CN107591067A - 用于中学静电实验的静电计 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于中学静电实验的静电计，静电球通过绝缘端子设于机壳顶面，显示屏、电源开关及置零按钮设于机壳前面直板和平板，电荷采集模块采集静电球电荷并输入至小信号滤波调理模块，小信号滤波调理模块的信号输出至信号放大模块，信号放大模块的信号传输至中央处理模块，中央处理模块的显示信号输出至显示屏，电源模块提供各个模块的工作电源，电源开关串接于电源模块的供电回路，置零按钮串接于电荷采集模块的电荷采集回路，电源模块、电荷采集模块、小信号滤波调理模块、信号放大模块和中央处理模块设于机壳内。本静电计通过显示屏直观显示实验数据，并采用外接端口传输实验数据，提高了静电实验效果，可使学生有效掌握静电知识。

Description

用于中学静电实验的静电计

技术领域

本发明涉及一种用于中学静电实验的静电计。

背景技术

静电计又称电势差计或指针验电器，是中学静电实验中常用的半定量测量仪器。静电计可以用于检验物体所带电荷的种类（正或负），传统静电计如图1所示，其在底座1上设置表盘2，表盘2上方设有静电球3，表盘2中设有中心杆4及指针5，实验时先使静电计中心杆4带上已知种类的电荷，采用丝绸摩擦过的玻璃棒接触静电球3，指针5张角变大以指示静电球3上的电荷量，并表明与中心杆4的电荷同类；若指针5张角变小则表明与中心杆4的电荷异类。该类静电计为指针类仪器并通过指针指示电荷量及电荷种类，缺乏静电实验的直观性，并且实验过程比较枯燥，一定程度影响静电实验效果。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种用于中学静电实验的静电计，本静电计克服了指针类测量仪器的缺陷，通过显示屏直观显示实验数据，并采用外接端口传输实验数据，提高了静电实验效果，可使学生有效掌握静电知识。

为解决上述技术问题，本发明用于中学静电实验的静电计包括静电球、绝缘端子、机壳、显示屏、电源开关、置零按钮、电源模块、电荷采集模块、小信号滤波调理模块、信号放大模块和中央处理模块，所述静电球通过绝缘端子设于所述机壳顶面，所述显示屏设于所述机壳前面直板，所述电源开关和置零按钮分别设于所述机壳前面平板，所述电荷采集模块的信号输入端连接所述静电球、信号输出端连接所述小信号滤波调理模块的输入端，所述小信号滤波调理模块的输出端连接所述信号放大模块的输入端，所述信号放大模块的输出端连接所述中央处理模块的信号输入端，所述中央处理模块的显示信号输出端连接所述显示屏，所述电源模块提供各个模块的工作电源，所述电源开关串接于所述电源模块的供电回路，所述置零按钮串接于所述电荷采集模块的电荷采集回路，所述电源模块、电荷采集模块、小信号滤波调理模块、信号放大模块和中央处理模块设于所述机壳内。

进一步，本静电计还包括无线传输模块，所述无线传输模块设于所述机壳内并且信号输入端连接所述中央处理模块的信号输出端。

进一步，所述无线传输模块是蓝牙模块或WIFI模块。

进一步，本静电计还包括USB接口，所述USB接口设于所述机壳侧板并且连接所述中央处理模块的信号输出端。

由于本发明用于中学静电实验的静电计采用了上述技术方案，即本静电计的静电球通过绝缘端子设于机壳顶面，显示屏、电源开关及置零按钮设于机壳前面直板和平板，电荷采集模块采集静电球电荷并输入至小信号滤波调理模块，小信号滤波调理模块的信号输出至信号放大模块，信号放大模块的信号传输至中央处理模块，中央处理模块的显示信号输出至显示屏，电源模块提供各个模块的工作电源，电源开关串接于电源模块的供电回路，置零按钮串接于电荷采集模块的电荷采集回路，电源模块、电荷采集模块、小信号滤波调理模块、信号放大模块和中央处理模块设于机壳内。本静电计克服了指针类测量仪器的缺陷，通过显示屏直观显示实验数据，并采用外接端口传输实验数据，提高了静电实验效果，可使学生有效掌握静电知识。

附图说明

下面结合附图和实施方式对本发明作进一步的详细说明：

图1为传统静电计的结构示意图；

图2为本发明用于中学静电实验的静电计结构示意图；

图3为本静电计中各个模块的原理框图；

图4和图5为本静电计中电荷采集模块具体电路图；

图6为本静电计中信号放大模块的具体电路图。

具体实施方式

实施例如图2和图3所示，本发明用于中学静电实验的静电计包括静电球6、绝缘端子7、机壳8、显示屏9、电源开关10、置零按钮11、电源模块12、电荷采集模块13、小信号滤波调理模块14、信号放大模块15和中央处理模块16，所述静电球6通过绝缘端子7设于所述机壳8顶面，所述显示屏9设于所述机壳8前面直板81，所述电源开关10和置零按钮11分别设于所述机壳8前面平板82，所述电荷采集模块13的信号输入端连接所述静电球6、信号输出端连接所述小信号滤波调理模块14的输入端，所述小信号滤波调理模块14的输出端连接所述信号放大模块15的输入端，所述信号放大模块15的输出端连接所述中央处理模块16的信号输入端，所述中央处理模块16的显示信号输出端连接所述显示屏9，所述电源模块12提供各个模块的工作电源，所述电源开关10串接于所述电源模块12的供电回路，所述置零按钮11串接于所述电荷采集模块13的电荷采集回路，所述电源模块12、电荷采集模块13、小信号滤波调理模块14、信号放大模块15和中央处理模块16设于所述机壳8内。

优选的，本静电计还包括无线传输模块17，所述无线传输模块17设于所述机壳8内并且信号输入端连接所述中央处理模块16的信号输出端。

优选的，所述无线传输模块17是蓝牙模块或WIFI模块。

优选的，本静电计还包括USB接口18，所述USB接口18设于所述机壳8侧板83并且连接所述中央处理模块16的信号输出端。

本静电计用于测量物体所带静电电量及极性，其内部采用高度集成的数字化集成电路模块实现电荷小信号的采集、转换、传输和处理显示，可以提供高精度、高稳定度的电荷测量。本静电计采用图形化用户界面，显示屏可采用5寸笔段式彩色液晶屏直观动态显示电量的变化和实验数据，电源模块可采用内置锂电池的便携式设计，可以脱机独立工作。另外本静电计可提供USB接口或无线传输模块与上位机通讯，实现实验数据的采集、显示、存储以及后期处理。电荷采集模块采集静电球的带电电量并经小信号滤波调理模块处理，信号放大模块将电压信号放大并模数转换处理后传输至中央处理模块，中央处理模块将信号处理转换成对应的电量值后由显示屏显示。

如图4和图5所示，电荷采集模块采用高阻抗电荷放大器配合高精度16位模数转换芯片实现静电电量的数字化采集，可分辨微弱电量变化。图4中U3A和U3B为高输入阻抗运算放大器，U3B组成电荷转换电路，将微弱的电荷信号变化转换成可测量的数字电压信号，U3A组成的电路为U3B组成的电路提供零点电平，使得静电计可测量正负变化的电量。图5为电荷采集模块由信号继电器U4构成的清零电路，其作用是短路U3B组成电路中的采样保持电容C2两端，即释放静电球上积累的电量，清零操作后显示屏显示0nC，每次重新测量前均应先进行清零操作，中央处理模块检测到置零按钮按下时控制清零电路进行一次清零操作。

如图6所示，本静电计中的信号放大模块采用内置1-128倍可编程放大器U5构成信号放大电路，其支持单端和双端输入，中央处理模块可通过SPI接口采集放大后的数字信号。

本静电计中的中央处理模块可采用型号为C8051F340的单片机，其运行频率48MHZ,支持USB2.0通信接口。

本静电计以数字、图形形式显示，可直接读数，轻巧携带方便且测量范围广，在实验过程中，采用丝绸摩擦玻璃棒或橡胶棒后接触静电球，通过本静电计可直接读出玻璃棒或橡胶棒所带的电荷量和极性，且在较长时间内电荷无损耗，再次测量时通过置零按钮清零，以保证测量的准确性。同时将静电计清零后，手握金属板放置于静电球上方，将带电的玻璃棒或橡胶棒靠近金属板，观察静电计的测量结果，以了解静电屏蔽现象。

Claims (4)

1.一种用于中学静电实验的静电计，包括静电球和绝缘端子，其特征在于：本装置还包括机壳、显示屏、电源开关、置零按钮、电源模块、电荷采集模块、小信号滤波调理模块、信号放大模块和中央处理模块，所述静电球通过绝缘端子设于所述机壳顶面，所述显示屏设于所述机壳前面直板，所述电源开关和置零按钮分别设于所述机壳前面平板，所述电荷采集模块的信号输入端连接所述静电球、信号输出端连接所述小信号滤波调理模块的输入端，所述小信号滤波调理模块的输出端连接所述信号放大模块的输入端，所述信号放大模块的输出端连接所述中央处理模块的信号输入端，所述中央处理模块的显示信号输出端连接所述显示屏，所述电源模块提供各个模块的工作电源，所述电源开关串接于所述电源模块的供电回路，所述置零按钮串接于所述电荷采集模块的电荷采集回路，所述电源模块、电荷采集模块、小信号滤波调理模块、信号放大模块和中央处理模块设于所述机壳内。

2.根据权利要求1所述的用于中学静电实验的静电计，其特征在于：本静电计还包括无线传输模块，所述无线传输模块设于所述机壳内并且信号输入端连接所述中央处理模块的信号输出端。

3.根据权利要求2所述的用于中学静电实验的静电计，其特征在于：所述无线传输模块是蓝牙模块或WIFI模块。

4.根据权利要求1、2或3所述的用于中学静电实验的静电计，其特征在于：本静电计还包括USB接口，所述USB接口设于所述机壳侧板并且连接所述中央处理模块的信号输出端。