王学文 陈阔 董明慧

摘 要：对液体中物体的位置的测量在物理上一直有不同的方法。本实验是在模拟微重力的环境下，基于旋转多普勒效应对液体中的“气包”的三维位置进行测量，并利用电磁场对磁性物质的作用力控制气包的运动。运用特殊点和空间几何各物理量相互转换的基本思想，精确利用测量数据计算出液体中“气包”的三维坐标，同时利用激光扫描方法实现对气包大小的测量。

关键词：多普勒效应;定位;运动控制

在微重力条件下，由密度差所造成的浮力消失，液体主要受表面张力的作用。所以悬浮在空间的水包呈球形或近似球形，并且在水球内的气泡也呈球形或近似球形。在本次實验设计方案中，将气液界面测量的问题提取出来，以“气包”代替太空中的“水包”，以自由液体环境代替失重的真空，控制气包悬浮，通过近似模拟太空微重力环境，探究液体中的“气包”运动轨迹并实现三维定位、自由控制、大小测量等功能。

1 基于旋转多普勒的三维空间水下“气包”定位基本原理

提取接收器作匀速圆周运动时在一周内分别接收到信号频率的不变值、最大值和最小值的位置信息，就可以确定定位点在定位区域内的位置，这就是所谓的多普勒测向原理，也就是我们水声定位系统进行水下目标定位的基本原理。

本实验通过超声波的多普勒效应原理，实现了气包定位功能。由于圆周运动实现多普勒精确定位时，圆盘转动一圈仅需用0.342466s便可采集到实验所需数据，所需时间极短。……