法拉第电磁感应实验器的制作方法
专利名称：法拉第电磁感应实验器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于法拉第电磁感应实验的实验器，尤其是能定量研究感应电动 势E与磁感应强度变化率Δφ/At及线圈匝数η关系的法拉第电磁感应实验器。
背景技术：
法拉第电磁感应定律要求实验验证电路中感应电动势与磁通量的变化率及线圈 匝数成正比，公式表述为Ε = ηΔ Φ/At。目前的定量实验都是通过“切割磁场”的方法加 以验证，即控制Δ Φ不变，控究电动势与1/At的关系，这样就使得实验的完整性不强，说 服力不够；而通过“改变磁通量大小”产生感应电动势定量研究法拉第电磁感应定律的方法 还没见到，主要原因一是改变磁通量的装置不易实现，特别是在特定条件下研究ΔΦ勻速 变化(即Δ Φ/At为定值)的情况就更加困难；二是没有能够测出磁通量变化率(Δ Φ/ At)的实验仪器。
发明内容
为了克服现有的法拉第电磁感应实验器不能定量研究感应电动势E与磁感应强 度变化率△ Φ/At的关系的问题，本发明提供一种既能定性又能定量研究感应电动势E与 磁通量变化率△ Φ/Δ 的关系的法拉第电磁感应实验器。本发明的法拉第电磁感应实验器采用以下技术解决方案该法拉第电磁感应实验器，包括螺线管、感应线圈、磁感应强度传感器、电压传感 器、电压线性变化电源、数据采集器和计算机，螺线管与电压线性变化电源连接，感应线圈 设置在螺线管外部，感应线圈内放置有用于测量感应线圈处磁感应强度的磁感应强度传感 器，感应线圈上连接有用于测量感应电动势的电压传感器，磁感应强度传感器和电压传感 器均通过数据采集器连接至计算机，数据采集器读取电压传感器和磁感应强度传感器采集 的数据，并将数据传输到计算机，计算机上显示出磁感强度与电压随时间变化的数据曲线 图；电压线性变化电源包括供电电路、直流主控电路、直流输出电路、交流主控电路、 交流输出电路和交直流转换电路；直流主控电路的输入端与供电电路连接，输出端与直流 输出电路连接；交流主控电路的输入端与供电电路连接，输出端与交流输出电路连接；直 流输出电路的输出端和交流输出电路的输出端均与交直流转换电路连接。电压线性变化电源中的供电电路包括变压器、整流电路D1、两个稳压芯片以及低 压差线性稳压器U3，变压器与整流电路Dl连接，两个稳压芯片均与整流电路Dl连接，低压 差线性稳压器U3与输出负直流电压的稳压芯片连接。电压线性变化电源中的直流主控电路，包括单片机TO、按键Si、按键S2、低压差线 性稳压器U4和基准电压源芯片U5，低压差线性稳压器U4与供电电路连接，低压差线性稳压 器U4和基准电压源芯片U5均与单片机U6连接，单片机U6的输出电流经电阻转换成电压 输出，用于改变电源功能模式的按键Sl和开始按键S2均与单片机TO连接，单片机TO上连接有分别控制自动输出时波形上升斜率与下降斜率的调节电位器。电压线性变化电源中的直流输出电路，包括旋转电位器、运算放大器U8和可调稳 压器U7，直流主控电路的输出端与运算放大器U8连接，运算放大器U8的输入端与直流主控 电路中的单片机U6连接，运算放大器U8的输出端与可调稳压器U7连接，可调稳压器U7的 输出端与交直流转换电路中的双刀双掷拨动开关S3连接。电压线性变化电源中的交流主控电路，包括单片机U9和运算放大器U10，单片机 U9连接至运算放大器U10，运算放大器UlO的输出端连接至交流输出电路的电容E5，单片机 U9上连接有程序下载接口。电压线性变化电源中的交流输出电路，包括电解电容E5、旋钮电位器、功率放大集 成电路U11、接口 J5和旋钮电位器，交流主控电路中运算放大器UlO输出端经电解电容E5、 旋钮电位器和电阻连接到功率放大集成电路U11，功率放大集成电路Ull的输出端连接至 交直流转换电路中的双刀双掷拨动开关S3，接口 J5连接旋钮电位器。旋钮电位器用来调节 交流输出的大小。电压线性变化电源中的交直流转换电路，包括双刀双掷拨动开关S3和接口 J3，双 刀双掷拨动开关Sl与接口 J3连接，J3连接至电源输出端子，双刀双掷拨动开关S3的直流 输出引脚连接到直流输出电路中可调稳压器U7，交流输出引脚连接到交流输出电路中功率 放大集成电路Ull。电压传感器包括调理电路和传感器通用模块，该调理电路包括电压输入端、保护 电路、基准源芯片、运算放大器和电压输出端，电压输入端通过保护电路与运算放大器连 接，基准源芯片与运算放大器连接，运算放大器通过电压输出端与传感器通用模块连接。被 测电压通过电压输入端经过前端的保护电路输入到运算放大器进行信号放大，放大后的信 号由电压输出端输出到传感器通用模块，传感器通用模块中单片机的ADC模块进行数据采 集，然后经过连线将采集到的数据传输到数据采集器。磁感应强度传感器包括调理电路稳压电路、调理电路信号放大电路和传感器通用 模块，调理电路信号放大电路与调理电路稳压电路连接，调理电路信号放大电路与传感器 通用模块连接。调理电路信号放大电路包括霍尔元件、运算放大器和基准源芯片，霍尔元件 与运算放大器连接，基准源芯片与运算放大器连接。调理电路稳压电路包括由升压芯片、场 效应管和电感和二极管组成的升压电路、电容滤波器和稳压芯片，升压电路经电容滤波器 与稳压芯片连接，稳压芯片与调理电路信号放大电路的基准源芯片、霍尔元件和运算放大 器连接。霍尔元件将磁信号转换为电信号，电信号经运算放大器放大后，由传感器通用模块 中单片机的ADC模块进行数据采集，然后将采集到的数据传输到数据采集器。电压传感器和磁感应强度传感器中的传感器通用模块的电路相同，只是内部程序 不同。传感器通用模块包括主控电路、电压基准电路和接口电路，主控电路包括单片机、程 序下载接口和两个调理电路接口，程序下载接口和两个调理电路接口均连接在单片机上， 两个调理电路接口用于连接电压传感器的调理电路或磁感应强度传感器的调理电路；电压 基准电路为一电压基准芯片，电压基准芯片经电阻、三极管与主控电路中单片机连接；接口 电路包括接口 JC、瞬态抑制二极管芯片，接口 JC一方面与主控电路中的单片机连接，另一 方面作为电压传感器和磁感应强度传感器与数据采集器连接的接口，接口 JC与电压传感 器和磁感应强度传感器连接的通信线上连接有瞬态抑制二极管芯片。
上述法拉第电磁感应实验器的工作原理如下螺线管(作为原线圈)通电后作为磁性体，通过电压线性变化电源给螺线管供电， 控制电压线性变化电源按设定的方式变化供电电流，用以改变螺线管磁场的强弱。螺线管 外部放置的感应线圈(作为副线圈)作为研究电路。利用电压与磁感应强度传感器实现实 验数据的采集，感应线圈内放置的磁感应强度传感器用于测量感应线圈处的磁感应强度， 因感应线圈的面积不变，根据定义Φ = B*S(其中Φ为磁通量，B为磁感应强度，S为感应 线圈的面积)，得知磁通量变化率八(5/^1(八{为时间)与磁感应强度的变化率Δ B/At 相等。实验时，改变螺线管的电流，通过计算机中的法拉第电磁感应实验专用软件实时观察 到感应线圈处磁感应强度与对应的感应电动势的变化情况。通过专用电源可控制磁感应强 度均勻变化，软件采集感应电动势E的数值与对应的磁感应强度变化率ΔΒ/ △ t，定量研究 二者之间的关系。还可通过改变感应线圈的线圈匝数n，定量研究电动势E与线圈匝数η的 关系。本发明结构简单，能够定量研究感应电动势E与磁感应强度变化率Δ B/At的关 系，可以定量研究感应电动势E与线圈匝数η的关系，从而验证法拉第电磁感应定律。
图1是本发明法拉第电磁感应实验器的结构原理图。图2是本发明中电压线性变化电源的供电电路原理图。图3和图4是电压线性变化电源的直流主控电路原理图。图5是电压线性变化电源的直流输出电路原理图。图6是电压线性变化电源的交流主控电路原理图。图7是电压线性变化电源的交流输出电路原理图。图8是电压线性变化电源的交直流转换电路原理图。图9是本发明中电压传感器的调理电路原理图。图10是本发明中磁感应强度传感器的调理电路信号放大电路原理图。图11是本发明中磁感应强度传感器的调理电路稳压电路原理图。图12是本发明中传感器通用模块主控电路原理图。图13是本发明中传感器通用模块电压基准电路原理图。图14是本发明中传感器通用模块接口电路原理图。图15是本发明第一种实验模式的感应电动势E与磁感应强度B变化的波形图。图16是本发明第二种实验模式的感应电动势E与磁感应强度B变化的波形图。图17是本发明第三种实验模式的感应电动势E与磁感应强度B变化的波形图。图18是本发明第四种实验模式的感应电动势E与磁感应强度B变化的波形图。图19是本发明第四种实验模式的数据处理结果图。其中1、螺线管，2、电压线性变化电源，3、感应线圈，4、磁感应强度传感器，5、电压 传感器，6、数据采集器，7、计算机。
具体实施例方式如图1所示，本发明的法拉第电磁感应实验器包括螺线管1、电压线性变化电源2、感应线圈3、磁感应强度传感器4、电压传感器5、数据采集器6和计算机7。螺线管1与电 压线性变化电源2连接，感应线圈3同轴心套装在螺线管1的外部，感应线圈3内放置有磁 感应强度传感器4，以测量感应线圈3处的磁感应强度。感应线圈3上连接有电压传感器 5，用于测量感应电动势。磁感应强度传感器4和电压传感器5均通过数据采集器6连接至 计算机7，计算机7上显示出磁感强度与电压随时间变化的数据曲线图。螺线管(原线圈)1连接至电压线性变化电源2的电压输出端，电压线性变化电源 2通过控制输出的电压控制螺线管1产生均勻变化的磁场B。感应线圈(副线圈)3同轴心 套装在螺线管1的外部，当螺线管1产生变化的磁场时，感应线圈3将产生感应电动势E。 电压传感器5实时采集感应电动势E的大小，插入感应线圈3中的磁感应强度传感器4实 时测量磁感应强度B的变化。数据采集器6将磁感应强度传感器4采集到的磁感应强度B 和电压传感器5采集到的感应电动势E传输到计算机7，计算机7根据法拉第电磁感应定律 对数据进行处理。电压线性变化电源2包括供电电路、直流主控电路、直流输出电路、交流主控电 路、交流输出电路和交直流转换电路。直流主控电路的输入端与供电电路连接，输出端与 直流输出电路连接；交流主控电路的输入端与供电电路连接，输出端与交流输出电路连接； 直流输出电路的输出端和交流输出电路的输出端均与交直流转换电路连接。电压线性变化电源中的供电电路如图2所示，包括变压器、整流电路D1、两个稳 压芯片(Ul和似)和低压差线性稳压器U3，变压器与整流电路Dl连接，两个稳压芯片均 与整流电路Dl连接，低压差线性稳压器U3与输出负直流电压的稳压芯片U2(LM7909)连 接。经变压器输出的交流电压由接口 Jl通过开关Kl接入整流电路D1，经过整流电路Dl 转换为直流电压，输出+12V和-12V直流电压，分别供给稳压芯片Ul (LM7809)和稳压芯 片U2(LM7909)，稳压芯片Ul和稳压芯片U2分别输出9V与-9V的电压，低压差线性稳压器 U3 (ASl 117-3. 3)与稳压芯片U2连接，输出3. 3V电源。图2中的发光二极管DS6为电源指 示灯，DS6与整流电路Dl输出的-12V直流电压连接。电压线性变化电源中的直流主控电路如图3和图4所示，包括单片机TO、按键S1、 按键S2、低压差线性稳压器U4、基准电压源芯片U5、模式显示灯及输出状态指示灯。低压 差线性稳压器U4与供电电路中的整流电路Dl连接，供电电路中整流电路Dl的为低压差线 性稳压器U4供-12V直流电，低压差线性稳压器U4 (ASl 117-5)与单片机U6连接，为单片机 U6提供5V的电压。单片机TO为直流主控芯片，采用C8051F410。基准电压源芯片TO采用 ADR391，并与单片机U6连接，基准电压源芯片U5的4脚连接至单片机TO的11脚，为单片 机U6内部的ADC模块(模数转换模块)和DAC模块(数模转换模块)提供基准电压。单 片机U6的17脚为DAC输出，输出电流经电阻R14转换成电压，然后输出。按键Sl接单片 机U6的13脚(参见图4)，此键功能为改变电源的功能模式，按键S2接单片机U6的14脚， 功能为在自动模式控制开始一个波形的输出。单片机U6的31脚和30脚分别连接有电位 器R12和R13，这两脚被配置为单片机U3内部ADC模块的输入，通过调节电位器R12和R13 输出的分电压分别控制自动输出时波形的上升斜率与下降斜率。单片机TO的25脚、沈脚、 27脚和28脚分别连接发光二极管DS1、DS2、DS3、DS4，单片机U6的15脚连接发光二极管 DS5，发光二极管DS1、DS2、DS3和DS4为模式显示灯，用于显示当前电源所处的模式，发光二 极管DS5为输出状态指示灯，用于显示当前波形的输出状态，当DS5亮起时表示波形正在输出。电压线性变化电源中的直流输出电路如图5所示，包括旋转电位器、运算放大器 U8和可调稳压器U7。接口 J6连接一阻值为IOKΩ的旋转电位器。图4直流主控电路中的 接口 J2与图5中的接口 J7连接，图5中的接口 J6与接口 J7连接，接口 J6的输入端连接 的10ΚΩ旋转电位器与直流主控电路中的单片机TO连接，运算放大器U8(采用CA3140)与 直流主控电路中的单片机U6连接，其功能是将单片机TO输出的电压信号进行放大。可调 稳压器U7采用LM317。图3中单片机TO的11脚输出的DAC信号经过电阻R6进入运算放 大器U8的第3脚，运算放大器U8对信号进行放大，放大后的信号经运算放大器U8的第6 脚连接至可调稳压器U7的第1脚，控制可调稳压器U7的2脚电压信号输出，输出信号连接 至图8交直流转换电路中Sl的VOUT引脚。电压线性变化电源中的交流主控电路的电源输入端与图2中的供电电路连接，输 出端与图7所示的交流输出电路连接。如图6所示，交流主控电路包括单片机U9和运算放 大器U10。单片机U9采用C8051F330，单片机U9的第20脚为DAC引脚，输出50HZ的正弦波 的电流信号，经过电阻Rl转换为电压信号。然后经R3连接至运算放大器UlO (采用LM358) 的第3脚，经运算放大器UlO进行信号放大后由第1脚输出至图7中交流输出电路的电容 E5。单片机U9上连接有程序下载接口(即图6中的接口 J2)。单片机U9的电源由图2供 电电路中的低压差线性稳压器U3提供。电压线性变化电源中的交流输出电路如图7所示，包括电解电容E5、旋钮电位器、 功率放大集成电路U11、接口 J5和旋钮电位器，交流主控电路中运算放大器UlO输出端经电 解电容E5、旋钮电位器和电阻RlO连接到功率放大集成电路Ul 1，功率放大集成电路Ul 1的 输出端连接至图7交直流转换电路中的双刀双掷拨动开关S3，接口 J5连接旋钮电位器，旋 钮电位器用来调节交流输出的大小。功率放大集成电路Ull采用TDA2030。图6交流主控 电路中运算放大器UlO放大的电压信号经过电解电容E5后，由电位器分压，经电阻RlO输 入到功率放大集成电路Ull的第1脚，信号进行功率放大后由功率放大集成电路Ull的第 4脚输出至图8交直流转换电路中双刀双掷拨动开关Sl的AC-OUT引脚。电压线性变化电源中的交直流转换电路如图8所示，包括双刀双掷拨动开关S3和 接口 J3，双刀双掷拨动开关Sl与接口 J3 (J3为电源地输出端)连接，接口 J3连接至电源输 出端。通过双刀双掷拨动开关S3进行交直流的输出转换。双刀双掷拨动开关S3的VOUT 引脚连接到图5直流输出电路中可调稳压器U7的2脚，AC-OUT引脚连接到图7交流输出 电路中功率放大集成电路Ull的第4脚。螺线管与电压线性变化电源的电源输出端连接。上述电压线性变化电源利用单片机TO(C8051F410)的DAC数模转换器输出控制可 调稳压器U7(LM317)的电压输出；在手动模式，单片机TO的ADC模数转换器，采样电位器的 阻值变化，同时相应输出DAC信号控制LM317的电压输出；在自动模式，单片机TO会根据当 前模式DAC自动输出不同模式的线性变化的电流信号，控制LM317的电压输出，从而得到多 种模式线性变化的电压信号。具有五种工作模式，分别为第一种，手动直流输出模式可通过手动调节图4直流输出电路中与接口 J6连接 的IOK电位器控制可调稳压器U7的直流电压输出。第二种，自动输出梯形波模式梯形波的上升沿与下降沿为线性变化，并且上升沿 的上升斜率与下降沿的的下降斜率可以分别通过图3直流主控电路中的调节电位器R12和Rl3设置。第三种，自动输出三角波模式三角波的上升沿与下降沿为线性变化，并且上升沿 的上升斜率与下降沿的的下降斜率可以分别通过图3直流主控电路中的调节电位器R12和 Rl3设置。第四种，自动输出五个连续的斜率逐渐增加的三角波模式三角波的上升沿为线 性变化，并且五个上升沿的上升斜率可以通过图3直流主控电路中的调节电位器R12和R13设置。第五种，交流输出模式可输出50hz的交流信号，信号波形为正弦波，交流信号的 电压可通过图3直流主控电路中的调节电位器R12和R13调节。电压传感器5包括调理电路和传感器通用模块，该调理电路如图9所示，包括电压 输入端J10、保护电路、基准源芯片U12、运算放大器U13和输出端J8、J9，电压输入端JlO 通过保护电路与运算放大器U13连接，运算放大器U13通过输出端J9与传感器通用模块连 接，基准源芯片U12 (REF3012AIDBZR)与运算放大器U13连接，为运算放大器U13提供1. 25V 的电压基准。电压传感器5可以采集士5mV的电压信号，电压输入端JlO为电压输入的 红、黑色鳄鱼夹，被测电压由电压输入端JlO接入，经过前端的保护电路输入到运算放大器 U13 (AD8553ARMZ)进行信号放大，放大后的信号由电压输出端J8输出到传感器通用模块8。 传感器通用模块中单片机的ADC模块进行数据采集，然后经过连线将采集到的数据传输到 数据采集器6。J8的第1脚为基准源芯片U12、运算放大器U13提供5V电源。磁感应强度传感器4的调理电路如图10和图11所示，包括调理电路稳压电路、 调理电路信号放大电路和电信号输出端J12(参见图11)，调理电路信号放大电路与调理 电路稳压电路连接，电信号输出端Jll连接在调理电路信号放大电路上，调理电路信号放 大电路通过电信号输出端Jll与传感器通用模块8连接。磁感应强度传感器的调理电路 信号放大电路如图10所示，包括霍尔元件U15、运算放大器U16和基准源芯片U14，霍尔元 件U15(A1302EUA)与运算放大器U16连接，在不同的磁场下会输出不同的电压，霍尔元件 U15输出的电压信号进入运算放大器U16(AD8553ARMZ)进行放大后输出。其中基准源芯片 U14(REF3012AIDBZR)输出1. 25V电压，为运算放大器U16提供电压基准。磁感应强度传感器的调理电路稳压电路如图11所示，包括升压电路、电容滤波 器和稳压芯片U18，升压电路由升压芯片U17 (CE9908AM)、场效应管Ql (CE2312)和电感 Ll (IOOuH)、二极管Dl (1N5819)组成，由接口 J12输入5V电压，进入升压电路进行升压，升 高后的电压经电容滤波器滤波进入稳压芯片U18(AMS1117-5. 0)稳压到5V，为图10中调理 电路信号放大电路的基准源芯片U14、霍尔元件U15和运算放大器U16进行供电。磁感应强 度传感器4可以测量士 15mT的磁信号，电信号输出端Jll将图10中放大后的磁信号输出 到传感器通用模块。霍尔元件U15将磁信号转换为电信号，电信号经运算放大器U16放大 后，由传感器通用模块8中单片机的ADC模块进行数据采集，然后将采集到的数据传输到数 据采集器6，数据采集器6读取电压传感器5和磁感应强度传感器4采集的数据，然后进行 数据打包，将数据传输到计算机7。传感器通用模块8为磁感应强度传感器4和电压传感器5共用，包括主控电路、电 压基准电路和接口电路。主控电路如图12所示，包括单片机U19、程序下载接口 J13和两个 调理电路接口，程序下载接口 J13和两个调理电路接口(图12中的J14和JM)均连接在单片机U19上。单片机Ul为C8051F410单片机，程序下载接口 J13用于单片机Ul的程序 下载，电压传感器5和磁感应强度传感器4的调理电路分别与调理电路接口 J14和J15连 接，调理电路输出的电信号由单片机肌9的观脚进入单片机U19，单片机U19内部的16脚 为ADC模块对电压进行采样，将模拟信号转化为数字信号。传感器通用模块的电压基准电路如图13所示，为一电压基准芯片U20，图12中的 单片机U19的Pl. 7 口输出控制信号经电阻RlO控制三极管Ql (8050)的通断，然后控制电 压基准芯片U20(ADR391AUJZ)的工作状态。电压基准芯片U20 (ADR391AUJZ)输出2. 5V电 压，为图10中的单片机U19的ADC模块提供电压基准。传感器通用模块的接口电路如图14所示，包括接口 JC、瞬态抑制二极管芯片TVSl 和TVS2，接口 JC 一方面与主控电路中的单片机U19连接，接口 JC的2、3、4、5脚通过SPI 通信线分别连接至图12主控电路中的单片机U19的Pl. 5、Pl. 3、Pl. 6和Pl. 4脚，另一方 面作为传感器与数据采集器6连接的接口，JC的6脚为电压传感器5和磁感应强度传感器 4提供5V的电压。接口 JC与单片机的SPI通信线上连接有瞬态抑制二极管芯片TVSl和 TVS2(SN65220DBV)，其作用是为SPI通信线提供防静电保护。上述法拉第电磁感应实验器可有多种实验模式图15给出了第一种实验模式的感应电动势E与磁感应强度B变化的波形。该实 验模式可调节磁感应强度不变或随意变化。如果磁感应强度不变化，虽然磁感强度足够强， 从实验结果看无感应电动势。当磁感应强度发生随意变化时，有感应电动势产生。可以说 明感应电动势E与磁感应强度B的变化有关。图16给出了第二种实验模式的感应电动势E与磁感应强度B变化的波形。该实 验模式磁感应强度B均勻变化(增加或减小)。磁感应强度B均勻增加，产生正向感应电动 势，大小恒定。磁感应强度B均勻减小，产生反向感应电动势，大小恒定。感强度的变化率 K不同，感应电动势的大小不同，说明感应电动势的大小与磁感强度的变化率有关。图17给出了第三种实验模式的感应电动势E与磁感应强度B变化的波形。该实 验模式多次改变磁感应强度B的上升快慢，S卩AB/At = K中的斜率K。可发现K越大，感 应电动势E越大。图18给出了第四种实验模式的感应电动势E与磁感应强度B变化的波形。该实 验模式通过专用电源2连续输出五个斜率不同的锯齿波。图19给出了通过计算机7中的实验软件对第四种实验方式采集的数据点进行的 绘图，通过曲线拟合，验证感应电动势E与磁感应强度变化率Δ B/ Δ t成正比关系。
权利要求
1.一种法拉第电磁感应实验器，包括螺线管、感应线圈、磁感应强度传感器、电压传感 器、电压线性变化电源、数据采集器和计算机，其特征是螺线管与电压线性变化电源连接， 感应线圈设置在螺线管外部，感应线圈内放置有用于测量感应线圈处磁感应强度的磁感应 强度传感器，感应线圈上连接有用于测量感应电动势的电压传感器，磁感应强度传感器和 电压传感器均通过数据采集器连接至计算机，数据采集器读取电压传感器和磁感应强度传 感器采集的数据，并将数据传输到计算机。
2.根据权利要求1所述的法拉第电磁感应实验器，其特征是所述电压线性变化电源 包括供电电路、直流主控电路、直流输出电路、交流主控电路、交流输出电路和交直流转换 电路；直流主控电路的输入端与供电电路连接，输出端与直流输出电路连接；交流主控电 路的输入端与供电电路连接，输出端与交流输出电路连接；直流输出电路的输出端和交流 输出电路的输出端均与交直流转换电路连接。
3.根据权利要求2所述的法拉第电磁感应实验器，其特征是所述电压线性变化电源 中的供电电路包括变压器、整流电路D1、两个稳压芯片以及低压差线性稳压器U3，变压器 与整流电路Dl连接，两个稳压芯片均与整流电路Dl连接，低压差线性稳压器U3与输出负 直流电压的稳压芯片连接。
4.根据权利要求2所述的法拉第电磁感应实验器，其特征是所述电压线性变化电源 中的直流主控电路，包括单片机U6、按键Si、按键S2、低压差线性稳压器U4和基准电压源芯 片U5，低压差线性稳压器U4与供电电路连接，低压差线性稳压器U4和基准电压源芯片U5 均与单片机U6连接，单片机TO的输出电流经电阻转换成电压输出，用于改变电源功能模式 的按键Sl和开始按键S2均与单片机U6连接，单片机U6上连接有分别控制自动输出时波 形上升斜率与下降斜率的调节电位器。
5.根据权利要求2所述的法拉第电磁感应实验器，其特征是所述电压线性变化电源 中的直流输出电路，包括旋转电位器、运算放大器U8和可调稳压器U7，运算放大器U8的输 入端与直流主控电路中的单片机U6连接，运算放大器U8的输出端与可调稳压器U7连接， 可调稳压器U7的输出端与交直流转换电路中的双刀双掷拨动开关S3连接。
6.根据权利要求2所述的法拉第电磁感应实验器，其特征是所述电压线性变化电源 中的交流主控电路，包括单片机U9和运算放大器U10，单片机U9连接至运算放大器U10，运 算放大器UlO的输出端连接至交流输出电路的电容E5，单片机W上连接有程序下载接口。
7.根据权利要求2所述的法拉第电磁感应实验器，其特征是所述电压线性变化电源 中的交流输出电路，包括电解电容E5、旋钮电位器、功率放大集成电路U11、接口 J5和旋钮 电位器，交流主控电路中运算放大器UlO输出端经电解电容E5、旋钮电位器和电阻连接到 功率放大集成电路U11，功率放大集成电路Ull的输出端连接至交直流转换电路中的双刀 双掷拨动开关S3，接口 J5连接旋钮电位器。
8.根据权利要求1所述的法拉第电磁感应实验器，其特征是所述电压传感器包括调 理电路和传感器通用模块，该调理电路包括电压输入端、保护电路、基准源芯片、运算放大 器和电压输出端，电压输入端通过保护电路与运算放大器连接，基准源芯片与运算放大器 连接，运算放大器通过电压输出端与传感器通用模块连接。
9.根据权利要求1所述的法拉第电磁感应实验器，其特征是所述磁感应强度传感器 包括调理电路稳压电路、调理电路信号放大电路和传感器通用模块，调理电路信号放大电路与调理电路稳压电路连接，调理电路信号放大电路与传感器通用模块连接；所述调理电 路信号放大电路包括霍尔元件、运算放大器和基准源芯片，霍尔元件与运算放大器连接，基 准源芯片与运算放大器连接；所述调理电路稳压电路包括由升压芯片、场效应管和电感和 二极管组成的升压电路、电容滤波器和稳压芯片，升压电路经电容滤波器与稳压芯片连接， 稳压芯片与调理电路信号放大电路的基准源芯片、霍尔元件和运算放大器连接。
10.根据权利要求8或9所述的法拉第电磁感应实验器，其特征是所述传感器通用模 块包括主控电路、电压基准电路和接口电路，主控电路包括单片机、程序下载接口和两个调 理电路接口，程序下载接口和两个调理电路接口均连接在单片机上，两个调理电路接口用 于连接电压传感器的调理电路或磁感应强度传感器的调理电路；电压基准电路为一电压基 准芯片，电压基准芯片经电阻、三极管与主控电路中单片机连接；接口电路包括接口 JC、瞬 态抑制二极管芯片，接口 JC一方面与主控电路中的单片机连接，另一方面作为电压传感器 和磁感应强度传感器与数据采集器连接的接口，接口 JC与电压传感器和磁感应强度传感 器连接的通信线上连接有瞬态抑制二极管芯片。
全文摘要
本发明提供了一种法拉第电磁感应实验器，包括螺线管、感应线圈、磁感应强度传感器、电压传感器、电压线性变化电源、数据采集器和计算机，螺线管与电压线性变化电源连接，感应线圈设置在螺线管外部，感应线圈内放置有用于测量感应线圈处磁感应强度的磁感应强度传感器，感应线圈上连接有用于测量感应电动势的电压传感器，磁感应强度传感器和电压传感器均通过数据采集器连接至计算机，数据采集器读取电压传感器和磁感应强度传感器采集的数据，并将数据传输到计算机。本发明结构简单，能够定量研究感应电动势E与磁感应强度变化率ΔB/Δt的关系，可以定量研究感应电动势E与线圈匝数n的关系，从而验证法拉第电磁感应定律。
文档编号G09B23/18GK102136214SQ201110053949
公开日2011年7月27日 申请日期2011年3月8日 优先权日2011年3月8日
发明者冯容士, 赵进, 陈开云 申请人:山东省远大网络多媒体股份有限公司
技术领域：
本发明涉及一种用于法拉第电磁感应实验的实验器，尤其是能定量研究感应电动 势E与磁感应强度变化率Δφ/At及线圈匝数η关系的法拉第电磁感应实验器。
背景技术：
法拉第电磁感应定律要求实验验证电路中感应电动势与磁通量的变化率及线圈 匝数成正比，公式表述为Ε = ηΔ Φ/At。目前的定量实验都是通过“切割磁场”的方法加 以验证，即控制Δ Φ不变，控究电动势与1/At的关系，这样就使得实验的完整性不强，说 服力不够；而通过“改变磁通量大小”产生感应电动势定量研究法拉第电磁感应定律的方法 还没见到，主要原因一是改变磁通量的装置不易实现，特别是在特定条件下研究ΔΦ勻速 变化(即Δ Φ/At为定值)的情况就更加困难；二是没有能够测出磁通量变化率(Δ Φ/ At)的实验仪器。
发明内容
为了克服现有的法拉第电磁感应实验器不能定量研究感应电动势E与磁感应强 度变化率△ Φ/At的关系的问题，本发明提供一种既能定性又能定量研究感应电动势E与 磁通量变化率△ Φ/Δ 的关系的法拉第电磁感应实验器。本发明的法拉第电磁感应实验器采用以下技术解决方案该法拉第电磁感应实验器，包括螺线管、感应线圈、磁感应强度传感器、电压传感 器、电压线性变化电源、数据采集器和计算机，螺线管与电压线性变化电源连接，感应线圈 设置在螺线管外部，感应线圈内放置有用于测量感应线圈处磁感应强度的磁感应强度传感 器，感应线圈上连接有用于测量感应电动势的电压传感器，磁感应强度传感器和电压传感 器均通过数据采集器连接至计算机，数据采集器读取电压传感器和磁感应强度传感器采集 的数据，并将数据传输到计算机，计算机上显示出磁感强度与电压随时间变化的数据曲线 图；电压线性变化电源包括供电电路、直流主控电路、直流输出电路、交流主控电路、 交流输出电路和交直流转换电路；直流主控电路的输入端与供电电路连接，输出端与直流 输出电路连接；交流主控电路的输入端与供电电路连接，输出端与交流输出电路连接；直 流输出电路的输出端和交流输出电路的输出端均与交直流转换电路连接。电压线性变化电源中的供电电路包括变压器、整流电路D1、两个稳压芯片以及低 压差线性稳压器U3，变压器与整流电路Dl连接，两个稳压芯片均与整流电路Dl连接，低压 差线性稳压器U3与输出负直流电压的稳压芯片连接。电压线性变化电源中的直流主控电路，包括单片机TO、按键Si、按键S2、低压差线 性稳压器U4和基准电压源芯片U5，低压差线性稳压器U4与供电电路连接，低压差线性稳压 器U4和基准电压源芯片U5均与单片机U6连接，单片机U6的输出电流经电阻转换成电压 输出，用于改变电源功能模式的按键Sl和开始按键S2均与单片机TO连接，单片机TO上连接有分别控制自动输出时波形上升斜率与下降斜率的调节电位器。电压线性变化电源中的直流输出电路，包括旋转电位器、运算放大器U8和可调稳 压器U7，直流主控电路的输出端与运算放大器U8连接，运算放大器U8的输入端与直流主控 电路中的单片机U6连接，运算放大器U8的输出端与可调稳压器U7连接，可调稳压器U7的 输出端与交直流转换电路中的双刀双掷拨动开关S3连接。电压线性变化电源中的交流主控电路，包括单片机U9和运算放大器U10，单片机 U9连接至运算放大器U10，运算放大器UlO的输出端连接至交流输出电路的电容E5，单片机 U9上连接有程序下载接口。电压线性变化电源中的交流输出电路，包括电解电容E5、旋钮电位器、功率放大集 成电路U11、接口 J5和旋钮电位器，交流主控电路中运算放大器UlO输出端经电解电容E5、 旋钮电位器和电阻连接到功率放大集成电路U11，功率放大集成电路Ull的输出端连接至 交直流转换电路中的双刀双掷拨动开关S3，接口 J5连接旋钮电位器。旋钮电位器用来调节 交流输出的大小。电压线性变化电源中的交直流转换电路，包括双刀双掷拨动开关S3和接口 J3，双 刀双掷拨动开关Sl与接口 J3连接，J3连接至电源输出端子，双刀双掷拨动开关S3的直流 输出引脚连接到直流输出电路中可调稳压器U7，交流输出引脚连接到交流输出电路中功率 放大集成电路Ull。电压传感器包括调理电路和传感器通用模块，该调理电路包括电压输入端、保护 电路、基准源芯片、运算放大器和电压输出端，电压输入端通过保护电路与运算放大器连 接，基准源芯片与运算放大器连接，运算放大器通过电压输出端与传感器通用模块连接。被 测电压通过电压输入端经过前端的保护电路输入到运算放大器进行信号放大，放大后的信 号由电压输出端输出到传感器通用模块，传感器通用模块中单片机的ADC模块进行数据采 集，然后经过连线将采集到的数据传输到数据采集器。磁感应强度传感器包括调理电路稳压电路、调理电路信号放大电路和传感器通用 模块，调理电路信号放大电路与调理电路稳压电路连接，调理电路信号放大电路与传感器 通用模块连接。调理电路信号放大电路包括霍尔元件、运算放大器和基准源芯片，霍尔元件 与运算放大器连接，基准源芯片与运算放大器连接。调理电路稳压电路包括由升压芯片、场 效应管和电感和二极管组成的升压电路、电容滤波器和稳压芯片，升压电路经电容滤波器 与稳压芯片连接，稳压芯片与调理电路信号放大电路的基准源芯片、霍尔元件和运算放大 器连接。霍尔元件将磁信号转换为电信号，电信号经运算放大器放大后，由传感器通用模块 中单片机的ADC模块进行数据采集，然后将采集到的数据传输到数据采集器。电压传感器和磁感应强度传感器中的传感器通用模块的电路相同，只是内部程序 不同。传感器通用模块包括主控电路、电压基准电路和接口电路，主控电路包括单片机、程 序下载接口和两个调理电路接口，程序下载接口和两个调理电路接口均连接在单片机上， 两个调理电路接口用于连接电压传感器的调理电路或磁感应强度传感器的调理电路；电压 基准电路为一电压基准芯片，电压基准芯片经电阻、三极管与主控电路中单片机连接；接口 电路包括接口 JC、瞬态抑制二极管芯片，接口 JC一方面与主控电路中的单片机连接，另一 方面作为电压传感器和磁感应强度传感器与数据采集器连接的接口，接口 JC与电压传感 器和磁感应强度传感器连接的通信线上连接有瞬态抑制二极管芯片。
上述法拉第电磁感应实验器的工作原理如下螺线管(作为原线圈)通电后作为磁性体，通过电压线性变化电源给螺线管供电， 控制电压线性变化电源按设定的方式变化供电电流，用以改变螺线管磁场的强弱。螺线管 外部放置的感应线圈(作为副线圈)作为研究电路。利用电压与磁感应强度传感器实现实 验数据的采集，感应线圈内放置的磁感应强度传感器用于测量感应线圈处的磁感应强度， 因感应线圈的面积不变，根据定义Φ = B*S(其中Φ为磁通量，B为磁感应强度，S为感应 线圈的面积)，得知磁通量变化率八(5/^1(八{为时间)与磁感应强度的变化率Δ B/At 相等。实验时，改变螺线管的电流，通过计算机中的法拉第电磁感应实验专用软件实时观察 到感应线圈处磁感应强度与对应的感应电动势的变化情况。通过专用电源可控制磁感应强 度均勻变化，软件采集感应电动势E的数值与对应的磁感应强度变化率ΔΒ/ △ t，定量研究 二者之间的关系。还可通过改变感应线圈的线圈匝数n，定量研究电动势E与线圈匝数η的 关系。本发明结构简单，能够定量研究感应电动势E与磁感应强度变化率Δ B/At的关 系，可以定量研究感应电动势E与线圈匝数η的关系，从而验证法拉第电磁感应定律。
图1是本发明法拉第电磁感应实验器的结构原理图。图2是本发明中电压线性变化电源的供电电路原理图。图3和图4是电压线性变化电源的直流主控电路原理图。图5是电压线性变化电源的直流输出电路原理图。图6是电压线性变化电源的交流主控电路原理图。图7是电压线性变化电源的交流输出电路原理图。图8是电压线性变化电源的交直流转换电路原理图。图9是本发明中电压传感器的调理电路原理图。图10是本发明中磁感应强度传感器的调理电路信号放大电路原理图。图11是本发明中磁感应强度传感器的调理电路稳压电路原理图。图12是本发明中传感器通用模块主控电路原理图。图13是本发明中传感器通用模块电压基准电路原理图。图14是本发明中传感器通用模块接口电路原理图。图15是本发明第一种实验模式的感应电动势E与磁感应强度B变化的波形图。图16是本发明第二种实验模式的感应电动势E与磁感应强度B变化的波形图。图17是本发明第三种实验模式的感应电动势E与磁感应强度B变化的波形图。图18是本发明第四种实验模式的感应电动势E与磁感应强度B变化的波形图。图19是本发明第四种实验模式的数据处理结果图。其中1、螺线管，2、电压线性变化电源，3、感应线圈，4、磁感应强度传感器，5、电压 传感器，6、数据采集器，7、计算机。
具体实施例方式如图1所示，本发明的法拉第电磁感应实验器包括螺线管1、电压线性变化电源2、感应线圈3、磁感应强度传感器4、电压传感器5、数据采集器6和计算机7。螺线管1与电 压线性变化电源2连接，感应线圈3同轴心套装在螺线管1的外部，感应线圈3内放置有磁 感应强度传感器4，以测量感应线圈3处的磁感应强度。感应线圈3上连接有电压传感器 5，用于测量感应电动势。磁感应强度传感器4和电压传感器5均通过数据采集器6连接至 计算机7，计算机7上显示出磁感强度与电压随时间变化的数据曲线图。螺线管(原线圈)1连接至电压线性变化电源2的电压输出端，电压线性变化电源 2通过控制输出的电压控制螺线管1产生均勻变化的磁场B。感应线圈(副线圈)3同轴心 套装在螺线管1的外部，当螺线管1产生变化的磁场时，感应线圈3将产生感应电动势E。 电压传感器5实时采集感应电动势E的大小，插入感应线圈3中的磁感应强度传感器4实 时测量磁感应强度B的变化。数据采集器6将磁感应强度传感器4采集到的磁感应强度B 和电压传感器5采集到的感应电动势E传输到计算机7，计算机7根据法拉第电磁感应定律 对数据进行处理。电压线性变化电源2包括供电电路、直流主控电路、直流输出电路、交流主控电 路、交流输出电路和交直流转换电路。直流主控电路的输入端与供电电路连接，输出端与 直流输出电路连接；交流主控电路的输入端与供电电路连接，输出端与交流输出电路连接； 直流输出电路的输出端和交流输出电路的输出端均与交直流转换电路连接。电压线性变化电源中的供电电路如图2所示，包括变压器、整流电路D1、两个稳 压芯片(Ul和似)和低压差线性稳压器U3，变压器与整流电路Dl连接，两个稳压芯片均 与整流电路Dl连接，低压差线性稳压器U3与输出负直流电压的稳压芯片U2(LM7909)连 接。经变压器输出的交流电压由接口 Jl通过开关Kl接入整流电路D1，经过整流电路Dl 转换为直流电压，输出+12V和-12V直流电压，分别供给稳压芯片Ul (LM7809)和稳压芯 片U2(LM7909)，稳压芯片Ul和稳压芯片U2分别输出9V与-9V的电压，低压差线性稳压器 U3 (ASl 117-3. 3)与稳压芯片U2连接，输出3. 3V电源。图2中的发光二极管DS6为电源指 示灯，DS6与整流电路Dl输出的-12V直流电压连接。电压线性变化电源中的直流主控电路如图3和图4所示，包括单片机TO、按键S1、 按键S2、低压差线性稳压器U4、基准电压源芯片U5、模式显示灯及输出状态指示灯。低压 差线性稳压器U4与供电电路中的整流电路Dl连接，供电电路中整流电路Dl的为低压差线 性稳压器U4供-12V直流电，低压差线性稳压器U4 (ASl 117-5)与单片机U6连接，为单片机 U6提供5V的电压。单片机TO为直流主控芯片，采用C8051F410。基准电压源芯片TO采用 ADR391，并与单片机U6连接，基准电压源芯片U5的4脚连接至单片机TO的11脚，为单片 机U6内部的ADC模块(模数转换模块)和DAC模块(数模转换模块)提供基准电压。单 片机U6的17脚为DAC输出，输出电流经电阻R14转换成电压，然后输出。按键Sl接单片 机U6的13脚(参见图4)，此键功能为改变电源的功能模式，按键S2接单片机U6的14脚， 功能为在自动模式控制开始一个波形的输出。单片机U6的31脚和30脚分别连接有电位 器R12和R13，这两脚被配置为单片机U3内部ADC模块的输入，通过调节电位器R12和R13 输出的分电压分别控制自动输出时波形的上升斜率与下降斜率。单片机TO的25脚、沈脚、 27脚和28脚分别连接发光二极管DS1、DS2、DS3、DS4，单片机U6的15脚连接发光二极管 DS5，发光二极管DS1、DS2、DS3和DS4为模式显示灯，用于显示当前电源所处的模式，发光二 极管DS5为输出状态指示灯，用于显示当前波形的输出状态，当DS5亮起时表示波形正在输出。电压线性变化电源中的直流输出电路如图5所示，包括旋转电位器、运算放大器 U8和可调稳压器U7。接口 J6连接一阻值为IOKΩ的旋转电位器。图4直流主控电路中的 接口 J2与图5中的接口 J7连接，图5中的接口 J6与接口 J7连接，接口 J6的输入端连接 的10ΚΩ旋转电位器与直流主控电路中的单片机TO连接，运算放大器U8(采用CA3140)与 直流主控电路中的单片机U6连接，其功能是将单片机TO输出的电压信号进行放大。可调 稳压器U7采用LM317。图3中单片机TO的11脚输出的DAC信号经过电阻R6进入运算放 大器U8的第3脚，运算放大器U8对信号进行放大，放大后的信号经运算放大器U8的第6 脚连接至可调稳压器U7的第1脚，控制可调稳压器U7的2脚电压信号输出，输出信号连接 至图8交直流转换电路中Sl的VOUT引脚。电压线性变化电源中的交流主控电路的电源输入端与图2中的供电电路连接，输 出端与图7所示的交流输出电路连接。如图6所示，交流主控电路包括单片机U9和运算放 大器U10。单片机U9采用C8051F330，单片机U9的第20脚为DAC引脚，输出50HZ的正弦波 的电流信号，经过电阻Rl转换为电压信号。然后经R3连接至运算放大器UlO (采用LM358) 的第3脚，经运算放大器UlO进行信号放大后由第1脚输出至图7中交流输出电路的电容 E5。单片机U9上连接有程序下载接口(即图6中的接口 J2)。单片机U9的电源由图2供 电电路中的低压差线性稳压器U3提供。电压线性变化电源中的交流输出电路如图7所示，包括电解电容E5、旋钮电位器、 功率放大集成电路U11、接口 J5和旋钮电位器，交流主控电路中运算放大器UlO输出端经电 解电容E5、旋钮电位器和电阻RlO连接到功率放大集成电路Ul 1，功率放大集成电路Ul 1的 输出端连接至图7交直流转换电路中的双刀双掷拨动开关S3，接口 J5连接旋钮电位器，旋 钮电位器用来调节交流输出的大小。功率放大集成电路Ull采用TDA2030。图6交流主控 电路中运算放大器UlO放大的电压信号经过电解电容E5后，由电位器分压，经电阻RlO输 入到功率放大集成电路Ull的第1脚，信号进行功率放大后由功率放大集成电路Ull的第 4脚输出至图8交直流转换电路中双刀双掷拨动开关Sl的AC-OUT引脚。电压线性变化电源中的交直流转换电路如图8所示，包括双刀双掷拨动开关S3和 接口 J3，双刀双掷拨动开关Sl与接口 J3 (J3为电源地输出端)连接，接口 J3连接至电源输 出端。通过双刀双掷拨动开关S3进行交直流的输出转换。双刀双掷拨动开关S3的VOUT 引脚连接到图5直流输出电路中可调稳压器U7的2脚，AC-OUT引脚连接到图7交流输出 电路中功率放大集成电路Ull的第4脚。螺线管与电压线性变化电源的电源输出端连接。上述电压线性变化电源利用单片机TO(C8051F410)的DAC数模转换器输出控制可 调稳压器U7(LM317)的电压输出；在手动模式，单片机TO的ADC模数转换器，采样电位器的 阻值变化，同时相应输出DAC信号控制LM317的电压输出；在自动模式，单片机TO会根据当 前模式DAC自动输出不同模式的线性变化的电流信号，控制LM317的电压输出，从而得到多 种模式线性变化的电压信号。具有五种工作模式，分别为第一种，手动直流输出模式可通过手动调节图4直流输出电路中与接口 J6连接 的IOK电位器控制可调稳压器U7的直流电压输出。第二种，自动输出梯形波模式梯形波的上升沿与下降沿为线性变化，并且上升沿 的上升斜率与下降沿的的下降斜率可以分别通过图3直流主控电路中的调节电位器R12和Rl3设置。第三种，自动输出三角波模式三角波的上升沿与下降沿为线性变化，并且上升沿 的上升斜率与下降沿的的下降斜率可以分别通过图3直流主控电路中的调节电位器R12和 Rl3设置。第四种，自动输出五个连续的斜率逐渐增加的三角波模式三角波的上升沿为线 性变化，并且五个上升沿的上升斜率可以通过图3直流主控电路中的调节电位器R12和R13设置。第五种，交流输出模式可输出50hz的交流信号，信号波形为正弦波，交流信号的 电压可通过图3直流主控电路中的调节电位器R12和R13调节。电压传感器5包括调理电路和传感器通用模块，该调理电路如图9所示，包括电压 输入端J10、保护电路、基准源芯片U12、运算放大器U13和输出端J8、J9，电压输入端JlO 通过保护电路与运算放大器U13连接，运算放大器U13通过输出端J9与传感器通用模块连 接，基准源芯片U12 (REF3012AIDBZR)与运算放大器U13连接，为运算放大器U13提供1. 25V 的电压基准。电压传感器5可以采集士5mV的电压信号，电压输入端JlO为电压输入的 红、黑色鳄鱼夹，被测电压由电压输入端JlO接入，经过前端的保护电路输入到运算放大器 U13 (AD8553ARMZ)进行信号放大，放大后的信号由电压输出端J8输出到传感器通用模块8。 传感器通用模块中单片机的ADC模块进行数据采集，然后经过连线将采集到的数据传输到 数据采集器6。J8的第1脚为基准源芯片U12、运算放大器U13提供5V电源。磁感应强度传感器4的调理电路如图10和图11所示，包括调理电路稳压电路、 调理电路信号放大电路和电信号输出端J12(参见图11)，调理电路信号放大电路与调理 电路稳压电路连接，电信号输出端Jll连接在调理电路信号放大电路上，调理电路信号放 大电路通过电信号输出端Jll与传感器通用模块8连接。磁感应强度传感器的调理电路 信号放大电路如图10所示，包括霍尔元件U15、运算放大器U16和基准源芯片U14，霍尔元 件U15(A1302EUA)与运算放大器U16连接，在不同的磁场下会输出不同的电压，霍尔元件 U15输出的电压信号进入运算放大器U16(AD8553ARMZ)进行放大后输出。其中基准源芯片 U14(REF3012AIDBZR)输出1. 25V电压，为运算放大器U16提供电压基准。磁感应强度传感器的调理电路稳压电路如图11所示，包括升压电路、电容滤波 器和稳压芯片U18，升压电路由升压芯片U17 (CE9908AM)、场效应管Ql (CE2312)和电感 Ll (IOOuH)、二极管Dl (1N5819)组成，由接口 J12输入5V电压，进入升压电路进行升压，升 高后的电压经电容滤波器滤波进入稳压芯片U18(AMS1117-5. 0)稳压到5V，为图10中调理 电路信号放大电路的基准源芯片U14、霍尔元件U15和运算放大器U16进行供电。磁感应强 度传感器4可以测量士 15mT的磁信号，电信号输出端Jll将图10中放大后的磁信号输出 到传感器通用模块。霍尔元件U15将磁信号转换为电信号，电信号经运算放大器U16放大 后，由传感器通用模块8中单片机的ADC模块进行数据采集，然后将采集到的数据传输到数 据采集器6，数据采集器6读取电压传感器5和磁感应强度传感器4采集的数据，然后进行 数据打包，将数据传输到计算机7。传感器通用模块8为磁感应强度传感器4和电压传感器5共用，包括主控电路、电 压基准电路和接口电路。主控电路如图12所示，包括单片机U19、程序下载接口 J13和两个 调理电路接口，程序下载接口 J13和两个调理电路接口(图12中的J14和JM)均连接在单片机U19上。单片机Ul为C8051F410单片机，程序下载接口 J13用于单片机Ul的程序 下载，电压传感器5和磁感应强度传感器4的调理电路分别与调理电路接口 J14和J15连 接，调理电路输出的电信号由单片机肌9的观脚进入单片机U19，单片机U19内部的16脚 为ADC模块对电压进行采样，将模拟信号转化为数字信号。传感器通用模块的电压基准电路如图13所示，为一电压基准芯片U20，图12中的 单片机U19的Pl. 7 口输出控制信号经电阻RlO控制三极管Ql (8050)的通断，然后控制电 压基准芯片U20(ADR391AUJZ)的工作状态。电压基准芯片U20 (ADR391AUJZ)输出2. 5V电 压，为图10中的单片机U19的ADC模块提供电压基准。传感器通用模块的接口电路如图14所示，包括接口 JC、瞬态抑制二极管芯片TVSl 和TVS2，接口 JC 一方面与主控电路中的单片机U19连接，接口 JC的2、3、4、5脚通过SPI 通信线分别连接至图12主控电路中的单片机U19的Pl. 5、Pl. 3、Pl. 6和Pl. 4脚，另一方 面作为传感器与数据采集器6连接的接口，JC的6脚为电压传感器5和磁感应强度传感器 4提供5V的电压。接口 JC与单片机的SPI通信线上连接有瞬态抑制二极管芯片TVSl和 TVS2(SN65220DBV)，其作用是为SPI通信线提供防静电保护。上述法拉第电磁感应实验器可有多种实验模式图15给出了第一种实验模式的感应电动势E与磁感应强度B变化的波形。该实 验模式可调节磁感应强度不变或随意变化。如果磁感应强度不变化，虽然磁感强度足够强， 从实验结果看无感应电动势。当磁感应强度发生随意变化时，有感应电动势产生。可以说 明感应电动势E与磁感应强度B的变化有关。图16给出了第二种实验模式的感应电动势E与磁感应强度B变化的波形。该实 验模式磁感应强度B均勻变化(增加或减小)。磁感应强度B均勻增加，产生正向感应电动 势，大小恒定。磁感应强度B均勻减小，产生反向感应电动势，大小恒定。感强度的变化率 K不同，感应电动势的大小不同，说明感应电动势的大小与磁感强度的变化率有关。图17给出了第三种实验模式的感应电动势E与磁感应强度B变化的波形。该实 验模式多次改变磁感应强度B的上升快慢，S卩AB/At = K中的斜率K。可发现K越大，感 应电动势E越大。图18给出了第四种实验模式的感应电动势E与磁感应强度B变化的波形。该实 验模式通过专用电源2连续输出五个斜率不同的锯齿波。图19给出了通过计算机7中的实验软件对第四种实验方式采集的数据点进行的 绘图，通过曲线拟合，验证感应电动势E与磁感应强度变化率Δ B/ Δ t成正比关系。
权利要求
1.一种法拉第电磁感应实验器，包括螺线管、感应线圈、磁感应强度传感器、电压传感 器、电压线性变化电源、数据采集器和计算机，其特征是螺线管与电压线性变化电源连接， 感应线圈设置在螺线管外部，感应线圈内放置有用于测量感应线圈处磁感应强度的磁感应 强度传感器，感应线圈上连接有用于测量感应电动势的电压传感器，磁感应强度传感器和 电压传感器均通过数据采集器连接至计算机，数据采集器读取电压传感器和磁感应强度传 感器采集的数据，并将数据传输到计算机。
2.根据权利要求1所述的法拉第电磁感应实验器，其特征是所述电压线性变化电源 包括供电电路、直流主控电路、直流输出电路、交流主控电路、交流输出电路和交直流转换 电路；直流主控电路的输入端与供电电路连接，输出端与直流输出电路连接；交流主控电 路的输入端与供电电路连接，输出端与交流输出电路连接；直流输出电路的输出端和交流 输出电路的输出端均与交直流转换电路连接。
3.根据权利要求2所述的法拉第电磁感应实验器，其特征是所述电压线性变化电源 中的供电电路包括变压器、整流电路D1、两个稳压芯片以及低压差线性稳压器U3，变压器 与整流电路Dl连接，两个稳压芯片均与整流电路Dl连接，低压差线性稳压器U3与输出负 直流电压的稳压芯片连接。
4.根据权利要求2所述的法拉第电磁感应实验器，其特征是所述电压线性变化电源 中的直流主控电路，包括单片机U6、按键Si、按键S2、低压差线性稳压器U4和基准电压源芯 片U5，低压差线性稳压器U4与供电电路连接，低压差线性稳压器U4和基准电压源芯片U5 均与单片机U6连接，单片机TO的输出电流经电阻转换成电压输出，用于改变电源功能模式 的按键Sl和开始按键S2均与单片机U6连接，单片机U6上连接有分别控制自动输出时波 形上升斜率与下降斜率的调节电位器。
5.根据权利要求2所述的法拉第电磁感应实验器，其特征是所述电压线性变化电源 中的直流输出电路，包括旋转电位器、运算放大器U8和可调稳压器U7，运算放大器U8的输 入端与直流主控电路中的单片机U6连接，运算放大器U8的输出端与可调稳压器U7连接， 可调稳压器U7的输出端与交直流转换电路中的双刀双掷拨动开关S3连接。
6.根据权利要求2所述的法拉第电磁感应实验器，其特征是所述电压线性变化电源 中的交流主控电路，包括单片机U9和运算放大器U10，单片机U9连接至运算放大器U10，运 算放大器UlO的输出端连接至交流输出电路的电容E5，单片机W上连接有程序下载接口。
7.根据权利要求2所述的法拉第电磁感应实验器，其特征是所述电压线性变化电源 中的交流输出电路，包括电解电容E5、旋钮电位器、功率放大集成电路U11、接口 J5和旋钮 电位器，交流主控电路中运算放大器UlO输出端经电解电容E5、旋钮电位器和电阻连接到 功率放大集成电路U11，功率放大集成电路Ull的输出端连接至交直流转换电路中的双刀 双掷拨动开关S3，接口 J5连接旋钮电位器。
8.根据权利要求1所述的法拉第电磁感应实验器，其特征是所述电压传感器包括调 理电路和传感器通用模块，该调理电路包括电压输入端、保护电路、基准源芯片、运算放大 器和电压输出端，电压输入端通过保护电路与运算放大器连接，基准源芯片与运算放大器 连接，运算放大器通过电压输出端与传感器通用模块连接。
9.根据权利要求1所述的法拉第电磁感应实验器，其特征是所述磁感应强度传感器 包括调理电路稳压电路、调理电路信号放大电路和传感器通用模块，调理电路信号放大电路与调理电路稳压电路连接，调理电路信号放大电路与传感器通用模块连接；所述调理电 路信号放大电路包括霍尔元件、运算放大器和基准源芯片，霍尔元件与运算放大器连接，基 准源芯片与运算放大器连接；所述调理电路稳压电路包括由升压芯片、场效应管和电感和 二极管组成的升压电路、电容滤波器和稳压芯片，升压电路经电容滤波器与稳压芯片连接， 稳压芯片与调理电路信号放大电路的基准源芯片、霍尔元件和运算放大器连接。
10.根据权利要求8或9所述的法拉第电磁感应实验器，其特征是所述传感器通用模 块包括主控电路、电压基准电路和接口电路，主控电路包括单片机、程序下载接口和两个调 理电路接口，程序下载接口和两个调理电路接口均连接在单片机上，两个调理电路接口用 于连接电压传感器的调理电路或磁感应强度传感器的调理电路；电压基准电路为一电压基 准芯片，电压基准芯片经电阻、三极管与主控电路中单片机连接；接口电路包括接口 JC、瞬 态抑制二极管芯片，接口 JC一方面与主控电路中的单片机连接，另一方面作为电压传感器 和磁感应强度传感器与数据采集器连接的接口，接口 JC与电压传感器和磁感应强度传感 器连接的通信线上连接有瞬态抑制二极管芯片。
全文摘要
本发明提供了一种法拉第电磁感应实验器，包括螺线管、感应线圈、磁感应强度传感器、电压传感器、电压线性变化电源、数据采集器和计算机，螺线管与电压线性变化电源连接，感应线圈设置在螺线管外部，感应线圈内放置有用于测量感应线圈处磁感应强度的磁感应强度传感器，感应线圈上连接有用于测量感应电动势的电压传感器，磁感应强度传感器和电压传感器均通过数据采集器连接至计算机，数据采集器读取电压传感器和磁感应强度传感器采集的数据，并将数据传输到计算机。本发明结构简单，能够定量研究感应电动势E与磁感应强度变化率ΔB/Δt的关系，可以定量研究感应电动势E与线圈匝数n的关系，从而验证法拉第电磁感应定律。
文档编号G09B23/18GK102136214SQ201110053949
公开日2011年7月27日 申请日期2011年3月8日 优先权日2011年3月8日
发明者冯容士, 赵进, 陈开云 申请人:山东省远大网络多媒体股份有限公司
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