CN1627336A - 静电场三维实验仪 - Google Patents

Abstract

一种静电场三维实验仪，具有测量装置、模拟电极装置、探针，架体，测量装置以柱面坐标(θ、γ、z)表示测量点位置，包括θ转向机构、γ向滑移机构和z向滑移机构。本发明操作方便，描绘的电场分布几何形状明显；测量点坐标和测量点电位可以直接在显示屏上读出，使实验较直观，容易理解；本发明简化了实验操作规程，提高了实验精度。

Description

静电场三维实验仪

技术领域

本发明涉及一种模拟和测量带电物体周围静电场分布的实验仪。

背景技术

传统的静电场实验仪采用稳恒电流场或采用似稳电流场来模拟静电场，一般模拟的是长同轴圆柱形电缆的电场分布。实验只能测量静电场二维平面分布的情况，虽然根据高斯定理可知道，在垂直于轴线上的任意一个截面S内，有均匀分布辐射状电力线。但无法从实验中测得数据来验证以上论断的正确性，这直接影响了实验者对静电场空间分布直观的认识，并且不能突出静电场分布的物理模型，不利于学生的理解。另外传统的静电场实验仪在实验过程中需要探针在导电纸或导电玻璃上划行，导电纸容易划破、而且导电纸和导电玻璃各向电阻分布不均，往往导致实验过程中物理模型表现得不够清楚，甚至有的数据使用传统的静电场实验仪不能测量出来。

发明内容

本发明的目的在于提出一种测量静电场三维立体分布情况的静电场三维实验仪。

为达到上述目的，本发明在具有测量装置、模拟电极装置、探针，架体的基础上，采取测量装置以柱坐标(θ、r、z)表示测量点位置，该测量装置包括θ转向机构、r向滑移机构和z向滑移机构；θ转向机构具有连接在架体上的θ转向步进电机、可在架体上转动的转盘和连接θ转向步进电机与转盘的传动件；r向滑移机构具有连接在转盘上的r向步进电机、可在转盘上滑移的滑移架和连接r向步进电机与滑移架的传动件；z向滑移机构具有连接在滑移架上的z向步进电机、可在滑移架上滑移的探针架和连接z向步进电机与探针架的传动件；探针连接在探针架上，探头端通过转盘上的槽伸入转盘下方的模拟电极装置的电解槽内；上述θ转向步进电机、r向步进电机和z向步进电机由各对应的电机运转及数据显示电路控制，电压值的采集由电压采集及数据显示电路控制，各电路所需要的电源由电源电路提供。

上述架体的底部设有可调撑脚。

上述θ转向机构中连接θ转向步进电机与转盘间的传动件为蜗杆，转盘为蜗轮盘，蜗杆与转盘啮合；转盘与架体间通过轴承连接，转盘由蜗杆带动转动。

上述r向滑移机构中连接r向步进电机与滑移架间的传动件为丝杆，丝杆与滑移架螺纹连接；转盘上设有与丝杆平行的导轨，滑移架底部设有与导轨相配合的滑槽，滑移架由丝杆带动在转盘导轨上滑移。

上述z向滑移机构中连接z向步进电机与探针架之间的传动件为过渡齿轮副和螺杆螺母副，探针架一端与螺母连接，另一端置于滑移架的轴向滑槽内，探针架由螺母带动沿轴向滑槽滑移。

上述模拟电极装置由模拟电极和电解槽组成，电解槽中注有电解液。

上述模拟电极装置的模似电极可以是同轴电缆模拟电极，由芯杆、导电外层及连接外层与芯杆的绝缘底板组成，导电外层与绝缘底板组成电解槽。

上述模拟电极装置的模似电极可以是同心球壳模拟电极，由内、外球导电壳体及连接内、外壳体的圆锥型台体绝缘架组成，两壳体组成电解槽。

上述模拟电极装置的模拟电极还可以是偶极子模拟电极，平行轴电缆模拟电极、聚焦电极模拟电极、或平行板模拟电极，上述电极置于作为电解槽的绝缘容器内。

所述步进电机运转及数据显示电路具有单片机，按键产生的信号送入单片机，单片机对数据进行处理，控制步进电机驱动电路和数码管驱动电路分别驱动步进电机运转和数码管显示。

所述电压数据采集及数据显示电路具有单片机，探针测得的信号经A/D模数转换模块送入单片机，单片机对数据进行处理，控制数码管驱动电路驱动数码管显示。

上述步进电机运转及数据显示电路和电压数据采集及数据显示电路中的单片机都留有与计算机连接的串行输出接口。

上述单片机采用MCS-51系列单片机，A/D模数转换模块采用ICL7135或MC14433。

本发明从三维空间反映静电场分布情况，使静电场实验完整、有说服力；本发明采用柱面坐标(r，θ，z)来描述测量点三维空间位置，操作方便，描绘的电场分布几何形状明显；测量点坐标和测量点电位可以直接在显示屏上读出，使实验较直观，容易理解；本发明有数据串行口输出功能可与计算机连接，各种数据直接输入计算机，物理量或模型可直接在计算机的显示屏上显示，简化了实验操作规程，提高了实验精度。

图1为本实用新型结构正视简示图；

图2为图1的侧视图；

图3为图1的俯视图；

图4为同轴电缆模拟电极装置示图；

图5为同心球壳模拟电极装置示图；

图6为偶极子模拟电极装置示图；

图7为平行轴电缆模拟电极示图；

图8为聚焦电极模拟电极示图；

图9为平行板模拟电极示图；

图10为电源电路图；

图11为步进电机运转及数据显示电路；

图12为电压数据采集及数据显示电路；

图13为步进电机运转及数据显示电路中单片机程序流程图；

图14为电压数据采集及数据显示电路中单片机程序流程图。

具体实施方式

图1～4所示的实施例1具有测量装置1、模拟电极装置2、探针3、架体4，此外设有数码管显示屏6、控制盒7、操作面板8。架体4是箱体。数码管显示屏6、控制盒7、操作面板8均固定在箱体4顶部，箱体4前侧面设有窗口，用于观察实验情况。显示屏6由4组数码管组成。按键安装在操作面板8上，按键用于选择模拟场的电压值、单片机的加减计数、步进电机动作的各种数据要求。电路板置于控制盒7内。测量装置1包括θ转向机构、r向滑移机构和z向滑移机构。箱体4的底部设有可调撑脚5，用于调节仪器的水平。

θ转向机构具有θ转向步进电机1-1、转盘1-2和传动件1-3。θ转向步进电机1-1固定在箱体4上。连接θ转向步进电机1-1与转盘1-2间的传动件1-3为蜗杆，蜗杆一端与θ转向步进电机1-1连接，另一端连接在支架11上，转盘1-2为蜗轮盘，蜗杆1-3与蜗轮盘1-2啮合。转盘1-2通过轴承9与箱体4连接，电机1-1带动蜗杆1-3转动，蜗杆1-3带动转盘1-2转动。

r向滑移机构具有r向步进电机1-4、滑移架1-5和传动件1-6。r向步进电机1-4可直接固定在转盘1-2上，本实施例的转盘1-2上固定有支架10，电机1-4固定在支架10上。连接r向步进电机1-4与滑移架1-5间的传动件1-6为丝杆，滑移架1-5下部设有与丝杆1-6相配合的螺纹孔，滑移架1-5与丝杆1-6为螺纹连接。转盘1-2上设有与丝杆1-6平行的燕尾状导轨1-22，滑移架1-5底部设有与转盘1-2上的导轨1-22且相配合的滑槽。当丝杆1-6转动时，丝杆1-6带动滑移架在导轨上滑移。

z向滑移机构具有z向步进电机1-7、探针架1-8和传动件1-9。z向步进电机1-7固定在滑移架1-5上。连接z向步进电机1-7与探针架1-8间的传动件1-9为过渡齿轮副1-93和螺杆螺母副1-91、1-92，滑移架1-5的竖壁上设有轴向滑槽1-52，探针架1-8一端与螺母1-92连接，另一端插入滑槽1-52内并在螺母1-92带动下沿滑槽1-52作上下轴向滑移。探针3上端连接在探针架1-8上，转盘1-2上设有与导轨1-22平行的条形槽1-21，探针3通过滑移架1-5底部上的通孔1-51和转盘1-2上的槽1-21，其探头端伸入处于转盘1-2下方的模拟电极装置2的电解槽2-2内。

所述模拟电极装置2由模拟电极2-1和电解槽2-2组成，本实施例的模拟电极装置为同轴电缆模拟电极2-1，由导电外层2-11-1、芯杆2-11-2及连接外层2-11-1与芯杆2-11-2的绝缘底板2-11-3组成，外层2-11-1与绝缘底板2-11-3形成电解槽2-2，电解槽中注有电解液。

本发明采取电路控制，电路控制部分包括电源电路(见图10)、分别对应θ转向步进电机1-1、r向步进电机1-4和z向步进电机1-7的三个步进电机运转及数据显示电路(见图11)、以及电压数据采集及数据显示电路(见图12)。

电源电路提供了所有电路所需要的+5V电源；模拟电场所需要使用的可调稳压电源0～+12V；还有专门供步进电机驱动使用的24V电源。

所述步进电机运转及数据显示电路具有单片机，单片机采用MCS-51系列89S51单片机，按键产生的信号送入单片机，单片机对数据进行处理，通过步进电机驱动电路和数码管驱动电路分别驱动步进电机运转和数码管显示。步进电机运转和数据显示电路中的单片机89S51的程序设计流程见图13。

所述电压数据采集及数据显示电路具有单片机，单片机采用MCS-51系列89S51单片机，探针测得的信号经A/D模数转换模块送入单片机，单片机对数据进行处理，A/D模数转换模块采用ICL7135或MC14433，通过数码管驱动电路驱动数码管显示。显示电路中的单片机89S51的程序设计流程见图14。

单片机电路都留有与计算机连接的串行输出口，可用计算机进行数据采集和处理。

上述模拟电极装置2的模拟电极2-1为也可以是同心球壳模拟电极(见图5)，同心球壳模拟电极2-12由内、外球导电壳体2-12-1、2-12-2及连接内、外壳体的圆锥型台体绝缘架2-12-3组成，两壳体2-12-1、2-12-2的间隙形成电解槽2-2，电解槽内注有电解液。

上述模拟电极装置的模拟电极还可以是偶极子模拟电极2-13(见图6)、平行轴电缆模拟电极2-14(见图7)、聚焦电极模拟电极2-15(见图8)或平行板模拟电极2-16(见图9)，上述电极置于作为电解槽的容器2-17内，容器内注有电解液。

本发明在使用前，通过可调撑脚5调节仪器水平，可以使用水平仪辅助校准。由于仪器在设计时就规定了转盘中心点与电解槽水平支撑面的中心点严格(同轴)重合。所以还需调整模拟电极装置的位置，使模拟电极的中心点与电解槽水平支撑面的中心点重合也就是与转盘中心点重合。打开系统电源，调节模拟电源，控制步进电机运转，使探针的探头的位置处于零点，单片机复位。实验开始，根据要求控制各步进电机的运转，使探针在电解槽内移动，探针的探头所处位置的柱面坐标值和电压值在数码管显示屏上显示。如仪器连接计算机，可用计算机采集实验数据。

Claims (13)

1、一种静电场三维实验仪，具有测量装置(1)、模拟电极装置(2)、探针(3)，架体(4)，其特征在于：测量装置(1)以柱坐标(θ、r、z)表示测量点位置，该测量装置(1)包括θ转向机构、r向滑移机构和z向滑移机构；θ转向机构具有连接在架体(4)上的θ转向步进电机(1-1)、可在架体(4)上转动的转盘(1-2)和连接θ转向步进电机(1-1)与转盘(1-2)的传动件(1-3)；r向滑移机构具有连接在转盘(1-2)上的r向步进电机(1-4)、可在转盘(1-2)上滑移的滑移架(1-5)和连接r向步进电机(1-4)与滑移架(1-5)的传动件(1-6)；z向滑移机构具有连接在滑移架(1-5)上的z向步进电机(1-7)、可在滑移架(1-5)上滑移的探针架(1-8)和连接z向步进电机(1-7)与探针架(1-8)的传动件(1-9)；探针(3)连接在探针架(1-8)上，探头端通过转盘(1-2)上的槽(1-21)伸入转盘(1-2)下方的模拟电极装置(2)的电解槽(2-2)内；上述θ转向步进电机(1-1)、r向步进电机(1-4)和z向步进电机(1-7)由各对应的电机运转及数据显示电路控制，电压值的采集由电压采集及数据显示电路控制，各电路所需要的电源由电源电路提供。

2、根据权利要求1所述的静电场三维实验仪，其特征在于：架体(4)的底部设有可调撑脚(5)。

3、根据权利要求2所述的静电场三维实验仪，其特征在于：θ转向机构中连接θ转向步进电机(1-1)与转盘(1-2)间的传动件(1-3)为蜗杆，转盘(1-2)为蜗轮盘，蜗杆(1-3)与转盘(1-2)啮合；转盘(1-2)与架体(4)间通过轴承(9)连接，转盘(1-2)由蜗杆(1-3)带动转动。

4、根据权利要求2所述的静电场三维实验仪，其特征在于：r向滑移机构中连接r向步进电机(1-4)与滑移架(1-5)间的传动件(1-6)为丝杆(1-6)，丝杆(1-6)与滑移架(1-5)螺纹连接；转盘(1-2)上设有与丝杆(1-6)平行的导轨(1-22)，滑移架(1-5)底部设有与导轨(1-22)相配合的滑槽，滑移架(1-5)由丝杆(1-6)带动在转盘导轨上(1-22)滑移。

5、根据权利要求2所述的静电场三维实验仪，其特征在于：z向滑移机构中连接z向步进电机(1-7)与探针架(1-8)之间的传动件(1-9)为过渡齿轮副(1-93)和螺杆螺母副(1-91、1-92)，探针架(1-8)一端与螺母(1-92)连接，另一端置于滑移架(1-5)的轴向滑槽(1-52)内，探针架(1-8)由螺母(1-92)带动沿轴向滑槽(1-52)滑移。

6、根据权利要求2所述的静电场三维实验仪，其特征在于：模拟电极装置(2)由模拟电极(2-1)和电解槽(2-2)组成，电解槽(2-2)中注有电解液。

7、根据权利要求6所述的静电场三维实验仪，其特征在于：模拟电极装置(2)的模似电极(2-1)为同轴电缆模拟电极，由芯杆(2-11-1)、导电外层(2-11-2)及连接外层(2-11-1)与芯杆(2-11-2)的绝缘底板(2-11-3)组成，导电外层(2-11-1)与绝缘底板(2-11-3)组成电解槽(2-2)。

8、根据权利要求6所述的静电场三维实验仪，其特征在于：模拟电极装置(2)的模似电极(2-1)为同心球壳模拟电极，由内、外球导电壳体(2-12-1、2-12-2)及连接内、外壳体(2-12-1、2-12-2)的圆锥型台体绝缘架(2-12-3)组成，两壳体(2-12-1、2-12-2)组成电解槽(2-2)。

9、根据权利要求6所述的静电场三维实验仪，其特征在于：模拟电极装置(2)的模拟电极(2-1)为偶极子模拟电极(2-13)，平行轴电缆模拟电极(2-14)、聚焦电极模拟电极、(2-15)或平行板模拟电极(2-16)，上述电极置于作为电解槽(2-2)的绝缘容器内。

10、根据权利要求1所述的静电场三维实验仪，其特征在于：所述步进电机运转及数据显示电路具有单片机，按键产生的信号送入单片机，单片机对数据进行处理，控制步进电机驱动电路和数码管驱动电路分别驱动步进电机运转和数码管显示。

11、根据权利要求1所述的静电场三维实验仪，其特征在于：所述电压数据采集及数据显示电路具有单片机，探针测得的信号经A/D模数转换模块送入单片机，单片机对数据进行处理，控制数码管驱动电路驱动数码管显示。

12、根据权利要求10或11所述的静电场三维实验仪，其特征在于：上述步进电机运转及数据显示电路和电压数据采集及数据显示电路中的单片机都留有与计算机连接的串行输出口。

13、根据权利要求12所述的静电场三维实验仪，其特征在于：上述单片机采用MCS-51系列单片机，A/D模数转换模块采用ICL7135或MC14433。

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