基于旋转多普勒及磁效应的定位与控制方法研究
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摘 要：对液体中物体的位置的测量在物理上一直有不同的方法。本实验是在模拟微重力的环境下，基于旋转多普勒效应对液体中的“气包”的三维位置进行测量，并利用电磁场对磁性物质的作用力控制气包的运动。运用特殊点和空间几何各物理量相互转换的基本思想，精确利用测量数据计算出液体中“气包”的三维坐标，同时利用激光扫描方法实现对气包大小的测量。
关键词：多普勒效应;定位;运动控制
在微重力条件下，由密度差所造成的浮力消失，液体主要受表面张力的作用。所以悬浮在空间的水包呈球形或近似球形，并且在水球内的气泡也呈球形或近似球形。在本次实验设计方案中，将气液界面测量的问题提取出来，以“气包”代替太空中的“水包”，以自由液体环境代替失重的真空，控制气包悬浮，通过近似模拟太空微重力环境，探究液体中的“气包”运动轨迹并实现三维定位、自由控制、大小测量等功能。
1 基于旋转多普勒的三维空间水下“气包”定位基本原理
提取接收器作匀速圆周运动时在一周内分别接收到信号频率的不变值、最大值和最小值的位置信息，就可以确定定位点在定位区域内的位置，这就是所谓的多普勒测向原理，也就是我们水声定位系统进行水下目标定位的基本原理。
本实验通过超声波的多普勒效应原理，实现了气包定位功能。由于圆周运动实现多普勒精确定位时，圆盘转动一圈仅需用0.342466s便可采集到实验所需数据，所需时间极短。在实验后期我们可以制作一个程序即时采集每个点的位置，于是在气包运动的状态下，在实验可容许的误差范围内，我们通过旋转多普勒定位方法，不断提取实验数据求得气包的实时位置，由点及线，描绘出气包的运动轨迹曲线，实现对气包运动轨迹的跟踪。
2 利用电磁场实现对液体中“气包”控制基本原理
当电流通过导线时，会在导线的周围产生磁场。应用这性质，将电流通过螺线管时，则会在螺线管之内制成均匀磁场，而在螺线管的两端则会有有向磁场。电磁铁所产生的磁场强度与电流大小、线圈匝数，中心的铁磁体以及距离和位置有關。通过调节电流的大小以及电磁铁吸引端与小球的距离，来改变电磁铁对气包的作用力，实现对气包的运动轨迹调控。
本实验的电磁铁铁芯材料为铁镍合金。比起硅钢材料做成的铁芯，铁镍合金的磁导率比较高，含Ni78%的铁镍合金在弱磁场中的磁导率比硅钢高约10～20倍。所以用铁镍合金材料的铁芯做成的电磁铁磁性会更强。电磁铁的线圈用漆包铜线绕成，铜线通电、有弹性可绕成任意形状，本实验选用直径为0.44mm的漆包铜线用于制作电磁铁，每一个铁芯外面紧紧绕有4层漆包铜线，以保证有足够的匝数，从而保证有足够强的磁力。
通过调节通过两个电磁铁的电流I1、I2的大小和电磁铁与气包的距离来控制电磁铁对气包的作用力大小，从而使气包所受的合力方向指向目标位置。由于小球的运动具有惯性，在气包运动过程中，通过不断地控制两端电磁铁的电路通断，使气包最终在目标位置做往返距离趋于0的运动，直至稳定停留在目标位置。
在实际的工作过程中，每隔一定时间（较短），通过多普勒定位不断提取气包的实时位置，并及时调整工作的电磁铁的工作电流比例以使气包在运动过程中位置变化后不断地调整所受合力方向始终指向目标位置，使气包能向指向准确的方向以较慢的速度运动到目标位置。
3 激光扫描气包边缘测量大小原理及实现方法分析
本实验使两个平行光管处于水平面上离球体一定距离的位置①上，再分别向不透明球体靠近，直到激光束刚好能通过，此时激光束处于与球体相切的位置②上，在与光管相对的水缸壁上可以看见光斑。此时两个平行光管的距离有可能是直径D，也有可能是某一条弦长，需要进一步确定。
将激光束垂直往上和往下微微移动，若光斑始终存在，则此时平行光之间的距离就是球的直径D;若光斑消失了，如图中③的位置，则将光管稍微往两边移动，然后再继续往下（或往上），直至光斑重新出现在水缸壁上为止，此时就是图中④的位置，则平行光之间的距离就是球的直径D。再将两个平行光射在玻璃缸上的光斑描出来，用精密测量工具测出长度即可得到球的直径，进而求出大小。
4 总结
传统方法在对水下目标进行跟踪定位时存在的缺点是受信道影响大存在多途干扰问题，而且一般需要几个接收器。本实验在传统运用超声波定位的方法上做出改进，根据声波的多普勒效应，仅利用一个接收器，加之很好地运用变量控制、几何转化的思想，只需测量时间数据即可巧妙地实现“气包”的三维定位。
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基金项目：齐鲁理工学院2018年教学改革研究项目：应用型高校大学物理实验教学改革（JG201858）
作者简介：王学文（1994-），男，硕士研究生，研究方向：物理教学。
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