CN112014626A - 一种集肤效应测量装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种集肤效应测量装置及方法，装置包括：待测导体，其具有相对平行设置的两个端面；信号发生电路用于发射交流驱动信号，交流驱动信号经所述功率放大电路放大后作为激励信号输入到所述待测导体的一个端面；探孔，开设于所述待测导体的另一端面上；第一探针，插接设置在所述探孔内，并且探头与所述探孔的孔底相接触，第一探针的尾部通过导线与一个第一负载一端连接，第一负载的另一端与所述采样保持电路连接；第二探针，其探头抵触连接在待测导体上与所述探孔相同端面处，第二探针的尾部通过导线与一个第二负载一端连接，第二负载的另一端与所述采样保持电路连接；采样保持电路采集的信号通过串口通信电路传送至上位机。
Description
技术领域
本发明涉及涉及自动控制领域，具体是一种集肤效应测量装置及其测量方法。
背景技术
导体内通入直流电时，可以视为在导体的的任一截面上，电流的分布是均匀的，即截面上的电流处处相等。而在通入交流电时，由于电磁感应作用，会使得电流在导线内分布不均匀，在轴心处的电流密度较低，导线表面处的电流密度较大，呈现出趋肤的现象。即流过导体的有效面积减小，此时的交流阻抗也就越大。当加大交流电频率且达到一定的频率时，这种现象更加显著，称这种现象为趋肤效应或集肤效应。
因趋肤效应的影响，电流趋于流向导体表面，即电流流过的截面积减小了，导体的等效电阻变大了。但是直接观测，无法察觉到阻值变化，只能通过实验来验证这一现象。如公开号为CN202534232U、CN203931286U的专利，通过在导体的中心位置与外表面分别串联一个小灯泡，两个灯泡完全相同。当给导体通入直流电时，小灯泡亮度一致。但是通过交流电时，且随着频率的提高，能观察到外部的小灯泡比中心位置的小灯泡更亮，通过这样的实验来演示高频下的集肤效应。但是公开号为CN101465081A的专利指出，采取这样的方式来验证趋肤效应所存在的问题是：导体的表面是连续的，接线端所连接的中心点流过的电流，并不是“中心电流”，而是该路径下的“中心电流”与“表面电流”的总和。这个现象即本发明所提到的端面效应。而观测到的灯泡亮暗变化，是由于导体的不规则性，导致不同表面电流路径的等效电阻有差异。
发明内容
针对上述技术问题，本发明提出一种集肤效应测量装置及方法，通过埋孔放探针的方式，来避免测量时的端面效应。这种方式能有效的避免端面效应，来引出导体测试点下真正的电流。同时在表面再引出一根探针与负载相连接，通过对比两个负载上的电压值，可以直观地观察当激励频率增加时，两负载上电压的差值变化情况。相比较于传统的通过观察灯泡亮灭的方式，此方法通过数据的对比来验证和测量集肤效应，更加准确与科学。
为了实现上述技术目的，本发明采用如下技术方案：
一种集肤效应测量装置，包括：
待测导体，其具有相对平行设置的两个端面；
主控电路板，其包括：信号发生电路、功率放大电路、采样保持电路、A/D转换电路和串口通信电路，其中，
所述信号发生电路用于发射交流驱动信号，所述交流驱动信号经所述功率放大电路放大后作为激励信号输入到所述待测导体的一个端面；
探孔，开设于所述待测导体的另一端面上；
第一探针，其表面包裹有绝缘材料，探头不做绝缘处理，插接设置在所述探孔内，并且探头与所述探孔的孔底相接触，第一探针的尾部通过导线与一个第一负载一端连接，第一负载的另一端与所述采样保持电路连接；
第二探针，其探头抵触连接在待测导体上与所述探孔相同端面处，第二探针的尾部通过导线与一个第二负载一端连接，第二负载的另一端与所述采样保持电路连接；
所述采样保持电路采集的信号经所述A/D转换电路转换为数字信号，最后通过所述串口通信电路将数字信号传送至上位机。
所述待测导体为圆柱形铜导体。
所述探孔包括上孔和下孔，还包括一由导电材料制作的探针固定件，所述探针固定件的中心开有供所述第一探针穿过的孔，所述第一探针通过所述探针固定件连接在待测导体的探孔中。
所述探针固定件为铜螺母，所述铜螺母与所述待测导体端面上的探孔之间螺纹连接。
所述导线为由多根独立绝缘的导体编织而成的高频利兹线。
所述负载为精密电阻。
一种基于所述集肤效应测量装置的测量方法，信号发生电路输入不同的控制信号，从而得到不同频率与幅值的交流信号；然后经功率放大电路处理后，作为激励信号输入到待测导体未被打孔的一端上；
负载上电压首先经过所述采样保持电路，将每个周期内的峰值进行保持，然后经所述A/D转换电路转换为数字信号，最后通过所述串口通信电路将数字信号传送至上位机，分别对第一负载和第二负载上的峰值电压进行记录与分析，一次测量结束；接着重新设置交流信号进行测量，一组数据测量结束，选择不同的测试点，进行新一轮的测量。
所述信号发生电路由DDS芯片及外围电路组成，产生的信号频率范围为10hz~10Mhz。
有益效果：
第一．本发明基于所述集肤效应测量装置，通过埋孔放探针的方式，来避免测量时的端面效应，能消除端面效应带来的影响，而得到测试点处真正的电流。
第二．本发明基于所述集肤效应测量装置通过在探针尾部外接电阻，记录当被测导体通入高频信号时，负载上电压的变化情况，该装置及方法能有效地避免端面效应，从而实现对导体内集肤效应地测量。
附图说明
图1为一种集肤效应测量装置的结构示意图；
其中，1、待测导体；2、第二探针；3、探孔；4、探针固定件；5、高频利兹线；6、绝缘体；7、主控电路板；8、负载；
图2为一种集肤效应测量方法控制流程图；
图3为一种集肤效应测量方法具体实施电路功能框图。
具体实施方式
下面结合附图与实施案例对本发明作进一步说明。
图1为一种集肤效应测量装置的结构示意图，包括待测导体1、第二探针2、探孔3、探针固定件4、高频利兹线5、绝缘体6、主控电路板7和负载8。
其中，所述待测导体1为长10cm的圆柱形铜导体，直径为5cm。
探孔3包括上孔和下孔，上孔的深度为10mm，直径为10mm，下孔的深度为5mm，直径为4mm。
探针最大直径为3mm，长20mm。
探针固定件4为铜螺母，铜螺母的对角径为13mm，底部长10mm。
所接负载的阻值为5Ω。
绝缘体采用的是橡胶材料；
高频利兹线由多股独立绝缘的导体编织而成，用来降低信号在传输过程中的损耗。
主控电路板7产生峰峰值为3~10V可调，频率10hz~10Mhz可调的交流信号。
图2为利用本发明集肤效应测量装置进行测量的控制流程：
步骤一：在待测导体端面上选定测量点的位置，然后以测量点为中心，铜螺母的半径为半径，铜螺母的长度为深度打一个孔，确保铜螺母对孔攻丝正好填入孔内，进入下一步。
步骤二：在已打好的孔的中心位置处，再向下打一个孔，深度为上孔深度的一半，直径比第一探针的直径略大，保证第一探针能顺利插入下孔，进入下一步。
步骤三：将第一探针表面裹上绝缘材料，第一探针的针头上不做绝缘处理。将第一探针插入探孔，直至第一探针的针头与下孔孔底相接触，且在第一探针的尾部引出一个第一精密电阻，第一精密电阻另一端接主控电路板中的采样保持电路。
为了对比观察，从待测导体上位于所述探孔下方的端面也利用一个第二探针引出一个电阻值相同的第二精密电阻，进入下一步。
步骤四：主控电路对信号产生源输入不同的控制信号，从而得到不同频率与幅值的交流信号。然后经功率放大电路处理后，作为激励信号输入到待测导体未被打孔的一端上，进入下一步。
步骤五：对负载上的电压进行采集时，负载上电压首先经过采样保持电路，将每个周期内的峰值进行保持，然后由主控芯片进行电压的采集，进行下一步。
步骤六：最后由串口通信将主控电路采集的数据传送到PC端，然后分别对两个负载上的峰值电压进行记录与分析，一次测量结束。接着可重回步骤三，重新设置交流信号进行测量。一组数据测量结束，可重返步骤一选择不同的测试点，进行新一轮的测量。
图3为本发明实施电路的功能框图。选用STM32F103C8T6芯片作为主控芯片及其最小系统构建主控电路，信号产生源由AD9852芯片及其外围电路组成。
由主控芯片控制AD9852芯片产生一个频率和幅值可控的正弦信号，经由放大电路处理后作为驱动信号传输给待测导体，然后采集负载上的电压。
负载上的电压经由采集保持电路保持峰值后，由A/D模块进行采集。
通过读取两个负载上的电压，可以对比表面的电流密度与中心的电流密度，从而对导体内集肤效应进行测量。
应当指出的是，尽管结合优选实施方案具体展示和介绍了本发明，以上所述实施内容，是结合具体的优选实施方式的一种，是对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明，而是要求符合与本文所公开的思路和原理相一致的最宽的范围，如通过对导体表面打孔，螺母或其他物质填充探孔，插入探针的方法。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单改进或替换。在权利要求书所限定的本发明的原理范围内,都应当视为属于本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种集肤效应测量装置，其特征在于，包括：
待测导体，其具有相对平行设置的两个端面；
主控电路板，其包括：信号发生电路、功率放大电路、采样保持电路、A/D转换电路和串口通信电路，其中，
所述信号发生电路用于发射交流驱动信号，所述交流驱动信号经所述功率放大电路放大后作为激励信号输入到所述待测导体的一个端面；
探孔，开设于所述待测导体的另一端面上；
第一探针，其表面包裹有绝缘材料，探头不做绝缘处理，插接设置在所述探孔内，并且探头与所述探孔的孔底相接触，第一探针的尾部通过导线与一个第一负载一端连接，第一负载的另一端与所述采样保持电路连接；
第二探针，其探头抵触连接在待测导体上与所述探孔相同端面处，第二探针的尾部通过导线与一个第二负载一端连接，第二负载的另一端与所述采样保持电路连接；
所述采样保持电路采集的信号经所述A/D转换电路转换为数字信号，最后通过所述串口通信电路将数字信号传送至上位机。
2.根据权利要求1所述的集肤效应测量装置，其特征在于，所述待测导体为圆柱形铜导体。
3.根据权利要求1所述的集肤效应测量装置，其特征在于，所述探孔包括上孔和下孔，还包括一由导电材料制作的探针固定件，所述探针固定件的中心开有供所述第一探针穿过的孔，所述第一探针通过所述探针固定件连接在待测导体的探孔中。
4.根据权利要求3所述的集肤效应测量装置，其特征在于，所述探针固定件为铜螺母，所述铜螺母与所述待测导体端面上的探孔之间螺纹连接。
5.根据权利要求1所述的集肤效应测量装置，其特征在于，所述导线为由多根独立绝缘的导体编织而成的高频利兹线。
6.根据权利要求1所述的集肤效应测量装置，其特征在于，所述负载为精密电阻。
7.一种基于权利要求1~6任一所述集肤效应测量装置的测量方法，其特征在于，信号发生电路输入不同的控制信号，从而得到不同频率与幅值的交流信号；然后经功率放大电路处理后，作为激励信号输入到待测导体未被打孔的一端上；
负载上电压首先经过所述采样保持电路，将每个周期内的峰值进行保持，然后经所述A/D转换电路转换为数字信号，最后通过所述串口通信电路将数字信号传送至上位机，分别对第一负载和第二负载上的峰值电压进行记录与分析，一次测量结束；接着重新设置交流信号进行测量，一组数据测量结束，选择不同的测试点，进行新一轮的测量。
8.根据权利要求7所述的集肤效应测量装置的测量方法，其特征在于，所述信号发生电路由DDS芯片及外围电路组成，产生的信号频率范围为10hz~10Mhz。
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