模拟静电场自动测绘系统的设计

模拟静电场自动测绘系统的设计
于景侠
【摘要】对模拟静电场测绘仪进行自动化改进,用单片机控制步进电机实现电压表探针的二维移动,并控制电磁铁进行自动打点记录等势点位置.自动化装置能够确保
测量精度,使描绘的电场分布图更准确规范.
【期刊名称】《实验科学与技术》
【年(卷),期】2013(011)005
【总页数】3页(P222-223,261)
【关键词】静电场模拟;自动测绘系统;单片机;步进电机
【作者】于景侠
【作者单位】电子科技大学物理电子学院,成都610054
【正文语种】中文
【中图分类】O4-33;G642.0
静电场及带电粒子在电场中的受力和运动贯穿了整个初级乃至高等教育的物理课程。

从初中物理对点电荷的认识，到大学物理学习和使用示波器、电子显微镜等，都要求学生熟悉电场的概念和性质，建立起电场在空间上的分布模型。

因此，静电场模拟实验是大学物理实验课程中一项重要的基础内容［1］。

静电场模拟实验基于稳恒电流场与静电场满足相同的数学方程和边界条件，用稳恒电流场模拟静电场，所以实验装置分为两个独立部分:(1)包含电极和导电介质的稳
恒电流场模块;(2)为电极提供电压的电源和具有电压测量功能的电路模块。

人们对该实验装置的设计进行了多方面探讨，在稳恒电流场模块中的导电介质使用什么材料，如导电纸、水、导电玻璃、导电微晶等物质，已有不少研究分析了他们的优缺点［2－3］。

还有基于电压的测量和处理方法的讨论，提出用计算机测量
等势点电压和坐标，并描绘电场分布的方法［4－5］。

作者在实际教学中发现，操作者要描绘一个稳恒电流场的等势线通常需要手工测量上百个电压值并记录其在稳恒电流场中的位置，过程比较枯燥乏味，而且非常耗时。

如果这部分工作能够由实验装置自动完成，将大大节省操作者的时间和精力，使操作者更多关注于物理规律本身和对实验结果的分析处理。

这方面的工作尚未见报道。

本文就教学中使用的模拟静电场测绘仪进行了研究和改进，实现了单片机控制下的自动测绘。

1 自动测绘功能要求
实验装置的操作流程如图1所示。

图1 模拟静电场测绘仪的操作流程
第一步给稳恒电流场模块的电极加载电压;
第二步用电压表测量导电介质不同位置处的电压，以确定等势点位置;
第三步手工按压探笔在白纸上记录该位置，然后重复第二、第三步记录下一个等
势点的位置。

其中，记录多少个等势点就要重复操作第二、第三步多少次，这对操作者来说，基本上是意义不大的重复劳动。

如果能够让实验装置自动完成上述重复操作，这种改进显然是很有价值的。

基于图1，自动测绘功能至少应包括以下几个方面:1)控制电压表的探针实现水平面上的二维移动，以便测量稳恒电流场内任何位置的电压;2)根据测量的电压值判断
该位置是否是符合条件的等势点;3)记录符合条件的等势点的位置。

2 自动测绘装置的系统设计
基于自动测绘功能的要求，解决方案如下:1)用单片机控制步进电机带动电压表探
针移动;2)用单片机配合A/D转换测量电压并判断是否符合条件的等势点;3)用单片机控制电磁铁带动探笔实现在白纸上自动打点记录等势点的位置。

2.1 机械模块
机械模块主要结构是二维滑台，常见的二维滑台是由丝杠、光轴和金属支架组成的(由于本实验中的滑台不需要承重，基于仪器装置轻量化的考虑，可以减少光轴数量，并使用铝质支架)。

如图2所示，设计一个二维滑台，通过联轴器装配步进电机，然后在滑台上安装连杆，分别连接电压表探针和记录等势点位置的电磁铁探笔，自动打点功能由单片机控制电磁铁吸合来实现，当电磁铁通电时，铁芯带动探笔向下运动记录等势点的位置。

图2 自动测绘系统的机械模块
2.2 控制模块
该自动测绘系统由单片机控制，首先，通过探针测量电压并进行A/D转换，电压
输出至数码管显示，判断是否是符合记录条件的等势点，若符合条件则控制电磁铁吸合进行自动打点，否则不打点;然后，控制步进电机旋转让探针移动到下一个探
测点;再重复上述操作，直到完成整个稳恒电流场的扫描测绘。

该控制模块的软件
流程如图3(a)所示。

控制模块的硬件电路如图3(b)所示。

使用两级电压输出的直流开关电源，因为通
常单片机、电机驱动器以及电磁铁所要求的电压不同，开关电源的输出电压和电流要按照器件的具体要求来选择。

A/D转换可以由独立芯片完成，也可以选择自带
该功能的单片机来完成。

步进电机和驱动器要匹配，如果驱动器的输出电流达不到步进电机的要求，可能无法驱动电机旋转。

单片机的输出电流不足以驱动电磁铁吸合，因而由电源直接驱动电磁铁，并使用继电器达到单片机控制电磁铁吸合的目的。

适当设置按键开关进行人机对话，允许用户调节加载到电极上的电压，控制步进电机脱机还是联机，启动或停止步进电机等功能。

使用四位八段数码管显示电压，可精确至0.01 V。

图3 自动测绘系统的控制模块
3 自动测绘装置的优缺点
自动测绘装置的优点是显而易见的，可以保证测绘精度，使描绘的电场分布图更准确美观，节省操作者的精力和时间，进行实验结果的分析处理，有条件的实验室还可以引入计算机模拟环节［2－6］。

教学中通常给电极加载8 V电压，需要描绘1～7 V共7条等势线，每条等势线要测绘大约10个等势点，也即图1中的循环操作要重复进行70次左右，再加上还要记录每个电极的位置和形状，并描绘等势线和电力线，通常使用传统的实验装置完成一个稳恒电流场的测绘至少需要时间40～50 min，如果操作者对实验装置和操作流程不太熟悉(学生刚接触实验装置必然需要一个熟悉的过程)，可能会耗时更多。

在4学时的课堂上要完成4个稳恒电流场的模拟，时间是相当紧张的，学生普遍第一个电场描绘的非常仔细认真，后面的质量就越来越差，等势点位置的准确性在降低，等势点的数量在减少，描绘的等势线和电力线也很不规范，而且操作者长期埋头于重复劳动会感觉疲倦和烦躁。

使用自动测绘装置，这些问题在很大程度上都能得到解决。

相比手工操作的方式，自动测绘装置也有一定的缺点，主要是灵活性不够。

如果等势线的曲率比较大时可以稀疏地记录等势点，曲率比较小时应该密集地记录等势点(尤其是靠近电极的地方，劈尖电极电场是一个典型的例子)，自动测绘装置要实现这个要求是比较困难的，因此自动测绘装置也允许用手工方式适当补充等势点，以弥补灵活性不够的缺点。

另外机械传动部分会产生一定的噪音，可以通过提高加工精度来改善。

4 结束语
本文对大学物理实验中的模拟静电场测绘装置进行了自动化改进，实现了大部分测绘工作由单片机控制自动完成，与传统实验仪器比较，可以保证测绘精度，节省操作者精力和时间，更多投入到对实验结果的分析和处理上。

参考文献
【相关文献】
［1］姚列明.结构化大学物理实验［M］.2版.北京:高等教育出版社，2012.
［2］郝丽.静电场模拟和电流场实验装置研发［J］.实验室研究与探索，2012，31(1):39－41. ［3］陈翩.静电场模拟仪的改进［J］.南华大学学报:理工版，2001，15(4):32－34.
［4］许裕华.模拟法测绘静电场的计算机测量［J］.青海师专学报:自然科学版，2012(3):83－85. ［5］牛麒斌.计算机静电场模拟实验研究［J］.山西电子技术，2011(1):70－72.
［6］姚列明.模拟计算在大学物理实验教学中的应用［J］.实验技术与管理，2006，23(4):15－18.。