[發(fā)明專利]一種基于二維坐標孔板的靜電場等勢線描繪器

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201811020737.4
• 申請日: 2018-09-03
• 公開（公告）號: CN109087567B
• 公開（公告）日: 2023-09-29
• 發(fā)明（設計）人: 石明吉;石月;秦佳瓊;李波波;王飛
• 申請（專利權(quán)）人: 南陽理工學院
• 主分類號: G09B23/18
• 分類號: G09B23/18
• 代理公司: 鄭州紅元帥專利代理事務所(普通合伙) 41117
• 代理人: 秦舜生

本發(fā)明公開了一種基于二維坐標孔板的靜電場等勢線描繪器，包括二維坐標孔板、自動記錄數(shù)字電壓表、穩(wěn)壓穩(wěn)流直流電壓、直流電源、待測模擬場、探針，所述二維坐標孔板與待測模擬場固定連接，所述穩(wěn)壓穩(wěn)流直流電壓給待測模擬場供電，所述探針相連的導線接直流電源電壓表的+接線柱，直流電源電壓表的?接線柱與穩(wěn)壓穩(wěn)流直流電壓的負極相連，所述自動記錄數(shù)字電壓表探測端的信號輸入端與探針相連，自動記錄數(shù)字電壓表探測端的地與直流電源的負極連接，選擇直流電源的負極作為零電勢參考點。本發(fā)明能適用于各種不同的電介質(zhì)，測量結(jié)果準確，能自動記錄數(shù)據(jù)、方便、快捷、形象直觀，成本低，容易進行大規(guī)模推廣。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于電工電子測量設備領(lǐng)域，具體涉及一種基于二維坐標孔板的靜電場等勢線描繪器。

背景技術(shù)

靜電場描繪是國內(nèi)外高等院校普遍開設的物理實驗，目前中學也開設此實驗，由于直接描繪靜電場存在很大困難，而穩(wěn)恒電流場在導體中的分布規(guī)律—電流強度與電勢差的分布規(guī)律和靜電場中場強與電位差的分布規(guī)律可以用相同的數(shù)學關(guān)系式表達，所以通常是用穩(wěn)恒電流場來模擬靜電場。目前的靜電場描繪儀按照導電介質(zhì)的不同可分為：導電紙靜電場描繪儀、電解液靜電場描繪儀、導電玻璃靜電場描繪儀和導電微晶靜電場描繪儀，其中第一種是采用涂有石墨的導電紙作為電介質(zhì)，通過探針和定位針，實現(xiàn)定量記錄和數(shù)據(jù)分析；第二種是用水來代替導電紙作電介質(zhì)，方法是在一個透明的有機玻璃水槽中固定電極，然后在水槽中裝上適量的水，放到實驗架的下層進行實驗；第三種是用導電薄膜作電介質(zhì)；第四種是用導電微晶作電介質(zhì)。

用導電紙作電介質(zhì)存在的缺陷有：(1)導電紙上導電薄層涂得不均勻，導電紙電阻在各個方向均勻性較差，這樣電流場分布與被模擬靜電場分布不完全一樣，使得實驗準確度、重復性較差；(2)電極與導電紙的接觸不均勻，探針與導電紙的接觸會因人、因次數(shù)而異，使得接觸電阻不穩(wěn)定，影響描繪結(jié)果；(3)測量時，探針在導電紙上接觸移動且重復接觸，使得導電紙破損，這樣一方面直接影響導電紙的導電性能，影響實驗效果，另一方面影響導電紙的使用壽命，頻繁更換導電紙，加大了實驗成本；用導電玻璃作電介質(zhì)來代替導電紙作電介質(zhì)的缺點是導電玻璃價格貴，且導電玻璃易損壞；用導電微晶作電介質(zhì)是目前最好的選擇，用導電微晶不存在用導電紙、電解液、導電玻璃所存在的各種弊端，所以，用導電微晶作電介質(zhì)的靜電場描繪儀逐步普及開來。雖然用水來代替導電紙作電介質(zhì)存在一定的缺陷，如：(1)水電解產(chǎn)生氣泡附在電極表面，(2)水分子極化，產(chǎn)生束縛電荷影響模擬場，(3)需要換水，且水量對模擬效果有影響，但是，由于水價格便宜，便于取材，因此，用水做電解質(zhì)進行靜電場描繪的仍占有相當比例。

按結(jié)構(gòu)不同可分為雙層描繪儀和單層描繪儀兩種，目前很多高校實驗課所用的靜電場描繪儀大都使用雙層結(jié)構(gòu)的描繪儀來描繪模擬靜電場，現(xiàn)有儀器連接上下兩探針的固定手柄座質(zhì)量較大，與實驗臺的摩擦力很大，在移動時很難控制它的移動位置，尤其是從靜止到運動的瞬間和當電壓表讀數(shù)很接近參考待測位置電壓而需要微小調(diào)節(jié)時，很難控制準確，因而導致誤差較大，影響實驗效果，增加了實驗的難度。此外，雙層結(jié)構(gòu)的描繪儀容易產(chǎn)生“不同軸誤差”，當上下兩層的探針不在同一軸線上，如果描繪時沒有轉(zhuǎn)動，所得到的靜電場分布可以說是被測電場的平移，但是，要求描繪時沒有轉(zhuǎn)動是很困難的，有轉(zhuǎn)動時，在坐標紙上所描的等位點，就會與實際電場分布情況之間存在誤差，即“不同軸誤差”。

傳統(tǒng)靜電場描繪儀在描繪靜電場時，先要尋找等位點，而尋找等位點的方法是用伏特表通過描繪探針在被測電場范圍內(nèi)逐處測量，邊找邊觀察伏特表的讀數(shù)，當伏特表的讀數(shù)為設定值時，停下探針，然后將該點標記在坐標紙上。這種人工尋點的方法效率很低，雖然近年來出現(xiàn)了一些全自動靜電場描繪儀，但這些全自動靜電場描繪儀一般要使用步進電機，采集卡和絲桿導軌等，還要編寫相關(guān)的軟件，因此很難大規(guī)模推廣。因此，有必要開發(fā)一種新的靜電場描繪儀器，它要適用于各種不同的電介質(zhì)，測量結(jié)果準確，能自動記錄數(shù)據(jù)、方便、快捷，形象直觀，成本低，在最終的設計中，我們將設計出一款基于二維坐標孔板的靜電場等勢線描繪器，它解決了上述所有的問題。

發(fā)明內(nèi)容