基于旋轉多普勒及磁效應的定位與控制方法研究

王學文 陳闊 董明慧

摘?要：對液體中物體的位置的測量在物理上一直有不同的方法。本實驗是在模擬微重力的環境下，基于旋轉多普勒效應對液體中的“氣包”的三維位置進行測量，并利用電磁場對磁性物質的作用力控制氣包的運動。運用特殊點和空間幾何各物理量相互轉換的基本思想，精確利用測量數據計算出液體中“氣包”的三維坐標，同時利用激光掃描方法實現對氣包大小的測量。

關鍵詞：多普勒效應;定位;運動控制

在微重力條件下，由密度差所造成的浮力消失，液體主要受表面張力的作用。所以懸浮在空間的水包呈球形或近似球形，并且在水球內的氣泡也呈球形或近似球形。在本次實驗設計方案中，將氣液界面測量的問題提取出來，以“氣包”代替太空中的“水包”，以自由液體環境代替失重的真空，控制氣包懸浮，通過近似模擬太空微重力環境，探究液體中的“氣包”運動軌跡并實現三維定位、自由控制、大小測量等功能。

1 基于旋轉多普勒的三維空間水下“氣包”定位基本原理

提取接收器作勻速圓周運動時在一周內分別接收到信號頻率的不變值、最大值和最小值的位置信息，就可以確定定位點在定位區域內的位置，這就是所謂的多普勒測向原理，也就是我們水聲定位系統進行水下目標定位的基本原理。

本實驗通過超聲波的多普勒效應原理，實現了氣包定位功能。由于圓周運動實現多普勒精確定位時，圓盤轉動一圈僅需用0.342466s便可采集到實驗所需數據，所需時間極短。在實驗后期我們可以制作一個程序即時采集每個點的位置，于是在氣包運動的狀態下，在實驗可容許的誤差范圍內，我們通過旋轉多普勒定位方法，不斷提取實驗數據求得氣包的實時位置，由點及線，描繪出氣包的運動軌跡曲線，實現對氣包運動軌跡的跟蹤。

2 利用電磁場實現對液體中“氣包”控制基本原理

當電流通過導線時，會在導線的周圍產生磁場。應用這性質，將電流通過螺線管時，則會在螺線管之內制成均勻磁場，而在螺線管的兩端則會有有向磁場。電磁鐵所產生的磁場強度與電流大小、線圈匝數，中心的鐵磁體以及距離和位置有關。通過調節電流的大小以及電磁鐵吸引端與小球的距離，來改變電磁鐵對氣包的作用力，實現對氣包的運動軌跡調控。

本實驗的電磁鐵鐵芯材料為鐵鎳合金。比起硅鋼材料做成的鐵芯，鐵鎳合金的磁導率比較高，含Ni78%的鐵鎳合金在弱磁場中的磁導率比硅鋼高約10～20倍。所以用鐵鎳合金材料的鐵芯做成的電磁鐵磁性會更強。電磁鐵的線圈用漆包銅線繞成，銅線通電、有彈性可繞成任意形狀，本實驗選用直徑為0.44mm的漆包銅線用于制作電磁鐵，每一個鐵芯外面緊緊繞有4層漆包銅線，以保證有足夠的匝數，從而保證有足夠強的磁力。

通過調節通過兩個電磁鐵的電流I1、I2的大小和電磁鐵與氣包的距離來控制電磁鐵對氣包的作用力大小，從而使氣包所受的合力方向指向目標位置。由于小球的運動具有慣性，在氣包運動過程中，通過不斷地控制兩端電磁鐵的電路通斷，使氣包最終在目標位置做往返距離趨于0的運動，直至穩定停留在目標位置。

在實際的工作過程中，每隔一定時間（較短），通過多普勒定位不斷提取氣包的實時位置，并及時調整工作的電磁鐵的工作電流比例以使氣包在運動過程中位置變化后不斷地調整所受合力方向始終指向目標位置，使氣包能向指向準確的方向以較慢的速度運動到目標位置。

3 激光掃描氣包邊緣測量大小原理及實現方法分析

本實驗使兩個平行光管處于水平面上離球體一定距離的位置①上，再分別向不透明球體靠近，直到激光束剛好能通過，此時激光束處于與球體相切的位置②上，在與光管相對的水缸壁上可以看見光斑。此時兩個平行光管的距離有可能是直徑D，也有可能是某一條弦長，需要進一步確定。

將激光束垂直往上和往下微微移動，若光斑始終存在，則此時平行光之間的距離就是球的直徑D;若光斑消失了，如圖中③的位置，則將光管稍微往兩邊移動，然后再繼續往下（或往上），直至光斑重新出現在水缸壁上為止，此時就是圖中④的位置，則平行光之間的距離就是球的直徑D。再將兩個平行光射在玻璃缸上的光斑描出來，用精密測量工具測出長度即可得到球的直徑，進而求出大小。

4 總結

傳統方法在對水下目標進行跟蹤定位時存在的缺點是受信道影響大存在多途干擾問題，而且一般需要幾個接收器。本實驗在傳統運用超聲波定位的方法上做出改進，根據聲波的多普勒效應，僅利用一個接收器，加之很好地運用變量控制、幾何轉化的思想，只需測量時間數據即可巧妙地實現“氣包”的三維定位。

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基金項目：齊魯理工學院2018年教學改革研究項目：應用型高校大學物理實驗教學改革（JG201858）

作者簡介：王學文（1994-），男，碩士研究生，研究方向：物理教學。