法拉第电磁感应测量仪(一)

详细内容

在现行的高中物理课本中，电磁 感应实验一般用图1所示的实验 装置进行实验的。当我们插入或者拔 出磁铁，电流表就有指示，电流表不 但能显示电流的大小，也能够显示出 电流的方向（指针的偏转方向）。这 个实验的缺点也是非常明显的，一是 不能定量显示磁铁的插入速度和电流 大小的正比关系，二是显示的数据只 是一个瞬间，不能精确地把最大值读 出。笔者设计的电磁感应定量测试仪 不但解决了上述缺点，还增添了新的 功能。

一 法拉第电磁感应原理简介

法 拉 第 电 磁 感 应 定 律 表 达 式 : E =n DF/Dt，式中DF=DB·S，n为线圈的匝数，而Dt与磁铁的插入速度有关，速度越大，Dt越小。

二 测试仪的结构设计和试验方法

电磁感应定量测试仪的结构如图 2所示，它主要由底座、支架、滑道、 线圈等组成。我们按照1：4：9的比值 在滑道上刻上了刻度，实验时，把电 磁铁放在滑道的某一刻度位置松手， 在重力的作用下，加速下滑，磁铁到 达线圈，磁铁切割磁力线产生感应电 动势。在滑道上下滑时的加速度是 a =gsinq-mgconq，根据运动学公式 n 2=2as可以推出当磁铁分别在1、4、 9刻度下滑，到达线圈的速度是之比是 1：2：3。由此我们可以验证E与Dt成 反比。在这里速度之比与滑道摩擦力 大小没有关系，所以我们对滑道的粗 糙程度不需要处理，只要处处保持一 样就可以了。线圈有3个绕组，如图3 所示。3个绕组的匝数是一样的，由此 我们可以验证E 与n 成正比。我们做这 个实验的时候，还可以把两块磁铁绑 在一块来做实验，由此可以证明E 与 DF成正比。

三 测试仪的电路设计及工作原理

电磁感应定量测试仪电路如图4所示，主控单片机选用高性能、低功耗 的8位 ATmega16单片机，它具有如下特 点：16KB的系统内可编程Flash；512B EEPROM；1KB SRAM；32个通用I/O口 线；32个通用工作寄存器；3个具有比 较模式的灵活的定时器/计数器(T/C)； 可编程串行接口；低功耗空闲和掉电 方式等。ATmega16还有两个具有可编 程增益（1×, 10×, 或200×）的AD差 分通道。

本测试仪就是用到了可编程增益 10×的AD差分通道，R12～R16组成差 分输入电路，R18和C1是差分电路的退 耦滤波电路，L2就是图3中的线圈。系 统5V电源经过L1、C3滤波后到AV， 这样就能很好的抑制掉系统电源中的 高频噪声，提高了AV的稳定性。 ADC的参考电压源采用AV，电容C4 并接在AREF和地之间也进一步提高了 参考电压的稳定性。

DS1是4位数码管，R1～R8是限流 电阻，数码管的第一位的G段用来显示 电流的正负，电流为正不显示，电流 为负则G段点亮。 R17和C2组成单片机的复位电 路，由于不需要精确的定时，所以我 们没有用外部晶体振荡器，而是采用

单片机内部的LC振荡器，这样也降低 了制作成本。 S1是测量按键，按一次开始测 量，再按一次数据清零，为一次测量 做好准备，R11是它的上拉电阻，S2是 备用的按键，VD3是AD转换指示LED。

图 5是由VD1、C5、C6、C7、 IC2组成的稳压电路，提供5V的工作电 源。VD2是电源工作指示电路。图6是 实际显示的效果。

单片机程序设计

笔者在这里重点说一下模数转 换采集程序的设计。编译器用的是 WINAVR，即G。 当ADC转换完成后，可以读 取ADC寄存器的ADC0～ADC9得到 ADC的转换结果。一旦开始读取 ADCL后，ADC数据寄存器就不能被 ADC更新，直到ADCH寄存器被读 取为止。因此，如果结果是左对齐 （ADLAR=1），且不需要大于8位 的精度的话，仅仅读取ADCH寄存器 就足够了。否则，必须先读取ADCL 寄存器 ， 再读取 ADCH 寄存器 。 ADMUX寄存器中的ADLAR位决定了 从ADC数据寄存器中读取结果的格 式。如果ADLAR位为"1"，结果将 是左对齐；如果ADLAR位为"0" （默认情况），结果将是右对齐。 我们选择内部参考源（AV、 2.56V）作为ADC的参考电压，所以 ADMUX寄存器的位REFS1、REFS2都设 定为1。由于线圈的输出电压大约是几 个毫伏到几百个毫伏，我们选择差分 的放大倍数是10，用来显示数据是4个 数码管，其中有一位是显示电流方向 的，实际用来显示的只有3位 ，这样正 好显示测量到的数据。

单片机采集数据的程序如下：

程序说明：我们采用的是查询的 方法来采集AD数据的，每2ms调用一 次这个函数，也就是说2ms采集一次数 据。当切换到差分增益通道，由于自 动偏移抵消电路需要沉积时间，第一 次转换结果准确率很低,最好舍弃第一 次转换结果。