综合电磁实验仪的制作方法
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及一种综合电磁实验仪，属于物理学、电磁学等相关课程的实验仪器技术领域。
【背景技术】
[0002]在物理学习中，涡流和电磁感应是较难理解的概念，而在实际的生活中我们却广泛的应用了这些知识，其中电磁炉就是利用电磁感应原理将电能转换为热能的常用电器。电磁炉在正常工作时，由整流电路可将50Hz的交流电转换成频率为20-40kHz的高频电流，并通过扁平螺旋状的电磁线圈形成高频交变磁场，该磁场的磁场线穿透上方的微晶平板后，在放在附近的金属物件上反复切割变化，最后在金属物体上，形成环状的涡流，而涡流的热效应会导致金属物体本身高速发热。这种振荡生热的加热方式，能减少热传递的中间环节，大大提尚制热效率。
[0003]现有的实验仪器，对电磁感应的研宄通常只是其中的一个方面，常常只是简单的切割磁力线，或直接由线圈缠绕导体产生涡流，不能各方面的让学生感受到电磁感应和涡流及趋肤效应等概念。
[0004]本实用新型主机可产生高频电流，通过电磁线圈，可产生交变的磁场，并使用了不同的金属盘，可用于比较电磁的不同效应和在不同金属中的作用。交变的磁场在被加热的不同的金属器件上会引起趋肤效应，使大部分电流在导体的表面上流通，交流电流的频率越高，趋肤效应就越明显，从而导体的发热量越大，实验仪还使用了温度传感器来进行温度的测量，从而能对加热的过程进行量化的比较和计算。
【实用新型内容】
[0005]本实用新型采用了高功率管驱动与调制电路，并结合了微处理器控制，产生不同振荡频率和强度的电流通过电磁线圈用以得到不同的交变的磁场，同时本实用新型采用各种金属盘和不同的感应线圈来对电磁感应和涡流进行实验和测量，使学生能更好的理解和掌握电磁感应、涡流、感应电流及其与频率关系等相关知识。适用于各级学校的物理和电磁学等课程的实验和演示。
[0006]本实用新型针对现有实验仪器的不足，提出结合了微处理器控制IGBT功率管输出和电磁原理实验线圈的综合电磁实验仪。综合电磁实验仪包括电磁实验仪主机、电磁实验线圈盒和各种金属盘，电磁实验仪主机上设置有四位数显功率表、三位数显频率表、三位数显温度表、开关按钮、功率调节旋钮、频率调节旋钮和温度输入端口，电磁实验仪主机内设置有微处理器及微处理器控制电路、电流检测电路、PWM脉宽调控电路、振荡电路、IGBT电路、温度检测电路、同步电路、驱动电路、电源和电磁线圈；电磁实验线圈盒设置有四组不同半径和所绕圈数的感应线圈、四位数显电流表、四组线圈的测量按键、电流测量按键和电灯。
[0007]电磁实验仪主机内电源电路、电流检测电路、微处理器、PWM脉宽调控电路、振荡电路、IGBT电路、电磁线圈、同步电路依次相连，完成主电路的输出和调节；其温度检测电路和驱动电路也分别与微处理器相连接，完成温度的测量和数码显示输出。
[0008]本实用新型具有PWM脉宽调控电路，它是微处理器对电磁电路的工作状态进行智能控制的通道，主要由电阻、电容组成积分电路完成。其工作原理就是把微处理器输出的不同占空比的方波脉冲转化成相应的直流电压，并以此电压去控制后级IGBT绝缘栅双极型功率管的输出。微处理器通过控制PWM脉冲的宽与窄，控制送至振荡电路的加热功率控制电压，从而控制了 IGBT功率管导通时间的长短，控制了加热功率的大小。
[0009]本实用新型实验仪主机内的微处理器采用Microchip公司最近推出的PIC18F452芯片，它是一款精简指令型(RISC)高性能的CPU，是目前8位微处理器中运行最快的，具有高达10MIPS的工作速度，采用16位宽的指令总线和8位宽的数据总线，程序存储器线性寻址达32KB，而仅有35个单字节指令，其带有8路8位AD，双路PWM输出，3个定时/计数器，带UART接口，4kX 14Bit的Flash存储器，保密性好，具有丰富的功能，同时它具有较强的抗干扰能力，适宜工业现场使用。
[0010]本电磁实验仪主机和电磁实验线圈盒的面板都采用透明微晶玻璃面板，具有方便观察实验仪主机和电磁实验线圈盒内部结构和耐摔、节能安全的优点。由于微晶玻璃具有纵向导热，横向不传热的特性，在使用的过程中，面板的温度并不高，对其它部件几乎不存在热辐射现象，热损失极低。同时不易产生破裂或炸裂。
[0011]电磁实验线圈盒的内部设置有四组半径不同以及所绕圈数也不同的感应线圈，通过四组线圈的测量按键和电流测量按键可分别对四组线圈的感应电流进行测量，同时也可通过低压电灯的明暗和变化进行直观的观察。
[0012]本实用新型所采用的金属盘为外沿凸起的浅盘形状，其边沿上设置有测量小孔，在实验中分别采用了铁、铝、铜三种不同的金属材质来进行实验比较和测量。
【附图说明】
[0013]图1是电磁实验仪主机外观图，其中的I是面板，2是电磁线圈，3是四位数显功率表，4是开关按钮，5是功率调节旋钮，6是三位数显频率表，7是频率调节旋钮，8是三位数显温度表，9是温度输入端口。
[0014]图2是电磁实验线圈盒外观图，其中的10是四组不同半径的感应线圈，11是电灯，12是电流测量按键，13是四位数显电流表，14是四组线圈的测量按键。
[0015]图3是金属盘外观图，其中的15是中心浅盘，16是温度测量小孔。
[0016]图4是系统电路基本原理图
[0017]图5是IBGT功率管驱动电路。
【具体实施方式】
[0018]本实用新型微处理器PIC18F452的PWM输出可以是I?10位，当8位时PWM频率分辨率为156kHz，10位时PWM频率分辨率为39kHz。
[0019]PWM脉宽调控电路输出端的直流电压变化与输入端的方波脉冲宽度有直接的关系，PWM脉冲越宽，积分电压越高，送到振荡电路的控制电压就越高，电磁线圈的功率就越大，反之越小。所以当要改变输出端的直流电压时，通过改变输入方波的脉冲宽度(占空比)即可。
[0020]本实用新型采用的各种金属盘为外沿凸起的中心浅盘形状，其边沿上设置有温度测量小孔，用以放入温度传感器进行温度测量。温度传感器可采用小型的AD590，AD590电流输出型两端温度传感器，它是AD公司利用PN结构正向电流与温度的关系制成的电流输出型两端温度传感器。该器件具有良好的线性特性和互换性，同时非常小巧，方便使用。测量的温度范围:_55°C至+150°C，同样，也可在铁质、铜质、铝质的金属盘中盛入一定量的水，直观地感受各种不同情况下水温的变化和区别。
[0021]本实用新型采用了 IGBT绝缘栅双极型功率管，是由双极型三极管BJT和绝缘栅型场效应管MOS组成的复合全控型电压驱动式电子器件，兼有高输入阻抗和低导通压降两方面的优点。
[0022]IGBT管是一种电压激励场控型高压、高速大功率器件，导通时需在G极与地间加上十几伏的电压才能可靠地导通，截止时需为G极提供放电回路。IGBT管驱动电路如图5所示，当LM339输出高电平时，Q3导通，Q4截止，+18V电压经Q3的c_e结及R39、R40流向IGBT管G极，IGBT导通；当LM339输出低电平时，Q3截止，Q4导通，IGBT管G极中储存的电荷由R40及Q4的e-c结放电，为IGBT管的再次导通作好准备。
[0023]本实用新型采用变压器式低压供电单元，此电路单元的作用是:将220V市电转换成控制电路所需的交流低压，再经整流、滤波，并由稳压集成电路或分立元件组成的稳压电路稳压后，输出稳定的5V和18V，其中5V电压用于供给微处理器和部分数字电路，并作为整机的基准电压；18V电压给LM339、IGBT功率管驱动、风扇供电。与通常家用电磁炉采用的开关电源相比，性能稳定可靠，电路结构简单，故障率低，更适合于学生实验使用。
[0024]在使用中，利用功率调节旋钮和频率调节旋钮，可对电路的输出功率和振荡频率进行调整，结合电磁实验线圈盒和各种金属盘可完成不同情况的电磁感应测量和实验。在使用电磁实验线圈盒进行实验时，除了可以结合四组不同的线圈进行测量，同时也可对电磁实验线圈盒相对于微晶玻璃面板进行不同角度的倾斜，研宄不同倾斜角对感应电流的影响和观察实验的现象。
[0025]综合电磁实验仪结构合理，操作方便，适用于各级学校的物理和电磁学等课程的教学实验和演示。
【主权项】
1.一种综合电磁实验仪，其特征是:综合电磁实验仪包括电磁实验仪主机、电磁实验线圈盒和各种金属盘，电磁实验仪主机上设置有四位数显功率表(3)、三位数显频率表(6)、三位数显温度表(8)、开关按钮(4)、功率调节旋钮(5)、频率调节旋钮(7)和温度输入端口(9)，电磁实验仪主机内设置有微处理器及微处理器控制电路、电流检测电路、PWM脉宽调控电路、振荡电路、IGBT电路、温度检测电路、同步电路、驱动电路、电源和电磁线圈(2);电磁实验线圈盒设置有四组不同半径和所绕圈数的感应线圈(10)、四位数显电流表(13)、四组线圈的测量按键(14)、电流测量按键(12)和电灯(11)。
2.根据权利要求1所述的综合电磁实验仪，其特征是:其电磁实验仪主机内的微处理器采用的芯片是PIC18F452。
3.根据权利要求1所述的综合电磁实验仪，其特征是:其电磁实验仪主机内电源电路、电流检测电路、微处理器、PWM脉宽调控电路、振荡电路、IGBT电路、电磁线圈、同步电路依次相连，完成主电路的输出和调节；其温度检测电路和驱动电路也分别与微处理器相连接，完成温度的测量和数码显示输出。
4.根据权利要求1所述的综合电磁实验仪，其特征是:综合电磁实验仪所采用的金属盘为外沿凸起的浅盘形状，其边沿上设置有测量小孔，用以放入温度传感器进行温度测量。
5.根据权利要求1所述的综合电磁实验仪，其特征是:其电磁实验仪主机和电磁实验线圈盒的面板都采用透明微晶玻璃面板。
【专利摘要】本实用新型涉及一种综合电磁实验仪，综合电磁实验仪包括电磁实验仪主机、电磁实验线圈盒和各种金属盘，电磁实验仪主机上设置有四位数显功率表、三位数显频率表、三位数显温度表、开关按钮、功率调节旋钮、频率调节旋钮和温度输入端口；电磁实验线圈盒设置有四组不同半径和所绕圈数的感应线圈、四位数显电流表、四组线圈的测量按键、电流测量按键和电灯。综合电磁实验仪结合了微处理器控制、电磁线圈、高功率管驱动与调制电路、不同的金属盘和不同的感应线圈来对电磁感应和涡流进行测量，使学生能更好的理解和掌握电磁感应、涡流、感应电流等相关知识，综合电磁实验仪结构合理，操作方便，适用于各级学校的物理和电磁学等课程的教学实验和演示。
【IPC分类】G09B23-18
【公开号】CN204332202
【申请号】CN201520002745
【发明人】汪建, 卢常芳, 孙萍, 冯兴
【申请人】四川农业大学, 汪建
【公开日】2015年5月13日
【申请日】2015年1月3日