CN204596273U - 一种带二维运动平台测量的水电比拟实验装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种带二维运动平台测量的水电比拟实验装置，包括模型池盆、测针以及与测针连接的水电比拟实验仪，模型池盆上设有导电的二维运动平台，二维运动平台上标有X轴标尺和Y轴标尺，测针安装在二维运动平台上并与二维运动平台电连接。将能导电的二维运动平台测量装置创新的应用于水电比拟实验装置中，割除了传统使用测针时的拖拽导线，实现无拖携导线，克服了拖拽导线容易浸水影响流场的问题，同时二维运动平台上标有X轴标尺和Y轴标尺，克服了手拿测针容易不垂直引起的测量误差的问题。本实用新型中，创新的应用了满度放大调节电路，本实验仪直接就能显示出测点的百分比的等势线值，无需人工换算。

Description

一种带二维运动平台测量的水电比拟实验装置

技术领域

本实用新型涉及教学实验仪器领域，具体涉及一种无拖携导线的带二维运动平台测量的水电比拟实验装置。

背景技术

水电比拟实验是传统的古典的实验内容之一。本实验是用电流流场来模拟渗流流场或层流流场的一种水电比拟实验，其实验原理是电场与渗流(层流)场这两种物理场可用同一形式的数学方程式来描述，即都为同一的拉布拉斯方程，方程的主变量流场是水头H，电场是电压V。该实验原理理论成熟，实验方法古典可信，实验目的是测量并绘制出模拟流场的电压V的10％、20％、……90％共9条等势线。

传统的水电比拟实验装置由模型池盆、带拖携电线的测针、池盆透明底板下衬垫的方格毫米坐标纸、交流电压信号发生器以及万用电压表等组成。在模型池盆中，可放置不同实验要求的流场模型，模型边界用不透水的材料围护而成，根据边界条件，在边界上分别设置有高、零等电位汇流板，其他边界均为绝缘材料制作的不导电边界。传统上绝缘材料常用玻璃板、有机玻璃、沥青混合物、橡皮泥和绝缘漆等。在模型池盆的模型边界内有1-2公分的导电液，如自来水或淡盐水。在电位汇流板的高低端分别接上实验工作电压，为了防止汇流板极化，通常采用1000-2000HZ的高频交流电压，低端接接地的零电压，高端传统上常用10V电压，并将边界内的流场电压等势线分为以1V为间隔的1-9V的9条等电位线，以模拟流场的10％、20％、……90％的等势线。若工作电压不是10V，9条等电位线，电压值可能非整数值，给实验测量中带来不便。在流场中测量这些等电位线的时候，如用万用表测量，则把万用表的负端接在零电位的汇流板上，而用万用表高端测针垂直***导电液中，移动测针寻找到需要的电压点，记下测针所指的池盆透明底板下衬垫方格毫米坐标纸上的坐标。每一条等电位线需要用如此方法测量近10个测点。再用一张按一定比例画有模型边界图的方格毫米纸，根据各测点坐标，按比例把测点标注在画有模型方格毫米纸的图上。将等电压的测点连成一条曲线，得出流场的等电势线。

传统实验装置及其方法存在以下不足与缺陷：

1、测量仪表需要散件配置，且缺少实验所需的10V音频信号发生器，近年来市场购置的所谓能输出音频10V电压的同类仪器，实际能输出最高电压仅为9V以下，很多万用表频率不响应，对使用者造成诸多不便。开发一款水电比拟电测仪电子产品，填补该领域的空白很有必要。

2、传统实验装置，其测针都带有拖携式导电线，拖了一根长长尾巴，在池中测量时，一手拖携导线，一手拿住测针，在模型池盆中测量时移动寻点，既不方便，又因导线浸水或测针不垂直引起测量误差。用创新割除这条“拖携的尾巴”是实验者的愿望。

3、传统实验装置中，用池盆透明底板下衬垫的方格毫米坐标纸作为测读坐标，实验中纵横坐标学生很容易读错。尤其作为一种教学实验装置，这种用方格毫米纸作为坐标纸，实在不够技术品位。很不受学生欢迎，常遭到师生埋怨。如能开发一种简易而实用的坐标测量体系，满足实验教学要求，是很有意义的。

4、满度校验在实验过程中要多次进行，传统装置满度校验与调节不方便，若能增加满度校验调节功能，可为实验带来方便。

实用新型内容

本实用新型提供了一种带二维运动平台测量的水电比拟实验装置，将能导电的二维运动平台测量装置创新的应用于水电比拟实验装置中，割除了传统使用测针时的拖拽导线，实现无拖携导线，克服了拖拽导线容易浸水影响流场的问题，同时二维运动平台上标有X轴标尺和Y轴标尺，克服了手拿测针容易不垂直引起的测量误差的问题。

一种带二维运动平台测量的水电比拟实验装置，包括模型池盆、测针以及与所述测针连接的水电比拟实验仪，所述的模型池盆上设有导电的二维运动平台，所述的二维运动平台上标有X轴标尺和Y轴标尺，所述的测针安装在所述二维运动平台上并与所述二维运动平台电连接。

本实用新型中，采用导电的二维运动平台，割除了传统使用测针时的拖拽导线，实现无拖携导线，在二维运动平台上标有X轴标尺和Y轴标尺，可通X轴标尺和Y轴标尺直接准确地读取测针的位置。

以下作为本实用新型的优选结构：

所述的水电比拟实验仪，包括：信号发生器、放大电路以及交流电压表；所述的模型池盆上设有两个导电片，为第一导电片和第二导电片；

所述的信号发生器的接地端一极与所述第二导电片连接，所述的信号发生器的另一极与所述第一导电片连接；

所述交流电压表的接地测量端与所述第二导电片连接，所述交流电压表的另一测量端通过所述放大电路与所述测针电连接。

所述的水电比拟实验仪，还包括：与所述信号发生器连接的数显频率表。用于测量其信号发生器的频率。

所述的信号发生器可具体采用音频电压发生器。所述的交流电压表可采用带微电脑的交流电压表头。

本实用新型水电比拟实验仪中，将传统放大电路用在水电比拟实验仪中，即将放大电路与带微电脑的交流电压表头组合，创新的应用了满度放大调节电路，并集成了信号发生器和频率测量表头，设计了一台专门的水电比拟实验仪。水电比拟实验目的是是测量并绘制出模拟流场的电源电压的10％、20％、……90％共9条等势线。因此，本实用新型的水电比拟实验仪不需要信号发生器输出电压是否标准10v，用电压表或电位计表去实测电压或电位，再人工算出10％～90％等势线值了，使用时，本实用新型水电比拟实验仪可通过放大电路将信号发生器输出电压调整到10v，再输入到带微电脑的交流电压表头中，然后在带微电脑的交流电压表头中设置好输入与输出显示10倍线性关系，即0v—0、5v-50、10v-100，这样直接将交流电压表头变成一个专用的水电比拟实验流场等势线值显示表了，可直接测量显示出测点的百分比的等势线值，无需人工换算，方便在模型池盆中寻找10％～90％的等势线点，填补了水电比拟实验测量领域仪器的空白。

所述的二维运动平台包括：固定安装在所述模型池盆两侧的两条Y轴导电滑轨、与所述两条Y轴导电滑轨滑动连接的两个Y轴导电滑块、安装在所述两个Y轴导电滑块上的X轴导电滑轨以及与所述X轴导电滑轨滑动连接的X轴导电滑块，所述的测针与所述X轴导电滑块电连接。

所述的X轴导电滑轨与Y轴导电滑轨垂直。

所述的Y轴标尺为两个，分别标在所述两个Y轴导电滑轨边上。

所述的两个Y轴导电滑块上固定有测量桥，所述的X轴标尺标在所述测量桥上。

通过上述的二维运动平台建立导电的二维运动平台，并合理设置X轴标尺和Y轴标尺。

所述测量桥的两端连接有第一同轴双槽滑轮和第二同轴双槽滑轮，所述模型池盆上设有矩形排布的第一固定钉、第二固定钉、第三固定钉和第四固定钉，第一固定钉和第四固定钉对角分布，第二固定钉和第三固定钉对角分布，该矩形的相邻两边分别与X轴标尺和Y轴标尺平行，第一固定钉、第二固定钉、第三固定钉和第四固定钉与第一同轴双槽滑轮和第二同轴双槽滑轮通过第一轮滑线和第二轮滑线连接。

所述的第一轮滑线的一自由端与所述第一固定钉连接，所述的第一轮滑线的另一自由端转绕过所述第一同轴双槽滑轮中的第一凹槽后再转绕过所述第二同轴双槽滑轮中的第一凹槽后固定在所述第四固定钉上；

所述的第二轮滑线的一自由端与所述第二固定钉连接，所述的第二轮滑线的另一自由端转绕过所述第一同轴双槽滑轮中的第二凹槽后再转绕过所述第二同轴双槽滑轮中的第二凹槽后固定在所述第三固定钉上。

上述结构能够保证测量桥的平行移动，保证测针显示准确的位置。

与现有技术相比，本实用新型具有如下优点：

1、将能导电的二维运动平台测量装置创新的应用于水电比拟实验装置中，割除了传统使用测针时的拖拽导线容易浸水影响流场的问题，及手拿测针容易不垂直引起的测量误差。

2、本实用新型水电比拟实验仪中，与交流电压表头组合，创新的应用了满度放大调节电路，并集成了信号发生器和频率测量表头，设计了一台专门的水电比拟实验仪，不需要信号发生器输出电压是否标准10v，电压表或电位计表去实测电压或电位，再人工算出10％～90％等势线值了，本实验仪直接就能显示出测点的百分比的等势线值，无需人工换算，方便在实验池盆中寻找10％～90％的等势线点，填补了水电比拟实验测量领域仪器的空白。

3、作为教学用实验仪器，能启发学生的创新意识，对培养创新能力有益。

附图说明

图1为本实用新型带二维运动平台测量的水电比拟实验装置的结构示意图；

图2为本实用新型带二维运动平台测量的水电比拟实验装置的部分结构示意图；

图3为本实用新型带二维运动平台测量的水电比拟实验装置的部分结构示意图；

图4为本实用新型中水电比拟实验仪的外部结构示意图。

具体实施方式

如图1和图2所示，为一种带二维运动平台测量的水电比拟实验装置，包括模型池盆2、测针7以及与测针7连接的水电比拟实验仪1，模型池盆2上设有导电的二维运动平台，二维运动平台上标有X轴标尺5和Y轴标尺10，测针7安装在二维运动平台上并与二维运动平台电连接。

二维运动平台包括：固定安装在模型池盆2两侧的两条Y轴导电滑轨9、与两条Y轴导电滑轨9滑动连接的两个Y轴导电滑块6、安装在两个Y轴导电滑块6上的X轴导电滑轨16以及与X轴导电滑轨16滑动连接的X轴导电滑块3，导电滑块3通过导电滑槽8与X轴导电滑轨16滑动连接，测针7与X轴导电滑块3电连接。X轴导电滑轨16与Y轴导电滑轨9垂直。Y轴标尺10为两个，分别标在两个Y轴导电滑轨9边上。两个Y轴导电滑块6上固定有测量桥4，X轴标尺标5在测量桥4上。通过X轴标尺标5和Y轴标尺10建立XY轴坐标系。

如图1和图3所示，图1中未画出第一固定钉17、第二固定钉18、第三固定钉19、第四固定钉20以及第一轮滑线23和第二轮滑线24，测量桥4的两端连接有第一同轴双槽滑轮21和第二同轴双槽滑轮22，模型池盆2的四个角面上设有矩形排布的第一固定钉17、第二固定钉18、第三固定钉19和第四固定钉20，第一固定钉17和第四固定钉20对角分布，第二固定钉18和第三固定钉19对角分布，该矩形的相邻两边分别与X轴标尺5和Y轴标尺10平行，第一固定钉17、第二固定钉18、第三固定钉19和第四固定钉20与第一同轴双槽滑轮21和第二同轴双槽滑轮22通过第一轮滑线23和第二轮滑线24连接。第一轮滑线23的一自由端与第一固定钉17连接，第一轮滑线23的另一自由端转绕过第一同轴双槽滑轮21中的第一凹槽后再转绕过第二同轴双槽滑轮22中的第一凹槽后固定在第四固定钉20上；第二轮滑线24的一自由端与第二固定钉18连接，第二轮滑线24的另一自由端转绕过第一同轴双槽滑轮21中的第二凹槽后再转绕过第二同轴双槽滑轮21中的第二凹槽后固定在第三固定钉20上。

如图1和图4所示，水电比拟实验仪1，包括：信号发生器、放大电路以及交流电压表13(即数显满度电压百分比值表)、与信号发生器连接的数显频率表14、满度电压调节旋钮12、及满度与流场测量的状态选择按钮11等；模型池盆2上设有两个导电片，为第一导电片和第二导电片；信号发生器的接地端一极与第二导电片连接，信号发生器的另一极与第一导电片连接；交流电压表13的接地测量端与第二导电片连接，交流电压表13的另一测量端通过放大电路与测针7电连接。交流电压表13具体采用带微电脑的交流电压表头。放大电路通过满度电压调节旋钮12将信号发生器输出的电压进行放大，实现满度电压调节。信号发生器具体采用音频电压发生器，水电比拟实验仪1工作电压为市电交流220V，音频满度电压由常规音频电压发生器提供，在20V以下的任意音频电压均可作为水电比拟实验电压，满度电压调节旋钮12与交流电压表13(即数显满度电压百分比值表)，具有将实验电压和流场的检测电压转变为0-100％的满度电压百分比比值并实时数显的功能；状态选择按钮11具备在流场测量过程中的满度显示与校准功能。并设置总电源开关15进行水电比拟实验仪1的开启和关闭。

如图1～4所示，它具有供电及电调控全功能的水电比拟实验仪1、有坐标及导电功能的模型池盆2、能平行移动有坐标尺的测量桥4、带测针7无拖携导线的X轴导电滑块3。

模型池盆2为一长方体水箱，设长方体水平面长边方向为X轴向，短边为Y轴方向。箱体侧短边上沿向外固定有2块与短边等长的长方形翼板，在两侧翼板上由内向外并排平行，依次各设有与池盆短边等长的Y轴标尺10和Y轴导电滑轨9，且模型池盆2左右两侧的两个Y轴导电滑轨9用固定导线连通，X方向的长条形的测量桥4横跨在模型池盆2上方，通过两端连接的Y轴导电滑块6架在模型池盆2两侧短边翼板的Y轴导电滑轨9上，并能沿Y轴导电滑轨9的Y方向移动，Y轴导电滑块6与Y轴导电滑轨9能导电连通。

测量桥4上设有X轴标尺标5、X轴导电滑轨16和X轴导电滑块3，X轴导电滑块3上设有导电滑槽8，并通过导电滑槽8与X轴导电滑轨16滑动相连，可在测量桥4上沿X轴方向左右滑动。另外，在X轴导电滑块3上还固定有一根垂直的测针7，测针7用导线与X轴导电滑块3的导电滑槽8接通。实验测量时，测针7在模型池盆2的测点位置，由X轴标尺5和Y轴标尺10测读。导电通路上，测针测得的电压信号能以无拖携导线的形式通过模型池盆2的Y轴导电滑轨9、Y轴导电滑块6、X轴导电滑轨16、导电滑槽8、X轴导电块3输出给水电比拟实验仪1。

由上为了实现测量桥4沿Y方向平行顺滑的来回移动，平移装置设计如图3，在测量桥4的两端下面固定有第一同轴双槽滑轮21和第二同轴双槽滑轮22，2个同轴双槽滑轮的滚动轴从下往上垂直安装于测量桥4上，在池盆的四角面上各有一个固定钉，分别为左上角的第一固定钉17、左下角的第二固定钉18、右上角的第三固定钉19、右下角的第四固定钉20，第一滑轮线23和第二滑轮线24两根分别如图3实线与虚线所示安装拉紧固定。实线表示：第一滑轮线23一端固定在模型池盆2左上角的第一固定钉17上，绕第一同轴双槽滑轮21顺时针一圈，再绕第二同轴双槽滑轮22逆时针一圈，最后，另一端拉紧并固定于模型池盆2右下角的第四固定钉20上。另一虚线表示：第二滑轮线24一端固定右上角的第二固定钉19上，绕第二同轴双槽滑轮22逆时针一圈，再绕一同轴双槽滑轮21顺时针一圈，最后，另一端拉紧固定于模型池盆2左下角的第二固定钉18上。在拉线时应始终保持测量桥4的平行，使模型池盆2的左右标尺读数相等。拉线松紧应使测量桥4平移时轻松自如，且左右标尺读数误差不超过+0.5毫米为宜。

水电比拟实验仪1由1KHZ的常规低频交流电压信号发生器提供，在20V以下的任意音频电压均可作为水电比拟实验电压，满度电压调节旋钮12与交流电压表13(即数显满度电压百分比值表)，具有将实验电压和流场的检测电压转变为0-100％的满度电压百分比比值并实时数显的功能；满度与流场测量的状态选择按钮11具备在流场测量过程中的满度显示与校准功能。

以闸下渗流模型实验为例，在模型池盆2的上边界左侧右侧分别安装两块铜板，作为电压汇流板。

1、将水电比拟实验仪1引出的音频信号高低端分别接到汇流板的高低端，将测针线接到模型池盆2上的Y轴导电滑轨9的接线端，

2、打开水电比拟实验仪1的总电源开关15，将状态选择按钮指向满度，调节满度电压调节旋钮12，使满度电压百分比值表显示为100.0％。(实际工作电压值不为10V，实验中为0.93V—8.26V任一固定值，均可)。

3、移动测量桥4，到需要测量的位置不动，记录Y坐标值，再滑动X轴导电滑块3，分别找到并记录10％-90％的各点X坐标值。然后再移动测量桥到新需要测量的位置停下，重复上述过程，滑动X轴导电滑块3，进行测量记录。

4、各等势线必要的测点均测量完成后，关闭水电比拟实验仪1总电源，实验结束。

Claims (9)

1.一种带二维运动平台测量的水电比拟实验装置，包括模型池盆、测针以及与所述测针连接的水电比拟实验仪，其特征在于，所述的模型池盆上设有导电的二维运动平台，所述的二维运动平台上标有X轴标尺和Y轴标尺，所述的测针安装在所述二维运动平台上并与所述二维运动平台电连接。

2.根据权利要求1所述的带二维运动平台测量的水电比拟实验装置，其特征在于，所述的水电比拟实验仪，包括：信号发生器、放大电路以及交流电压表；所述的模型池盆上设有两个导电片，为第一导电片和第二导电片；

所述的信号发生器的接地端一极与所述第二导电片连接，所述的信号发生器的另一极与所述第一导电片连接；

所述交流电压表的接地测量端与所述第二导电片连接，所述交流电压表的另一测量端通过所述放大电路与所述测针电连接。

3.根据权利要求2所述的带二维运动平台测量的水电比拟实验装置，其特征在于，所述的水电比拟实验仪，还包括：与所述信号发生器连接的数显频率表。

4.根据权利要求1所述的带二维运动平台测量的水电比拟实验装置，其特征在于，所述的二维运动平台包括：固定安装在所述模型池盆两侧的两条Y轴导电滑轨、与所述两条Y轴导电滑轨滑动连接的两个Y轴导电滑块、安装在所述两个Y轴导电滑块上的X轴导电滑轨以及与所述X轴导电滑轨滑动连接的X轴导电滑块，所述的测针与所述X轴导电滑块电连接。

5.根据权利要求4所述的带二维运动平台测量的水电比拟实验装置，其特征在于，所述的X轴导电滑轨与Y轴导电滑轨垂直。

6.根据权利要求4所述的带二维运动平台测量的水电比拟实验装置，其特征在于，所述的Y轴标尺为两个，分别标在所述两个Y轴导电滑轨边上。

7.根据权利要求4所述的带二维运动平台测量的水电比拟实验装置，其特征在于，所述的两个Y轴导电滑块上固定有测量桥，所述的X轴标尺标在所述测量桥上。

8.根据权利要求7所述的带二维运动平台测量的水电比拟实验装置，其特征在于，所述测量桥的两端连接有第一同轴双槽滑轮和第二同轴双槽滑轮，所述模型池盆上设有矩形排布的第一固定钉、第二固定钉、第三固定钉和第四固定钉，第一固定钉和第四固定钉对角分布，第二固定钉和第三固定钉对角分布，该矩形的相邻两边分别与X轴标尺和Y轴标尺平行，第一固定钉、第二固定钉、第三固定钉和第四固定钉与第一同轴双槽滑轮和第二同轴双槽滑轮通过第一轮滑线和第二轮滑线连接。

9.根据权利要求8所述的带二维运动平台测量的水电比拟实验装置，其特征在于，所述的第一轮滑线的一自由端与所述第一固定钉连接，所述的第一轮滑线的另一自由端转绕过所述第一同轴双槽滑轮中的第一凹槽后再转绕过所述第二同轴双槽滑轮中的第一凹槽后固定在所述第四固定钉上；

所述的第二轮滑线的一自由端与所述第二固定钉连接，所述的第二轮滑线的另一自由端转绕过所述第一同轴双槽滑轮中的第二凹槽后再转绕过所述第二同轴双槽滑轮中的第二凹槽后固定在所述第三固定钉上。