可變磁場中物體多維度受力檢測裝置設計

王浩然 婁賽 何宇航

摘 要：在研究物體在磁場中受力的實驗中，要得到物體在可變磁場中的受力模型，往往需要測量物體在磁場中的多維度受力。基于現有的實驗平臺，無法完成對物體在可變磁場中多維度受力的測量。要測得物體在磁場中的多維度受力，需被測物體與電磁鐵之間形成一定的角度，再通過傳感器測量出兩者之間的受力。現基于三維力傳感器設計了一種測量物體在可變磁場中多維受力的實驗裝置，利用精密手動雙向角度位移工作臺和XYZ三軸精密位移平臺，使三維力傳感器可多維度測量物體在磁場中的受力。

關鍵詞：可變磁場;多維度受力;磁力測量

0 引言

磁場力測量技術是研究與磁現象有關物理過程的重要手段，其發展有著悠久的歷史，目前已經廣泛應用于地球物理、空間技術、軍事工程、工業、生物學、醫學、考古學等諸多領域。設計合理的測量物體在磁場中受力的實驗裝置勢在必行。傳統測量物體在磁場中受力的實驗裝置大多只能夠測量縱向拉力，或者只能測量物體單個角度的受力。而很多實驗中往往需要測量多個維度的受力，此時不能只考慮物體在磁場中的單方向或兩個方向的受力，需對電磁鐵與被吸引物體之間的多個維度的受力進行分析，傳統的測量磁場力的實驗裝置并不能滿足此需求[1-5]。

1 裝置要求及設計

1.1 ? ?裝置要求

為了測得物體在磁場中的多維度受力，實驗裝置應具備承載電磁鐵與被測物體的實驗臺，且實驗臺需能使電磁鐵與被測物體之間產生不同的測量角度與測量距離。同時，還需避免電磁鐵對測量裝置的干擾，以防影響測量精度。基于該方案所需的條件，本文提供了一種應用磁-力法原理設計的基于三維力傳感器的測量可變磁場中物體多維度受力的實驗裝置，實驗裝置模型及原理如圖1所示[6-7]。

1.2 ? ?裝置設計

實驗裝置包括實驗裝置框架、精密手動雙向角度位移工作臺、三維力傳感器、實驗塊、XYZ三軸精密位移平臺、電磁鐵等，如圖2所示。精密手動雙向角度位移工作臺通過U型連接件與實驗裝置框架上部相連，三維力傳感器通過傳感器連接件與精密手動雙向角度位移工作臺相連，實驗塊通過實驗塊連接件與三維力傳感器相連，XYZ三軸精密位移平臺安裝在實驗裝置框架下部，電磁鐵通過磁鐵連接件與XYZ三軸精密位移平臺相連。精密手動雙向角度位移工作臺用于調節實驗塊的角度，XYZ三軸精密位移平臺用于調節電磁鐵的位置。其中，機構的框架由實驗平板、大直角固定塊和小直角固定塊構成，直角固定塊底部固定在實驗平板上，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精密加工處理，提高實驗平臺的原始精度。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的真實感和性能，所以實驗裝置采用了全新的技術方案，具有測量精度高、傳感器所受磁場影響弱、安裝方便、電磁鐵可測量在不同電壓下與被吸引實驗塊物體之間多維度受力等優點。實驗裝置既彌補了傳統機構只能測量單方向或兩個方向受力的不足，又解決了傳感器在磁場中被干擾的問題，保證了高精度測力的準確性，又可用于測量實驗塊在不同電壓下磁場中的多維度受力。

2 數學模型

2.1 ? ?坐標系建立

根據實驗裝置結構，XYZ三軸精密位移臺承載電磁鐵，使電磁鐵做X軸、Y軸、Z軸方向的平移運動，完成被測物體相對電磁鐵的位置變化;精密手動雙向角度位移工作臺與三維力傳感器和被測物體相連，完成被測物體相對電磁鐵的角度變化，從而完成被測物體在磁場中多維度受力的測量。因此，在XYZ三軸精密位移平臺上建立坐標系A，在三維力傳感器上建立坐標系B，坐標系B相對于坐標系A的變化過程如圖3所示。

2.2 ? ?數學表示

當傳感器測量實驗體從初始位姿到目的位姿的受力時，實驗體與傳感器的位姿變化可以通過一次位移直接實現，也可以通過一次位移和一次或兩次轉動實現。以一次位移和兩次轉動的實現為例，實現過程為：三維力傳感器的初始坐標系B與XYZ三軸精密位移平臺的坐標系A重合，首先將坐標系B繞y1，2軸旋轉β角，再繞x2，3軸旋轉α角，再將新坐標系沿坐標系A平移（x0，y0，z0），通過以上變換描述三維力傳感器測試力的位姿變化。其矩陣表示為：

3 檢測原理

基于三維力傳感器設計的測量可變磁場中物體受多維度力的實驗裝置，可同時測量笛卡兒坐標系中3個垂直軸向上的力，不僅能完成拉壓力的測量，還可對被測物體所受的橫向力矩進行采集，使物體在可變磁場中所受的多維度力的測量更加便捷。三維力傳感器相較傳統拉壓力傳感器也更適合此實驗裝置的要求。

實驗裝置通過XYZ三軸精密位移平臺調節電磁鐵在X、Y、Z 3個方向的位置，使電磁鐵與實驗塊的相對位置在一定范圍內變化，如圖1所示。精密手動雙向角度位移工作臺通過調節實驗塊相對于電磁鐵的角度，三維力傳感器通過非磁性的連接件與實驗塊連接，有效減少磁場對傳感器的影響。三維力傳感器測量電磁鐵與被吸引實驗塊之間不同位置的拉力，電磁鐵與開關型直流數控穩壓電源連接，控制電磁鐵的電壓，配合XYZ三軸精密位移平臺和精密手動雙向角度位移工作臺同時使用，使三維力傳感器測量不同電壓、不同距離和不同角度下被吸引實驗塊的受力。實驗塊連接件與三維力傳感器之間使用過渡件連接，有效減小磁場對三維力傳感器的影響。實驗裝置還需要調節XYZ三軸精密位移平臺，使電磁鐵與實驗塊同軸心，將三維力傳感器與3個信號放大器連接，通過多通道顯示儀表顯示實驗塊所受的X軸、Y軸、Z軸力的數值，再通過計算機軟件，對收集到的數據進行分析、處理、存儲。

4 實驗方案

實驗裝置安裝完成后，調節XYZ三軸精密位移平臺，使電磁鐵與被測物體同軸心，將三維力傳感器與3個信號放大器連接，通過多通道顯示儀表顯示被測物體所受的X軸、Y軸、Z軸力的數值，再通過計算機軟件，對收集到的數據進行分析、處理、存儲。電磁鐵通過與開關型直流數控穩壓電源連接，控制電磁鐵的電流通斷，手動調節電磁鐵的電壓值，完成磁場可變的條件。之后再通過調節電磁鐵的電壓、XYZ三軸精密位移平臺、精密手動雙向角度位移工作臺，將測量得到的不同電壓、不同位置、不同角度下的數據進行分析比對，完成可變磁場中物體的多維度受力的測量。

5 結語

本文設計了一種面向物體在磁場中受力測量的實驗裝置，利用三維力傳感器、XYZ三軸精密位移平臺和精密手動雙向角度位移工作臺，使該裝置能夠測量電磁鐵在不同電壓下與被吸引實驗塊之間的多維度受力，同時使用特殊過渡件降低傳感器在磁場中的干擾。本文設計的這款實驗裝置使用了全新技術方案，使得裝置具有測力維度多、測量精度高、安裝方便等優點。

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收稿日期：2020-11-10

作者簡介：王浩然（1996—），男，山西臨汾人，碩士研究生，研究方向：機器人關節。