CN111426599B - 动态抗磁悬浮多维度密度测量装置及方法 - Google Patents

动态抗磁悬浮多维度密度测量装置及方法 Download PDF

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Abstract

一种动态抗磁悬浮多维度密度测量装置及方法，包括：线性磁场发生装置、旋转平台、图像采集模块和控制检测模块，线性磁场发生装置与图像采集模块分别相对设置于旋转平台的旋转平面上，控制检测模块与旋转平台相连并输出运动控制指令，图像采集模块采集检测试样的图像采集数据并输出至控制检测模块；通过调节旋转平台转速，获得检测试样在不同稳态下的悬浮位姿，并根据图像采集数据得到检测试样空间位置信息，对检测试样内部进行离散化处理，得到检测试样多点多维度的密度检测结果。本发明能够实现检测试样多点多维度密度测量，从而对检测试样的加工工艺进行综合评估。

Description

动态抗磁悬浮多维度密度测量装置及方法
技术领域
本发明涉及的是一种物理检测领域的技术，具体是一种动态抗磁悬浮多维度密度测量装置及方法。
背景技术
作为物质的基本物理属性，密度的精准测量在诸多领域有着广泛应用，如对材料性能评估、物化实验进程表征、生物体蛋白质与细胞检测等多个领域有着关键的作用，关系到材料的质量生产及作业技术安全、生物体疾病诊断与治疗等行业的重要环节。近年来，常用的密度测量方法有天平称量法、密度梯度计法、微通道谐振法、微波测量法等。然而，上述常用的检测方法多数只能够得到检测对象的平均密度，无法有效地提供检测对象的密度分布；同时，多数方法难以同时满足操作简便、响应快速、高准确性、低成本的检测需求。因此，需要发展一种可操作性强、响应快速、低成本的非接触式多维度密度测量方法，能够高精度、高可靠地获得检测试样内部密度分布信息。
发明内容
本发明针对现有密度检测方法无法实现多维度密度测量、操作复杂、响应速度慢等局限，提出一种动态抗磁悬浮多维度密度测量装置及方法，可将不规则形状的检测试样在重力、浮力、磁力与离心力作用下稳定悬浮；通过调节旋转平台的转速，获得检测试样在不同稳态下的悬浮位姿，通过图像采集与离散化处理，实现检测试样多点多维度密度测量，从而对检测试样的加工工艺进行综合评估。
本发明是通过以下技术方案实现的：
本发明涉及一种动态抗磁悬浮多维度密度测量装置，包括：线性磁场发生装置、旋转平台、图像采集模块和控制检测模块，其中：线性磁场发生装置与图像采集模块分别相对设置于旋转平台的旋转平面上，控制检测模块与旋转平台相连并输出运动控制指令，图像采集模块采集检测试样的图像采集数据并输出至控制检测模块；通过调节旋转平台转速，获得检测试样在不同稳态下的悬浮位姿，并根据图像采集数据得到检测试样空间位置信息，对检测试样内部进行离散化处理，得到检测试样多点多维度的密度检测结果。
所述的线性磁场发生装置包括：磁场组件紧固件以及依次并列设置于其内部的第一环形磁场组件、内部设有检测对象的检测溶剂箱和第二环形磁场组件，其中：第一环形磁场组件与第二环形磁场组件磁化方向相反，通过采集位于第一环形磁场组件与第二环形磁场组件内环处的检测试样的图像，得到其位置变化信息。
所述的并列设置，优选磁场紧固件分别与第一环形磁场组件、第二环形磁场组件通过螺栓连接以保持第一环形磁场组件与第二环形磁场组件内侧面间距恒定。
所述的检测溶剂箱优选固定设置于第一环形磁场组件与第二环形磁场组件的中心位置。
所述的检测溶剂箱为透明非磁性材质。
所述的第一环形磁场组件与第二环形磁场组件结构相同且均包括：环形夹具以及设置于其内的环形磁场发生单元。
所述的环形夹具优选由半圆上夹具与半圆下夹具组成且通过螺纹连接形成环形，其尺寸与环形磁场发生单元的外径过渡配合。
所述的半圆上夹具与半圆下夹具均为非磁性铝合金材质制成。
所述的环形磁场发生单元优选为环状永磁铁或其他能够产生恒定磁场的装置。
所述的第一环形磁场组件与第二环形磁场组件中的环形磁场发生单元的几何形状、尺寸与磁性能牌号优选相同。
所述的旋转平台包括：支撑框架、传动轴、电机减速器，驱动电机，旋转圆盘与圆盘压紧板，其中：圆盘压紧板通过螺纹紧固将旋转圆盘与传动轴连接，传动轴上轴肩通过轴承支撑于支撑框架内，传动轴下轴肩通过轴承支撑于支撑框架内部，传动轴通过联轴器与电机减速器连接传递运动，电机减速器与驱动电机通过法兰连接输出旋转运动。
所述的旋转圆盘上设有对称等距分布的线性磁场发生装置安装孔以固定设置第一环形磁场组件与第二环形磁场组件。
所述的对称等距分布是指：相邻两孔间距为线性磁场发生装置安装孔间距的1/4，从而实现线性磁场发生装置相对于旋转平台旋转中心的偏心距灵活可调。
所述的旋转平台优选固定设置于安置基座上，该安置基座包括：安装板，支撑框架，侧向挡板与调平垫脚，其中：安装板通过螺纹连接固定在支撑框架上表面，侧向挡板嵌入在支撑框架内侧，调平垫脚通过螺纹连接置于支撑框架四个直角下方。
所述的安装板上有螺纹孔，所述的电机减速器与安装板通过螺纹紧固连接。
所述的图像采集模块包括高速相机以及图像传输单元，其中：高速相机拍摄检测试样的位置信息，图像传输单元与高速相机相连接并传输图像信息。
所述的控制检测模块包括：计算模块、电机控制单元与图像处理单元，其中：计算模块与电机控制单元相连并实时输出电机运动控制信息，图像处理单元与所述的图像采集模块中图像传输单元连接用于提取图像中检测试样的位置信息。
本发明涉及一种基于上述装置的动态抗磁悬浮多维度密度测量方法，包括如下步骤：
步骤1：配制顺磁性溶液，并置于检测溶剂箱直至溶液填满箱体；
步骤2：将检测试样置于检测溶剂箱中并一起放入线性磁场发生装置，保证检测试样表面无气泡，当检测试样能够在磁场中稳定悬浮且不与检测溶剂箱壁面发生干涉时，将检测溶剂箱通过螺栓固定在第一环形磁场组件与第二环形磁场组件中间；若检测试样不能够在磁场中稳定悬浮，则重新配制浓度更高的顺磁性溶液；
步骤3：根据顺磁性溶液浓度计算顺磁性溶液磁化率和密度；根据检测灵敏度需求，调整线性磁场发生装置中心与旋转平台中心的偏心距d；
步骤4：通过获得不同转速下检测试样的悬浮位姿，获得不同稳态下检测试样的空间位置，将检测试样离散化处理，计算得到检测试样内部密度分布，从而实现检测试样内部多点多维度密度测量；
步骤4.1：将检测试样沿长轴分为等间距N个区域，通过图像处理方法确定每个区域的中心位置；
步骤4.2：通过控制检测模块对旋转平台输出(N-1)组不同转速，并利用图像采集模块记录每组转速稳定状态下检测试样的悬浮位姿，得到N个区域中心在(N-1)组转速状态下的空间坐标；
步骤4.3：基于转速、偏心距、顺磁性溶液浓度工况，通过图像采集模块分析检测试样每个区域中心位置坐标，可计算出每个区域中心的密度值；
步骤5：在不改变顺磁性溶液浓度和转速的前提下，通过改变线性磁场发生装置与旋转平台旋转中心间的偏心距d，重复上述步骤进行结果验证。
技术效果
本发明整体解决了现有密度检测方法无法实现多点多维度密度检测、操作复杂、响应速度慢等技术问题；与现有技术相比，本发明将形状不规则的检测试样在重力、浮力与离心力作用下稳定悬浮；通过调节旋转平台的转速，获得检测试样在不同转速下的悬浮位姿；根据不同的稳定悬浮位姿，对检测试样内部进行离散化处理，实现检测试样多点多维度密度测量，从而对检测试样的加工工艺进行综合评估。
附图说明
图1为本发明整体结构示意图；
图2为本发明线性磁场发生装置立体结构示意图；
图3为本发明线性磁场发生装置局部立体结构示意图；
图4为本发明旋转平台半剖结构示意图；
图5为本发明旋转圆盘的俯视图；
图6为本发明安置基座整体结构示意图；
图中：1线性磁场发生装置、2旋转平台、3安置基座、4控制检测模块、5图像采集模块、6第一环形磁场组件、7第二环形磁场组件、8磁场组件紧固件、9检测试样、10检测溶剂箱、11环形磁场发生单元、12半圆上夹具、13半圆下夹具、14深沟球轴承、15支撑框架、16双沟球轴承、17传动轴、18联轴器、19电机减速器、20驱动电机、21电气控制柜、22旋转圆盘、23圆盘压紧板、24线性磁场发生装置安装孔、25安装板、26支撑框架、27侧向挡板、28调平垫脚。
具体实施方式
如图1所示，为本实施例涉及一种动态抗磁悬浮多维度密度测量装置，包括：线性磁场发生装置1、旋转平台2、安置基座3、图像采集模块4和控制检测模块5，其中：线性磁场发生装置1与图像采集模块4设置于旋转平台2的旋转平面上且两者位置相互对应，线性磁场发生装置1相对于旋转平台2旋转中心的偏心距灵活可调，旋转平台2通过螺纹连接紧固在安置基座3上，控制检测模块5输出旋转平台2的运动控制信息，图像采集模块4用于采集检测试样9的空间位置信息。
如图2所示，所述的线性磁场发生装置1包括：磁场组件紧固件8以及依次并列设置于其内部的第一环形磁场组件6、检测溶剂箱10和第二环形磁场组件7，其中：第一环形磁场组件6与第二环形磁场组件7磁化方向相反，磁场紧固件8分别与第一环形磁场组件6、第二环形磁场组件7通过螺栓连接，保持第一环形磁场组件6与第二环形磁场组件7内侧面间距恒定，检测溶剂箱10通过螺纹固定在第一环形磁场组件6与第二环形磁场组件7中心位置。
如图3所示，所述的第一环形磁场组件6与第二环形磁场组件7结构相同且均包括：环形磁场发生单元11，半圆上夹具12与半圆下夹具13，其中：环形磁场发生单元11优选环状永磁铁或其他能够产生恒定磁场的装置，半圆上夹具12与半圆下夹具113通过螺纹连接形成圆形，圆形尺寸与环形磁场发生单元11外径过渡配合。
本实施例中第一环形磁场组件6和第二环形磁场组件7中的环形磁场发生单元11选用尺寸为rout×rin×t＝50mm×25mm×15mm，磁性能牌号为N40的环形稀土钕铁硼永磁铁。
所述的半圆上夹具12与半圆下夹具13均为非磁性铝合金材质，所述的检测溶剂箱10为透明非磁性材质。
如图4所示，所述的旋转平台2包括：支撑框架15、深沟球轴承14、双沟球轴承16、传动轴17、联轴器18、电机减速器19，驱动电机20，旋转圆盘22与圆盘压紧板23，其中：圆盘压紧板23通过螺纹紧固将旋转圆盘22与传动轴17连接，传动轴17上轴肩通过深沟球轴承14支撑于支撑框架15内，传动轴17下轴肩通过双沟球轴承16支撑于支撑框架15内部，传动轴17通过联轴器18与电机减速器19连接传递运动，电机减速器19与驱动电机20通过法兰连接输出旋转运动。
如图5所示，所述的旋转圆盘22上对称设有四行等距分布线性磁场发生装置安装孔24，所述的半圆下夹具13通过螺纹连接紧固于旋转圆盘22上表面。
如图6所示，所述的安置基座3包括：安装板25，支撑框架26，侧向挡板27与调平垫脚28，其中：安装板25通过螺纹连接固定在支撑框架26上表面，侧向挡板27嵌入在支撑框架26内侧，调平垫脚28通过螺纹连接置于支撑框架26四个直角下方。
本实施例涉及上述装置的基于动态抗磁悬浮多维度密度测量方法，包括以下步骤：
步骤1：配制氯化锰顺磁性溶液，并置于检测溶剂箱10直至溶液填满箱体；
步骤2：将检测试样9置于检测溶剂箱10中并一起放入线性磁场发生装置1，保证检测试样9表面无气泡，当检测试样9能够在磁场中稳定悬浮且不与检测溶剂箱10壁面发生干涉时，将检测溶剂箱10通过螺栓固定在第一环形磁场组件6与第二环形磁场组件7中间；若检测试样9不能够在磁场中稳定悬浮，则重新配制浓度更高的顺磁性溶液；
步骤3：根据顺磁性氯化锰溶液浓度c，计算顺磁性溶液磁化率χm＝1.858×10-4c-9×10-6和溶液密度ρm＝1000c×125.84/a，其中：a为溶质质量分数；根据检测灵敏度需求，调整线性磁场发生装置1中心与旋转平台2中心的旋转偏心距d；
第一环形磁场组件6在环形磁铁径向方向上磁感应强度Br1随空间位置函数关系满足：
Figure BDA0002458056260000051
Figure BDA0002458056260000052
Figure BDA0002458056260000053
其中：K(m)与E(m)分别为第一类椭圆积分与第二类椭圆积分，其计算表达式如下：
Figure BDA0002458056260000054
Figure BDA0002458056260000061
σ*为表面磁荷密度，rout、rin分别为环形磁场发生单元外经与内径，zp与zn分别为第一环形磁场组件6中环形磁铁两环形面沿z轴方向的位置坐标。
第二环形磁场组件7在环形磁铁径向方向上磁感应强度Br2随空间位置函数关系满足：
Figure BDA0002458056260000062
Figure BDA0002458056260000063
Figure BDA0002458056260000064
其中：K(m)与E(m)分别为第一类椭圆积分与第二类椭圆积分，σ*为表面磁荷密度，rout、rin分别为环形磁场发生单元外经与内径，此处zp与zn分别为第二环形磁场组件7中环形磁铁两环形面沿z轴方向的位置坐标；
此时，线性磁场发生装置1内径向方向磁场强度大小为：Br(r,z)＝Br1(r,z)+Br2(r,z)，将磁场沿下x，y轴方向进行分解，得到：Bx(x,y,z)＝Br(r,z)·x/r,By(x,y,z)＝Br(r,z)·y/r，其中：
Figure BDA0002458056260000065
步骤4：通过获得不同转速下检测试样9的悬浮位姿，获得不同稳态下检测试样9的空间位置，将检测试样9离散化处理，计算得到检测试样9内部密度分布，从而实现检测试样9内部的多点多维度密度测量；
步骤4.1：将检测试样9沿长轴分为等间距N个区域，通过图像处理方法确定每个区域的中心位置；
步骤4.2：通过控制检测模块4对旋转平台2输出(N-1)组不同转速，并利用图像采集模块5记录每组转速稳定状态下检测试样9的空间位置信息，得到N个区域中心在(N-1)组转速状态下的空间坐标，其中第j组转速下第i个区域中心位置坐标可表示为(xi (j)，yi (j))；
步骤4.3：基于转速、偏心距、顺磁性溶液浓度工况，通过图像采集模块5分析检测试样9每个区域中心位置坐标，离散N个区域中心点满足：
Figure BDA0002458056260000071
其中：
Figure BDA0002458056260000073
为哈密顿算子，ω(j)为第j组旋转平台2输出转速，d为线性磁场发生装置1中心与旋转平台2中心旋转偏心距，i＝1…N，j＝1…N-1；
更进一步地，通过仿真分析可对线性磁场发生装置1产生的稳恒磁场在x轴与y方向进行线性化处理：Bx＝B'xx,By＝B'yy，其中：Bx’与By’分别为磁场强度沿x轴与y轴方向的磁场梯度；
通过上述磁场线性化处理，得到简化方程组：
Figure BDA0002458056260000072
通过求解满足上述条件的方程组，计算出每个区域中心的密度值，可得到检测试样内部的多点多维度密度；
步骤5：在不改变顺磁性溶液浓度和转速的前提下，通过改变线性磁场发生装置1与旋转平台2旋转中心间的偏心距d，重复上述步骤进行结果验证。
与现有技术相比，本装置将形状不规则的检测试样在重力、浮力与离心力作用下稳定悬浮；通过调节旋转平台的转速，获得检测试样在不同转速下的悬浮位姿；根据不同的稳定悬浮位姿，对检测试样内部进行离散化处理，实现检测试样多点多维度密度测量，从而对检测试样的加工工艺进行综合评估。
上述具体实施可由本领域技术人员在不背离本发明原理和宗旨的前提下以不同的方式对其进行局部调整，本发明的保护范围以权利要求书为准且不由上述具体实施所限，在其范围内的各个实现方案均受本发明之约束。

Claims (6)

1.一种基于动态抗磁悬浮多维度密度测量装置的动态抗磁悬浮多维度密度测量方法，其特征在于，该多维度密度测量装置包括：线性磁场发生装置、旋转平台、图像采集模块和控制检测模块，其中：线性磁场发生装置与图像采集模块分别相对设置于旋转平台的旋转平面上，控制检测模块与旋转平台相连并输出运动控制指令，图像采集模块采集检测试样的图像采集数据并输出至控制检测模块；通过调节旋转平台转速，获得检测试样在不同稳态下的悬浮位置，并根据图像采集数据得到检测试样空间位置信息，对检测试样内部进行离散化处理，得到检测试样多点多维度的密度检测结果；
所述的线性磁场发生装置包括：磁场组件紧固件以及依次并列设置于其内部的第一环形磁场组件、内部设有检测对象的检测溶剂箱和第二环形磁场组件，其中：第一环形磁场组件与第二环形磁场组件磁化方向相反，通过采集位于第一环形磁场组件与第二环形磁场组件内环处的检测试样的图像，得到其位置变化信息；
所述的检测溶剂箱固定设置于第一环形磁场组件与第二环形磁场组件的中心位置；
所述的动态抗磁悬浮多维度密度测量方法，包括如下步骤：
步骤1：配制顺磁性溶液，并置于检测溶剂箱直至溶液填满箱体；
步骤2：将检测试样置于检测溶剂箱中并一起放入线性磁场发生装置，保证检测试样表面无气泡，当检测试样能够在磁场中稳定悬浮且不与检测溶剂箱壁面发生干涉时，将检测溶剂箱通过螺栓固定在第一环形磁场组件与第二环形磁场组件中间；若检测试样不能够在磁场中稳定悬浮，则重新配制浓度更高的顺磁性溶液；
步骤3：根据顺磁性溶液浓度计算顺磁性溶液磁化率和密度；根据检测灵敏度需求，调整线性磁场发生装置中心与旋转平台中心的偏心距d；
步骤4：通过获得不同转速下检测试样的悬浮位置，获得不同稳态下检测试样的空间位置，将检测试样离散化处理，计算得到检测试样内部密度分布，从而实现检测试样内部多点多维度密度测量；
步骤4.1：将检测试样沿长轴分为等间距N个区域，通过图像处理方法确定每个区域的中心位置；
步骤4.2：通过控制检测模块对旋转平台输出(N-1)组不同转速，并利用图像采集模块记录每组转速稳定状态下检测试样的悬浮位置，得到N个区域中心在(N-1)组转速状态下的空间坐标；
步骤4.3：基于转速、偏心距、顺磁性溶液浓度工况，通过图像采集模块分析检测试样每个区域中心位置坐标，可计算出每个区域中心的密度值；
步骤5：在不改变顺磁性溶液浓度和转速的前提下，通过改变线性磁场发生装置与旋转平台旋转中心间的偏心距d，重复上述步骤进行结果验证；
所述的区域中心的密度值，通过求解以下方程组得到：
Figure FDA0002997492840000021
其中：χp与χm分别为检测试样与顺磁性溶液磁化率，B'x与B'y分别为磁感应强度沿x与y轴方向的磁感应梯度，
Figure FDA0002997492840000022
与
Figure FDA0002997492840000023
分别为第j组转速下第i个离散点沿x与y方向的位置坐标，ω(j)为旋转平台第j组转速，d为线性磁场发生装置中心与旋转平台中心的偏心距，ρm为顺磁性溶液密度，ρi为检测试样第i个离散点的密度值。
2.根据权利要求1所述的动态抗磁悬浮多维度密度测量方法，其特征是，所述的图像采集模块包括高速相机以及图像传输单元，其中：高速相机拍摄检测试样的位置信息，图像传输单元与高速相机相连接并传输图像信息；
所述的控制检测模块包括：计算模块、电机控制单元与图像处理单元，其中：计算模块与电机控制单元相连并实时输出电机运动控制信息，图像处理单元与所述的图像采集模块中图像传输单元连接用于提取图像中检测试样的位置信息。
3.根据权利要求1所述的动态抗磁悬浮多维度密度测量方法，其特征是，所述的第一环形磁场组件与第二环形磁场组件结构相同且均包括：环形夹具以及设置于其内的环形磁场发生单元；
所述的环形夹具由半圆上夹具与半圆下夹具组成且通过螺纹连接形成环形，其尺寸与环形磁场发生单元的外径过渡配合。
4.根据权利要求1所述的动态抗磁悬浮多维度密度测量方法，其特征是，所述的旋转平台包括：支撑框架、传动轴、电机减速器，驱动电机，旋转圆盘与圆盘压紧板，其中：圆盘压紧板通过螺纹紧固将旋转圆盘与传动轴连接，传动轴上轴肩通过轴承支撑于支撑框架内，传动轴下轴肩通过轴承支撑于支撑框架内部，传动轴通过联轴器与电机减速器连接传递运动，电机减速器与驱动电机通过法兰连接输出旋转运动。
5.根据权利要求4所述的动态抗磁悬浮多维度密度测量方法，其特征是，所述的旋转圆盘上设有对称等距分布的线性磁场发生装置安装孔以固定设置第一环形磁场组件与第二环形磁场组件。
6.根据权利要求1所述的动态抗磁悬浮多维度密度测量方法，其特征是，所述的旋转平台固定设置于安置基座上，该安置基座包括：安装板，支撑框架，侧向挡板与调平垫脚，其中：安装板通过螺纹连接固定在支撑框架上表面，侧向挡板嵌入在支撑框架内侧，调平垫脚通过螺纹连接置于支撑框架四个直角下方。
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