全自動(dòng)靜電場(chǎng)測(cè)量?jī)x的開(kāi)發(fā)與測(cè)試

石明吉　宋金璠　陳蘭莉　羅鵬暉

(南陽(yáng)理工學(xué)院電子與電氣工程學(xué)院，河南 南陽(yáng)　473004)

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全自動(dòng)靜電場(chǎng)測(cè)量?jī)x的開(kāi)發(fā)與測(cè)試

石明吉宋金璠陳蘭莉羅鵬暉

(南陽(yáng)理工學(xué)院電子與電氣工程學(xué)院，河南 南陽(yáng)473004)

針對(duì)傳統(tǒng)靜電場(chǎng)測(cè)量?jī)x存在的不同軸誤差、人工找等位點(diǎn)效率低、數(shù)據(jù)不便于分析等缺點(diǎn)，設(shè)計(jì)了以上位機(jī)為核心控制單元的全自動(dòng)靜電場(chǎng)測(cè)量?jī)x。結(jié)合采集卡、單片機(jī)、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、步進(jìn)電機(jī)等硬件，實(shí)現(xiàn)了模擬場(chǎng)電勢(shì)數(shù)據(jù)的自動(dòng)采集和存儲(chǔ)。同時(shí)，采用顏色表示數(shù)值范圍的方法，形象地顯示了靜電場(chǎng)等勢(shì)線的形狀，從而得到了直觀的彩色電勢(shì)分布圖。實(shí)際應(yīng)用表明，該測(cè)量?jī)x完全消除了不同軸誤差，具有測(cè)量速度快、精度高、顯示形象、操作簡(jiǎn)便等優(yōu)點(diǎn)。

靜電場(chǎng)測(cè)量?jī)x上位機(jī)采集卡單片機(jī)步進(jìn)電機(jī)自動(dòng)化模擬

Emulation

0　引言

靜電場(chǎng)測(cè)量?jī)x按照導(dǎo)電介質(zhì)的不同，可分為導(dǎo)電紙靜電場(chǎng)測(cè)量?jī)x、電解液靜電場(chǎng)測(cè)量?jī)x和導(dǎo)電玻璃靜電場(chǎng)測(cè)量?jī)x三種；按結(jié)構(gòu)不同，可分為雙層測(cè)量?jī)x和單層測(cè)量?jī)x兩種。目前很多高校的實(shí)驗(yàn)課大都使用雙層結(jié)構(gòu)的靜電場(chǎng)測(cè)量?jī)x來(lái)描繪、模擬靜電場(chǎng)[1-6]。

傳統(tǒng)的靜電場(chǎng)測(cè)量?jī)x在描繪靜電場(chǎng)時(shí)，往往存在以下問(wèn)題。①人工尋找等位點(diǎn)效率低；②現(xiàn)有儀器連接上下兩探針的固定手柄座與實(shí)驗(yàn)臺(tái)產(chǎn)生很大的摩擦力，在移動(dòng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生測(cè)量誤差；③當(dāng)描繪過(guò)程有轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，在坐標(biāo)紙上所描的等位點(diǎn)就會(huì)與實(shí)際電場(chǎng)分布情況之間產(chǎn)生誤差，即“不同軸誤差”[7]。

為解決上述問(wèn)題，本文開(kāi)發(fā)了一種全自動(dòng)靜電場(chǎng)測(cè)量?jī)x，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(shí)時(shí)、自動(dòng)地描繪出彩色的等勢(shì)線分布圖，并自動(dòng)保存數(shù)據(jù)和等勢(shì)線分布圖樣。

1　儀器的構(gòu)成與工作原理

1.1電場(chǎng)描繪

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

由電磁學(xué)理論可推知：同軸柱形電纜的穩(wěn)恒電流場(chǎng)的電勢(shì)分布與無(wú)限長(zhǎng)均勻帶電同軸圓柱面的靜電場(chǎng)的電勢(shì)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(chǎng)點(diǎn)到圓柱形電極中心軸線的距離；U0為中心圓柱形導(dǎo)體與外層圓筒導(dǎo)體之間的電勢(shì)差。

本靜電場(chǎng)測(cè)量?jī)x以上位機(jī)為控制核心，由2個(gè)RS-485采集卡采集各排探針的電勢(shì)值，通過(guò)STC89C52單片機(jī)和步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，并利用步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)絲杠導(dǎo)軌，以實(shí)現(xiàn)排探針的縱向掃描運(yùn)動(dòng)。該靜電場(chǎng)測(cè)量?jī)x實(shí)現(xiàn)了對(duì)模擬場(chǎng)一定區(qū)域(99.06 mm×99.06 mm)中，邊長(zhǎng)為2.54 mm的方格網(wǎng)點(diǎn)的各點(diǎn)電勢(shì)值的自動(dòng)測(cè)量；在獲得各點(diǎn)電勢(shì)數(shù)據(jù)的同時(shí)，在畫(huà)圖區(qū)域的對(duì)應(yīng)位置，用不同的顏色來(lái)表示不同位置的電勢(shì)值，從而得到直觀的彩色電勢(shì)分布圖。測(cè)試完畢后，該靜電場(chǎng)測(cè)量?jī)x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(dòng)靜電場(chǎng)測(cè)量?jī)x需要模擬排探針的掃描以及數(shù)據(jù)的采集、顯示和存儲(chǔ)。在此過(guò)程中，要確定排探針的位置和電勢(shì)數(shù)據(jù)，同時(shí)還要在繪圖區(qū)域繪制位置顏色與電勢(shì)值的實(shí)時(shí)關(guān)系圖。全自動(dòng)靜電場(chǎng)測(cè)量?jī)x硬件部分的功能為：利用步進(jìn)電機(jī)+滾珠絲杠的直線傳動(dòng)裝置，確定排探針的掃描和探測(cè)點(diǎn)位置；利用上位機(jī)、采集卡和排探針，獲得各探測(cè)點(diǎn)的電勢(shì)數(shù)據(jù)。

根據(jù)各硬件功能的設(shè)計(jì)思路，全自動(dòng)靜電場(chǎng)測(cè)量?jī)x的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1　測(cè)量?jī)x硬件結(jié)構(gòu)圖Fig.1　Hard ware structure of measuring instrument

全自動(dòng)靜電場(chǎng)測(cè)量?jī)x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(jī)、單片機(jī)、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、步進(jìn)電機(jī)、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(shí)實(shí)現(xiàn)20路信號(hào)的轉(zhuǎn)換。電源3的正、負(fù)極分別與“水盒”的2個(gè)電極相連，在水盒內(nèi)注入適量清水，建立待測(cè)的模擬場(chǎng)。排探針的40根針依次與采集卡1和采集卡2的40個(gè)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(fù)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(fù)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(jī)的串口通過(guò)9針串口線連接。

1.3儀器軟件系統(tǒng)

全自動(dòng)靜電場(chǎng)測(cè)量?jī)x的軟件流程如圖2所示。

圖2　測(cè)量?jī)x軟件流程圖Fig.2　Software flowchart of measuring instrument

上位機(jī)控制系統(tǒng)采用C語(yǔ)言編程，通過(guò)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，并利用步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)絲杠導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)排探針的運(yùn)動(dòng)；通過(guò)RS-485采集卡獲得排探針的電勢(shì)數(shù)據(jù)，采用軟件繪制出電勢(shì)分布的直觀圖像，并保存數(shù)據(jù)和圖像。

系統(tǒng)使用C語(yǔ)言搭建用戶界面。試驗(yàn)人員通過(guò)界面，可以實(shí)現(xiàn)采集卡串口、電機(jī)串口、測(cè)量周期、點(diǎn)動(dòng)測(cè)量、自動(dòng)測(cè)量、數(shù)據(jù)的保存等功能。通過(guò)C語(yǔ)言調(diào)用Excel的動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)，可以將試驗(yàn)測(cè)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(yàn)結(jié)果

利用新型靜電場(chǎng)測(cè)量?jī)x，分別采集長(zhǎng)直同軸柱形電極模擬場(chǎng)、兩等量異種點(diǎn)電荷模擬場(chǎng)和聚焦電極模擬場(chǎng)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(chǎng)測(cè)量?jī)x生成的Excel數(shù)據(jù)用Origin7.5軟件處理，可得模擬場(chǎng)電勢(shì)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(zhǎng)柱形帶電體的模擬場(chǎng)電勢(shì)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(chǎng)的電勢(shì)分布圖Fig.5　The electric potential distribution of focusing electrode simulation field

3　結(jié)束語(yǔ)

本文以上位機(jī)為核心控制單元，結(jié)合采集卡、單片機(jī)、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、步進(jìn)電機(jī)等硬件，設(shè)計(jì)了全自動(dòng)靜電場(chǎng)測(cè)量?jī)x，實(shí)現(xiàn)了模擬場(chǎng)電勢(shì)數(shù)據(jù)的自動(dòng)采集、顯示和存儲(chǔ)。測(cè)試結(jié)果表明，全自動(dòng)靜電場(chǎng)測(cè)量?jī)x能消除不同軸誤差，實(shí)現(xiàn)了排探針掃描和數(shù)據(jù)采集的自動(dòng)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(shí)，上位機(jī)軟件能自動(dòng)保存數(shù)據(jù)，以便后續(xù)分析。試驗(yàn)證明，該測(cè)量?jī)x測(cè)量速度快、精度高、操作簡(jiǎn)單。

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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(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所微電子學(xué)與固體電子學(xué)專(zhuān)業(yè)，獲博士學(xué)位，副教授；主要從事大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)和電子測(cè)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(xué)校教師教育精品資源共享課程建設(shè)基金資助項(xiàng)目(編號(hào)：豫教〔2013〕136號(hào))；

河南省教師教育課程改革研究基金資助項(xiàng)目(編號(hào)：豫教〔2014〕615號(hào))。

修改稿收到日期：2016-01-04。