顏秋林等

摘 要：微重力環(huán)境下的物體具有不一般的物理屬性并且微重力環(huán)境為藥品加工帶來極大的便利，文章通過磁懸浮方法模擬微重力環(huán)境下的氣包懸浮，而通過機械原理可自動化控制氣包的運動，并且可以實時監(jiān)控氣包的位置，最后測量出氣包的速度及直徑。這對于有毒物品的加工和檢測具有極大的意義。

關鍵詞：微重力環(huán)境；氣包懸?。粴獍\動；氣包速度及直徑測量

1 概述

1.1 磁懸浮法控制“氣包”在液體中的位置

從表1中可以看出，電磁懸浮因由強烈的熱效應，懸浮穩(wěn)定性好，且由于本實驗采用內部安有永磁鐵球的小體積氣球代替真實的“氣包”，可利用電磁懸浮實現(xiàn)微重力下“氣包”運動狀態(tài)的模擬。

通過對比和分析以德國為代表的常導電式磁懸浮，以日本為代表的超導電動磁懸浮和中國的永磁懸浮（它利用特殊的永磁材料，不需要任何其他動力支持），本實驗將永磁體與可控直流常導電磁鐵相結合的懸浮控制方法克服了中國、日本傳統(tǒng)的磁懸浮方法的缺陷，我們選擇用裝有永磁體的小球及帶鐵芯的通電線圈完成“氣包”位置控制實驗。

1.2 利用激光對射遮蔽法跟蹤氣泡的運動軌跡、測量“氣包”速度和直徑

目前提供的位置感應技術一般是發(fā)射電磁波、超聲波、光等，遇到物體被反射回來被接收器接收，最終通過計算時間和波速可以得到物體和發(fā)射器之間的距離。但一般來講，物體的表面必須水平，這樣才能保證反射波量，提高檢測的穩(wěn)定性。而本實驗中的物體是“氣包”即氣球，它具有凹凸的表面，很明顯用這種方式是不合適的，因為在其表面的漫射很嚴重，所以本實驗選擇了激光對射遮蔽的方法進行檢測。其優(yōu)點是激光的方向性好，不受物體表面凹凸情況的影響，而且動作穩(wěn)定度高，檢測距離長。

2 實驗原理與分析

2.1 讓“氣包”達到懸浮狀態(tài)并控制其運動

“氣包”由裝有永磁體的氣球構成，控制永磁體懸浮及控制“氣包”懸浮。

本實驗用到電磁懸浮技術（electromagnetic levitation）簡稱EML技術，它的主要原理是利用高頻電磁場在金屬表面產生的渦流來實現(xiàn)對金屬品的懸浮。當一個線圈通入交變電流以后，就會在線圈周圍產生一個磁場。將一個金屬樣品放置在這個不均勻的、迅速變換的磁場內時，由于感應作用該高頻電磁場會在金屬材料表面產生一高頻渦流，這一高頻渦流也會產生磁場，其方向與線圈產生的磁場方向相反，從而產生一個吸引力。在合適的空間配制下，可使該力的方向與重力方向相反，通過改變高頻源的功率使電磁力與重力相等，即可實現(xiàn)電磁懸浮。因考慮到電流損耗問題，本實驗把金屬樣品替換為永磁體，采用單電磁-永磁混合懸浮裝置，通過改變電磁鐵電流的大小，可以調節(jié)懸浮物體與電磁鐵之間的磁力，從而使電磁力與重力相等，使得“氣包”懸浮，如圖1所示。而“氣包”的正常懸浮之后，我們將控制“氣包”即永磁體在豎直方向上運動，此時，只需要改變設定位置和其相應地磁場力大小即可改變“氣包”的懸浮位置。而橫向方面的運動，則采用二維馬達控制系統(tǒng)帶動電磁鐵線圈移動，從而使“氣包”隨之做二維運動。

但其懸浮方式是不穩(wěn)定的磁浮，所以需要引入一個反饋裝置來保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性。該反饋裝置包含線性霍爾傳感器和PID控制器，懸浮系統(tǒng)在該反饋裝置的控制下，電磁線圈產生合適的電磁力與永磁體相互吸引，使永磁體穩(wěn)定地懸浮在設定位置上。如圖2所示，霍爾傳感器能夠檢測永磁體的位置信息，產生電壓信號，而控制器對電壓信號進行處理，不斷地將重物位置與設定位置進行比較而產生控制信號，功率放大器根據控制信號產生所需電流并送完電磁鐵，電磁鐵產生相應磁力與重力平衡使得永磁體穩(wěn)定在平衡點附近。由于通電線圈的存在，其產生的磁場會影響到傳感器的檢測，故安排傳感器于懸浮體之下，遠離電磁線圈避免上述影響。當永磁體受到干擾向下運動時，永磁體與電磁鐵的距離增大，霍爾傳感器所獲得的位置信號增強，其輸出電壓增大，經過功率放大器處理后，使得電磁鐵控制線圈的控制電流增大，電磁吸力增大，永磁體被吸回平衡位置。反之亦然。

2.1.1 線性霍爾元件

電磁鐵中的控制電流并不穩(wěn)定，導致空間磁場也隨之不穩(wěn)定，因而“氣包”很難穩(wěn)定地懸浮在某個位置。所以，對磁場的實時控制顯得極為重要，在此，我們加入了線性霍爾元件。

霍爾元件是根據霍爾效應原理制成的，由霍爾效應的原理可知：霍爾電勢Vh的大小取決于霍爾常數Rh（僅與半導體材質有關）、霍爾元件的偏置電流Ic、磁場強度B和半導體材料的厚度。那么，給定一個霍爾元件，當偏置電流Ic固定時，霍爾電壓Vh的大小將完全取決于被測得磁場強度B。

本實驗中用到的是線性型霍爾元件，其輸出電壓與外加磁場強度呈線性關系，在一定的磁感應強度范圍內有較好的線性度，超出一定范圍時則呈現(xiàn)飽和狀態(tài)。

利用線性霍爾元件是為了制造磁平衡式電流傳感器，也叫補償式傳感器，它的具體工作過程為：當主回路有一電流通過時，在導線上產生的磁場被聚磁環(huán)聚集并感應到霍爾元件上，所產生的信號輸出用于驅動相應的功率管并使其導通，從而獲得一個補償電流Is。這一電流再通過多匝繞組產生磁場，該磁場與被測電流產生的磁場正好相反，因而補償了原來的磁場，使霍爾元件的輸出逐漸減小。當與初級電流Ip與匝數相乘所產生的磁場相等時，Is不再增加，這時的霍爾元件起到指示零磁通的作用，此時可以通過Is來平衡。被測電流的任何變化都會破壞這一平衡。一旦磁場失去平衡，霍爾元件就有信號輸出。經功率放大后，立即就有相應地電流流過次級繞組以對失衡的磁場進行補償。從磁場失衡到再次平衡，這是一個動態(tài)平衡的過程。因而通過這個元件，我們可以使“氣包”穩(wěn)定懸浮在水中的某個特定位置而不會不穩(wěn)定地振蕩。

2.1.2 PID微控制器

PID（proportional-integral-derivative）控制是在經典控制理論的基礎上，通過長期的工程實踐總結形成的一種控制方法，其參數物理意義明確，結構改變比較靈活，魯棒性較強，易于實現(xiàn)，在大多數工業(yè)生產過程中控制效果較為顯著?，F(xiàn)階段，PID控制仍然是首選的控制策略之一。本設計的磁懸浮控制系統(tǒng)也是先嘗試用PID控制器來實現(xiàn)控制。PID控制器是一種線性控制器，它根據給定值與實際輸出值構成控制偏差，將偏差的比例、積分和微分通過線性組合構成控制器，對被控對象進行控制。

在磁懸浮系統(tǒng)中采用先比例，后微分，再積分的反復調整方法。具體步驟如下：

（1）選取最短采樣周期，去掉微分和積分環(huán)節(jié)，由小到大改變比例系數，直到懸浮體發(fā)生連續(xù)振蕩。

（2）逐步增大微分作用，以減少超調，克服振蕩，使懸浮體達到穩(wěn)定懸浮。

（3）逐步增大積分作用，減少靜差。

（4）再對采樣周期作適當調整。

（5）根據近似準則和三個參數對系統(tǒng)控制過程的響應趨勢對各參數進行微調，反復試湊調整。

2.1.3 PWM調制裝置

PWM調制裝置又叫PWM開關型功率放大器，其性能的好壞直接影響到整個磁懸浮球系統(tǒng)的動態(tài)性能。本實驗脈寬調制（PWM）開關型功率放大器主要包括脈寬調制器和開關放大器，脈寬調制器是控制電路輸出頻率不變的情況下，通過電壓反饋調整其占空比，從而達到穩(wěn)定輸出電壓的目的；開關放大器根據反饋電流與給定指令電流比較后的誤差信號，在PWM的作用下，得到一定占空比的脈沖，控制功率開關，使得正負輸入電壓交替地以某個頻率加到線圈上，以此改變線圈中的電流。

從上述分析的結果可知，PID信號的輸出經PWM轉化為穩(wěn)壓電路信號，經過放大之后直接作用于線圈電壓，改變線圈電壓U0，從而達到迅速地改變線圈輸出的電流進而間接控制電磁力的目的，提高懸浮反饋電路的穩(wěn)定性和精確性。

2.2 跟蹤“氣包”軌跡、并測量其速度、直徑

2.2.1 跟蹤氣包軌跡

其想法來源于光幕傳感器，如圖4所示，是一個用安全光幕檢測物體（比如手）進入的測試原理結構示意圖。圖中，光幕的一邊等間距安裝有多個激光發(fā)射管，另一邊相應的有相同數量同樣排列的激光接收管，每一個激光發(fā)射管都對應有一個相應的激光接收管，且安裝在同一條直線上。當同一條直線上的激光發(fā)射管、激光接收管之間沒有障礙物時，激光發(fā)射管發(fā)出的調制信號（光信號）能順利到達激光接收管。激光接收管接收到調制信號后，相應的內部電路輸出低電平，而在有障礙物的情況下，激光發(fā)射管發(fā)出的調制信號（光信號）不能順利到達激光接收管，這時該激光接收管接收不到調制信號，相應的內部電路輸出為高電平。那么可以利用收不到調制信號輸出高電平的特性，來得知有障礙物的存在。

那么就可以用激光發(fā)射器和接收器形成類似的三維光幕網格，并建立空間直角坐標系。每一條線的兩端分別放置發(fā)射器和接收器，當其中存在“氣包”作為障礙物時，信號接收不到，能分別讀出其對應的發(fā)射器的位置（x，y，z），并通過程序傳送到電腦上建立三維圖形，即可準確知道氣包的位置和其運動軌跡。

2.2.2 測量“氣包”的速度和直徑

在激光接收管接收到調制信號后，相應的內部電路輸出低電平，而在有障礙物的情況下，激光發(fā)射管發(fā)出的調制信號（光信號）不能順利到達激光接收管，這時該激光接收管接收不到調制信號，相應的內部電路輸出為高電平。當“氣包”連續(xù)阻擋相鄰的兩道激光線，其對應的相鄰的兩個激光接收管的電平信號如圖5所示。

當“氣包”開始遮擋第一個激光接收管接收信號時，兩個計時器開始計時，直到激光接收管恢復到正常的接收狀態(tài)第一個計時器停止計時得到時間；直到第二個激光接收管被阻擋第二個計時器停止計時得到時間。兩個激光接收管之間的固定距離為 ， 略微大于氣球的直徑，則可求得“氣包”的平均速度為

3 實驗設計與實驗內容

3.1 磁懸浮法控制“氣包”在液體中的位置

實驗儀器：我們總體的實驗儀器如圖6所示，我們的系統(tǒng)運行在一個水槽里，它可以漂浮、移動和控制氣球即永磁體的三維運動，其主要實驗儀器包含電磁鐵線圈及其反饋控制電路、二維馬達控制系統(tǒng)。

其中磁懸浮部分的電路設計如圖7所示，電路主要包括霍爾感應器、微控制處理器、線圈驅動器和信號調節(jié)處理電路。

其中的微控制主要涉及到一個PID控制和PWM脈寬調制。PID控制器的參數整定是控制系統(tǒng)設計的核心內容，它是根據被控過程的特性確定PID控制器的比例系數、積分時間和微分時間的大小。而PWM脈寬調制，則是根據PID所算出的占空比對脈沖的寬度進行調制，從而改變輸出電流的大小而對線圈電流起到一個反饋作用。

3.2 利用激光對射遮蔽法跟蹤氣泡的運動軌跡、測量“氣包”的速度和直徑

實驗儀器：為消除物理實驗中其他物體運動對光線強弱的影響，在測量氣包速度和直徑時，我們采用激光傳感器，時鐘頻率為100赫茲，測量精度為毫秒數量級。光電計時電路工作原理見圖8，電路中主要包括傳感器電路、時鐘產生電路、計數及顯示電路、控制電路和電源電路五部分。

參考文獻

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