新型静电场描绘仪的制作方法
【专利摘要】本发明涉及一种全自动的新型静电场描绘仪，属于物理实验教学设备领域。该系统采用上位机为核心控制单元，加上采集卡、单片机、步进电机驱动器、步进电机等，能自动采集、显示和存储模拟场的电势数据。具体包括上位机、RS485采集卡、RS485转232双向转换器、RS232连接线、STC89C52单片机、丝杠导轨、步进电机驱动器、步进电机、带电极的水盒、排探针、稳压电源。本发明消除了不同轴误差，排探针的扫描和数据的采集均实现了自动化，大大提高了数据采集的效率。采集的同时，上位机软件自动绘出彩色的等势线分布图，并自动保存数据和等势线分布图样。测量速度快，精度高，操作简单。
【专利说明】新型静电场描绘仪
【技术领域】
[0001] 本发明属于实验教学仪器领域，具体涉及一种用于物理实验教学的新型静电场描 绘仪。 技术背景
[0002] 目前的静电场描绘仪按照导电介质的不同可分为：导电纸静电场描绘仪、电解液 静电场描绘仪和导电玻璃静电场描绘仪。第一种是采用涂有石墨的导电纸作为电介质，通 过探针和定位针，实现定量记录和数据分析；第二种是用水来代替导电纸作电介质，方法是 在一个透明的有机玻璃水槽中固定电极，然后在水槽中装上适量的水，放到实验架的下层 进行实验；第三种是用导电微晶作电介质。
[0003] 用导电纸作电介质存在的缺陷有：（1)导电纸上导电薄层涂得不均匀，导电纸电 阻在各个方向均匀性较差，这样电流场分布与被模拟静电场分布不完全一样，使得实验准 确度、重复性较差；（2)电极与导电纸的接触不均匀，探针与导电纸的接触会因人、因次数 而异，使得接触电阻不稳定，影响描绘结果；（3)测量时，探针在导电纸上接触移动且重复 接触，使得导电纸破损，这样一方面直接影响导电纸的导电性能，影响实验效果；另一方面 影响导电纸的使用寿命，频繁更换导电纸，加大了实验成本。' 用导电微晶作电介质来代替导电纸作电介质的缺点是导电微晶价格贵，且导电微晶易 损坏。
[0004] 虽然用水来代替导电纸作电介质也存在一定的缺陷，如：（1)水电解产生气泡附 在电极表面。（2)水分子极化，产生束缚电荷影响模拟场；（3)需要换水，且水量对模拟效 果有影响。但是，由于水价格便宜，便于取材，因此，用水做电解质进行静电场描绘的仍是主 流。
[0005] 按结构不同可分为双层描绘仪和单层描绘仪两种。目前很多高校实验课所用的静 电场描绘仪大都使用双层结构的描绘仪来描绘模拟静电场。现有仪器连接上下两探针的固 定手柄座质量较大，与实验台的摩擦力很大，在移动时很难控制它的移动位置。尤其是从静 止到运动的瞬间和当电压表读数很接近参考待测位置电压而需要微小调节时，很难控制准 确，因而导致误差较大，影响实验效果，增加了实验的难度。此外，双层结构的描绘仪容易产 生"不同轴误差"。当上下两层的探针不在同一轴线上，如果描绘时没有转动，所得到的静电 场分布可以说是被测电场的平移。但是，要求描绘时没有转动是很困难的。有转动时，在坐 标纸上所描的等位点，就会与实际电场分布情况之间存在误差，即"不同轴误差"。
[0006] 传统静电场描绘仪在描绘静电场时，先要寻找等位点。而寻找等位点的方法是用 伏特表通过描绘探针在被测电场范围内逐处测量，边找边观察伏特表的读数，当伏特表的 读数为设定值时，停下探针，然后将该点标记在坐标纸上。这种人工寻点的方法效率很低。
[0007] 从测试仪器发展的趋势上看，总的趋势是自动化，智能化，高效化。可以利用质量 更高的数据采集和显示方案，以更加便捷的方法实现静电场的描绘。随着科技的发展进步， 以上位机为主控制中心的设计，其优势将逐步彰显。在最终的设计中，我们设计出一种新型 静电场描绘仪，将探针的移动、数据的量化、数据的采集、数据的显示等全部实现自动化，提 高效率，降低成本。
【发明内容】
[0008] 为解决上述问题，本发明提出一种新型静电场描绘仪。从根本上消除了不同轴误 差，大大提高了数据采集的效率，实时自动绘出彩色的等势线分布图并能自动保存数据和 等势线分布图样。
[0009] 本发明采用的技术方案是：该新型静电场描绘仪由数据采集系统、排探针扫描系 统、上位机三部分构成，电场测绘软件安装在上位机中，所述数据采集系统采集排探针扫 描系统探测的电压信号，并传输至上位机，其特征在于：所述数据采集系统由排探针、第一 RS485采集卡、第二RS485采集卡、RS485转232双向转换器、待测模拟场，12V稳压直流电 源和模拟场用稳压直流电源组成；排探针共有40根探针，编号依次为1、2、3……40,其中， 1-20号探针分别与第一RS485采集卡的模拟输入端AIN1-20连接；21-40号探针分别与第 二RS485采集卡的模拟输入端AIN1-20连接；12V稳压直流电源为第一RS485采集卡和第二 RS485采集卡供电，第一RS485采集卡的485G与第二RS485采集卡2的485G并联后接到 RS485转232双向转换器的GND，第一RS485采集卡的485A+与第二RS485采集卡的485A+ 并联后接到RS485转232双向转换器的T/R+，第一RS485采集卡的485B-与第二RS485采 集卡的485B-并联后接到RS485转232双向转换器的T/R- ;RS485转232双向转换器的串 口端与上位机的串口连接；待测模拟场置于描绘平台上，待测模拟场的两个接线柱分别与 模拟场用稳压直流电源的正负极连接，待测模拟场为电解液模拟静电场；第一RS485采集 卡的COM与第二RS485采集卡的COM并联后接到模拟场用稳压直流电源的负极上； 排探针扫描系统由单片机、步进电机驱动器、步进电机，丝杠导轨和步进驱动电源构 成，步进电机与步进电机驱动器连接，步进电机驱动器与步进驱动电源连接，步进电机驱动 器的PUL+和DIR+并联后接单片机的P40 口，步进电机驱动器的PUL- (PUL)接单片机的P8 口，步进电机驱动器的DIR- (DIR)接单片机的P7 口，单片机的P20 口接地，单片机的P18 口与P19 口之间接一个11. 0592MHz的晶振，单片机的P10 口和P11 口通过USB线与上位机 的USB接口连接；所述排探针的排列方向与丝杠的轴向垂直，排探针经横梁与金属杆连结 在一起，金属杆插入套筒中，套筒固定在磁力座上，磁力座利用磁力锁定在丝杠导轨上。
[0010] 所述排探针由40P排针和杜邦彩排线构成，排针为单排长针，针的间距为2. 54mm， 针长30mm，杜邦彩排线为40P彩排线。
[0011] 所述步进电机的步距角为1. 8°，丝杠导轨的丝杆导程为4mm，脉冲周期为2mS，排 探针在坚直方向移动0. 02mm。
[0012] 所述电场测绘软件按下述流程运行： (1) 开始； (2) 设置通信1参数和通信2参数；设置通信1参数，点击后在串口设置界面选择 C0M1 ;设置通信2参数点击后在串口设置界面选择COM3 ; (3) 选择扫描方式； (4) 设置采样周期； (5) 画图； (6) 保存； (7) 结束。
[0013] 采用上述技术方案的有益效果：传统的静电场描绘仪工作时需要寻找等位点，通 常的做法是用连接伏特表的探针在被测模拟场内逐处测量，一边移动探针一边观察伏特 表，当伏特表的读数为设定值时，停止移动探针，将该点标记在坐标纸上。然后重复上述操 作，直到点的数目足够多、能够大致描绘等势线的分布情况为止，所以，寻点的效率特别低。 本发明利用上位机通过采集卡直接量化和采集测量点的电势值，通过软件直接给出模拟场 的等势线分布图；利用单片机、步进电机驱动器，步进电机和丝杠导轨实现排探针位置的移 动，从而实现排探针的纵向扫描运动，以达到对模拟场一定区域(面积99. 06mmX99. 06mm) 处于边长为2. 54mm的方格网点的各点电势值的自动测量。在获得各点电势数据的同时，利 用软件进行画图，将不同位置的电势值在画图区域对应位置用不同的颜色来表示，从而得 到直观的彩色电势分布图。测试完毕，数据和图片可以保存和输出。不仅效率高，而且准确 度高。此外，本发明使用排探针直接测量各点的电势值，利用软件直接给出模拟场的等势线 分布图。输出的数据可以利用Origin软件或Matlab软件进一步分析和研究。和以往的 双层静电场描绘仪相比，从根本上克服了不同轴误差，避免了描绘结果与实际电场分布情 况之间的差别。排探针的扫描、数据的量化、采集、存储均实现了自动化，大大提高了数据采 集的效率。
[0014] 由于使用水作电解质，同以往的使用导电纸作电介质相比，不存在导电纸因导电 薄层涂抹不均匀，电极与导电纸接触不良和重复测量使导电纸破损等问题。同以往的使用 导电微晶作电介质相比，克服了导电微晶价格昂贵、易于损坏的弊端。
[0015] 本发明原理简单、成本低廉、容易操作、效果直观，完全可以取代传统的静电场描 绘方法，在模拟静电场的测量，教学和研究方面具有重要意义，具有一定的推广价值。
[0016] 本发明静电场描绘仪具体特点如下： 1、以一维扫描和排探针设计实现"二维扫描"。
[0017] 由于需要对一定区域内处于一定边长的方格网点的各点电势值进行测量，如果采 用单一探针，就必须让探针在该区域进行二维扫描。这需要用到XY-工作台，不仅成本升 高，而且对探针位置的控制难度加大，测试的效率降低。如果采用二维网格分布的探针阵 列，数据的采集将加大难度，成本也会增加。本发明利用一维扫描和排探针设计实现"二维 扫描"。排探针的40个针在横向等间隔排列，相当于一个针在横向取40个位置，所以，排探 针相当于一个针的横向扫描。再加上排探针整体在纵向的一维扫描，综合起来相当于一个 针的二维扫描。信号采集的控制和步进电机运动的控制都降低了难度，成本也下降了，大大 提高了数据采集的效率。
[0018] 2、用2个20路的采集卡取代40路或64路采集卡。
[0019] 选择用两个20路的RS485采集卡，这两个采集卡的输出端并联后通过RS485转 232双向转换器与上位机相连。不仅电路简单，成本低，而且保证了较高的数据采集效率。
[0020] 3、利用颜色表示数值。
[0021] 测试给出1600个测试点的数据，这些数据点分布在一个40行、40列的方格点阵 上，每一个点都有自己的横坐标、纵坐标和电势值。为得到模拟场的等势线，本发明利用软 件将电势值划分不同的段，每段用一种颜色标示，这样就得到一个彩色的等势线分布图样， 难度较小，效果直观。
[0022] 4、数据点排列和坐标纸相似。
[0023] 由于选用的步进电机的步距角为1.8°，丝杆的导程为4mm，因此，步进电机每 走一步，排探针在坚直方向移动〇. 〇2mm，脉冲周期为2mS，因此，选取数据采集周期为 4 -、2= 254m5。这样，所有的数据点将分布在边长为2.54_的方格网点上，和坐标 0,02 纸相似，便于理解和分析。
【专利附图】
【附图说明】
[0024] 下面结合附图对本发明的具体实例对本发明详细进行描述。
[0025] 图1本发明的系统原理图。
[0026] 图2本发明的排探针扫描系统结构示意图。
[0027] 图3本发明的软件流程图。
[0028] 图4本发明实施例的长直同轴柱形静电场等势线的描绘图。
[0029] 图5本发明实施例的两等量异种点电荷静电场等势线的描绘图。
[0030] 图6本发明实施例的聚焦电极静电场等势线的描绘图。
[0031] 图7用Origin软件处理数据得到长直同轴柱形静电场电势的三维图。
[0032] 图8用Origin软件处理数据得到长直同轴柱形静电场等势线分布图。
【具体实施方式】
[0033] 如图1所示的新型静电场描绘仪，主要由排探针扫描系统9、待测模拟场(水盒） 11、第一RS485数据采集卡2、第二RS485数据采集卡8、上位机3、STC89C52单片机4、步进 电机驱动器6、步进电机7、步进驱动电源5、12V稳压直流电源1和模拟场用稳压直流电源 10构成。第一、二数据采集卡选用长空电子生产的20路RS485采集卡，能同时实现20路 信号的转换。模拟场用稳压直流电源的正负极分别与待测模拟场(水盒）的两个电极相连， 水盒内注入适量清水，建立待测的模拟场。排探针的40根针依次与第一RS485采集卡和第 二RS485采集卡的40个模拟量输入端相连接。第一RS485采集卡的COM端和第二RS485 采集卡的COM端并联，然后连接到水盒和模拟场用稳压直流电源负极相连的接线柱上。第 一RS485采集卡的V+与第二RS485采集卡的V+并联后接到12V稳压直流电源的正极；第 一RS485采集卡的V-与第二RS485采集卡的V-并联后接到12V稳压直流电源的负极。第 一RS485采集卡的485G与第二RS485采集卡的485G并联后接到RS485转232双向转换器 的GND，第一RS485采集卡的485A+与第二RS485采集卡的485A+并联后接到RS485转232 双向转换器的T/R+，第一RS485采集卡的485B-与第二RS485采集卡的485B-并联后接到 RS485转232双向转换器的T/R-。RS485转232双向转换器的串口端与上位机的串口通过 九针串口线连接。
[0034] 如图2所示的排探针扫描系统，由STC89C52单片机4、步进电机驱动器6、步进电 机7,丝杠导轨18和步进驱动电源5构成，步进电机7与步进电机驱动器6连接，步进电机 驱动器6与步进驱动电源5连接，步进电机驱动器的PUL+和DIR+并联后接单片机的P40 口，步进电机驱动器的TOL- (PUL)接单片机的P8 口，步进电机驱动器的DIR- (DIR)接单 片机的P7 口，单片机的P20 口接地，单片机的P18 口与P19 口之间接一个11. 0592MHz的晶 振，单片机的P10 口和P11 口通过USB线与上位机的USB接口连接；所述排探针12的排列 方向与丝杠的轴向垂直，排探针12经横梁13与金属杆14连结在一起，金属杆14插入套筒 16中，由压紧螺栓15紧固，套筒16固定在磁力座17上，磁力座17利用磁力锁定在丝杠导 轨18上。所述排探针由40P排针和杜邦彩排线构成，排针为单排长针，针的间距为2. 54mm， 针长30mm，杜邦彩排线为40P彩排线。所述步进电机的步距角为1.8°，丝杠导轨的丝杆导 程为4mm，脉冲周期为2mS，排探针在坚直方向移动0. 02mm。
[0035] 图3为本发明的软件流程图，上位机中安装电场测绘软件，该电场测绘软件按下 述流程运行： 1、 开始； 2、 设置通信1参数和通信2参数；设置通信1参数，点击后在串口设置界面选择C0M1 ; 设置通信2参数点击后在串口设置界面选择COM3 ; 3、 选择扫描方式； 4、 设置采样周期； 5、 画图； 6、 保存； 7、 结束。 实施例
[0036] 利用本发明的新型静电场描绘仪和控制方法，分别采集长直同轴柱形电极模拟 场，两等量异种点电荷模拟场和聚焦电极模拟场的数据，水盒电极所加电压依次为9. 9V，6V 和 6. 5V。
[0037] 测试结果 按照上述测试条件，采用本发明的新型静电场描绘仪描绘模拟场的等势线分布图。上 位机软件给出的等势线分布分别如图4,图5和图6所示。
[0038] 将本发明的新型静电场描绘仪保存的数据用Origin软件处理，可得到三种模拟 场的电势三维图和等势线分布。其中，长直同轴柱形静电场的电势三维图如图7所示，等势 线分布如图8所示。比较可知，上位机软件给出的模拟场的等势线分布图与Origin软件处 理得到的等势线分布图反映的规律是一样的，只不过，Origin软件给出的等势线的条数更 多、曲线更平滑。
【权利要求】
1. 一种新型静电场描绘仪，由数据采集系统、排探针扫描系统、上位机三部分构成，电 场测绘软件安装在上位机中，所述数据采集系统采集排探针扫描系统探测的电压信号，并 传输至上位机，其特征在于：所述数据采集系统由排探针、第一RS485采集卡、第二RS485采 集卡、RS485转232双向转换器、待测模拟场，12V稳压直流电源和模拟场用稳压直流电源组 成；排探针共有40根探针，编号依次为1、2、3……40,其中，1-20号探针分别与第一 RS485 采集卡的模拟输入端4預1-20连接；21-40号探针分别与第二1?485采集卡的模拟输入端 AIN1-20连接；12V稳压直流电源为第一 RS485采集卡和第二RS485采集卡供电，第一 RS485 采集卡的485G与第二RS485采集卡2的485G并联后接到RS485转232双向转换器的GND， 第一 RS485采集卡的485A+与第二RS485采集卡的485A+并联后接到RS485转232双向转 换器的T/R+，第一 RS485采集卡的485B-与第二RS485采集卡的485B-并联后接到RS485 转232双向转换器的T/R- ;RS485转232双向转换器的串口端与上位机的串口连接；待测模 拟场置于描绘平台上，待测模拟场的两个接线柱分别与模拟场用稳压直流电源的正负极连 接，待测模拟场为电解液模拟静电场；第一 RS485采集卡的COM与第二RS485采集卡的COM 并联后接到模拟场用稳压直流电源的负极上； 所述排探针扫描系统由单片机、步进电机驱动器、步进电机，丝杠导轨和步进驱动电源 构成，步进电机与步进电机驱动器连接，步进电机驱动器与步进驱动电源连接，步进电机驱 动器的TOL+和DIR+并联后接单片机的P40 口，步进电机驱动器的PUL- (PUL)接单片机的 P8 口，步进电机驱动器的DIR-(DIR)接单片机的P7 口，单片机的P20 口接地，单片机的P18 口与P19 口之间接一个11. 0592MHz的晶振，单片机的P10 口和P11 口通过USB线与上位机 的USB接口连接；所述排探针的排列方向与丝杠的轴向垂直，排探针经横梁与金属杆连结 在一起，金属杆插入套筒中，套筒固定在磁力座上，磁力座利用磁力锁定在丝杠导轨上；所 述电场测绘软件按下述流程运行： (1) 开始； (2) 设置通信1参数和通信2参数；设置通信1参数，点击后在串口设置界面选择C0M1 ; 设置通信2参数点击后在串口设置界面选择COM3 ; (3) 选择扫描方式； (4) 设置采样周期； (5) 画图； (6) 保存； (7) 结束。
2. 根据权利要求1所述的新型静电场描绘仪，其特征在于：所述排探针由40P排针和 杜邦彩排线构成，排针为单排长针，针的间距为2. 54mm，针长30mm，杜邦彩排线为40P彩排 线。
3. 根据权利要求1所述的新型静电场描绘仪，其特征在于：所述步进电机的步距角为 1. 8° ,丝杠导轨的丝杆导程为4mm，脉冲周期为2mS，排探针在坚直方向移动0. 02mm。
【文档编号】G09B23/18GK104408997SQ201410618970
【公开日】2015年3月11日 申请日期:2014年11月6日 优先权日:2014年11月6日
【发明者】石明吉, 王生钊, 刘忠超, 丁淑娟, 郝清海 申请人:南阳理工学院