1. 设备概况

   型号：WS-CXF-250

　　将小白鼠圈养在球形生活平台内。采用磁悬浮原理，使得球形平台悬浮空中。

　　设备模块化设计，1个球形平台生活1只小白鼠，配备一套磁悬浮装置。

　　如需对多个小白鼠进行试验，则将多套试验机一起使用即可。

　　并且扩展性强，可附加其他模块，以加强试验能力，如生物监测监控，温湿度环境控制等。

　　2. 技术参数

　　(1) 球形生活平台：内径250mm。球内附加水平平台用于小白鼠生活。

　　(2) 悬浮原理：磁悬浮。

　　3. 磁悬浮原理与计算解析

　　3.1. 电磁力计算基础

　　磁悬浮系统的核心在于电磁力与重力的平衡。以下为关键计算模型：

　　‌电磁吸引力(EMS系统)‌

　　计算公式：

　　Fem=μ0N2AI2/4d2

　　其中，μ0为真空磁导率(4π×10−7 H/m)，N为线圈匝数，A为磁极面积，I为电流，d为悬浮间隙。通过调节电流强度实现间隙稳定(典型值8-12mm)‌。

　　‌超导排斥力(EDS系统)‌

　　基于楞次定律，运动超导磁体在铝制轨道中感应涡流，产生反向磁场形成的斥力：

　　Fed=B2A/2μ0

　　式中B为磁感应强度，A为有效作用面积。悬浮间隙可达10-30cm‌。

　　3.2. 控制算法与稳定性分析

　　‌PID闭环控制‌

　　悬浮间隙调节采用PID算法：

　　u(t)=Kpe(t)+Ki∫e(t)dt+Kdde(t)/dt

　　参数整定需满足相位裕度>45°，带宽>100Hz，响应时间<10ms‌。

　　‌多自由度协同控制‌

　　横向导向力与纵向推进力耦合方程为：

　　{mx=Fx−Fdrag my=Fy+Flateral

　　需通过卡尔曼滤波器消除轨道不平顺扰动，定位精度要求±1mm‌67。

　　3.3. 能量损耗量化分析

　　‌电磁悬浮能耗‌

　　功率损耗主要来自线圈电阻：

　　Ploss=I2R+B2fV/μ0σ

　　其中R为线圈电阻，f为磁场交变频率，V为磁芯体积，σ为材料电导率。EMS系统典型功耗为3-5kW/吨。

　　‌超导系统冷却能耗‌

　　液氦制冷功率需求：

　　Pcool=Qleak/ηcryo

　　漏热Qleak与绝热层厚度成反比，商用超导磁悬浮制冷效率约15%-20%‌。

　　4. 系统设计原理

　　4.1. ‌磁悬浮模块‌

　　‌悬浮机制‌：采用电磁悬浮(EMS)技术，通过可调节电流的电磁铁阵列实现小白鼠无接触悬浮，磁场强度与重力平衡关系满足：

　　Fm=μ0N2AI2/4d2≥mmouse⋅g

　　其中，mmouse为小白鼠质量(约20-40g)，悬浮间隙d控制在5-10mm范围内，通过PID算法实时调节电流以维持稳定悬浮‌。

　　‌磁场配置‌：采用环形电磁铁阵列(4-6组)，垂直磁场强度梯度≥0.5T/m，水平方向设置辅助磁场抑制侧向偏移。

　　4.2. ‌动态行为监测‌

　　‌运动轨迹捕捉‌：集成微型加速度计(采样率≥100Hz)与红外光栅阵列(精度±0.1mm)，实时记录小白鼠肢体活动轨迹及位移。

　　‌生理参数监测‌：通过非接触式光纤传感器监测心率(50-700bpm)与呼吸频率(20-300次/分)，数据同步至控制终端。

　　5. 核心功能模块

　　5.1. ‌环境模拟系统‌

　　‌磁场强度调节‌：支持0.1-5.0T连续可调磁场，通过PWM控制电磁铁电流(0-10A)，模拟不同重力条件(如0.1g-2g)。

　　‌温湿度控制‌：内置恒温模块(20-30℃±0.5℃)与湿度调节器(30-70%RH±5%)，适应长期实验需求。

　　5.2. ‌安全保护机制‌

　　‌紧急制动‌：悬浮失效时自动启动机械托架(响应时间<50ms)，防止小白鼠跌落损伤。

　　‌刺激阈值保护‌：动态限制电磁场变化速率(ΔB/Δt≤0.1T/s)，避免过度应激反应。

　　6. 硬件与软件架构

　　6.1. ‌硬件配置‌

　　‌悬浮平台‌：直径200mm圆形平台，采用轻量化钛合金框架(总重<5kg)，内置电磁铁组与传感器阵列。

　　‌控制单元‌：基于STM32H7微控制器，集成16位ADC(采样率1MHz)与CAN总线通信模块。

　　6.2. ‌软件系统‌

　　‌实时控制算法‌：采用改进型模糊PID控制器，调节周期≤1ms，相位裕度>60°，带宽>200Hz。

　　‌数据分析模块‌：支持运动轨迹可视化(3D建模)与生理参数相关性分析(如活动强度与心率变化曲线)。

　　7. 实验流程设计

　　7.1. ‌适应性训练阶段‌

　　初始悬浮高度设定为5mm，磁场强度梯度0.3T/m，持续30分钟/天，连续3天观察行为适应性与应激反应‌。

　　7.2. ‌生存能力测试‌

　　‌静态悬浮测试‌：在1g模拟重力下连续悬浮24小时，记录能量消耗(通过运动位移换算)与进食/饮水行为。

　　‌动态应激测试‌：施加周期性磁场扰动(频率0.1-10Hz)，评估运动恢复速度与生理指标波动‌。