居家实验：Arduino&ADS1115进行通、断电自感
居家实验：Arduino&ADS1115进行通、断电自感
一、常见几种通电自感和断电自感实验方案
1.教材方案
一种方案是教材上的方案，就是下面的图1。有仪器厂家的产品，或者有研究者建议线圈L使用演示用可拆变压器。RL电路时间常数L/R一般比较小，小灯泡又存在“热惰性”，需紧紧盯住小灯泡，才可能看到缓缓变亮(暗)、以及突然一亮的现象。
图1 教材上的传统通、断电自感实验方案
2.探讨方案
一种专门观察断电自感“亮一下”的较好的方案，是《物理教学探讨》2016年12月载青海刘成刚的探索，线圈用常见的小型变压器或小充电器上面的变压器线圈，用两只红色LED，干电池取两节3.0V。我曾亲测，效果相当明显。但电路结构复杂，仍有干扰。
图2 效果明显易于搭建的通、断电自感实验方案
3.传感器方案
借助专门的传感器。尽管目前传感器如DISLab等实验设备不断普及，但能否普遍的物理实验室都能拥有，这是个问题。
4.高端仪器方案
数字存储示波器，或专业数据采集器。这些高端的东西，中学实验室一般很难见到，除非有特殊的倾斜。不过面对这些东西也不必完全绝望，有一些电子爱好者发展了一些低端方案，正让专业DSO逐步让业余作者能够用得起。
二、Arduino&ADS1115居家通、断电自感实验方案
1.为什么选择ADS1115
Arduino和ADS1115对数据的高速采集，至少在中学物理实验范围内，能够让我们得以满足实验条件；并且，它们相对来说，使用要容易一些：强过小灯泡、LED指示，因为它具有鲜明的专业传感器的色彩，同时，它能够被增加到传统方案里，起到效果增强与数据持续的作用。事实上，图2中的R1替换成红光LED电路也是安全的，而且也能演示通电自感，如果介意D2会干扰它，可以在D2支路再加一个开关。
用ADS1115进行自感实验，实际上不去测量电流，而是测量电压，比如测R2上的电压，由于R2是定值电阻，换算或不换算结果都是明晰的。
2.电路原理图及讨论
ADS1115差分电压测量时，A0/A1是一对，A2/A3是一对，这样同时测量电压支路和电阻支路上的电压就方便了。另外，如果介意LED因电流变化而产生阻值变化，可以放一取样电阻。这个电路图从前面的图2替代来的，为避免干扰观察效果，元件都放在面包板上，用谁插谁，不用谁就拔了谁，比直接焊死了要方便太多了。
图3 通、断电自感基础变换电路
我曾尝试过3种方案在图3上面进行自感来采集数据，效果都不好。一种是使用线性霍尔元件SS495，用磁场强弱和方向替代电流，效果不错，但受磁场干扰严重。第二种是使用ACS712电流传感器直接测量电流，但这个东西受磁场影响大，数据漂浮大，而且，经常出现一个问题，当某次电流测得较大之后，会等一段时间才能正常测量。但是ACS712确实能做通、断电自感实验，电流要稍一点儿。第三种方案，是使用手机phyphox软件的磁力计，原理有些类似第一种，遇到的问题是，电流也要大一些，当电源电压不太大时，电流产生的磁场弱，磁力计数据质量不好。当然，得有一部好手机，否则磁力计数据采集速度太慢，一点效果也看不到。(多数手机磁力计数据采集速度在50Hz附近，能上到100Hz的手机并不太多。这个方案是可行的，并不是不可以，有时间可以整理)。2.ADS1115的两个Arduino库。ADS1115是用来测量自感电流的，虽然它没有用电压值做那一步除法，所以测电压是关键问题。ADS1115有影响力的Arduino库有两个，效果一致。
3.简单的ADS1115差分电压测量代码
为了能够万无一失的捕捉到断电自感的“亮一下”，代码里每隔1ms采集一次数据，即每秒1000次数据，送给串口绘图器直接画图。为跟上迅速的电压变化速度，波特率设为19200。
//使用i2cdevlib的库，并非Adafruit_ADS1X15
//两个库效果相同，但i2cdev开放设置更多
#include "ADS1115.h"
ADS1115 adc0(ADS1115_DEFAULT_ADDRESS);
void setup() {
Wire.begin(); // join I2C bus
Serial.begin(19200); // initialize serial communication
Serial.println("Initializing I2C devices...");
adc0.initialize(); // initialize ADS1115 16 bit A/D chip
Serial.println("Testing device connections...");
Serial.println(
adc0.testConnection() \
? "ADS1115 connection successful" \
: "ADS1115 connection failed");
#define ADS1115_SERIAL_DEBUG //这句可注释
adc0.showConfigRegister();
//使用连续模式
adc0.setMode(ADS1115_MODE_CONTINUOUS);
}
void loop() {
//ADS1115的A0/A1分别接Arduino的A4/A5
adc0.setGain(ADS1115_PGA_6P144);
//获得16-bits数值
int sensorOneCounts=adc0.getConversionP0N1();
//转成伏特直接送串口绘图器
Serial.println(sensorOneCounts*adc0.getMvPerCount()/1000);
delay(1);
}
三、实验效果
1.随时随地做实验
和沉重的可拆变压器说Bye-bye，和搬来抱去的自感现象示教板说Bye-bye。我们的实验器材特别简单：小型直流变压器一个，Arduino UNO一块，ADS1115一块，面包板一块，安卓手机USB充电线一条，直流电源一个(两节18650电池供电)，LED、色环电阻、跳线、鳄鱼夹线若干，全部下来应该在50元钱左右，还要什么自行车呢？我们完全能够实验自如的专业传感器实验的效果。大部分电路并没有拍照实物图，只拍照了一个断电自感实验。
图4 ADS1115断电自感实验数据采集
2.尖峰的捕捉
断电自感实验最令人聚集目光的地方，当然是断电自感的电流尖峰了，数据采样率不够，采集不到尖峰；采样率过高，又会使显示出传感器的漂浮。不少专业传感器实验画很粗的线，一个目的也是为了掩盖漂浮；两条测试线间有个nF线电容器，我们没法向学生交待那是噶哈的，其实它是为了平滑。
好。图5是某一次数据采集，横轴上大约1830-1930毫秒间，我们看到了尖峰。
图5 1830-1930ms间出现了尖峰
图6是另一次实验，随便把开关通断、通断、通断几次，我们看到尖峰捕捉基本上都能成功。
图6 尖峰电流的捕捉基本上能够保证都成功
这个尖峰有多宽呢？我们知道，在RL电路里，大约5个L/R时间就可以认为自感结束了，所以我们多记录几次尖峰，选出尖峰最宽的那条折线，引入到几何画板中去，象图7那样，通过测量尖峰宽度，把它代入到时间常数里去(式子之中的140+660是上面实物图的两只电阻各约330Ω，变压器线圈直流电阻约140Ω)，那我们能够大略估算这个小型变压器的线圈自感系数大约为0.64H，而小型变压器作为电感线圈使用，其自感能达到2H以上，可见这个大致估算还像那么回事儿。
图7 用自感尖峰估算线圈自感系数