CN218547765U - 一种多功能rlc综合实验仪 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种多功能RLC综合实验仪，包括仪器面板，加载有电容电路、电感电路和控制电路；控制电路位于仪器面板下方，包括：两套直流变压器、一个音频放大器、一个示波器及一个音频播放器；音频放大器分别与示波器和音频播放器连接；音频放大器具有蓝牙模块，用于接收外设发送的交变信号和/或音频信号；音频放大器用于为电容电路和电感电路提供交变电压、音频信号；两套直流变压器分别给各自对应的电容电路和电感电路提供直流电压。该实验仪基于模块化设计、结构简单清楚；音频放大器具有蓝牙模块，可接收外设发送的交变信号和/或音频信号，声光电演示效果突出、操作性强；可实现对电容、电感器件性能的定性演示和声光电综合演示。

Description

一种多功能RLC综合实验仪

技术领域

本实用新型涉及电子教学仪器技术领域，特别涉及一种多功能RLC综合实验仪。

背景技术

多功能RLC实验仪，是一种可进行电阻(R)、电感(L)和电容(C)特性实验的仪器，可单独进行R、L、C特性研究实验，可进行自感与互感现象演示，也可进行RC、RL、RLC串联电路暂态过程实验并通过数字示波器将各暂态过程的图形存储以便于后期数据处理。然而，传统RLC实验演示仪，电路部分设计比较凌乱，结构也较为复杂，操作性不佳，演示的项目也有限。且其主要以定量研究、图像展示为主，缺乏对电容、电感器件性能的定性演示和声光电综合演示。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种多功能RLC综合实验仪，解决了传统RLC实验仪结构复杂、操作不变、且演示项目有限的问题。

为实现上述目的，本实用新型采取的技术方案为：

本实用新型提供一种多功能RLC综合实验仪，包括仪器面板，在所述仪器面板上加载有电容电路、电感电路和控制电路；

其中，所述控制电路位于所述仪器面板下方，包括：两套直流变压器、一个音频放大器、一个示波器及一个音频播放器；所述音频放大器分别与示波器和音频播放器连接；所述音频放大器具有蓝牙模块，用于接收外设发送的交变信号和/或音频信号；所述音频放大器用于为所述电容电路和电感电路提供交变电压、音频信号；

所述两套直流变压器分别给各自对应的电容电路和电感电路提供直流电压。

进一步地，所述两套直流变压器均选用XY-SK80型号，实现0.6-36V的直流电压输出并显示实时电压值。

进一步地，所述示波器为FNIRSI-138Pro型号的示波器。

进一步地，所述电容电路、电感电路的电源接入端，均通过双置开关分别连接所述音频放大器和对应的直流变压器。

进一步地，所述电感电路，由5个电感线圈L₁、L₂、L₃、L₄、L₅，一个最大阻值为100Ω的滑动变阻器R，3个小灯泡P₁、P₂、P₃，开关K₁、K₂、K₃、K₄以及电源E₁构成；

其中，所述小灯泡P₁与电感线圈L₁串联构成第一电感线路；所述开关K₂与电感线圈L₂串联构成第二电感线路；所述开关K₁依次与小灯泡P₂、滑动变阻器R串联构成第三电感线路；所述第一电感线路、第二电感线路和第三电感线路并联，构成电感并联电路；

所述电感并联电路的一端与所述电源E₁的一端连接；

所述电感并联电路的另一端，通过开关K₃与所述电源E₁的另一端连接；

所述电感线圈L₁一端与小灯泡P₁连接，另一端依次与开关K₄、电感线圈L₄顺序连接；电感线圈L₄与所述电源E₁的另一端连接；

所述电感线圈L₃的两端与小灯泡P₃的两端对应连接，且位于所述开关K₄、电感线圈L₄、开关K₃形成的区域内；

所述电感线圈L₅和L₁、L₂交替使用。

进一步地，所述电感线圈L₁内阻为33欧；

所述电感线圈L₂内阻为1.5欧；

所述电感线圈L₅内阻为4.2欧；

所述电感线圈L₃、L₄均为直径0.8mm的漆包线绕300匝构成。

进一步地，所述电容电路，由两个空调无极电容C₁和C₂、小灯泡P₄、电源E₂、开关K₅、K₆、K₇、K₈组成；

其中，所述空调无极电容C₁的一端与所述开关K₇串联构成第一电容线路，所述空调无极电容C₂的一端与所述开关K₈串联构成第二电容线路；所述第一电容线路和第二电容线路并联，构成电容并联电路；

所述电容并联电路靠近电容的另一端，通过线路与所述电源E₂的一端连接；

所述电容并联电路靠近开关的一端，通过线路分为第一支路和第二支路；

所述第一支路依次与小灯泡P₄、开关K₅串联后接入所述电源E₂的另一端；

所述第二支路与开关K₆串联后接入所述电源E₂的一端。

进一步地，所述空调无极电容C₁和C₂均为50μF。

进一步地，所述小灯泡均为内阻5欧姆、功率1W。

与现有技术相比，本实用新型具有如下有益效果：

本实用新型实施例提供的一种多功能RLC综合实验仪，包括仪器面板，在所述仪器面板上加载有电容电路、电感电路和控制电路；所述控制电路位于所述仪器面板下方，包括：两套直流变压器、一个音频放大器、一个示波器及一个音频播放器；所述音频放大器分别与示波器和音频播放器连接；所述音频放大器具有蓝牙模块，用于接收外设发送的交变信号和/或音频信号；所述音频放大器用于为所述电容电路和电感电路提供交变电压、音频信号；所述两套直流变压器分别给各自对应的电容电路和电感电路提供直流电压。该实验仪，基于模块化设计、结构简单清楚；音频放大器具有蓝牙模块，可接收外设发送的交变信号和/或音频信号，功能丰富、声光电演示效果突出、操作性强。该实验仪不仅可以定性演示和研究电容容抗与频率关系、电容容抗和容量关系、电容通交隔直和通高频阻低频特性、电感感抗和频率的关系、电感通直隔交和通低频阻高频特性、线圈通断电自感、线圈互感等实验和现象。本实验仪能够用于大中专院校专业物理实验、公共物理实验、中小学科普、物理课堂演示实验等内容，有很好的推广和应用价值。

附图说明

图1为本实用新型实施例提供的多功能RLC综合实验仪的结构示意图；

图2为本实用新型实施例提供的电感电路的连接示意图；

图3为多种固化方式不同深度的电容电路的连接示意图。

具体实施方式

为使本实用新型实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本实用新型。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”“前端”、“后端”、“两端”、“一端”、“另一端”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置有”、“连接”等，应做广义理解，例如“连接”，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

参照图1所示，本实用新型提供的一种多功能RLC综合实验仪，包括仪器面板，在仪器面板上主要由电容电路、电感电路、控制电路构成。

其中，控制电路位于仪器面板下方，包括2套直流变压器、音频放大器、1只示波器及1只低阻值扬声器(即音频播放器)等器材构成。控制电路主要为电容电路、电感电路提供直流电压、交变电压和音频信号。其中直流变压器选用XY-SK80型号，可以实现0.6-36V的直流电压输出并显示实时电压值，左右两个直流变压器分别为电感电路和电容电路提供直流电源。

交变电源主要由音频放大器提供，音频放大器分别与示波器和音频播放器连接；音频放大器具有蓝牙模块，用于接收外设发送的交变信号和/或音频信号；具体地，比如该音频放大器内含蓝牙模块(双声道，2×50W)，可以通过现有技术中手机调频软件“Frequency Sound Generator”(即信号发生器)输出不同频率、不同类型的交变信号，也可以通过手机直接播放歌曲等音频信号给电感电路和电容电路提供声光电信号。输入的信号的波形显示可以通过FNIRSI-138Pro型号的示波器显示。

其中，电容电路和电感电路都提供0.6-36V的直流电源、不同频率和波形的交变信号和音频信号。信号源的选择通过双置开关来进行调控。

如图2所示，为电感电路的结构情况；该部分主要由电源E₁、大电感L₁、L₂，自制电感L₃、L₄，中型电感L₅，开关K₁、K₂、K₃、K₄、3个小灯泡P₁、P₂、P₃，一个最大阻值为100Ω的滑动变阻器R构成。大电感L₁内阻约为33欧，电感值约为750mH；大电感L₂内阻约为1.5欧，电感值约300mH；中型电感L₅内阻约为4.2欧，自制电感L₃、L₄用直径0.8mm的漆包线绕300匝左右即可。3个小灯泡均为内阻5欧姆、功率1W。

连接关系为：小灯泡P₁与电感线圈L₁串联构成第一电感线路；开关K₂与电感线圈L₂串联构成第二电感线路；开关K₁依次与小灯泡P₂、滑动变阻器R串联构成第三电感线路；第一电感线路、第二电感线路和第三电感线路并联，构成电感并联电路；电感并联电路的一端与电源E₁的一端连接；电感并联电路的另一端，通过开关K₃与电源E₁的另一端连接；

电感线圈L₁一端与小灯泡P₁连接，另一端依次与开关K₄、电感线圈L₄顺序连接；电感线圈L₄与电源E₁的另一端连接；电感线圈L₃的两端与小灯泡P₃的两端对应连接，且位于开关K₄、电感线圈L₄、开关K₃形成的区域内；电感线圈L₅和L₁、L₂交替使用。

基于该电感电路，可演示六个定性实验：通电自感实验、断电自感实验、探究感抗与频率关系实验、演示电感器“通直阻交”特性实验、探究线圈的自感因素实验，探究线圈的声光电互感实验。其中L₁和L₂主要用于通电自感和断电自感实验，L₃和L₄主要用于演示探究线圈的声光电互感实验，L₅则用于演示其他电感相关实验。

(1)通电自感实验：电源选择DC直流档；以无电感电路“E₁→K₁→P₂→R→K₃→E₁”和电感电路“E₁→P₁→L₁→K₃→E₁”的通电后灯珠P₁、P₂的亮度快慢来演示通电自感实验。

在电感电路中，单刀双置开关选“DC”档，闭合开关“K₁”、“K₃”，其余开关均断开，观察灯泡“P₁”和“P₂”发光时的亮度变化快慢。

演示通电自感时，灯泡“P₁”会慢慢发光，比“P₂”发光慢。

(2)断电自感实验：电源选择DC直流档；以无电感电路“E₁→K₁→P₂→R→K₃→E₁”和电感电路“E₁→K₂→L₂→K₃→E₁”的断电后灯珠P₂的亮度变化情况来演示断电自感实验。

在电感电路中，单刀双置开关选“DC”档，闭合开关“K₁”、“K₂”、“K₃”，断开“L₁”且其余开关均断开，再断开开关“K₃”，观察灯泡“P₂”发光情况。

演示断电自感时，灯泡“P₂”会闪亮一下再熄灭。上述的滑动变阻器R在通电自感和断电自感实验中起保护电路的作用，从而使实验现象更加明显。

(3)探究感抗与频率关系实验：电源选择AC交流档，通过手机调频软件“FrequencySound Generator”输出不同频率、不同类型的交变信号；以电感电路“E₁→P₁→L₅→K₃→E₁”的通电后灯珠P₁的亮度的变化情况来演示感抗与频率关系实验。

在电感电路中，单刀双置开关选“AC”档，在“L₁”处接入“L₅”即，将L₁替换为L₅，闭合开关“K₃”，其余开关均断开，通过“Frequency Sound Generator”APP调节手机端声音信号频率，观察灯泡“P₁”亮度的变化情况。即可得出结论：在电感电路中，频率越低的交变电流，灯泡越亮，频率越高，灯泡越暗。

(4)演示电感器“通直阻交”特性实验：电源分别选择DC直流档和AC交流档，通过手机调频软件“Frequency Sound Generator”(即信号发生器)输出不同频率、不同类型的交变信号；以电感电路“E₁→P₁→L₅→K₃→E₁”的通电后灯珠P₁的亮度的变化情况来演示电感器“通直阻交”特性实验。

在电感电路中，“L₁”处接入“L₅”即，将L₁替换为L₅，闭合开关“K₃”，其余开关均断开，将交变电流的电压与直流电电压调制相同，单刀双置开关依次选“DC”、“AC”档，对比灯泡在直流电源与交流电源中的亮暗情况。

可得出结论：灯泡与电感器串联的电路分别接在交流电源和直流电源中时，灯泡的亮暗程度有明显不同，接在直流电源中的灯泡比接在交流电源中的亮。

(5)探究线圈的自感因素实验：电源选择AC交流档，通过手机调频软件“FrequencySound Generator”(即信号发生器)输出不同频率、不同类型的交变信号；以电感电路“E₁→P₁→L₅→K₃→E₁”和电感电路“E₁→P₁→L₅→K₄→L₄→E₁”的通电后的灯珠P₁的亮度的变化情况来探究线圈的自感因素实验。

在电感电路中，单刀双置开关选“AC”档，将手机端声音信号频率置于低频状态(≤200Hz)。在“L₁”处接入“L₅”即，将L₁替换为L₅，闭合开关“K₃”，其余开关均断开，观察灯泡“P₁”亮度，再断开“K₃”,闭合开关“K₄”，观察灯泡“P₁”亮度，对比两次实验灯泡亮度变化情况；闭合“K₄”,其余开关均断开，在电感器“L₄”中插入铁芯，观察灯泡“P₁”亮度的变化情况。

可得出结论：电感器与电感器串联会使灯泡变暗，在电感器中插入铁芯时，灯泡也会变暗。

(6)探究线圈的声光电互感实验：电源选择AC交流档，通过手机输出音乐音频信号；以电感电路“E₁→P₁→L₅→K₄→L₄→E₁”和电感电路“L₃→P₃→L₃”的通电后的灯珠P₃的亮度的变化情况来探究线圈的声光电互感实验。

在电感电路中，单刀双置开关选择“AC”档，在“L₁”处接入“L₅”即，将L₁替换为L₅，闭合开关“K₄”，其余开关均断开，用手机播放音乐，将电感器“L₃”插入电感器“L₄”中，观察灯泡“P₃”发光情况。

电感器“L₃”插入电感器“L₄”时，灯泡“P₃”会发光，且亮暗程度随音乐频率变化而变化。

如图3所示，为电容电路的结构情况；主要由两个50μF空调无极电容C₁和C₂、小灯泡P₄(内阻5欧姆、功率1W)、电源E₂(0.6-36V)、开关K₅、K₆、K₇、K₈等组成。

连接关系为：空调无极电容C₁的一端与开关K₇串联构成第一电容线路，空调无极电容C₂的一端与开关K₈串联构成第二电容线路；第一电容线路和第二电容线路并联，构成电容并联电路；电容并联电路靠近电容的另一端，通过线路与电源E₂的一端连接；电容并联电路靠近开关的一端，通过线路分为第一支路和第二支路；第一支路依次与小灯泡P₄、开关K₅串联后接入电源E₂的另一端；第二支路与开关K₆串联后接入电源E₂的一端。

基于该电容电路，主要用来演示三个定性实验：容抗与频率关系实验、容抗与容量关系及演示电容器“通交隔直”特性实验。

(1)演示容抗与频率关系：电源选择AC交流档，通过手机调频软件“FrequencySound Generator”输出不同频率的交变信号；以电容电路“E₂→K₅→P₄→K₇→C₁→E₂”的通电后灯珠P₄的亮度的变化情况来演示容抗与频率关系。

在电容电路中，单刀双置开关选“AC”档，闭合开关“K₅”、“K₇”，通过“FrequencySound Generator”APP调节手机端声音信号频率，观察灯泡“P₄”发光情况随频率变化关系。

可得出结论：灯泡“P₄”的亮暗会随着频率的增减变化，频率越高，灯泡越亮；频率越低，灯泡越暗。

(2)探究容抗与容量关系：电源选择AC交流档，通过手机调频软件“FrequencySound Generator”输出恰当的交变信号；以电容电路“E₂→K₅→P₄→K₇→C₁→E₂”和“E₂→K₅→P₄→K₈→C₂→E₂”以及无电容电路“E₂→K₅→P₄→K₆→E₂”的通电后灯珠P₄的亮度的变化情况来探究容抗与容量关系。

在电容电路中，单刀双置开关选“AC”档，闭合开关“K₅”、“K₇”，断开“K₈”、“K₆”，通过“Frequency Sound Generator”APP调节手机端声音信号频率，观察灯泡“P₄”是否发光，再闭合开关“K₈”，观察灯泡“P₄”亮度变化，最后闭合“K₆”，再次观察灯泡“P₄”的亮度变化。

可得出结论：两个电容并联时的亮度比一个电容时更亮，直接接入电源时的灯泡亮度比接有电容时的亮。

(3)演示电容器“通交隔直”特性：电源分别选择DC直流档和AC交流档，通过手机调频软件“Frequency Sound Generator”输出不同频率的交变信号；以电容电路“E₂→K₅→P₄→K₇→C₁→E₂”的通电后灯珠P₄的亮度的变化情况来演示电容器“通交隔直”特性。

在电容电路中，单刀双置开关选“DC”档，闭合开关“K₅”、“K₇”，其余开关均断开，观察灯泡“P₄”是否正常发光；单刀双置开关选“AC”档，闭合开关“K₅”、“K₇”，其余开关均断开，通过“Frequency Sound Generator”APP调节手机端声音信号频率，观察灯泡“P₄”是否正常发光。

可得出结论：电容器对直流电具有阻碍作用，因此灯泡不会发光，而对交变电流的阻碍较小，远小于对直流的阻碍，可以使灯泡发光。

结合图2和图3，还可以演示对比电容器、电感器对交流电的作用：

在电感电路和电容电路中，单刀双置开关均选“AC”档，电感电路中，在“L₁”处接入“L₅”即，将L₁替换为L₅，闭合开关“K₃”，其余开关均断开；电容电路中闭合开关“K₅”、“K₇”，其余开关均断开。在手机端输入从较低频率到较高频率的声音信号，对比电感电路中灯泡“P₁”的亮暗以及电容电路中灯泡“P₄”的亮暗变化过程。

在电感电路中，灯泡“P₁”在低频区域发光；在电容电路中，灯泡“P₄”在高频区域发光。说明电感器阻高频，电容器通高频。

本实用新型提供的一种多功能RLC综合实验仪，设计有电容电路、电感电路和控制电路；其中，控制电路中音频放大器具备蓝牙模块，可接收外设的音频信号和不同频率的波形，并结合示波器的屏幕亮度变化和小灯泡亮度变化以及声音变化等视听觉效果，生动形象地进行对电容与电感的定性演示和研究，实验现象生动有趣、效果突出。并且该实验仪，模块化设计、结构简单、操控性强；器材组装、维护方便，降低实验教学成本的优势，因此具有很好的推广和应用价值。

另外，进一步利用本实用新型提供的多功能RLC综合实验仪和其他设备，比如信号发生器、外部示波器、万用表等仪器，还可以实现定量研究RLC暂态过程、RLC串并联谐振、RLC稳态过程等有关的实验内容。还可以利用此实验仪中的电容、电感或电阻等器件，进行RLC相关的设计性实验，增强学生对RLC的各种特性的理解和记忆。具体实验的过程可参照现有技术中的实验过程，在此不再赘述。

显然，本领域的技术人员可以对本实用新型进行各种改动和变型而不脱离本实用新型的精神和范围。这样，倘若本实用新型的这些修改和变型属于本实用新型权利要求及其等同技术的范围之内，则本实用新型也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (9)

1.一种多功能RLC综合实验仪，其特征在于，包括仪器面板，在所述仪器面板上加载有电容电路、电感电路和控制电路；

其中，所述控制电路位于所述仪器面板下方，包括：两套直流变压器、一个音频放大器、一个示波器及一个音频播放器；所述音频放大器分别与示波器和音频播放器连接；所述音频放大器具有蓝牙模块，用于接收外设发送的交变信号和/或音频信号；所述音频放大器用于为所述电容电路和电感电路提供交变电压、音频信号；

所述两套直流变压器分别给各自对应的电容电路和电感电路提供直流电压。

2.根据权利要求1所述的一种多功能RLC综合实验仪，其特征在于，所述两套直流变压器均选用XY-SK80型号，实现0.6-36V的直流电压输出并显示实时电压值。

3.根据权利要求1所述的一种多功能RLC综合实验仪，其特征在于，所述示波器为FNIRSI-138Pro型号的示波器。

4.根据权利要求1所述的一种多功能RLC综合实验仪，其特征在于，所述电容电路、电感电路的电源接入端，均通过双置开关分别连接所述音频放大器和对应的直流变压器。

5.根据权利要求1所述的一种多功能RLC综合实验仪，其特征在于，所述电感电路，由5个电感线圈L₁、L₂、L₃、L₄、L₅，一个最大阻值为100Ω的滑动变阻器R，3个小灯泡P₁、P₂、P₃，开关K₁、K₂、K₃、K₄以及电源E₁构成；

其中，所述小灯泡P₁与电感线圈L₁串联构成第一电感线路；所述开关K₂与电感线圈L₂串联构成第二电感线路；所述开关K₁依次与小灯泡P₂、滑动变阻器R串联构成第三电感线路；所述第一电感线路、第二电感线路和第三电感线路并联，构成电感并联电路；

所述电感并联电路的一端与所述电源E₁的一端连接；

所述电感并联电路的另一端，通过开关K₃与所述电源E₁的另一端连接；

所述电感线圈L₁一端与小灯泡P₁连接，另一端依次与开关K₄、电感线圈L₄顺序连接；电感线圈L₄与所述电源E₁的另一端连接；

所述电感线圈L₃的两端与小灯泡P₃的两端对应连接，且位于所述开关K₄、电感线圈L₄、开关K₃形成的区域内；

所述电感线圈L₅和L₁、L₂交替使用。

6.根据权利要求5所述的一种多功能RLC综合实验仪，其特征在于，所述电感线圈L₁内阻为33欧；

所述电感线圈L₂内阻为1.5欧；

所述电感线圈L₅内阻为4.2欧；

所述电感线圈L₃、L₄均为直径0.8mm的漆包线绕300匝构成。

7.根据权利要求1所述的一种多功能RLC综合实验仪，其特征在于，所述电容电路，由两个空调无极电容C₁和C₂、小灯泡P₄、电源E₂、开关K₅、K₆、K₇、K₈组成；

其中，所述空调无极电容C₁的一端与所述开关K₇串联构成第一电容线路，所述空调无极电容C₂的一端与所述开关K₈串联构成第二电容线路；所述第一电容线路和第二电容线路并联，构成电容并联电路；

所述电容并联电路靠近电容的另一端，通过线路与所述电源E₂的一端连接；

所述电容并联电路靠近开关的一端，通过线路分为第一支路和第二支路；

所述第一支路依次与小灯泡P₄、开关K₅串联后接入所述电源E₂的另一端；

所述第二支路与开关K₆串联后接入所述电源E₂的一端。

8.根据权利要求7所述的一种多功能RLC综合实验仪，其特征在于，所述空调无极电容C₁和C₂均为50μF。

9.根据权利要求5或7所述的一种多功能RLC综合实验仪，其特征在于，所述小灯泡均为内阻5欧姆、功率1W。

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