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電磁流量計(jì)的三維可視化研究
發(fā)布時(shí)間:2018-10-19

0 引言
  電磁流量計(jì)基于電磁感應(yīng)原理,利用導(dǎo)電流體經(jīng)過電磁外加磁場時(shí)產(chǎn)生電動(dòng)勢來測量導(dǎo)電流體的流量。電磁流量計(jì)是一種常見的檢測流量的傳感器,具有成本低、測量范圍大和精度高等優(yōu)點(diǎn),因此在工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。
  自動(dòng)檢測與轉(zhuǎn)換技術(shù)課fe專業(yè)頭踐性強(qiáng),因此在教學(xué)過程中要求理論與實(shí)踐結(jié)合。課堂教學(xué)教師想攜帶實(shí)物但礙于傳感器體積笨重,想讓學(xué)生親眼看到內(nèi)部結(jié)構(gòu)但現(xiàn)場拆解耽誤時(shí)間影響教學(xué),導(dǎo)致了學(xué)生只聽原理不見實(shí)物造成學(xué)習(xí)興趣差效率低的現(xiàn)象發(fā)生。當(dāng)前課堂講解的方式主要有兩種:(1)教師口述;(2)Flash動(dòng)畫演示并結(jié)合講解?谑鱿鄬Τ橄螅∠蟛簧羁,記憶效果差。動(dòng)畫演示,便于理解原理,但和實(shí)際偏差大。
  針對上述問題,通過采用三維可視化技術(shù),以電磁流量計(jì)為研究對象,設(shè)計(jì)了畫面逼真、聲音清晰和使用簡便的電磁流量計(jì)三維仿真系統(tǒng)。
1系統(tǒng)開發(fā)軟件
1.1建模軟件
 。常模樱停幔哂袑Γ校门渲靡蟮,安裝插件方便,角色動(dòng)畫制作能力強(qiáng)和建模步驟可堆疊的優(yōu)點(diǎn),因此選擇3DsMax作為建模工具。建模是三維可視的第一步,模型的好壞直接影響最終的表現(xiàn)效果。為保證模型的精度和正確率,在建模時(shí)應(yīng)注意:①保持模型的尺寸應(yīng)與電磁流量計(jì)的實(shí)際尺寸一致;②保持模型的基點(diǎn)與3DMax場景中的中心一致;③模型應(yīng)抓住電磁流量計(jì)的主體輪廓,盡可能減少面數(shù),以減少計(jì)算數(shù)據(jù)量。
1.2視頻編輯軟件
  AdobePremiere是一款專業(yè)非線性視頻編輯軟件,操作簡便,特技眾多,廣泛用于廣告制作、影視剪輯和動(dòng)畫制作等領(lǐng)域,具有良好的兼容性,可以和Adobe推出的其他軟件配合使用[3]。為保證視頻編輯質(zhì)量,在編輯時(shí)應(yīng)注意:①選擇合適的編輯軟件;②盡量搜集足夠的素材;③少使用長鏡頭,切換鏡頭間隔15s左右;④注意保存的尺寸和格式。
1.3輔助軟件
  模型制作需要貼圖,圖片來源于現(xiàn)場拍攝,但是受限于時(shí)間和光照等因素的影響,在貼圖之前需要對閣像進(jìn)行光照、色度調(diào)整,同時(shí)取景時(shí)摻雜地面和試驗(yàn)臺(tái)背景等因素,需要利用“仿制圖章”工具進(jìn)行修復(fù)。AdobePhotoshop是一款專業(yè)的圖像處理軟件,功能強(qiáng)大,廣泛應(yīng)用于平面設(shè)計(jì)、廣告制作、網(wǎng)頁制作和處理三維貼圖等領(lǐng)域。
2系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)
  維仿真系統(tǒng)由模型制作和動(dòng)畫合成兩部分組成。模型制作包括建模、材質(zhì)貼圖、燈光攝影機(jī)、關(guān)鍵幀動(dòng)畫和渲染。動(dòng)畫合成包括腳本和字幕。系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程如圖1所示。
(1)模型制作。①建模是三維可視化的第一步,模型的好壞直接影響最終的表現(xiàn)效果。常用的建模方法有多邊形建模、NURBS建模、復(fù)合對象建模和網(wǎng)格建模等。多邊形建模是將對象轉(zhuǎn)化成可編輯的多邊形通過對該多邊形對象的多個(gè)子對象進(jìn)行編輯和修改來實(shí)現(xiàn)。NUKBS建模,也稱曲線建模,在制作樣條線時(shí)可使用NURBS曲線,通過Lathe(車削)等修改器生成
電磁流量計(jì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程圖
  基于NURBS曲線的3D曲面7。網(wǎng)格建模法采用“網(wǎng)格修改器”在頂點(diǎn)、邊、面三種子對象層級(jí)上編輯物體。在建模的過程中,往往針對同一個(gè)對象根據(jù)實(shí)際操作的需要采用多種建模方法來創(chuàng)建模型。模型能夠表現(xiàn)物體的外觀,但不能展示物體的表面效果。②材質(zhì)和貼圖能夠表現(xiàn)物體的表面紋理。常見的貼圖方法有位圖貼圖、噪波貼圖和棋盤格貼圖等。實(shí)際的貼圖之后還需要對圖片的參數(shù)進(jìn)行設(shè)置,同時(shí)需要用到UVW貼圖坐標(biāo)修改器修改貼圖的位置和形態(tài)等。③燈光可以烘托場景氣氛,使場景更加逼真。場景攝影機(jī)提供用戶自定義視角,通過攝影機(jī)來全方位的觀察對象。④關(guān)鍵幀動(dòng)畫。3丨)sMax中的動(dòng)畫主要有關(guān)鍵幀動(dòng)両、運(yùn)動(dòng)學(xué)、粒子動(dòng)畫和reactor動(dòng)力學(xué)4種類型,關(guān)鍵幀動(dòng)_是最基本的動(dòng)畫類型。⑤渲染是將三維場景轉(zhuǎn)化為二維圖像來對場景中的各種效果進(jìn)行輸出。
(2)動(dòng)畫合成。①編寫文字腳本,然后采用軟件CoolEdit制作音頻。②字幕是將語音內(nèi)容以文字的形式顯示,幫助觀眾理解內(nèi)容。
3系統(tǒng)開發(fā)過程
3.1模型制作
  模型制作。建模是模型制作第一個(gè)環(huán)節(jié),三維場景中所有要表現(xiàn)的內(nèi)容都要靠模型來體現(xiàn),模型的精確與否直接影響到最終的表現(xiàn)結(jié)果是否準(zhǔn)確。在建模之前要先分析建模對象,電磁流量計(jì)外殼主要由圓柱和長方體構(gòu)成,采用多邊形建模法較好。以螺栓模型為例,首先創(chuàng)建一個(gè)圓柱在修改器面板里設(shè)置高度、半徑,然后圖形中選擇樣條線找到多邊形,設(shè)置多邊形的邊數(shù)為6,半徑大于圓柱的半徑,將多邊形轉(zhuǎn)化為可編輯的多邊形,在修改器列表中找到擠出設(shè)置參數(shù)為封口類型勾選始端末端變形,輸出勾選網(wǎng)格。將平面六邊行轉(zhuǎn)化為可編輯的網(wǎng)格,在修改器列表中選擇選擇面擠出。將做好的六面體與圓柱進(jìn)行在XY軸平面內(nèi)對齊,在左視圖中調(diào)整六面體和圓柱上表面的位置,然后在命令面板中樣條線菜單下選擇螺旋線色設(shè)置半徑1和半徑2的大小、螺旋線的高度、圈數(shù)和偏移量,做好后將其繞在圓柱的周圍代表螺栓的螺紋。最后將圓柱體、六邊體和螺旋線打成組命名為螺栓,其余的四個(gè)相同的螺栓直接通過復(fù)制粘貼即可。制作好的電磁流量計(jì)外殼模型如圖2所示。電磁流量計(jì)外殼模型圖
  現(xiàn)場拍攝的銘牌照片受限于拍攝角度和環(huán)境摻雜實(shí)驗(yàn)臺(tái)和健,麵之前雜雜進(jìn)行賴Photoshop軟件中的裁剪工具和仿制圖章工具進(jìn)行修復(fù),然后在命令板中調(diào)整圖像的亮度/對比度、色階和色彩平衡,出禮完成后保存為JPG格式以備貼圖。處理前后的圖像對比圖見圖3。貼圖,首先將對像轉(zhuǎn)化為可編輯的多邊形,選擇可編輯多邊形狀態(tài)下選擇編輯層級(jí)為多邊形,然后選定貼圖的面,在修改器卷展欄下選擇UV坐標(biāo)最后選擇UVW貼圖。打開材質(zhì)編輯器找到貼圖將貼圖賦予材質(zhì)球,然后將材質(zhì)球指定給選定對象。初步貼圖后是不精確的,此時(shí)需要使用UVW貼圖坐標(biāo)修改器修改貼圖的位置和貼圖的大小。
電磁流量計(jì)圖像出禮前后對比圖
  燈光可以照亮場景,使場景中的對象產(chǎn)生陰影。為了使表難效果更加真實(shí),需要給場景添加燈光。使用攝影棚機(jī)優(yōu)點(diǎn)是可以擺放在場景中任意位置,給用戶提供自定義的視角。在制作關(guān)鍵頓動(dòng)畫時(shí),采用目標(biāo)攝像機(jī)由遠(yuǎn)及近來觀察電磁流量計(jì)。為了全方位的觀察電磁流量計(jì)的外觀,需要在透視窗口下創(chuàng)建一架“自由攝像機(jī)”。
  關(guān)鍵喊動(dòng)畫就是指制作出幾個(gè)關(guān)鍵時(shí)間短的場景,然后中間的動(dòng)畫由計(jì)算機(jī)來完成。在制作電磁流量計(jì)三維動(dòng)畫的過程中,要注意物體和攝像機(jī)不能同時(shí)移動(dòng),否則輸出的序列幀中會(huì)產(chǎn)生“抖動(dòng)”現(xiàn)象。
  在3DsMax中完成的場景稱為工程文件,只有對場景進(jìn)行渲染,才能將材質(zhì)、燈光及特效表現(xiàn)出來!澳J(rèn)掃描線渲染器”是3DSMax最基本的渲染器,渲染速度快,可以將場景渲染成一系列的水平線,因此選擇掃描線渲染器。在渲染器輸出設(shè)置對話框中,公用選項(xiàng)欄勾選設(shè)置渲染幀的范圍,幀的編號(hào),渲染區(qū)域選擇視圖,輸出大小為1280x960。在默認(rèn)掃描線渲染器選項(xiàng)框下勾選貼圖、陰影和自動(dòng)反射/折射和鏡像選項(xiàng),過濾器選Catmull-Rmn選項(xiàng)ni]。實(shí)物和渲染出的三維模型如圖4所示。
電磁流量計(jì)實(shí)物與渲染模型對比圖
3.2動(dòng)畫合成
  腳本制作。首先搜集電磁流量計(jì)資料,獲取電磁流量計(jì)的結(jié)構(gòu)、特點(diǎn)和原理等信息,制作文字腳本。然后采用軟件CoolEdit將文字腳本轉(zhuǎn)化為音頻腳本,WAV音效好接近無損音樂格式,將音頻保存為WAV格式。
 。校颍澹恚椋澹颍逦淖止ぞ咛峁┝藙(chuàng)建清晰生動(dòng)文字所需要的各種功能,使用“字幕屬性”面板可以修改字幕的大小、字體,并且可以為文字創(chuàng)建陰影和浮雕效果。本文使用的小標(biāo)題的文字樣式選擇黑體,字號(hào)為36點(diǎn),屏下方自動(dòng)樣式選擇黑體,字號(hào)為33點(diǎn)。
4系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)
圖5為電磁流量計(jì)三維仿真系統(tǒng)視頻播放組合。
⑴結(jié)構(gòu)。電磁流量計(jì)由轉(zhuǎn)換器、表體和連接桿等構(gòu)成。轉(zhuǎn)換器由電極、傳感器、信號(hào)放大電路、外圍電路、數(shù)據(jù)顯不模塊等構(gòu)成;表體和連接桿由轉(zhuǎn)換器外殼、支架連接桿、轉(zhuǎn)換器安全螺栓、表體機(jī)械結(jié)構(gòu)等組成。流量計(jì)的測量管是一種裝有一對測量電極的內(nèi)襯絕緣材料的非導(dǎo)磁合金短管,兩只電極沿管徑方向穿過管壁固定在測量管上。其電極頭與襯里內(nèi)表面基本齊平。
(2)測量。由兩方波脈沖勵(lì)磁時(shí),將在測量管軸線垂直的方向上產(chǎn)生一磁通量密度為B的工作磁場。當(dāng)導(dǎo)電流體平均流速n(m/s)通過測量管,將切割磁力線感應(yīng)出電動(dòng)勢瓦,其方向垂直于磁場和流體的方向。E正比于磁通量密度B測量管內(nèi)徑d與平均流速n的乘積。E正比于磁通密度B,測量管內(nèi)徑d與平均流速n的乘積。E(流量信號(hào))由電極檢出并通過電纜送至轉(zhuǎn)換器。轉(zhuǎn)換器將流量信號(hào)放大處理后,可顯示流體流量,并能輸出脈沖,模擬電流等信號(hào),用于流量的控制和調(diào)節(jié)。結(jié)合式(1) ̄(3)可以推導(dǎo)出流量計(jì)算式(4)
E=κBDn      (1)
Q=Sn       。2)
S=pD2/4       (3)
Q=pED/(4κB)   。4)
  式中:κ為儀表常數(shù);E為電極間信號(hào)電壓(V);B為磁通密度(T);D為測量管內(nèi)徑(m);n為平均流速(m/s);S為測量導(dǎo)管的橫截面積(m2)。
5結(jié)語
  采用三維可視化技術(shù),以電磁流量計(jì)為研究對象開發(fā)的電磁流量計(jì)三維仿真系統(tǒng)解決了自動(dòng)檢測與轉(zhuǎn)換技術(shù)課程教學(xué)中只聽原理不見實(shí)物,攜帶實(shí)物不便和現(xiàn)場拆解耽誤時(shí)間影響教學(xué)。系統(tǒng)具有畫面逼真。聲音清晰和使用簡便的優(yōu)點(diǎn),能夠快速掌握電磁流量計(jì)結(jié)構(gòu)原理。

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