CN108037700A - 一种磁流体控制方法 - Google Patents

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张志维
程知群
张煜心
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Abstract

本发明公开了一种磁流体控制方法，包括以下步骤：步骤S1：将多个电磁铁设置为电磁铁阵列；步骤S2：通过控制每个电磁铁的状态变化使电磁铁阵列产生变化的空间磁场；步骤S3：利用电磁铁阵列产生的空间磁场使设置在该磁场范围中的磁流体呈现相应的空间分布。与现有技术相比较，本发明利用电磁铁阵列可以轻松实现对磁流体行为的控制，同时本发明所采用的电路结构简单，所需电路元器件较为容易获得，且成本低。

Description

一种磁流体控制方法
技术领域
本发明属于磁流体控制技术领域，具体涉及一种磁流体控制方法。
背景技术
如今，随着纳米材料科学的迅猛发展，纳米级的磁性材料的应用越来越广泛。其中，以Fe3O4纳米颗粒为代表的磁流体在工业领域受到广泛应用，其既具有液体的流动性又具有固体磁性材料的磁性，是由直径为纳米量级(10纳米以下)的磁性固体颗粒、基载液(也叫媒体)以及界面活性剂三者混合而成的一种稳定的胶状液体。该流体在静态时无磁性吸引力，当外加磁场作用时，才表现出磁性，正因如此，它才在实际中有着广泛的应用，在理论上具有很高的学术价值。用纳米金属及合金粉末生产的磁流体性能优异，可广泛应用于各种苛刻条件的磁性流体密封、减震、医疗器械、声音调节、光显示、磁流体选矿等领域。现有技术中，磁流体普遍应用于工业领域，却鲜有在工艺品、装饰品等领域中应用。然而，磁流体作为一种新的功能材料，能根据所处环境磁场的变化而作出的相应的行为变化，利用该特性，未来在工艺品、装饰品等领域必然也有广泛的应用空间。而现有技术对于磁流体的控制的技术和方案甚少，几乎是一片空白，仅有的也是采取机械结构加永磁体的形式组成，控制的流畅度和可变性较差，不能满足人们对日益精致的工艺品和装饰品的要求。
故，针对目前现有技术中存在的上述缺陷，实有必要进行研究，以提供一种方案，解决现有技术中存在的缺陷。
发明内容
为了克服现有技术的缺陷，本发明提出一种磁流体控制方法，采用电磁铁阵列实现磁流体控制，并采用简单的电路模块，很好的实现了对于磁流体的行为的控制，填补了该领域的空白。
为了解决现有技术存在的技术问题，本发明的技术方案如下：
一种磁流体控制方法，包括以下步骤：
步骤S1：将多个电磁铁设置为电磁铁阵列；
步骤S2：通过控制每个电磁铁的状态变化使电磁铁阵列产生变化的空间磁场；
步骤S3：利用电磁铁阵列产生的空间磁场使设置在该磁场范围中的磁流体呈现相应的空间分布。
作为优选的技术方案，还包括以下步骤：
设置驱动单元并根据运行程序输出驱动信号以驱动电磁铁阵列；
电磁铁阵列根据变化的驱动信号产生不同的空间磁场分布进而使磁流体呈现动态的空间分布。
作为优选的技术方案，还包括以下步骤：
驱动单元通过独立控制每个单体电磁铁的开关及其输出磁场强度使电磁铁阵列产生变化的三维空间磁场。
作为优选的技术方案，所述驱动单元中设置控制模块，用于根据运行程序产生驱动信号控制所述电磁铁阵列中每个电磁铁的状态；所述电磁铁阵列由多个单体电磁铁组成，用于根据驱动信号使相应电磁铁状态变化进而改变空间磁场分布以控制磁流体呈现相应的空间分布。
作为优选的技术方案，所述驱动单元设置多路电磁铁驱动模块，每路电磁铁驱动模块用于驱动一个或多个电磁铁。
作为优选的技术方案，所述电磁铁驱动模块至少包括PWM波产生电路、多路选择器和功率放大器，其中，
所述PWM波产生电路，用于产生多个不同占空比的PWM信号；
所述多路选择器与所述PWM波产生电路，其多个输入端分别连接不同占空比的PWM信号，其输出端与所述功率放大器相连接，用于根据控制模块的控制指令选择输出相应的PWM信号；
所述功率放大器，用于对所述多路选择器输出的PWM信号进行放大以输出驱动信号驱动电磁铁。
作为优选的技术方案，所述PWM波产生电路包括多个555定时器，每个555定时器被配置成产生一定占空比的PWM信号。
作为优选的技术方案，所述磁流体设置在透明载体中，该透明载体与所述电磁铁阵列紧密设置，设置在透明载体中的磁流体根据电磁铁阵列产生的磁场变化而发生行为变化。
作为优选的技术方案，还包括输入模块，所述输入模块与所述驱动单元相连接，用于输入控制指令，所述驱动单元根据该控制指令产生驱动信号。
与现有技术相比较，本发明具有如下技术效果：
1.本发明利用电磁铁阵列可以轻松实现对磁流体行为的控制。
2.本发明所采用的电路结构简单，所需电路元器件较为容易获得，且成本低。
3.本发明实现的磁流体左右前后行为的控制电路原理易于拓展成磁流体各个方向乃至三维的行为控制。
附图说明
图1是本发明磁流体控制方法的流程框图。
图2是实现本发明方法的装置整体结构图。
图3是本发明中电磁铁驱动模块的原理框图。
图4是电磁铁驱动模块另一种实施方式的原理框图。
图5是PWM波产生的电路图。
图6是电磁铁阵列示意图。
图7是本发明实施例2的具体结构图。
图8是实施例2中的磁流体运动方向示意图。
图9是实施例2实现的流程图。
如下具体实施例将结合上述附图进一步说明本发明。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明做更进一步的解释。下述实施例不以任何形式限制本发明，凡采用等同替换的方式所获得的技术方案，均属于本发明的保护范围内。
参见图1，所示为本发明一种磁流体控制方法的流程框图，包括以下步骤：
步骤S1：将多个电磁铁设置为电磁铁阵列；
步骤S2：通过控制每个电磁铁的状态变化使电磁铁阵列产生变化的空间磁场；
步骤S3：利用电磁铁阵列产生的空间磁场使设置在该磁场范围中的磁流体呈现相应的空间分布。
上述技术方案，利用电磁铁阵列产生可控磁场空间从而达到控制处于该磁场空间内磁流体形态变化的目的。
参见图2，所示为实现本发明磁流体控制方法的装置原理框图，该装置至少包括驱动单元和电磁铁阵列，其中，电磁铁阵列由多个单体电磁铁组成，驱动单元中设置控制模块以及多路电磁铁驱动模块，每路电磁铁驱动模块用于驱动一个或多个电磁铁。控制模块中运行程序，驱动单元根据该运行程序产生驱动信号并控制电磁铁阵列中每个电磁铁的状态；由于每个电磁铁的状态不同，导致电磁铁阵列产生不同的空间磁场分布，针对特定驱动信号，电磁铁阵列将产生特定的空间磁场分布，从而使磁流体呈现相应的空间分布。通过程序设定产生不同的驱动信号，磁流体就能呈现动态空间分布。采用上述技术方案，磁流体在作为装饰品、陈列品、工艺品等应用中，能够呈现各种流畅可变的形态，满足对日益精致的工艺品和装饰品的应用要求。
在本发明中，通过设置驱动单元并根据运行程序输出驱动信号以驱动电磁铁阵列；电磁铁阵列根据变化的驱动信号产生不同的空间磁场分布进而使磁流体呈现动态的空间分布。
作为优选的技术方案，驱动单元通过独立控制每个单体电磁铁的开关及其输出磁场强度使电磁铁阵列产生变化的三维空间磁场。在电磁铁阵列中，通过控制阵列中不同位置电磁铁的开或关，以及每个电磁铁输出不同的磁场强度，就能实现各种状态的空间磁场，进而使磁流体呈现各种形态的动态空间分布。
进一步的，磁流体设置在透明载体中，该透明载体与电磁铁阵列紧密设置，设置在透明载体中的磁流体根据电磁铁阵列产生的磁场变化而发生行为变化，从而使磁流体产品呈现动态变化，具有较佳视觉效果。
进一步的，还包括输入模块，所述输入模块与所述驱动单元相连接，用于输入控制指令，所述驱动单元根据该控制指令产生驱动信号。客户可以通过输入模块设置电磁铁阵列的状态变化，从而实现编辑磁流体的运动轨迹。
进一步的，控制模块可以采用FPGA芯片或其他类似MCU芯片，从而能够产生足够多路电磁铁驱动信号。理论上，电磁铁阵列中设置电磁铁数量越多，磁流体的控制精度越高。
然而磁流体在装饰品、陈列品、工艺品等应用中，为了产品能在市场中有效推广，成本是必须考虑的因素。FPGA芯片及其性能相当的芯片虽然功能强大，但价格同样也不菲，这将导致磁流体产品在中低端市场的竞争力大大降低。为此，本发明提供一种低成本方案，仅需普通单片机就能满足应用需求。参见图3，所示为本发明中电磁铁驱动模块的原理框图，电磁铁驱动模块至少包括PWM波产生电路、多路选择器和功率放大器，其中，PWM波产生电路，用于产生多个不同占空比的PWM信号；采用独立的PWM波产生电路，从而克服了普通单片机资源不足的技术问题。
多路选择器与所述PWM波产生电路，其多个输入端分别连接不同占空比的PWM信号，其输出端与所述功率放大器相连接，用于根据控制模块的控制指令选择输出相应的PWM信号；采用多路选择器复用，扩容了单片机的I/O资源，大大降低了成本。
功率放大器，用于对所述多路选择器输出的PWM信号进行放大以输出驱动信号驱动电磁铁实现电磁铁的开关。电磁铁的开关引起所处磁场空间内的磁流体行为的变化。
在一种优选实施方式中，功率放大器为音频功率放大器，尤其优选为D类音频功率放大器。同时申请人在实测中发现电磁铁在断电的瞬间产生较大反方向的电动势，对前级电路产生影响。为了克服该技术问题，在D类功放输出端口后串联一二极管，从而防止反向电动势对前级电路的冲击。
在一种优选实施方式中，PWM波产生电路包括多个555定时器，每个555定时器被配置成产生一定占空比的PWM信号。参见图4，所示为电磁铁驱动模块另一种实施方式的原理框图，PWM波产生电路由四个555定时器构成，比如定时器1，2，3，4分别产生95％，80％，65％，50％的占空比的PWM信号，从而多路选择器可以选择相应占空比的PWM信号。
参见图5，所示为555定时器产生PWM波的电路图，其中，经3号引脚输出的V0信号的占空比可以描述为：D＝RA/(RA+RB)。
在一种优选实施方式中，多路选择器为四选一选择器，具有四路输入信号，一路输出信号以及两路选择控制信号。具体为，当单片机选择控制位00，01，10，11时，对应的选择的信号为输入端口为0，1，2，3的信号。
采用上述技术方案，单个电磁铁控制的具体实现步骤为：
1)定时器1，2，3，4分别产生95％，80％，65％，50％的占空比的PWM波。四路占空比的PWM波信号输入到四选一选择器0，1，2，3四个输入端口。
2)通过单片机控制四选一选择器的两个选择位的状态。
3)四选一选择器的两个选择位不同状态选择不同占空比的PWM波信号。具体地，00，01，10，11分别代表选择输出95％，80％，65％，50％的占空比的PWM波。
4)经3)中四选一选择器输出的PWM波通过D类音频功率放大器放大到能驱动电磁铁开关的程度。
实施例1
参见图6，以九个电磁铁组成的电磁铁阵列为例，初始时每个电磁铁都用50％的PWM波驱动。由于此时各个电磁铁的开关时间一样，所以所产生的吸力一样，电磁铁方阵上方的磁流体位于器皿中心，处于静止状态。
此时若给电磁铁1，4，7用65％的PWM波驱动，其余电磁铁依然保持50％的PWM波驱动，由于此时电磁铁1，4，7供给的高电平的时间比其他的长，故所产生的吸引力的时间比其余的电磁铁要长，所以这段时间差之内的吸引力则会使磁流体发生缓慢左移的行为。
此时若给电磁铁1，2，3用65％的PWM波驱动，其余电磁铁依然保持50％的PWM波驱动，由于此时电磁铁1，2，3供给的高电平的时间比其他的长，故所产生的吸引力的时间比其余的电磁铁要长，所以这段时间差之内的吸引力则会使磁流体发生缓慢前移的行为。
此时若给电磁铁3，6，9用65％的PWM波驱动，其余电磁铁依然保持50％的PWM波驱动，由于此时电磁铁3，6，9供给的高电平的时间比其他的长，故所产生的吸引力的时间比其余的电磁铁要长，所以这段时间差之内的吸引力则会使磁流体发生缓慢右移的行为。
此时若给电磁铁7，8，9用65％的PWM波驱动，其余电磁铁依然保持50％的PWM波驱动，由于此时电磁铁7，8，9供给的高电平的时间比其他的长，故所产生的吸引力的时间比其余的电磁铁要长，所以这段时间差之内的吸引力则会使磁流体发生缓慢后移的行为。
若以上所述的65％PWM波换成80％或者95％的PWM波，越高占空比的PWM波的高电平时间越多，故，则会造成磁流体发生较快和快速左移，右移，前移，后移行为变化。当然，如果电磁铁阵列的数量越大，则磁流体能够达到的控制精度越高。
实施例2
参见图7，所示为实施例2的原理框图，将实施例1中的不同占空比的PWM波替换为更加普遍的音频信号，从而使磁流体产品能够根据音乐的节奏动感运动。将输入的音频信号经ADC采样，后经MCU根据音频信号的幅度大小变换成不同占空比的PWM波经IO口输出给数据选择器。MCU通过输入音频的幅度大小产生对应的数据选择器的选择控制位信号，从而选择驱动电磁铁的PWM波，控制磁流体的移动的快慢。同时，MCU通过输入音频信号的频率高低，选择电磁铁点阵中哪几个电磁铁开关，从而控制磁流体的移动的方向。即，音频信号的幅度大小对应磁流体的移动速度，音频信号的频率大小对应磁流体的移动方向。
如图9所示，将输入的音频信号经ADC采样后，根据幅度大小平均划分成4个范围，这四个范围的音频信号的幅度分别对应95％，80％，65％，50％占空比的PWM波，也即对应着磁流体移动的快速，较快，缓慢，和静止四个移动速度。同样，在对音频信号的幅度进行划分的同时也对音频信号频率的大小进行划分成8个频率范围，这八个频率范围从大到小依次对应磁流体如图7所示8个方向的移动。下面举例说明其中方向2的电磁铁控制方式，其他方向上的电磁铁控制类似实现磁流体往如图8方向2的移动，以图4电磁铁方阵说明，即MCU通过数据选择器的控制位，其中电磁铁3选择给以大于50％占空比的PWM波驱动，其他电磁铁给以50％占空比的PWM波驱动。
以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种磁流体控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1：将多个电磁铁设置为电磁铁阵列；
步骤S2：通过控制每个电磁铁的状态变化使电磁铁阵列产生变化的空间磁场；
步骤S3：利用电磁铁阵列产生的空间磁场使设置在该磁场范围中的磁流体呈现相应的空间分布。
2.根据权利要求1所述的磁流体控制方法，其特征在于，还包括以下步骤：
设置驱动单元并根据运行程序输出驱动信号以驱动电磁铁阵列；
电磁铁阵列根据变化的驱动信号产生不同的空间磁场分布进而使磁流体呈现动态的空间分布。
3.根据权利要求2所述的磁流体控制方法，其特征在于，还包括以下步骤：
驱动单元通过独立控制每个单体电磁铁的开关及其输出磁场强度使电磁铁阵列产生变化的三维空间磁场。
4.根据权利要求2或3所述的磁流体控制方法，其特征在于，所述驱动单元中设置控制模块，用于根据运行程序产生驱动信号控制所述电磁铁阵列中每个电磁铁的状态；所述电磁铁阵列由多个单体电磁铁组成，用于根据驱动信号使相应电磁铁状态变化进而改变空间磁场分布以控制磁流体呈现相应的空间分布。
5.根据权利要求4所述的磁流体控制方法，其特征在于，所述驱动单元设置多路电磁铁驱动模块，每路电磁铁驱动模块用于驱动一个或多个电磁铁。
6.根据权利要求5所述的磁流体控制方法，其特征在于，所述电磁铁驱动模块至少包括PWM波产生电路、多路选择器和功率放大器，其中，
所述PWM波产生电路，用于产生多个不同占空比的PWM信号；
所述多路选择器与所述PWM波产生电路，其多个输入端分别连接不同占空比的PWM信号，其输出端与所述功率放大器相连接，用于根据控制模块的控制指令选择输出相应的PWM信号；
所述功率放大器，用于对所述多路选择器输出的PWM信号进行放大以输出驱动信号驱动电磁铁。
7.根据权利要求6所述的磁流体控制方法，其特征在于，所述PWM波产生电路包括多个555定时器，每个555定时器被配置成产生一定占空比的PWM信号。
8.根据权利要求1或2所述的磁流体控制方法，其特征在于，所述磁流体设置在透明载体中，该透明载体与所述电磁铁阵列紧密设置，设置在透明载体中的磁流体根据电磁铁阵列产生的磁场变化而发生行为变化。
9.根据权利要求4所述的磁流体控制方法，其特征在于，还包括输入模块，所述输入模块与所述驱动单元相连接，用于输入控制指令，所述驱动单元根据该控制指令产生驱动信号。
10.根据权利要求5所述的磁流体控制方法，其特征在于，所述功率放大器为D类音频功率放大器。
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