基于等效测电阻的方法演示趋肤效应的演示仪技术

本发明专利技术公开一种基于等效测电阻的方法演示趋肤效应的演示仪，包括：箱体、与箱体连接的交互机和信号采集单元，箱体的内部设有信号发生器、与信号发生器电性连接的趋肤效应发生单元；交互机与信号发生器电性连接，通过交互机调整输入信号发生器中的信号参数；由信号发生器产生的信号流经趋肤效应发生单元，并在趋肤效应发生单元上发生趋肤效应，由信号采集单元采集所述趋肤效应发生单元的电信号，并输出数字化的波形图像以显示趋肤效应。本发明专利技术具有人机交互功能，在一定误差范围内能达到高精度和高可靠性的要求，提高了趋肤效应机理的表达显示直观性，克服了趋肤效应数学模型过于抽象、复杂和难理解的缺点。

A Demonstrator for Demonstrating Skin Effect Based on Equivalent Resistance Measurement

【技术实现步骤摘要】
基于等效测电阻的方法演示趋肤效应的演示仪
本专利技术涉及趋肤效应演示仪
，尤其涉及一种基于等效测电阻的方法演示趋肤效应的演示仪。
技术介绍
趋肤效应使得导体的电阻随着交流电的频率增加而增加，并导致导线传输电流时效率减低，耗费金属资源。在无线电频率的设计、微波线路和电力传输系统方面都要考虑趋肤效应的影响。现有的趋肤效应演示仪是由两根完全相同的圆形细铁柱和两个完全相同小电珠组成的，其中一个小电珠A焊接在两根细铁柱的轴线上，另一个B对称焊接在外表上。演示初始时，A灯和B灯亮度相同；随着输入流率不断大，A灯亮度逐渐变暗，直至熄灭；而B灯亮度却逐渐变亮，发生了明显的趋肤效应现象。而对初学者来说，上述实验装置在演示时很容易产生误导，对趋肤效应产生误解，建立一个错误的模型：(1)A灯和B灯亮度相同：误以为在低频情况下，电磁能是通过交变电流在导体内部传递的，并且电流均匀分布在铁柱横截面上；而实际上无论是直流电、交流电、还是无线电，能量的传输都是通过电磁场来完成的；(2)随着输入电流频率不断增大，A灯逐渐变暗至熄灭，而B灯逐渐变亮，误以为只有在高频时才会发生趋肤效应，低频时不发生；实际上趋肤效应的现象与输入电流频率高低和导体横截面积大小有关，当铁柱横截面足够大时，即使频率只有50HZ工频电流一样会发生强烈趋肤效应；(3)误以为交变电流产生的趋肤效应是一种电流从细铁柱的轴线开始逐渐向外表皮集中的效应；而实际的形成过程恰恰相反，发生趋肤效应现象时，电磁能不是从轴线逐渐向外表皮集中，而是经由电磁场从导体外表面向导体内部渗透，随着电流频率的增加，渗透深度越淡，趋肤效应越明显；(4)A灯熄灭，误以为电流己全部集中在外表皮上，细铁柱内部及轴线电流为零；实际由于趋肤效应作用导致穿入柱体内部的电磁场大大减弱，轴线电流密度变得很小，并非为零，只有理想导体(电导率为无穷大)才为零。因此，确有必要设计一款趋肤效应演示仪以解决上述技术问题。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术的实施例提供了一种基于等效测电阻的方法演示趋肤效应的演示仪，具有良好的人机交互功能，且在一定误差范围内能达到高精度和高可靠性的要求，提高了趋肤效应机理的表达显示直观性，克服了趋肤效应数学模型过于抽象、复杂和难理解的缺点。为实现上述目的，本专利技术采用了一种技术方案：基于等效测电阻的方法演示趋肤效应的演示仪，包括：箱体、与所述箱体连接的交互机和信号采集单元，所述箱体的内部设有信号发生器、与所述信号发生器电性连接的趋肤效应发生单元；所述交互机与信号发生器电性连接，通过所述交互机调整输入所述信号发生器中的信号参数；由所述信号发生器产生的信号流经所述趋肤效应发生单元，并在所述趋肤效应发生单元上发生趋肤效应，由所述信号采集单元采集所述趋肤效应发生单元的电信号，并输出数字化的波形图像以显示趋肤效应。进一步地，所述交互机包括：显示屏和键盘，通过所述键盘调整输入所述信号发生器的电流，通过所述显示屏显示结果。进一步地，所述显示屏采用LCD液晶屏。进一步地，所述信号采集单元包括：显示区和按键区，通过所述显示区显示数字化的波形图像，通过所述按键区控制所述信号采集单元。进一步地，所述信号发生器包括：单片机、AD芯片、放大电路、乘法器、除法器，用以将模拟信号转换为数字信号。进一步地，所述信号发生器是基于STM32的单片机。进一步地，所述趋肤效应发生单元为采用金属材料的自然导体。进一步地，所述趋肤效应发生单元采用若干个薄铁桶两端并联的结构。进一步地，所述薄铁桶同心、无底。进一步地，所述信号采集单元为示波器。本专利技术的实施例提供的技术方案带来的有益效果是：(1)趋肤效应现象更加直观，反映的物理过程更清晰和全面；(2)实现了测试、处理和显示的自适应集成，系统集成度高；(3)实验现象明显，演示和检测内容全面，精度可靠，分辨率高，可应用于实际场合的观察和检测。附图说明图1是本专利技术的基于等效测电阻的方法演示趋肤效应的演示仪的结构示意图；图2是本专利技术的基于等效测电阻的方法演示趋肤效应的演示仪的组成示意图；图3是本专利技术的基于等效测电阻的方法演示趋肤效应的趋肤效应示意图。图中：1-箱体，2-交互机，3-单片机，4-信号发生器，5-趋肤效应发生单元，6-信号采集单元，7-显示屏，8-键盘，9-显示区，10-按键区，11-AD芯片，12-放大电路，13-乘法器，14-除法器。具体实施方式为使本专利技术的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本专利技术实施方式作进一步地描述。如图1-2所示，本专利技术的实施例公开了一种基于等效测电阻的方法演示趋肤效应的演示仪，包括：箱体1、与所述箱体1连接的交互机2和信号采集单元6，所述箱体1的内部设有信号发生器4、与所述信号发生器4电性连接的趋肤效应发生单元5，所述信号采集单元6与所述趋肤效应发生单元5电性连接，所述交互机2与信号发生器4电性连接。所述交互机2包括：显示屏7和键盘8，操作人员可通过所述交互机2进行人为操作，通过所述键盘8手动输入相应的操作，例如，调整输入所述信号发生器4的信号参数(例如，电流、电压、频率)等，通过所述显示屏7显示和查看结果。优选的，所述显示屏7采用LCD液晶屏。所述信号发生器4为交流信号的发生源，将电信号转换成更容易储存、处理和发射的数字形式，将连续变化的模拟电信号转换为离散的数字信号，数字信号为所述信号采集单元6创造了稳定的输入流条件。所述信号发生器4包括：单片机3、AD芯片11、放大电路12、乘法器13、除法器14，所述单片机3通过驱动所述AD芯片11发生数模转换，以将模拟信号转换为数字信号，优选的，所述AD芯片11的型号为AD9851。所述放大电路12用以将输入的微弱信号(包括变化的电压、电流等)放大到所需的幅度值且与原输入信号变化规律一致的信号，所述乘法器13用以完成两个互不相关的模拟信号相乘作用，所述除法器14用以完成两个互不相关的模拟信号相除作用。优选的，所述单片机3是基于STM32的单片机，所述STM32单片机具备高性能、低成本、低功耗、可裁剪的特性，例如，其主频高达180MHz；集成RGB接口；自带ADC采样率可达2.8MSps。所述趋肤效应发生单元5为自然导体，也即所述演示仪的电阻，其导电性能好，趋肤效应比较明显，采用较为稳定的金属材料。通过所述信号发生器4所产生的信号，在所述趋肤效应发生单元5上发生趋肤效应。例如，所述趋肤效应发生单元5采用一种若干个薄铁桶(同心、无底)两端并联的结构，连在电路中，使用所述信号发生器4在所述趋肤效应发生单元5的两端加上不同频率的交流信号，然后使用所述信号采集单元6采集所述趋肤效应发生单元5的各个薄铁桶上的电流大小，并在所述信号采集单元6的显示区9上显示，由此显示出趋肤效应(参见图3)。实验现象为：随着交流信号的频率增加，薄铁桶从内到外的电流值变化为内部越来越小、而外围却越来越大。所述的信号采集单元6将所述趋肤效应发生单元5的表面的电信号接收，并转化为数字信号，并输出数字化的波形图像，例如正弦波，通过正弦波的峰峰值来比对趋肤效应大小(参见图3)。所述信号采集单元6包括：显示区9和按键区10，通过所述显示区9显示电流的波形，通过所述按键区10控制所述信号采集单元6，例如，电源开关、亮度调整等。优选的，所述信号本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.基于等效测电阻的方法演示趋肤效应的演示仪，其特征在于：包括：箱体、与所述箱体连接的交互机和信号采集单元，所述箱体的内部设有信号发生器、与所述信号发生器电性连接的趋肤效应发生单元；所述交互机与信号发生器电性连接，通过所述交互机调整输入所述信号发生器中的信号参数；由所述信号发生器产生的信号流经所述趋肤效应发生单元，并在所述趋肤效应发生单元上发生趋肤效应，由所述信号采集单元采集所述趋肤效应发生单元的电信号，并输出数字化的波形图像以显示趋肤效应。

【技术特征摘要】
1.基于等效测电阻的方法演示趋肤效应的演示仪，其特征在于：包括：箱体、与所述箱体连接的交互机和信号采集单元，所述箱体的内部设有信号发生器、与所述信号发生器电性连接的趋肤效应发生单元；所述交互机与信号发生器电性连接，通过所述交互机调整输入所述信号发生器中的信号参数；由所述信号发生器产生的信号流经所述趋肤效应发生单元，并在所述趋肤效应发生单元上发生趋肤效应，由所述信号采集单元采集所述趋肤效应发生单元的电信号，并输出数字化的波形图像以显示趋肤效应。2.根据权利要求1所述的基于等效测电阻的方法演示趋肤效应的演示仪，其特征在于：所述交互机包括：显示屏和键盘，通过所述键盘调整输入所述信号发生器的电流，通过所述显示屏显示结果。3.根据权利要求2所述的基于等效测电阻的方法演示趋肤效应的演示仪，其特征在于：所述显示屏采用LCD液晶屏。4.根据权利要求1所述的基于等效测电阻的方法演示趋肤效应的演示仪，其特征在于：所述信号采集单元包括：显示...

【专利技术属性】
技术研发人员：李芯瑶，肖文历，马睿，金亚睿，
申请(专利权)人：中国地质大学武汉，
类型：发明
国别省市：湖北,42