1. Краткое описание
Система представляет собой специализированный лабораторный стенд для дистанционного бесконтактного управления ориентацией, вращением и поступательным перемещением магнитных микрочастиц в водной среде внутри стеклянного реактора. Управление осуществляется посредством генерации однородных и градиентных магнитных полей в трех ортогональных плоскостях.
Процесс сопровождается непрерывным оптическим наблюдением через стационарный микроскоп, а также сбором телеметрии в реальном времени с датчиков Холла для компенсации теплового дрейфа и калибровки поля.
Концепт справа иллюстрирует целевую конфигурацию: жесткий алюминиевый кубический каркас, ортогонально расположенные медные катушки, центральный стеклянный реактор на деревянной опоре и оптический микроскоп над рабочей зоной.
2. Назначение и принцип работы
Назначение
- Лабораторные исследования в области микрогидродинамики.
- Биоинженерия и манипуляция микрообъектами.
- Прецизионное управление магнитными микрочастицами.
- Непрерывное оптическое наблюдение (до 3 часов).
Принцип работы
- Вращение (XY): синусоидальные токи со сдвигом фаз 90°.
- Трансляция (Z): градиентное поле (конфигурация Максвелла).
- Компенсация: PID-регулирование по датчикам Холла.
3. Технические характеристики
Параметры поля
| Рабочий диапазон частот | 1 – 20 Гц |
| Амплитуда поля | 1 – 5 мТл |
| Фазовый сдвиг | 0 – 360° |
| Однородная зона (DSV) | 80 – 100 мм |
| Радиус катушек (R) | 120 – 150 мм |
| Расстояние между катушками (D) | D = R |
Электрические параметры
| Количество каналов | 4 (X, Y, Z_helm, Z_grad) |
| Мощность на канал | 150 – 300 Вт |
| Напряжение питания | 36 В / 48 В |
| Провод обмотки | ПЭТВ-2, 1.0–1.2 мм |
| Несущая частота ШИМ | 20 – 50 кГц |
| Габариты стенда | 600 × 600 × 600 мм |
4. Состав системы по модулям
Несущий каркас
Анодированный алюминиевый профиль 30×30 мм. Крепления и переходные узлы — 3D-печать (PETG/ABS). Каркасы катушек — влагостойкая фанера.
Катушки индуктивности
3 ортогональные оси (Гельмгольц) + градиентная пара (Максвелла). Верхняя катушка Z имеет окно 40 мм для объектива.
Реактор
Кубический сосуд из оптического стекла объемом 100 мл. Фиксация в абсолютном центре рабочей зоны.
Оптический модуль
Микроскоп со специализированной камерой на жестком штативе. Строго вертикально над реактором.
Электронный блок
STM32, 4-канальный усилитель класса D (TPA3255), H-мосты на MOSFET, блок питания 36/48 В.
Датчики Холла
Цифровые 3-осевые (MLX90393). Размещены на немагнитной плате вне оптического пути. Опрос каждые 5–10 мс.
5. Примеры работы системы
Вращение микрочастиц
Подача синусоидальных токов на катушки X и Y со сдвигом 90°. Вектор поля описывает окружность с частотой 1–20 Гц, заставляя частицы вращаться в плоскости XY.
Вертикальное перемещение
Подача постоянного или низкочастотного тока на градиентные катушки Z. Создается неоднородность ∂Bz/∂z, обеспечивая притяжение или отталкивание частиц.
Стабилизация поля
При нагреве обмоток датчики Холла фиксируют дрейф. Программа PID-регулирования корректирует токи в реальном времени в течение 3 часов.
Оптическое наблюдение
Непрерывная запись видео и телеметрии. Все параметры сохраняются в CSV для анализа и отчетности FAPESP.
6. Время выполнения и этапы работ
7. Требования к программному обеспечению
Микроконтроллер (STM32)
- Цифровой синтез сигналов (DDS) на основе LUT.
- Генерация ШИМ с несущей 20–50 кГц.
- Считывание датчиков Холла каждые 5–10 мс.
- PID-регулирование для компенсации дрейфа.
Десктопное ПО (C++ Builder 6.0)
- Интерфейс оператора: частота, фаза, амплитуда.
- Сохранение и загрузка пресетов экспериментов.
- Графики реального времени (GDI+).
- Автоматическая запись в CSV для FAPESP.