0 引(yin)言
　　電磁流(liu)量計 基(ji)于(yu)電磁(ci)感應(ying)原理，利用(yong)導電(dian)流體經過(guo)電磁外加磁場(chang)時産生電動勢(shi)來測量導(dao)電流(liu)體的流量。電磁(ci)流量計(ji)是(shi)一種(zhong)常見的(de)檢(jian)測流(liu)量的(de)傳(chuan)感器，具(ju)有成(cheng)本低(di)、測量(liang)範圍大(da)和(he)精度(du)高等優(you)點，因此(ci)在工業領域應(ying)用廣(guang)泛(fan)。
　　自(zi)動檢(jian)測與轉換(huan)技術(shu)課ｆｅ專(zhuan)業頭踐性強，因此(ci)在教學(xue)過程中要(yao)求理(li)論與(yu)實踐結合(he)。課堂教(jiao)學教師想攜(xie)帶實物但(dan)礙于(yu)傳感(gan)器體(ti)積笨(ben)重，想讓學(xue)生親眼看(kan)到内(nei)部結(jie)構(gou)但現場(chang)拆解耽誤(wu)時間影響教學(xue)，導緻(zhi)了學生隻(zhi)聽原理不(bu)見實物造(zao)成學習興(xing)趣差(cha)效率低(di)的現象(xiang)發生。當前(qian)課堂講解(jie)的方式主(zhu)要有兩(liang)種：（１）教師(shi)口述(shu)；（２）Ｆｌａｓｈ動(dong)畫演示(shi)并結合講(jiang)解。口(kou)述相對抽象，印(yin)象不深刻(ke)，記憶效果(guo)差。動畫演(yan)示，便于理(li)解原理，但(dan)和實(shi)際偏(pian)差大。
　　針對上述(shu)問題(ti)，通過采用(yong)三維可視化技(ji)術，以(yi)電磁(ci)流量(liang)計爲(wei)研(yan)究(jiu)對象，設計(ji)了畫(hua)面逼(bi)真、聲(sheng)音(yin)清(qing)晰和(he)使用(yong)簡便(bian)的電(dian)磁流量計(ji)三維(wei)仿真(zhen)系(xi)統。
１系統(tong)開發(fa)軟(ruan)件(jian)
1.1建模軟件(jian)
　　３ＤＳＭａｘ具有(you)對ＰＣ配(pei)置要求(qiu)低(di)，安裝(zhuang)插件(jian)方(fang)便，角色(se)動畫(hua)制作(zuo)能力強和建模步驟(zhou)可堆疊(die)的(de)優點，因此選(xuan)擇(ze)３ＤｓＭａｘ作爲(wei)建模工(gong)具。建模(mo)是三維可(ke)視的(de)第一(yi)步(bu)，模(mo)型的(de)好壞(huai)直接影響(xiang)最終的表(biao)現效(xiao)果。爲(wei)保證模型(xing)的精度和(he)正确(que)率，在建模(mo)時應(ying)注意：①保持(chi)模型的尺(chi)寸應(ying)與電(dian)磁流量計的實(shi)際尺(chi)寸一緻；②保(bao)持模型(xing)的(de)基點與３ＤＭａｘ場(chang)景中(zhong)的中(zhong)心一緻(zhi)；③模(mo)型應(ying)抓住(zhu)電磁流量(liang)計的主體(ti)輪廓(kuo)，盡可(ke)能(neng)減(jian)少面(mian)數，以減少(shao)計算(suan)數據(ju)量。
1.2視頻編(bian)輯軟件
　　ＡｄｏｂｅＰｒｅｍｉｅｒｅ是(shi)一款專業(ye)非線性視(shi)頻編輯軟(ruan)件，操作簡(jian)便，特技衆(zhong)多，廣泛用(yong)于廣(guang)告制(zhi)作、影視剪(jian)輯和動畫(hua)制作等領(ling)域(yu)，具(ju)有良(liang)好的兼(jian)容(rong)性，可(ke)以和(he)Ａｄｏｂｅ推(tui)出(chu)的其(qi)他軟件配(pei)合使(shi)用［３］。爲保(bao)證視頻(pin)編輯質量(liang)，在編輯時(shi)應(ying)注意：①選(xuan)擇合适(shi)的(de)編輯(ji)軟件(jian)；②盡量搜集(ji)足夠(gou)的素(su)材；③少(shao)使用(yong)長(zhang)鏡(jing)頭，切(qie)換鏡頭間(jian)隔１５ｓ左(zuo)右；④注(zhu)意保存的(de)尺寸(cun)和(he)格(ge)式。
１．３輔(fu)助軟件
　　模(mo)型制(zhi)作需要(yao)貼圖，圖片來源(yuan)于(yu)現場(chang)拍攝(she)，但(dan)是受限(xian)于時(shi)間(jian)和光照(zhao)等因(yin)素的(de)影響(xiang)，在貼圖(tu)之前需(xu)要對閣像(xiang)進行(hang)光照(zhao)、色度調整(zheng)，同時(shi)取景時摻(chan)雜地(di)面和試驗(yan)台背景等(deng)因素(su)，需要利用(yong)“仿制(zhi)圖章(zhang)”工具(ju)進行修複(fu)。ＡｄｏｂｅＰｈｏｔｏｓｈｏｐ是一款專(zhuan)業的圖像(xiang)處理(li)軟件(jian)，功能(neng)強大(da)，廣泛(fan)應(ying)用于平(ping)面設(she)計(ji)、廣(guang)告制(zhi)作、網(wang)頁制(zhi)作和(he)處理三維貼圖(tu)等領(ling)域(yu)。
２系(xi)統總體設(she)計
　　維(wei)仿真(zhen)系統由模(mo)型制作和動畫合成(cheng)兩部分組(zu)成。模(mo)型制(zhi)作包括建(jian)模、材(cai)質貼(tie)圖、燈光攝(she)影機、關鍵(jian)幀動(dong)畫和(he)渲染(ran)。動畫合成(cheng)包括(kuo)腳本(ben)和(he)字(zi)幕。系統設計流程如(ru)圖１所示(shi)。
（１）模(mo)型制(zhi)作。①建模是(shi)三維(wei)可視化(hua)的(de)第一(yi)步，模型(xing)的(de)好壞(huai)直接影(ying)響最終的表現(xian)效果。常(chang)用的(de)建模(mo)方法有多邊形建模(mo)、ＮＵＲＢＳ建模、複(fu)合(he)對象建模(mo)和網(wang)格建(jian)模等。多邊(bian)形建模是(shi)将對象轉(zhuan)化成可編(bian)輯的多邊(bian)形(xing)通過對(dui)該多邊形(xing)對象(xiang)的多個子對象(xiang)進行編輯和修改來實現(xian)。ＮＵＫＢＳ建模(mo)，也稱(cheng)曲(qu)線(xian)建模(mo)，在制(zhi)作(zuo)樣條線(xian)時可使(shi)用ＮＵＲＢＳ曲線(xian)，通過Ｌａｔｈｅ（車削(xue)）等修(xiu)改器生(sheng)成(cheng)

　　基于ＮＵＲＢＳ曲線(xian)的(de)３Ｄ曲面７。網(wang)格建模(mo)法采用(yong)“網格修改器”在(zai)頂點、邊(bian)、面(mian)三種(zhong)子對(dui)象層級上(shang)編輯物體(ti)。在建模的(de)過程(cheng)中，往(wang)往針對(dui)同(tong)一個(ge)對象(xiang)根(gen)據(ju)實際(ji)操作的(de)需(xu)要采(cai)用多(duo)種建模方(fang)法來創(chuang)建(jian)模型(xing)。模型(xing)能夠表現(xian)物體的外(wai)觀，但(dan)不能(neng)展示物體(ti)的表面效(xiao)果。②材質和(he)貼圖(tu)能夠(gou)表現物體的表面紋(wen)理。常見的(de)貼圖方法(fa)有位(wei)圖貼(tie)圖(tu)、噪(zao)波貼(tie)圖和棋(qi)盤格貼(tie)圖等(deng)。實際的貼(tie)圖之(zhi)後(hou)還(hai)需要(yao)對圖(tu)片的參數(shu)進行設(she)置(zhi)，同時(shi)需要用到ＵＶＷ貼圖(tu)坐标修(xiu)改器修(xiu)改貼圖的位置(zhi)和形态(tai)等(deng)。③燈光可以(yi)烘托場景(jing)氣氛(fen)，使場景更(geng)加逼(bi)真(zhen)。場景攝(she)影機提(ti)供用戶自定(ding)義(yi)視(shi)角，通(tong)過攝影(ying)機來全(quan)方位(wei)的觀(guan)察對(dui)象。④關(guan)鍵幀動畫。３丨）ｓＭａｘ中(zhong)的動畫主(zhu)要有(you)關鍵幀動両、運(yun)動(dong)學(xue)、粒子(zi)動畫和(he)ｒｅａｃｔｏｒ動(dong)力學４種類(lei)型(xing)，關鍵幀(zhen)動＿是最基本的動畫(hua)類型。⑤渲染(ran)是将三維場景(jing)轉化(hua)爲二維圖(tu)像來(lai)對場(chang)景中的各(ge)種效(xiao)果進(jin)行輸出(chu)。
（２）動畫合(he)成。①編(bian)寫(xie)文字腳(jiao)本，然(ran)後(hou)采用軟(ruan)件ＣｏｏｌＥｄｉｔ制作(zuo)音頻。②字(zi)幕是将(jiang)語音内(nei)容以(yi)文字的形(xing)式顯示(shi)，幫助觀(guan)衆理(li)解内(nei)容。
３系(xi)統開發過程
３．１模(mo)型制(zhi)作(zuo)
　　模(mo)型制(zhi)作。建模是模型(xing)制作(zuo)第(di)一個環(huan)節，三維(wei)場景中(zhong)所有(you)要表(biao)現的(de)内容都(dou)要(yao)靠模(mo)型來體現(xian)，模型(xing)的精(jing)确與否直(zhi)接影響到最終(zhong)的表現(xian)結果是(shi)否準(zhun)确。在(zai)建模(mo)之前要(yao)先(xian)分析建模(mo)對象，電磁(ci)流量計外殼主(zhu)要由(you)圓(yuan)柱和長(zhang)方體構成(cheng)，采用(yong)多邊(bian)形建(jian)模法(fa)較好(hao)。以螺栓模(mo)型爲(wei)例，首先創(chuang)建一個(ge)圓柱在(zai)修改器(qi)面闆裏(li)設置高(gao)度(du)、半徑，然後(hou)圖形中選(xuan)擇樣條(tiao)線(xian)找到多邊形，設置多(duo)邊形(xing)的邊數爲(wei)６，半徑大于圓柱(zhu)的半徑，将(jiang)多邊(bian)形轉化爲可編(bian)輯的(de)多邊(bian)形，在修改(gai)器(qi)列表中(zhong)找到擠出設置(zhi)參數(shu)爲(wei)封口類(lei)型勾選始(shi)端末端變形(xing)，輸出勾(gou)選網(wang)格(ge)。将(jiang)平面(mian)六邊(bian)行轉(zhuan)化爲(wei)可編輯的(de)網格(ge)，在修改器列表(biao)中選(xuan)擇(ze)選(xuan)擇面擠出(chu)。将(jiang)做(zuo)好的(de)六面體與(yu)圓柱(zhu)進行在XY軸(zhou)平面(mian)内對齊，在(zai)左視(shi)圖中調(diao)整六面(mian)體和圓柱上表(biao)面的(de)位置(zhi)，然後(hou)在命令(ling)面(mian)闆中(zhong)樣條(tiao)線菜單下(xia)選擇螺(luo)旋(xuan)線色(se)設置(zhi)半徑１和半(ban)徑２的大小(xiao)、螺旋(xuan)線的(de)高(gao)度、圈數(shu)和偏(pian)移量(liang)，做好後将(jiang)其繞在圓(yuan)柱的(de)周圍(wei)代表(biao)螺栓(shuan)的螺(luo)紋。最(zui)後将(jiang)圓柱(zhu)體、六(liu)邊體(ti)和螺(luo)旋線(xian)打成組命(ming)名爲(wei)螺栓(shuan)，其(qi)餘的四(si)個相(xiang)同(tong)的(de)螺栓直接通過(guo)複制(zhi)粘貼即(ji)可(ke)。制作(zuo)好的(de)電磁(ci)流量(liang)計外殼(ke)模型如(ru)圖２所示(shi)。
　　現(xian)場拍攝的(de)銘牌(pai)照片(pian)受限(xian)于拍(pai)攝角度和(he)環境摻雜實驗(yan)台和(he)健，麵之前(qian)雜雜(za)進(jin)行賴Ｐｈｏｔｏｓｈｏｐ軟(ruan)件中(zhong)的(de)裁剪工(gong)具和仿(pang)制圖章工具(ju)進行(hang)修複(fu)，然後(hou)在(zai)命(ming)令闆(pan)中調(diao)整圖像的(de)亮度(du)/對(dui)比度、色階和(he)色彩(cai)平衡(heng)，出禮(li)完(wan)成(cheng)後保存爲(wei)JPG格式(shi)以備(bei)貼圖(tu)。處(chu)理前後(hou)的圖(tu)像對比圖(tu)見圖(tu)３。貼(tie)圖(tu)，首先(xian)将對像轉(zhuan)化爲(wei)可編(bian)輯的(de)多邊(bian)形，選擇(ze)可(ke)編輯(ji)多邊形狀(zhuang)态下(xia)選擇編輯(ji)層級(ji)爲多(duo)邊形(xing)，然後選定貼圖的面(mian)，在修改(gai)器(qi)卷展(zhan)欄下選擇UV坐标(biao)最後選擇UVW貼圖。打開材質(zhi)編輯(ji)器找(zhao)到(dao)貼圖将(jiang)貼圖(tu)賦予材質(zhi)球，然後将材質球指(zhi)定(ding)給選定(ding)對象。初步(bu)貼圖(tu)後是不(bu)精(jing)确的(de)，此時(shi)需要(yao)使用(yong)UVW貼圖(tu)坐(zuo)标修改(gai)器修改(gai)貼(tie)圖的(de)位置和貼圖的(de)大小(xiao)。

　　燈光(guang)可以照亮(liang)場景(jing)，使場(chang)景中(zhong)的對(dui)象産生(sheng)陰影。爲(wei)了使表難效果更加(jia)真實，需要(yao)給場景添加燈(deng)光。使用攝(she)影棚(peng)機優(you)點是(shi)可以(yi)擺放(fang)在(zai)場(chang)景中(zhong)任意(yi)位(wei)置(zhi)，給用戶提供自(zi)定義(yi)的視(shi)角。在(zai)制作(zuo)關鍵(jian)頓(dun)動(dong)畫時(shi)，采用(yong)目(mu)标攝像(xiang)機由(you)遠及近來(lai)觀察電磁流量計。爲(wei)了(le)全方位(wei)的觀(guan)察(cha)電磁流(liu)量計(ji)的(de)外觀，需(xu)要在(zai)透(tou)視(shi)窗口(kou)下創建一(yi)架“自(zi)由攝(she)像(xiang)機(ji)”。
　　關鍵(jian)喊動(dong)畫(hua)就(jiu)是指(zhi)制作(zuo)出幾(ji)個關(guan)鍵時(shi)間短(duan)的場(chang)景，然後中(zhong)間的(de)動畫(hua)由(you)計算機(ji)來完成(cheng)。在(zai)制作(zuo)電磁(ci)流量(liang)計三(san)維動畫(hua)的(de)過程(cheng)中，要(yao)注(zhu)意物體(ti)和攝像(xiang)機(ji)不能(neng)同時(shi)移動，否則(ze)輸出的序(xu)列幀(zhen)中會産(chan)生“抖動(dong)”現象。
　　在３ＤｓＭａｘ中(zhong)完成的場(chang)景稱爲工(gong)程文(wen)件，隻(zhi)有對場景(jing)進(jin)行(hang)渲染(ran)，才能将(jiang)材(cai)質、燈(deng)光及(ji)特效(xiao)表現(xian)出來。“默認掃描線渲(xuan)染(ran)器”是３ＤＳＭａｘ最(zui)基本的渲染器(qi)，渲染速(su)度快，可(ke)以将(jiang)場景(jing)渲染(ran)成一系列(lie)的水(shui)平線(xian)，因(yin)此(ci)選擇掃描(miao)線渲染器(qi)。在渲染器輸出(chu)設置(zhi)對話框中(zhong)，公用選(xuan)項(xiang)欄勾選設(she)置(zhi)渲染幀(zhen)的範圍(wei)，幀(zhen)的編(bian)号，渲(xuan)染區(qu)域選(xuan)擇視(shi)圖(tu)，輸(shu)出大(da)小爲(wei)１２８０ｘ９６０。在默認掃(sao)描線渲染器選(xuan)項框(kuang)下勾選貼(tie)圖、陰影(ying)和(he)自動(dong)反射／折射和鏡(jing)像選(xuan)項，過(guo)濾器(qi)選Ｃａｔｍｕｌｌ－Ｒｍｎ選項ｎｉ］。實(shi)物和(he)渲染出的(de)三維模型如圖４所示(shi)。

３．２動(dong)畫合(he)成
　　腳(jiao)本(ben)制作。首(shou)先搜集(ji)電(dian)磁流(liu)量計資料，獲取(qu)電磁流(liu)量(liang)計的結構、特(te)點和原(yuan)理等信(xin)息(xi)，制作文字(zi)腳本。然後(hou)采用軟件(jian)ＣｏｏｌＥｄｉｔ将文(wen)字腳本轉化爲(wei)音頻腳本(ben)，ＷＡＶ音效(xiao)好接近無(wu)損音(yin)樂格式，将音頻(pin)保存爲ＷＡＶ格(ge)式。
　　Ｐｒｅｍｉｅｒｅ文(wen)字工具提供了創建清晰生動(dong)文字所需(xu)要的(de)各種功能(neng)，使用(yong)“字幕(mu)屬性”面闆(pan)可以(yi)修改(gai)字幕(mu)的大小(xiao)、字(zi)體，并(bing)且可(ke)以爲文字(zi)創建(jian)陰(yin)影(ying)和浮雕效(xiao)果(guo)。本(ben)文使(shi)用的小标(biao)題的(de)文字(zi)樣(yang)式選擇(ze)黑體，字号(hao)爲３６點(dian)，屏下(xia)方自(zi)動樣(yang)式選擇(ze)黑(hei)體，字(zi)号爲(wei)33點。
４系(xi)統實(shi)現
圖5爲電磁流量計(ji)三維仿真(zhen)系統(tong)視(shi)頻(pin)播放(fang)組合(he)。
⑴結構。電磁(ci)流量計由轉換(huan)器、表(biao)體和連接(jie)杆等構成。轉換器由電極、傳感(gan)器、信号(hao)放大電(dian)路、外圍電路、數(shu)據顯(xian)不模(mo)塊等構成(cheng)；表體和連(lian)接杆由(you)轉換器(qi)外殼(ke)、支架連接(jie)杆、轉(zhuan)換(huan)器(qi)安全(quan)螺栓(shuan)、表(biao)體機械(xie)結構等組(zu)成。流(liu)量計(ji)的測(ce)量管(guan)是一種裝(zhuang)有一(yi)對測(ce)量電(dian)極的(de)内襯絕(jue)緣(yuan)材料的非(fei)導磁合金(jin)短管，兩隻電極(ji)沿管(guan)徑方向穿(chuan)過管壁(bi)固(gu)定在測量管上(shang)。其電(dian)極頭(tou)與襯(chen)裏内(nei)表面基本齊平(ping)。
（2）測量(liang)。由兩方波(bo)脈沖勵磁時，将(jiang)在測量管(guan)軸線垂直(zhi)的方向上(shang)産生(sheng)一磁(ci)通量(liang)密度(du)爲(wei)B的工作(zuo)磁場。當導(dao)電流體平均流(liu)速n（m/s）通(tong)過測量管(guan)，将切割磁(ci)力(li)線感應(ying)出電動(dong)勢瓦，其方向(xiang)垂直于磁(ci)場和流體(ti)的方向。E正比于磁通(tong)量密度B測(ce)量管(guan)内徑(jing)d與(yu)平(ping)均流(liu)速n的(de)乘積。E正比(bi)于磁通(tong)密度B，測(ce)量管(guan)内徑d與平(ping)均流(liu)速(su)n的乘積(ji)。E（流量信(xin)号）由電(dian)極檢(jian)出并(bing)通過(guo)電纜送至轉換器。轉換器将流(liu)量信号放大處(chu)理後，可(ke)顯示流(liu)體流量(liang)，并(bing)能輸(shu)出脈(mo)沖，模(mo)拟電(dian)流等信号(hao)，用于(yu)流量(liang)的控制和(he)調節。結合(he)式（１）￣（３）可以推導出流量(liang)計算式（4）
E=κBDn　　　　　　（1）
Q=Sn　　　　　　　　（2）
S=pD2/4　　　　　　　（3）
Q=pED/（4κB）　　　　（4）
　　式(shi)中：κ爲(wei)儀表(biao)常數(shu)；E爲電(dian)極間信号電壓（V）；B爲磁(ci)通密(mi)度（T）；D爲(wei)測量管内(nei)徑（m）；n爲(wei)平均流(liu)速（m/s）；S爲測(ce)量導管(guan)的橫截(jie)面積（m2）。
５結語(yu)
　　采用(yong)三維可視(shi)化技(ji)術，以(yi)電磁(ci)流量(liang)計爲研究(jiu)對象(xiang)開發的電(dian)磁流(liu)量計(ji)三維仿真(zhen)系統(tong)解決(jue)了自(zi)動檢測(ce)與(yu)轉換(huan)技術(shu)課程教學(xue)中隻聽原(yuan)理不(bu)見實(shi)物(wu)，攜(xie)帶實(shi)物不(bu)便和(he)現場拆解耽(dan)誤時間(jian)影響(xiang)教學。系統(tong)具有(you)畫(hua)面逼真(zhen)。聲音清晰(xi)和使用簡(jian)便的優點(dian)，能夠快(kuai)速(su)掌握(wo)電磁(ci)流(liu)量(liang)計結(jie)構原理(li)。

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