CN108092419B - 基于电磁耦合无线传能的教学装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及教学装置技术领域，具体涉及一种基于电磁耦合无线传能的教学装置，包括发射装置、谐振装置以及接收装置；本发明的有益之处在于装置模块化，线圈采用直插式，可连续插拔，方便实验过程中加减线圈和更换线圈为实验节省大量时间。线圈转动角度受步进电机传动，通过齿轮间的啮合使线圈精准调节自动旋转角度。
Description
技术领域
本发明涉及教学装置技术领域，具体涉及一种基于电磁耦合无线传能的教学装置。
背景技术
2006年11月，美国麻省理工学院MIT物理系助理教授索尔贾希克Marin Soljacic提出一种可以通过无线电能传输技术利用电磁能的新理论。利用两个铜丝线圈充当共振器，一个线圈与电源相连，作为发射器；另一个与台灯相连，充当接收器。结果，他们成功地把一盏距发射器2.13米开外的60瓦电灯点亮。其中电磁感应式无线供电技术是国内外学术界和工业界开始探索的一个新领域，属于世界上电能输送领域的前沿课题。目前，学生在学习理解磁谐振耦合、电磁场、高频电力电子、电磁感应、耦合模理论时，由于这些知识比较抽象，学生理解困难，无法让学生深入理解知识点。由于没有相应的实验装置大量相关研究只能停留在理论分析。
专利CN106940957A(201710337841.5)公开了的实训装置体积笨重，功能单一，其只能做具有针对性的单一实验，对比实验过程中加减线圈较为困难，实验操作步骤极其繁琐。线圈旋转角度不能自动调节，手动调节大大降低了实验数据的可靠性，由于轨道贯穿线圈，因此线圈旋转角度区间较小，大大降低了装置的可操作性，同时该专利中公开了线圈与轨道固定一体，导致无法改变线圈间的距离，无法研究距离与传输效率间的关系，进而缩小了此实验装置的应用范围，且装置非模块化，不利于教学实验应用。
专利CN 204102405 U公开了的一种磁耦合谐振式无线电力传输的教学实验装置所述“通过移动接收电路线圈支架，可以观察发射电路线圈和接收电路线圈之间距离变化时，接收电路中负载的变化，比如灯泡负载的明亮程度，即观察电力传输效率的变化。”该装置通过手动调节线圈距离，用肉眼观察灯泡的亮度来得出电力传输效率的变化，此判定传输效率的方法不科学，因为灯泡的亮度达到一定极限会存在光衰，所以单用肉眼观察灯的亮度作为判定传输效率的方法不科学，不能以确切的数据来得出传输效率变化，所以此装置也失去教学实训的意义。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足提供一种基于电磁耦合无线传能的教学装置及实验方法。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种基于电磁耦合无线传能的教学装置，包括发射装置、谐振装置以及接收装置；
所述的发射装置包括发射线圈、用于固定所述的发射线圈的发射旋转平台、发射壳体以及设置在所述的发射壳体内用于驱动所述的发射旋转平台旋转的发射旋转机构；所述的发射旋转机构包括设置在所述的发射壳体侧壁上的发射电机旋钮、与所述的发射电机旋钮连接的发射电机驱动模块、受所述的发射电机驱动模块驱动的发射步进电机、与所述的发射步进电机连接的发射锥形齿轮以及与所述的发射锥形齿轮连接的发射连接轴；所述的发射连接轴的另一端穿过所述的发射壳体与所述的发射旋转平台连接并带动所述的发射旋转平台进行旋转；
所述谐振装置包括谐振线圈、用于固定所述的谐振线圈的谐振旋转平台、谐振壳体以及设置在所述的谐振壳体内用于驱动所述的谐振旋转平台旋转的谐振旋转机构；所述的谐振旋转机构包括设置在所述的谐振壳体侧壁上的谐振电机旋钮与所述的谐振电机旋钮连接的谐振电机驱动模块、受所述的谐振电机驱动模块驱动的谐振步进电机、与所述的谐振步进电机连接的谐振锥形齿轮以及与所述的谐振锥形齿轮连接的谐振连接轴；所述的谐振连接抽的另一端穿过所述的谐振壳体与所述的谐振旋转平台连接并带动所述的谐振旋转平台进行旋转；
所述的接收装置包括接收线圈、用于固定所述的接收线圈的接收升降平台、接收壳体以及设置在所述的接收壳体内用于驱动所述的接收升降平台进行升降的接收升降机构；所述的接收升降机构包括设置在所述的接收壳体侧壁上的接收电机旋钮、与所述的接收电机旋钮连接的接收电机驱动模块、受所述的接收电机驱动模块驱动的接收步进电机、与所述的接收步进电机连接的接收齿轮以及与所述的接收齿轮啮合的接收齿条；所述的接收齿条穿过所述的接收壳体与所述的接收降平台连接并带动所述的接收升降平台进行升降。
所述的发射装置中所述的发射旋转平台中心位置设置有用于插拔所述的发射线圈的发射插口；所述的发射线圈为系列不同线径、线圈直径和匝数的发射线圈，线径为1.00mm、1.25mm或者1.50mm中的一种，线圈直径为100mm、150mm或者200mm中的一种，线圈匝数为2、4或者6中的一种；发射线圈采用平面螺旋式绕法，所述的发射线圈上设有发射插头；所述的发射插头通过发射插头连接器与所述的发射插口连接。
所述的发射装置中，所述的发射壳体下方设置有发射滑轨结构用于调整发射装置与其他装置之间的距离。
所述的发射装置中，所述发射壳体的侧壁上还设有发射电源插头、发射电源开关按钮、发射电源指示灯、发射示波器接口、与发射电感调节模块连接的发射电感调节旋钮、与发射电容调节模块连接的发射电容调节旋钮、与发射电压调节模块连接的发射电压调节旋钮和发射电压显示刻度盘、与发射电流调节模块连接的发射电流显示刻度盘、与发射labview测试模块连接的发射labview测试通道接口、以及发射散热窗；所述的发射示波器接口为两个，其中一个发射示波器接口为波形输出端，另外一个发射示波器接口为接地端，两个接口分别于所述的发射线圈连接；当***工作时可以连接发射示波器来收集发射线圈中电压的幅值和频率，通过调节发射电容调节旋钮和发射电感调节旋钮可以改变发射线圈的自谐振频率从而和教学装置所产生的频率达到一致。
所述的谐振装置中，所述的谐振旋转平台中心位置设置有用于插拔所述的谐振线圈的谐振插口；所述的谐振装置中，所述谐振壳体的侧壁上还设有谐振示波器接口、与谐振电感调节模块连接的谐振电感调节旋钮、与谐振电容调节模块连接的谐振电容调节旋钮、与谐振电压显示模块连接的谐振电压显示刻度盘、与谐振电流显示模块连接的谐振电流显示刻度盘与labview测试模块连接的谐振labview测试通道接口、谐振散热窗以及谐振锂电池接口；
所述谐振电容调节模块包括一组谐振定片和一组谐振动片，且并联在谐振线圈的谐振插口两端；所述谐振电容调节旋钮与谐振动片连接，其容量随谐振动片的转动而连续改变从而达到改变电容的目的，电容量可调范围在10-270pF；所述谐振可调电感模块由谐振可调共模电感组成，所述谐振可调共模电感采用带螺纹的软磁铁氧体，谐振可调电感模块与谐振谐振线圈插口两端串联，谐振电感调节旋钮通过控制软磁铁氧体的铁心在谐振可调电感模块中的位置来改变电感大小，电感量可调范围在2.1-6.8uH；
所述的谐振示波器接口为两个，其中一个为波形输出端，另外一个为接地端，两个接口分别与所述的谐振旋转平台上的谐振线圈连接；当***工作时可以连接示波器来显示当前***谐振旋转平台接口的谐振线圈中的电压的幅值和频率，通过调节谐振电容调节旋钮和谐振电感调节旋钮来改变谐振线圈的自谐振频率从而和谐振装置所产生的频率达到一致。
所述的谐振装置中，所述的谐振锂电池充电接口与设置在所述的谐振壳体内的谐振锂电池连接用于为所述的谐振锂电池充电。
所述的接收装置中，所述的接收升降平台中心位置设置有用于插拔所述的接收线圈的接收插口；所述的接收线圈为系列不同线径、线圈直径和匝数的接收线圈，线径为1.00mm、1.25mm或者1.50mm中的一种，线圈直径为100mm、150mm或者200mm中的一种，线圈匝数为2、4或者6中的一种；接收线圈采用平面螺旋式绕法，所述的接收线圈上设有接收插头；所述的接收插头通过接收插头连接器与所述的接收插口连接；
所述接收壳体的侧壁上还设有接收电容调节旋钮、接收电感调节旋钮、接收示波器接口、接收电压显示刻度盘、接收电流显示刻度盘、接收labview测试通道接口、接收负载led灯阵列、接收负载转换开关、接收负载接口，接收散热窗、以及接收锂电池充电接口；所述的接收锂电池充电接口与设置在所述的接收壳体内的接收锂电池连接用于为所述的接收锂电池充电；所述的负载转换开关用于切换负载led灯阵列和负载接口，所述负载接口可以外接电容性负载、电感性负载电阻性负载。
本发明还包括一种基于所述的电磁耦合无线传能的教学装置的实验方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、选择配备的不同型号的发射线圈，将发射线圈插接在发射旋转平台的发射插口中，选择教学装置配备的不同型号的谐振线圈，将谐振线圈插接在谐振旋转平台的谐振插口中；转动谐振升降平台调节谐振旋钮来打开谐振步进电机驱动模块；选择配备的不同型号的接收线圈，将接收线圈插接在接收升降平台的接收插口中；
步骤二、将发射电源插头接入电源，将锂电池安装在谐振壳体侧面的谐振锂电池盒中，此锂电池用来给谐振装置内部的谐振步进电机和谐振步进电机驱动模块供电；使用之前应将充电器与谐振锂电池充电口连接，为教学装置充电用于谐振步进电机使用；按下发射电源开关，发射电源指示灯亮，此时发射装置已经启动；
步骤三、通过观察发射壳体上的发射电压显示刻度盘和发射电流显示刻度盘来读取当前输入发射线圈的电压值和电流值，通过发射电压调节旋钮来改变当前输入发射线圈的电压和电流；可以通过观察谐振装置的谐振电压显示刻度盘和谐振电流显示刻度盘来读取到当前接收线圈两端的电压值和流过接收线圈的电流值；
通过读取谐振装置的谐振电感调节旋钮和谐振电容调节旋钮下方的刻度来确定当前可调电感和可调电容的大小；通过读取接收装置的接收电感调节旋钮或者接收电容调节旋钮下方的刻度来确定当前可调电感和可调电容的大小；
步骤四、将发射装置的发射示波器探头公共端接入到接地端的发射示波器接口，将信号采集端与波形输出端的发射示波器接口连接，通过调节发射电感调节旋钮和发射电容调节旋钮来调节发射线圈自谐振频率，通过观测发射示波器的显示屏来读取到当前线圈的频率、波形、幅值、相位；将谐振装置的示波器第一通道探头公共端接入到谐振示波器的接地端接口，将信号采集端与谐振示波器的波形输出端接通，通过调节谐振电感调节旋钮和谐振电容调节旋钮来调节谐振线圈的自谐振频率；
步骤五、通过读取谐振电感调节旋钮和谐振电容调节旋钮下方的刻度盘来确定当前可调电感和可调电容的大小；通过按接收装置的接收负载转换开关来转换接收输出负载的类型可以选择不同类型的负载，可以选择接受接收壳体侧面的LED灯和接收负载接口来选择不同的负载；
步骤六、用户可以将labview测试装置与发射装置外置的发射labview测试通道接口连接来对电压、电流、电容、电感、频率、功率、幅值和相位进行采集从而用电脑对测量的数据进行分析计算储存；
步骤七、用户可以通过调节发射装置上的旋转平台调节旋钮来改变线圈相对于其他装置的角度；还可以通过调节发射壳体上面的发射旋转平台调节发射旋钮来改变发射线圈相对于发射壳体的角度；
步骤八、用户可以更换不同配置的不同型号的不同形状的谐振线圈插装在谐振壳体顶部谐振旋转平台上的谐振插口上进行调节，重复以上步骤；
步骤九、关闭步进电机开关电源及发射装置电源，整理实验器材。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
本发明的有益之处在于装置模块化，线圈采用直插式，可连续插拔，方便实验过程中加减线圈和更换线圈为实验节省大量时间。线圈转动角度受步进电机传动，通过齿轮间的啮合使线圈精准调节自动旋转角度。
附图说明
图1为本发明发射装置整体图；
图2为本发明发射装置内部图；
图3为本发明谐振装置整体图；
图4为本发明谐振装置内部图；
图5为本发明接收装置整体图；
图6为本发明接收装置内部图。
具体实施方式
以下结合附图及实施例对本发明进行详细的描述。
如图1-6示出一种基于电磁耦合无线传能的教学装置，包括发射装置、谐振装置以及接收装置；
如图1-2所示发射装置，包括发射线圈1-1、用于固定所述的发射线圈的发射旋转平台1-2、发射壳体1-4以及设置在所述的发射壳体内用于驱动所述的发射旋转平台旋转的发射旋转机构；所述的发射旋转机构包括设置在所述的发射壳体侧壁上的发射电机旋钮1-15、与所述的发射电机旋钮连接的发射电机驱动模块1-20、受所述的发射电机驱动模块驱动的发射步进电机1-21、与所述的发射步进电机连接的发射锥形齿轮以及与所述的发射锥形齿轮连接的发射连接轴1-24；所述的发射步进电机1-21为35BYJ412B的12v步进电机，发射步进电机驱动模块采用ULN2003驱动模块，发射锥形齿轮选用40齿5模的锥形齿轮1-22和15齿5模的锥形齿轮1-23，所述发射步进电机1-21和发射齿锥形齿轮1-22连接，40齿锥形齿轮和15齿锥形齿轮1-23进行啮合，发射连接轴1-24的下端与发射齿锥形齿轮连接，所述的发射连接轴1-24的另一端穿过所述的壳体与所述的发射旋转平台1-2连接并带动所述的发射旋转平台进行旋转。所述发射电机旋钮1-15下端有发射旋转平台调节刻度盘1-18，调节角度范围是-180°-180°，所述的发射旋转平台中心位置设置有用于插拔所述的发射线圈的发射插口1-3。
所述的发射线圈为系列不同线径、线圈直径和匝数的发射线圈，线径为1.00mm、1.25mm或者1.50mm中的一种，线圈直径为100mm、150mm或者200mm中的一种，线圈匝数为2、4或者6中的一种；发射线圈采用平面螺旋式绕法，所述的发射线圈上设有发射插头；所述的发射插头通过发射插头连接器1-3与所述的发射插口连接。所述发射壳体为长200mm，宽100mm的长方体盒子。所述的发射壳体下方设置有发射滑轨结构用于调整发射装置与其他装置之间的距离。
所述发射壳体的侧壁上还设有发射电源插头1-13、发射电源开关按钮1-5、发射电源指示灯1-6、发射示波器接口1-10、与发射电感调节模块连接的发射电感调节旋钮1-7、设置在所述的发射电感调节旋钮1-7环周的发射电感刻度盘1-16、与发射电容调节模块连接的发射电容调节旋钮、设置在所述的发射电容调节旋钮1-8环周的发射电容刻度盘1-17、与发射电压调节模块连接的发射电压显示刻度盘1-11、与发射电流调节模块连接的发射电流显示刻度盘1-12、与发射labview测试模块连接的发射labview测试通道接口1-14、以及发射散热窗1-19。
所述发射电容调节模块包括一组定片和一组动片，且并联在发射线圈插口两端；所述发射电容调节旋钮与动片连接，其容量随动片的转动而连续改变从而达到改变电容的目的，电容量可调范围在10-270pF；所述发射可调电感模块由发射可调共模电感组成，所述发射可调共模电感采用带螺纹的软磁铁氧体，发射可调电感模块与发射线圈插口两端串联，发射电感调节旋钮通过控制软磁铁氧体的铁心在发射可调电感中的位置来改变电感大小，电感量可调范围2.1-6.8uH。所述发射电感调节旋钮的公称直径为2.5cm，发射电感刻度盘调节的范围是从2.1-6.8微亨，可以通过发射电感刻度盘读数来确定当前电感的大小。所述发射电容调节旋钮粗调的公称直径为2.5cm，发射电容刻度盘调节的范围是从10-270pF，可以通过发射电容刻度盘读数来确定当前电容的大小。所述的发射电压调节旋钮的公称直径为4cm，调节的范围是从0-30V，通过发射电压显示刻度盘的指针可读出输入的电压值。
所述的发射示波器接口为两个，其中一个发射示波器接口为波形输出端，另外一个发射示波器接口为接地端，两个接口分别于所述的发射线圈连接；当***工作时可以连接发射示波器来收集发射线圈中电压的幅值和频率，通过调节发射电容调节旋钮和发射电感调节旋钮可以改变发射线圈的自谐振频率从而和教学装置所产生的频率达到一致。
如图3-4示出一种谐振装置，包括谐振线圈2-14、用于固定所述的谐振线圈的旋转平台2-11、谐振壳体2-1以及设置在所述的谐振壳体内用于驱动所述的谐振旋转平台旋转的谐振旋转机构；本发明中优选的谐振壳体为长200mm，宽100mm的长方体盒子。所述的谐振旋转机构包括设置在所述的谐振壳体侧壁上的谐振电机旋钮2-17、设置在所述的谐振电机旋钮环周的谐振电机旋钮刻度盘2-21、与所述的谐振电机旋钮连接的谐振电机驱动模块2-16、受所述的谐振电机驱动模块驱动的谐振步进电机2-11、与所述的谐振步进电机连接的谐振锥形齿轮以及与所述的谐振锥形齿轮连接的谐振连接轴2-24；所述的谐振连接抽2-24的另一端穿过所述的谐振壳体与所述的谐振旋转平台连接并带动所述的谐振旋转平台进行旋转；所述的谐振步进电机2-18为35BYJ412B的12v步进电机，步进电机驱动模块采用ULN2003驱动模块，谐振锥形齿轮选用40齿5模的锥形齿轮和15齿5模的锥形齿轮，所述谐振步进电机和40齿谐振锥形齿轮2-22连接，40齿谐振锥形齿轮和15齿谐振锥形齿轮2-23进行啮合，谐振连接轴2-24的下端与15齿谐振锥形齿轮连接，上端贯穿谐振壳体2-1和旋转平台连接，通过调节谐振旋转平台调节旋钮带动谐振步进电机驱动模块，从而带动谐振步进电机带动齿轮传动进而驱动谐振旋转平台转动，谐振电机旋钮刻度盘的调节范围是-180°-180°。所述的谐振线圈为正方形线圈2-25、椭圆形线圈2-26、长方形线圈2-27或者圆形线圈2-14中的一种。所述的谐振旋转平台中心位置设置有用于插拔所述的谐振线圈的谐振插口。
所述谐振壳体的侧壁上还设有谐振示波器接口2-8、与谐振电感调节模块连接的谐振电感调节旋钮、设置在所述的谐振电感调节旋钮环周的谐振电感刻度盘2-19、与谐振电容调节模块连接的谐振电容调节旋钮2-4、设置在所述的谐振电容调节旋钮环周的谐振电容刻度盘2-20、与谐振电压显示模块连接的谐振电压显示刻度盘2-9、与谐振电流显示模块连接的谐振电流显示刻度盘2-10、与谐振labview测试模块连接的谐振labview测试通道接口2-13、谐振散热窗2-15、以及谐振锂电池接口2-5。所述的谐振锂电池充电接口与设置在所述的谐振壳体内的谐振锂电池连接用于为所述的谐振锂电池2-2充电，所述的谐振锂电池2卡插在谐振锂电池槽2-3中。
所述谐振电容调节模块包括一组定片和一组动片，且并联在谐振线圈插口两端；所述谐振电容调节旋钮与动片连接，其容量随动片的转动而连续改变从而达到改变电容的目的，调节依据,谐振电容量可调范围在10-270p；所述谐振可调电感模块由谐振可调共模电感组成，所述谐振可调共模电感采用带螺纹的软磁铁氧体，谐振可调电感模块与谐振线圈插口两端串联，谐振电感调节旋钮通过控制软磁铁氧体的铁心在谐振可调电感中的位置来改变电感大小，电感量可调范围2.1-6.8uF。所述谐振电感调节旋钮的公称直径为2.5cm，谐振电感刻度盘调节的范围是从2.1-6.8uH，可以通过谐振电感刻度盘读数来确定当前电感的大小。所述谐振电容调节旋钮粗调的公称直径为2.5cm，谐振电容刻度盘调节的范围是从10-270pF，可以通过刻度盘读数来确定当前电容的大小。所述谐振电压显示刻度盘镶嵌在谐振壳体外部，刻度0-30V，一分度5v,二分度1v，用于显示谐振线圈两端的电压幅值。所述谐振电流显示刻度盘：镶嵌在谐振壳体外部，刻度为0-2A，一分度0.5A,二分度0.1A，用于显示谐振线圈中的电流幅值。所述谐振线圈配备有不同线径、线圈直径和匝数的谐振线圈，线径可为1.00mm、1.25mm、1.50mm，线圈直径可为100mm、150mm、200mm，线圈匝数可为2、4、6等。所述的谐振示波器接口为两个，其中一个为波形输出端，另外一个为接地端，两个接口分别于所述的谐振旋转平台上的谐振线圈连接；当***工作时可以连接谐振示波器来显示当前***谐振旋转平台接口的谐振线圈中的电压的幅值和频率，通过调节谐振电容调节旋钮和谐振电感调节旋钮改变谐振线圈的自谐振频率从而和谐振装置所产生的频率达到一致。
图5-6示出一种接收装置：包括接收线圈3-1、用于固定所述的接收线圈的接收升降平台3-2、接收壳体3-4以及设置在所述的接收壳体内用于驱动所述的接收升降平台进行升降的接收升降机构；所述的接收升降机构包括设置在所述的接收壳体侧壁上的接收电机旋钮3-14、与所述的接收电机旋钮连接的接收电机驱动模块3-22、受所述的接收电机驱动模块驱动的接收步进电机3-21、与所述的接收步进电机连接的接收齿轮3-25以及与所述的接收齿轮啮合的接收齿条3-26；所述的的接收齿条穿过所述的接收壳体与所述的接收升降平台连接并带动所述的接收升降平台进行升降。所述的接收升降平台中心位置设置有用于插拔所述的接收线圈的接收插口3-3。所述接收步进电机为35BYJ412B的12v步进电机，所述接收步进电机驱动模块采用ULN2003驱动模块。所述的接收线圈为系列不同线径、线圈直径和匝数的接收线圈，线径为1.00mm、1.25mm或者1.50mm中的一种，线圈直径为100mm、150mm或者200mm中的一种，线圈匝数为2、4或者6中的一种；接收线圈采用平面螺旋式绕法，所述的接收线圈上设有接收插头；所述的接收插头通过插头连接器与所述的接收插口3-3连接。
所述接收壳体的侧壁上还设有与接收电容调节模块连接的接收电容调节旋钮3-8、与接收电感调节模块连接的接收电感调节旋钮3-9、接收示波器接口3-10、与接收电压调节模块连接的接收电压显示刻度盘3-11、与接收电流调节模块连接的接收电流显示刻度盘3-12、与接收labview测试模块连接的接收labview测试通道接口3-13、接收负载led灯阵列3-5、接收负载转换开关3-6、接收负载接口3-7，接收散热窗3-19、以及接收锂电池充电接口3-20。
所述接收电容调节模块包括一组定片和一组动片，且并联在接收线圈插口两端；所述接收电容调节旋钮与动片连接，其容量随动片的转动而连续改变从而达到改变电容的目的，电容量可调范围在10-270pF；所述接收可调电感模块由接收可调共模电感组成，所述接收可调共模电感采用带螺纹的软磁铁氧体，接收可调电感模块与接收线圈的接收插口两端串联，接收电感调节旋钮通过控制软磁铁氧体的铁心在接收可调电感中的位置来改变电感大小，电感量可调范围2.1-6.8uH。所述接收电压显示刻度盘3-11位于所述接收壳体外前壁左下角处，刻度为0-30V，一分度5v,二分度1v，用于显示负载(如LED灯)阵列两端的电压。所述接收电流显示刻度盘位于所述接收壳体3-4外前壁右下角处，刻度为0-2A，一分度0.5A,二分度0.1A，用于显示流过负载(LED灯)阵列的电流。所述接收电感调节旋钮的公称直径为2.5cm，接收电感调节旋钮环周的接收电感调节刻度盘3-15范围是从2.1-6.8uH，可以通过其读数来确定当前电感的大小。所述接收电容调节旋钮粗调的公称直径为2.5cm，接收电容调节旋钮环周的接收电容调节刻度盘16调节范围是从10-270pF，可以通过接收电容调节旋钮上的刻度盘读数来确定当前电容的大小。
接收负载LED灯阵列为LED排灯。接收负载转换开关用于切换接收负载led灯阵列和接收负载接口，所述接收负载接口可以外接其它不同类型的负载，例如：接收电容性负载、接收电感性负载、接收电阻性接收负载。
所述的接收锂电池充电接口与设置在所述的接收壳体内与接收锂电池连接用于为所述的接收锂电池3-23充电，所述的接收锂电池设置在接收锂电池卡槽3-24中。
本发明还包括一种基于所述的电磁耦合无线传能的教学装置的实验方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、选择配备的不同型号的发射线圈，将发射线圈插接在发射旋转平台的发射插口中，选择教学装置配备的不同型号的谐振线圈，将谐振线圈插接在谐振旋转平台的谐振插口中；转动谐振升降平台调节谐振旋钮来打开谐振步进电机驱动模块；选择配备的不同型号的接收线圈，将接收线圈插接在接收升降平台的接收插口中；
步骤二、将发射电源插头接入电源，将锂电池安装在谐振壳体侧面的谐振锂电池盒中，此锂电池用来给谐振装置内部的谐振步进电机和谐振步进电机驱动模块供电；使用之前应将充电器与谐振锂电池充电口连接，为教学装置充电用于谐振步进电机使用；按下发射电源开关，发射电源指示灯亮，此时发射装置已经启动；
步骤三、通过观察发射壳体上的发射电压显示刻度盘和发射电流显示刻度盘来读取当前输入发射线圈的电压值和电流值，通过发射电压调节旋钮来改变当前输入发射线圈的电压和电流；可以通过观察谐振装置的谐振电压显示刻度盘和谐振电流显示刻度盘来读取到当前接收线圈两端的电压值和流过接收线圈的电流值；
通过读取谐振装置的谐振电感调节旋钮和谐振电容调节旋钮下方的刻度来确定当前可调电感和可调电容的大小；通过读取接收装置的接收电感调节旋钮或者接收电容调节旋钮下方的刻度来确定当前可调电感和可调电容的大小；
步骤四、将发射装置的发射示波器探头公共端接入到接地端的发射示波器接口，将信号采集端与波形输出端的发射示波器接口连接，通过调节发射电感调节旋钮和发射电容调节旋钮来调节发射线圈自谐振频率，通过观测发射示波器的显示屏来读取到当前线圈的频率、波形、幅值、相位；将谐振装置的示波器第一通道探头公共端接入到谐振示波器的接地端接口，将信号采集端与谐振示波器的波形输出端接通，通过调节谐振电感调节旋钮和谐振电容调节旋钮来调节谐振线圈的自谐振频率；
步骤五、通过读取谐振电感调节旋钮和谐振电容调节旋钮下方的刻度盘来确定当前可调电感和可调电容的大小；通过按接收装置的接收负载转换开关来转换接收输出负载的类型可以选择不同类型的负载，可以选择接受接收壳体侧面的LED灯和接收负载接口来选择不同的负载；
步骤六、用户可以将labview测试装置与发射装置外置的发射labview测试通道接口连接来对电压、电流、电容、电感、频率、功率、幅值和相位进行采集从而用电脑对测量的数据进行分析计算储存；
步骤七、用户可以通过调节发射装置上的旋转平台调节旋钮来改变线圈相对于其他装置的角度；还可以通过调节发射壳体上面的发射旋转平台调节发射旋钮来改变发射线圈相对于发射壳体的角度；
步骤八、用户可以更换不同配置的不同型号的不同形状的谐振线圈插装在谐振壳体顶部谐振旋转平台上的谐振插口上进行调节，重复以上步骤；
步骤九、关闭步进电机开关电源及发射装置电源，整理实验器材。
以上内容仅为本发明的较佳实施例，对于本领域的普通技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (6)
1.一种基于电磁耦合无线传能的教学装置，其特征在于，包括发射装置、谐振装置以及接收装置；
所述的发射装置包括发射线圈、用于固定所述的发射线圈的发射旋转平台、发射壳体以及设置在所述的发射壳体内用于驱动所述的发射旋转平台旋转的发射旋转机构；所述的发射旋转机构包括设置在所述的发射壳体侧壁上的发射电机旋钮、与所述的发射电机旋钮连接的发射电机驱动模块、受所述的发射电机驱动模块驱动的发射步进电机、与所述的发射步进电机连接的发射锥形齿轮以及与所述的发射锥形齿轮连接的发射连接轴；所述的发射连接轴的另一端穿过所述的发射壳体与所述的发射旋转平台连接并带动所述的发射旋转平台进行旋转；所述的发射装置中，所述的发射壳体下方设置有发射滑轨结构用于调整发射装置与其他装置之间的距离；
所述谐振装置包括谐振线圈、用于固定所述的谐振线圈的谐振旋转平台、谐振壳体以及设置在所述的谐振壳体内用于驱动所述的谐振旋转平台旋转的谐振旋转机构；所述的谐振旋转机构包括设置在所述的谐振壳体侧壁上的谐振电机旋钮、与所述的谐振电机旋钮连接的谐振电机驱动模块、受所述的谐振电机驱动模块驱动的谐振步进电机、与所述的谐振步进电机连接的谐振锥形齿轮以及与所述的谐振锥形齿轮连接的谐振连接轴；所述的谐振连接轴的另一端穿过所述的谐振壳体与所述的谐振旋转平台连接并带动所述的谐振旋转平台进行旋转；
所述的接收装置包括接收线圈、用于固定所述的接收线圈的接收升降平台、接收壳体以及设置在所述的接收壳体内用于驱动所述的接收升降平台进行升降的接收升降机构；所述的接收升降机构包括设置在所述的接收壳体侧壁上的接收电机旋钮、与所述的接收电机旋钮连接的接收电机驱动模块、受所述的接收电机驱动模块驱动的接收步进电机、与所述的接收步进电机连接的接收齿轮以及与所述的接收齿轮啮合的接收齿条；所述的接收齿条穿过所述的接收壳体与所述的接收升降平台连接并带动所述的接收升降平台进行升降；
所述的电磁耦合无线传能的教学装置的实验方法，包括以下步骤：
步骤一、将发射线圈插接在发射旋转平台的发射插口中，将谐振线圈插接在谐振旋转平台的谐振插口中；转动谐振电机旋钮来打开谐振步进电机驱动模块；将接收线圈插接在接收升降平台的接收插口中；
步骤二、将发射电源插头接入电源，将锂电池安装在谐振壳体侧面的谐振锂电池盒中，锂电池用来给谐振装置内部的谐振步进电机和谐振步进电机驱动模块供电；按下发射电源开关，发射电源指示灯亮，此时发射装置已经启动；
步骤三、通过观察发射壳体上的发射电压显示刻度盘和发射电流显示刻度盘来读取当前输入发射线圈的电压值和电流值，通过发射电压调节旋钮来改变当前输入发射线圈的电压；通过观察谐振装置的谐振电压显示刻度盘和谐振电流显示刻度盘来读取到当前谐振线圈两端的电压值和流过谐振线圈的电流值；
通过读取谐振装置的谐振电感调节旋钮和谐振电容调节旋钮下方的刻度来确定当前可调电感和可调电容的大小；通过读取接收装置的接收电感调节旋钮或者接收电容调节旋钮下方的刻度来确定当前可调电感和可调电容的大小；
步骤四、将发射示波器探头公共端接入到发射示波器的接地端接口，将信号采集端与发射示波器的波形输出端接口连接，通过调节发射电感调节旋钮和发射电容调节旋钮来调节发射线圈自谐振频率，通过观测发射示波器的显示屏来读取到当前线圈的频率、波形、幅值、相位；将谐振装置示波器第一通道探头公共端接入到谐振示波器的接地端接口，将信号采集端与谐振示波器的波形输出端接通，通过调节谐振电感调节旋钮和谐振电容调节旋钮来调节谐振线圈的自谐振频率；
步骤五、通过读取谐振电感调节旋钮和谐振电容调节旋钮下方的刻度盘来确定当前可调电感和可调电容的大小；通过按接收装置的接收负载转换开关来转换接收输出负载的类型；
步骤六、用户将labview测试装置与发射装置外置的发射labview测试通道接口连接来对电压、电流、电容、电感、频率、功率、幅值和相位进行采集从而用电脑对测量的数据进行分析计算储存；
步骤七、用户通过调节发射装置上的发射电机旋钮来改变发射线圈相对于其他装置的角度；步骤八、用户更换不同型号的谐振线圈插装在谐振壳体顶部谐振旋转平台上的谐振插口上进行调节，重复以上步骤；
步骤九、关闭发射装置电源，整理实验器材。
2.根据权利要求1所述的基于电磁耦合无线传能的教学装置，其特征在于，所述的发射装置中所述的发射旋转平台中心位置设置有用于插拔所述的发射线圈的发射插口；所述的发射线圈为系列不同线径、线圈直径和匝数的发射线圈，线径为1.00mm、1.25mm或者1.50mm中的一种，线圈直径为100mm、150mm或者200mm中的一种，线圈匝数为2、4或者6中的一种；发射线圈采用平面螺旋式绕法，所述的发射线圈上设有发射插头；所述的发射插头通过发射插头连接器与所述的发射插口连接。
3. 根据权利要求1所述的基于电磁耦合无线传能的教学装置，其特征在于，所述的发射装置中，所述发射壳体的侧壁上还设有发射电源插头、发射电源开关按钮、发射电源指示灯、发射示波器接口、与发射电感调节模块连接的发射电感调节旋钮、与发射电容调节模块连接的发射电容调节旋钮、与发射电压调节模块连接的发射电压调节旋钮和发射电压显示刻度盘、与发射电流调节模块连接的发射电流显示刻度盘、与发射labview 测试模块连接的发射labview 测试通道接口、以及发射散热窗；所述的发射示波器接口为两个， 其中一个发射示波器接口为波形输出端，另外一个发射示波器接口为接地端，两个接口分别与所述的发射线圈连接；当***工作时连接发射示波器来收集发射线圈中电压的幅值和频率，通过调节发射电容调节旋钮和发射电感调节旋钮改变发射线圈的自谐振频率从而和教学装置所产生的频率达到一致。
4.根据权利要求1所述的基于电磁耦合无线传能的教学装置，其特征在于，所述的谐振装置中，所述的谐振旋转平台中心位置设置有用于插拔所述的谐振线圈的谐振插口；
所述的谐振装置中，所述谐振壳体的侧壁上还设有谐振示波器接口、与谐振电感调节模块连接的谐振电感调节旋钮、与谐振电容调节模块连接的谐振电容调节旋钮、与谐振电压显示模块连接的谐振电压显示刻度盘、与谐振电流显示模块连接的谐振电流显示刻度盘、与labview测试模块连接的谐振labview 测试通道接口、谐振散热窗以及谐振锂电池接口；
所述谐振电容调节模块包括一组谐振定片和一组谐振动片，且并联在谐振线圈的谐振插口两端；所述谐振电容调节旋钮与谐振动片连接，其容量随谐振动片的转动而连续改变从而达到改变电容的目的，电容量可调范围在10-270pF；谐振可调电感模块由谐振可调共模电感组成，所述谐振可调共模电感采用带螺纹的软磁铁氧体，谐振可调电感模块与谐振线圈插口两端串联，谐振电感调节旋钮通过控制软磁铁氧体的铁心在谐振可调电感模块中的位置来改变电感大小，电感量可调范围在2.1-6.8uH；
所述的谐振示波器接口为两个， 其中一个为波形输出端，另外一个为接地端，两个接口分别与所述的谐振旋转平台上的谐振线圈连接；当***工作时连接示波器来显示当前***谐振旋转平台接口的谐振线圈中的电压的幅值和频率，通过调节谐振电容调节旋钮和谐振电感调节旋钮来改变谐振线圈的自谐振频率从而和谐振装置所产生的频率达到一致。
5.根据权利要求4所述的基于电磁耦合无线传能的教学装置，其特征在于，所述的谐振装置中，所述的谐振锂电池充电口与设置在所述的谐振壳体内的谐振锂电池连接用于为所述的谐振锂电池充电。
6.根据权利要求1所述的基于电磁耦合无线传能的教学装置，其特征在于，所述的接收装置中，所述的接收升降平台中心位置设置有用于插拔所述的接收线圈的接收插口；
所述的接收线圈为系列不同线径、线圈直径和匝数的接收线圈，线径为1.00mm、1.25mm或者1.50mm中的一种，线圈直径为100mm、150mm或者200mm中的一种，线圈匝数为2、4或者6中的一种；接收线圈采用平面螺旋式绕法，所述的接收线圈上设有接收插头；所述的接收插头通过接收插头连接器与所述的接收插口连接；
所述接收壳体的侧壁上还设有接收电容调节旋钮、接收电感调节旋钮、接收示波器接口、接收电压显示刻度盘、接收电流显示刻度盘、接收labview 测试通道接口、接收负载led灯阵列、接收负载转换开关、接收负载接口、接收散热窗、以及接收锂电池充电接口；
所述的接收锂电池充电接口与设置在所述的接收壳体内的接收锂电池连接用于为所述的接收锂电池充电；
所述的负载转换开关用于切换负载led灯阵列和负载接口，所述负载接口外接电容性负载、电感性负载或者电阻性负载。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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