一顆螺絲引發(fā)的長時間正弦波

一切都是從這句看來單純無害的話開始：“你能幫我們把一顆螺絲拆下來嗎？”

我猜想是因?yàn)槟俏粚?shí)驗(yàn)室成員沒有正確的螺絲起子，這應(yīng)該會是一件只要花五分鐘就能完成的簡單任務(wù)；但我的運(yùn)氣沒那么好，還動用了碳化合金牙科鉆頭在已經(jīng)凹陷的螺絲頭上切出一個新的槽，好讓螺絲能順利拆卸。

而當(dāng)我拆下螺絲釘，這才發(fā)現(xiàn)為何那個實(shí)驗(yàn)想這么做──螺絲鎖住的那臺儀器的外殼下，全是干涸的鹽份以及腐蝕

在這里我應(yīng)該要告訴你更多關(guān)于這臺儀器的信息，它是用來量測液態(tài)樣本的四種物理特性；待測樣本透過獨(dú)立的幫浦，以高壓(700PSI)、恒定流速(每分鐘1.0 ml)供應(yīng)。儀器內(nèi)的一個烤箱配置了關(guān)鍵的傳感器、毛細(xì)管、過濾器以及相關(guān)的管路，由比例-積分-微分控制器(PID)將溫度控制在攝氏37度。

我清理了儀器并在一團(tuán)糟中找到了兩個泄漏腐蝕的閥門，然后用一顆500美元的價(jià)格訂購了替換品；在此同時，我還打磨了銹蝕的鋼板表面并重新上漆，以避免進(jìn)一步被腐蝕。

把到貨的新閥門安裝好之后，我將系統(tǒng)中的空氣排出，確認(rèn)沒有泄漏。一開始的測試顯示其中三項(xiàng)量測功能運(yùn)作良好，但第四項(xiàng)的黏性(viscosity)量測功能卻顯示不穩(wěn)定的基線：出現(xiàn)了奇怪的正弦波干擾(sinusoidal disturbance)，且持續(xù)30分鐘。

那是什么導(dǎo)致了這種干擾？打電話給儀器制造商詢問之后，得到的回答是：“如果有兩個閥門是壞的，那第三個可能也是；”我繞過所有三個閥門，但這個改變沒有什么不同，不是閥門的問題。我又繞過了好幾個其他管路零件，一次一個，正弦波干擾仍頑固地存在。

仔細(xì)閱讀用戶手冊，里面指出系統(tǒng)內(nèi)未排出的空氣可能導(dǎo)致基線不穩(wěn)定；但拆卸與清理之后也沒有什么差別。這個測試似乎排除了系統(tǒng)內(nèi)部空氣這個原因的可能性，而且氣泡怎么會導(dǎo)致正弦波干擾？

抽離這個難題一個星期時間，能讓我有一些時間可以思考；我再一次自己問自己：“什么原因會導(dǎo)致長時間的正弦波？”會是混迭(aliasing)嗎？不太像，或許根本不是這臺儀器本身的問題；又或許是向儀器供應(yīng)流體的幫浦，在低流速時有30分鐘的振蕩？一樣不太可能。

我認(rèn)為唯一可能導(dǎo)致這種低速干擾的原因與溫度有關(guān)，這種想法在稍早之前也曾出現(xiàn)過幾次，但溫度控制器顯示的溫度一直是37°C；或許我不應(yīng)該信任該讀數(shù)。用獨(dú)立的溫度計(jì)測出那個烤箱的溫度在30分鐘的時間內(nèi)，呈現(xiàn)42°C至44°C之間的正弦變化；我終于可能找對了方向！

顯然我是遇到了一個欠阻尼(underdamped)、“臨界穩(wěn)定”(marginally stable)控制回路－－臨界穩(wěn)控制回路振蕩，振幅不會隨著時間放大或減小(如下圖)。

看來是溫度控制器出了問題；在拆解硬件之前，我決定先嘗試軟件解決方案－－自動調(diào)節(jié)控制回路，強(qiáng)迫控制器計(jì)算該過程的最佳PID參數(shù)；這種重新調(diào)整有效，溫度振蕩消失了，黏度量測基線回歸穩(wěn)定，最后讓使用者十分滿意。

但是記得在很久以前我上過的第一堂電路設(shè)計(jì)課程，被教導(dǎo)的是“別自滿于你的電路設(shè)計(jì)成果，找出它順利運(yùn)作的原理?！蔽疫€是很疑惑為何PID參數(shù)必須被改變，我覺得我只是把一個硬件問題掩蓋住了；除此之外，我擔(dān)心的問題是烤箱溫度還是比設(shè)定點(diǎn)高了6度。

接著我恍然大悟：似乎是溫度傳感器并沒有在溫度上與烤箱正確耦合，現(xiàn)在看來是拆解硬件的時候了。就是這樣！拆解與檢測顯示，傳感器的固定螺絲不見了，因此溫度傳感器維持在穩(wěn)定的37°C，不過烤箱溫度卻比較高而且一直振蕩。

我大概永遠(yuǎn)不會知道那顆固定溫度傳感器的螺絲跑去哪了，甚至它何時不見的也不會知道；但正確地將傳感器固定之后，所有的問題都解決了?？鞠涞臏囟确€(wěn)定維持在37°C，更重要的是，儀器的黏度量測功能基線也完全穩(wěn)定了。

在這個案子學(xué)到的教訓(xùn)是：別相信所有你讀到的，甚至是儀表讀數(shù)；還有，如果有一個“錯誤”是長時間常數(shù)，在本質(zhì)上大概就是溫度。