆可(ke)以修改(gai)字幕的(de)大小、字(zi)體，并且(qie)可以爲(wei)文字創(chuang)♌建陰影(ying)和浮雕(diao)效果。本(ben)文使用(yong)的小标(biao)題的文(wen)字🧡樣式(shi)選擇黑(hei)體🏒，字号(hao)爲３６點，屏(ping)下方自(zi)動樣式(shi)選擇黑(hei)體，字号(hao)☂️爲33點。
４系(xi)統實現(xian)
圖5爲電(dian)磁流量(liang)計三維(wei)仿真系(xi)統視頻(pin)播放組(zu)合。
⑴結構(gou)。電磁流(liu)量計由(you)轉換器(qi)、表體和(he)連接杆(gan)等構成(cheng)。轉⁉️換🙇🏻器(qi)由電極(ji)、傳感器(qi)、信号放(fang)大電路(lu)、外圍電(dian)路、數據(ju)顯不模(mo)塊等構(gou)成；表體(ti)和連接(jie)杆由轉(zhuan)換器外(wai)殼、支架(jia)連接杆(gan)、轉換器(qi)安全螺(luo)栓、表體(ti)機械結(jie)構等組(zu)成。流量(liang)計的測(ce)量管是(shi)一種裝(zhuang)有一對(dui)測量電(dian)極的♻️内(nei)襯絕緣(yuan)材料的(de)非導磁(ci)合金短(duan)管，兩‼️隻(zhi)電極沿(yan)管徑方(fang)向穿過(guo)管壁固(gu)定在測(ce)量🔴管上(shang)。其電極(ji)頭🔞與襯(chen)❌裏内表(biao)面基本(ben)齊平。
（2）測(ce)量。由兩(liang)方波脈(mo)沖勵磁(ci)時，将在(zai)測量管(guan)軸線垂(chui)直的方(fang)向上産(chan)生一磁(ci)通量密(mi)度爲B的(de)工作磁(ci)場。當導(dao)電流體(ti)平均流(liu)速n（m/s）通過(guo)測🚶量管(guan)，将切割(ge)磁力線(xian)感應出(chu)電動勢(shi)瓦，其🥵方(fang)向垂直(zhi)于磁場(chang)和流體(ti)的方向(xiang)。E正比于(yu)磁通量(liang)密度B測(ce)量管内(nei)徑d與平(ping)均流速(su)n的乘積(ji)。E正比于(yu)磁通🍉密(mi)度B，測量(liang)管✔️内徑(jing)d與平均(jun)流速n的(de)乘積。E（流(liu)量信号(hao)）由電🌐極(ji)檢出并(bing)通過電(dian)纜送至(zhi)轉換器(qi)。轉換器(qi)将流量(liang)信号放(fang)大處理(li)後，可顯(xian)㊙️示流體(ti)流量，并(bing)能輸出(chu)脈沖，模(mo)拟電流(liu)等信号(hao)，用于流(liu)量💘的控(kong)制和調(diao)節。結合(he)式（１）￣（３）可以(yi)推導出(chu)流量計(ji)算式（4）
E=κBDn （1）
Q=Sn （2）
S=pD2/4 （3）
Q=pED/（4κB） （4）
式(shi)中：κ爲儀(yi)表常數(shu)；E爲電極(ji)間信号(hao)電壓（V）；B爲(wei)磁通密(mi)度（T）；D爲測(ce)量管内(nei)😘徑（m）；n爲平(ping)均流速(su)（m/s）；S爲測量(liang)導管的(de)橫截面(mian)積（m2）。
５結語(yu)
采用三(san)維可視(shi)化技術(shu)，以電磁(ci)流量計(ji)爲研究(jiu)對象🈚開(kai)發的電(dian)磁流量(liang)計三維(wei)仿真系(xi)統解決(jue)了自動(dong)檢測與(yu)轉換技(ji)術🔞課程(cheng)㊙️教學中(zhong)隻聽原(yuan)理不見(jian)實物，攜(xie)🏃🏻帶實物(wu)不便和(he)現場拆(chai)解耽誤(wu)時間影(ying)❓響教學(xue)。系統具(ju)有畫面(mian)逼真。聲(sheng)音清晰(xi)和使用(yong)簡便的(de)優點，能(neng)夠💃🏻快速(su)掌握電(dian)磁流量(liang)計結🐕構(gou)原理。
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