綜合電磁實(shí)驗(yàn)儀的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型涉及一種綜合電磁實(shí)驗(yàn)儀，屬于物理學(xué)、電磁學(xué)等相關(guān)課程的實(shí)驗(yàn)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(shí)際的生活中我們卻廣泛的應(yīng)用了這些知識(shí)，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(shí)，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(chǎng)，該磁場(chǎng)的磁場(chǎng)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(huì)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(shí)驗(yàn)儀器，對(duì)電磁感應(yīng)的研宄通常只是其中的一個(gè)方面，常常只是簡(jiǎn)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(shí)用新型主機(jī)可產(chǎn)生高頻電流，通過電磁線圈，可產(chǎn)生交變的磁場(chǎng)，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(chǎng)在被加熱的不同的金屬器件上會(huì)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(shí)驗(yàn)儀還使用了溫度傳感器來進(jìn)行溫度的測(cè)量，從而能對(duì)加熱的過程進(jìn)行量化的比較和計(jì)算。
【實(shí)用新型內(nèi)容】
[0005]本實(shí)用新型采用了高功率管驅(qū)動(dòng)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(qiáng)度的電流通過電磁線圈用以得到不同的交變的磁場(chǎng)，同時(shí)本實(shí)用新型采用各種金屬盤和不同的感應(yīng)線圈來對(duì)電磁感應(yīng)和渦流進(jìn)行實(shí)驗(yàn)和測(cè)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(shí)。適用于各級(jí)學(xué)校的物理和電磁學(xué)等課程的實(shí)驗(yàn)和演示。
[0006]本實(shí)用新型針對(duì)現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)線圈的綜合電磁實(shí)驗(yàn)儀。綜合電磁實(shí)驗(yàn)儀包括電磁實(shí)驗(yàn)儀主機(jī)、電磁實(shí)驗(yàn)線圈盒和各種金屬盤，電磁實(shí)驗(yàn)儀主機(jī)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(shí)驗(yàn)儀主機(jī)內(nèi)設(shè)置有微處理器及微處理器控制電路、電流檢測(cè)電路、PWM脈寬調(diào)控電路、振蕩電路、IGBT電路、溫度檢測(cè)電路、同步電路、驅(qū)動(dòng)電路、電源和電磁線圈；電磁實(shí)驗(yàn)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(cè)量按鍵、電流測(cè)量按鍵和電燈。
[0007]電磁實(shí)驗(yàn)儀主機(jī)內(nèi)電源電路、電流檢測(cè)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(cè)電路和驅(qū)動(dòng)電路也分別與微處理器相連接，完成溫度的測(cè)量和數(shù)碼顯示輸出。
[0008]本實(shí)用新型具有PWM脈寬調(diào)控電路，它是微處理器對(duì)電磁電路的工作狀態(tài)進(jìn)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(jí)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(shí)間的長(zhǎng)短，控制了加熱功率的大小。
[0009]本實(shí)用新型實(shí)驗(yàn)儀主機(jī)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(jiǎn)指令型(RISC)高性能的CPU，是目前8位微處理器中運(yùn)行最快的，具有高達(dá)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(chǔ)器線性尋址達(dá)32KB，而僅有35個(gè)單字節(jié)指令，其帶有8路8位AD，雙路PWM輸出，3個(gè)定時(shí)/計(jì)數(shù)器，帶UART接口，4kX 14Bit的Flash存儲(chǔ)器，保密性好，具有豐富的功能，同時(shí)它具有較強(qiáng)的抗干擾能力，適宜工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)使用。
[0010]本電磁實(shí)驗(yàn)儀主機(jī)和電磁實(shí)驗(yàn)線圈盒的面板都采用透明微晶玻璃面板，具有方便觀察實(shí)驗(yàn)儀主機(jī)和電磁實(shí)驗(yàn)線圈盒內(nèi)部結(jié)構(gòu)和耐摔、節(jié)能安全的優(yōu)點(diǎn)。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(duì)其它部件幾乎不存在熱輻射現(xiàn)象，熱損失極低。同時(shí)不易產(chǎn)生破裂或炸裂。
[0011]電磁實(shí)驗(yàn)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(cè)量按鍵和電流測(cè)量按鍵可分別對(duì)四組線圈的感應(yīng)電流進(jìn)行測(cè)量，同時(shí)也可通過低壓電燈的明暗和變化進(jìn)行直觀的觀察。
[0012]本實(shí)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(cè)量小孔，在實(shí)驗(yàn)中分別采用了鐵、鋁、銅三種不同的金屬材質(zhì)來進(jìn)行實(shí)驗(yàn)比較和測(cè)量。
【附圖說明】
[0013]圖1是電磁實(shí)驗(yàn)儀主機(jī)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(shí)驗(yàn)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(cè)量按鍵，13是四位數(shù)顯電流表，14是四組線圈的測(cè)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(cè)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(dòng)電路。
【具體實(shí)施方式】
[0018]本實(shí)用新型微處理器PIC18F452的PWM輸出可以是I?10位，當(dāng)8位時(shí)PWM頻率分辨率為156kHz，10位時(shí)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(shí)，通過改變輸入方波的脈沖寬度(占空比)即可。
[0020]本實(shí)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(cè)量小孔，用以放入溫度傳感器進(jìn)行溫度測(cè)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(shí)非常小巧，方便使用。測(cè)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(shí)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(chǎng)效應(yīng)管MOS組成的復(fù)合全控型電壓驅(qū)動(dòng)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(diǎn)。
[0022]IGBT管是一種電壓激勵(lì)場(chǎng)控型高壓、高速大功率器件，導(dǎo)通時(shí)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(shí)需為G極提供放電回路。IGBT管驅(qū)動(dòng)電路如圖5所示，當(dāng)LM339輸出高電平時(shí)，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(shí)，Q3截止，Q4導(dǎo)通，IGBT管G極中儲(chǔ)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(shí)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(jī)的基準(zhǔn)電壓；18V電壓給LM339、IGBT功率管驅(qū)動(dòng)、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(jiǎn)單，故障率低，更適合于學(xué)生實(shí)驗(yàn)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(duì)電路的輸出功率和振蕩頻率進(jìn)行調(diào)整，結(jié)合電磁實(shí)驗(yàn)線圈盒和各種金屬盤可完成不同情況的電磁感應(yīng)測(cè)量和實(shí)驗(yàn)。在使用電磁實(shí)驗(yàn)線圈盒進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)，除了可以結(jié)合四組不同的線圈進(jìn)行測(cè)量，同時(shí)也可對(duì)電磁實(shí)驗(yàn)線圈盒相對(duì)于微晶玻璃面板進(jìn)行不同角度的傾斜，研宄不同傾斜角對(duì)感應(yīng)電流的影響和觀察實(shí)驗(yàn)的現(xiàn)象。
[0025]綜合電磁實(shí)驗(yàn)儀結(jié)構(gòu)合理，操作方便，適用于各級(jí)學(xué)校的物理和電磁學(xué)等課程的教學(xué)實(shí)驗(yàn)和演示。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種綜合電磁實(shí)驗(yàn)儀，其特征是:綜合電磁實(shí)驗(yàn)儀包括電磁實(shí)驗(yàn)儀主機(jī)、電磁實(shí)驗(yàn)線圈盒和各種金屬盤，電磁實(shí)驗(yàn)儀主機(jī)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(shí)驗(yàn)儀主機(jī)內(nèi)設(shè)置有微處理器及微處理器控制電路、電流檢測(cè)電路、PWM脈寬調(diào)控電路、振蕩電路、IGBT電路、溫度檢測(cè)電路、同步電路、驅(qū)動(dòng)電路、電源和電磁線圈(2);電磁實(shí)驗(yàn)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(cè)量按鍵(14)、電流測(cè)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(shí)驗(yàn)儀，其特征是:其電磁實(shí)驗(yàn)儀主機(jī)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(shí)驗(yàn)儀，其特征是:其電磁實(shí)驗(yàn)儀主機(jī)內(nèi)電源電路、電流檢測(cè)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(cè)電路和驅(qū)動(dòng)電路也分別與微處理器相連接，完成溫度的測(cè)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(shí)驗(yàn)儀，其特征是:綜合電磁實(shí)驗(yàn)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(cè)量小孔，用以放入溫度傳感器進(jìn)行溫度測(cè)量。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的綜合電磁實(shí)驗(yàn)儀，其特征是:其電磁實(shí)驗(yàn)儀主機(jī)和電磁實(shí)驗(yàn)線圈盒的面板都采用透明微晶玻璃面板。
【專利摘要】本實(shí)用新型涉及一種綜合電磁實(shí)驗(yàn)儀，綜合電磁實(shí)驗(yàn)儀包括電磁實(shí)驗(yàn)儀主機(jī)、電磁實(shí)驗(yàn)線圈盒和各種金屬盤，電磁實(shí)驗(yàn)儀主機(jī)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(shí)驗(yàn)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(cè)量按鍵、電流測(cè)量按鍵和電燈。綜合電磁實(shí)驗(yàn)儀結(jié)合了微處理器控制、電磁線圈、高功率管驅(qū)動(dòng)與調(diào)制電路、不同的金屬盤和不同的感應(yīng)線圈來對(duì)電磁感應(yīng)和渦流進(jìn)行測(cè)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(shí)，綜合電磁實(shí)驗(yàn)儀結(jié)構(gòu)合理，操作方便，適用于各級(jí)學(xué)校的物理和電磁學(xué)等課程的教學(xué)實(shí)驗(yàn)和演示。
【IPC分類】G09B23-18
【公開號(hào)】CN204332202
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201520002745
【發(fā)明人】汪建, 盧常芳, 孫萍, 馮興
【申請(qǐng)人】四川農(nóng)業(yè)大學(xué), 汪建
【公開日】2015年5月13日
【申請(qǐng)日】2015年1月3日