本發(fā)明涉及實驗教學儀器領域，具體涉及一種同心圓電極靜電場模擬裝置及使用方法。

背景技術：
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了解和掌握帶電體周圍靜電場分布，對于某些科學研究和工程技術十分重要，但一般難以對靜電場分布用理論方法進行計算，用儀表直接測量也相當困難，靜電場的測量一般采用模擬法，利用穩(wěn)恒電流場模擬靜電場，通過測量恒定電流場中的電勢分布來確定靜電場的電勢分布。在大學物理實驗課程中，“靜電場的模擬法描繪”實驗屬于基礎性實驗，儀器使用人數和使用頻率非常高，根據教材要求和課程安排，在教學實踐中同心圓電極結構使用最為廣泛。

用穩(wěn)恒電流場模擬靜電場，要建立穩(wěn)恒電流場，采用良導體做成電流場的電極，而用電阻率遠大于電極電阻率的不良導體充當導電質，如導電微晶、自來水、稀硫酸銅溶液等，實際應用中的實驗儀器，水槽式模擬靜電場測繪儀和導電微晶靜電場描繪儀比較常見。

水槽式模擬靜電場測繪儀基本結構大體為方形水槽，每個水槽內放置一套金屬電極，在槽底開孔固定電極位置，并與槽外電路連接。實驗時水槽注入自來水作為電介質，置于測量架上，通常以雙層探針作為測量、記錄的工具。水槽式模擬靜電場測繪儀在使用中暴露了一些問題，如水槽結構未設計水平調節(jié)裝置，實驗時不能將水層調平，不能保證導電介質的電導率處處均勻，因此會形成很大的測量誤差；雙層探針定位由于其結構特點及不可避免的制造誤差，也會給測量增加較大誤差；盡管已采取防漏措施，儀器使用一段時間后，電極的穿孔處仍經常發(fā)生漏水現象，且存在水對金屬零件的腐蝕問題；水槽內金屬電極的類型和相互位置，一經確定即不能變化，缺乏使用的靈活性等等。

導電微晶靜電場描繪儀避免了較多水槽式儀器的問題，采用導電微晶作為不良導體，采用同步探針進行數據采集，測量探針與導電微晶板保持接觸實現電路連通，移動同步探針找到符合要求的電位點，利用記錄探針記錄完成數據采集。由于結構簡單操作方便，被廣泛采用。但該種儀器在長期使用后也暴露出一些缺陷：測量探針與電極板理想狀態(tài)應是點接觸，但由于工藝實現困難并防止使用時折斷，測量探針通常采用直徑2mm左右的黃銅棒材，探針端部加工成帶尖的結構，儀器使用時為了使測量探針與導電介質穩(wěn)定接觸，會用力按壓測量接觸裝置，還需用測量探針來回劃動以找到所需電位點的位置，當儀器使用一段時間后，測量探針的尖端部分會被逐步磨損成一個凹凸不平的面，同時接觸面積會增大，導致測量讀數的時候，顯示屏上的讀數不穩(wěn)定，上下浮動，從而在測量時找到了錯誤的等位點，使描繪圖像出現較大誤差；測量探針磨損后，探針高度降低，使得實驗過程中測量探針和記錄探針的同步性受到影響，即磨損后上下兩個探針在同一鉛錘面的要求不能保證，使得測量誤差變大；同步探針結構會引入誤差，同步探針由底座、手柄和連接片等金屬支架配合測量探針、螺母等組成，由于同步探針長期暴露于空氣中，測量探針與連接片的接點容易生銹，導致電路接通狀態(tài)的不穩(wěn)定，同時因為鐵銹的影響，導致電阻變大，使測量值偏離真實值，嚴重影響實驗結果；此外，同步探針與儀器主體彼此獨立、相互分離，對放置平臺要求較高。

技術實現要素：
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本發(fā)明想要解決的技術問題是：

1、創(chuàng)新設計產品結構，將探針移動與測量、記錄結構集成到一起，采用測量探針與記錄探針同軸結構，縮短測量回路，降低測量手臂接觸電阻，消除儀器本身導致的取點誤差，提高數據測量精度；

2、利用導電微晶而不是水作為不良導體制作電極板，避免水槽式模擬靜電場儀器的諸多問題；

3、長期使用后測量探針與電極板滑動摩擦磨損嚴重，探針接觸面積凹凸不平以及增大導致的數據誤差加大，改進接觸結構降低測量探針磨損程度，解決因磨損使測量探針縮短導致記錄探針和測量探針脫離同一鉛錘面，影響測量結果的問題。

為此，本發(fā)明提供一種同心圓電極靜電場模擬裝置及使用方法，該裝置適用于模擬法研究長直同軸圓柱形電極間的靜電場分布，也適用于大學物理實驗“靜電場的模擬法描繪”。

本發(fā)明采用的技術方案是：

一種同心圓電極靜電場模擬裝置，其特征在于：包括有底座、縱向移動機構、橫向移動機構、探針機構、同心圓電極板，所述縱向移動機構包括有兩條平行固定在底座兩側的縱向導軌，每條縱向導軌上分別滑動安裝有一個縱向滑塊，縱向導軌上還固定有縱向標尺；所述橫向移動機構包括有一條橫向導軌，橫向導軌的兩端分別固定在一個縱向滑塊上，橫向導軌上滑動安裝有一個橫向滑塊，橫向導軌上還固定有橫向標尺；所述探針機構固定在橫向滑塊上；所述同心圓電極板固定在底座的中心位置，同心圓電極板包括有內、外電極，內、外電極通過接線端子和導線分別與正、負接線柱連接；所述探針機構可在移動范圍內實現縱向、橫向的自由移動并進行數據測量。

所述的一種同心圓電極靜電場模擬裝置，其特征在于：所述底座包括有金屬板、四支地腳，四支地腳通過螺釘固定于金屬板下部。

所述的一種同心圓電極靜電場模擬裝置，其特征在于：所述同心圓電極板的內電極為直徑10mm的圓形正電極，外電極為內徑140mm、外徑160mm的圓環(huán)形負電極，內電極連接正接線柱，外電極連接負接線柱。

所述的一種同心圓電極靜電場模擬裝置，其特征在于：所述同心圓電極板整體為方形結構，同心圓電極板上除內、外電極的區(qū)域均覆蓋一層導電微晶，導電微晶為不良導體，內外電極施加電壓后能夠建立起穩(wěn)恒電流場。

所述的一種同心圓電極靜電場模擬裝置，其特征在于：所述同心圓電極板的內、外電極通過電極板固定件固定在底座上，電極板固定件為非金屬板，電極板固定件與底座之間留有空間用于布置內、外電極與正、負接線柱之間的導線和接線端子，正、負接線柱外部可連接電源正、負極，正極接線柱為紅色，負極接線柱為黑色。

所述的一種同心圓電極靜電場模擬裝置，其特征在于：所述探針機構包括有測量探針、記錄探針、手柄，測量探針、記錄探針分別螺紋連接于手柄的上下兩端，測量探針、記錄探針為同軸結構；所述手柄的下端套裝連接有連接塊，手柄和連接塊上分別設有上、下環(huán)形臺階，手柄和連接塊之間設有彈簧，彈簧的上下端面分別抵在上環(huán)形臺階的下端面和下環(huán)形臺階的上端面上；所述探針機構通過連接塊與橫向滑塊連接固定。測量探針加工有圓孔型接線柱，通過導線端部的彈性端子與測量電位的電壓表一端連接，電壓表另一端與外電極連接。

所述的一種同心圓電極靜電場模擬裝置，其特征在于：所述測量探針包括有探針桿、金屬滾珠，探針桿采用階梯過渡的結構、直徑逐步變小，探針桿的端部加工成錐面，錐面的前端加工內孔，金屬滾珠放置于內孔并進行收口，使得金屬滾珠不至脫落且能在內孔中自由滾動。

所述的一種同心圓電極靜電場模擬裝置，其特征在于：所述金屬滾珠采用耐磨性高且導電性良好的材料制作，且在工藝允許范圍滾珠直徑變小，接觸面積會變小，有助于提高數據精度。在儀器使用過程中，測量探針的滾珠與同心圓電極板實現滾動接觸，能夠解決滑動接觸結構摩擦力大導致磨損嚴重的問題，能夠提高數據測量精度，降低實驗誤差，此外，測量探針采取螺紋連接，可方便更換。

所述的一種同心圓電極靜電場模擬裝置，其特征在于：所述底座的四角上安裝有四根支柱，四根支柱的頂部固定有一個記錄紙放置板，記錄紙放置板的中部開有通孔，通孔與同心圓電極板的內、外電極同心，通孔直徑尺寸大于外電極直徑5mm；測量探針在同心圓電極板上測量的同時，記錄探針在記錄紙上進行數據記錄。

所述的一種同心圓電極靜電場模擬裝置，其特征在于：還包括有一個放置于記錄紙放置板上部、由于在測試時將記錄紙壓牢的壓板，所述壓板由厚金屬板與同樣尺寸的彈性橡膠墊粘接組成。

本發(fā)明裝置使用時，操作者用手握住探針手柄，移動縱向、橫向移動機構，使測量探針在內、外電極之間移動，操作時向下按下手柄壓縮彈簧，使得測量探針與同心圓電極板接觸，找到適合的電位點后進行數據記錄，測量探針在同心圓電極板上測量的同時，記錄探針在記錄紙上進行數據記錄。

本發(fā)明裝置提供兩種使用方法，取點法和坐標值法：

1、取點法，即將電位點采集并標記到記錄紙的方法：

（1）將電源通過導線連接到同心圓電極靜電場模擬裝置的正、負接線柱，調整適合的電壓值建立穩(wěn)恒電流場，并引入測量電壓表；

（2）將記錄紙放置于記錄紙放置板的上平面，用壓板固定好，防止記錄紙移動；

（3）用手握住探針手柄并向下用力壓縮彈簧，使得測量探針與同心圓電極板接觸，同時移動手柄使得測量探針能夠縱向、橫向移動；

（4）移動手柄同時觀察電壓表，當達到所需電位點時，向上拉動手柄，并使得記錄探針在記錄紙留下一個標記點，即采集并記錄了1個數據點，以此類推繼續(xù)采集數據點；

（5）數據采集完畢后取下記錄紙，以記錄紙上的數據為依據按要求進行繪制電場分布圖、計算測量誤差等數據處理。

2、坐標值法，即采集并記錄電位點橫縱坐標值的方法：

（1）將電源通過導線連接到同心圓電極靜電場模擬裝置的正、負接線柱，調整適合的電壓值建立穩(wěn)恒電流場，并引入測量電壓表；

（2）建立坐標系，以同心圓電極板的內電極中心點為原點，以探針縱、橫向移動方向為縱橫坐標軸建立直角坐標系；

（3）握住手柄移動測量探針到內電極中心位置，觀察縱向、橫向導軌滑塊上的指針應指在各自標尺的0刻度線處；

（4）移動手柄同時觀察電壓表，當達到所需電位點時，觀察并記錄縱向、橫向導軌上的指針所對應的刻度值，并以橫縱坐標值的方式進行記錄；

（5）利用本方法獲取的實驗數據是一系列點的坐標值，進行繪制電場分布圖、計算測量誤差等數據處理時可以將這些數據在坐標紙上一一標出，進行后續(xù)數據處理，也可以將這些點的坐標輸入計算機，借助計算機軟件的數據處理及圖形處理功能完成實驗數據處理。

本發(fā)明的有益效果在于：

1、本發(fā)明設計了一個同心圓電極靜電場模擬裝置，采取滑塊導軌結構作為探針縱向、橫向移動機構，提高了儀器使用的穩(wěn)定性和可靠性；

2、將探針移動與測量、記錄結構集成到一起，采用測量探針與記錄探針同軸結構，縮短測量回路，降低測量手臂接觸電阻，消除儀器本身導致的取點誤差，提高數據測量精度；

3、測量探針采取滾動接觸的方式采集數據點，大大降低了探針端部的磨損程度，能防止探針磨損導致的數據不穩(wěn)定、誤差過大的問題，同時能夠延長儀器使用壽命，滾動接觸的探針直徑可適當增加，能防止使用過程中折斷和變形，提高了儀器使用的穩(wěn)定性和可靠性；

4、本實驗裝置可實現取點法和坐標值法兩種數據記錄的方法，可根據實際需要進行選擇，取點法將數據點采集到記錄紙后可直接進行電場分布圖繪制等，坐標值法可將數據坐標輸入計算機，借助數據處理及圖形處理軟件的相關功能完成數據處理；

5、采用模塊化設計，便于安裝維護和擴展升級，如只采用坐標值法時，可將記錄紙固定模塊拆除，如需要更換其它結構形式的電極板，可拆除同心圓電極板進行更換，只需保證安裝孔位一致。

附圖說明：

圖1為本發(fā)明的同心圓電極靜電場模擬裝置的總體結構示意圖。

圖2為本發(fā)明的同心圓電極靜電場模擬裝置帶有正、負接線柱的總體結構示意圖。

圖3為模擬裝置實驗原理電路圖。

圖4為探針機構的主視結構示意圖。

圖5為探針機構的剖視結構示意圖。

圖6為測量探針的結構示意圖。

圖7為圖6的局部放大圖。

圖中標號：

1-底座，2-縱向導軌，3-橫向導軌，4-支柱，5-記錄紙放置板，6-壓板，7-探針機構，8-同心圓電極板，9-電極板固定件，10-正、負接線柱，11-縱向滑塊，12-縱向標尺，13-橫向滑塊，14-橫向標尺，15-測量探針，16-記錄探針，17-手柄，18-連接塊，19-彈簧，20-探針桿，21-金屬滾珠。

具體實施方式：

如圖1-7所示，一種同心圓電極靜電場模擬裝置，包括有底座1、縱向移動機構、橫向移動機構、探針機構7、同心圓電極板8，縱向移動機構包括有兩條平行固定在底座1兩側的縱向導軌2，每條縱向導軌2上分別滑動安裝有一個縱向滑塊11，縱向導軌2上還固定有縱向標尺12；橫向移動機構包括有一條橫向導軌3，橫向導軌3的兩端分別固定在一個縱向滑塊11上，橫向導軌3上滑動安裝有一個橫向滑塊13，橫向導軌3上還固定有橫向標尺14；探針機構7固定在橫向滑塊13上；同心圓電極板8固定在底座1的中心位置，同心圓電極板8包括有內、外電極，內、外電極通過接線端子和導線分別與正、負接線柱10連接；探針機構7可在移動范圍內實現縱向、橫向的自由移動并進行數據測量。

底座1包括有金屬板、四支地腳，四支地腳通過螺釘固定于金屬板下部。

同心圓電極板8的內電極為直徑10mm的圓形正電極，外電極為內徑140mm、外徑160mm的圓環(huán)形負電極，內電極連接正接線柱，外電極連接負接線柱。

同心圓電極板8整體為方形結構，同心圓電極板8上除內、外電極的區(qū)域均覆蓋一層導電微晶，導電微晶為不良導體，內外電極施加電壓后能夠建立起穩(wěn)恒電流場。

同心圓電極板8的內、外電極通過電極板固定件9固定在底座1上，電極板固定件9為非金屬板，電極板固定件9與底座1之間留有空間用于布置內、外電極與正、負接線柱之間的導線和接線端子，正、負接線柱外部可連接電源正、負極，正極接線柱為紅色，負極接線柱為黑色。

探針機構7包括有測量探針15、記錄探針16、手柄17，測量探針15、記錄探針16分別螺紋連接于手柄17的上下兩端，測量探針15、記錄探針16為同軸結構；手柄17的下端套裝連接有連接塊18，手柄17和連接塊18上分別設有上、下環(huán)形臺階，手柄17和連接塊18之間設有彈簧19，彈簧19的上下端面分別抵在上環(huán)形臺階的下端面和下環(huán)形臺階的上端面上；探針機構7通過連接塊18與橫向滑塊13連接固定。

測量探針15包括有探針桿20、金屬滾珠21，探針桿20采用階梯過渡的結構、直徑逐步變小，探針桿的端部加工成錐面，錐面的前端加工內孔，金屬滾珠21放置于內孔并進行收口，使得滾珠不至脫落且能在內孔中自由滾動。

金屬滾珠21采用耐磨性高且導電性良好的材料制作，且在工藝允許范圍滾珠直徑變小，接觸面積會變小，有助于提高數據精度。在儀器使用過程中，測量探針的滾珠與同心圓電極板實現滾動接觸，能夠解決滑動接觸結構摩擦力大導致磨損嚴重的問題，能夠提高數據測量精度，降低實驗誤差，此外，測量探針采取螺紋連接，可方便更換。

底座1的四角上安裝有四根支柱4，四根支柱4的頂部固定有一個記錄紙放置板5，記錄紙放置5板的中部開有通孔，通孔與同心圓電極板的內、外電極同心，通孔直徑尺寸大于外電極直徑5mm；測量探針在同心圓電極板上測量的同時，記錄探針在記錄紙上進行數據記錄。

還包括有一個放置于記錄紙放置板5上部、由于在測試時將記錄紙壓牢的壓板6，所述壓板6由厚金屬板與同樣尺寸的彈性橡膠墊粘接組成。

本發(fā)明裝置使用時，操作者用手握住探針手柄17，移動縱向、橫向移動機構，使測量探針在內、外電極之間移動，操作時向下按下手柄17壓縮彈簧19，使得測量探針與同心圓電極板接觸，找到適合的電位點后進行數據記錄，測量探針在同心圓電極板上測量的同時，記錄探針在記錄紙上進行數據記錄。

本發(fā)明裝置提供兩種使用方法，取點法和坐標值法：

1、取點法，即將電位點采集并標記到記錄紙的方法：

（1）將電源通過導線連接到同心圓電極靜電場模擬裝置的正、負接線柱10，調整適合的電壓值建立穩(wěn)恒電流場，并引入測量電壓表；

（2）將記錄紙放置于記錄紙放置板5的上平面，用壓板6固定好，防止記錄紙移動；

（3）用手握住探針手柄17并向下用力壓縮彈簧19，使得測量探針15與同心圓電極板8接觸，同時移動手柄17使得測量探針能夠縱向、橫向移動；

（4）移動手柄17同時觀察電壓表，當達到所需電位點時，向上拉動手柄，并使得記錄探針在記錄紙留下一個標記點，即采集并記錄了1個數據點，以此類推繼續(xù)采集數據點；

（5）數據采集完畢后取下記錄紙，以記錄紙上的數據為依據按要求進行繪制電場分布圖、計算測量誤差等數據處理。

2、坐標值法，即采集并記錄電位點橫縱坐標值的方法：

（1）將電源通過導線連接到同心圓電極靜電場模擬裝置的正、負接線柱10，調整適合的電壓值建立穩(wěn)恒電流場，并引入測量電壓表；

（2）建立坐標系，以同心圓電極板8的內電極中心點為原點，以探針縱、橫向移動方向為縱橫坐標軸建立直角坐標系；

（3）握住手柄17移動測量探針到內電極中心位置，觀察縱向、橫向導軌滑塊上的指針應指在各自標尺的0刻度線處；

（4）移動手柄17同時觀察電壓表，當達到所需電位點時，觀察并記錄縱向、橫向導軌上的指針所對應的刻度值，并以橫縱坐標值的方式進行記錄；

（5）利用本方法獲取的實驗數據是一系列點的坐標值，進行繪制電場分布圖、計算測量誤差等數據處理時可以將這些數據在坐標紙上一一標出，進行后續(xù)數據處理，也可以將這些點的坐標輸入計算機，借助計算機軟件的數據處理及圖形處理功能完成實驗數據處理。