CN109087567B - 一种基于二维坐标孔板的静电场等势线描绘器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于二维坐标孔板的静电场等势线描绘器，包括二维坐标孔板、自动记录数字电压表、稳压稳流直流电压、直流电源、待测模拟场、探针，所述二维坐标孔板与待测模拟场固定连接，所述稳压稳流直流电压给待测模拟场供电，所述探针相连的导线接直流电源电压表的+接线柱，直流电源电压表的‑接线柱与稳压稳流直流电压的负极相连，所述自动记录数字电压表探测端的信号输入端与探针相连，自动记录数字电压表探测端的地与直流电源的负极连接，选择直流电源的负极作为零电势参考点。本发明能适用于各种不同的电介质，测量结果准确，能自动记录数据、方便、快捷、形象直观，成本低，容易进行大规模推广。

Description

一种基于二维坐标孔板的静电场等势线描绘器

技术领域

本发明属于电工电子测量设备领域，具体涉及一种基于二维坐标孔板的静电场等势线描绘器。

背景技术

静电场描绘是国内外高等院校普遍开设的物理实验，目前中学也开设此实验，由于直接描绘静电场存在很大困难，而稳恒电流场在导体中的分布规律—电流强度与电势差的分布规律和静电场中场强与电位差的分布规律可以用相同的数学关系式表达，所以通常是用稳恒电流场来模拟静电场。目前的静电场描绘仪按照导电介质的不同可分为：导电纸静电场描绘仪、电解液静电场描绘仪、导电玻璃静电场描绘仪和导电微晶静电场描绘仪，其中第一种是采用涂有石墨的导电纸作为电介质，通过探针和定位针，实现定量记录和数据分析；第二种是用水来代替导电纸作电介质，方法是在一个透明的有机玻璃水槽中固定电极，然后在水槽中装上适量的水，放到实验架的下层进行实验；第三种是用导电薄膜作电介质；第四种是用导电微晶作电介质。

用导电纸作电介质存在的缺陷有：(1)导电纸上导电薄层涂得不均匀，导电纸电阻在各个方向均匀性较差，这样电流场分布与被模拟静电场分布不完全一样，使得实验准确度、重复性较差；(2)电极与导电纸的接触不均匀，探针与导电纸的接触会因人、因次数而异，使得接触电阻不稳定，影响描绘结果；(3)测量时，探针在导电纸上接触移动且重复接触，使得导电纸破损，这样一方面直接影响导电纸的导电性能，影响实验效果，另一方面影响导电纸的使用寿命，频繁更换导电纸，加大了实验成本；用导电玻璃作电介质来代替导电纸作电介质的缺点是导电玻璃价格贵，且导电玻璃易损坏；用导电微晶作电介质是目前最好的选择，用导电微晶不存在用导电纸、电解液、导电玻璃所存在的各种弊端，所以，用导电微晶作电介质的静电场描绘仪逐步普及开来。虽然用水来代替导电纸作电介质存在一定的缺陷，如：(1)水电解产生气泡附在电极表面，(2)水分子极化，产生束缚电荷影响模拟场，(3)需要换水，且水量对模拟效果有影响，但是，由于水价格便宜，便于取材，因此，用水做电解质进行静电场描绘的仍占有相当比例。

按结构不同可分为双层描绘仪和单层描绘仪两种，目前很多高校实验课所用的静电场描绘仪大都使用双层结构的描绘仪来描绘模拟静电场，现有仪器连接上下两探针的固定手柄座质量较大，与实验台的摩擦力很大，在移动时很难控制它的移动位置，尤其是从静止到运动的瞬间和当电压表读数很接近参考待测位置电压而需要微小调节时，很难控制准确，因而导致误差较大，影响实验效果，增加了实验的难度。此外，双层结构的描绘仪容易产生“不同轴误差”，当上下两层的探针不在同一轴线上，如果描绘时没有转动，所得到的静电场分布可以说是被测电场的平移，但是，要求描绘时没有转动是很困难的，有转动时，在坐标纸上所描的等位点，就会与实际电场分布情况之间存在误差，即“不同轴误差”。

传统静电场描绘仪在描绘静电场时，先要寻找等位点，而寻找等位点的方法是用伏特表通过描绘探针在被测电场范围内逐处测量，边找边观察伏特表的读数，当伏特表的读数为设定值时，停下探针，然后将该点标记在坐标纸上。这种人工寻点的方法效率很低，虽然近年来出现了一些全自动静电场描绘仪，但这些全自动静电场描绘仪一般要使用步进电机，采集卡和丝杆导轨等，还要编写相关的软件，因此很难大规模推广。因此，有必要开发一种新的静电场描绘仪器，它要适用于各种不同的电介质，测量结果准确，能自动记录数据、方便、快捷，形象直观，成本低，在最终的设计中，我们将设计出一款基于二维坐标孔板的静电场等势线描绘器，它解决了上述所有的问题。

发明内容

为了克服现有技术的上述缺点，本发明提出了一种基于二维坐标孔板的静电场等势线描绘器，能适用于各种不同的电介质，测量结果准确，能自动记录数据、方便、快捷、形象直观，成本低，容易进行大规模推广。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种基于二维坐标孔板的静电场等势线描绘器，包括二维坐标孔板、自动记录数字电压表、稳压稳流直流电压、直流电源、待测模拟场、探针，所述二维坐标孔板与待测模拟场固定连接，所述稳压稳流直流电压给待测模拟场供电，所述探针相连的导线接直流电源电压表的+接线柱，直流电源电压表的-接线柱与稳压稳流直流电压的负极相连，所述自动记录数字电压表探测端的信号输入端与探针相连，自动记录数字电压表探测端的地与直流电源的负极连接，选择直流电源的负极作为零电势参考点；所述二维坐标孔板上孔的排列是按照方格排列，行与列相互垂直，行距与列距相等，距离为2mm～15mm，孔按照方格排列，设行的方向为X轴，列的方向为Y轴，可以方便地确定每个孔的坐标（x, y），二维坐标孔板的厚度为2mm～10mm，孔的直径为1mm～5mm。

进一步的，所述待测模拟场是导电微晶板、水盒或导电纸，如果待测模拟场是导电微晶板，所用探针由顶针、探针套管、锥形管和探针杆四部分构成，顶针受压迫后可缩进2-10mm，探针套管的内径比顶针的外径略粗，顶针可以插入探针套管且接触良好，锥形管的尖端内径比探针套管的外径略大，探针套管可以插入锥形管的尖端，锥形管的粗端内径比探针杆的外径略大，探针杆可插入锥形管的粗端，所述探针杆的长度为10cm～20cm，探针杆是中空的绝缘管，探针套管的OK线穿过探针杆后与直流电压表的+接线柱相连，如果待测模拟场是水盒或导电纸，所用探针为接线式万用表测试探针，针的长度在2cm左右，保证穿过二维坐标孔板后可以与水或导电纸接触良好，针径与二维坐标孔板上的孔径相等，当把探针插到二维坐标孔板的孔上时，探针可以自由通过又不会左右乱晃，且与探针相连的导线接直流电压表的+接线柱。

进一步的，所述待测模拟场是导电微晶板，在探针组装时，先将顶针末端插入探针套管；然后，将探针套管后面的OK线从锥形管尖端的孔穿入、从锥形管粗端穿出，拽线的同时将探针套管插入锥形管尖端的孔内，此时，可以向锥形管粗端孔注入热熔胶加固；迅速将OK线从探针杆一端穿入、另一端穿出，在拽线的同时，将探针杆插入锥形管粗端，热熔胶凝固后将探针套管，锥形管和探针杆固定成一体，锥形管的顶角大小要合适，当探针从二维坐标板的孔扎到底的时候，顶针缩进2mm左右，既能接触好，又不会毁坏探针或微晶板表面。

进一步的，所述自动记录数字电压表由STM32单片机最小系统、OLED显示、电脑上位机、电源、多路电压输入电路和按键/感光开关组成，其中，STM32单片机最小系统与OLED显示由电源分别供电来减小基准电源的影响，电脑上位机与STM32单片机最小系统进行实时串口通讯，多路电压输入电路与STM32单片机最小系统的ADC引脚分别连接，STM32单片机最小系统查询按键/感光开关的状态来发送命令给上位机是否要存储数据。

进一步的，所述二维坐标孔板与待测模拟场用四个夹子或螺丝固定到一起，防止二维坐标孔板与待测模拟场在测试过程中相对移动。

与现有技术相比，本发明有益效果：

传统的全自动或半自动静电场描绘仪利用电脑、单片机、步进电机、采集卡、A/D模块、丝杠导轨等，完成对电场中部分场点电势的测量和寻找，然后直接绘出等势线，成本高，测量效率低，不易推广使用。本发明转换思路，利用二维坐标孔板确定待测点的位置和坐标，利用自动记录数字电压表迅速完成待测点的电势测量和记录，这些点一般不是等势点，可以利用Origin软件或Matlab软件的强大功能，利用二维坐标孔板确定的待测点的X坐标、Y坐标和电势（纵坐标），生成一个电势随位置变化的三维曲面，然后，得到等势线分布图；

传统静电场描绘仪在描绘静电场时，先要寻找等位点，而寻找等位点的方法是用伏特表通过描绘探针在被测电场范围内逐处测量，边找边观察伏特表的读数，当伏特表的读数为设定值时，停下探针，然后将该点标记在坐标纸上，这种人工寻点的方法效率很低。采用本发明基于二维坐标孔板的静电场等势线描绘器，无需到处寻点，待测点的位置由二维坐标孔板的孔确定出来了，只需要将每个孔对应位置的电势测量一下并记录下来，本发明提出的自动记录数字电压表解决了现有电压表不能自动记录的问题，节省记录时间，大大提高测量效率，多次实验的统计结果表明，测量一种模拟场的电势分布只需要15～20分钟；

传统静电场描绘仪得到的是分布在坐标纸上的一些等势点，各个点的坐标确定起来麻烦并且难以准确确定，一般的处理就是根据等势点手动画出等势线，再根据电力线与等势线的关系，手动画出电力线，不能精确研究电势随位置坐标的变化情况，只能粗略显示电场分布的大体情况。本发明采用基于二维坐标孔板的静电场等势线描绘器可以准确得到相当数量场点的坐标和电势，可以利用Origin软件或Matlab 软件进一步定量研究电势随位置坐标的变化情况，还可以给出电势的三维分布和平面分布情况，甚至是电力线的分布情况；

传统静电场描绘仪需要使用坐标纸，测一种电场分布就得用一块坐标纸，再加上裁剪坐标纸时剩余的边边角角，构成一种浪费。本发明采用基于二维坐标孔板的静电场等势线描绘器，无需使用坐标纸，只需要做几块二维坐标孔板和几个探针就可以无限次地重复使用；

此外，本发明提出的基于二维坐标孔板的静电场等势线描绘器适用于各种电介质的静电场描绘实验，与现有的静电场描绘仪可以方便地结合使用，二维坐标孔板与待测模拟场的相对位置可以方便地调节，只需重新放置、固定即可。所以，本发明提出的基于二维坐标孔板的静电场等势线描绘器完全可以取代传统的静电场描绘仪，在模拟静电场的测量和研究方面具有重要意义。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提小，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图 1 二维坐标孔板的CAD图；

图 2 适用于导电微晶板的探针结构；

图 3 适用于水盒的探针结构；

图4 二维坐标孔板与导电微晶板联合使用；

图5 二维坐标孔板与水盒联合使用；

图6 自动记录数字电压表原理框图；

图7自动记录数字电压表单片机流程图；

图8自动记录数字电压表上位机流程图；

图9 同心圆电极导电微晶板电势分布的三维映射表面图；

图10 同心圆电极导电微晶板的等势线图；

图11 两平行导线电极水盒电势分布的三维映射表面图；

图12 两平行导线电极水盒的等势线图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的技术方案进行详细的描述。

制作二维坐标孔板

二维坐标孔板最大的特征是孔的排列是按照方格排列，行与列相互垂直，行距与列距相等，一般为2mm～15mm。二维坐标孔板的厚度要合适，一般在2mm～10mm，孔的直径要合适，一般在1mm～5mm。为实现上述要求，利用亚克力板，利用CAD作图，然后利用激光打孔，孔与孔之间的行距和列距都严格相等，如图1所示。

设计了两种探针

为了配合二维坐标孔板进行电势测量，针对待测是微晶板还是水盒，提出两种探针结构。如果待测模拟场是导电微晶板，所用探针如图2所示，主要特征是，探针由顶针1，探针套管2、锥形管3和探针杆4四部分构成，顶针受压迫后可缩进2～10mm，探针套管的内径比顶针的外径略粗，顶针可以插入探针套管且接触良好，锥形管的尖端内径比探针套管的外径略大，探针套管可以插入锥形管的尖端，锥形管的粗端内径比探针杆的外径略大，探针杆可以插入锥形管的粗端；组装的时候，先将顶针末端插入探针套管，然后将探针套管后面的OK线5从锥形管尖端的孔6穿入、从锥形管粗端7穿出，拽线的同时将探针套管插入锥形管尖端的孔内，此时，可以向锥形管粗端孔注入热熔胶加固，迅速将OK线从探针杆一端穿入、另一端穿出，在拽线的同时，将探针杆插入锥形管粗端，热熔胶凝固后将探针套管，锥形管和探针杆固定成一体；锥形管的顶角大小要合适，当探针从二维坐标板的孔扎到底的时候，顶针刚好缩进2mm左右，既能接触好，又不会毁坏探针或微晶板表面，探针杆的长度要合适手握，一般为10cm～20cm，探针杆是中空的绝缘管，探针套管的OK线穿过探针杆后与直流电压表的+接线柱相连。直流电压表的-接线柱与稳压稳流直流电压的负极相连，取直流电源的负极为电势的零点。如果待测模拟场是水盒或导电纸，所用探针可以选用接线式万用表测试探针，如图3所示，主要特征是，探针由针8，导线9和针杆7三部分构成，针8的长度在2cm左右，保证穿过二维坐标孔板后可以与水或导电纸接触良好，针径与二维坐标孔板上的孔径相等，当把探针插到二维坐标孔板的孔上时，探针可以自由通过又不会左右乱晃，与探针相连的导线9接直流电压表的+接线柱，直流电压表的-接线柱与稳压稳流直流电压的负极相连，取直流电源的负极为电势的零点，针杆7的长度约10cm，直径约1cm，适合手握。

设计了自动记录数字电压表

如图6、图7、图8，该自动记录数字电压表由STM32单片机最小系统、OLED显示、电脑上位机、电源，多路电压输入电路和按键/感光开关组成。其中，STM32单片机最小系统与OLED显示由电源分别供电来减小基准电源的影响，电脑上位机与STM32单片机最小系统进行实时串口通讯，多路电压输入电路与STM32单片机最小系统的ADC引脚分别连接，STM32单片机最小系统查询按键/感光开关的状态来发送命令给上位机是否要存储数据；外部硬件与PC机连接好后，通过“我的电脑”右键中“设备”查询串口号并在上位机中选择，钩选上位机中“数据可见”则在打开串口时会弹出一个excel表格，当记录数据时还会把当时的时间也记录下来。使用时，将自动记录数字电压表探测端的地与待测模拟场的地连接；将自动记录数字电压表探测端的信号输入端与上述探针相连，将探针放置到待测点，接触稳定后，按下按键，电势数据自动记录到上位机Excel文件中，自动记录数字电压表解决了现有电压表不能自动记录的问题，节省记录时间，大大提高测量效率。

本发明的测试过程:

（1）利用基于二维坐标孔板的静电场等势线描绘器测量导电微晶板的电场分布情况，利用稳压稳流直流电源给导电微晶板（设置有同心圆电极）供电，电压为5V。电源的正极接中心的电极，电源的负极与圆环电极。利用自动记录数字电压表测量电势差。外部硬件与PC机连接好后，通过“我的电脑”右键中“设备”查询串口号并在上位机中选择；钩选上位机中“数据可见”则在打开串口时会弹出一个excel表格，当记录数据时还会把当时的时间也记录下来。使用时，将自动记录数字电压表探测端的地与直流电源的负极连接，选择直流电源的负极作为零电势参考点；将自动记录数字电压表探测端的信号输入端与上述探针相连。将探针放置到待测点，接触稳定后，按下按键，电势数据自动记录到上位机Excel文件中；

（2）将导电微晶板有导电微晶的面朝上平放在桌子上，将二维坐标孔板叠放在导电微晶板上，四边互相平行，用四个夹子从四边分别夹住，将二维坐标孔板和导电微晶板固定在一起，如图4所示。利用探针从第一行开始，依次从各个孔插入，测量各孔对应微晶板上各点与参考点之间的电势差，利用自动记录数字电压表将电势数据依次记到上位机的Excel文件中；

（3）利用基于二维坐标孔板的静电场等势线描绘器测量水盒的电场分布情况，利用稳压稳流直流电源给水盒（设置平行导线电极）供电，电压为5V。电源的正极接一个圆柱电极，电源的负极接另一个圆柱电极。利用自动记录数字电压表测量电势差，自动记录数字电压表的信号输入端接探针，自动记录数字电压表的地接稳压稳流直流电源的负极，选择直流电源的负极作为零电势参考点，所加电压不超过10V，将水盒注入适量的水（水面高于电极表面）平放在桌子上，将二维坐标孔板叠放在水盒上，四边互相平行，用螺丝通过二维坐标孔板的孔卡住水盒四边，将二维坐标孔板和水盒固定在一起，如图5所示，利用探针从第一行开始，依次从各个孔插入，测量各孔对应水盒内各点与参考点之间的电势差，利用自动记录数字电压表将电势数据依次记到上位机的Excel文件中；

（4）将上位机记录的电势数据导出，给每个点赋予X坐标和Y坐标。

测试结果

按照上述测量方法首先测量了同心圆电极导电微晶板的电场分布，所用二维坐标孔板的孔间距为1cm，共17行17列，由于二维坐标孔板比导电微晶板小，所有的孔都能用上，得到总共289个数据。赋予坐标后，利用Origin软件将横坐标，纵坐标，电压这三列数转为一个17×17的矩阵，再利用Origin软件的绘图功能得到电势分布的三维映射表面图和等势线图，分别如图9和图10所示；

按照上述测量方法接着测量了平行导线电极水盒的电场分布，所用二维坐标孔板的孔间距为1cm，共17行17列，由于二维坐标孔板比水盒大，只有14行13列的孔能用上，得到总共182个数据。赋予坐标后，利用Origin软件将横坐标，纵坐标，电压这三列数转为一个14×13的矩阵，再利用Origin软件的绘图功能得到电势分布的三维映射表面图和等势线图，分别如图11和图12所示。

以上所述仅是本申请的具体实施方式，应当指出，在于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本申请的保护范围。

Claims (3)

1. 一种基于二维坐标孔板的静电场等势线描绘器，其特征在于：包括二维坐标孔板、自动记录数字电压表、稳压稳流直流电压、直流电源、待测模拟场、探针，所述二维坐标孔板与待测模拟场固定连接，所述稳压稳流直流电压给待测模拟场供电，所述探针相连的导线接直流电源电压表的+接线柱，直流电源电压表的-接线柱与稳压稳流直流电压的负极相连，所述自动记录数字电压表探测端的信号输入端与探针相连，自动记录数字电压表探测端的地与直流电源的负极连接，选择直流电源的负极作为零电势参考点；所述二维坐标孔板上孔的排列是按照方格排列，行与列相互垂直，行距与列距相等，距离为2mm～15mm，孔按照方格排列，设行的方向为X轴，列的方向为Y轴，可以方便地确定每个孔的坐标（x, y），二维坐标孔板的厚度为2mm～10mm，孔的直径为1mm～5mm；所述待测模拟场是导电微晶板、水盒或导电纸，如果待测模拟场是导电微晶板，所用探针由顶针、探针套管、锥形管和探针杆四部分构成，顶针受压迫后可缩进2-10mm，探针套管的内径比顶针的外径略粗，顶针可以插入探针套管且接触良好，锥形管的尖端内径比探针套管的外径略大，探针套管可以插入锥形管的尖端，锥形管的粗端内径比探针杆的外径略大，探针杆可插入锥形管的粗端，所述探针杆的长度为10cm～20cm，探针杆是中空的绝缘管，探针套管的OK线穿过探针杆后与直流电压表的+接线柱相连，如果待测模拟场是水盒或导电纸，所用探针为接线式万用表测试探针，针的长度为2cm，保证穿过二维坐标孔板后可以与水或导电纸接触良好，针径与二维坐标孔板上的孔径相等，当把探针插到二维坐标孔板的孔上时，探针可以自由通过又不会左右乱晃，且与探针相连的导线接直流电压表的+接线柱；所述自动记录数字电压表由STM32单片机最小系统、OLED显示、电脑上位机、电源、多路电压输入电路和按键/感光开关组成，其中，STM32单片机最小系统与OLED显示由电源分别供电来减小基准电源的影响，电脑上位机与STM32单片机最小系统进行实时串口通讯，多路电压输入电路与STM32单片机最小系统的ADC引脚分别连接，STM32单片机最小系统查询按键/感光开关的状态来发送命令给上位机是否要存储数据。

2.根据权利要求1所述的一种基于二维坐标孔板的静电场等势线描绘器，其特征在于：所述待测模拟场是导电微晶板，在探针组装时，先将顶针末端插入探针套管，然后将探针套管后面的OK线从锥形管尖端的孔穿入、从锥形管粗端穿出，拽线的同时将探针套管插入锥形管尖端的孔内，此时，可以向锥形管粗端孔注入热熔胶加固，并迅速将OK线从探针杆一端穿入、另一端穿出，在拽线的同时，将探针杆插入锥形管粗端，热熔胶凝固后将探针套管，锥形管和探针杆固定成一体。

3.根据权利要求1所述的一种基于二维坐标孔板的静电场等势线描绘器，其特征在于：所述二维坐标孔板与待测模拟场用四个夹子或螺丝固定到一起，防止二维坐标孔板与待测模拟场在测试过程中相对移动。