无线遥控活塞式多速率显示电磁炮演示仪

祝孝正,郝 伟,王 丽

(北京工业大学应用数理学院,北京100124)

1 引 言

传统火炮利用火药的化学能来击发炮弹,而电磁炮则是利用强脉冲电磁力代替火药的爆炸力来发射炮弹.大学物理演示实验教学中,电磁学内容在课程中占有一定比重,参照电磁炮造型,应用电磁学理论、机械力学及电子技术研发了无线遥控活塞式多速率显示电磁炮演示仪,它既有实验性又具有趣味性,能演示电磁场力又可显示弹道的速率,丰富了演示实验教学内容,可以用于物理电磁学部分的演示实验教学及电磁力等特性的分析.

2 基本原理

图1 电磁炮演示仪外形结构

电磁炮演示仪结构如图1所示,它是利用可滑动的金属制动活塞与通电线圈内的磁场相互作用原理而设计,又可称为同轴螺线管线圈炮,主要由加速螺线管线圈和金属制动活塞构成.加速螺线管线圈固定在炮管中,当它通入瞬变电流时,线圈中的瞬间变化磁场引起很大的磁通变化率,所产生磁场力就会与管内的金属制动活塞互相作用,使活塞加速运动撞击炮弹(乒乓球),并将其发射出去.

3 电路控制系统

无线遥控活塞式多速率显示电磁炮演示仪由炮管、炮座、活塞击发装置(螺线管线圈、金属制动活塞、光电传感器)、高压储能电容器及控制电路组成.

电路系统由2个部分组成:编码无线遥控调制发射控制器,解码控制执行系统.系统原理如图2所示.

图2 电磁炮演示仪系统原理图

4 编码调制无线发射控制系统

四路功能A,B,C,D控制开关信号,送到编码器 VD5026集成电路进行数字编码,组件VD5026编码器一共有12个地址码,将其中4个地址码0～4(0001～0100)用于以上功能的编码.1为低速发射控制,2为高速发射控制,3为速度表复位清零,4为炮管俯仰升降控制.

经过载波调制器RF-01T无线集成组件,将控制编码信号加载到315 M Hz的高频振荡器上,进行载波调制经由天线以电磁波的形式发射到空间.编码调制电路如图3所示.

图3 编码调制电路

5 解调译码控制

当无线遥控操作指令被天线接收,控制编码载波信号进入RF-01接收集成组件进行整形放大,再经译码VD5027集成电路解调译码去驱动4路继电器J控制组成的4组开关,每一组开关将完成各自功能控制.接收译码电路如图4所示,图中只绘有1个开关1电路,其他3个相同电路开关接在组件对应的端点上.

图4 接收译码电路

6 活塞击发装置设计

本电磁炮演示仪的核心部件即为活塞击发装置,如图5所示,它是由螺线管线圈、金属制动活塞、弹簧、撞针所组成,其中螺线管线圈的参数及制作工艺质量的好坏将影响电磁炮的性能指标,要求金属制动活塞在线圈中快速的运动时间为LC放电的上升沿时间内为最佳,因此设计线圈在此期间内能产生较大的磁场力,致使活塞在磁场中产生最大的冲击力去驱动炮弹出膛.根据具体演示实验的效果要求,在设计制作中体现演示仪的直观趣味性、安全操作性、可靠性等,并要有一定的定量分析的功效,因此在优化设计中反复研究实验螺线管线圈在放电过程中强脉冲的瞬态特性,根据以上其特性要求以及金属制动活塞的质量及在炮管中的运动摩擦系数将决定螺线管线圈制作过程中线圈的线径和匝数.

图5 螺线管线圈击发器

7 LRC充放电系统的调整

电磁炮演示仪的核心部件为活塞击发装置,而制动伺服驱动活塞击发装置则是电路中的最重要环节,其电路的最基本工作电路即为LRC充放电系统.

电磁炮演示仪的性能优劣主要取决于LRC充放电系统的最佳合理设计及调整,充放电系统由螺线管线圈L,充电电阻 R,充放电电容器 C组成,其电路的基本原理如图6充放电路所示.

图6 充放电路

LRC充放电路原理在物理电磁学中为最精典形式,它实际上是 RC充电,LC放电过程,当电源 E经电阻R给储能电容C充电,而充满电后的储能电容C经电感(螺线管线圈)L放电.

本演示仪所选用的电路元件电感L、电阻 R、电容 C是经反复设计实验的关键部件,其中电感L选用线径为0.68 mm的高强度质量的漆皮线,在直径为32 mm高绝缘强度的有机玻璃管精密绕制180～260匝.

高压储能电容C是反复充放电的重要部件,其放电瞬间电流可高达100 A,因此对其技术性能有较高的要求.经反复设计实验高压储能电容C选用耐压450 V,电容量为3 300μF的电解质电容器.而在本演示仪上选用体积较小的电容器为好,在设计实验中将LRC充放电系统分为2个能量环路即可演示多种能量激发和显示速率,实际工作充放电电路如图7所示.Ja和Jb为快速继电器的一组常开常闭的接触开关,由于LRC充放电系统的特性,要求继电器开关有较高的开关响应速度,较高的直流耐压,较高的瞬态电流密度.

图7 实际充放电路

8 多速率弹道显示

根据无线遥控活塞式多速率显示电磁炮演示仪的设计要求,随着现代科技的发展创新,演示仪不应仅仅局限某种物理学现象的简单定性的解释演示,而还应具有多种物理学现象的定量研究分析功能.本电磁炮演示仪基于物理电磁学中的电磁力的直观原理定性演示,还设计了电磁炮管的俯仰角度的自动控制系统,将用于电风扇的慢速正反转交流电机(36 r/min)与机械丝杠调节机构组成电磁炮管的俯仰角度的自动控制系统,当电机顺时针旋转电磁炮管俯仰角度上升,反之为下降.这样的设计可用于观测弹道的轨迹、速度与距离的关系.它的升降功能是由无线遥控开关操控的,演示时简单便捷.

本电磁炮演示仪的特色亮点功能之一即为多种速率显示,它是由光电传感器、速率显示表、编码复位清零系统所组成,在电磁炮管出口端装置有光电传感器,当炮弹(乒乓球)被撞击出膛,光电传感器可随机测验出多种弹道的初始脉冲时间,炮弹直径d s与脉冲时间d t之比即为此时的瞬态速率d v=d s/d t.

由于电磁炮演示仪设计装置了较精确的多功能速率显示表,既可直观显示瞬态炮弹的初速度,又具备可多重数据的定量研究分析,以便更精准地解释演示物理的原理特性.

9 结束语

本文介绍了一种无线遥控活塞式多速率显示电磁炮演示仪的研发过程,它结合了机械加工、电子电路技术、数字编码、解码、无线通讯等技术完成的一件物理演示实验装置,它是艺术结构造型与现代科学技术结合的产物.该演示实验装置立意新颖,具有较好的演示特性,操作简便安全可靠,演示效果直观明显.电磁炮演示仪的所有功能均为无线编码控制,如电磁炮的充电、放电、速度选择、速度表的复位清零以及电磁炮管的俯仰控制.由于演示仪采用新颖的有机玻璃的艺术结构造型,所有功能部件均为通体透明一目了然,在物理演示实验教学中容易激发学生的学习兴趣,使学生感观思维焕然一新,增强了物理演示实验的感染力,提高了物理演示的精确度和可信度,丰富了物理演示内容,在教学演示实验中收到良好的教学效果.

注:该演示实验仪已荣获2009年“全国高等学校第9届物理演示实验教学研讨会”教学仪器评比三等奖.

[1] 张三慧.物理学[M].北京:清华大学出版社,2001.

[2] 康华光.电子技术基础[M].北京:人民教育出版社,1979:376-380.