專利名稱：多功能電磁脈沖實(shí)驗(yàn)儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種電磁學(xué)實(shí)驗(yàn)儀器，尤其指一種多功能電磁脈沖實(shí)驗(yàn)儀。
背景技術(shù)：
在大學(xué)物理教學(xué)過程中，通常要做一些高壓靜電的實(shí)驗(yàn)，以加深學(xué)生對理論的理解和記 憶。公知的高壓靜電實(shí)驗(yàn)裝置通常由一個(gè)高壓電發(fā)生器，將220伏的交流市電轉(zhuǎn)換成恒定的上 萬伏的高壓直流電，再將高壓直流電引出，再配合一些配件在高壓靜電發(fā)生器以外的地方進(jìn) 行高壓靜電的實(shí)驗(yàn)。例如遼寧石油化工大學(xué)的一項(xiàng)名稱為《一種小型靜電高壓供電與測試裝 置》的中國專利(專利號(hào)03243505.3，授權(quán)公告號(hào)CN2619407Y)，就公開了一種高壓靜電實(shí)驗(yàn) 裝置。公知的高壓靜電實(shí)驗(yàn)裝置有下述一些缺陷l、功能單一只能做恒穩(wěn)靜電現(xiàn)象的實(shí)驗(yàn)；2、 由于輸出的直流高壓是連續(xù)恒定的，在做靜電實(shí)驗(yàn)過程中消耗的電功率比較大，對高壓電的 功率輸出部分及穩(wěn)壓電源的性能有較高的要求；3、輸出的直流高壓不能大幅度地調(diào)節(jié)，限制 了實(shí)驗(yàn)內(nèi)容或者實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的擴(kuò)展；4、在做實(shí)驗(yàn)時(shí)以大地為接地線，既不安全又不方便。生物 物理學(xué)是一門很有發(fā)展前景的學(xué)科，它有一個(gè)重要研究領(lǐng)域就是利用電或磁的物理量作用于 生物體組織或生物體，研究其增產(chǎn)、防疫、治療疾病、育種的高品質(zhì)改良等方面的數(shù)據(jù)，這 就需要一種電磁脈沖實(shí)驗(yàn)儀器，但是目前還沒有公知的這種實(shí)驗(yàn)儀器。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種既可以恒定直流高壓輸出，又可以脈沖直流高壓輸出，并且直 流高壓的脈沖頻率和電壓可以大范圍地調(diào)節(jié)和直接讀出，帶有可活動(dòng)式實(shí)驗(yàn)組件的功能全、 成本低的電磁脈沖實(shí)驗(yàn)儀。它不僅可以方便地進(jìn)行眾多靜電現(xiàn)象的實(shí)驗(yàn)，還可以進(jìn)行生物物 理、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域的電或磁脈沖刺激生物體組織或生物體等的科學(xué)研宄實(shí)驗(yàn)。
為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明包含直流電源，高壓發(fā)生器，脈沖頻率控制器，脈沖頻率控 制器的一個(gè)繼電器開關(guān)通過雙擲開關(guān)串聯(lián)在高壓振蕩電路和高壓發(fā)生器的功率輸出電路之 間，高壓發(fā)生器的輸出端固定在防高壓放電外殼的絕緣板上并與高壓發(fā)生器的引出端相連， 防高壓放電外殼的上表面可安裝可活動(dòng)式實(shí)驗(yàn)組件，高壓發(fā)生器的地線接防高壓放電外殼的 金屬部分。如果在高壓側(cè)接高壓電顯示電壓表，還應(yīng)把高壓降壓電阻的一端接高壓發(fā)生器的 引出端，另一端與高壓電顯示電壓表串聯(lián)后接地。
可活動(dòng)式實(shí)驗(yàn)組件之一由兩個(gè)表面帶有絕緣材料的平行金屬板構(gòu)成，接地側(cè)的金屬板即 接地電極豎直固定在一個(gè)可活動(dòng)金屬板上，并且兩者電連接；高壓側(cè)的金屬板即高壓電極接 高壓發(fā)生器的輸出端子。可活動(dòng)式實(shí)驗(yàn)組件之二由兩個(gè)可演示靜電力的彈性金屬板組合而成， 其中一個(gè)是較薄的彈性磷銅片?？苫顒?dòng)式實(shí)驗(yàn)組件之三是由接地的金屬板和高壓尖端放電組 件組合而成?？苫顒?dòng)式實(shí)驗(yàn)組件之四是在兩個(gè)平行金屬板之間安裝一個(gè)單擺，單擺的支架可 拆式安裝在可活動(dòng)金屬板上，單擺的支架用伸縮拉桿制作?？苫顒?dòng)式實(shí)驗(yàn)組件之五為高壓電
極的表面掛有可演示電力線分布的電力線分布演示版。
為了方便地調(diào)節(jié)高壓脈沖頻率、降低成本、提高可靠性，將脈沖頻率控制器的頻率控制 端子的一端與波段開關(guān)的滑動(dòng)端相連接，另一端與脈沖頻率控制電容的公共連接端相連接。 為了寬范圍調(diào)節(jié)直流高壓并且使輸出頻率和高壓穩(wěn)定，將直流電源由第一級(jí)直流穩(wěn)壓電源和 第二級(jí)可調(diào)直流穩(wěn)壓電源組合而成，第二級(jí)可調(diào)直流穩(wěn)壓電源串聯(lián)在第一級(jí)直流穩(wěn)壓電源和 高壓發(fā)生器的功率輸出電路之間，并且還把第二級(jí)可調(diào)直流穩(wěn)壓電源設(shè)置成由串聯(lián)穩(wěn)壓電源 和二極管降壓電路串聯(lián)構(gòu)成，二極管降壓電路由多個(gè)二極管正向串聯(lián)后再與開關(guān)并聯(lián)而成， 這樣可使直流高壓電壓值進(jìn)一步調(diào)低到180伏以下(增加二極管的正串聯(lián)數(shù)量可進(jìn)一步降低電
壓值)。為了實(shí)現(xiàn)磁脈沖的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，給電磁鐵提供一個(gè)脈沖頻率可調(diào)、脈沖寬度可選的開 關(guān)信號(hào)，脈沖頻率控制器的另一個(gè)繼電器開關(guān)的中心端與寬脈沖插口及窄脈沖插口的同名端 同時(shí)相接，常通觸頭與常斷觸頭分別接寬脈沖插口及窄脈沖插口，這兩個(gè)插口與實(shí)驗(yàn)儀的電
路是完全獨(dú)立的、電相互隔離的，并且可直接通220V市電，允許通過大電流，這就方便了本 儀器與其他大功率電磁鐵配合使用。為了進(jìn)行磁脈沖的實(shí)驗(yàn)，還帶有一個(gè)可調(diào)式電磁鐵，可 調(diào)式電磁鐵的供電電路與電流插頭串聯(lián)，這樣，電流插頭插入寬脈沖插口或窄脈沖插口后， 就可方便地實(shí)現(xiàn)磁場不太強(qiáng)的磁脈沖實(shí)驗(yàn)。為了可調(diào)出極低頻率的脈沖信號(hào)且不停振、并且 寬范圍調(diào)節(jié)脈沖頻率，脈沖頻率控制器由電視機(jī)的場掃描集成電路和外圍電路構(gòu)成。
由于本發(fā)明包含直流電源，高壓發(fā)生器，脈沖頻率控制器的一個(gè)繼電器開關(guān)通過雙擲開 關(guān)串聯(lián)在高壓振蕩電路和高壓發(fā)生器的功率輸出電路之間，這就使得高壓發(fā)生器的輸出直流 高壓變成脈沖式，并且可以選擇寬脈沖和窄脈沖，在高壓尖端放電等靜電實(shí)驗(yàn)中降低了耗電 功率，使同樣高壓電功率輸出情況下，可以選擇更強(qiáng)的尖端放電電弧，尖端放電演示實(shí)驗(yàn)效 果更好，同時(shí)也可延長放電時(shí)間，為靜電實(shí)驗(yàn)提供了一種更好的高壓源，也滿足了生物物理、 醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域科研的對可調(diào)脈沖式高壓電輸出要求。將脈沖頻率控制器的頻率控制端子的一端 與波段開關(guān)的滑動(dòng)端相連接，另一端與脈沖頻率控制電容的公共連接端相連接，可方便地調(diào) 節(jié)高壓脈沖頻率、降低成本、提高可靠性，并且可直接讀出高壓脈沖頻率。將直流電源由第 一級(jí)直流穩(wěn)壓電源和第二級(jí)可調(diào)直流穩(wěn)壓電源組合而成，第二級(jí)可調(diào)直流穩(wěn)壓電源串聯(lián)在第 一級(jí)直流穩(wěn)壓電源和高壓發(fā)生器的功率輸出電路之間，并且還把第二級(jí)可調(diào)直流穩(wěn)壓電源的 結(jié)構(gòu)設(shè)置成由串聯(lián)穩(wěn)壓電源和帶短路開關(guān)的二極管降壓電路串聯(lián)構(gòu)成，這就使得直流高壓值 可在非常寬的范圍內(nèi)調(diào)節(jié)并且輸出幅度穩(wěn)定。把脈沖頻率控制器的另一個(gè)繼電器開關(guān)的中心 端與寬脈沖插口及窄脈沖插口的同名端同時(shí)相接，常通觸頭與常斷觸頭分別接寬脈沖插口及 窄脈沖插口，這就給電磁鐵提供了一個(gè)脈沖頻率可調(diào)、脈沖寬度可選的開關(guān)信號(hào)，并且兩個(gè) 插口的各觸點(diǎn)與整機(jī)電路及外殼電絕緣，允許通過的電壓高、電流大，可方便地配合本發(fā)明 的可調(diào)式電磁鐵或外配大功率電磁鐵進(jìn)行可調(diào)頻率脈沖磁場的實(shí)驗(yàn)。脈沖頻率控制器由場掃 描集成電路和外圍電路構(gòu)成的電路設(shè)計(jì)方式，帶來了可調(diào)出極低頻率的脈沖信號(hào)且不停振、 并且寬范圍調(diào)節(jié)脈沖頻率的優(yōu)點(diǎn)，很好地適應(yīng)了高壓靜電實(shí)驗(yàn)和生物物理、醫(yī)學(xué)等實(shí)驗(yàn)研究
的要求。兩個(gè)表面帶有絕緣塑料的平行金屬板電極上的絕緣塑料可最大限度地防止兩個(gè)高低 壓電極之間的尖端放電現(xiàn)象，可使兩個(gè)平行金屬板之間的距離很近，顯著提高兩個(gè)平行金屬 板電極之間的電場強(qiáng)度，為強(qiáng)電場的各類實(shí)驗(yàn)提供了條件。由于可調(diào)式電磁鐵的電磁線圈與 電磁鐵整流器相接，電磁鐵整流器的輸入端與電流插頭串聯(lián)后直接接220V市電，省去了降壓 變壓器，提高了電磁轉(zhuǎn)換效率，節(jié)電并降低成本和重量。
由于本發(fā)明將儀器頂部設(shè)計(jì)成防高壓放電外殼，高壓電的地線接防高壓放電外殼，并在 上面放置一個(gè)活動(dòng)金屬板，相關(guān)實(shí)驗(yàn)組件的接地端都為可拆式安裝在其上，再加上在高壓電 極側(cè)的實(shí)驗(yàn)組件也是可拆的，就使得實(shí)驗(yàn)平臺(tái)搭建在儀器的頂部成為可能，實(shí)驗(yàn)安全方便節(jié) 省實(shí)驗(yàn)用面積，并且可很方便地任意調(diào)節(jié)實(shí)驗(yàn)組件的高壓部分和低壓部分之間的距離，實(shí)現(xiàn) 了本儀器的多功能化和實(shí)驗(yàn)的方便性，并且節(jié)約成本。輸出高壓電即可恒定不變，也可脈沖 式輸出，頻率脈寬都可調(diào)，也為各類用高壓電的實(shí)驗(yàn)或研究乃至生產(chǎn)領(lǐng)域提供了一種很好的 儀器。


圖l是本發(fā)明的電路原理圖2是本發(fā)明的整體機(jī)械結(jié)構(gòu)圖3是發(fā)明的可活動(dòng)式實(shí)驗(yàn)組件的高壓尖端放電組件結(jié)構(gòu)圖； 圖4是本發(fā)明的可調(diào)式電磁鐵結(jié)構(gòu)圖。
具體實(shí)施例方式
在圖1中，220伏交流市電接輸入端U1，再通過電源開關(guān)K1送入電源變壓器B1進(jìn)行降壓，從 次級(jí)線圈輸出端輸出的電壓U2為19V并且送到第一級(jí)直流穩(wěn)壓電源。第一級(jí)直流穩(wěn)壓電源首先 由四個(gè)整流二極管D1、 D2、 D3、 D4組成的橋式整流器整流成直流電，再送到由復(fù)合調(diào)整三極 管T1、 T2和取樣放大三極管T3等外圍元件構(gòu)成的串聯(lián)式穩(wěn)壓電路，最后的穩(wěn)壓輸出12-15伏左 右，并且直接提供給脈沖頻率控制器、高壓振蕩電路以及第二級(jí)可調(diào)直流穩(wěn)壓電源。第二級(jí) 可調(diào)直流穩(wěn)壓電源由復(fù)合調(diào)整三極管T5、 T4和取樣放大三極管T6等外圍元件構(gòu)成，為了得到 更低的輸出電壓，還在其輸出端串聯(lián)有帶短路開關(guān)K2的二極管降壓電路。二極管降壓電路可 以由一路或者多路正向串聯(lián)的二極管構(gòu)成，本實(shí)施例為降低成本用的二極管D9、 DIO、 Dll、 D12、 D13、 D14全為1N4007，因其額定電流小(1A)所以要兩路并聯(lián)使用，如果用大功率二極 管只用一路就可。當(dāng)把短路開關(guān)K2接通以后二極管降壓電路不起作用。
三極管T7和外圍元件構(gòu)成變形間歇振蕩器，為高壓振蕩電路提供一個(gè)振蕩信號(hào)，可調(diào)電 感L5可調(diào)節(jié)振蕩頻率。變形間歇振蕩器的振蕩信號(hào)經(jīng)三極管T8放大后送入變壓器B2，經(jīng)過變 壓器B2的次級(jí)送到繼電器J小上的開關(guān)JX的中心端上，另兩個(gè)接點(diǎn)分別與寬脈沖、窄脈沖控制 開關(guān)K3的兩個(gè)外側(cè)接點(diǎn)相連，開關(guān)K3的中心端接高壓功率輸出管T9的基極，高壓功率輸出管 T9與外圍元件組成高壓發(fā)生器的功率輸出電路，其中二極管D15為保護(hù)T9的，L4為防向外輻射 電磁波的電感線圈，L3、 C37分別為形成功率輸出電流的大電感和電容，C36為逆程電容，D16
為阻尼二極管，高壓變壓器B3可將通過其初級(jí)繞組的電壓大幅度升高，經(jīng)過高壓整流硅堆D18 整流后可達(dá)到直流最高電壓1.7萬伏。電容C38和二極管D17組成自舉升壓電路，可將T9的工作 電壓提高到27-30多伏。高壓振蕩電路和高壓發(fā)生器的功率輸出電路構(gòu)成高壓發(fā)生器。高壓降 壓電阻R18和指針式電表頭串聯(lián)組成高壓電顯示電壓表KV，也可用數(shù)字電表代替，數(shù)字表雖然 讀數(shù)直觀，但電壓脈沖顯示不如機(jī)械表反應(yīng)靈敏和直觀。高壓發(fā)生器的高壓產(chǎn)生原理與電視 機(jī)行輸出電路是相似的，故不在此詳述。
集成電路IC和外圍元件構(gòu)成脈沖頻率控制器。其中波段開關(guān)K6和接在其固定端的11個(gè)電 容構(gòu)成頻率控制電路，微調(diào)電阻W5可在一定范圍內(nèi)連續(xù)調(diào)節(jié)脈沖頻率控制器的振蕩頻率。微 調(diào)電阻W3、 W4可調(diào)節(jié)脈沖頻率控制器的輸出電壓幅值。集成電路IC的輸出脈沖信號(hào)由其1腳 輸出(從右到左為其1-IO腳)的，經(jīng)過耦合電容C18送到形成脈沖頻率控制器的功率輸出電流 的電感L2上，再與"脈沖、恒定"開關(guān)K4串聯(lián)后與"電脈沖、磁脈沖"撥動(dòng)開關(guān)K5的中心接 點(diǎn)相接，K5的兩側(cè)接點(diǎn)分別接兩個(gè)繼電器的電磁線圈J小和J大，最后通過保險(xiǎn)絲電阻R17接電 源正極。用于產(chǎn)生磁脈沖開關(guān)信號(hào)的繼電器J大為功率比較大的，其開關(guān)的中心端與寬脈沖插 口及窄脈沖插口的同名端同時(shí)相接，常通觸頭與常斷觸頭分別接寬脈沖插口及窄脈沖插口的 另兩個(gè)非地端接點(diǎn)，這就給電磁鐵提供了一個(gè)脈沖頻率可調(diào)、脈沖寬度可選的開關(guān)信號(hào)，并 且兩個(gè)插口的各觸點(diǎn)與整機(jī)電路及外殼電絕緣。脈沖頻率控制器的脈沖信號(hào)產(chǎn)生基本原理與 電視機(jī)的場掃描電路相似，故不在此詳述。電阻R19和發(fā)光二極管D19構(gòu)成電源指示電路。
整機(jī)的電路工作過程如下
第一級(jí)直流穩(wěn)壓電源輸出的穩(wěn)壓直流電給高壓振蕩電路、脈沖頻率控制器、第二級(jí)可調(diào) 直流穩(wěn)壓電源提供穩(wěn)定的直流工作電壓，以保證工作頻率穩(wěn)定、輸出電壓穩(wěn)定。脈沖頻率控 制器產(chǎn)生低頻脈沖信號(hào)。此時(shí)如果把"脈沖/恒定"控制開關(guān)K4接通并且"寬脈沖/窄脈沖" 控制開關(guān)K3、"電脈沖/磁脈沖"控制開關(guān)K5全撥向左方，則脈沖頻率控制信號(hào)通過一個(gè)繼電 器(可用小繼電器，因其觸點(diǎn)不需要大電流就可)的線圈J小，使其觸點(diǎn)開關(guān)Jx的中心端自動(dòng) 交替接其左右觸點(diǎn)，當(dāng)接到右觸點(diǎn)，使高壓振蕩電路與高壓發(fā)生器的功率輸出電路的信號(hào)通 路斷開，停止高壓輸出，接左觸點(diǎn)時(shí)信號(hào)接通有高壓輸出。這就形成了脈沖高壓輸出。實(shí)驗(yàn) 證明，如果Jx的左觸點(diǎn)為常通觸點(diǎn)的話，最終輸出寬脈沖。如果把K3撥向右側(cè)，則只有Jx跳 向右觸點(diǎn)時(shí)才通路，但此時(shí)輸出窄脈沖。如果把K4斷開，則無脈沖信號(hào)加到任何一個(gè)繼電器， 輸出的高壓電場或磁場為非脈沖式。如果把K5撥向右側(cè)，另一個(gè)繼電器(用大繼電器，因要
求可通過磁脈沖的大電流)J大的線圈通電其觸點(diǎn)JD的中心端自動(dòng)交替接其左右觸點(diǎn)，分別從
寬脈沖插口CK1及窄脈沖插口CK2輸出開關(guān)控制信號(hào)，去控制各類電磁鐵實(shí)現(xiàn)磁脈沖。由于這 兩個(gè)插口在電路上與其他電路完全隔離(并且與外殼也電隔離，因用的是大絕緣骨架的插口)， 當(dāng)電流插頭2 (見圖2和圖4)插入插口后，故可直接通過電流插口與各類電磁鐵的供電電路串 聯(lián)，去控制各類電磁鐵實(shí)現(xiàn)磁脈沖而不必考慮損壞儀器、漏電等事故，將其串聯(lián)在電磁鐵的 高低壓電路側(cè)都可以，應(yīng)用廣泛、使用方便。
脈沖高壓輸出電壓的調(diào)節(jié)是靠調(diào)電位器W2來實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)需要調(diào)出高壓時(shí)，還應(yīng)同時(shí)把開 關(guān)K2接通；當(dāng)需要調(diào)出幾百伏以下的低壓時(shí)，還要同時(shí)斷開K2。實(shí)驗(yàn)證明，這種雙穩(wěn)壓電源 串聯(lián)電路并配合降壓二極管降壓的電路結(jié)構(gòu)，可把高壓輸出調(diào)節(jié)范圍擴(kuò)展到幾百到幾萬伏。
旋動(dòng)波段開關(guān)K6，可選擇ll個(gè)低頻脈沖頻率，并且頻率數(shù)值直接讀出，不必再配頻率計(jì) (實(shí)驗(yàn)證明，普通頻率計(jì)很難測量1HZ以下的脈沖信號(hào)的頻率)，簡化了電路，降低了成本， 方便了使用。當(dāng)然，頻率數(shù)值的設(shè)置也可通過改變各個(gè)電容數(shù)值或調(diào)節(jié)W5變成其他范圍的頻 率。
整體機(jī)械結(jié)構(gòu)圖及原理如下
在圖2中，由于機(jī)殼是金屬的，高壓發(fā)生器的引出端OUT (見圖l)接帶一個(gè)小夾子的高壓 發(fā)生器的輸出端19以及高壓降壓電阻R18的一端，另一端與高壓電顯示電壓表KV串聯(lián)后接地。 這些高壓端部位極易對機(jī)殼放電，因此本實(shí)施例將金屬外殼的頂部左側(cè)開了一個(gè)方洞，在方 洞上的鐵殼邊緣固定一個(gè)絕緣板20 (實(shí)驗(yàn)表明用DVD光盤大塑盒就行)，就構(gòu)成了防高壓放電 外殼3 (或者說是帶大面積高壓絕緣板的機(jī)殼的上蓋)。把高壓發(fā)生器的輸出端19 (它與圖l 的OUT相通的)從其中央穿出，把高壓降壓電阻R18安裝在絕緣板20上(實(shí)驗(yàn)表明，按如圖2 所示的位置平放入DVD光盤大塑盒內(nèi)，可更好地解決對外殼放電問題)，就很好的解決了上述 難題。同時(shí)高壓電的地線接防高壓放電外殼3的金屬部分，使得實(shí)驗(yàn)平臺(tái)搭建在儀器的頂部成 為可能，實(shí)驗(yàn)安全方便、節(jié)省實(shí)驗(yàn)用面積。防高壓放電外殼3的左半部分不應(yīng)有絕緣漆，可電 鍍或用鋁或不銹鋼材料制造。在上面放置一塊稍厚(2-3毫米)點(diǎn)的可活動(dòng)金屬板21，其下部 也不應(yīng)有絕緣漆，以保證它與防高壓放電外殼3的金屬部分良好的點(diǎn)接觸，它是作為可方便移 動(dòng)的小接地平臺(tái)。其上面可拆式固定有可演示靜電力的彈性金屬板4、單擺支架5、平行金屬 板電極的接地電極9的支腳17 (兩者是相互電連接的)，為達(dá)到可拆式固定的方式，可以把小 鐵片焊在可活動(dòng)金屬板21的相應(yīng)部位，小鐵片上鉆幾個(gè)小孔就可用螺絲固定相應(yīng)組件了。單 擺支架5可用拉桿天線制作，這樣就可以任意伸縮改變單擺的擺長，適應(yīng)不同的實(shí)驗(yàn)要求。為 了使單擺能承受比較大的力，單擺支架5與水平桿7之間還應(yīng)加一個(gè)三腳支架6，單擺小球ll 用極化分子或可被極化分子或金屬材料制作，擺線10要用伸縮小的細(xì)線，為了精確確定擺角 或靜止位置，可仿照普通的單擺制一個(gè)小型標(biāo)尺(它和其支架要用絕緣材料制造)，并固定 在另一個(gè)可獨(dú)立移動(dòng)的小鐵板平臺(tái)上(方法與前述相似)。防高壓放電外殼的上表面可安裝 其他可活動(dòng)式實(shí)驗(yàn)組件并且盡可能整合在同一塊可活動(dòng)金屬板上。平行金屬板電極的高壓電 極13通過導(dǎo)線15與高壓發(fā)生器的輸出端19相連，塑料盒12通過高壓側(cè)支腳14固定在底座16上， 底座16也是絕緣材料制成的。底座16通過螺絲18可拆式固定在絕緣板20上。平行金屬板電極 的接地電極9同樣也放入一個(gè)相同尺寸的塑料盒8中，也粘在內(nèi)側(cè)。平行金屬板電極以及彈性 金屬板4都可以用很薄的磷銅片制作。實(shí)驗(yàn)中，為了獲得很強(qiáng)的電場，常要把接地電極9靠近 高壓電極13，兩電極之間很易發(fā)生放電現(xiàn)象，但通過實(shí)驗(yàn)證明，接地電極9和高壓電極13上的 塑料盒的存在顯著消除了該弊端，使兩極距離很近場強(qiáng)很高也不發(fā)生高壓放電，為強(qiáng)電場實(shí)
驗(yàn)提供了條件，同時(shí)也避免了高壓電極13與人體的接觸，安全性提高。也可以直接把絕緣材 料制在高壓電極13的正反兩面及側(cè)面上，厚度2-3毫米，而接地電極9則可不帶絕緣材料。為 了演示平行板電容內(nèi)部的電力線走向，可另找一塊絕緣板，在上面上均勻分布地粘上一些尼 龍細(xì)線，絕緣板上帶個(gè)掛鉤，就構(gòu)成電力線分布演示板，將該板掛到高壓電極13上的內(nèi)側(cè)， 選擇非脈沖高壓輸出，則這些尼龍細(xì)線將形成水平線，從而形象地演示了該情況下電力線的 分布情況。
圖3所示的是高壓尖端放電組件，尖端放電針22通過緊固件24固定在絕緣底座23上，并且 與高壓引入線25相連，絕緣底座23的地部有兩個(gè)小孔26，并與絕緣板20上固定的螺絲18相吻 合插入。
圖4所示的是本實(shí)施例的可調(diào)式電磁鐵結(jié)構(gòu)圖，電源插頭27可直接接220市電，如果此時(shí) 電流插頭2己經(jīng)插入圖1、圖2所示的寬脈沖插口CK1或窄脈沖插口CK2，并且任一個(gè)插口正處于 接通狀態(tài)，則電磁鐵整流器28把220交流市電直接整流成直流電壓，送入電磁鐵線圈29，從而 在鐵芯30中產(chǎn)生磁場，可調(diào)鐵芯33置于厚鋼板制成的夾板32的上部(前后各有一片)，擰松 緊固件34可調(diào)節(jié)可調(diào)鐵芯33的左右位置，從而使得由可調(diào)鐵芯33的左端面與鐵芯30右側(cè)上端 內(nèi)側(cè)形成的磁場強(qiáng)度可調(diào)。由于此情況下電磁鐵線圈29通入的是直流電，其感抗為零，因此 比普通變壓器的線徑要細(xì)、圈數(shù)要多，設(shè)計(jì)的通過電流一定要小于電磁鐵線圈29的漆包線能 承受的額定電流。由于是直流磁場，幾乎沒有渦流損耗，可直接用整塊的軟磁鐵材料制作鐵 芯，用硅鋼片也可。鐵芯緊固螺絲31有緊固夾板32和鐵芯的作用?？烧{(diào)式電磁鐵可安裝在一 個(gè)獨(dú)立的機(jī)殼內(nèi)，鐵芯的上半部分最好露出機(jī)殼或制個(gè)可隨時(shí)打開的上蓋，以方便進(jìn)行磁場 調(diào)節(jié)和實(shí)驗(yàn)。磁場強(qiáng)度可用普通特斯拉計(jì)測量。電磁鐵整流器28也可用其他類型的整流器。
本實(shí)施例的機(jī)械工作過程是這樣的按圖2畫的狀態(tài)，且高壓選擇非脈沖模式，則可做單 擺小球ll在電場中受力的運(yùn)動(dòng)規(guī)律研究實(shí)驗(yàn)，也可借此研究電場或電壓參數(shù)，也即用力學(xué)的 方法測量電學(xué)量，可作綜合電學(xué)、力學(xué)知識(shí)的綜合性實(shí)驗(yàn)，有利于培養(yǎng)學(xué)生能力；如果把單 擺拆下，在兩平行板電極之間放入生物組織或生物整體或肢體，選擇不同的高壓值及脈沖頻 率和脈沖寬度，可做生物物理、醫(yī)學(xué)的電場剌激研究實(shí)驗(yàn)；如果把可活動(dòng)金屬板21水平轉(zhuǎn)180 度，則此時(shí)彈性金屬板4正對著高壓電極13，選擇高壓電脈沖頻率1HZ左右，可看到彈性金屬 板4間歇地對著高壓電極13擺動(dòng)，可演示電場力的存在，選不同的高壓脈沖頻率擺動(dòng)頻率也隨 之而變；如果把底座16從絕緣板20上拆下，換上圖3所示的高壓尖端放電組件，可看到尖端放 電針22對彈性金屬板4放電弧，由于可選擇1HZ以下的低頻高壓脈沖，使平均功耗大為降低， 可允許長時(shí)間觀看尖端放電現(xiàn)象并允許強(qiáng)電弧，提高了演示效果。
如果把電流插頭2插入寬脈沖插口CK1或窄脈沖插口CK2 (見圖l、圖2)，則可調(diào)電磁鐵的 恒磁場就變成脈沖磁場，其頻率、脈寬、強(qiáng)度都可以方便地調(diào)節(jié)。如果把電流插頭的兩根接 線與其他各類電磁鐵的供電線路串聯(lián)，同樣可達(dá)到上述效果。
如果把高壓電極13上的塑料盒12去掉(也可單獨(dú)再做一個(gè)不帶塑料盒的類似結(jié)構(gòu)的高
壓電極，但此時(shí)應(yīng)用較厚的金屬板以防止平放時(shí)變形，其上側(cè)和側(cè)面最好帶絕緣層，或者干 脆把高壓電極13右側(cè)的絕緣塑料改成可拆裝式的)，并整體向左側(cè)倒下，并在它和機(jī)殼上表
面之間放一個(gè)絕緣透明支架(高壓電極13右側(cè)的絕緣塑料改成可拆裝式的結(jié)構(gòu)可不用支架 了，此時(shí)只要將高壓電極的可拆塑料層拆下，把不帶絕緣層側(cè)向下放就可以)，使高壓電極 13和機(jī)殼上表面之間平行并靠近，上下形成的孔隙間放進(jìn)一些很薄的小鋁片(鋁箔最好)， 選擇非脈沖高壓電場模式，可發(fā)現(xiàn)小鋁片上下不停的在運(yùn)動(dòng)(因小鋁片在底部帶的是負(fù)電荷， 被高壓電極吸引上去后在高壓電極上又帶上了正電荷，又被吸下來，如此反復(fù)不停地上下往 復(fù)運(yùn)動(dòng))，就可以演示電荷的傳遞和吸引現(xiàn)象。
本發(fā)明還可以作為高壓電壓表使用，見圖2，此時(shí)只要關(guān)閉電源開關(guān)K1，把高壓發(fā)生器 的輸出端19夾上一根導(dǎo)線作為高壓測量電壓表的正極，另一根導(dǎo)線的一端壓在可活動(dòng)金屬板 21與防高壓放電外殼3之間作為負(fù)極就可。因此時(shí)的高壓整流硅堆D18反相截止(見圖1)， 不影響測量。
本實(shí)施例的元件參數(shù)如下
電源變壓器B1用次級(jí)電壓18—23伏、功率50W左右的。變壓器B2可用電視機(jī)用的同類 變壓器即可。高壓變壓器B3可用電視機(jī)的行輸出變壓器代替。三極管T1、 T2、 T3、 T4、 T5、 T6、 T7、 T8、 T9型號(hào)分別為3DD303、 3DG12、 3DG6、 3DD15、 3DD15、 C9013、 3DG6A、 3DG12A、 DD03C。 二極管D1、 D2、 D3、 D4、 D6、 D7、 D8、 D9、 Dll、 D12、 D13、 D14全用1N4007。穩(wěn)壓 二極管D5用2CW14。 二極管D15、 D16、 D17分別為2AP4S、 2CN3E、 2CN4D，電磁鐵整流器28 的4個(gè)二極管全用1N4007(也可用額定電流更大的，視電磁鐵電流而定)。高壓整流硅堆D18 要用耐壓18KV以上的。電阻R1、 R2、 R3、 R4、 R5、 R6、 R7、 R8、 R9、 RIO、 Rll、 R13、 R14、 R15、 R16、 R17、 R19的阻值分別為2. 7、 0.2、 0.5、 1、 1、 0.5、 0.5、 0， 5、 27、 4.7、 8.2、 0.27、 4.3、 0.027、 0.18、 0.0006、 2KQ?？勺冸娮鑂12阻值為100K的，高壓降壓電阻R18 阻值為500—1000MQ且長體的。電位器W1、 W2、 W3、 W4、 W5的阻值分別為1、 4.7、 4.7、 47、 47KQ。電容C1、 C2、 C3、 C4、 C5、 C6、 C7、 C8、 C9、 CIO、 Cll、 C12、 C13、 C14、 C15、 C16、 C17、 C18、 C19、 C20、 C21、 C22、 C23、 C24、 C25、 C26、 C27、 C28、 C29、 C30、 C31、 C32、 C33、 C34、 C35、 C36、 C37、 C38的電容值分別為0. 01、 0.01、 0.01、 0.01、 4700、 1、 47、 1000、 470、 100、 100、 220、 4.7、 0.01、 47、 0.047、 10、 2200、 0.1、 470、 220、 100、 33、 22、 14.7、 10、 4.7、 3.3、 2.2、 1、 220、 4.7、 0.015、 0.082、 0.1、 0.022、 2.5、 220 P f。 兩個(gè)繼電器都是用6V工作電壓的，其中小繼電器J小和大繼電器J大的觸點(diǎn)開關(guān)Jx、 JD的額 定電流分別為3、 IOA。電源開關(guān)K1用大撥動(dòng)開關(guān)，其他開關(guān)都用小撥動(dòng)開關(guān)就可。波段開 關(guān)K6可用普通單層或雙層11位波段開關(guān)。高壓電顯示電壓表KV可用滿偏電流50-100微安 的表頭，其顯示電壓值應(yīng)為電流值乘以高壓降壓電阻R18的阻值，可直接把高壓刻度標(biāo)到表 的刻度盤上以方便讀數(shù)。電流插頭2、寬脈沖插口 CK1及窄脈沖插口 CK2可用市售雙聲道大 話筒插頭和插口代替，但插口的骨架必須是絕緣的。為了儀器的保護(hù)，可在電源變壓器B1的
輸入端再串聯(lián)一個(gè)0.75A的保險(xiǎn)絲?？烧{(diào)電感L5可用電視機(jī)行掃描同類電感。電感L2、 L3 可用電視機(jī)的行場偏轉(zhuǎn)線圈代替。電感線圈L1、 L4用直徑1.3毫米的銅漆包線繞在直徑6毫 米的圓棒上10匝后脫胎而成。
本發(fā)明可以做許多變化，例如為了提高高壓到2-5萬伏以上，可提高電源電路及后繼 相應(yīng)電路的工作電壓，電源可用開關(guān)電源，相應(yīng)元器件也應(yīng)更換成規(guī)格更高的；如果要求高 壓輸出的電流很小而電壓很高，則可以在高壓變壓器B3 (見圖1)后面增加多倍壓升壓電路， 倍壓整流二極管要用耐壓足夠的硅堆，升壓電容也可多個(gè)等值的串聯(lián)使用以提高耐壓，為了 防止對機(jī)殼放電，多倍壓升壓電路也要放在一個(gè)高絕緣塑料盒內(nèi)并安裝在絕緣板20 (見圖2) 的內(nèi)側(cè)，但由于升壓電容的存在使得只可輸出恒定或頻率不高的高壓脈沖；高壓電顯示電壓 表的電流信號(hào)也可取自高壓變壓器B3的一個(gè)獨(dú)立低壓繞組再整流后而得到，此時(shí)省去了高壓 降壓電阻R18，但這種方式顯示的高壓不夠準(zhǔn)確，也失去了測機(jī)外高壓的功能；相關(guān)的電路 做一些相應(yīng)變化后，繼電器也可用晶閘管代替；振蕩器的電路類型也可變化；也可再增加頻 率計(jì)，但此時(shí)為了實(shí)現(xiàn)頻率微調(diào)，可把脈沖頻率控制器的頻率控制電位器(例如W5)安裝在 儀器面板上，以方便頻率微調(diào)；高壓顯示電壓表也可換成數(shù)字電壓表；在單擺組件中也可再 增加各類傳感器等部分組件等等。但是這些變化使有的性能有所降低，有的成本大幅度提高。
權(quán)利要求
1、一種多功能電磁脈沖實(shí)驗(yàn)儀，包含直流電源，高壓發(fā)生器，其特征在于脈沖頻率控制器的一個(gè)繼電器開關(guān)通過雙擲開關(guān)串聯(lián)在高壓振蕩電路和高壓發(fā)生器的功率輸出電路之間，高壓發(fā)生器的輸出端固定在防高壓放電外殼的絕緣板上并與高壓發(fā)生器的引出端相連，防高壓放電外殼的上表面安裝有可活動(dòng)式實(shí)驗(yàn)組件，高壓發(fā)生器的地線接防高壓放電外殼的金屬部分。
2、 按權(quán)利要求l所述的多功能電磁脈沖實(shí)驗(yàn)儀，其特征在于可活動(dòng)式實(shí)驗(yàn)組件由兩個(gè)表 面帶有絕緣材料的平行金屬板電極構(gòu)成，平行金屬板電極的接地電極豎直固定和電連接在一 個(gè)可活動(dòng)金屬板上，高壓電極接高壓發(fā)生器的輸出端子。
3、 按權(quán)利要求l所述的多功能電磁脈沖實(shí)驗(yàn)儀，其特征在于可活動(dòng)式實(shí)驗(yàn)組件由兩個(gè)可 演示靜電力的彈性金屬板組合而成。
4、 按權(quán)利要求l所述的多功能電磁脈沖實(shí)驗(yàn)儀，其特征在于可活動(dòng)式實(shí)驗(yàn)組件是由金屬 板和高壓尖端放電組件組合而成。
5、 按權(quán)利要求l所述的多功能電磁脈沖實(shí)驗(yàn)儀，其特征在于可活動(dòng)式實(shí)驗(yàn)組件是由兩個(gè) 平行金屬板和一個(gè)可拆式單擺組合而成，單擺的支架可拆式安裝在可活動(dòng)金屬板上，單擺的 支架用伸縮拉桿制作。
6、 按權(quán)利要求l所述的多功能電磁脈沖實(shí)驗(yàn)儀，其特征在于脈沖頻率控制器的頻率控制 端子的一端與波段開關(guān)的滑動(dòng)端相連，另一端與脈沖頻率控制電容的公共連接端相連。
7、 按權(quán)利要求l所述的多功能電磁脈沖實(shí)驗(yàn)儀，其特征在于直流電源由第一級(jí)直流穩(wěn)壓 電源和第二級(jí)可調(diào)直流穩(wěn)壓電源組合而成，第二級(jí)可調(diào)直流穩(wěn)壓電源串聯(lián)在第一級(jí)直流穩(wěn)壓 電源和高壓發(fā)生器的功率輸出電路之間。
8、 按權(quán)利要求l所述的多功能電磁脈沖實(shí)驗(yàn)儀，其特征在于脈沖頻率控制器的另一個(gè)繼 電器開關(guān)的中心端與寬脈沖插口及窄脈沖插口的同名端同時(shí)相接，常通觸頭與常斷觸頭分別 接寬脈沖插口及窄脈沖插口。
9、 按權(quán)利要求l所述的多功能電磁脈沖實(shí)驗(yàn)儀，其特征在于還帶有一個(gè)可調(diào)式電磁鐵， 可調(diào)式電磁鐵的電磁線圈與電磁鐵整流器相接，電磁鐵整流器的輸入端與電流插頭串聯(lián)后直 接與220V市電相接。
10、 按權(quán)利要求l所述的多功能電磁脈沖實(shí)驗(yàn)儀，其特征在于脈沖頻率控制器由場掃描集 成電路和外圍電路構(gòu)成。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種多功能電磁脈沖實(shí)驗(yàn)儀，它包含兩個(gè)穩(wěn)壓電源等組成的寬范圍可調(diào)直流電源、多頻率直讀且超低頻可調(diào)的脈沖頻率控制器、被脈沖頻率控制器調(diào)制的高壓發(fā)生器、高壓電表、可活動(dòng)式實(shí)驗(yàn)組件、脈沖開關(guān)信號(hào)輸出插口，在儀器頂部搭建了一個(gè)防高壓放電外殼的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，在上面安裝可活動(dòng)式實(shí)驗(yàn)組件，還有一個(gè)可調(diào)式電磁鐵。它既可以輸出恒穩(wěn)的高壓直流電，又可以輸出頻率和脈寬可調(diào)的脈沖高壓電，還可以輸出脈沖磁場或給其他各類電磁鐵提供獨(dú)立的脈沖開關(guān)信號(hào)。它可高效、方便地做許多高壓靜電實(shí)驗(yàn)和生物物理、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域的實(shí)驗(yàn)，為高校教學(xué)和科研提供了一種功能全、使用方便、成本低、很實(shí)用的儀器。
文檔編號(hào)G09B23/18GK101359433SQ20081013900
公開日2009年2月4日 申請日期2008年8月25日 優(yōu)先權(quán)日2008年8月25日
發(fā)明者王吉華, 杰 趙 申請人:德州學(xué)院