石明吉　宋金璠　陳蘭莉　羅鵬暉

(南陽理工學院電子與電氣工程學院，河南 南陽　473004)

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全自動靜電場測量儀的開發(fā)與測試

石明吉宋金璠陳蘭莉羅鵬暉

(南陽理工學院電子與電氣工程學院，河南 南陽473004)

針對傳統(tǒng)靜電場測量儀存在的不同軸誤差、人工找等位點效率低、數(shù)據(jù)不便于分析等缺點，設(shè)計了以上位機為核心控制單元的全自動靜電場測量儀。結(jié)合采集卡、單片機、步進電機驅(qū)動器、步進電機等硬件，實現(xiàn)了模擬場電勢數(shù)據(jù)的自動采集和存儲。同時，采用顏色表示數(shù)值范圍的方法，形象地顯示了靜電場等勢線的形狀，從而得到了直觀的彩色電勢分布圖。實際應(yīng)用表明，該測量儀完全消除了不同軸誤差，具有測量速度快、精度高、顯示形象、操作簡便等優(yōu)點。

靜電場測量儀上位機采集卡單片機步進電機自動化模擬

Emulation

0　引言

靜電場測量儀按照導電介質(zhì)的不同，可分為導電紙靜電場測量儀、電解液靜電場測量儀和導電玻璃靜電場測量儀三種；按結(jié)構(gòu)不同，可分為雙層測量儀和單層測量儀兩種。目前很多高校的實驗課大都使用雙層結(jié)構(gòu)的靜電場測量儀來描繪、模擬靜電場[1-6]。

傳統(tǒng)的靜電場測量儀在描繪靜電場時，往往存在以下問題。①人工尋找等位點效率低；②現(xiàn)有儀器連接上下兩探針的固定手柄座與實驗臺產(chǎn)生很大的摩擦力，在移動時會產(chǎn)生測量誤差；③當描繪過程有轉(zhuǎn)動時，在坐標紙上所描的等位點就會與實際電場分布情況之間產(chǎn)生誤差，即“不同軸誤差”[7]。

為解決上述問題，本文開發(fā)了一種全自動靜電場測量儀，從根本上消除了不同軸誤差，大大提高了數(shù)據(jù)采集的效率。該儀器能實時、自動地描繪出彩色的等勢線分布圖，并自動保存數(shù)據(jù)和等勢線分布圖樣。

1　儀器的構(gòu)成與工作原理

1.1電場描繪

由電磁學理論可知：穩(wěn)恒電流場的電流密度與靜電場的電場強度所遵從的物理規(guī)律具有相同的數(shù)學形式，即兩者的電勢分布方程相同；靜電場的電場線和等勢線與恒定電流場的電流密度矢量和等勢線有相似的分布。所以，可以用穩(wěn)恒電流場中的電位分布來模擬靜電場的電位分布[8-9]。

由電磁學理論可推知：同軸柱形電纜的穩(wěn)恒電流場的電勢分布與無限長均勻帶電同軸圓柱面的靜電場的電勢分布形式相同，都可以表示為[10-13]：

(1)

式中：a、b為電纜的內(nèi)、外半徑(a=4.91 mm，b=50 mm)；r為場點到圓柱形電極中心軸線的距離；U0為中心圓柱形導體與外層圓筒導體之間的電勢差。

本靜電場測量儀以上位機為控制核心，由2個RS-485采集卡采集各排探針的電勢值，通過STC89C52單片機和步進電機驅(qū)動器控制步進電機的轉(zhuǎn)動，并利用步進電機帶動絲杠導軌，以實現(xiàn)排探針的縱向掃描運動。該靜電場測量儀實現(xiàn)了對模擬場一定區(qū)域(99.06 mm×99.06 mm)中，邊長為2.54 mm的方格網(wǎng)點的各點電勢值的自動測量；在獲得各點電勢數(shù)據(jù)的同時，在畫圖區(qū)域的對應(yīng)位置，用不同的顏色來表示不同位置的電勢值，從而得到直觀的彩色電勢分布圖。測試完畢后，該靜電場測量儀可以保存和輸出數(shù)據(jù)和圖片。

1.2儀器硬件結(jié)構(gòu)

全自動靜電場測量儀需要模擬排探針的掃描以及數(shù)據(jù)的采集、顯示和存儲。在此過程中，要確定排探針的位置和電勢數(shù)據(jù)，同時還要在繪圖區(qū)域繪制位置顏色與電勢值的實時關(guān)系圖。全自動靜電場測量儀硬件部分的功能為：利用步進電機+滾珠絲杠的直線傳動裝置，確定排探針的掃描和探測點位置；利用上位機、采集卡和排探針，獲得各探測點的電勢數(shù)據(jù)。

根據(jù)各硬件功能的設(shè)計思路，全自動靜電場測量儀的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1　測量儀硬件結(jié)構(gòu)圖Fig.1　Hard ware structure of measuring instrument

全自動靜電場測量儀主要由排探針掃描系統(tǒng)、水盒、數(shù)據(jù)采集卡1、數(shù)據(jù)采集卡2、上位機、單片機、步進電機驅(qū)動器、步進電機、電源1、電源2、電源3等部分構(gòu)成。數(shù)據(jù)采集卡選用20路RS-485采集卡，能同時實現(xiàn)20路信號的轉(zhuǎn)換。電源3的正、負極分別與“水盒”的2個電極相連，在水盒內(nèi)注入適量清水，建立待測的模擬場。排探針的40根針依次與采集卡1和采集卡2的40個模擬量輸入端相連接。采集卡1的COM端和采集卡2的COM端并聯(lián)，然后連接到“水盒”和電源3負極相連的接線柱上。RS-485采集卡1的V+與RS-485采集卡2的V+并聯(lián)后，接到電源2的正極；RS-485采集卡1的V-與RS-485采集卡2的V-并聯(lián)后，接到電源2的負極。RS-485采集卡1的485G與RS-485采集卡2的485G并聯(lián)后，接到RS-485轉(zhuǎn)232雙向轉(zhuǎn)換器的GND；RS-485采集卡1的485A+與RS-485采集卡2的485A+并聯(lián)后，接到RS-485轉(zhuǎn)232雙向轉(zhuǎn)換器的T/R+；RS-485采集卡1的485B-與RS-485采集卡2的485B-并聯(lián)后，接到RS-485轉(zhuǎn)232雙向轉(zhuǎn)換器的T/R-。RS-485轉(zhuǎn)232雙向轉(zhuǎn)換器的串口端與上位機的串口通過9針串口線連接。

1.3儀器軟件系統(tǒng)

全自動靜電場測量儀的軟件流程如圖2所示。

圖2　測量儀軟件流程圖Fig.2　Software flowchart of measuring instrument

上位機控制系統(tǒng)采用C語言編程，通過步進電機驅(qū)動器控制步進電機的轉(zhuǎn)動，并利用步進電機帶動絲杠導軌運動，從而實現(xiàn)排探針的運動；通過RS-485采集卡獲得排探針的電勢數(shù)據(jù)，采用軟件繪制出電勢分布的直觀圖像，并保存數(shù)據(jù)和圖像。

系統(tǒng)使用C語言搭建用戶界面。試驗人員通過界面，可以實現(xiàn)采集卡串口、電機串口、測量周期、點動測量、自動測量、數(shù)據(jù)的保存等功能。通過C語言調(diào)用Excel的動態(tài)鏈接庫，可以將試驗測得的數(shù)據(jù)保存為Excel文件，以便后續(xù)分析和研究。

2　試驗結(jié)果

利用新型靜電場測量儀，分別采集長直同軸柱形電極模擬場、兩等量異種點電荷模擬場和聚焦電極模擬場的數(shù)據(jù)，水盒電極所加電壓依次為9.9 V、6 V和6.5 V。

將新型靜電場測量儀生成的Excel數(shù)據(jù)用Origin7.5軟件處理，可得模擬場電勢分布的三維彩色映射表面圖和彩色填充等高線圖，分別如圖3～圖5所示。

圖4　兩均勻帶電長柱形帶電體的模擬場電勢分布圖Fig.4　The potential distribution of the emulated field for two long cylindrical uniformly charged bodies

圖5　聚焦電極模擬場的電勢分布圖Fig.5　The electric potential distribution of focusing electrode simulation field

3　結(jié)束語

本文以上位機為核心控制單元，結(jié)合采集卡、單片機、步進電機驅(qū)動器、步進電機等硬件，設(shè)計了全自動靜電場測量儀，實現(xiàn)了模擬場電勢數(shù)據(jù)的自動采集、顯示和存儲。測試結(jié)果表明，全自動靜電場測量儀能消除不同軸誤差，實現(xiàn)了排探針掃描和數(shù)據(jù)采集的自動化，大大提高了數(shù)據(jù)采集的效率。在數(shù)據(jù)采集的同時，上位機軟件能自動保存數(shù)據(jù)，以便后續(xù)分析。試驗證明，該測量儀測量速度快、精度高、操作簡單。

[1] 代偉,徐平川,陳太紅,等.對模擬法靜電場描繪儀實驗裝置的幾點改進[J].計量與測試技術(shù),2011,38(4):36-37.

[2] 李漢軍,鄭曉慧,袁曉梅.模擬法測靜電場實驗的改進[J].哈爾濱師范大學學報(自然科學版),2013,29(2):38-40.

[3] 程方銳,呂硯荻,張瑞杰,等.靜電場模擬描跡實驗的誤差分析和儀器改進[J].大學物理實驗,2012,25(3):103-106.

[4] 賈福榮.靜電場描繪實驗儀的主要誤差分析[J].內(nèi)蒙古科技與經(jīng)濟,2002(4):59-59.

[5] 趙敏,強曉明,章韋芳,等.一種新型的模擬靜電場測繪儀器[J].大學物理,2013(11):30-32.

[6] 丁紅偉,任常愚,尹向?qū)?等.模擬靜電場虛擬實驗的設(shè)計開發(fā)[J].高師理科學刊,2014(4):94-98.

[7] 楊少波,文景,嚴飲云,等.一種新型模擬靜電場描繪儀[J].大學物理實驗,2001,14(2):40-42.

[8] 方涌.淺談“電流場模擬靜電場”實驗中的二場的比擬[J].大學物理實驗,2000,13(1):33-35.

[9] 馮元新，李明.關(guān)于用穩(wěn)恒電流場模擬靜電場原因的探討[J].杭州應(yīng)用工程技術(shù)學院學報,2000,12(3):1-4.

[10]代偉.靜電場描繪儀的改進[J].大學物理實驗,2011,24(3):42-44.

[11]孫丙西,哈寶達,王宏宇.靜電場描繪實驗的探討[J]． 內(nèi)蒙古民族大學學報(自然科學版),2002,17(2):23-27．

[12]饒益花,高真輝,劉鈺薇,等.一體化靜電場描繪儀研制[J].南華大學學報(自然科學版),2011,25(3):54-57.

[13]陳蘭莉,肖東岳,石明吉.用模擬法描繪靜電場實驗的教學方法探討[J].南陽理工學院學報,2010,2(2):122-124.

Development and Test of the Fully Automated Measuring Instrument for Electrostatic Field

Against the disadvantages of traditional electrostatic field plotter,such as non-coaxial error,low efficiency of manual searching equipotential point,and the data hard to analyze,etc.,the fully auto mated measuring instrument for electrostatic field is developed by using PC as the central control unit.Combining with acquisition card,single chip computer,driver of stepper motor and stepper motor,the automatic acquisition and storage for the potential data of the emulated field are realized.In addition,for figuratively displaying the shape of equipotential lines of electrostatic field,the method of using color to represent numerical range is proposed,and thus the intuitive color potential distribution map is obtained.The practical application shows that this measuring instrument eliminates the non-coaxial error,and provides advantages of high measuring speed,high accuracy,figurative display and simple and convenient operation.

Electrostatic fieldMeasuring instrumentHost computerAcquisition cardSingle chip computerStepper motorAutomation

石明吉(1974—)，男，2009年畢業(yè)于中國科學院半導體研究所微電子學與固體電子學專業(yè)，獲博士學位，副教授；主要從事大學物理實驗教學和電子測量技術(shù)方向的研究。

TH7;TP274+.1

ADOI:10.16086/j.cnki.issn 1000-0380.201610021

河南省高等學校教師教育精品資源共享課程建設(shè)基金資助項目(編號：豫教〔2013〕136號)；

河南省教師教育課程改革研究基金資助項目(編號：豫教〔2014〕615號)。

修改稿收到日期：2016-01-04。