Разработка трехмерной системы магнитных катушек (Helmholtz & Gradient System)

1 Краткое описание

Настоящее техническое задание определяет требования к разработке, изготовлению, программному обеспечению и вводу в эксплуатацию лабораторного стенда для дистанционного бесконтактного управления магнитными микрочастицами в водной среде.

Система должна обеспечивать генерацию однородных и градиентных магнитных полей в трех ортогональных плоскостях, непрерывное оптическое наблюдение и сбор телеметрии в реальном времени. Поставка осуществляется в рамках открытого тендера для нужд научно-исследовательского проекта FAPESP.

2 Назначение и принцип работы

2.1. Назначение

• Лабораторные исследования в области микрогидродинамики и биоинженерии.
• Прецизионное управление ориентацией, вращением и перемещением магнитных микрочастиц.
• Непрерывное оптическое наблюдение в течение не менее 3 часов.

2.2. Принцип работы

Вращение (плоскость XY)

На пары катушек X и Y подаются синусоидальные токи равной амплитуды со сдвигом фаз 90°. Вектор поля описывает окружность с заданной частотой 1–20 Гц.

Трансляция (ось Z)

На градиентные катушки подается постоянный или низкочастотный ток. Создается неоднородность ∂Bz/∂z, обеспечивающая притяжение или отталкивание частиц.

Компенсация дрейфа

3-осевые датчики Холла передают данные на STM32. PID-регулирование корректирует токи при нагреве обмоток в реальном времени.

3 Технические характеристики

4 Состав системы по модулям

4.1. Несущий каркас

• Каркас-куб из алюминиевого профиля 30×30 мм.
• Габаритные размеры: 500 × 500 × 500 мм.
• Крепления и переходные узлы — из инженерного пластика (PETG/ABS).
• Каркасы катушек — влагостойкая фанера высокой плотности.

4.2. Катушки индуктивности

• 3 ортогональные оси (Гельмгольц) + градиентная пара (Максвелла).
• Верхняя катушка Z имеет центральное окно 40 мм.
• Окно оснащено держателями для крепления микроскопа.

4.3. Деревянный столик для реактора

• Реактор — кубический сосуд из оптического стекла объемом 100 мл.
• Фиксация в абсолютном центре рабочей зоны.
• Столик обеспечивает жесткую установку и виброразвязку.

4.4. Электронный блок

• Модуль управления частотой, фазой и мощностью.
• Микроконтроллерный модуль.
• 4-канальный усилитель мощности класса D.
• H-мосты на мощных MOSFET-транзисторах.

4.5. Система контроля и обратной связи

• Цифровые 3-осевые датчики Холла.
• Размещение на немагнитной плате вне оптического пути.
• Опрос каждые 5–10 мс, передача данных на STM32.

5 Примеры работы системы

Сценарий 1. 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.

Сценарий 2. Вертикальное перемещение

Подача постоянного или низкочастотного тока на градиентные катушки Z. Создается неоднородность ∂Bz/∂z, обеспечивая притяжение или отталкивание частиц.

6 Программное обеспечение

Микроконтроллер 

• Цифровой синтез сигналов (DDS) на основе LUT.
• Генерация ШИМ с несущей частотой 20–50 кГц.
• Считывание датчиков Холла каждые 5–10 мс.
• PID-регулирование для компенсации теплового дрейфа.
• Обмен данными с ПК по протоколу USB-UART.

Десктопное ПО (GUI)

• Интерфейс оператора: частота, фаза, амплитуда.
• Сохранение и загрузка пресетов экспериментов.
• Графики реального времени (на базе GDI+).
• Автоматическая запись данных в CSV.
• Логирование всех параметров и событий.