CN106066188B - 一种搅拌子检测系统及其检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种搅拌子检测系统，该系统包括容器(1)、搅拌子(2)、磁力搅拌器(3)、光电管(4)和霍尔传感器(5)，其中，所述磁力搅拌器(3)包括永磁铁转盘(31)和转盘带动器(32)，所述光电管(4)设置于永磁铁转盘(31)的下方，所述霍尔传感器(5)设置于永磁铁转盘(31)的上方、搅拌子(2)的下方；所述系统可以用于搅拌子的运动状态的检测，检测方法包括以下步骤：步骤1、数据点同步采集，步骤2、相位差的获得，步骤3、角度差的获得，步骤4、根据角度差判断搅拌子的运动状态。该系统对搅拌子的运动状态进行实时检测，能够及时检测出“失步”现象的发生，并进行调整以进行正常搅拌。

Description

一种搅拌子检测系统及其检测方法

技术领域

本发明涉及实验设备领域，具体涉及一种磁力搅拌器，特别地，涉及一种搅拌子检测系统及其检测方法。

背景技术

搅拌器是一种使液体或气体介质强迫对流并均匀混合的器件，尤其在生物、化学、材料或物质分析等多个领域的实验中作为一种常用的实验装置，常用的搅拌器包括机械连杆搅拌器和磁力搅拌器，机械连杆搅拌器是搅拌零件与驱动电机旋转轴连在一起的结构，其不会发生“失步”现象。

磁力搅拌器是利用容器外部的旋转磁场带动磁性搅拌子旋转运动的，按生成旋转磁场的方法可分为两种：一种方法是用电机带动装着永磁铁的转盘，另一种方法是基于多个线圈生成不同相位的交变电流。相对于机械连杆搅拌器，磁力搅拌器有结构简单、体积小、对搅拌液体造成的污染较小等优点，但是，搅拌子在旋转过程中可能发生“失步”现象。发生失步现象的主要原因为搅拌子在旋转过程中受到的溶液阻力与搅拌子自身的惯性，导致搅拌子无法跟上或明显快于外部旋转磁场的旋转，出现不能转动或搅拌子飞出容器等现象。因此，“失步”现象对实验环境、实验结果、安全性等方面会造成各种影响。在现有技术中，为了避免出现搅拌子的“失步”现象，常用的策略是限制较低的外部旋转磁场转速，其转速是根据不同情况设定的，但是这种方法会导致搅拌溶液的混合均匀程度，甚至影响到实验、分析的结果。

由于上述原因，本发明人对现有的磁力搅拌器进行改进，提出一种搅拌子检测系统，可以检测搅拌子的运动状态，及时更正搅拌子的“失步”现象，使其进行正常搅拌，从而完成本发明。

发明内容

为了克服上述问题，本发明人进行了锐意研究，设计出一种搅拌子检测系统，该系统可以检测搅拌子的运动状态，及时检测到“失步”现象，并对“失步”现象进行自动更正，使其恢复正常运转。

具体来说，本发明的一方面在于提供一种搅拌子检测系统：

(1)一种搅拌子检测系统，其中，该系统用于检测搅拌子的运动状态，其包括容器1、搅拌子2、磁力搅拌器3、光电管4和霍尔传感器5，其中，

所述磁力搅拌器3包括永磁铁转盘31和转盘带动器32；

所述光电管4设置于永磁铁转盘31的下方，用于检测永磁铁转盘的起始位置；

所述霍尔传感器5设置于永磁铁转盘31的上方、搅拌子2的下方，且其到永磁铁转盘圆心的距离大于永磁铁转盘的半径，用于检测搅拌子和永磁铁转盘的磁场信号；

(2)根据上述(1)所述的系统，其中，

在所述永磁铁转盘31上安装有两块方向相反的永磁铁311，用于形成外部磁场，和/或

所述转盘带动器32为步进电机，所述步进电机包括驱动芯片，所述步进电机旋转一周所需要的脉冲数为N＝N_p·N_a·N_d，其中，N_p为步进电机的极对数，N_a为驱动芯片的换向节拍数，N_d为驱动芯片的细分步数；

(3)根据上述(1)或(2)所述的系统，其中，

所述霍尔传感器与信号放大电路连接形成霍尔信号放大电路，用于检测搅拌子与永磁铁转盘之间的磁场信号，其中，搅拌子产生的磁场为搅拌子磁场，永磁铁转盘产生的磁场为永磁铁转盘磁场；

所述信号放大电路用于放大霍尔传感器的输出信号，优选地，所述信号放大电路为电容交流耦合放大电路6；

本发明的另一方面在于提供一种检测搅拌子的运动状态的方法，具体体现在：

(4)利用上述(1)至(3)之一所述的系统检测搅拌子的运动状态的方法，其中，所述方法包括以下步骤：

步骤1、数据点同步采集，

步骤2、相位差的获得：所述相位差为与之间的相位差，

步骤3、角度差的获得：所述角度差为与之间的角度差，该角度差反映在步骤2获得的相位差中，即步骤2获得相位差反映角度差，

步骤4、根据角度差判断搅拌子的运动状态；

其中，为永磁铁转盘磁场，为搅拌子磁场，并且，与叠加后的磁场为 与的角度差记为θ_m；

(5)根据上述(4)所述的方法，其中，在步骤1中，步进电机在控制单元中计数到N_d个脉冲时发生一次中断，即在步进电机旋转一周中能采集N_p·N_a个数据点，所述数据点为x[n]，其中n＝1，2，…，N，所述N为数据采集次数；

(6)根据上述(4)或(5)所述的方法，其中，所述步骤2包括以下子步骤：

步骤2-1、的相位的获得，

步骤2-2、的相位的获得，

步骤2-3、相位差的获得：所述相位差为与之间的相位差；

(7)根据上述(4)至(6)之一所述的方法，其中，相位由式(1)-(3)获得：

其中，a表示磁场的余弦分量，b表示磁场的正弦分量，θ表示磁场的相位，x[n]为检测到的数据点，nω_s为采集数据对应的磁场旋转角度；

(8)根据上述(4)至(7)之一所述的方法，其中，

在步骤2-1中，为没有搅拌子情况下的检测的数据点，根据式(1)-(3)得到相应参数a₀、b₀以及θ₀，其中，a₀为永磁铁转盘磁场的余弦分量，b₀为永磁铁转盘磁场的正弦分量，θ₀为永磁铁转盘磁场的相位，θ₀反映永磁铁转盘相对于光电管的起始位置之间的偏移角度；和/或

在步骤2-2中，的相位由式(4)-(6)获得：

a₁＝a-a₀ 式(4)

b₁＝b-b₀ 式(5)

其中，a₂表示叠加后的磁场的余弦分量，b₂表示叠加后的磁场的正弦分量，a₁为搅拌子磁场的余弦分量，b₁为搅拌子磁场的正弦分量，θ₁为搅拌子磁场的相位；

(9)根据上述(4)至(8)之一所述的方法，其中，在步骤2-3中，所述相位差由式(7)获得：

Δθ＝θ₁-θ₀ 式(7)

其中，Δθ为相位差，所得相位差反映搅拌子磁场与永磁铁转盘磁场的角度差，记为θ_m；

(10)根据上述(4)至(9)之一所述的方法，其中，在步骤4中，根据角度差(θ_m)判断搅拌子的运动状态：

当角度差(θ_m)为一固定值时，搅拌子随着永磁铁转盘进行匀速转动，

当角度差(θ_m)为一变化值时，搅拌子的转动跟不上或大于永磁铁转盘的转动，发生失步现象。

附图说明

图1示出根据本发明一种优选实施方式的搅拌子检测系统的结构示意图；

图2示出根据本发明一种优选实施方式的永磁铁转盘与搅拌子周围磁场示意图；

图3示出根据本发明一种优选实施方式的搅拌子在均匀磁场中受力矩示意图；

图4示出根据本发明一种优选实施方式的霍尔信号方法电路示意图；

图5示出根据本发明一种优选实施方式的永磁铁转盘磁场与搅拌子磁场矢量叠加示意图。

附图标号说明：

1-容器

2-搅拌子

3-磁力搅拌器

31-永磁铁转盘

32-转盘带动器

4-光电管

5-霍尔传感器

6-电容交流耦合放大电路

具体实施方式

下面通过附图和实施例对本发明进一步详细说明。通过这些说明，本发明的特点和优点将变得更为清楚明确。

其中，尽管在附图中示出了实施例的各种方面，但是除非特别指出，不必按比例绘制附图。

根据本发明提供的一种搅拌子检测系统，该系统用于检测搅拌子的运动状态，如图1所示，其包括容器1、搅拌子2、磁力搅拌器3、光电管4和霍尔传感器5，其中，所述磁力搅拌器3包括永磁铁转盘31和转盘带动器32，所述光电管4设置于永磁铁转盘31的下方，用于检测永磁铁转盘的起始位置，所述霍尔传感器5设置于永磁铁转盘31的上方、搅拌子2的下方，且其到永磁铁转盘圆心的距离大于永磁铁转盘的半径，用于检测搅拌子和永磁铁转盘的磁场信号。

根据本发明一种优选的实施方式，如图2所示，在所述永磁铁转盘31上安装有两块方向相反的永磁铁311，用于形成外部磁场，搅拌子也是一个永磁铁，因此在永磁铁转盘磁场的作用下，搅拌子的方向转向为转盘生成磁场的平行方向，其中，在转盘不旋转情况下搅拌子所受的力为重力、外部磁场吸引力和容器的支持力，在转盘旋转过程中所受的力是重力、外部磁场吸引力、容器的支持力、溶液的阻力，其中，在图2中，N表示磁场的N极，S表示磁场的S极。

根据本发明一种优选的实施方式，如图2所示，当永磁铁转盘不旋转时搅拌子平行于永磁铁转盘生成的外部磁力线，并不存在任何力矩成分。但是，如图3所示，当永磁铁转盘旋转时，搅拌子与外部磁场生成一定角度，记外部磁场为在搅拌子上会产生一定的力矩，搅拌子开始转动。

其中，产生角度后搅拌子转动，再产生角度搅拌子再转动，往复，使得搅拌子做匀速运动，其产生的角度也几乎相等；但是当容器内阻力过大，大于搅拌子的力矩时，搅拌子的转动就会受限制，转动迟钝或停止转动，而此时永磁铁转盘在继续转动，搅拌子跟不上永磁铁转盘的转动，其产生的角度变化不定，产生“失步”现象；或者，当搅拌子的转动惯性过大时，搅拌子转动过快于永磁铁转盘的转动，甚至搅拌子转动时会飞出搅拌体系，此时，其产生的角度变化不定，同样发生“失步”现象。

因此，根据上述原理，可以通过搅拌子磁场与永磁铁磁场的角度变化来检测搅拌子的运动状态。

根据本发明一种优选的实施方式，所述转盘带动器32为步进电机，所述步进电机包括驱动芯片。

在进一步优选的实施方式中，所述步进电机旋转一周所需要的脉冲数为N＝N_p·N_a·N_d，其中，N_p为步进电机的极对数，N_a为驱动芯片的换向节拍数，N_d为驱动芯片的细分步数。

根据本发明一种优选的实施方式，如图4所示，所述霍尔传感器5与信号放大电路连接形成霍尔信号放大电路，用于检测搅拌子与永磁铁转盘之间的磁场信号。

其中，搅拌子产生的磁场为搅拌子磁场，永磁铁转盘产生的磁场为永磁铁转盘磁场。

在进一步优选的实施方式中，为了在放大霍尔传感器的输出信号的同时，抑制放大电路对信号的影响，采用电容交流耦合放大电路6。

其中，为了减少交流耦合对交变信号的影响，信号放大电路输入级的电阻与电容的时间常数大于搅拌子最慢转速下的旋转周期。

本发明另一方面提供了一种利用上述系统对搅拌子的运动状态进行检测的方法，该方法包括以下步骤：

步骤1、数据点同步采集；

步骤2、相位差的获得：所述相位差为与之间的相位差；

步骤3、角度差的获得：所述角度差为与之间的角度差(θ_m)，该角度差反映在步骤2获得的相位差中，即步骤2获得相位差反映角度差(θ_m)；

步骤4、根据角度差判断搅拌子的运动状态；

其中，为永磁铁转盘磁场，为搅拌子磁场，并且，与叠加后的磁场为 与的角度差记为θ_m。

根据本发明一种优选的实施方式中，步进电机在控制单元中计数到N_d个脉冲时发生一次中断，即在步骤1中，在步进电机旋转一周中能采集N_p·N_a个数据点，所述数据点为叠加的磁场的信号数据，记为x[n]，其中n＝1、2、…、N，所述N为数据采集次数。

其中，数据采集的起始点是通过系统中光电管产生的信号确定。

根据本发明一种优选的实施方式，步骤2包括以下子步骤：

步骤2-1、永磁铁转盘磁场的相位的获得；

步骤2-2、搅拌子磁场的相位的获得；

步骤2-3、相位差的获得：所述相位差为搅拌子磁场与永磁铁转盘磁场之间的相位差。

根据本发明一种优选的实施方式，相位由式(1)-(3)获得：

其中，a为磁场的余弦分量，表示磁场在坐标系水平方向的幅度，b为磁场的正弦分量，表示磁场在坐标系垂直方向的幅度，θ为磁场的相位，x[n]为检测到的数据点，ω_s为磁场旋转角速度，nω_s表示为采集数据对应的磁场旋转角度。

根据本发明一种优选的实施方式，在步骤2-1中，为没有搅拌子情况下的永磁铁转盘磁场，即n＝1时检测的起始数据点，根据式(1)-(3)得到相应参数a₀＝x[1]·cos(nω_s)、b₀＝x[1]·sin(nω_s)以及θ₀，其中，所得到的θ₀为永磁铁转盘磁场的相位，θ₀反映永磁铁转盘相对于光电管的起始位置之间的偏移角度。

根据本发明一种优选的实施方式，在步骤2-2中，所述搅拌子磁场的相位由式(4)-(6)获得：

a₁＝a₂-a₀ 式(4)

b₁＝b₂-b₀ 式(5)

其中，a₂表示叠加后的磁场的余弦分量，b₂表示叠加后的磁场的正弦分量，a₁为搅拌子磁场的余弦分量，b₁为搅拌子磁场的正弦分量，θ₁为搅拌子磁场的相位。

根据本发明一种优选的实施方式，在步骤2-3中，所述相位差由式(7)获得：

Δθ＝θ₁-θ₀ 式(7)

其中，Δθ为相位差，所述相位差反映搅拌子磁场与永磁铁转盘磁场的角度差(θ_m)。

根据本发明一种优选的实施方式，在步骤3中，如图5所示，根据步骤2得到的相位差来反映角度差(θ_m)，所述角度差为与之间的角度差。

根据角度差(θ_m)判断搅拌子的运动状态：

当角度差(θ_m)为一固定值时，说明搅拌子的转动紧随永磁铁转盘的转动，两者几乎同步旋转，搅拌子随着永磁铁转盘进行匀速转动，无“失步”现象发生；

当角度差(θ_m)为一变化值时，说明搅拌子的转动与永磁铁转盘的转动不一致，搅拌子的转动跟不上永磁铁转盘的转动或快于永磁铁转盘的转动，发生失步现象。

当所述系统检测到搅拌子发生“失步”现象时，系统会自动降低永磁铁转盘的转速，以使搅拌子恢复正常转动，具体如下：

当搅拌子受外部阻力或其它因素影响而跟不上转盘的转动时，发生“失步”现象，所述系统检测到该“失步”现象，会自动降低永磁铁转盘的转速，当其转速与搅拌子的转速几乎一致时，系统再慢慢提高转盘的转速，使搅拌子跟随转盘重新运转；

当搅拌子受转动惯性或其它因素影响而快于转盘的转动时，发生“失步”现象，所述系统检测到该“失步”现象，会自动降低永磁铁转盘的转速，此时，搅拌子也会逐渐减速，直至其转速与永磁铁转盘的转速几乎一致时，系统再慢慢提高转盘的转速，使搅拌子跟随转盘重新运转。

本发明所具有的有益效果包括：

(1)本发明所提供的系统结构简单，容易实现；

(2)本发明所提供的系统能够实时检测搅拌子的运动状态；

(3)本发明所提供的系统能够及时检测出“失步”现象的发生，并及时调整搅拌子的运动状态使其恢复正常转动；

(4)本发明提供了一种检测搅拌子运动状态的方法，该方法步骤简单，检测准确。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于本发明工作状态下的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

以上结合了优选的实施方式对本发明进行了说明，不过这些实施方式仅是范例性的，仅起到说明性的作用。在此基础上，可以对本发明进行多种替换和改进，这些均落入本发明的保护范围内。

Claims (11)

1.一种搅拌子检测系统，其特征在于，该系统用于检测搅拌子的运动状态，其包括容器(1)、搅拌子(2)、磁力搅拌器(3)、光电管(4)和霍尔传感器(5)，其中，

所述磁力搅拌器(3)包括永磁铁转盘(31)和转盘带动器(32)；

所述光电管(4)设置于永磁铁转盘(31)的下方，用于检测永磁铁转盘的起始位置；

所述霍尔传感器(5)设置于永磁铁转盘(31)的上方、搅拌子(2)的下方，且其到永磁铁转盘(31)的圆心的距离大于永磁铁转盘的半径，用于检测搅拌子(2)和永磁铁转盘(31)的磁场信号。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，

在所述永磁铁转盘(31)上设置有两块方向相反的永磁铁(311)，用于形成外部磁场，和/或

所述转盘带动器(32)为步进电机，所述步进电机包括驱动芯片，所述步进电机旋转一周所需要的脉冲数为N＝N_p·N_a·N_d，其中，N_p为步进电机的极对数，N_a为驱动芯片的换向节拍数，N_d为驱动芯片的细分步数。

3.根据权利要求1或2所述的系统，其特征在于，

所述霍尔传感器(5)与信号放大电路连接形成霍尔信号放大电路，用于检测搅拌子与永磁铁转盘之间的磁场信号，其中，搅拌子产生的磁场为搅拌子磁场，永磁铁转盘产生的磁场为永磁铁转盘磁场；

所述信号放大电路用于放大霍尔传感器的输出信号。

4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述信号放大电路为电容交流耦合放大电路(6)。

5.利用权利要求1所述的系统检测搅拌子的运动状态的方法，其中，所述方法包括以下步骤：

步骤1、数据点同步采集；

步骤2、相位差的获得：所述相位差为与之间的相位差；

步骤3、角度差的获得：所述角度差为与之间的角度差，该角度差反映在步骤2获得的相位差中，即步骤2获得相位差反映角度差；

步骤4、根据角度差判断搅拌子的运动状态；

其中，为永磁铁转盘磁场，为搅拌子磁场，并且，与叠加后的磁场为

6.根据权利要求5所述的方法，其中，在步骤1中，步进电机在控制单元中计数到N_d个脉冲时发生一次中断，即在步进电机旋转一周中能采集N_p·N_a个数据点，所述数据点为的信号数据，记为x[n]，其中n＝1、2、…、N，所述N为数据采集次数。

7.根据权利要求5所述的方法，其中，所述步骤2包括以下子步骤：

步骤2-1、的相位的获得；

步骤2-2、的相位的获得；

步骤2-3、相位差的获得：所述相位差为与之间的相位差。

8.根据权利要求5至7之一所述的方法，其中，相位由式(1)-(3)获得：

其中，a表示磁场的余弦分量，b表示磁场的正弦分量，θ表示磁场的相位，x[n]为检测到的数据点，nω_s为采集数据对应的磁场旋转角度。

9.根据权利要求7所述的方法，其中，

在步骤2-1中，根据式(1)-(3)得到相应参数a₀、b₀以及θ₀，其中，a₀为永磁铁转盘磁场的余弦分量，b₀为永磁铁转盘磁场的正弦分量，θ₀为永磁铁转盘磁场的相位，θ₀反映永磁铁转盘相对于光电管的起始位置之间的偏移角度；和/或

在步骤2-2中，的相位由式(4)-(6)获得：

a₁＝a₂-a₀ 式(4)

b₁＝b₂-b₀ 式(5)

其中，a₂表示叠加后的磁场的余弦分量，b₂表示叠加后的磁场的正弦分量，a₁为搅拌子磁场的余弦分量，b₁为搅拌子磁场的正弦分量，θ₁为搅拌子磁场的相位。

10.根据权利要求7所述的方法，其中，在步骤2-3中，所述相位差由式(7)获得：

Δθ＝θ₁-θ₀ 式(7)

其中，Δθ为相位差，所得相位差反映搅拌子磁场与永磁铁转盘磁场的角度差。

11.根据权利要求5所述的方法，其中，在步骤4中，根据角度差判断搅拌子的运动状态：

当角度差为一固定值时，搅拌子随着永磁铁转盘进行匀速转动；

当角度差为一变化值时，搅拌子的转动慢于或快于永磁铁转盘的转动，发生失步现象。