無線遙控活塞式多速率顯示電磁炮演示儀

祝孝正,郝 偉,王 麗

(北京工業大學應用數理學院,北京100124)

1 引 言

傳統火炮利用火藥的化學能來擊發炮彈,而電磁炮則是利用強脈沖電磁力代替火藥的爆炸力來發射炮彈.大學物理演示實驗教學中,電磁學內容在課程中占有一定比重,參照電磁炮造型,應用電磁學理論、機械力學及電子技術研發了無線遙控活塞式多速率顯示電磁炮演示儀,它既有實驗性又具有趣味性,能演示電磁場力又可顯示彈道的速率,豐富了演示實驗教學內容,可以用于物理電磁學部分的演示實驗教學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構

電磁炮演示儀結構如圖1所示,它是利用可滑動的金屬制動活塞與通電線圈內的磁場相互作用原理而設計,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活塞構成.加速螺線管線圈固定在炮管中,當它通入瞬變電流時,線圈中的瞬間變化磁場引起很大的磁通變化率,所產生磁場力就會與管內的金屬制動活塞互相作用,使活塞加速運動撞擊炮彈(乒乓球),并將其發射出去.

3 電路控制系統

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

電路系統由2個部分組成:編碼無線遙控調制發射控制器,解碼控制執行系統.系統原理如圖2所示.

圖2 電磁炮演示儀系統原理圖

4 編碼調制無線發射控制系統

四路功能A,B,C,D控制開關信號,送到編碼器 VD5026集成電路進行數字編碼,組件VD5026編碼器一共有12個地址碼,將其中4個地址碼0～4(0001～0100)用于以上功能的編碼.1為低速發射控制,2為高速發射控制,3為速度表復位清零,4為炮管俯仰升降控制.

經過載波調制器RF-01T無線集成組件,將控制編碼信號加載到315 M Hz的高頻振蕩器上,進行載波調制經由天線以電磁波的形式發射到空間.編碼調制電路如圖3所示.

圖3 編碼調制電路

5 解調譯碼控制

當無線遙控操作指令被天線接收,控制編碼載波信號進入RF-01接收集成組件進行整形放大,再經譯碼VD5027集成電路解調譯碼去驅動4路繼電器J控制組成的4組開關,每一組開關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個開關1電路,其他3個相同電路開關接在組件對應的端點上.

圖4 接收譯碼電路

6 活塞擊發裝置設計

本電磁炮演示儀的核心部件即為活塞擊發裝置,如圖5所示,它是由螺線管線圈、金屬制動活塞、彈簧、撞針所組成,其中螺線管線圈的參數及制作工藝質量的好壞將影響電磁炮的性能指標,要求金屬制動活塞在線圈中快速的運動時間為LC放電的上升沿時間內為最佳,因此設計線圈在此期間內能產生較大的磁場力,致使活塞在磁場中產生最大的沖擊力去驅動炮彈出膛.根據具體演示實驗的效果要求,在設計制作中體現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,因此在優化設計中反復研究實驗螺線管線圈在放電過程中強脈沖的瞬態特性,根據以上其特性要求以及金屬制動活塞的質量及在炮管中的運動摩擦系數將決定螺線管線圈制作過程中線圈的線徑和匝數.

圖5 螺線管線圈擊發器

7 LRC充放電系統的調整

電磁炮演示儀的核心部件為活塞擊發裝置,而制動伺服驅動活塞擊發裝置則是電路中的最重要環節,其電路的最基本工作電路即為LRC充放電系統.

電磁炮演示儀的性能優劣主要取決于LRC充放電系統的最佳合理設計及調整,充放電系統由螺線管線圈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中為最精典形式,它實際上是 RC充電,LC放電過程,當電源 E經電阻R給儲能電容C充電,而充滿電后的儲能電容C經電感(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是經反復設計實驗的關鍵部件,其中電感L選用線徑為0.68 mm的高強度質量的漆皮線,在直徑為32 mm高絕緣強度的有機玻璃管精密繞制180～260匝.

高壓儲能電容C是反復充放電的重要部件,其放電瞬間電流可高達100 A,因此對其技術性能有較高的要求.經反復設計實驗高壓儲能電容C選用耐壓450 V,電容量為3 300μF的電解質電容器.而在本演示儀上選用體積較小的電容器為好,在設計實驗中將LRC充放電系統分為2個能量環路即可演示多種能量激發和顯示速率,實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常閉的接觸開關,由于LRC充放電系統的特性,要求繼電器開關有較高的開關響應速度,較高的直流耐壓,較高的瞬態電流密度.

圖7 實際充放電路

8 多速率彈道顯示

根據無線遙控活塞式多速率顯示電磁炮演示儀的設計要求,隨著現代科技的發展創新,演示儀不應僅僅局限某種物理學現象的簡單定性的解釋演示,而還應具有多種物理學現象的定量研究分析功能.本電磁炮演示儀基于物理電磁學中的電磁力的直觀原理定性演示,還設計了電磁炮管的俯仰角度的自動控制系統,將用于電風扇的慢速正反轉交流電機(36 r/min)與機械絲杠調節機構組成電磁炮管的俯仰角度的自動控制系統,當電機順時針旋轉電磁炮管俯仰角度上升,反之為下降.這樣的設計可用于觀測彈道的軌跡、速度與距離的關系.它的升降功能是由無線遙控開關操控的,演示時簡單便捷.

本電磁炮演示儀的特色亮點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、編碼復位清零系統所組成,在電磁炮管出口端裝置有光電傳感器,當炮彈(乒乓球)被撞擊出膛,光電傳感器可隨機測驗出多種彈道的初始脈沖時間,炮彈直徑d s與脈沖時間d t之比即為此時的瞬態速率d v=d s/d t.

由于電磁炮演示儀設計裝置了較精確的多功能速率顯示表,既可直觀顯示瞬態炮彈的初速度,又具備可多重數據的定量研究分析,以便更精準地解釋演示物理的原理特性.

9 結束語

本文介紹了一種無線遙控活塞式多速率顯示電磁炮演示儀的研發過程,它結合了機械加工、電子電路技術、數字編碼、解碼、無線通訊等技術完成的一件物理演示實驗裝置,它是藝術結構造型與現代科學技術結合的產物.該演示實驗裝置立意新穎,具有較好的演示特性,操作簡便安全可靠,演示效果直觀明顯.電磁炮演示儀的所有功能均為無線編碼控制,如電磁炮的充電、放電、速度選擇、速度表的復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玻璃的藝術結構造型,所有功能部件均為通體透明一目了然,在物理演示實驗教學中容易激發學生的學習興趣,使學生感觀思維煥然一新,增強了物理演示實驗的感染力,提高了物理演示的精確度和可信度,豐富了物理演示內容,在教學演示實驗中收到良好的教學效果.

注:該演示實驗儀已榮獲2009年“全國高等學校第9屆物理演示實驗教學研討會”教學儀器評比三等獎.

[1] 張三慧.物理學[M].北京:清華大學出版社,2001.

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