专利名称：多功能悬浮实验仪的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种多功能悬浮实验仪，属于各级学校的物理学、电磁学等相关课程的实验领域。
背景技术：
电磁悬浮技术是集电磁学、电磁感应技术、动力学为一体的高新技术，随着电子技术、控制工程、电磁理论及新型电磁材料和动力学的发展，电磁悬浮技术有了很大的进步， 电磁悬浮技术在制备和提纯高熔点、高活性、强放射性材料等方面具有广泛的应用前景。电磁悬浮的实验装置、实验现象、实验分析等方面的资料较少，而电磁悬浮的演示和实验在教学、科研及技术应用等方面有较大的作用和意义。本实用新型通过利用单片机来实现对大电流恒流电源的控制，可准确地输出高精度的电流，与通过改变电压来得到不同的磁场的方法相比能得到更稳定的磁场。同时本实验仪有更高的可控性和能更容易操作和有更高的成功率。实验仪通过磁场的调节和陀螺转子的更换，能更直观的观察和理解磁悬浮。通过多功能悬浮实验仪，学生可更好的理解和掌握电磁悬浮、磁场和电磁感应原理和应用，通过对磁场、电流、材质和重力的多种关系测量，能更好地掌握电磁悬浮的特性。本实验通过学生对不同材质和方法的悬浮实验的完成，使学生变被动为主动，增强学生的动手能力，有利于学生掌握电磁悬浮的原理和应用，同时启发和调动学生学习的兴趣和培养学生的创新意识。
实用新型内容本实用新型针对现有电磁悬浮所存在的缺点，提出结合了大电流恒流源和单片机控制技术的多功能悬浮实验仪，能完成多种磁悬浮和电磁感应悬浮实验，其特征是由多功能悬浮实验仪主机、磁悬浮陀螺转子、金属棒、金属感应环和垫片板组成，多功能悬浮实验仪主机上设置有四位数显的电流表、四位数显的电压表、四个数控按键、功能选择开关、电压调节旋钮和电源开关，多功能悬浮实验仪主机内设置有磁场线圈、大电流恒流源及单片机控制和放大电路。实验仪通过对悬浮及电流、磁场关系的实验，使学生能更好的理解和掌握电磁悬浮和电磁感应的规律和特点，能满足各级学校的电磁学和物理学等相关课程的教学实验要求。本实验仪采用单片机AT89C52作为控制核心来实现对大电流恒流源的控制，控制由运算放大器和复合型大功率晶体管构成的恒流源系统，主要包括按键、数码显示、A/D采样和D/A控制，同时具有编程简便、接口简单、小型化的特点。实验仪主机中的单片机通过运算形成相应的数字输出量，再经D/A转换器输出相应的控制信号，使得恒流源在20 4000 mA输出电流时，输出电流误差小于1mA，能实现对恒流源电流输出的精确调节。数控方式是采用按键输入方式，以不同的步进值去设置所需的电流值，并由LED数码方式显示出来。[0008]恒流源的驱动电路采用运放LF353，LF353是一种带内部微调输入偏差电压技术 (Bi—FET II technology)的高速运放；它输入阻抗高，并具有极高的转换率，功耗低。同时为达到大电流输出，在恒流源输出端增加了由Ql、Q2组成的大功率的NPN型达林顿复合管电路。本设计采用独立式键盘，即单片机的I/O 口直接与按键相连。四个按键的设置为 菜单选择键MENU，选择键SEL，数值增加键UP和数值减小键DOWN。通过按键可对所需的电流大小进行控制和调节。本实用新型在利用单片机来实现对大电流恒流电源输出的同时，结合功能选择开关，也具有直接的不同电压的交流输出，以用于电磁感应悬浮实验。磁场线圈置于实验仪主机上部，其上方的台面板上标注有磁场中心位置的刻度线，同时台面板上具有水平气泡仪，用于调节实验仪的水平。本实验仪所采用的金属棒有软铁、铁、纯铜三种材质；所采用的金属感应环有纯铜、铝、铁三种材质，并有不同的半径。通过不同材质的金属棒的实验与更换，更能清晰的了解和掌握在电磁感应中，不同材质的磁化作用。并且通过不同材质和半径的金属感应环的悬浮实验，掌握电磁感应和磁化、安培力等物理概念。同时实验仪所采用的磁悬浮陀螺转子有大小轻重不同的多种规格，以方便进行不同作用力的实验和对比，同时陀螺转子内置有钕铁硼磁铁。实验仪也采用了垫片板，所采用垫片板由透明塑料材料制成，表面进行了磨砂处理，有利于陀螺转子的稳定旋转，并在垫片板上标注有中心位置刻度线。本实验仪的主机底部采用了四只可调节高度的支撑脚，结合台面板上的水平气泡仪，用于调节实验仪的水平。
图1是多功能悬浮实验仪主机。图1中1是主机上部的磁场线圈，2是磁场中心位置刻度线，3是凹孔，4是水平气泡仪，5是四位数显电流表，6是四个数控按键，7是四位数显电压表，8是功能选择开关，9是电压调节旋钮，10是可调节高度的支撑脚、11是电源开关，12是电源指示LED。图2是垫片板和陀螺转子示意图。其中13是垫片板，14是中心位置刻度线，15磁悬浮陀螺转子，16是陀螺转子旋转手柄。图3是金属棒和金属感应环示意图。其中17是金属棒，18是金属感应环。图4是恒流源系统组成图。图5是恒流源输出电路图。
具体实施方式
实验中首先应进行实验仪的水平调节，结合多功能悬浮实验仪主机底部的高度调节支撑脚，调节直到实验台面上的水平气泡仪中的气泡居中。在做基本磁悬浮实验时，有大小轻重不同的多个陀螺转子，只有陀螺转子在竖直方向上受力平衡时，它才能在空中悬浮，所以对应应有不同的磁场排斥力。实验时将垫片板放在水平的台面板上，并保证周围应没有干扰磁场的物体，将垫片板与台面板的刻度中心位置对准。将陀螺转子的下端轻压在透明板的中心位置，保持与台面板的垂直度，旋转手柄，使陀螺转子在垫片板的中心位置稳定的旋转。陀螺转子在垫片板的中心位置稳定旋转以后，将垫片板往上提升，使陀螺转子慢慢的离开台面板，当垫片板达到一个适当的高度时，转子向下的重力和磁场向上的排斥力相等时，它就会自动脱离垫片板悬在空中旋转。在操作过程中选用不同的陀螺转子时，当陀螺转子太轻时，在透明垫片板住上提升的过程中，由于磁场的排斥力大于陀螺转子的重力，陀螺转子会很快的弹离垫片板，脱离中心位置而无法达到稳定的悬浮状态。反之当陀螺转子偏重时，在垫片板住上提升的过程中，由于陀螺转子的重力大于磁场的排斥力，陀螺转子会在垫片板上旋转打滑，无法自动脱离垫片板达到稳定的悬浮状态。在每一次更换不同的陀螺转子后，由于转子重力的不同，所需磁场排斥力也不同， 因此应准确调节磁场线圈中的电流，以提供相应的排斥力，同时记录下最稳定悬浮时的电流，研究陀螺转子重力与磁场和电流的关系，并作出图像。在做电磁感应悬浮时，将不同材质的金属棒放入平面板的凹孔中，套入金属感应环，通电后，将电源电压逐步调高，由于电磁力的作用，金属感应环向上浮起，处于悬浮状态。实验中，可以研究不同材质的金属棒由于磁化强度的不同所表现的不同的现象， 比较并记录在不同的金属棒材质的情况下，相同的金属感应环所表现的区别。同时实验中可以研究铝环、铜环的悬浮和铁环的吸附，结合功能选择开关和电压调节旋钮，逐渐增大输出电压，可研究电磁感应的大小，研究不同半径的同一材质金属感应环所表现的区别。了解不同材质的金属感应环的密度、电阻对电磁感应的影响，并观察铝环、铜环的跳环。实验中观察并记录数据，填写表格，并作出U-H图像。利用本实验仪在实验中还可进行双环实验，进行环的共振实验。在实验中引入螺线管，接入发光二极管，则可观察发光二极管的发光，直观感受电磁感应。
权利要求1.一种多功能悬浮实验仪，其特征是由多功能悬浮实验仪主机、磁悬浮陀螺转子 (15)、金属棒(17)、金属感应环(18)和垫片板(13)组成，多功能悬浮实验仪主机上设置有四位数显的电流表(5)、四位数显的电压表(7)、四个数控按键(6)、功能选择开关(8)、电压调节旋钮(9)和电源开关(11)，多功能悬浮实验仪主机内设置有磁场线圈、大电流恒流源及单片机控制和放大电路。
2.根据权利要求1所述的多功能悬浮实验仪，其特征是磁场线圈置于实验仪主机上部，其上方的台面板中心有用于放置金属棒的凹孔(3)，台面板上标注有磁场中心位置的刻度线(2 )，台面板上具有水平气泡仪(4 )。
3.根据权利要求1所述的多功能悬浮实验仪，其特征是多功能悬浮实验仪主机内所采用的单片机型号为AT89C52。
4.根据权利要求1所述的多功能悬浮实验仪，其特征是多功能悬浮实验仪主机内所采用的恒流源运放芯片为LF353，并在输出端具有大功率NPN型达林顿复合管电路。
5.根据权利要求1所述的多功能悬浮实验仪，其特征是所采用的磁悬浮陀螺转子 (15)有大小轻重不同的多种规格，陀螺转子内置钕铁硼磁铁。
6.根据权利要求1所述的多功能悬浮实验仪，其特征是所采用的金属棒(17)有软铁、 铁、纯铜三种材质；所采用的金属感应环(18)有纯铜、铝、铁三种材质，并有不同的半径。
7.根据权利要求1所述的多功能悬浮实验仪，其特征是所采用垫片板(13)由透明塑料材料制成，表面磨砂处理，并标注有中心位置刻度线(14)。
8.根据权利要求1所述的多功能悬浮实验仪，其特征是多功能悬浮实验仪主机底部有四只可调节高度的支撑脚(10)。
专利摘要本实用新型涉及一种多功能悬浮实验仪，由多功能悬浮实验仪主机、磁悬浮陀螺转子、金属棒、金属感应环和垫片板组成，多功能悬浮实验仪主机上设置有四位数显的电流表、四位数显的电压表、四个数控按键、功能选择开关、电压调节旋钮和电源开关，多功能悬浮实验仪主机内设置有磁场线圈、大电流恒流源及单片机控制和放大电路。实验仪通过对不同的悬浮及与电流、磁场关系的实验，使学生能更好的理解和掌握悬浮和电磁场的规律和特点。本实验仪结构合理，操作方便，教学效果好，适合于各级学校的物理学、电磁学等课程的教学实验和演示。
文档编号G09B23/18GK202042106SQ201120129368
公开日2011年11月16日 申请日期2011年4月28日 优先权日2011年4月28日
发明者汪建 申请人:四川农业大学, 汪建