祝孝正,郝 偉,王 麗

(北京工業(yè)大學(xué)應(yīng)用數(shù)理學(xué)院,北京100124)

1 引 言

傳統(tǒng)火炮利用火藥的化學(xué)能來(lái)?yè)舭l(fā)炮彈,而電磁炮則是利用強(qiáng)脈沖電磁力代替火藥的爆炸力來(lái)發(fā)射炮彈.大學(xué)物理演示實(shí)驗(yàn)教學(xué)中,電磁學(xué)內(nèi)容在課程中占有一定比重,參照電磁炮造型,應(yīng)用電磁學(xué)理論、機(jī)械力學(xué)及電子技術(shù)研發(fā)了無(wú)線遙控活塞式多速率顯示電磁炮演示儀,它既有實(shí)驗(yàn)性又具有趣味性,能演示電磁場(chǎng)力又可顯示彈道的速率,豐富了演示實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容,可以用于物理電磁學(xué)部分的演示實(shí)驗(yàn)教學(xué)及電磁力等特性的分析.

2 基本原理

圖1 電磁炮演示儀外形結(jié)構(gòu)

電磁炮演示儀結(jié)構(gòu)如圖1所示,它是利用可滑動(dòng)的金屬制動(dòng)活塞與通電線圈內(nèi)的磁場(chǎng)相互作用原理而設(shè)計(jì),又可稱為同軸螺線管線圈炮,主要由加速螺線管線圈和金屬制動(dòng)活塞構(gòu)成.加速螺線管線圈固定在炮管中,當(dāng)它通入瞬變電流時(shí),線圈中的瞬間變化磁場(chǎng)引起很大的磁通變化率,所產(chǎn)生磁場(chǎng)力就會(huì)與管內(nèi)的金屬制動(dòng)活塞互相作用,使活塞加速運(yùn)動(dòng)撞擊炮彈(乒乓球),并將其發(fā)射出去.

3 電路控制系統(tǒng)

無(wú)線遙控活塞式多速率顯示電磁炮演示儀由炮管、炮座、活塞擊發(fā)裝置(螺線管線圈、金屬制動(dòng)活塞、光電傳感器)、高壓儲(chǔ)能電容器及控制電路組成.

電路系統(tǒng)由2個(gè)部分組成:編碼無(wú)線遙控調(diào)制發(fā)射控制器,解碼控制執(zhí)行系統(tǒng).系統(tǒng)原理如圖2所示.

圖2 電磁炮演示儀系統(tǒng)原理圖

4 編碼調(diào)制無(wú)線發(fā)射控制系統(tǒng)

四路功能A,B,C,D控制開(kāi)關(guān)信號(hào),送到編碼器 VD5026集成電路進(jìn)行數(shù)字編碼,組件VD5026編碼器一共有12個(gè)地址碼,將其中4個(gè)地址碼0～4(0001～0100)用于以上功能的編碼.1為低速發(fā)射控制,2為高速發(fā)射控制,3為速度表復(fù)位清零,4為炮管俯仰升降控制.

經(jīng)過(guò)載波調(diào)制器RF-01T無(wú)線集成組件,將控制編碼信號(hào)加載到315 M Hz的高頻振蕩器上,進(jìn)行載波調(diào)制經(jīng)由天線以電磁波的形式發(fā)射到空間.編碼調(diào)制電路如圖3所示.

圖3 編碼調(diào)制電路

5 解調(diào)譯碼控制

當(dāng)無(wú)線遙控操作指令被天線接收,控制編碼載波信號(hào)進(jìn)入RF-01接收集成組件進(jìn)行整形放大,再經(jīng)譯碼VD5027集成電路解調(diào)譯碼去驅(qū)動(dòng)4路繼電器J控制組成的4組開(kāi)關(guān),每一組開(kāi)關(guān)將完成各自功能控制.接收譯碼電路如圖4所示,圖中只繪有1個(gè)開(kāi)關(guān)1電路,其他3個(gè)相同電路開(kāi)關(guān)接在組件對(duì)應(yīng)的端點(diǎn)上.

圖4 接收譯碼電路

6 活塞擊發(fā)裝置設(shè)計(jì)

本電磁炮演示儀的核心部件即為活塞擊發(fā)裝置,如圖5所示,它是由螺線管線圈、金屬制動(dòng)活塞、彈簧、撞針?biāo)M成,其中螺線管線圈的參數(shù)及制作工藝質(zhì)量的好壞將影響電磁炮的性能指標(biāo),要求金屬制動(dòng)活塞在線圈中快速的運(yùn)動(dòng)時(shí)間為L(zhǎng)C放電的上升沿時(shí)間內(nèi)為最佳,因此設(shè)計(jì)線圈在此期間內(nèi)能產(chǎn)生較大的磁場(chǎng)力,致使活塞在磁場(chǎng)中產(chǎn)生最大的沖擊力去驅(qū)動(dòng)炮彈出膛.根據(jù)具體演示實(shí)驗(yàn)的效果要求,在設(shè)計(jì)制作中體現(xiàn)演示儀的直觀趣味性、安全操作性、可靠性等,并要有一定的定量分析的功效,因此在優(yōu)化設(shè)計(jì)中反復(fù)研究實(shí)驗(yàn)螺線管線圈在放電過(guò)程中強(qiáng)脈沖的瞬態(tài)特性,根據(jù)以上其特性要求以及金屬制動(dòng)活塞的質(zhì)量及在炮管中的運(yùn)動(dòng)摩擦系數(shù)將決定螺線管線圈制作過(guò)程中線圈的線徑和匝數(shù).

圖5 螺線管線圈擊發(fā)器

7 LRC充放電系統(tǒng)的調(diào)整

電磁炮演示儀的核心部件為活塞擊發(fā)裝置,而制動(dòng)伺服驅(qū)動(dòng)活塞擊發(fā)裝置則是電路中的最重要環(huán)節(jié),其電路的最基本工作電路即為L(zhǎng)RC充放電系統(tǒng).

電磁炮演示儀的性能優(yōu)劣主要取決于LRC充放電系統(tǒng)的最佳合理設(shè)計(jì)及調(diào)整,充放電系統(tǒng)由螺線管線圈L,充電電阻 R,充放電電容器 C組成,其電路的基本原理如圖6充放電路所示.

圖6 充放電路

LRC充放電路原理在物理電磁學(xué)中為最精典形式,它實(shí)際上是 RC充電,LC放電過(guò)程,當(dāng)電源 E經(jīng)電阻R給儲(chǔ)能電容C充電,而充滿電后的儲(chǔ)能電容C經(jīng)電感(螺線管線圈)L放電.

本演示儀所選用的電路元件電感L、電阻 R、電容 C是經(jīng)反復(fù)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)的關(guān)鍵部件,其中電感L選用線徑為0.68 mm的高強(qiáng)度質(zhì)量的漆皮線,在直徑為32 mm高絕緣強(qiáng)度的有機(jī)玻璃管精密繞制180～260匝.

高壓儲(chǔ)能電容C是反復(fù)充放電的重要部件,其放電瞬間電流可高達(dá)100 A,因此對(duì)其技術(shù)性能有較高的要求.經(jīng)反復(fù)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)高壓儲(chǔ)能電容C選用耐壓450 V,電容量為3 300μF的電解質(zhì)電容器.而在本演示儀上選用體積較小的電容器為好,在設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)中將LRC充放電系統(tǒng)分為2個(gè)能量環(huán)路即可演示多種能量激發(fā)和顯示速率,實(shí)際工作充放電電路如圖7所示.Ja和Jb為快速繼電器的一組常開(kāi)常閉的接觸開(kāi)關(guān),由于LRC充放電系統(tǒng)的特性,要求繼電器開(kāi)關(guān)有較高的開(kāi)關(guān)響應(yīng)速度,較高的直流耐壓,較高的瞬態(tài)電流密度.

圖7 實(shí)際充放電路

8 多速率彈道顯示

根據(jù)無(wú)線遙控活塞式多速率顯示電磁炮演示儀的設(shè)計(jì)要求,隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展創(chuàng)新,演示儀不應(yīng)僅僅局限某種物理學(xué)現(xiàn)象的簡(jiǎn)單定性的解釋演示,而還應(yīng)具有多種物理學(xué)現(xiàn)象的定量研究分析功能.本電磁炮演示儀基于物理電磁學(xué)中的電磁力的直觀原理定性演示,還設(shè)計(jì)了電磁炮管的俯仰角度的自動(dòng)控制系統(tǒng),將用于電風(fēng)扇的慢速正反轉(zhuǎn)交流電機(jī)(36 r/min)與機(jī)械絲杠調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)組成電磁炮管的俯仰角度的自動(dòng)控制系統(tǒng),當(dāng)電機(jī)順時(shí)針旋轉(zhuǎn)電磁炮管俯仰角度上升,反之為下降.這樣的設(shè)計(jì)可用于觀測(cè)彈道的軌跡、速度與距離的關(guān)系.它的升降功能是由無(wú)線遙控開(kāi)關(guān)操控的,演示時(shí)簡(jiǎn)單便捷.

本電磁炮演示儀的特色亮點(diǎn)功能之一即為多種速率顯示,它是由光電傳感器、速率顯示表、編碼復(fù)位清零系統(tǒng)所組成,在電磁炮管出口端裝置有光電傳感器,當(dāng)炮彈(乒乓球)被撞擊出膛,光電傳感器可隨機(jī)測(cè)驗(yàn)出多種彈道的初始脈沖時(shí)間,炮彈直徑d s與脈沖時(shí)間d t之比即為此時(shí)的瞬態(tài)速率d v=d s/d t.

由于電磁炮演示儀設(shè)計(jì)裝置了較精確的多功能速率顯示表,既可直觀顯示瞬態(tài)炮彈的初速度,又具備可多重?cái)?shù)據(jù)的定量研究分析,以便更精準(zhǔn)地解釋演示物理的原理特性.

9 結(jié)束語(yǔ)

本文介紹了一種無(wú)線遙控活塞式多速率顯示電磁炮演示儀的研發(fā)過(guò)程,它結(jié)合了機(jī)械加工、電子電路技術(shù)、數(shù)字編碼、解碼、無(wú)線通訊等技術(shù)完成的一件物理演示實(shí)驗(yàn)裝置,它是藝術(shù)結(jié)構(gòu)造型與現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)結(jié)合的產(chǎn)物.該演示實(shí)驗(yàn)裝置立意新穎,具有較好的演示特性,操作簡(jiǎn)便安全可靠,演示效果直觀明顯.電磁炮演示儀的所有功能均為無(wú)線編碼控制,如電磁炮的充電、放電、速度選擇、速度表的復(fù)位清零以及電磁炮管的俯仰控制.由于演示儀采用新穎的有機(jī)玻璃的藝術(shù)結(jié)構(gòu)造型,所有功能部件均為通體透明一目了然,在物理演示實(shí)驗(yàn)教學(xué)中容易激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,使學(xué)生感觀思維煥然一新,增強(qiáng)了物理演示實(shí)驗(yàn)的感染力,提高了物理演示的精確度和可信度,豐富了物理演示內(nèi)容,在教學(xué)演示實(shí)驗(yàn)中收到良好的教學(xué)效果.

注:該演示實(shí)驗(yàn)儀已榮獲2009年“全國(guó)高等學(xué)校第9屆物理演示實(shí)驗(yàn)教學(xué)研討會(huì)”教學(xué)儀器評(píng)比三等獎(jiǎng).

[1] 張三慧.物理學(xué)[M].北京:清華大學(xué)出版社,2001.

[2] 康華光.電子技術(shù)基礎(chǔ)[M].北京:人民教育出版社,1979:376-380.