可变磁场中物体多维度受力检测装置设计

王浩然 娄赛 何宇航

摘 要：在研究物体在磁场中受力的实验中，要得到物体在可变磁场中的受力模型，往往需要测量物体在磁场中的多维度受力。基于现有的实验平台，无法完成对物体在可变磁场中多维度受力的测量。要测得物体在磁场中的多维度受力，需被测物体与电磁铁之间形成一定的角度，再通过传感器测量出两者之间的受力。现基于三维力传感器设计了一种测量物体在可变磁场中多维受力的实验装置，利用精密手动双向角度位移工作台和XYZ三轴精密位移平台，使三维力传感器可多维度测量物体在磁场中的受力。

关键词：可变磁场;多维度受力;磁力测量

0 引言

磁场力测量技术是研究与磁现象有关物理过程的重要手段，其发展有着悠久的历史，目前已经广泛应用于地球物理、空间技术、军事工程、工业、生物学、医学、考古学等诸多领域。设计合理的测量物体在磁场中受力的实验装置势在必行。传统测量物体在磁场中受力的实验装置大多只能够测量纵向拉力，或者只能测量物体单个角度的受力。而很多实验中往往需要测量多个维度的受力，此时不能只考虑物体在磁场中的单方向或两个方向的受力，需对电磁铁与被吸引物体之间的多个维度的受力进行分析，传统的测量磁场力的实验装置并不能满足此需求[1-5]。

1 装置要求及设计

1.1    装置要求

为了测得物体在磁场中的多维度受力，实验装置应具备承载电磁铁与被测物体的实验台，且实验台需能使电磁铁与被测物体之间产生不同的测量角度与测量距离。同时，还需避免电磁铁对测量装置的干扰，以防影响测量精度。基于该方案所需的条件，本文提供了一种应用磁-力法原理设计的基于三维力传感器的测量可变磁场中物体多维度受力的实验装置，实验装置模型及原理如图1所示[6-7]。

1.2    装置设计

实验装置包括实验装置框架、精密手动双向角度位移工作台、三维力传感器、实验块、XYZ三轴精密位移平台、电磁铁等，如图2所示。精密手动双向角度位移工作台通过U型连接件与实验装置框架上部相连，三维力传感器通过传感器连接件与精密手动双向角度位移工作台相连，实验块通过实验块连接件与三维力传感器相连，XYZ三轴精密位移平台安装在实验装置框架下部，电磁铁通过磁铁连接件与XYZ三轴精密位移平台相连。精密手动双向角度位移工作台用于调节实验块的角度，XYZ三轴精密位移平台用于调节电磁铁的位置。其中，机构的框架由实验平板、大直角固定块和小直角固定块构成，直角固定块底部固定在实验平板上，小直角固定块固定在大直角固定块顶部，小直角固定块与大直角固定块之间的连接面需经精密加工处理，提高实验平台的原始精度。磁性单元由于所受电磁力的大小和精度直接决定了力触觉再现的真实感和性能，所以实验装置采用了全新的技术方案，具有测量精度高、传感器所受磁场影响弱、安装方便、电磁铁可测量在不同电压下与被吸引实验块物体之间多维度受力等优点。实验装置既弥补了传统机构只能测量单方向或两个方向受力的不足，又解决了传感器在磁场中被干扰的问题，保证了高精度测力的准确性，又可用于测量实验块在不同电压下磁场中的多维度受力。

2 数学模型

2.1    坐标系建立

根据实验装置结构，XYZ三轴精密位移台承载电磁铁，使电磁铁做X轴、Y轴、Z轴方向的平移运动，完成被测物体相对电磁铁的位置变化;精密手动双向角度位移工作台与三维力传感器和被测物体相连，完成被测物体相对电磁铁的角度变化，从而完成被测物体在磁场中多维度受力的测量。因此，在XYZ三轴精密位移平台上建立坐标系A，在三维力传感器上建立坐标系B，坐标系B相对于坐标系A的变化过程如图3所示。

2.2    数学表示

当传感器测量实验体从初始位姿到目的位姿的受力时，实验体与传感器的位姿变化可以通过一次位移直接实现，也可以通过一次位移和一次或两次转动实现。以一次位移和两次转动的实现为例，实现过程为：三维力传感器的初始坐标系B与XYZ三轴精密位移平台的坐标系A重合，首先将坐标系B绕y1，2轴旋转β角，再绕x2，3轴旋转α角，再将新坐标系沿坐标系A平移（x0，y0，z0），通过以上变换描述三维力传感器测试力的位姿变化。其矩阵表示为：

3 检测原理

基于三维力传感器设计的测量可变磁场中物体受多维度力的实验装置，可同时测量笛卡儿坐标系中3个垂直轴向上的力，不仅能完成拉压力的测量，还可对被测物体所受的横向力矩進行采集，使物体在可变磁场中所受的多维度力的测量更加便捷。三维力传感器相较传统拉压力传感器也更适合此实验装置的要求。

实验装置通过XYZ三轴精密位移平台调节电磁铁在X、Y、Z 3个方向的位置，使电磁铁与实验块的相对位置在一定范围内变化，如图1所示。精密手动双向角度位移工作台通过调节实验块相对于电磁铁的角度，三维力传感器通过非磁性的连接件与实验块连接，有效减少磁场对传感器的影响。三维力传感器测量电磁铁与被吸引实验块之间不同位置的拉力，电磁铁与开关型直流数控稳压电源连接，控制电磁铁的电压，配合XYZ三轴精密位移平台和精密手动双向角度位移工作台同时使用，使三维力传感器测量不同电压、不同距离和不同角度下被吸引实验块的受力。实验块连接件与三维力传感器之间使用过渡件连接，有效减小磁场对三维力传感器的影响。实验装置还需要调节XYZ三轴精密位移平台，使电磁铁与实验块同轴心，将三维力传感器与3个信号放大器连接，通过多通道显示仪表显示实验块所受的X轴、Y轴、Z轴力的数值，再通过计算机软件，对收集到的数据进行分析、处理、存储。

4 实验方案

实验装置安装完成后，调节XYZ三轴精密位移平台，使电磁铁与被测物体同轴心，将三维力传感器与3个信号放大器连接，通过多通道显示仪表显示被测物体所受的X轴、Y轴、Z轴力的数值，再通过计算机软件，对收集到的数据进行分析、处理、存储。电磁铁通过与开关型直流数控稳压电源连接，控制电磁铁的电流通断，手动调节电磁铁的电压值，完成磁场可变的条件。之后再通过调节电磁铁的电压、XYZ三轴精密位移平台、精密手动双向角度位移工作台，将测量得到的不同电压、不同位置、不同角度下的数据进行分析比对，完成可变磁场中物体的多维度受力的测量。

5 结语

本文设计了一种面向物体在磁场中受力测量的实验装置，利用三维力传感器、XYZ三轴精密位移平台和精密手动双向角度位移工作台，使该装置能够测量电磁铁在不同电压下与被吸引实验块之间的多维度受力，同时使用特殊过渡件降低传感器在磁场中的干扰。本文设计的这款实验装置使用了全新技术方案，使得装置具有测力维度多、测量精度高、安装方便等优点。

[参考文献]

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收稿日期：2020-11-10

作者简介：王浩然（1996—），男，山西临汾人，硕士研究生，研究方向：机器人关节。