綜合電磁實驗儀的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實用新型涉及一種綜合電磁實驗儀，屬于物理學(xué)、電磁學(xué)等相關(guān)課程的實驗儀器技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]在物理學(xué)習(xí)中，渦流和電磁感應(yīng)是較難理解的概念，而在實際的生活中我們卻廣泛的應(yīng)用了這些知識，其中電磁爐就是利用電磁感應(yīng)原理將電能轉(zhuǎn)換為熱能的常用電器。電磁爐在正常工作時，由整流電路可將50Hz的交流電轉(zhuǎn)換成頻率為20-40kHz的高頻電流，并通過扁平螺旋狀的電磁線圈形成高頻交變磁場，該磁場的磁場線穿透上方的微晶平板后，在放在附近的金屬物件上反復(fù)切割變化，最后在金屬物體上，形成環(huán)狀的渦流，而渦流的熱效應(yīng)會導(dǎo)致金屬物體本身高速發(fā)熱。這種振蕩生熱的加熱方式，能減少熱傳遞的中間環(huán)節(jié)，大大提尚制熱效率。
[0003]現(xiàn)有的實驗儀器，對電磁感應(yīng)的研宄通常只是其中的一個方面，常常只是簡單的切割磁力線，或直接由線圈纏繞導(dǎo)體產(chǎn)生渦流，不能各方面的讓學(xué)生感受到電磁感應(yīng)和渦流及趨膚效應(yīng)等概念。
[0004]本實用新型主機可產(chǎn)生高頻電流，通過電磁線圈，可產(chǎn)生交變的磁場，并使用了不同的金屬盤，可用于比較電磁的不同效應(yīng)和在不同金屬中的作用。交變的磁場在被加熱的不同的金屬器件上會引起趨膚效應(yīng)，使大部分電流在導(dǎo)體的表面上流通，交流電流的頻率越高，趨膚效應(yīng)就越明顯，從而導(dǎo)體的發(fā)熱量越大，實驗儀還使用了溫度傳感器來進行溫度的測量，從而能對加熱的過程進行量化的比較和計算。
【實用新型內(nèi)容】
[0005]本實用新型采用了高功率管驅(qū)動與調(diào)制電路，并結(jié)合了微處理器控制，產(chǎn)生不同振蕩頻率和強度的電流通過電磁線圈用以得到不同的交變的磁場，同時本實用新型采用各種金屬盤和不同的感應(yīng)線圈來對電磁感應(yīng)和渦流進行實驗和測量，使學(xué)生能更好的理解和掌握電磁感應(yīng)、渦流、感應(yīng)電流及其與頻率關(guān)系等相關(guān)知識。適用于各級學(xué)校的物理和電磁學(xué)等課程的實驗和演示。
[0006]本實用新型針對現(xiàn)有實驗儀器的不足，提出結(jié)合了微處理器控制IGBT功率管輸出和電磁原理實驗線圈的綜合電磁實驗儀。綜合電磁實驗儀包括電磁實驗儀主機、電磁實驗線圈盒和各種金屬盤，電磁實驗儀主機上設(shè)置有四位數(shù)顯功率表、三位數(shù)顯頻率表、三位數(shù)顯溫度表、開關(guān)按鈕、功率調(diào)節(jié)旋鈕、頻率調(diào)節(jié)旋鈕和溫度輸入端口，電磁實驗儀主機內(nèi)設(shè)置有微處理器及微處理器控制電路、電流檢測電路、PWM脈寬調(diào)控電路、振蕩電路、IGBT電路、溫度檢測電路、同步電路、驅(qū)動電路、電源和電磁線圈；電磁實驗線圈盒設(shè)置有四組不同半徑和所繞圈數(shù)的感應(yīng)線圈、四位數(shù)顯電流表、四組線圈的測量按鍵、電流測量按鍵和電燈。
[0007]電磁實驗儀主機內(nèi)電源電路、電流檢測電路、微處理器、PWM脈寬調(diào)控電路、振蕩電路、IGBT電路、電磁線圈、同步電路依次相連，完成主電路的輸出和調(diào)節(jié)；其溫度檢測電路和驅(qū)動電路也分別與微處理器相連接，完成溫度的測量和數(shù)碼顯示輸出。
[0008]本實用新型具有PWM脈寬調(diào)控電路，它是微處理器對電磁電路的工作狀態(tài)進行智能控制的通道，主要由電阻、電容組成積分電路完成。其工作原理就是把微處理器輸出的不同占空比的方波脈沖轉(zhuǎn)化成相應(yīng)的直流電壓，并以此電壓去控制后級IGBT絕緣柵雙極型功率管的輸出。微處理器通過控制PWM脈沖的寬與窄，控制送至振蕩電路的加熱功率控制電壓，從而控制了 IGBT功率管導(dǎo)通時間的長短，控制了加熱功率的大小。
[0009]本實用新型實驗儀主機內(nèi)的微處理器采用Microchip公司最近推出的PIC18F452芯片，它是一款精簡指令型(RISC)高性能的CPU，是目前8位微處理器中運行最快的，具有高達10MIPS的工作速度，采用16位寬的指令總線和8位寬的數(shù)據(jù)總線，程序存儲器線性尋址達32KB，而僅有35個單字節(jié)指令，其帶有8路8位AD，雙路PWM輸出，3個定時/計數(shù)器，帶UART接口，4kX 14Bit的Flash存儲器，保密性好，具有豐富的功能，同時它具有較強的抗干擾能力，適宜工業(yè)現(xiàn)場使用。
[0010]本電磁實驗儀主機和電磁實驗線圈盒的面板都采用透明微晶玻璃面板，具有方便觀察實驗儀主機和電磁實驗線圈盒內(nèi)部結(jié)構(gòu)和耐摔、節(jié)能安全的優(yōu)點。由于微晶玻璃具有縱向?qū)幔瑱M向不傳熱的特性，在使用的過程中，面板的溫度并不高，對其它部件幾乎不存在熱輻射現(xiàn)象，熱損失極低。同時不易產(chǎn)生破裂或炸裂。
[0011]電磁實驗線圈盒的內(nèi)部設(shè)置有四組半徑不同以及所繞圈數(shù)也不同的感應(yīng)線圈，通過四組線圈的測量按鍵和電流測量按鍵可分別對四組線圈的感應(yīng)電流進行測量，同時也可通過低壓電燈的明暗和變化進行直觀的觀察。
[0012]本實用新型所采用的金屬盤為外沿凸起的淺盤形狀，其邊沿上設(shè)置有測量小孔，在實驗中分別采用了鐵、鋁、銅三種不同的金屬材質(zhì)來進行實驗比較和測量。
【附圖說明】
[0013]圖1是電磁實驗儀主機外觀圖，其中的I是面板，2是電磁線圈，3是四位數(shù)顯功率表，4是開關(guān)按鈕，5是功率調(diào)節(jié)旋鈕，6是三位數(shù)顯頻率表，7是頻率調(diào)節(jié)旋鈕，8是三位數(shù)顯溫度表，9是溫度輸入端口。
[0014]圖2是電磁實驗線圈盒外觀圖，其中的10是四組不同半徑的感應(yīng)線圈，11是電燈，12是電流測量按鍵，13是四位數(shù)顯電流表，14是四組線圈的測量按鍵。
[0015]圖3是金屬盤外觀圖，其中的15是中心淺盤，16是溫度測量小孔。
[0016]圖4是系統(tǒng)電路基本原理圖
[0017]圖5是IBGT功率管驅(qū)動電路。
【具體實施方式】
[0018]本實用新型微處理器PIC18F452的PWM輸出可以是I?10位，當(dāng)8位時PWM頻率分辨率為156kHz，10位時PWM頻率分辨率為39kHz。
[0019]PWM脈寬調(diào)控電路輸出端的直流電壓變化與輸入端的方波脈沖寬度有直接的關(guān)系，PWM脈沖越寬，積分電壓越高，送到振蕩電路的控制電壓就越高，電磁線圈的功率就越大，反之越小。所以當(dāng)要改變輸出端的直流電壓時，通過改變輸入方波的脈沖寬度(占空比)即可。
[0020]本實用新型采用的各種金屬盤為外沿凸起的中心淺盤形狀，其邊沿上設(shè)置有溫度測量小孔，用以放入溫度傳感器進行溫度測量。溫度傳感器可采用小型的AD590，AD590電流輸出型兩端溫度傳感器，它是AD公司利用PN結(jié)構(gòu)正向電流與溫度的關(guān)系制成的電流輸出型兩端溫度傳感器。該器件具有良好的線性特性和互換性，同時非常小巧，方便使用。測量的溫度范圍:_55°C至+150°C，同樣，也可在鐵質(zhì)、銅質(zhì)、鋁質(zhì)的金屬盤中盛入一定量的水，直觀地感受各種不同情況下水溫的變化和區(qū)別。
[0021]本實用新型采用了 IGBT絕緣柵雙極型功率管，是由雙極型三極管BJT和絕緣柵型場效應(yīng)管MOS組成的復(fù)合全控型電壓驅(qū)動式電子器件，兼有高輸入阻抗和低導(dǎo)通壓降兩方面的優(yōu)點。
[0022]IGBT管是一種電壓激勵場控型高壓、高速大功率器件，導(dǎo)通時需在G極與地間加上十幾伏的電壓才能可靠地導(dǎo)通，截止時需為G極提供放電回路。IGBT管驅(qū)動電路如圖5所示，當(dāng)LM339輸出高電平時，Q3導(dǎo)通，Q4截止，+18V電壓經(jīng)Q3的c_e結(jié)及R39、R40流向IGBT管G極，IGBT導(dǎo)通；當(dāng)LM339輸出低電平時，Q3截止，Q4導(dǎo)通，IGBT管G極中儲存的電荷由R40及Q4的e-c結(jié)放電，為IGBT管的再次導(dǎo)通作好準(zhǔn)備。
[0023]本實用新型采用變壓器式低壓供電單元，此電路單元的作用是:將220V市電轉(zhuǎn)換成控制電路所需的交流低壓，再經(jīng)整流、濾波，并由穩(wěn)壓集成電路或分立元件組成的穩(wěn)壓電路穩(wěn)壓后，輸出穩(wěn)定的5V和18V，其中5V電壓用于供給微處理器和部分?jǐn)?shù)字電路，并作為整機的基準(zhǔn)電壓；18V電壓給LM339、IGBT功率管驅(qū)動、風(fēng)扇供電。與通常家用電磁爐采用的開關(guān)電源相比，性能穩(wěn)定可靠，電路結(jié)構(gòu)簡單，故障率低，更適合于學(xué)生實驗使用。
[0024]在使用中，利用功率調(diào)節(jié)旋鈕和頻率調(diào)節(jié)旋鈕，可對電路的輸出功率和振蕩頻率進行調(diào)整，結(jié)合電磁實驗線圈盒和各種金屬盤可完成不同情況的電磁感應(yīng)測量和實驗。在使用電磁實驗線圈盒進行實驗時，除了可以結(jié)合四組不同的線圈進行測量，同時也可對電磁實驗線圈盒相對于微晶玻璃面板進行不同角度的傾斜，研宄不同傾斜角對感應(yīng)電流的影響和觀察實驗的現(xiàn)象。
[0025]綜合電磁實驗儀結(jié)構(gòu)合理，操作方便，適用于各級學(xué)校的物理和電磁學(xué)等課程的教學(xué)實驗和演示。
【主權(quán)項】
1.一種綜合電磁實驗儀，其特征是:綜合電磁實驗儀包括電磁實驗儀主機、電磁實驗線圈盒和各種金屬盤，電磁實驗儀主機上設(shè)置有四位數(shù)顯功率表(3)、三位數(shù)顯頻率表(6)、三位數(shù)顯溫度表(8)、開關(guān)按鈕(4)、功率調(diào)節(jié)旋鈕(5)、頻率調(diào)節(jié)旋鈕(7)和溫度輸入端口(9)，電磁實驗儀主機內(nèi)設(shè)置有微處理器及微處理器控制電路、電流檢測電路、PWM脈寬調(diào)控電路、振蕩電路、IGBT電路、溫度檢測電路、同步電路、驅(qū)動電路、電源和電磁線圈(2);電磁實驗線圈盒設(shè)置有四組不同半徑和所繞圈數(shù)的感應(yīng)線圈(10)、四位數(shù)顯電流表(13)、四組線圈的測量按鍵(14)、電流測量按鍵(12)和電燈(11)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的綜合電磁實驗儀，其特征是:其電磁實驗儀主機內(nèi)的微處理器采用的芯片是PIC18F452。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的綜合電磁實驗儀，其特征是:其電磁實驗儀主機內(nèi)電源電路、電流檢測電路、微處理器、PWM脈寬調(diào)控電路、振蕩電路、IGBT電路、電磁線圈、同步電路依次相連，完成主電路的輸出和調(diào)節(jié)；其溫度檢測電路和驅(qū)動電路也分別與微處理器相連接，完成溫度的測量和數(shù)碼顯示輸出。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的綜合電磁實驗儀，其特征是:綜合電磁實驗儀所采用的金屬盤為外沿凸起的淺盤形狀，其邊沿上設(shè)置有測量小孔，用以放入溫度傳感器進行溫度測量。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的綜合電磁實驗儀，其特征是:其電磁實驗儀主機和電磁實驗線圈盒的面板都采用透明微晶玻璃面板。
【專利摘要】本實用新型涉及一種綜合電磁實驗儀，綜合電磁實驗儀包括電磁實驗儀主機、電磁實驗線圈盒和各種金屬盤，電磁實驗儀主機上設(shè)置有四位數(shù)顯功率表、三位數(shù)顯頻率表、三位數(shù)顯溫度表、開關(guān)按鈕、功率調(diào)節(jié)旋鈕、頻率調(diào)節(jié)旋鈕和溫度輸入端口；電磁實驗線圈盒設(shè)置有四組不同半徑和所繞圈數(shù)的感應(yīng)線圈、四位數(shù)顯電流表、四組線圈的測量按鍵、電流測量按鍵和電燈。綜合電磁實驗儀結(jié)合了微處理器控制、電磁線圈、高功率管驅(qū)動與調(diào)制電路、不同的金屬盤和不同的感應(yīng)線圈來對電磁感應(yīng)和渦流進行測量，使學(xué)生能更好的理解和掌握電磁感應(yīng)、渦流、感應(yīng)電流等相關(guān)知識，綜合電磁實驗儀結(jié)構(gòu)合理，操作方便，適用于各級學(xué)校的物理和電磁學(xué)等課程的教學(xué)實驗和演示。
【IPC分類】G09B23-18
【公開號】CN204332202
【申請?zhí)枴緾N201520002745
【發(fā)明人】汪建, 盧常芳, 孫萍, 馮興
【申請人】四川農(nóng)業(yè)大學(xué), 汪建
【公開日】2015年5月13日
【申請日】2015年1月3日