CN103728912B - 一种感应热泡式水下微型驱动器的控制与测试系统 - Google Patents

Abstract

一种感应热泡式水下微型驱动器的控制与测试系统，属于微执行器的控制与测试领域。采用高频脉冲发生器作为高频电源输出高频交流电压脉冲信号，该交流电压信号脉冲经功率放大器放大后，经由快速响应固态继电器传给微型驱动器加热线圈；可编程控制器控制信号输出端与快速响应固态继电器相连，利用输出控制信号可以定时控制继电器的通断状态，进而实现控制微型驱动器工作时所需加热时间与间歇时间；水下微型驱动器运动过程采用位移标定装置进行标定，可编程控制器与计算机相连，直接控制高速摄像机。本发明可以实现对感应热泡式微型驱动器运动的精确控制与性能检测。

Description

一种感应热泡式水下微型驱动器的控制与测试系统

技术领域

本发明是一种感应热泡式水下微型驱动器的控制与测试系统，具体为采用现代电子控制方法与电路设计技术制作一种应用于感应热泡式水下微型驱动器运动控制与测试系统，该控制与测试系统可以实现对水下微型驱动器运动精确控制，并采用高速摄像机采集信息与位移标定的方法来检测水下微型驱动器的运动性能，属于微执行器的控制与测试领域。

背景技术

基于现代微细加工技术研制的水下微型执行器，例如水下微型机器人、机器鱼等，在进行水下探测领域具有重要的应用。微型驱动器是水下微型执行器重要组成部分，为其提供动力的来源。微型驱动器性能的好坏直接影响水下微型执行器正常的工作，因此，微型驱动器应该具备良好的可靠性与稳定性。感应热泡式水下微型驱动器是一种新型的驱动装置，在水下微型智能探测领域有广阔的应用前景。为了实现对该水下微型驱动器运动的精确控制与性能检测，本发明提出一种适用于感应热泡式水下微型驱动器的控制与测试系统。

发明内容

本发明的目的在实现对感应热泡式微型驱动器运动的精确控制与性能检测。感应热泡式水下微型驱动器利用感应加热原理与热泡式驱动方法研制而成，主要依靠气泡爆破产生的压力脉冲获得前进的驱动力。该水下微型驱动器运动性能主要取决于感应加热所需电源参数，如：功率、频率、加热时间与间歇时间等。控制系统主要由可编程控制器、快速响应固态继电器、高频脉冲发生器组成与功率放大器组成，可以通过设置不同加热参数来改变微型驱动器工作状态，进而实现运动的精确控制；检测系统主要由高速摄像机、计算机与位移标定装置组成，可以通过测试水下微型驱动器运动稳定性与速度大小，检测其运动性能。

本发明采用如下技术方案：

一种感应热泡式水下微型驱动器控制与测试系统，其包括计算机5、高速摄像机1、可编程控制器4、快速响应固态继电器3、高频脉冲发生器6、功率放大器7、标准电阻箱2、微型驱动器9、玻璃水池8、高精度刻度尺10，其特征在于：高频脉冲发生器6输出脉冲信号经功率放大器7放大后，传给快速响应固态继电器3的被控制端，微型驱动器9与标准电阻箱2串联后作为被控制对象与快速响应固态继电器3的被控制端连接，可编程控制器4控制信号输出端与继电器3控制信号输入端相连，控制信号可以定时控制继电器3的通断状态，进而精确控制负载电路通断状态；可编程控制器4通过数据线与计算机5相连，可以从计算机5获得控制程序与工作所需电源，并可以通过计算机5与高速摄像机1相连直接控制高速摄像机1的工作状态，高速摄像机1监控微型驱动器9的运动状态，具体为当微型驱动器9开始运动时，计算机5给高速摄像机1启动触发信号，使高速摄像机1开始采集运动信息，当微型驱动器9停止运动时，控制高速摄像机1停止采集信息工作；

高速摄像机1与计算机5连接，采集微型驱动器9在玻璃水池8中的运动过程，并将采集运动信息储存于计算机5中，高精度刻度尺10放置于玻璃水池8的底部，用于标定微型驱动器9的运动位移；

所述微型驱动器9为感应热泡式微型驱动器，其包括注水口11、感应线圈12、加热芯13、壳体14与喷水口15，微型驱动器9的两端分别设置有用于水流进入和喷射的注水口11和喷水口15，在微型驱动器9外壁上缠绕有感应线圈12；微型驱动器9的工作动力主要来源于感应加热与热泡式驱动，具体为给感应线圈12通入高频交流脉冲，线圈12周围产生高频交变磁场，加热芯13位于线圈12所产生的磁场中，加热芯13在变化磁场中内部就会产生电涡流，由于电涡流的热效应，加热芯13温度迅速上升，加热芯13周围的水在高温下迅速汽化，产生气泡18，迅速膨胀近1000倍，汽、液混合体爆破式喷射作为驱动力，使微型驱动器9产生向前的运动。

所述微型驱动器9采用高频脉冲电源，该电源采用高频脉冲发生器6产生功率与频率可调的信号脉冲，该信号脉冲经功率放大器7放大后，再通过固态继电器3传给微型驱动器9的感应线圈12。

所述标准电阻箱2，主要用来保护电路，保证微型驱动器9正常工作。

所述微型驱动器9实验控制系统采用固态继电器3控制电磁感应线圈12通断状态；通过可编程控制器4定时控制固态继电器3的通断状态，控制高频脉冲电源供给电磁感应线圈(12)的导通时间t1和间断时间t2，进而精确控制电磁感应线圈(12)的工作时加热时间和间歇时间；

所述的高频脉冲导通的时间是t1，间断的时间是t2，电压是U；高频脉冲的频率可选为10kHz～1MHz，t1可设为100ms～500ms,t2可设为300ms～600ms，电压U可设计为3V～12V。

所述微型驱动器9运动信息采集装置，采用高速摄像机1采集微型驱动器9运动过程，并由计算机5对采集的运动信息进行储存。

所述微型驱动器9运动位移标定装置，主要采用高精度刻度尺10放置于玻璃水池8底下，用于标定微型驱动器9实验中运动位移，从而进一步研究其运动特性。

本发明可以获得如下有益效果和特点：1）本发明控制与测试系统，操作方便，控制精度高，可靠性好；2）控制系统可以通过设置不同的加热参数，如功率、频率与加热时间等，直接改变微型驱动器的运动性能；3)测试系统采用位移标定的方法，可以全面测试微型驱动器运动的稳定性与速度大小。

附图说明

图1：本发明的实验系统示意图；

图2：本发明微型驱动器结构示意图；

图3：本发明使用脉冲波形示意图；

图4：本发明微型驱动器实验运动标定方法；

图5：本发明微型驱动器的工作过程示意图一；

图6：本发明微型驱动器的工作过程示意图二；

图7：本发明微型驱动器的工作过程示意图三；

图8：本发明微型驱动器的工作过程示意图四；

图中：1.高速摄像机，2.标准电阻箱，3.继电器，4.可编程控制器，5.计算机，6.脉冲发生器，7.功率放大器，8.玻璃水池，9.微型驱动器，10.刻度尺，11.注水口,12.线圈，13.加热芯，14.驱动器壳体，15.喷水口，16.线圈引线一，17.线圈引线二，18.气泡。

具体实施方式：

结合附图1-2，感应热泡式水下微型驱动器控制与测试系统采用现代电子控制与电路制作技术设计与建立。高频脉冲发生器6的脉冲信号输出端与功率放大器7信号输入端连接，该脉冲信号经功率放大器7放大后由信号输出端通过导线传给继电器3控制端，微型驱动器9与标准电阻箱2串联后与继电器3控制端连接，作为继电器3控制对象；可编程控制器4通过数据线与计算机5相连，可以从计算机5获得控制程序与工作所需电源，并可以通过计算机5直接控制高速摄像机1的工作状态，即，当微型驱动器9开始运动时，给高速摄像机1启动触发信号，使其开始采集运动信息，当微型驱动器9停止运动时，控制高速摄像机1停止工作，可编程控制器4控制信号输出端与继电器3控制信号输入端相连，控制信号可以定时控制继电器3的通断状态，进而精确控制负载电路通断状态；测试系统部分由高速摄像机1、计算机5、玻璃水池8与高精度刻度尺10组成，高精度刻度尺10放置于玻璃水池8底部，测试时，微型驱动器9放置在盛有水的玻璃水池8中，采用高精度刻度尺10标定其在实验中运动的位移，由高速摄像机1采集其运动信息，高速摄像机1与计算机5通过数据线相连，将采集的信息储存于计算机5中。

附图3：本发明控制电路波形示意图，脉冲发生器6在接通电源的情况下输出电压、频率一定的连续方波电压信号脉冲V1，控制器4由控制程序控制继电器3的通断，输出通断电压信号脉冲V0，交流电路导通加热时间是t1，电路切断停止加热的时间是t2，加热电压是U。

附图4：本发明微型驱动器运动测试的标定方法，高精度刻度尺10放置于玻璃水池8底部，用来标定微型驱动器9在不同时刻t的位移S_i（i=0,1,2,3……），由高速摄像机1与计算机5记录并储存微型驱动器9运动过程，根据录制实验过程，研究微型驱动器9运动的稳定性、速度与加热参数包括电源频率、功率、加热时间等的关系。

根据微型驱动器9在不同时刻t时位移S_i（i=0,1,2,3……），绘制位移S与时间t的关系曲线，其曲线斜率变化表示微型驱动器的运动的稳定性；改变加热参数大小，使微型驱动器9均向前行走位移S，记录所用时间t，由式（1），计算微型驱动器的平均速度v，进而研究影响其速度变化的因素。

$v=\frac{S}{t}---\left(1\right)$

本发明中所涉及感应热泡式微型驱动器的工作过程，如下所示：

（a）如图5所示：微型驱动器处于初始状态，完全置于水中，其腔内充满水；

（b）如图6所示：当给线圈12通入高频电压加热信号时，线圈周围产生高频交变磁场，加热芯13处于交变的磁场中，其内部就会产生涡流。由于涡流加热效应，使加热芯13温度迅速升高，加热芯13周围的水在高温下迅速汽化，发生相变，生成气泡18；

（c）如图7所示：随着加热时间的增加，气泡18迅速膨胀变大，向微细玻璃管14轴向的两个方向挤压液体，管内压力瞬时升高，由于开口半径的区别，水在注水口11处阻力远远大于在喷水口15处的阻力，腔体内的水瞬间从喷水口15喷出，微型驱动器9获得相互的反作用力，向前运动；

（d）如图8所示：断电停止加热后，受周围液体的冷却，气泡18体积迅速缩小，直至消失，腔体内压力迅速降低，在外界压力作用下，玻璃水池8中的水，重新装入微型驱动器9腔体内，恢复初始状态，等待下一次运动。

由以上步骤（a）（b）（c）（d）循环进行，从而实现微型驱动器持续向前运动。

使用方法

本发明控制系统主要通过可编程控制器4向继电器3发送控制信号V0来实现对微型驱动器工作中所需加热时间t1与间歇时间t2精确控制功能。所述可编程控制器4可选用PLC或单片机等控制器，该控制器可以通过计算机5获得由相应的编程软件编写的控制程序，以实现对加热时间t1与间歇时间t2的定时控制。

本发明可以通过高频脉冲发生器6设置微型驱动器9工作时感应加热所需高频交流脉冲V1的功率与频率的大小，并通过可编程控制器合理配置加热时间t1与间歇时间t2，以改变水下微型驱动器9运动的稳定性与速度的大小。

本发明测试系统，采用高速摄像机1采集信息与位移标定的方法来检测水下微型驱动器9的运动性能。将高精度刻度尺10放置于玻璃水池8底部，用来标定微型驱动器9在不同时刻t的位移S_i（i=0,1,2,3……），由高速摄像机1与计算机5记录并储存微型驱动器9运动过程，根据录制实验过程，研究微型驱动器9运动的稳定性、速度与加热参数包括电源频率、功率、加热时间等的关系。

根据微型驱动器9在不同时刻t时位移S_i（i=0,1,2,3……），绘制位移S与时间t的关系曲线，其曲线斜率变化表示微型驱动器的运动的稳定性：

（1）所绘制位移S与时间t的关系曲线的斜率为一个恒定值，即位移S随时间t变化呈线性变化，可说明微型驱动器9运动具有稳定性；

（2）所绘制位移S与时间t的关系曲线的斜率为一个变量，且变化幅度比较大，即位移S随时间t变化呈非线性变化，可说明微型驱动器9运动稳定性差。

采用控制变量法，分别研究微型驱动器9运动速度与加热参数包括电源频率、功率、加热时间等的关系。在测试中，固定其中任意两个参数，改变第三个参数大小，使微型驱动器9在不同条件的均向前运动位移S，记录所用时间t，由式计算其平均速度v，并绘制速度v与控制变量的关系曲线，根据该曲线的变化研究微型驱动器9与该参数的关系。

以上为本发明的一个优选实施例，但是本发明的内容不仅仅局限于此。

Claims (6)

1.一种感应热泡式水下微型驱动器控制与测试系统，其特征在于：其包括计算机(5)、高速摄像机(1)、可编程控制器(4)、快速响应固态继电器(3)、高频脉冲发生器(6)、功率放大器(7)、标准电阻箱(2)、微型驱动器(9)、玻璃水池(8)、刻度尺(10)；其特征在于：高频脉冲发生器(6)输出脉冲信号经功率放大器(7)放大后，传给快速响应固态继电器(3)的被控制端，微型驱动器(9)与标准电阻箱(2)串联后作为被控制对象，被控制对象与快速响应固态继电器(3)的被控制端连接，可编程控制器(4)控制信号输出端与快速响应固态继电器(3)控制信号输入端相连，控制信号能够定时控制快速响应固态继电器(3)的通断状态，进而精确控制负载电路通断状态；可编程控制器(4)通过数据线与计算机(5)相连，能够从计算机(5)获得控制程序与工作所需电源，并能够通过计算机(5)与高速摄像机(1)相连直接控制高速摄像机(1)的工作状态，高速摄像机(1)监控微型驱动器(9)的运动状态，具体为当微型驱动器(9)开始运动时，计算机(5)给高速摄像机(1)启动触发信号，使高速摄像机(1)开始采集运动信息，当微型驱动器(9)停止运动时，控制高速摄像机(1)停止采集信息工作；

高速摄像机(1)与计算机(5)连接，采集微型驱动器(9)在玻璃水池(8)中的运动过程，并将采集运动信息储存于计算机(5)中，刻度尺(10)放置于玻璃水池(8)的底部，用于标定微型驱动器(9)的运动位移；

所述微型驱动器(9)为感应热泡式微型驱动器，其包括注水口(11)、感应线圈(12)、加热芯(13)、壳体(14)与喷水口(15)，微型驱动器(9)的两端分别设置有用于水流进入和喷射的注水口(11)和喷水口(15)，在微型驱动器(9)外壁上缠绕有感应线圈(12)；微型驱动器(9)的工作动力主要来源于感应加热与热泡式驱动，具体为给感应线圈(12)通入高频交流脉冲，感应线圈(12)周围产生高频交变磁场，加热芯(13)位于感应线圈(12)所产生的磁场中，加热芯(13)在变化磁场中内部就会产生电涡流，由于电涡流的热效应，加热芯(13)温度迅速上升，加热芯(13)周围的水在高温下迅速汽化，产生气泡(18)，迅速膨胀1000倍，汽、液混合体爆破式喷射作为驱动力，使微型驱动器(9)产生向前的运动。

2.根据权利要求1所述的一种感应热泡式水下微型驱动器控制与测试系统，其特征在于：所述微型驱动器(9)采用高频脉冲电源，该电源采用高频脉冲发生器(6)产生功率与频率可调的信号脉冲，该信号脉冲经功率放大器(7)放大后，再通过快速响应固态继电器(3)传给微型驱动器(9)的感应线圈(12)。

3.根据权利要求1所述的一种感应热泡式水下微型驱动器控制与测试系统，其特征在于：所述标准电阻箱(2)，主要用来保护电路，保证微型驱动器(9)正常工作。

4.根据权利要求1所述的一种感应热泡式水下微型驱动器控制与测试系统，其特征在于：微型驱动器(9)实验控制系统采用快速响应固态继电器(3)控制感应线圈(12)通断状态；通过可编程控制器(4)定时控制快速响应固态继电器(3)的通断状态，控制高频脉冲电源供给感应线圈(12)的导通时间t1和间断时间t2，进而精确控制感应线圈(12)的工作时加热时间和间歇时间；

所述的高频脉冲导通的时间是t1，间断的时间是t2，电压是U；高频脉冲的频率选为10kHz～1MHz，t1设为100ms～500ms,t2设为300ms～600ms，电压U设计为3V～12V。

5.根据权利要求1所述的一种感应热泡式水下微型驱动器控制与测试系统，其特征在于：微型驱动器(9)运动信息采集装置采用高速摄像机(1)采集微型驱动器(9)运动过程，并由计算机(5)对采集的运动信息进行储存。

6.根据权利要求1所述的一种感应热泡式水下微型驱动器控制与测试系统，其特征在于：微型驱动器(9)运动位移标定装置，主要采用刻度尺(10)放置于玻璃水池(8)底下，用于标定微型驱动器(9)实验中运动位移，从而进一步研究其运动特性。