全自动导电微晶静电场描绘仪及其使用方法技术

本发明专利技术涉及一种全自动导电微晶静电场描绘仪及其使用方法，属于物理实验教学设备领域。该系统采用单片机为核心控制单元，加上A/D模块、上位机、步进电机驱动器、步进电机、舵机，实现导电微晶模拟场电势数据的自动采集和存储功能。本发明专利技术消除了不同轴误差，利用触摸屏设定测量数据的行数、列数、测量范围、探针伸缩长度；由单片机控制第一和第二步进电机，实现探针的逐行扫描；利用STM32控制舵机的转动，控制探针的升起和落下；通过A/D模块将探针的模拟电势值转化为数字量供单片机采集，并发送给上位机进行显示和存储。实现了探针的自动扫描、自动升降和电压数据的采集和存储，适合不同电介质静电场描绘实验，特别适用于导电微晶静电场描绘实验。

Automatic Conductive Microcrystalline Electrostatic Field Descriptor and Its Application

The invention relates to a fully automatic conductive microcrystalline electrostatic field descriptor and its use method, belonging to the field of physical experimental teaching equipment. The system uses single chip computer as the core control unit, plus A/D module, host computer, stepper motor driver, stepper motor, steering gear, to realize the automatic acquisition and storage of electric potential data of conductive microcrystalline simulation field. The invention eliminates the different axis error, sets the row number, column number, measurement range and probe telescopic length of measurement data by touch screen, controls the first and second step motors by single chip computer to realize the progressive scanning of probe, controls the rotation of steering gear by STM32 to control the rise and fall of probe, and converts the analog potential value of probe into digital value by A/D module for single chip computer to collect. Set, and send to the host computer for display and storage. It realizes the automatic scanning of probe, the collection and storage of voltage data. It is suitable for the electrostatic field description experiments of different dielectrics, especially for the electrostatic field description experiments of conductive microcrystals.

【技术实现步骤摘要】
全自动导电微晶静电场描绘仪及其使用方法
本专利技术属于物理实验教学设备
，具体涉及一种全自动导电微晶静电场描绘仪及其使用方法。
技术介绍
静电场描绘实验是传统的电磁学实验，因为直接测量静电场的分布非常困难，所以实验中常采用以稳恒电流场模拟静电场的方法来间接测量静电场的分布情况。目前静电场描绘实验中，采用导电纸、自来水及表面导电玻璃等材料作为产生稳恒电流场的导电介质。不同导电介质的均匀性、寿命、介质与电极接触情况不同，导致测量的准确度也不同。水做电介质：用水做电介质，优点是取材方便，成本低。但是，水做电介质存在如下问题：1.水碱附着物一个原因是内外电极表面产生水碱等附着物，有些地区水中含碱量很大，当直接使用这些水作电极之间的导电介质时，而实验完毕后水虽然倒掉而又不擦干的话，余下粘滞在容器及电极表面的水蒸发后产生水碱等杂质，久而久之，杂质越积越厚，电极表面就复盖了一层电阻层。该电阻层上将产生电压降，影响了测量结果。2.水的电解的影响水是弱电解质,能电离成H+和OH-离子,在外加直流电源的作用下，H+向阴极移动，OH-向阳极移动，到达电极后部分离子要电解产生氢气和氧气，这些气体以气泡的形式附着在内外电极表面。由于这些气泡的存在,，使内、外电极表面区域就偏离了模拟条件。另外产生的氧气会使阳极表面逐渐氧化覆盖上氧化层，而氧化层的电阻率与水不同，使阳极附近更偏离模拟条件。再者未电解的H+和OH-会产生与外加电压方向相反的反电压，也会破坏模拟条件。3.水分子极化的影响水分子是有极分子，在外电场作用下不仅要产生电子位移极化，还要产生取向极化，其中取向极化的效应比电子位移极化要强得多，两种极化都使水介质的端面即内外电极表面出现束缚电荷(其中内电极表面出现负束缚电荷，外电极表面出现正束缚电荷)，束缚电荷要在水介质内产生与外加电场方向相反的附加电场，因此也破坏了模拟条件。4.水槽中充放电效应的影响内外电极和探针都为导体，而水为电介质，故任意两导体间均会构成电容器，其电容经测量为微法的数量级。当探针P放在水介质中某一位置测量其电位时，发现某一点电位随时间会增大或减少，说明电容器在充电或放电，这样会使测量无法进行。此外，利用水做电介质，测试过程中容易出现漏水、打翻水槽等问题，沾湿桌面、书本、手机等。综合以上分析可知，当用水作导电介质时,用稳恒电流来模拟静电场所带来的误差是很大的。导电纸做电介质：用导电纸做电介质，避免了上述的问题。但是，用导电纸存在如下问题：导电纸作导电介质，实验误差较大。因为导电纸中的自由电子在外加电场的作用下，作定向移动形成电流，从而在导电纸中产生电流场，导电纸安装在电极与电极固定板之间。电极与电极固定板之间是光滑表面接触，导电纸安装时用固定中心电极的螺钉与外电极四个螺钉穿过导电纸压紧，这种情况易造成导电纸皱折和破损，实验误差大。因为导电介质分布不均匀会导致导电介质内的电流密度不均匀，从而使电流场的分布与有差异，并且导电纸本身在出厂时就存百分之二左右的不均匀度。两电极与导电纸不能良好接触，导电纸发生皱折，也是误差产生的原因。导电玻璃做电介质：在优质平板玻璃上均匀地涂敷一层复合材料导电膜。采用微机控制涂层厚度，导电膜的均匀度、硬度高、耐磨性有一定提高。模拟电极采用导电胶涂成，压制在导电膜上，保证了电极与导电介质的接触良好。采用双层探针结构，测量探针(头)用导电橡胶制成，测量时不损伤导电膜。但是，导电玻璃静电场描绘仪中的下探头导电橡胶易弯曲、老化、更换困难；金属探头易磨损导电玻璃涂层，导致较大的误差。微晶做电介质：微晶静电场描绘仪是近年来新兴起的一款产品，采用四氯化锡微晶薄膜做电介质，模拟电极采用银电极，与微晶接触良好。采用双层探针结构，注意了双层探针支撑片的材质和机械强度，操作时不发生形变。下探针采用铜锡合金制成，铜锡合金导电性能好、耐磨损，探针头微凸，与微晶薄膜接触好且不会划伤微晶薄膜。通过上下固定支板的翻转，可方便地实现不同的实验内容。微晶静电场描绘仪不易磨损、测绘稳定、均衡，实验值与理论值的误差小于百分之三，彻底克服了上述利用水、导电纸和导电玻璃做电介质存在的一系列问题。综上所述，微晶是目前静电场描绘仪最好的电介质。现有的微晶静电场描绘仪，采用双层探针结构，双层结构的描绘仪容易产生“不同轴误差”。当上下两层的探针不在同一轴线上，如果描绘时没有转动，所得到的静电场分布可以说是被测电场的平移。但是，要求描绘时没有转动是很困难的。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存在误差，即“不同轴误差”。传统静电场描绘仪在描绘静电场时，先要寻找等位点。而寻找等位点的方法是用伏特表通过描绘探针在被测电场范围内逐处测量，边找边观察伏特表的读数，当伏特表的读数为设定值时，停下探针，然后将该点标记在坐标纸上。这种人工寻点的方法效率很低。从测试仪器发展的趋势上看，总的趋势是自动化，智能化，高效化。有必要设计一款适合利用微晶做电介质的全自动静电场描绘仪。在最终的设计中，专利技术了一种全自动导电微晶静电场描绘仪，将探针的运动、数据的量化、数据的采集等全部实现自动化，提高效率，误差小，降低成本。
技术实现思路
为解决上述问题，本专利技术提出一种全自动导电微晶静电场描绘仪。从根本上消除了不同轴误差，大大提高了数据采集的效率，在显示的同时，数据自动保存到上位机中。本专利技术的另一目的在于提供该全自动导电微晶静电场描绘仪的使用方法。为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案：该全自动导电微晶静电场描绘仪，由矩形机架，机架上设有纵向移动机构，所述纵向移动机构上部设有横向移动机构，所述横向移动机构上设有舵机，所述舵机的下方放置有待测导电微晶板，待测导电微晶板置于描绘平台上，待测导电微晶板通电形成导电微晶模拟静电场；所述舵机具有数据采集系统，由探针、A/D模块、上位机、第二稳压直流电源组成；所述探针连接在舵机输出机构上，所述输出机构为舵机的输出轴上安装有凸轮，凸轮上设有圆柱形短轴，十字形卡套悬挂在圆柱形短轴上，所述十字形卡套由固定在机架上的两个导套约束，可上下运动，十字形卡套的底部具有一个竖直孔，探针固定在竖直孔中；所述探针由顶针，探针套管和探针杆三部分的组成：顶针套装在探针套管内，探针套管通过钻孔安装在探针杆下端，探针杆下端侧面设有锁紧探针套管的压紧螺钉，所述探针套管为带线探针套管，探针杆上具有探针套管的OK线穿过的钻孔与A/D模块，A/D模块与单片机连接，单片机连接有触摸屏，单片机通过USB线与上位机相连；待测导电微晶板、A/D模块和步进电机由电源供电。所述纵向移动机构具有两个支撑架，两个支撑架由导轨梁连接，在一侧的支撑架上设有第一步进电机，第一步进电机的输出轴两端分别固定有第一同步齿形带轮，第一同步齿形带轮分别配合连接第一同步带，所述第一同步带位于机架边框凹槽内且两端固定在机架边框的两端，所述第一同步齿形带轮的两侧分别设有第一压带轮。所述横向移动机构包括第二步进电机，所述第二步进电机的输出轴上设有第二同步齿形带轮，第二同步齿形带轮分别配合连接第二同步带，第二同步齿形带轮的两侧分别设有第二压带轮，第二同步带位于导轨梁的凹槽内且两端固定在导轨梁的两端，所述第二压带轮设在连接板上，所述导轨梁的下部设有卡轮，所述卡轮设在连接板上。所本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种全自动导电微晶静电场描绘仪，其特征在于：具有矩形机架，机架上设有纵向移动机构，所述纵向移动机构上部设有横向移动机构，所述横向移动机构上设有舵机，所述舵机的下方放置有待测导电微晶板，待测导电微晶板置于描绘平台上，待测导电微晶板通电形成导电微晶模拟静电场；所述舵机具有数据采集系统，由探针、A/D模块、上位机、第二稳压直流电源组成；所述探针连接在舵机输出机构上，所述输出机构为舵机的输出轴上安装有凸轮，凸轮上设有圆柱形短轴，十字形卡套悬挂在圆柱形短轴上，所述十字形卡套由固定在机架上的两个导套约束，可上下运动， 十字形卡套的底部具有一个竖直孔，探针固定在竖直孔中；所述探针由顶针，探针套管和探针杆三部分的组成：顶针套装在探针套管内，探针套管通过钻孔安装在探针杆下端，探针杆下端侧面设有锁紧探针套管的压紧螺钉，所述探针套管为带线探针套管，探针杆上具有探针套管的OK线穿过的钻孔与A/D模块， A/D模块与单片机连接，单片机连接有触摸屏，单片机通过USB线与上位机相连；待测导电微晶板、A/D模块和步进电机由电源供电。

【技术特征摘要】
1.一种全自动导电微晶静电场描绘仪，其特征在于：具有矩形机架，机架上设有纵向移动机构，所述纵向移动机构上部设有横向移动机构，所述横向移动机构上设有舵机，所述舵机的下方放置有待测导电微晶板，待测导电微晶板置于描绘平台上，待测导电微晶板通电形成导电微晶模拟静电场；所述舵机具有数据采集系统，由探针、A/D模块、上位机、第二稳压直流电源组成；所述探针连接在舵机输出机构上，所述输出机构为舵机的输出轴上安装有凸轮，凸轮上设有圆柱形短轴，十字形卡套悬挂在圆柱形短轴上，所述十字形卡套由固定在机架上的两个导套约束，可上下运动，十字形卡套的底部具有一个竖直孔，探针固定在竖直孔中；所述探针由顶针，探针套管和探针杆三部分的组成：顶针套装在探针套管内，探针套管通过钻孔安装在探针杆下端，探针杆下端侧面设有锁紧探针套管的压紧螺钉，所述探针套管为带线探针套管，探针杆上具有探针套管的OK线穿过的钻孔与A/D模块，A/D模块与单片机连接，单片机连接有触摸屏，单片机通过USB线与上位机相连；待测导电微晶板、A/D模块和步进电机由电源供电。2.如权利要求1所述的全自动导电微晶静电场描绘仪，其特征在于：所述纵向移动机构具有两个支撑架，两个支撑架由导轨梁连接，在一侧的支撑架上设有第一步进电机，第一步进电机的输出轴两端分别固定有第一同步齿形带轮，第一同步齿形带轮分别配合连接第一同步带，所述第一同步带位于机架边框凹槽内且两端固定在机架边框的两端，所述第一同步齿形带轮的两侧分别设有第一压带轮。3.如权利要求1所述的全自动导电微晶静电场描绘仪，其特征在于：所述横向移动机构包括第二步进电机，所述第二步进电机的输出轴上设有第二同步齿形带轮，第二同步齿形带轮分别配合连接第二同步带，第二同步齿形带轮的两侧分别设有第二压带轮，第二同步带位于导轨梁的凹槽内且两端固定在导轨梁的两端，所述第二压带轮设在连接板上，所述导轨梁的下部设有卡轮，所述卡轮设在连接板上。4.如权利要求1所述的全自动导电微晶静电场描绘仪，其特征在于：所述顶针是P50-J1、0.68mm顶针，针管直径0.68...

【专利技术属性】
技术研发人员：石明吉，刘斌，王运锋，丁淑娟，陈兰莉，
申请(专利权)人：南阳理工学院，
类型：发明
国别省市：河南,41