居家實(shí)驗(yàn)：Arduino&ADS1115進(jìn)行通、斷電自感

一、常見(jiàn)幾種通電自感和斷電自感實(shí)驗(yàn)方案

1.教材方案

一種方案是教材上的方案，就是下面的圖1。有儀器廠家的產(chǎn)品，或者有研究者建議線圈L使用演示用可拆變壓器。RL電路時(shí)間常數(shù)L/R一般比較小，小燈泡又存在“熱惰性”，需緊緊盯住小燈泡，才可能看到緩緩變亮(暗)、以及突然一亮的現(xiàn)象。

2.探討方案

一種專門觀察斷電自感“亮一下”的較好的方案，是《物理教學(xué)探討》2016年12月載青海劉成剛的探索，線圈用常見(jiàn)的小型變壓器或小充電器上面的變壓器線圈，用兩只紅色LED，干電池取兩節(jié)3.0V。我曾親測(cè)，效果相當(dāng)明顯。但電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，仍有干擾。

3.傳感器方案

借助專門的傳感器。盡管目前傳感器如DISLab等實(shí)驗(yàn)設(shè)備不斷普及，但能否普遍的物理實(shí)驗(yàn)室都能擁有，這是個(gè)問(wèn)題。

4.高端儀器方案

數(shù)字存儲(chǔ)示波器，或?qū)I(yè)數(shù)據(jù)采集器。這些高端的東西，中學(xué)實(shí)驗(yàn)室一般很難見(jiàn)到，除非有特殊的傾斜。不過(guò)面對(duì)這些東西也不必完全絕望，有一些電子愛(ài)好者發(fā)展了一些低端方案，正讓專業(yè)DSO逐步讓業(yè)余作者能夠用得起。

二、Arduino&ADS1115居家通、斷電自感實(shí)驗(yàn)方案

1.為什么選擇ADS1115

Arduino和ADS1115對(duì)數(shù)據(jù)的高速采集，至少在中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)，能夠讓我們得以滿足實(shí)驗(yàn)條件；并且，它們相對(duì)來(lái)說(shuō)，使用要容易一些：強(qiáng)過(guò)小燈泡、LED指示，因?yàn)樗哂絮r明的專業(yè)傳感器的色彩，同時(shí)，它能夠被增加到傳統(tǒng)方案里，起到效果增強(qiáng)與數(shù)據(jù)持續(xù)的作用。事實(shí)上，圖2中的R1替換成紅光LED電路也是安全的，而且也能演示通電自感，如果介意D2會(huì)干擾它，可以在D2支路再加一個(gè)開(kāi)關(guān)。

用ADS1115進(jìn)行自感實(shí)驗(yàn)，實(shí)際上不去測(cè)量電流，而是測(cè)量電壓，比如測(cè)R2上的電壓，由于R2是定值電阻，換算或不換算結(jié)果都是明晰的。

2.電路原理圖及討論

ADS1115差分電壓測(cè)量時(shí)，A0/A1是一對(duì)，A2/A3是一對(duì)，這樣同時(shí)測(cè)量電壓支路和電阻支路上的電壓就方便了。另外，如果介意LED因電流變化而產(chǎn)生阻值變化，可以放一取樣電阻。這個(gè)電路圖從前面的圖2替代來(lái)的，為避免干擾觀察效果，元件都放在面包板上，用誰(shuí)插誰(shuí)，不用誰(shuí)就拔了誰(shuí)，比直接焊死了要方便太多了。

我曾嘗試過(guò)3種方案在圖3上面進(jìn)行自感來(lái)采集數(shù)據(jù)，效果都不好。一種是使用線性霍爾元件SS495，用磁場(chǎng)強(qiáng)弱和方向替代電流，效果不錯(cuò)，但受磁場(chǎng)干擾嚴(yán)重。第二種是使用ACS712電流傳感器直接測(cè)量電流，但這個(gè)東西受磁場(chǎng)影響大，數(shù)據(jù)漂浮大，而且，經(jīng)常出現(xiàn)一個(gè)問(wèn)題，當(dāng)某次電流測(cè)得較大之后，會(huì)等一段時(shí)間才能正常測(cè)量。但是ACS712確實(shí)能做通、斷電自感實(shí)驗(yàn)，電流要稍一點(diǎn)兒。第三種方案，是使用手機(jī)phyphox軟件的磁力計(jì)，原理有些類似第一種，遇到的問(wèn)題是，電流也要大一些，當(dāng)電源電壓不太大時(shí)，電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)弱，磁力計(jì)數(shù)據(jù)質(zhì)量不好。當(dāng)然，得有一部好手機(jī)，否則磁力計(jì)數(shù)據(jù)采集速度太慢，一點(diǎn)效果也看不到。(多數(shù)手機(jī)磁力計(jì)數(shù)據(jù)采集速度在50Hz附近，能上到100Hz的手機(jī)并不太多。這個(gè)方案是可行的，并不是不可以，有時(shí)間可以整理)。2.ADS1115的兩個(gè)Arduino庫(kù)。ADS1115是用來(lái)測(cè)量自感電流的，雖然它沒(méi)有用電壓值做那一步除法，所以測(cè)電壓是關(guān)鍵問(wèn)題。ADS1115有影響力的Arduino庫(kù)有兩個(gè)，效果一致。

3.簡(jiǎn)單的ADS1115差分電壓測(cè)量代碼

為了能夠萬(wàn)無(wú)一失的捕捉到斷電自感的“亮一下”，代碼里每隔1ms采集一次數(shù)據(jù)，即每秒1000次數(shù)據(jù)，送給串口繪圖器直接畫(huà)圖。為跟上迅速的電壓變化速度，波特率設(shè)為19200。

三、實(shí)驗(yàn)效果

1.隨時(shí)隨地做實(shí)驗(yàn)

和沉重的可拆變壓器說(shuō)Bye-bye，和搬來(lái)抱去的自感現(xiàn)象示教板說(shuō)Bye-bye。我們的實(shí)驗(yàn)器材特別簡(jiǎn)單：小型直流變壓器一個(gè)，Arduino UNO一塊，ADS1115一塊，面包板一塊，安卓手機(jī)USB充電線一條，直流電源一個(gè)(兩節(jié)18650電池供電)，LED、色環(huán)電阻、跳線、鱷魚(yú)夾線若干，全部下來(lái)應(yīng)該在50元錢左右，還要什么自行車呢？我們完全能夠?qū)嶒?yàn)自如的專業(yè)傳感器實(shí)驗(yàn)的效果。大部分電路并沒(méi)有拍照實(shí)物圖，只拍照了一個(gè)斷電自感實(shí)驗(yàn)。

2.尖峰的捕捉

斷電自感實(shí)驗(yàn)最令人聚集目光的地方，當(dāng)然是斷電自感的電流尖峰了，數(shù)據(jù)采樣率不夠，采集不到尖峰；采樣率過(guò)高，又會(huì)使顯示出傳感器的漂浮。不少專業(yè)傳感器實(shí)驗(yàn)畫(huà)很粗的線，一個(gè)目的也是為了掩蓋漂??；兩條測(cè)試線間有個(gè)nF線電容器，我們沒(méi)法向?qū)W生交待那是噶哈的，其實(shí)它是為了平滑。

好。圖5是某一次數(shù)據(jù)采集，橫軸上大約1830-1930毫秒間，我們看到了尖峰。

圖6是另一次實(shí)驗(yàn)，隨便把開(kāi)關(guān)通斷、通斷、通斷幾次，我們看到尖峰捕捉基本上都能成功。

這個(gè)尖峰有多寬呢？我們知道，在RL電路里，大約5個(gè)L/R時(shí)間就可以認(rèn)為自感結(jié)束了，所以我們多記錄幾次尖峰，選出尖峰最寬的那條折線，引入到幾何畫(huà)板中去，象圖7那樣，通過(guò)測(cè)量尖峰寬度，把它代入到時(shí)間常數(shù)里去(式子之中的140+660是上面實(shí)物圖的兩只電阻各約330Ω，變壓器線圈直流電阻約140Ω)，那我們能夠大略估算這個(gè)小型變壓器的線圈自感系數(shù)大約為0.64H，而小型變壓器作為電感線圈使用，其自感能達(dá)到2H以上，可見(jiàn)這個(gè)大致估算還像那么回事兒。