一种可移动的磁悬浮演示装置的制作方法

1.本实用新型涉及磁约束技术和演示用具技术领域，具体地说，本实用新型涉及一种可移动的磁悬浮演示装置。


背景技术：

2.在物理学的一些前沿领域中，常需要科研人员控制极端物质来进行实验模拟与新物质研究。而这些物质的安全稳定控制是极为关键的。性能高效可靠的、可多维度操纵极端物质的装置，是实验研究成功的基础，同时也是保障实验安全的最重要前提。如在核能、超导等领域，对于操纵极端物质装置的设计研究也使得利用新物质成为可能，进而扩大了人类的资源利用能力和手段，是支持可持续发展的坚强后盾。目前对极端物质的操纵，最为切实有效的控制方法之一是磁约束。
3.对于超低温物质，如接近绝对零度(-273.15℃)的物质第五态——玻色爱因斯坦凝聚(bec)的研究，罗鑫宇博士及团队搭建了单真空腔
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rb原子bec装置(可参考文件：罗鑫宇.
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rb单腔bec装置搭建及物质波超辐射失谐不对称性[d].北京：中国科学院物理研究所，2013),该装置通过超高真空、激光冷却、千瓦级的磁线圈及控制电路，多路快速时序控制等技术的联合使用，观测到了“物质波超辐射”的红蓝失谐不对称性。这套单真空腔bec装置设计简化了双腔设计的真空系统和磁光阱光路，并为后续的三维光晶格和原位成像实验提供了良好的光学通道，实现了对磁场的稳定，精确，快速的调控。
[0004]
又如，对于在受控热核反应中高温等离子体的控制(点火条件5000万开至2亿开高温，并要使一定密度的等离子体维持足够长的时间)。由于在热核温度下，被约束的等离子体行为极为复杂，在各种类型的实验装置中普遍存在着扩散、漂移、不稳定性等损失机理，所以粒子的约束时间很短，距离实现自持的热核反应尚有相当差距。当前世界上正在进行的磁约束实验，以托卡马克装置较为常见，由于产生可控核聚变需要的条件非常苛刻，其中心温度达到1500万摄氏度，另外还需要巨大的压力能使核聚变正常反应，在通电的时候内部会产生巨大螺旋型磁场，将其中的等离子体加热至高温度，以达到核聚变的目的。托卡马克装置以外，常见的磁约束装置还有仿星器系统、箍缩装置、磁镜系统等等。
[0005]
目前，磁约束技术大都应用于科学前沿领域的研究和探索，在人们生活中涉及磁约束技术的产品还相对较少。如果将磁约束技术用于演示装置中，使其所展示的模型或其他物质具备磁悬浮的效果，则可以显著提高其趣味性和观赏性。现有技术中，存在一些用于教学或表演项目的磁悬浮演示装置，例如磁悬浮陀螺、超导环形轨道磁悬浮装置等。其中，磁悬浮陀螺可以通过陀螺的自旋形成自旋磁场，该自旋磁场与底座的磁场互斥从而形成作用于该陀螺的向上的磁力，该磁力与陀螺的自身重力平衡即可产生悬浮效果。超导环形轨道磁悬浮装置则是设置产生特定磁场的超导环形轨道，悬浮小车可在轨道上方悬浮地沿着该轨道做圆周运动。
[0006]
上述现有的磁悬浮演示装置均可以通过使磁力和重力平衡来达到磁悬浮的演示效果。然而，上述现有的磁悬浮演示装置要么难以横向(即在水平方向上)移动悬浮物，要么
只能在预设的轨道上运动，移动方向和移动路线难以灵活地设计。另一方面，磁力和重力平衡而达到的悬浮状态往往较为脆弱，外界的干扰可能会破坏这种平衡而导致悬浮失效。而悬浮物的横向移动过程中，如何保持悬浮物的稳定性也是需要解决的一大技术难题。
[0007]
综上所述，当前需要一种能够灵活规划移动路线、可以在移动过程中保持稳定的磁悬浮演示装置的解决方案。


技术实现要素：

[0008]
本实用新型的目的在于，克服现有技术的不足，提供一种可移动的磁悬浮演示装置的解决方案。
[0009]
为解决上述技术问题，本实用新型提供了一种可移动的磁悬浮演示装置，其包括：由激光雕刻机改装的底座和安装于所述底座的磁约束装置；所述底座包括二维轨道和可在二维轨道滑动的滑块，所述磁约束基座固定于所述滑块；所述底座还包括数据处理单元，其适于接收轨迹矢量图并按照所述轨迹矢量图中的轨迹移动所述滑块；所述磁约束装置包括磁约束基座和磁性悬浮体；并且所述磁约束基座具有反馈调节单元，所述反馈调节单元用于实时获取磁性悬浮体与磁约束基座的间距，并根据该间距对所述磁约束基座的电磁力进行反馈调节。
[0010]
其中，所述磁性悬浮体具有碗状外形，其内具有可燃物以便产生悬浮火焰。
[0011]
其中，所述底座通过将激光头从所述激光雕刻机拆卸得到，所述底座中，所述滑块包括一用于安装所述激光头的竖直板，所述竖直板的侧面安装角钢状支架，所述磁约束基座的底面承靠并安装于所述角钢状支架的顶面。
[0012]
其中，所述磁约束基座的底面固定两个平行的金属条。
[0013]
其中，所述数据处理单元还用于对所述轨迹矢量图中运动轨迹的不同区段设置不同的速度；其中，所述运动轨迹包括直线轨迹区段、曲线轨迹区段和转折轨迹区段；所述直线轨迹区段配置为第一速度，所述曲线轨迹区段配置为第二速度，所述转折轨迹区段配置为第三速度，所述第一速度大于所述第二速度，所述第二速度大于所述第三速度。
[0014]
其中，所述磁约束基座包括位于x轴正方向和负方向的第一线圈和第二线圈，以及位于y轴的正方向和负方向的第三线圈和第四线圈；所述数据处理单元还用于：对于所述轨迹矢量图，当其中的部分轨迹区段的加速度超过预设阈值时，计算所述磁约束基座的加速度的x分量和y分量，然后在进入所述的轨迹区段时根据所述x分量和所述y分量来配置位于x轴的所述第一线圈和所述第二线圈、以及位于y轴的所述第三线圈和所述第四线圈的线圈电流，以使得所述加速度方向对应方位的磁势阱增加；当完成所述的轨迹区段后，所述第一线圈、所述第二线圈、所述第三线圈和所述第四线圈的线圈电流均恢复至原始线圈电流。
[0015]
其中，所述数据处理单元中，在根据所述磁约束基座的加速度的所述x分量和所述y分量来配置所述的线圈电流时，所述的位于x轴的所述第一线圈和所述第二线圈、以及位于y轴的所述第三线圈和所述第四线圈的线圈电流，根据预先标定的关系曲线进行配置，所述关系曲线是线圈电流增量与所述磁约束基座加速度大小的关系曲线。
[0016]
根据本技术的另一方面，还提供了一种可移动的磁悬浮演示装置的制作方法，其包括：1)准备一激光雕刻机和一磁约束装置，所述激光雕刻机包括底座、安装于所述底座的激光头以及数据处理单元；其中，所述底座包括二维轨道和可在二维轨道滑动的滑块，所述
激光头安装于所述滑块；所述数据处理单元适于接收轨迹矢量图并按照所述轨迹矢量图中的轨迹移动所述滑块；磁约束装置包括磁约束基座和磁性悬浮体，所述磁约束基座具有反馈调节单元，所述反馈调节单元用于实时获取磁性悬浮体与磁约束基座的间距，并根据该间距对所述磁约束基座的电磁力进行反馈调节；2)将激光头从所述激光雕刻机拆卸；3)输入轨迹矢量图，观察所述滑块在所述底座的二维运动，以调整所述轨迹矢量图的图形尺寸直至所述滑块可稳定地完成所述二维运动；4)通过角钢形支架将所述磁约束基座安装于所述滑块；5)再次输入轨迹矢量图，观察所述磁约束基座在所述底座的二维运动，如果所述磁约束基座在边缘区域出现整体倾斜或倒塌现象，在所述磁约束基座的底面固定钢条以稳定所述磁约束基座的重心；6)输入轨迹矢量图，演示磁性悬浮体的二维移动。
[0017]
其中，所述步骤3)、5)和6)中，还包括对轨迹矢量图进行优化，对轨迹矢量图进行优化的方法包括：10)在非矢量图格式图片中，绘制运动轨迹线条；20)将所述非矢量图格式图片转换成轨迹矢量图，其中调整所述运动轨迹线条的粗细以避免转换成轨迹矢量图的过程中出现双轮廓线。
[0018]
其中，所述步骤20)还包括：调整所述非矢量图格式图片或者所述轨迹矢量图的尺寸，使得所述非矢量图格式图片或者所述轨迹矢量图长度和宽度均达到100mm以上。
[0019]
其中，对轨迹矢量图进行优化的方法还包括：对所述轨迹矢量图中运动轨迹的不同区段设置不同的速度；其中，所述运动轨迹包括直线轨迹区段、曲线轨迹区段和转折轨迹区段；所述直线轨迹区段配置为第一速度，所述曲线轨迹区段配置为第二速度，所述转折轨迹区段配置为第三速度，所述第一速度大于所述第二速度，所述第二速度大于所述第三速度。
[0020]
其中，所述磁约束基座包括位于x轴正方向和负方向的第一线圈和第二线圈，以及位于y轴的正方向和负方向的第三线圈和第四线圈；
[0021]
所述步骤6)中，对于所述轨迹矢量图，当其中的部分轨迹区段的加速度超过预设阈值时，计算所述磁约束基座的加速度的x分量和y分量，然后在进入所述的轨迹区段时根据所述x分量和所述y分量来配置位于x轴的所述第一线圈和所述第二线圈、以及位于y轴的所述第三线圈和所述第四线圈的线圈电流，以使得所述加速度方向对应方位的磁势阱增加(即使得所述加速度方向对应方位的磁势阱更深)；当完成所述的轨迹区段后，所述第一线圈、所述第二线圈、所述第三线圈和所述第四线圈的线圈电流均恢复至原始线圈电流。
[0022]
其中，所述步骤6)中，所述的位于x轴的所述第一线圈和所述第二线圈、以及位于y轴的所述第三线圈和所述第四线圈的线圈电流，根据预先标定的关系曲线进行配置，所述关系曲线是线圈电流增量与所述磁约束基座加速度大小的关系曲线。
[0023]
与现有技术相比，本技术具有下列至少一个技术效果：
[0024]
1.本技术的磁悬浮演示装置将磁约束装置与小型激光雕刻机相结合，实现了对悬浮体的二维移动操控。
[0025]
2.相对现有技术中的磁悬浮演示装置，本技术的磁悬浮演示装置中，悬浮体的移动路线可以较为灵活的规划，并且悬浮体可以在移动过程中保持稳定，悬浮状态不易倒塌。
[0026]
3.本技术的磁悬浮演示装置方便拆卸、重量轻且便携。
[0027]
4.本技术的一些实施例中，通过改装小型激光雕刻机，再将其与基于间距反馈型电磁力调节原理的零维磁约束装置组合，实现了具有较高可靠性的可移动的磁悬浮效果。
并且，改装过程较为便捷，成本较低。
附图说明
[0028]
图1示出了本实用新型一个实施例中的基于小型激光雕刻机改装的底座的俯视示意图；
[0029]
图2示出了本实用新型一个实施例中的零维磁约束装置及其与底座的组装关系的侧视示意图；
[0030]
图3示出了一个运动轨迹线条较粗的原始图片的示例；
[0031]
图4示出了将图3的具有运动轨迹的原始图片进行转化所得到的轨迹矢量图；需注意，图3和图4均为激光雕刻机配套软件显示画面的截图，图3和图4中，中央白色区域为绘制了运动轨迹的原始图片和轨迹矢量图，图中文字和图标均为该软件提供的工具和提示信息，这些文字和图标的含义与本技术的主旨无直接关联，因此不做赘述；
[0032]
图5示出了本技术一个实施例中的多个不同种类的区段；
[0033]
图6示出了本技术一个实施例中的磁约束基座的线圈布置示意图；
[0034]
图7示出了磁性悬浮体与磁约束基座的相对运动导致磁性悬浮体失稳的示意图；
[0035]
图8示出了本技术一个实施例中的具有动态调节能力的磁约束基座发生移动时的磁悬浮系统的示意图；
[0036]
图9示出了运动轨迹发生转折时对应的加速度方向矢量的示例。
具体实施方式
[0037]
为了更好地理解本技术，将参考附图对本技术的各个方面做出更详细的说明。应理解，这些详细说明只是对本技术的示例性实施方式的描述，而非以任何方式限制本技术的范围。在说明书全文中，相同的附图标号指代相同的元件。表述“和/或”包括相关联的所列项目中的一个或多个的任何和全部组合。
[0038]
应注意，在本说明书中，第一、第二等的表述仅用于将一个特征与另一个特征区分开来，而不表示对特征的任何限制。因此，在不背离本技术的教导的情况下，下文中讨论的第一主体也可被称作第二主体。
[0039]
在附图中，为了便于说明，已稍微夸大了物体的厚度、尺寸和形状。附图仅为示例而并非严格按比例绘制。
[0040]
还应理解的是，用语“包括”、“包括有”、“具有”、“包含”和/或“包含有”，当在本说明书中使用时表示存在所陈述的特征、整体、步骤、操作、元件和/或部件，但不排除存在或附加有一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元件、部件和/或它们的组合。此外，当诸如“...中的至少一个”的表述出现在所列特征的列表之后时，修饰整个所列特征，而不是修饰列表中的单独元件。此外，当描述本技术的实施方式时，使用“可以”表示“本技术的一个或多个实施方式”。并且，用语“示例性的”旨在指代示例或举例说明。
[0041]
如在本文中使用的，用语“基本上”、“大约”以及类似的用语用作表近似的用语，而不用作表程度的用语，并且旨在说明将由本领域普通技术人员认识到的、测量值或计算值中的固有偏差。
[0042]
除非另外限定，否则本文中使用的所有用语(包括技术用语和科学用语)均具有与
本技术所属领域普通技术人员的通常理解相同的含义。还应理解的是，用语(例如在常用词典中定义的用语)应被解释为具有与它们在相关技术的上下文中的含义一致的含义，并且将不被以理想化或过度正式意义解释，除非本文中明确如此限定。
[0043]
需要说明的是，在不冲突的情况下，本技术中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
[0044]
下面结合附图和具体实施例对本实用新型做进一步地描述。
[0045]
根据本实用新型的一个实施例，提供了一种可移动的磁悬浮演示装置，该装置将磁约束装置与小型激光雕刻机相结合，实现了对悬浮体的二维移动操控。并且，相对现有技术中的磁悬浮演示装置，本实施例中悬浮体的移动路线可以较为灵活的规划，并且悬浮体可以在移动过程中保持稳定，悬浮状态不易倒塌。具体来说，本实施例的可移动的磁悬浮演示装置包括一基于小型激光雕刻机改装的底座和一安装于该底座的零维磁约束装置。图1示出了本实用新型一个实施例中的基于小型激光雕刻机改装的底座的俯视示意图。参考图1，本实施例中，所述底座包括两条平行的条形支架1、架设在条形支架1的x轴导轨、安装在x轴导轨上的x轴滑块4、固定于x轴滑块4的y轴导轨3，以及安装于y轴导轨3的y轴滑块。进一步地，图2示出了本实用新型一个实施例中的零维磁约束装置及其与底座的组装关系的侧视示意图。参考图2，本实施例中，所述零维磁约束装置包括一固定于底座的y轴滑块6的磁约束基座5和一磁性悬浮体7。其中，滑块6可以包括一安装板61，磁约束基座5可以安装于该安装板61，该安装板61可以是一个竖直塑料短板。所述磁约束基座5可以生成磁场以便为磁性悬浮体7提供磁力以克服其自身重力，从而使该磁性悬浮体7处于悬浮状态。本实施例中，y轴滑块6用于安装磁约束装置的磁约束基座5。在图1中，y轴滑块6被磁约束基座5遮挡，因此未在图1中示出。本实施例中，磁约束基座5可以随着y轴滑块6沿着y轴导轨3滑动。x轴滑块4则可以带动y轴导轨及其上所安装的所有构件沿着x轴导轨滑动。x轴导轨和y轴导轨互相垂直，配合x轴滑块和y轴滑块，即可实现磁约束基座5的二维移动。
[0046]
进一步地，在本实用新型的一个实施例中，所述零维磁约束装置具有碗状势阱。由恩绍定理可知，由于磁单极子并不存在，磁偶极子在空间中的静磁能不可能存在局部能量最低点，因而单独静磁偶极子不可能悬空稳定停留。但是，如果能有额外的能量项跟静磁能混叠在一起，则有可能实现稳定磁悬浮。进一步地，本实施例中，实时获取磁性悬浮体与磁约束基座的间距，并根据该间距对磁约束基座的电磁力进行反馈调节，从而对与静磁能混叠的能量项的大小和方向进行实时调整，从而得到稳定的磁悬浮效果。
[0047]
进一步地，在本实用新型的一个实施例中，所磁性悬浮体可以包括一永磁体，该永磁体可以自旋以提高悬浮状态的稳定性。本实施例中，零维磁约束装置可以基于间距反馈型电磁力调节原理实现。例如磁约束基座的电磁力可以根据磁性悬浮体与磁约束基座的间距进行反馈调节，从而帮助磁性悬浮体维持平衡状态。磁性悬浮体可以呈碗装，其内可以盛放可燃物质(可以是可燃液体)。在磁悬浮演示装置处于工作状态下，可将磁性悬浮体内的可燃物质点燃，达到火焰悬浮移动的视觉效果，从而提升该演示装置的趣味性和观赏性。
[0048]
进一步地，在本实用新型的一个实施例中，所述的基于间距反馈型电磁力调节原理实现的零维磁约束装置可以是市场上购买的磁悬浮装置，例如磁悬浮花盆。
[0049]
进一步地，根据本实用新型的一个实施例，还提供了一种通过改装小型激光雕刻机来组装可移动磁悬浮演示装置的方法。小型激光雕刻机将激光头安装在具有二维轨道的
底座上，通过激光头的二维移动来在木材、皮革、塑料、陶瓷、不锈钢等多种材质上雕刻所需的图形。然而，小型激光雕刻机的激光头在雕刻过程中往往是逐行移动的，对于可移动磁悬浮演示装置，这种移动方式会破坏磁性悬浮体的受力平衡，导致无法维持悬浮状态。因此，小型激光雕刻机难以直接用于本实用新型的可移动磁悬浮演示装置中，需要对其移动方式进行改造，以使磁性悬浮体可以在二维水平移动的过程中保持稳定。本实施例中，对小型激光雕刻机的底座进行改装中，其运动方式考虑了运动速度、运动方向的改变和运动轨迹的设置等诸多因素，以使磁性悬浮体能够在二维水平移动过程中保持稳定。其中，通过对运动轨迹(即图2中y轴滑块6的运动轨迹)的设置，可以实现对磁约束基座的运动控制，从而使质量相对较大的磁约束装置稳定悬浮运动。由于磁悬浮演示装置与激光雕刻机的运行有很大不同，而且原雕刻机的一些功能不适用于该装置的演示需要，所以本实施例还对小型激光雕刻机进行了改装，即将激光头拆卸得到可实现二维移动的底座，并将磁约束基座与该底座组装在一起。
[0050]
其中，对运动轨迹的设置过程可以包括下述步骤s10-s40。
[0051]
步骤s10，连接一主机(例如pc机)，在主机中绘制运动轨迹图片。
[0052]
步骤s20，将所绘制的运动轨迹图片转换成矢量图，为便于描述，下文中有时将其称为轨迹矢量图。发明人研究和测试中发现，底座在运行过程中在轨迹的拐角处容易发生较剧烈的震颤，导致运动不流畅。而如果将矢量图的图片大小调整至合适的尺寸，则可以较好地缓解上述问题。优选地，矢量图的图片大小可调整为150*150mm，这个尺寸可以充分地利用空间，使底座的运动构件(例如滑块)具有明显的易于观察的运动轨迹，从而获得良好的演示效果，并且还可以避免或缓解拐角处会发生较剧烈震颤的问题。当然，本技术并不限于上述150*150mm的图片尺寸。一般来说，当矢量图的图片大小在100*100mm以上时，即可以达到较好的演示效果。与此同时，上述图片尺寸也有助于防止边缘部分运动不清晰的问题。进一步地，本步骤中，还可以对绘制运动轨迹的线条的粗细进行调整。如果步骤s10所的绘制运动轨迹图片的线条设置得过粗，转化为矢量图时可能会出现明显双线，从而会对运动轨迹造成影响。图3示出了一个运动轨迹线条较粗的原始图片的示例。该图片例如可以是bmp等格式的非矢量图格式图片。图4示出了将图3的具有运动轨迹的原始图片进行转化所得到的轨迹矢量图。参考图4，可以看出由于图3中的运动轨迹线条较粗，图4中的矢量轨迹出现了双线，且轮廓模糊。因此，本步骤中，可以对原始图片中的绘制运动轨迹的线条粗细进行调整，确保轨迹矢量图不出现双线问题。
[0053]
步骤s30，将步骤s20所得到的矢量图输入激光雕刻机的底座，使其带动磁约束基座按照矢量图的运动轨迹移动。磁约束基座的移动将带动磁性悬浮体跟随移动。本实施例中，磁约束装置基于间距反馈型电磁力调节原理实现。当磁约束基座水平移动时，实时获取磁性悬浮体与磁约束基座的间距，并根据该间距对磁约束基座的电磁力进行反馈调节，从而对与静磁能混叠的能量项的大小和方向进行实时调整，使得磁性悬浮体可以在磁约束基座的电磁势阱的作用下沿着该磁约束基座的移动方向进行移动。同时，磁性悬浮体在移动过程中的上下位置的扰动，可以由电磁力的基于间距的反馈调节进行矫正，从而实现较为稳定的悬浮状态下的平移。
[0054]
步骤s40，在完成一个轨迹矢量图的运动后，让底座的滑块(指固定有磁约束基座的滑块)回到初始位置，以备下一次的演示。即在完成一个轨迹矢量图的运动后，底座先进
行复位，然后再开始下一次的演示。
[0055]
进一步地，本实用新型的一个实施例中，所述步骤s30中还可以对激光雕刻机底座的运行速度进行调节。可以在组装磁悬浮基座前，先输入轨迹矢量图以对底座移动构件(例如滑块)的运行速度进行调试。如果运行速度过快，可能使顶部的悬浮物因受力不稳而脱落，如果运行速度过慢，则悬浮物的水平移动可能不易观察，影响演示效果。因此本实施例中，在组装磁悬浮基座前，先输入轨迹矢量图以对底座移动构件(例如滑块)的运行速度进行调试，使该运行速度处于预设的合理区间内。在组装磁悬浮基座后，再次对运行速度进行调试，以确保所组装的磁悬浮基座的运行速度处于预设的合理区间内。
[0056]
进一步地，本实用新型的一个实施例中，所述步骤s30中，调节运动速度的方式可以是利用雕刻机面板来调节速度；也可以是利用计算机的打印驱动程序来调节速度，该计算机与雕刻机连接并向雕刻机输出需雕刻的轨迹矢量图，因此通过对打印驱动程序的调整可以调节激光头的移动速度，调节激光头的移动速度也就是用于安装该激光头的滑块的移动速度。本实施例中，激光头被卸下，磁约束基座安装于所述滑块，因此磁约束基座的移动速度可以由打印驱动程序来调整。
[0057]
进一步地，本实用新型的一个实施例中，可以对运动轨迹的不同区段设置不同大小的速度。图5示出了本技术一个实施例中的多个不同种类的区段。参考图5，本实施例中，运动轨迹可以包括直线轨迹区段8、曲线轨迹区段9和转折轨迹区段10(转折可以是转角或曲率较大的转弯)。其中直线轨迹区段7可以配置为第一速度，曲线轨迹区段8可以配置为第二速度，转折轨迹区段9可以配置为第三速度，第一速度可以大于第二速度，第二速度可以大于第三速度。这种对运动轨迹设置不同大小的速度的方案，可以更好地保障磁性悬浮体稳定可靠地在移动过程中保持悬浮状态。本实施例中，可以选用雕刻速度可调的小型激光雕刻机进行改装。假设该激光雕刻机的雕刻速度可以是1％到100％的范围内可调，其调整幅度(或调整步长)为1％，那么第一速度例如可以设置成70％，第二速度可以设置成50％，第三速度可以设置成30％。上述设置方式仅仅是示例性的，实际的速度设置可以根据调试过程所获得的实际情况进行灵活调整。
[0058]
更进一步地，本实用新型的一个实施例中，在进行速度切换时，可以设置一速度切换过渡区，该速度切换过渡区内，激光雕刻机底座的运动构件的移动速度可以平滑地从一个较低的速度提升至一个较高的速度，或者平滑地从一个较高的速度降低至一个较低的速度。这种设计可以比较速度切换过程出现过大的加速或减速而导致磁性悬浮体的受力失衡。
[0059]
进一步地，在本实用新型的一个实施例中，当演示过程中遇到卡顿等情况，可以重启激光雕刻机的软件或断开激光雕刻机的电源连接装置再手动复位。如果在运动过程中出现问题，应先按软件终止或暂停键，再进行下一步操作，以防止机器受损。
[0060]
进一步地，在本实用新型的一个实施例中，对激光雕刻机进行改装以获得所需的具有二维轨道的底座，然后再讲该底座与磁约束装置组装，得到所述的磁悬浮演示装置。对激光雕刻机底座的改装及组装磁悬浮演示装置的方法可以包括下述步骤s100-s400。
[0061]
步骤s100，将激光雕刻机的激光头拆卸。本步骤中，由于激光头与磁约束装置的运动及其所需要的功能无关，所以可以将其拆卸。在一个例子中，激光雕刻机的底座可以包括两条平行的条形支架1、架设在条形支架1的x轴导轨、安装在x轴导轨上的x轴滑块4、固定于
x轴滑块4的y轴导轨3，以及安装于y轴导轨3的y轴滑块。y轴滑块可以连接一竖直塑料短板，而激光头固定于该竖直塑料短板。本实施例中，可以将激光头从该竖直塑料短板拆卸，竖直塑料短板本身则予以保留。
[0062]
步骤s200，将磁约束装置的磁约束基座安装于所述底座。具体来说，本实施例中，可以将磁约束基座安装于所述竖直塑料短板。其中，可以使用一个较薄、长度短且质量轻的钢材支架，将该钢材支架固定在竖直塑料短板上，并将支架上部折叠，使该支架呈角铁状，以便磁约束基座承靠于该角铁状支架，从而很好地将磁约束装置和运动支架组装，完成了机械控制装置结合。
[0063]
步骤s300，进行运动测试，观察是否存在重心不稳、整体倾斜或倒塌等现象。如果出现上述现象，可以在磁约束基座的底部加装了两条平行的钢条(也可以是其他金属条)用于平衡。例如，当装置运动到边缘部分时可能会导致重心不稳，进而出现整体倾斜或倒塌，而在制作过程中在磁约束基座的底部加装两条平行的钢条用于平衡，可以很好地解决上述问题。
[0064]
步骤s400，进一步优化轨迹矢量图，将轨迹矢量图通过电脑输入改装后的激光雕刻机底座进行运动测试，观察磁约束装置的运行，反复改进优化，从而最终呈现出相对理想的效果。优化轨迹矢量图的方法可以参考前文中的步骤s10-s40的描述，此处不再赘述。
[0065]
上述实施例中，磁悬浮演示装置将磁约束装置与小型激光雕刻机相结合，实现了对悬浮体的二维移动操控。并且，相对现有技术中的磁悬浮演示装置，本实施例中悬浮体的移动路线可以较为灵活的规划，并且悬浮体可以在移动过程中保持稳定，悬浮状态不易倒塌。更具体地，本实用新型可以使用小型激光雕刻机和基于间距反馈型电磁力调节的磁约束装置进行改装和组合，获得可移动的磁悬浮演示装置。该演示装置方便拆卸、重量轻且便携，很适合当教具来辅助磁学和磁悬浮相关内容的学习和科普。该磁悬浮演示装置还可以用于实验室，进行上述相关理论演示，磁约束装置分析，以及其他有关机械控制与磁约束相结合的运动控制演示。除了用于教学和实验室研究演示，该装置还因为其趣味性和观赏性，可以进行适当外观和运动轨迹改造，以用于舞台表演和科技类展示。例如，可以在上述实施例的基础上，在磁悬浮演示装置的磁性悬浮体和磁约束基座之间增加一遮挡层，该遮挡层可以是黑色薄板或者黑色幕布等，只要可以遮挡视线且不隔离磁力即可。类似地，整个底座也可以被上述遮挡层所遮挡，这样观察者或观众的注意力可以被更好吸引在悬浮体及其移动效果上，从而进一步地增强本实用新型的磁悬浮演示装置的趣味性和观赏性。
[0066]
进一步地，根据本技术的一个实施例，还提出了另一种磁悬浮演示装置，该磁悬浮演示装置中，可根据输入的矢量图的轨迹形状来自适应地调节磁约束基座中不同方位线圈的电流，进而将对应方位的磁势阱加固，从而防止或消减磁性悬浮体在二维移动中的震颤。本实施例中，磁约束基座可以包括设置在四个方位的线圈以用于生成碗状磁势阱。图6示出了本技术一个实施例中的磁约束基座的线圈布置示意图。参考图6，在俯视角度下，四个线圈51、52、53、54分别布置在x轴正方向、负方向以及y轴正方向和负方向这四个方位。在通电后，这四个线圈51、52、53、54的上方可以形成碗状磁势阱，以约束所述磁性悬浮体。具体来说，该碗状磁势阱可以将旋转的磁性悬浮体大致限制在对应的碗状区域内并保持该磁性悬浮体的平衡，使之能够悬浮在空中。然而，该碗状磁势阱往往只存在于电磁铁上方非常小的区域内，当磁悬浮演示装置的矢量图的运动轨迹较为复杂或运行速度较快时，磁性悬浮体
与磁约束基座的相对运动可能导致该磁性悬浮体失稳。图7示出了磁性悬浮体与磁约束基座的相对运动导致磁性悬浮体失稳的示意图。参考图7，由于本实施例中，磁约束基座5需要在轨迹矢量图的作用下进行二维移动，而当运动轨迹较为复杂或运行速度较快时，磁约束基座5可能在短时间内形成较大的加速度，导致磁性悬浮体7超出磁约束基座5上方的磁势阱50的约束范围，从而出现失稳现象。这种情形下，在实际演示中磁性悬浮体7将会出现较剧烈的震颤甚至倒塌。因此，本实施例中，根据输入的轨迹矢量图的轨迹形状来自适应地调节磁约束基座5中不同方位线圈的电流，进而将对应方位的磁势阱加固。图7中，a部分示出了静态的磁约束基座5、碗状磁势阱50和磁性悬浮体7(图7中仅示出磁性元件，整个磁性悬浮体的外形可以是如图2所示的形状，而磁性元件例如可以安装在磁性悬浮体壳体的内部)，b部分示出了磁约束基座5的移动或加速方向，c部分示出了当加速度较大时，磁约束基座5从原位置5’快速移动到新位置，导致其上方的碗状磁势阱50难以约束磁性悬浮体7，从而发生震颤甚至倒塌。图8示出了本技术一个实施例中的具有动态调节能力的磁约束基座发生移动时的磁悬浮系统的示意图。参考图8，本实施例中，根据输入的轨迹形状，可以判断出加速度较大的轨迹区段，因此，在进入这些加速度较大的轨迹区段时，可以通过调节线圈组(即线圈51、52、53、54)的电流来将加速度所对应方位的磁势阱增大，从而使得磁性悬浮体可以在增大的磁势阱的作用下也较快地向磁约束基座的运动方向移动，进而避免磁性悬浮体的位置超出碗状磁势阱的作用范围而失稳。图8的a部分示出了：在磁约束基座5进入加速度较大的轨迹区段时，通过调节线圈组的电流来将加速度所对应方位的磁势阱50’增大的示意图。图8的b部分示出了：磁性悬浮体7在加固的磁势阱50’的作用下向磁约束基座的运动方向移动的示意图。图8的c部分则示出了磁约束基座5完成加速度较大的轨迹区段后，磁约束基座5恢复原始线圈电流后及相应的磁势阱50的示意图。进一步地，在一个例子中，当轨迹矢量图中具有转折轨迹区段时，可以将该转折轨迹区段视为所述的加速度较大的轨迹区段。图9示出了运动轨迹发生转折时对应的加速度方向矢量的示例。参考图9，当转折前的速度矢量为a，转折后的速度矢量为b时，则转折时的磁约束基座的加速度的方向可以为如图中的箭头c所示。也就是说，根据运动轨迹，可以判断出或大致判断出加速度的方向和大小。对应地，调整位于x轴和y轴的线圈电流，可以调节磁场的x分量和y分量，从而将对应方位处的磁势阱加强，使得磁势阱可以在与磁约束基座的加速度一致或大体上一致的方向上，对磁性悬浮体产生更强的驱动力，从而防止磁性悬浮体因惯性过大而超出磁势阱的约束范围导致剧烈震颤或倒塌。其中第一线圈51位于x轴正方向的方位，第二线圈52位于x轴负方向的方位，第一线圈53位于y轴正方向的方位、第二线圈54位于y轴负方向的方位。合理搭配第一线圈51、第二线圈52、第三线圈53、第四线圈54的线圈电流，可以调节磁场的x分量和y分量，从而所需方位的磁势阱加强。具体来说，假如加速度的方向正好为x轴正方向，那么此时可以将位于x轴负方向位置的线圈的电流增加，以便增强对应方位的磁势阱，这样磁势阱可以对磁性悬浮体形成一个x正方向的增强的驱动力，从而避免磁性悬浮体因惯性过大而超出磁势阱的约束范围导致剧烈震颤或倒塌。当然，磁约束基座的加速度的方向为x轴正方向仅是一个特例。实际上，磁约束基座的加速度的方向可能是xoy平面内的任何方向，此时可以将这个加速度方向分解为x轴上的分量和y轴上的分量，然后再控制x轴和y轴上的线圈增加或降低电流，从而增强对应方位的磁势阱，使得磁势阱可以在与磁约束基座的加速度一致或大体上一致的方向上，对磁性悬浮体产生更强的驱动力。基于这种机制，即应对
磁约束基座在xoy平面内任意方向的加速度。在实际演示前，可以通过若干次试验来标定线圈电流增量与磁约束基座加速度大小的关系曲线(即通过试验获得多少线圈电流增量可以基本补偿或抵消多少大小的加速度，采集多个数据点，即可得到线圈电流增量随加速度大小变化的关系曲线，这里的“补偿或抵消”的含义是达到防止磁性悬浮体失稳的功能，即试验中，在磁约束基座具有某一大小的加速度时，如果在对应方位的施加某一线圈电流增量即可防止磁性悬浮体失稳，那么就可视为达到了“补偿或抵消”的效果)，从而使得磁悬浮演示装置可以基于该关系曲线，根据矢量图的轨迹形状在转折轨迹区段自动调节各个线圈的电流，以在转折轨迹区段保持磁性悬浮体大体上平衡。当转折轨迹区段的演示完成后，所述磁约束基座可以恢复原始的电流值，即静态平衡下的线圈电流值。静态平衡即磁约束基座不动时，磁约束基座用以生成碗状磁势阱的线圈电流值(当磁约束基座慢速匀速运动时，也可以直接采用静态平衡下的线圈电流)。本实施例中，通过调整线圈电流，可以在运动轨迹中加速度较大的区段保持磁性悬浮体大体上平衡，因此具有更好的稳定性、鲁棒性和兼容性。例如，本实施例中，磁约束基座可以带动磁性悬浮体做更加复杂的运动、运动速度也可以适当加快，因此磁悬浮演示效果可以更加生动、丰富。
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需要注意，前述实施例中，线圈电流值调节机制并不限于运动轨迹进入转折轨迹区段，例如，即便在直线轨迹区段，当出现较大的加速度时(例如磁约束基座的直线运动速度突然增大时)，也可以运用上述线圈电流值调节机制来防止磁性悬浮体震颤或倒塌。
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最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本实用新型进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本实用新型的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本实用新型技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本实用新型的权利要求范围当中。