專利名稱：多功能懸浮實驗儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及一種多功能懸浮實驗儀，屬于各級學(xué)校的物理學(xué)、電磁學(xué)等相關(guān)課程的實驗領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
電磁懸浮技術(shù)是集電磁學(xué)、電磁感應(yīng)技術(shù)、動力學(xué)為一體的高新技術(shù)，隨著電子技術(shù)、控制工程、電磁理論及新型電磁材料和動力學(xué)的發(fā)展，電磁懸浮技術(shù)有了很大的進步， 電磁懸浮技術(shù)在制備和提純高熔點、高活性、強放射性材料等方面具有廣泛的應(yīng)用前景。電磁懸浮的實驗裝置、實驗現(xiàn)象、實驗分析等方面的資料較少，而電磁懸浮的演示和實驗在教學(xué)、科研及技術(shù)應(yīng)用等方面有較大的作用和意義。本實用新型通過利用單片機來實現(xiàn)對大電流恒流電源的控制，可準(zhǔn)確地輸出高精度的電流，與通過改變電壓來得到不同的磁場的方法相比能得到更穩(wěn)定的磁場。同時本實驗儀有更高的可控性和能更容易操作和有更高的成功率。實驗儀通過磁場的調(diào)節(jié)和陀螺轉(zhuǎn)子的更換，能更直觀的觀察和理解磁懸浮。通過多功能懸浮實驗儀，學(xué)生可更好的理解和掌握電磁懸浮、磁場和電磁感應(yīng)原理和應(yīng)用，通過對磁場、電流、材質(zhì)和重力的多種關(guān)系測量，能更好地掌握電磁懸浮的特性。本實驗通過學(xué)生對不同材質(zhì)和方法的懸浮實驗的完成，使學(xué)生變被動為主動，增強學(xué)生的動手能力，有利于學(xué)生掌握電磁懸浮的原理和應(yīng)用，同時啟發(fā)和調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣和培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識。

實用新型內(nèi)容本實用新型針對現(xiàn)有電磁懸浮所存在的缺點，提出結(jié)合了大電流恒流源和單片機控制技術(shù)的多功能懸浮實驗儀，能完成多種磁懸浮和電磁感應(yīng)懸浮實驗，其特征是由多功能懸浮實驗儀主機、磁懸浮陀螺轉(zhuǎn)子、金屬棒、金屬感應(yīng)環(huán)和墊片板組成，多功能懸浮實驗儀主機上設(shè)置有四位數(shù)顯的電流表、四位數(shù)顯的電壓表、四個數(shù)控按鍵、功能選擇開關(guān)、電壓調(diào)節(jié)旋鈕和電源開關(guān)，多功能懸浮實驗儀主機內(nèi)設(shè)置有磁場線圈、大電流恒流源及單片機控制和放大電路。實驗儀通過對懸浮及電流、磁場關(guān)系的實驗，使學(xué)生能更好的理解和掌握電磁懸浮和電磁感應(yīng)的規(guī)律和特點，能滿足各級學(xué)校的電磁學(xué)和物理學(xué)等相關(guān)課程的教學(xué)實驗要求。本實驗儀采用單片機AT89C52作為控制核心來實現(xiàn)對大電流恒流源的控制，控制由運算放大器和復(fù)合型大功率晶體管構(gòu)成的恒流源系統(tǒng)，主要包括按鍵、數(shù)碼顯示、A/D采樣和D/A控制，同時具有編程簡便、接口簡單、小型化的特點。實驗儀主機中的單片機通過運算形成相應(yīng)的數(shù)字輸出量，再經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換器輸出相應(yīng)的控制信號，使得恒流源在20 4000 mA輸出電流時，輸出電流誤差小于1mA，能實現(xiàn)對恒流源電流輸出的精確調(diào)節(jié)。數(shù)控方式是采用按鍵輸入方式，以不同的步進值去設(shè)置所需的電流值，并由LED數(shù)碼方式顯示出來。[0008]恒流源的驅(qū)動電路采用運放LF353，LF353是一種帶內(nèi)部微調(diào)輸入偏差電壓技術(shù) (Bi—FET II technology)的高速運放；它輸入阻抗高，并具有極高的轉(zhuǎn)換率，功耗低。同時為達(dá)到大電流輸出，在恒流源輸出端增加了由Ql、Q2組成的大功率的NPN型達(dá)林頓復(fù)合管電路。本設(shè)計采用獨立式鍵盤，即單片機的I/O 口直接與按鍵相連。四個按鍵的設(shè)置為 菜單選擇鍵MENU，選擇鍵SEL，數(shù)值增加鍵UP和數(shù)值減小鍵DOWN。通過按鍵可對所需的電流大小進行控制和調(diào)節(jié)。本實用新型在利用單片機來實現(xiàn)對大電流恒流電源輸出的同時，結(jié)合功能選擇開關(guān)，也具有直接的不同電壓的交流輸出，以用于電磁感應(yīng)懸浮實驗。磁場線圈置于實驗儀主機上部，其上方的臺面板上標(biāo)注有磁場中心位置的刻度線，同時臺面板上具有水平氣泡儀，用于調(diào)節(jié)實驗儀的水平。本實驗儀所采用的金屬棒有軟鐵、鐵、純銅三種材質(zhì)；所采用的金屬感應(yīng)環(huán)有純銅、鋁、鐵三種材質(zhì)，并有不同的半徑。通過不同材質(zhì)的金屬棒的實驗與更換，更能清晰的了解和掌握在電磁感應(yīng)中，不同材質(zhì)的磁化作用。并且通過不同材質(zhì)和半徑的金屬感應(yīng)環(huán)的懸浮實驗，掌握電磁感應(yīng)和磁化、安培力等物理概念。同時實驗儀所采用的磁懸浮陀螺轉(zhuǎn)子有大小輕重不同的多種規(guī)格，以方便進行不同作用力的實驗和對比，同時陀螺轉(zhuǎn)子內(nèi)置有釹鐵硼磁鐵。實驗儀也采用了墊片板，所采用墊片板由透明塑料材料制成，表面進行了磨砂處理，有利于陀螺轉(zhuǎn)子的穩(wěn)定旋轉(zhuǎn)，并在墊片板上標(biāo)注有中心位置刻度線。本實驗儀的主機底部采用了四只可調(diào)節(jié)高度的支撐腳，結(jié)合臺面板上的水平氣泡儀，用于調(diào)節(jié)實驗儀的水平。

圖1是多功能懸浮實驗儀主機。圖1中1是主機上部的磁場線圈，2是磁場中心位置刻度線，3是凹孔，4是水平氣泡儀，5是四位數(shù)顯電流表，6是四個數(shù)控按鍵，7是四位數(shù)顯電壓表，8是功能選擇開關(guān)，9是電壓調(diào)節(jié)旋鈕，10是可調(diào)節(jié)高度的支撐腳、11是電源開關(guān)，12是電源指示LED。圖2是墊片板和陀螺轉(zhuǎn)子示意圖。其中13是墊片板，14是中心位置刻度線，15磁懸浮陀螺轉(zhuǎn)子，16是陀螺轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)手柄。圖3是金屬棒和金屬感應(yīng)環(huán)示意圖。其中17是金屬棒，18是金屬感應(yīng)環(huán)。圖4是恒流源系統(tǒng)組成圖。圖5是恒流源輸出電路圖。
具體實施方式
實驗中首先應(yīng)進行實驗儀的水平調(diào)節(jié)，結(jié)合多功能懸浮實驗儀主機底部的高度調(diào)節(jié)支撐腳，調(diào)節(jié)直到實驗臺面上的水平氣泡儀中的氣泡居中。在做基本磁懸浮實驗時，有大小輕重不同的多個陀螺轉(zhuǎn)子，只有陀螺轉(zhuǎn)子在豎直方向上受力平衡時，它才能在空中懸浮，所以對應(yīng)應(yīng)有不同的磁場排斥力。實驗時將墊片板放在水平的臺面板上，并保證周圍應(yīng)沒有干擾磁場的物體，將墊片板與臺面板的刻度中心位置對準(zhǔn)。將陀螺轉(zhuǎn)子的下端輕壓在透明板的中心位置，保持與臺面板的垂直度，旋轉(zhuǎn)手柄，使陀螺轉(zhuǎn)子在墊片板的中心位置穩(wěn)定的旋轉(zhuǎn)。陀螺轉(zhuǎn)子在墊片板的中心位置穩(wěn)定旋轉(zhuǎn)以后，將墊片板往上提升，使陀螺轉(zhuǎn)子慢慢的離開臺面板，當(dāng)墊片板達(dá)到一個適當(dāng)?shù)母叨葧r，轉(zhuǎn)子向下的重力和磁場向上的排斥力相等時，它就會自動脫離墊片板懸在空中旋轉(zhuǎn)。在操作過程中選用不同的陀螺轉(zhuǎn)子時，當(dāng)陀螺轉(zhuǎn)子太輕時，在透明墊片板住上提升的過程中，由于磁場的排斥力大于陀螺轉(zhuǎn)子的重力，陀螺轉(zhuǎn)子會很快的彈離墊片板，脫離中心位置而無法達(dá)到穩(wěn)定的懸浮狀態(tài)。反之當(dāng)陀螺轉(zhuǎn)子偏重時，在墊片板住上提升的過程中，由于陀螺轉(zhuǎn)子的重力大于磁場的排斥力，陀螺轉(zhuǎn)子會在墊片板上旋轉(zhuǎn)打滑，無法自動脫離墊片板達(dá)到穩(wěn)定的懸浮狀態(tài)。在每一次更換不同的陀螺轉(zhuǎn)子后，由于轉(zhuǎn)子重力的不同，所需磁場排斥力也不同， 因此應(yīng)準(zhǔn)確調(diào)節(jié)磁場線圈中的電流，以提供相應(yīng)的排斥力，同時記錄下最穩(wěn)定懸浮時的電流，研究陀螺轉(zhuǎn)子重力與磁場和電流的關(guān)系，并作出圖像。在做電磁感應(yīng)懸浮時，將不同材質(zhì)的金屬棒放入平面板的凹孔中，套入金屬感應(yīng)環(huán)，通電后，將電源電壓逐步調(diào)高，由于電磁力的作用，金屬感應(yīng)環(huán)向上浮起，處于懸浮狀態(tài)。實驗中，可以研究不同材質(zhì)的金屬棒由于磁化強度的不同所表現(xiàn)的不同的現(xiàn)象， 比較并記錄在不同的金屬棒材質(zhì)的情況下，相同的金屬感應(yīng)環(huán)所表現(xiàn)的區(qū)別。同時實驗中可以研究鋁環(huán)、銅環(huán)的懸浮和鐵環(huán)的吸附，結(jié)合功能選擇開關(guān)和電壓調(diào)節(jié)旋鈕，逐漸增大輸出電壓，可研究電磁感應(yīng)的大小，研究不同半徑的同一材質(zhì)金屬感應(yīng)環(huán)所表現(xiàn)的區(qū)別。了解不同材質(zhì)的金屬感應(yīng)環(huán)的密度、電阻對電磁感應(yīng)的影響，并觀察鋁環(huán)、銅環(huán)的跳環(huán)。實驗中觀察并記錄數(shù)據(jù)，填寫表格，并作出U-H圖像。利用本實驗儀在實驗中還可進行雙環(huán)實驗，進行環(huán)的共振實驗。在實驗中引入螺線管，接入發(fā)光二極管，則可觀察發(fā)光二極管的發(fā)光，直觀感受電磁感應(yīng)。
權(quán)利要求1.一種多功能懸浮實驗儀，其特征是由多功能懸浮實驗儀主機、磁懸浮陀螺轉(zhuǎn)子 (15)、金屬棒(17)、金屬感應(yīng)環(huán)(18)和墊片板(13)組成，多功能懸浮實驗儀主機上設(shè)置有四位數(shù)顯的電流表(5)、四位數(shù)顯的電壓表(7)、四個數(shù)控按鍵(6)、功能選擇開關(guān)(8)、電壓調(diào)節(jié)旋鈕(9)和電源開關(guān)(11)，多功能懸浮實驗儀主機內(nèi)設(shè)置有磁場線圈、大電流恒流源及單片機控制和放大電路。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多功能懸浮實驗儀，其特征是磁場線圈置于實驗儀主機上部，其上方的臺面板中心有用于放置金屬棒的凹孔(3)，臺面板上標(biāo)注有磁場中心位置的刻度線(2 )，臺面板上具有水平氣泡儀(4 )。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多功能懸浮實驗儀，其特征是多功能懸浮實驗儀主機內(nèi)所采用的單片機型號為AT89C52。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多功能懸浮實驗儀，其特征是多功能懸浮實驗儀主機內(nèi)所采用的恒流源運放芯片為LF353，并在輸出端具有大功率NPN型達(dá)林頓復(fù)合管電路。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多功能懸浮實驗儀，其特征是所采用的磁懸浮陀螺轉(zhuǎn)子 (15)有大小輕重不同的多種規(guī)格，陀螺轉(zhuǎn)子內(nèi)置釹鐵硼磁鐵。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多功能懸浮實驗儀，其特征是所采用的金屬棒(17)有軟鐵、 鐵、純銅三種材質(zhì)；所采用的金屬感應(yīng)環(huán)(18)有純銅、鋁、鐵三種材質(zhì)，并有不同的半徑。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多功能懸浮實驗儀，其特征是所采用墊片板(13)由透明塑料材料制成，表面磨砂處理，并標(biāo)注有中心位置刻度線(14)。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多功能懸浮實驗儀，其特征是多功能懸浮實驗儀主機底部有四只可調(diào)節(jié)高度的支撐腳(10)。
專利摘要本實用新型涉及一種多功能懸浮實驗儀，由多功能懸浮實驗儀主機、磁懸浮陀螺轉(zhuǎn)子、金屬棒、金屬感應(yīng)環(huán)和墊片板組成，多功能懸浮實驗儀主機上設(shè)置有四位數(shù)顯的電流表、四位數(shù)顯的電壓表、四個數(shù)控按鍵、功能選擇開關(guān)、電壓調(diào)節(jié)旋鈕和電源開關(guān)，多功能懸浮實驗儀主機內(nèi)設(shè)置有磁場線圈、大電流恒流源及單片機控制和放大電路。實驗儀通過對不同的懸浮及與電流、磁場關(guān)系的實驗，使學(xué)生能更好的理解和掌握懸浮和電磁場的規(guī)律和特點。本實驗儀結(jié)構(gòu)合理，操作方便，教學(xué)效果好，適合于各級學(xué)校的物理學(xué)、電磁學(xué)等課程的教學(xué)實驗和演示。
文檔編號G09B23/18GK202042106SQ201120129368
公開日2011年11月16日 申請日期2011年4月28日 優(yōu)先權(quán)日2011年4月28日
發(fā)明者汪建 申請人:四川農(nóng)業(yè)大學(xué), 汪建