王浩然 婁賽 何宇航

摘 要：在研究物體在磁場(chǎng)中受力的實(shí)驗(yàn)中，要得到物體在可變磁場(chǎng)中的受力模型，往往需要測(cè)量物體在磁場(chǎng)中的多維度受力?；诂F(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，無(wú)法完成對(duì)物體在可變磁場(chǎng)中多維度受力的測(cè)量。要測(cè)得物體在磁場(chǎng)中的多維度受力，需被測(cè)物體與電磁鐵之間形成一定的角度，再通過傳感器測(cè)量出兩者之間的受力?，F(xiàn)基于三維力傳感器設(shè)計(jì)了一種測(cè)量物體在可變磁場(chǎng)中多維受力的實(shí)驗(yàn)裝置，利用精密手動(dòng)雙向角度位移工作臺(tái)和XYZ三軸精密位移平臺(tái)，使三維力傳感器可多維度測(cè)量物體在磁場(chǎng)中的受力。

關(guān)鍵詞：可變磁場(chǎng);多維度受力;磁力測(cè)量

0 引言

磁場(chǎng)力測(cè)量技術(shù)是研究與磁現(xiàn)象有關(guān)物理過程的重要手段，其發(fā)展有著悠久的歷史，目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用于地球物理、空間技術(shù)、軍事工程、工業(yè)、生物學(xué)、醫(yī)學(xué)、考古學(xué)等諸多領(lǐng)域。設(shè)計(jì)合理的測(cè)量物體在磁場(chǎng)中受力的實(shí)驗(yàn)裝置勢(shì)在必行。傳統(tǒng)測(cè)量物體在磁場(chǎng)中受力的實(shí)驗(yàn)裝置大多只能夠測(cè)量縱向拉力，或者只能測(cè)量物體單個(gè)角度的受力。而很多實(shí)驗(yàn)中往往需要測(cè)量多個(gè)維度的受力，此時(shí)不能只考慮物體在磁場(chǎng)中的單方向或兩個(gè)方向的受力，需對(duì)電磁鐵與被吸引物體之間的多個(gè)維度的受力進(jìn)行分析，傳統(tǒng)的測(cè)量磁場(chǎng)力的實(shí)驗(yàn)裝置并不能滿足此需求[1-5]。

1 裝置要求及設(shè)計(jì)

1.1 ? ?裝置要求

為了測(cè)得物體在磁場(chǎng)中的多維度受力，實(shí)驗(yàn)裝置應(yīng)具備承載電磁鐵與被測(cè)物體的實(shí)驗(yàn)臺(tái)，且實(shí)驗(yàn)臺(tái)需能使電磁鐵與被測(cè)物體之間產(chǎn)生不同的測(cè)量角度與測(cè)量距離。同時(shí)，還需避免電磁鐵對(duì)測(cè)量裝置的干擾，以防影響測(cè)量精度?；谠摲桨杆璧臈l件，本文提供了一種應(yīng)用磁-力法原理設(shè)計(jì)的基于三維力傳感器的測(cè)量可變磁場(chǎng)中物體多維度受力的實(shí)驗(yàn)裝置，實(shí)驗(yàn)裝置模型及原理如圖1所示[6-7]。

1.2 ? ?裝置設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)裝置包括實(shí)驗(yàn)裝置框架、精密手動(dòng)雙向角度位移工作臺(tái)、三維力傳感器、實(shí)驗(yàn)塊、XYZ三軸精密位移平臺(tái)、電磁鐵等，如圖2所示。精密手動(dòng)雙向角度位移工作臺(tái)通過U型連接件與實(shí)驗(yàn)裝置框架上部相連，三維力傳感器通過傳感器連接件與精密手動(dòng)雙向角度位移工作臺(tái)相連，實(shí)驗(yàn)塊通過實(shí)驗(yàn)塊連接件與三維力傳感器相連，XYZ三軸精密位移平臺(tái)安裝在實(shí)驗(yàn)裝置框架下部，電磁鐵通過磁鐵連接件與XYZ三軸精密位移平臺(tái)相連。精密手動(dòng)雙向角度位移工作臺(tái)用于調(diào)節(jié)實(shí)驗(yàn)塊的角度，XYZ三軸精密位移平臺(tái)用于調(diào)節(jié)電磁鐵的位置。其中，機(jī)構(gòu)的框架由實(shí)驗(yàn)平板、大直角固定塊和小直角固定塊構(gòu)成，直角固定塊底部固定在實(shí)驗(yàn)平板上，小直角固定塊固定在大直角固定塊頂部，小直角固定塊與大直角固定塊之間的連接面需經(jīng)精密加工處理，提高實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的原始精度。磁性單元由于所受電磁力的大小和精度直接決定了力觸覺再現(xiàn)的真實(shí)感和性能，所以實(shí)驗(yàn)裝置采用了全新的技術(shù)方案，具有測(cè)量精度高、傳感器所受磁場(chǎng)影響弱、安裝方便、電磁鐵可測(cè)量在不同電壓下與被吸引實(shí)驗(yàn)塊物體之間多維度受力等優(yōu)點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)裝置既彌補(bǔ)了傳統(tǒng)機(jī)構(gòu)只能測(cè)量單方向或兩個(gè)方向受力的不足，又解決了傳感器在磁場(chǎng)中被干擾的問題，保證了高精度測(cè)力的準(zhǔn)確性，又可用于測(cè)量實(shí)驗(yàn)塊在不同電壓下磁場(chǎng)中的多維度受力。

2 數(shù)學(xué)模型

2.1 ? ?坐標(biāo)系建立

根據(jù)實(shí)驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)，XYZ三軸精密位移臺(tái)承載電磁鐵，使電磁鐵做X軸、Y軸、Z軸方向的平移運(yùn)動(dòng)，完成被測(cè)物體相對(duì)電磁鐵的位置變化;精密手動(dòng)雙向角度位移工作臺(tái)與三維力傳感器和被測(cè)物體相連，完成被測(cè)物體相對(duì)電磁鐵的角度變化，從而完成被測(cè)物體在磁場(chǎng)中多維度受力的測(cè)量。因此，在XYZ三軸精密位移平臺(tái)上建立坐標(biāo)系A(chǔ)，在三維力傳感器上建立坐標(biāo)系B，坐標(biāo)系B相對(duì)于坐標(biāo)系A(chǔ)的變化過程如圖3所示。

2.2 ? ?數(shù)學(xué)表示

當(dāng)傳感器測(cè)量實(shí)驗(yàn)體從初始位姿到目的位姿的受力時(shí)，實(shí)驗(yàn)體與傳感器的位姿變化可以通過一次位移直接實(shí)現(xiàn)，也可以通過一次位移和一次或兩次轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)。以一次位移和兩次轉(zhuǎn)動(dòng)的實(shí)現(xiàn)為例，實(shí)現(xiàn)過程為：三維力傳感器的初始坐標(biāo)系B與XYZ三軸精密位移平臺(tái)的坐標(biāo)系A(chǔ)重合，首先將坐標(biāo)系B繞y1，2軸旋轉(zhuǎn)β角，再繞x2，3軸旋轉(zhuǎn)α角，再將新坐標(biāo)系沿坐標(biāo)系A(chǔ)平移（x0，y0，z0），通過以上變換描述三維力傳感器測(cè)試力的位姿變化。其矩陣表示為：

3 檢測(cè)原理

基于三維力傳感器設(shè)計(jì)的測(cè)量可變磁場(chǎng)中物體受多維度力的實(shí)驗(yàn)裝置，可同時(shí)測(cè)量笛卡兒坐標(biāo)系中3個(gè)垂直軸向上的力，不僅能完成拉壓力的測(cè)量，還可對(duì)被測(cè)物體所受的橫向力矩進(jìn)行采集，使物體在可變磁場(chǎng)中所受的多維度力的測(cè)量更加便捷。三維力傳感器相較傳統(tǒng)拉壓力傳感器也更適合此實(shí)驗(yàn)裝置的要求。

實(shí)驗(yàn)裝置通過XYZ三軸精密位移平臺(tái)調(diào)節(jié)電磁鐵在X、Y、Z 3個(gè)方向的位置，使電磁鐵與實(shí)驗(yàn)塊的相對(duì)位置在一定范圍內(nèi)變化，如圖1所示。精密手動(dòng)雙向角度位移工作臺(tái)通過調(diào)節(jié)實(shí)驗(yàn)塊相對(duì)于電磁鐵的角度，三維力傳感器通過非磁性的連接件與實(shí)驗(yàn)塊連接，有效減少磁場(chǎng)對(duì)傳感器的影響。三維力傳感器測(cè)量電磁鐵與被吸引實(shí)驗(yàn)塊之間不同位置的拉力，電磁鐵與開關(guān)型直流數(shù)控穩(wěn)壓電源連接，控制電磁鐵的電壓，配合XYZ三軸精密位移平臺(tái)和精密手動(dòng)雙向角度位移工作臺(tái)同時(shí)使用，使三維力傳感器測(cè)量不同電壓、不同距離和不同角度下被吸引實(shí)驗(yàn)塊的受力。實(shí)驗(yàn)塊連接件與三維力傳感器之間使用過渡件連接，有效減小磁場(chǎng)對(duì)三維力傳感器的影響。實(shí)驗(yàn)裝置還需要調(diào)節(jié)XYZ三軸精密位移平臺(tái)，使電磁鐵與實(shí)驗(yàn)塊同軸心，將三維力傳感器與3個(gè)信號(hào)放大器連接，通過多通道顯示儀表顯示實(shí)驗(yàn)塊所受的X軸、Y軸、Z軸力的數(shù)值，再通過計(jì)算機(jī)軟件，對(duì)收集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、處理、存儲(chǔ)。

4 實(shí)驗(yàn)方案

實(shí)驗(yàn)裝置安裝完成后，調(diào)節(jié)XYZ三軸精密位移平臺(tái)，使電磁鐵與被測(cè)物體同軸心，將三維力傳感器與3個(gè)信號(hào)放大器連接，通過多通道顯示儀表顯示被測(cè)物體所受的X軸、Y軸、Z軸力的數(shù)值，再通過計(jì)算機(jī)軟件，對(duì)收集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、處理、存儲(chǔ)。電磁鐵通過與開關(guān)型直流數(shù)控穩(wěn)壓電源連接，控制電磁鐵的電流通斷，手動(dòng)調(diào)節(jié)電磁鐵的電壓值，完成磁場(chǎng)可變的條件。之后再通過調(diào)節(jié)電磁鐵的電壓、XYZ三軸精密位移平臺(tái)、精密手動(dòng)雙向角度位移工作臺(tái)，將測(cè)量得到的不同電壓、不同位置、不同角度下的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析比對(duì)，完成可變磁場(chǎng)中物體的多維度受力的測(cè)量。

5 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一種面向物體在磁場(chǎng)中受力測(cè)量的實(shí)驗(yàn)裝置，利用三維力傳感器、XYZ三軸精密位移平臺(tái)和精密手動(dòng)雙向角度位移工作臺(tái)，使該裝置能夠測(cè)量電磁鐵在不同電壓下與被吸引實(shí)驗(yàn)塊之間的多維度受力，同時(shí)使用特殊過渡件降低傳感器在磁場(chǎng)中的干擾。本文設(shè)計(jì)的這款實(shí)驗(yàn)裝置使用了全新技術(shù)方案，使得裝置具有測(cè)力維度多、測(cè)量精度高、安裝方便等優(yōu)點(diǎn)。

[參考文獻(xiàn)]

[1] 姜智鵬，趙偉，屈凱峰.磁場(chǎng)測(cè)量技術(shù)的發(fā)展及其應(yīng)用[J].電測(cè)與儀表，2008（4）：1-5.

[2] 伍昭富.基于動(dòng)態(tài)電磁力的主動(dòng)式動(dòng)平衡測(cè)量方法的研究[D].重慶：重慶大學(xué)，2017.

[3] 黃添添.氣隙磁力表征型磁懸浮加速度計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)研究[D].杭州：浙江大學(xué)，2015.

[4] 錢煌，陸熊，張珅榕，等.面向電磁式力觸覺再現(xiàn)的三維電磁作用力測(cè)量系統(tǒng)[J].電子測(cè)量技術(shù)，2019，42（1）：45-48.

[5] 王大鵬，金星，周偉靜.一種用于微推力測(cè)量的電磁力校準(zhǔn)裝置設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].兵工自動(dòng)化，2017，36（9）：68-72.

[6] 邊忠國(guó).電磁力測(cè)量試驗(yàn)臺(tái)的設(shè)計(jì)[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2007（4）：64-65.

[7] 高立文，顏志軍.通電導(dǎo)線在磁場(chǎng)中受力的定量研究實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)[J].實(shí)驗(yàn)教學(xué)與儀器，2014，31（11）：34-35.

收稿日期：2020-11-10

作者簡(jiǎn)介：王浩然（1996—），男，山西臨汾人，碩士研究生，研究方向：機(jī)器人關(guān)節(jié)。