电磁感应与磁悬浮实验误差来源分析及改进措施*

韩智超 刘艳峰

(延安大学物理与电子信息学院 陕西 延安 716000)

磁悬浮是一系列技术的统称,包括借助磁力的方法悬浮、导引、驱动和控制等技术,其主要基本原理是电磁感应[1].随着科学技术的不断进步和人们对高速、高效、环保交通方式的追求,磁悬浮技术得到了广泛的应用[2].电磁感应与磁悬浮实验作为磁悬浮技术的基础,其准确性和稳定性对磁悬浮技术的发展至关重要[3-4].在研究电磁感应与磁悬浮实验的过程中,主要研究了导体在磁场中运动产生的磁牵引力、磁悬浮力等磁悬浮现象的规律,然后通过数据拟合得出经验公式.本文从电磁感应与磁悬浮实验中可能存在的误差入手,发现在该实验中存在的主要问题是当铝盘在手动设定升速的实验过程中,数字仪表的数显不稳定,导致读数不容易确定,给实验操作过程带来不便,同时也给实验结果带来较大的误差.针对这一问题,本文利用智能手机的录像功能,对实验操作过程和数字仪表记录数字的过程进行了改进.

1 实验装置

电磁感应与磁悬浮实验装置是由武汉光驰教育科技股份有限公司研制的GCDC-A型实验仪,由光电传感器、力传感器、铝盘、步进电机、底座和支架等组成,如图1和图2所示.

图1 铝盘、磁悬浮测试组等组件图

图2 控制终端仪器图

2 实验原理

楞次定律表明感应电流的磁场总要阻碍引起感应电流磁通量的变化[5],法拉第[7]于1831年发现,当一个导体处于变化的磁场中时,导体内部会产生感应电动势,这个电动势的大小与磁场的变化速率有关.具体来说,当一个导体(可以是一根导线、一个线圈或一个回路)被置于变化的磁场中时,磁场的变化会导致在导体内部产生电场.如果导体是一个回路,这个电场将会产生一定的电流,从而形成一个感应电动势.法拉第电磁感应定律用公式表示为

其中,E表示感应电动势,dΦ表示通过导体的磁通量改变量,dt表示时间的变化量.

3 误差来源分析及改进措施

在该实验中存在的主要问题是铝盘在每次手动设定升速时,铝盘和轴承转速不稳定,导致了数字仪表的数显不稳定,最终读数不容易确定,给实验操作过程带来不便,也给实验结果带来较大的误差.究其原因主要是实验要求测试员从最小频率开始,逐级加大脉冲频率直到最大频率为止.测量者手动设定升速的过程是个间断的不连续的过程,所以导致铝盘旋转速度也是个非线性提升的过程,数显仪表读数很难稳定下来.在这种转速提升模式下进行数据测量,每一次转速提升都会有一个误差的存在.

经过分析,减小误差的主要办法是稳定铝盘和轴承的转速,常规方法是通过足够长的时间来稳定铝盘和轴承的转速,但这种办法是有弊端的,第一是耗时太多,而该实验要研究的点较多,严重影响了实验的进度;第二是即使耗时很多,该实验受外界环境影响较大,最终数显还是不能很好的稳定下来,读数还是要人为的、主观的去选择数据进行记录.为了从根本上解决这一问题,提出如下改进措施.

(1)先将铝盘的转速一次性提升至实验仪器转速设定上限即600 rpm;

(2)按动启停按钮,让铝盘转速自然逐级下降.并且用视频记录转速下降时控制终端显示面板上的数据变化过程;

(3)通过回放观看手机视频,记录不同转速对应的实验数据,并且将视频记录的数据填入数据表格.

4 改进前后的测量数据及处理

磁铁与铝盘间的横向位置保持不变,沿铝盘的直径方向,纵向距离保持不变,距离铝盘中心为15 mm的情况下,测量了改进前和改进后铝盘不同转速下的磁牵引力、磁悬浮力.

(1)改进前后磁牵引力与铝盘转速关系的测量数据如表1和表2所示.

表1 改进前的磁牵引力与铝盘转速关系数据

表2 改进后的磁牵引力与铝盘转速关系数据

改进前测量数据不容易确定,所以读数较少,改进后的方案记录数据比较容易,所以数据较多,但不影响二者的定性和定量比较,将改进前后的测量数据利用Excel进行二项式拟合[7]数据处理,拟合结果如图3所示.

由图3可以明显地看出,改进后的测量数据更加集中,线形更好,实验数据拟合的函数图像与数据散点更贴合,数据的离散度也比改进前的实验数据要低.

图3 改进前后磁牵引力与铝盘转速的关系图对比

(2)改进前后磁悬浮力与铝盘转速关系的测量数据如表3和表4所示.

表3 改进前磁悬浮力与铝盘转速关系数据

表4 改进后磁悬浮力与铝盘转速关系数据表

改进前测量数据不容易确定,所以读数较少,改进后的方案记录数据比较容易,所以数据较多,但不影响二者的定性和定量比较,将改进前后的测量数据利用Excel进行二项式拟合数据处理,拟合结果如图4所示.

图4 改进前后磁悬浮力与铝盘转速的关系图对比

由图4可以明显地看出,改进后的测量数据更加集中,线形更好,实验数据拟合的函数图像与数据散点更贴合,数据的离散度也比改进前的实验数据要低.

5 结束语

本文结合智能手机的录像功能,对实验操作过程和数字仪表记录数字的过程进行了改进.过去对铝盘多次手动设定升速的过程中导致铝盘转速和轴承转速不稳定,使得数显仪读数不稳不容易确定,针对这一问题提出了改进,具体就是一次性将铝盘的转速升到最高,然后让其自动降速,在自动降速的过程中利用智能手机的录像功能进行录像,最后通过回放录像记录数据.本文对改进前后的测量数据分别进行了多项式拟合处理并进行比对,发现改进后的实验数据误差更小,拟合方程曲线更贴近实验数据点,线形更好.这表明对数据误差的分析与针对误差的改进措施是正确的,这一改进措施不仅提高了实验的操作效率,也提高了测量数据的准确性.