电磁感应测速装置

电磁感应测速装置

本发明是一种电磁感应测速装置，属于电磁学领域的发明。

传统的测量转速的装置有很多，如测速发电机和测量转速的光电计数器。陆地运行的交通工具的测速装置通常是测量车轮转速换算成行驶速度。飞机和船舶的测速最困难，通常采用测量流体速度的方法来估计速度，很不准确。

本发明的目的是提供一种电磁感应式的平动速度和转动速度测量装置，成为一种新的速度测量方式，在应用于飞机和船舶的测速方面有较大的优势。

本发明是一种测量运动载体平动速度的装置，运用了运流电流原理和电磁感应原理完成的发明，简称电磁感应测速装置或测速器。首先通过一组实验说明本发明的原理。

运流电流是指带电物体的运动产生的电流，传导电流是指导体中电子流动产生的电流，运流电流原理是指运流电流与传导电流等价，即带电物体的运动产生的电流与导体中的电子在电压下流动所产生的电流等价，这是一个被物理学界所肯定的原理。本发明所说的“极板”，都是指金属极板。我们设计一个圆直管形电容器的装置，图5是直管电容器平动测速装置原理分析图，图中，1为外圆筒极板，2为内圆筒极板，1、2之间为绝缘层4，以上部件1、2、4组成电容器A，20为直流电源，8为感应线圈，9为信号放大器，10为电压表。

当极板1、2接上直流电源20后，被分别充上正负电荷，进行三个实验：实验1，令电容器A往复运动，相对于实验室而言，会在极板上产生往复的运流电流i+和i-，令感应线圈8a相对于实验室静止，于是感应线圈8a认为电容器A存在交变运流电流，从而在极板1、2所夹的圆柱面内产生圆周方向的交变磁场B，所以感应线圈8a产生感生电动势。因为运流电流与传导电流等价，所以我们模仿图5的装置做一个图6的等价装置，在图6中，用一个圆筒状螺线管E置换了图5中往复运动的电容器A，在螺线管上加上交流电源6，使之产生交变的传导电流，于是在螺线管E所围绕的圆柱面内产生的交变磁场B1，从而使感应线圈8b产生感生电动势。

实验2，令实验1中的图5设备其它条件不变，仅有的变化是令感应线圈8a随着电容器A往复运动，会引起感应线圈8a上的感生电动势等于零吗？作为对比实验，令图6设备中其它条件不变，仅有的变化也是令感应线圈8b往复运动，会引起感应线圈8b上的感生电动势变化甚至等于零吗？实际上，不管感应线圈8b如何运动，它所包围的交变磁场B1没变，所以感应线圈8b上的感生电动势不会变化；如果我们只顾及感应线圈中存在着交变磁场，而抽象掉产生该交变磁场的原因，只要感应线圈8a与感应线圈8b一样包围着交变磁场，就必然产生感生电动势。但是，感应线圈8a随着电容器A往复运动，于是极板静电荷与感应线圈8a没有相对运动，根据相对性原理，感应线圈8a中不会产生磁场，从而不会产生感生电动势。而实验2中，感应线圈8a产生了感生电动势。

实验3，令图5装置中电容器A相对于实验室静止，感应线圈8a往复运动，于是极板静电荷与感应线圈8a产生相对往复运动，根据相对性原理，由于感应线圈8a相对于极板静电荷有相对运动，应该会在感应线圈8a中产生交变磁场，从而使感应线圈8a产生感生电动势。然而，而实验3中，感应线圈8a没产生感生电动势。实验2和实验3的实验结论对电磁感应测速装置的发明提供了实验支持。

本发明的测量运动载体平动速度的装置，运用了运流电流原理和电磁感应原理，简称电磁感应测速装置，包括电容器、感应线圈、极板电源、电压放大器、电压表，其特征是：所述电容器金属极板的曲面形状，是在X-Y平面上的曲线朝Z轴方向运动所形成的曲面，这种极板为直管或直槽形曲面极板，以下简称极板，由这样的极板组成直管状电容器和直槽状电容器，以下统称为直管电容器，直管电容器的基本结构是外极板1和内极板2，为了提高电荷总量，还可以安装夹层极板3，所有极板通过绝缘层4实现互相绝缘且平行；采用薄的、耐击穿的绝缘层，还可以采用矫顽磁力极低的材料作绝缘层，以尽可能提高直管电容器聚集静电荷和产生磁场的能力；感应线圈是环绕直管侧壁沿着内壁母线和外壁母线绕制而成，在直管电容器上过任一母线作出垂直于极板的剖面都是一个图2中的矩形K—极板1、2、3中间夹着绝缘层4并且外面包裹着绝缘层5构成的矩形K，而感应线圈则是包围着所述矩形K绕制而成；当感应线圈所包围的区域存在变化的磁场B时，就会在感应线圈中产生感生电动势，使感应线圈所包围的区域产生磁场变化的方式有固定式和旋转式两类，第一类是固定式(图1)，即所述直管电容器A相对于运动载体固定，在内外极板1、2上连接交变电源6，所有极板1、2、3上聚集的静电荷就是交变的，保证所述直管电容器A的母线11总是基本上平行于运动载体的运动方向V，极板上的聚集的交变静电荷就成为了交变的运流电流i1、i2，i1与i2总是大小相等，正负相反，会在极板间形成垂直于运动方向的交变感应磁通B，(等价于螺线管E流过交变电流以后，在螺线管E中间产生交变磁通B(图6)。)运动载体运动速度越快，产生的交变运流电流越大，形成的交变感应磁场B越大，感应线圈8a产生的感应电动势越大，所以测试出感应电动势的大小就可以换算出速度的大小；第二类是旋转式(图7a、图7b)，一个与直管电容器A构造相同的直管电容器C，在其内外极板1、2上连接直流电源20，所有极板1、2、3上的聚集的静电荷就是不变的，直管电容器C的母线21和感应线圈22垂直于运动载体运动方向V旋转或往复摆动，因为从运动载体来看运流电流大小和方向不变，而感应线圈22的方向在不断反向，所以穿过感应线圈22的感生磁场是交变的，会在感应线圈22中产生感生电动势，运动载体运动速度越快，运流电流越大，交变磁场和感应线圈22产生的感应电动势越大，所以测试出感应电动势的大小就可以换算出速度的大小。

采用直管电容器作为聚集静电荷的部件，直管电容器的极板横断面曲线可以是各种形状，而极板的母线总是互相平行的，由极板组成的电容器的母线也总是互相平行的；所述直管电容器是由外极板1和内极板2组成基本结构，为了增加极板静电荷总量，在外极板1和内极板2之间绝缘地夹着夹层极板3，各极板的各层面之间用绝缘层4平行隔开，只有外极板1和内极板2直接与电源两极连接，产生一对异号电荷层；夹层极板不直接与电源连接，每层夹层极板3的两面是由感应电荷形成的异号电荷层，全部极板的电荷层极性的排列规则为正负电荷层互相间隔：+-+……+-+-。作为对比，传统的多层电容器中，每层极板都与电源连通，极板上的电荷都是由电源提供，夹层极板上的两面都为同性电荷层，电荷层极性的排列规则为：+--++……--++-。

直管电容器作为聚集静电荷和产生磁场的部件，应该尽可能增加极板静电荷总量和总磁效应，可以采取若干措施：1、在不击穿的前提下加大极板电压；2、使极板尽量保持平行和靠近；3、极板绝缘层可以采用矫顽磁力极低的软磁性材料；4、采用多层极板；5、加大极板绝缘层的介电常数可以提高极板带电量，似乎可以提高磁效应，但是实验证明，总的磁效应与介电常数无关，所以不要采用电介质极板绝缘层；6、除了采用传统的薄膜绝缘层和涂料绝缘层以外，还可以物理气相沉积法，包括真空蒸镀、真空溅镀和离子镀，在极板上沉积一层绝缘层，再沉积一层极板，如此多次，可以形成绝缘层很薄的电容器和软磁性材料绝缘层的电容器。这里提出三个问题，1、为什么要多层电荷层，2、为什么要正负电荷层互相间隔，3、如何实现正负电荷层互相间隔。关于采用多层极板作出以下说明。

回答1，以图8作为说明图，如果只有外极板1和内极板2两块极板，那么只有1和2之间存在一层磁场，所以磁场很弱。如果想要加强磁场，可以采用多层磁场的方法，就应该有多层极板，准确地说，应该有多层正负电荷层。图8中，极板1、2中间加一层夹层极板3，其两面将感应出一对异号电荷层3c和3d，多产生了一层磁场。

回答2，电荷层要正负互相间隔才会使多层磁场方向一致。当图8的四层电荷层(+-+-)的直管电容器运动，按V1标出的箭头垂直于纸面向里运动时，一个互相间隔的正负电荷层变成了互相间隔的向里运动的正负电流层(+-+-)，可以视为两对(+-)电流层，每对(+-)电流层除了在其电流层之间产生一层磁场B2外，对电流层外面的磁场影响可以视为零，于是，两对电流层就产生了两层磁场B2而且同方向，如果是多对电流层就会产生多层同向磁场B2。可能有人要问：中间也可以看成有一对(-+)电流层，产生一层反向的磁场-B2，对此，图9给出了详细分析的图示，电荷层1、3c、3d、2产生的磁场强度分别为H1、H3c、H3d、H2，这四个磁场强度绝对值相等，定为一个单位，它们在各个区间的方向由箭头指出，在电荷层1与电荷层3c之间，向左有3个单位的磁场强度，向右只有一个单位的磁场强度，叠加后有有两个单位向左的磁场强度，合成一个向左的磁场B2；同样的分析可知，在电荷层3d与电荷层2之间也合成一个向左的磁场B2；而电荷层1外面、电荷层3c与电荷层3d之间、电荷层2外面这三个区间，向左和向右各有两个单位的磁场强度，刚好抵消。回到图8上来看，B2是一层圆柱面形的磁场，两个磁场B2的方向都为逆时针。但是，如果正负电流层的排列为：+--++-，那么这样的多对电流层也会产生多层磁场B2，不过方向相反，合成磁场为零。

回答3，采用外极板1和内极板2之间绝缘地夹着夹层极板3的方法就能实现正负电荷层互相间隔。只有外极板1和内极板2直接与电源连接，使外极板1和内极板2产生互为异号电荷层，夹层极板3上的电荷层都由感应产生，产生图8那样两层异号电荷层3c和3d，于是所有的电荷层的极性排列刚好符合正负电荷层互相间隔的规则。

直管电容器的夹层极板3横断面曲线可采用类似树的“年轮”结构，年轮状结构具体地说极板的各层之间都是互不传导连通的，对于直管状电容器而言，极板的各层都是互相平行的相似闭曲线，而对于圆形直管状电容器来说，其横断面上所有的极板都是同心圆3a，其夹层极板3横断面曲线还可以采用发条状结构，发条状结构具体地说象机械闹钟的发条，由是一块或多块极板卷成发条状3b成为多层极板。

直管电容器包括直管状的和直槽状两种，其横断面为多层极板，为了叙述方便，将这多层极板合起来看成一根粗线，直管状电容器的横断面为各种闭曲线，包括圆形12、椭圆形13、多边形14、弧形结合多边形15，直槽状电容器的横断面为各种开口曲线，包括弧形16、多边折线17、弧形加多边折线、直线，这些闭曲线和开口曲线朝垂直于曲线的方向作直线运动，就形成了对应形状的直管状电容器和直槽状电容器。

感应线圈是环绕直管侧壁沿着内壁母线和外壁母线绕制而成，对直管状电容器而言，感应线圈8a、22是穿绕而成，即导线从内孔穿过直管，沿着直管内壁，再从外壁母线绕回，如此往复；在直管电容器上过任一母线作出垂直于极板的剖面都近似一个矩形K——极板1、2、3中间夹着绝缘层4并且外面包裹着绝缘层5构成的矩形K，而感应线圈则是包围着所述矩形K绕制而成，并使感应线圈的法线方向垂直于地磁场方向以减少地磁场的影响，还可以在感应线圈的外围制作一个磁屏蔽盒23用以减少地磁场的影响。采用放大器9将感应线圈测出的电动势放大后再由电压表10测出其大小，电压表的刻度上刻上与电压相对应的速度值，可以直接读出运动载体的速度。

本发明的理论依据之一是优势参照系原理。以下的说明虽然与专利保护没有直接关系，但是有助于详细说明优势参照系原理，进一步解释本发明。

有人设计了一个升降机思维实验，证明了在一个封闭系统中，实验者在动力学范畴内无法区分重力加速度与惯性加速度，结论是两种加速度等价。进一步，他不加证明地将此等价性推广到电磁学范畴，提出了某理论。用几个简单的推理就很容易地证明了在电磁关系中，重力加速度与惯性加速度不等价：1、如果一个静电球J相对于实验者I有惯性加速度，已有的物理实验结论告诉我们，实验者I必定发现静电球J辐射电磁波；2、如果一个静电球J相对于实验者I有重力加速度，比如将静电球J置于南极，实验者I位于北极，则静电球J相对于实验者I有重力加速度2*g，实验者I是否会发现静电球J辐射电磁波呢？没有过这种实验。3、换一种提问，静电球J相对于实验者I有重力加速度、电磁力加速度、弱力加速度和强力加速度的任何一种，实验者I是否会发现静电球J辐射电磁波呢？固定一个静电球J，对它施加电磁力，使它产生电磁力加速度而不产生惯性加速度，实验者I是否会发现静电球J辐射电磁波呢？很明显不会；同样，重力加速度也不会使静电球J辐射电磁波。另外，对原子核的分析也可以说明问题，质子受到极强的强力，即存在极强的强力加速度，也没有使质子辐射电磁波。4、在一个封闭系统中，实验者能否在电磁学范畴内区分重力加速度与惯性加速度。为此，我们设计了旋转长筒实验。

设计一个足够长的长筒(如图10)，忽略重力。长筒以其中点32为轴心作平面匀速圆周运动，实验者34位于长筒一端底部的实验室，他必定感受到一个指向底部的加速度a的存在。于是，与在升降机中一样，实验者34在动力学范畴内无法分辨加速度a究竟是重力加速度还是惯性加速度，他既可以认为自己处在某个星球上受到重力加速度a；也可以认为自己是处在一旋转参照系中，受到的是惯性加速度a。当然，该旋转参照系还存在科里奥利力，但是实验者可以认为产生该科里奥利力的原因是由于自己处在自转星球的赤道上，并不妨碍他认为加速度a是重力加速度。避免科里奥利力干扰分析的另一种方案是令长筒足够长，使得角速度足够慢以至于可以忽略科里奥利力。

在这个旋转长筒封闭系统中，假定我们确认了重力加速度与惯性加速度在动力学范畴的等价性，是否能将此等价性应用到电磁学范畴呢？即该封闭系统在电磁学范畴，实验者是否能区分重力加速度与惯性加速度呢？为此，我们将电磁学实验也放到旋转长筒中。

由于静电荷作惯性加速度运动时会向外辐射电磁波，所以令实验者34携带一个带静电的球36和一个电磁波接收器37在旋转长筒的一端，而在旋转长筒的另一端放一面反射镜31，它可以将静电球辐射来的电磁波反射到电磁波接收器。如果静电球受到的是重力加速度，则不会辐射出电磁波；如果静电球受到的是惯性加速度，则必定都会辐射出电磁波33，通过反射镜31反射回来，由电磁波接收器可以收到电磁波。这就是说，即便是封闭系统中，在电磁学范畴也可以通过实验分辨重力加速度与惯性加速度，从而证明两种加速度并不等价。

关于优势参照系，还可以作如下讨论：将时钟TA置于地球自转极轴位置，时钟TB置于赤道，并使两只时钟所处的温度、受力等条件相等。令观察者处于极轴时钟TA的位置观察赤道时钟TB的时间膨胀效应。令时钟TA的重力等于时钟TB的重力加惯性离心力，所以两时钟所产生的广义相对论效应互相抵消，仅需分析狭义相对论效应。1、他以地球为参照系分析，两处时钟是相对静止的，因而没有时间膨胀效应；2、他以太阳系作为参照系分析也没有理由拒绝。赤道处的时钟TB在相对于极轴处的时钟TA转动，所以有狭义相对论效应。这就是说，时钟TB是否有时间膨胀效应，取决于观察者愿意采用哪个参照系。这当然是荒谬的。实际上，这暗示了参照系不是可以随意选取，必定有一个参照系是最合理的。对于以上时钟实验，人们可能会认可地球参照系，但是并没有深入探究为什么。我们提出统治场参照系的假设认为：在地球引力场占统治地位的区域，地球参照系为统治场参照系，同理，其它在一定空间占统治地位的场，如原子核在原子范围内和太阳在太阳系内，也形成统治场参照系。在研究电磁学范畴时，统治场参照系是优势参照系，在统治场参照系中所有电磁学定律和关于粒子波的所有定律符合各向同性的规律，研究电磁学范畴时相对性原理要修改。而研究动力学范畴的天体物理现象时，应该以银河系甚至大宇宙为优势参照系。从银河系看，地球的电离层旋转产生了地磁场。用统治场参照系可以解释双星现象，到达地球的两束双星光线都是经过相同的统治场区域，速度相同；关于光行差现象，假设地球统治场象带动大气层一样带动地球以太层运动，而太阳统治场范围内的以太对于地球形成以太风，于是用速度叠加可以解释光行差现象；关于宇宙，大爆炸论说的宇宙只是我们所在的小宇宙，是无边无际的大宇宙中的一部分，如果大爆炸论正确，只要我们不是处于膨胀中央，我们看到的星体退行现象将会是有一个方向最快，而相反方向的最慢，否则应该认为红移不是由于星体退行引起而是由于能量损耗引起。关于万有引力，我们认为宇宙等效于半径无穷大且质量无穷大的球壳，自己所观测到的天体都可以认为处于无穷大球壳的中心，球壳从各个方向均匀射来微粒子，每个星球都可以挡住或吸收一些，挡住的微粒子越多，表现为其质量越大。对于两个星球而言，由于各自对微粒子的阻挡，它们之间连线区间会少一些微粒子打击，而外侧相对要多些微粒子的打击，于是将两星球打击得互相靠近，表现为星球之间的万有引力。关于质能关系，当粒子加速到接近光速时，质量迅速增加，然后使这些粒子减速，质量仍然增加的话，证明粒子的速度变化是由于某种未知微粒子的撞击，而质量的变化是由于微粒子附着在粒子上。关于μ介子寿命，静止的μ介子寿命短，是因为将μ介子由运动变成静止有一个俘获和强迫的过程，所以寿命缩短。

实施例，电磁感应测量平动速度的装置方法之一是采用固定式测速装置(图1)，所述直管电容器A为圆形直管，夹层极板采用(图3a)年轮状的3a，也可以采用(图3b)发条状的3b，在极板1、2上连接交变电源6，所有极板1、2、3上聚集的静电荷就是交变的，保证所述直管电容器A的母线11总是基本平行于运动载体的运动方向V，极板上的聚集的交变静电荷就成为了交变的运流电流i1、i2，会在极板间形成垂直于运动方向的交变感应磁通B，运动载体运动速度越快，产生的交变运流电流越大，形成的交变感应磁场B越大，感应线圈8a产生的感应电动势越大，所以测试出感应电动势的大小就可以换算出速度的大小。

方法之二是采用旋转式测速装置(图7a、图7b)，一个与直管电容器A构造相同的直管电容器C，在其内外极板2、1上连接直流电源20，极板1、2、3上的聚集的静电荷就是不变的，直管电容器C、感应线圈22、直流电源20、放大器9几个部件以下合称为感应器，坐落在底板24上，设置一根垂直于运动载体运动方向V的转轴25，带动底板24垂直于转轴25旋转，从而带动感应器垂直于转轴25旋转，因为从运动载体来看运流电流大小和方向不变，而感应线圈22的方向在不断反向，所以穿过感应线圈22的感生磁场是交变的，会在感应线圈22中产生感生电动势，运动载体运动速度越快，运流电流越大，交变磁场和感应线圈22产生的感应电动势越大，所以测试出感应电动势的大小就可以换算出速度的大小。

附图说明

：图1-直管电容器A固定式测速器；图2-直管电容器管壁剖面K，和剖面K上绕上线圈8a的示意图；图3a-年轮状的直管电容器横断面；图3b-发条状的直管电容器横断面；图4为直管电容器横断面的断面形状集锦；图5为直管电容器往复运动时的电磁状态；图6为螺线管和感应线圈；图7a为旋转式测速器的直管电容器母线平行于运动方向的某一刻；图7b为图7a中直管电容器位置旋转了半周的一刻；图8为夹层极板形成电荷层的关系；图9为电荷层与磁场强度方向的关系；图10为检验重力加速度与惯性加速度等价性的旋转长筒。

A-直管电容器；B-感应磁场；C-旋转式直管电容器；E-螺线管；i1-外极板电流；i2-内极板电流；(i+)-正电荷运流电流；(i-)-负电荷运流电流；H1-极板1产生的磁场强度；H2-极板2产生的磁场强度；H3c-电荷层3c产生的磁场强度；H3d-电荷层3d产生的磁场强度；K-在直管电容器上过任一母线作出垂直于极板的剖面；V-电容器横向运动的方向；V1-电容器垂直纸面向里运动的方向；ω-旋转方向；a-惯性加速度。

1-外极板；2-内极板；3-夹层极板；3a-年轮状夹层极板；3b-发条状夹层极板；3c-夹层极板的外电荷层；3d-夹层极板的内电荷层；4-极板间绝缘层；4、(B)-极板间绝缘层4，并且在其中存在感应磁场B；5-直管电容器外层绝缘层；6-交流电源；7-导线；8和8a和8b-感应线圈；9-放大器；10-电压表；11-直管电容器母线；12-圆形直管电容器的横断面；13-椭圆形横断面；14-多边形横断面；15-多边形结合弧形的横断面；16-弧形直槽；17-开口多边形横断面；18-螺线管导体；19-螺线管导体间的绝缘缝；20-直流电源；21-旋转式直管电容器C的母线；22-感应线圈；23-地磁场屏蔽盒；24-底板；25-转轴；26-转盘；27-电刷；31-反光镜；32-转轴；33-电磁波；34-实验者；35-旋转长筒；36-静电球；37-电磁波接收器。