全自动静电场测量仪的开发与测试

石明吉　宋金璠　陈兰莉　罗鹏晖

(南阳理工学院电子与电气工程学院，河南 南阳　473004)



全自动静电场测量仪的开发与测试

石明吉宋金璠陈兰莉罗鹏晖

(南阳理工学院电子与电气工程学院，河南 南阳473004)

针对传统静电场测量仪存在的不同轴误差、人工找等位点效率低、数据不便于分析等缺点，设计了以上位机为核心控制单元的全自动静电场测量仪。结合采集卡、单片机、步进电机驱动器、步进电机等硬件，实现了模拟场电势数据的自动采集和存储。同时，采用颜色表示数值范围的方法，形象地显示了静电场等势线的形状，从而得到了直观的彩色电势分布图。实际应用表明，该测量仪完全消除了不同轴误差，具有测量速度快、精度高、显示形象、操作简便等优点。

静电场测量仪上位机采集卡单片机步进电机自动化模拟

Emulation

0　引言

静电场测量仪按照导电介质的不同，可分为导电纸静电场测量仪、电解液静电场测量仪和导电玻璃静电场测量仪三种；按结构不同，可分为双层测量仪和单层测量仪两种。目前很多高校的实验课大都使用双层结构的静电场测量仪来描绘、模拟静电场[1-6]。

传统的静电场测量仪在描绘静电场时，往往存在以下问题。①人工寻找等位点效率低；②现有仪器连接上下两探针的固定手柄座与实验台产生很大的摩擦力，在移动时会产生测量误差；③当描绘过程有转动时，在坐标纸上所描的等位点就会与实际电场分布情况之间产生误差，即“不同轴误差”[7]。

为解决上述问题，本文开发了一种全自动静电场测量仪，从根本上消除了不同轴误差，大大提高了数据采集的效率。该仪器能实时、自动地描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。

1　仪器的构成与工作原理

1.1电场描绘

由电磁学理论可知：稳恒电流场的电流密度与静电场的电场强度所遵从的物理规律具有相同的数学形式，即两者的电势分布方程相同；静电场的电场线和等势线与恒定电流场的电流密度矢量和等势线有相似的分布。所以，可以用稳恒电流场中的电位分布来模拟静电场的电位分布[8-9]。

由电磁学理论可推知：同轴柱形电缆的稳恒电流场的电势分布与无限长均匀带电同轴圆柱面的静电场的电势分布形式相同，都可以表示为[10-13]：

(1)

式中：a、b为电缆的内、外半径(a=4.91 mm，b=50 mm)；r为场点到圆柱形电极中心轴线的距离；U0为中心圆柱形导体与外层圆筒导体之间的电势差。

本静电场测量仪以上位机为控制核心，由2个RS-485采集卡采集各排探针的电势值，通过STC89C52单片机和步进电机驱动器控制步进电机的转动，并利用步进电机带动丝杠导轨，以实现排探针的纵向扫描运动。该静电场测量仪实现了对模拟场一定区域(99.06 mm×99.06 mm)中，边长为2.54 mm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，在画图区域的对应位置，用不同的颜色来表示不同位置的电势值，从而得到直观的彩色电势分布图。测试完毕后，该静电场测量仪可以保存和输出数据和图片。

1.2仪器硬件结构

全自动静电场测量仪需要模拟排探针的扫描以及数据的采集、显示和存储。在此过程中，要确定排探针的位置和电势数据，同时还要在绘图区域绘制位置颜色与电势值的实时关系图。全自动静电场测量仪硬件部分的功能为：利用步进电机+滚珠丝杠的直线传动装置，确定排探针的扫描和探测点位置；利用上位机、采集卡和排探针，获得各探测点的电势数据。

根据各硬件功能的设计思路，全自动静电场测量仪的结构如图1所示。

图1　测量仪硬件结构图Fig.1　Hard ware structure of measuring instrument

全自动静电场测量仪主要由排探针扫描系统、水盒、数据采集卡1、数据采集卡2、上位机、单片机、步进电机驱动器、步进电机、电源1、电源2、电源3等部分构成。数据采集卡选用20路RS-485采集卡，能同时实现20路信号的转换。电源3的正、负极分别与“水盒”的2个电极相连，在水盒内注入适量清水，建立待测的模拟场。排探针的40根针依次与采集卡1和采集卡2的40个模拟量输入端相连接。采集卡1的COM端和采集卡2的COM端并联，然后连接到“水盒”和电源3负极相连的接线柱上。RS-485采集卡1的V+与RS-485采集卡2的V+并联后，接到电源2的正极；RS-485采集卡1的V-与RS-485采集卡2的V-并联后，接到电源2的负极。RS-485采集卡1的485G与RS-485采集卡2的485G并联后，接到RS-485转232双向转换器的GND；RS-485采集卡1的485A+与RS-485采集卡2的485A+并联后，接到RS-485转232双向转换器的T/R+；RS-485采集卡1的485B-与RS-485采集卡2的485B-并联后，接到RS-485转232双向转换器的T/R-。RS-485转232双向转换器的串口端与上位机的串口通过9针串口线连接。

1.3仪器软件系统

全自动静电场测量仪的软件流程如图2所示。

图2　测量仪软件流程图Fig.2　Software flowchart of measuring instrument

上位机控制系统采用C语言编程，通过步进电机驱动器控制步进电机的转动，并利用步进电机带动丝杠导轨运动，从而实现排探针的运动；通过RS-485采集卡获得排探针的电势数据，采用软件绘制出电势分布的直观图像，并保存数据和图像。

系统使用C语言搭建用户界面。试验人员通过界面，可以实现采集卡串口、电机串口、测量周期、点动测量、自动测量、数据的保存等功能。通过C语言调用Excel的动态链接库，可以将试验测得的数据保存为Excel文件，以便后续分析和研究。

2　试验结果

利用新型静电场测量仪，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9.9 V、6 V和6.5 V。

将新型静电场测量仪生成的Excel数据用Origin7.5软件处理，可得模拟场电势分布的三维彩色映射表面图和彩色填充等高线图，分别如图3～图5所示。

图4　两均匀带电长柱形带电体的模拟场电势分布图Fig.4　The potential distribution of the emulated field for two long cylindrical uniformly charged bodies

图5　聚焦电极模拟场的电势分布图Fig.5　The electric potential distribution of focusing electrode simulation field

3　结束语

本文以上位机为核心控制单元，结合采集卡、单片机、步进电机驱动器、步进电机等硬件，设计了全自动静电场测量仪，实现了模拟场电势数据的自动采集、显示和存储。测试结果表明，全自动静电场测量仪能消除不同轴误差，实现了排探针扫描和数据采集的自动化，大大提高了数据采集的效率。在数据采集的同时，上位机软件能自动保存数据，以便后续分析。试验证明，该测量仪测量速度快、精度高、操作简单。

[1] 代伟,徐平川,陈太红,等.对模拟法静电场描绘仪实验装置的几点改进[J].计量与测试技术,2011,38(4):36-37.

[2] 李汉军,郑晓慧,袁晓梅.模拟法测静电场实验的改进[J].哈尔滨师范大学学报(自然科学版),2013,29(2):38-40.

[3] 程方锐,吕砚荻,张瑞杰,等.静电场模拟描迹实验的误差分析和仪器改进[J].大学物理实验,2012,25(3):103-106.

[4] 贾福荣.静电场描绘实验仪的主要误差分析[J].内蒙古科技与经济,2002(4):59-59.

[5] 赵敏,强晓明,章韦芳,等.一种新型的模拟静电场测绘仪器[J].大学物理,2013(11):30-32.

[6] 丁红伟,任常愚,尹向宝,等.模拟静电场虚拟实验的设计开发[J].高师理科学刊,2014(4):94-98.

[7] 杨少波,文景,严饮云,等.一种新型模拟静电场描绘仪[J].大学物理实验,2001,14(2):40-42.

[8] 方涌.浅谈“电流场模拟静电场”实验中的二场的比拟[J].大学物理实验,2000,13(1):33-35.

[9] 冯元新，李明.关于用稳恒电流场模拟静电场原因的探讨[J].杭州应用工程技术学院学报,2000,12(3):1-4.

[10]代伟.静电场描绘仪的改进[J].大学物理实验,2011,24(3):42-44.

[11]孙丙西,哈宝达,王宏宇.静电场描绘实验的探讨[J]． 内蒙古民族大学学报(自然科学版),2002,17(2):23-27．

[12]饶益花,高真辉,刘钰薇,等.一体化静电场描绘仪研制[J].南华大学学报(自然科学版),2011,25(3):54-57.

[13]陈兰莉,肖东岳,石明吉.用模拟法描绘静电场实验的教学方法探讨[J].南阳理工学院学报,2010,2(2):122-124.

Development and Test of the Fully Automated Measuring Instrument for Electrostatic Field

Against the disadvantages of traditional electrostatic field plotter,such as non-coaxial error,low efficiency of manual searching equipotential point,and the data hard to analyze,etc.,the fully auto mated measuring instrument for electrostatic field is developed by using PC as the central control unit.Combining with acquisition card,single chip computer,driver of stepper motor and stepper motor,the automatic acquisition and storage for the potential data of the emulated field are realized.In addition,for figuratively displaying the shape of equipotential lines of electrostatic field,the method of using color to represent numerical range is proposed,and thus the intuitive color potential distribution map is obtained.The practical application shows that this measuring instrument eliminates the non-coaxial error,and provides advantages of high measuring speed,high accuracy,figurative display and simple and convenient operation.

Electrostatic fieldMeasuring instrumentHost computerAcquisition cardSingle chip computerStepper motorAutomation

石明吉(1974—)，男，2009年毕业于中国科学院半导体研究所微电子学与固体电子学专业，获博士学位，副教授；主要从事大学物理实验教学和电子测量技术方向的研究。

TH7;TP274+.1

ADOI:10.16086/j.cnki.issn 1000-0380.201610021

河南省高等学校教师教育精品资源共享课程建设基金资助项目(编号：豫教〔2013〕136号)；

河南省教师教育课程改革研究基金资助项目(编号：豫教〔2014〕615号)。

修改稿收到日期：2016-01-04。