专利名称：一种多功能矿物热电仪的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于测量金属和半导体矿物热电效应的仪器，属于矿物物性测试技术领域。
背景技术：
金属或半导体矿物处在温差条件下可产生温差热电势。矿物热电性具有特殊的标型意义，用以表征矿物结构、成分与形成条件(如温度、压力、介质成分变化等等)关系的重要参数，可指示矿物形成的环境及物理化学条件，利用热电性可以判断古地温和成矿温度，预测隐伏矿体，研究成矿分带性，评价矿床剥蚀水平等，在找矿矿物学、成因矿物学及地球化学等研究中具有重要用途。如何快捷准确地测量样品的温度、热电势或热电曲线、热电系数，是研究金属及半导体矿物热电性的关键。
根据文献检索，前苏联较早研制出了恒温差法矿物热电仪，在冷热端有两个热电偶按差热计接法测定温差，冷端用流水恒温，电位差计测量±E，转换接线后由电位差计测量热电偶电势而取得ΔT(即TH-TL)。其后，国内相继出现了类似装置的研发报道(1)李家驹研制的“矿物热电效应测试装置”(李家驹，矿物热电效应测试.地质科学，1973，Vol.4317-326)；(2)辽宁地矿局实验研究中心的“矿物热电图谱仪”(中国专利，CN 86208116U)；(3)中国有色金属工业总公司矿产地质研究院研制的“DYW-1型矿物热电系数测量仪”(黄东，黄铁矿热电系数的研究与应用.物探与化探，1991，15(3)188-195)；(4)中国地质大学(北京)组装的“RD2型携带式矿物热电仪”(邵伟，陈光远，孙岱生.黄铁矿热电性研究方法及其在胶东金矿的应用.现代地质，1990，49(1)46-57)。总起来看，(1)～(3)的冷极都是通过水流恒温，结构复杂且不易控制，影响了活化温度的精确度；而(4)是在取定温差10℃时数字显示热电系数，但由于设定活化温度较小，测试结果难以真实地反映样品的热电性规律(矿物的热电动势E与活化温度Δt之间不呈线性关系)；以上测试装置的热极都没有采取专门的绝热保温措施，散热太快使得恒温稳定性降低；它们的温度控制都是使用传统的电路，控温精度较低，并且只能取单一的活化温度，不能根据测量的实际需要设置不同的活化温度；尤其是，这些测试装置的功能单一，只能测试与热电效应相关的某一项参数，不能全面反映样品的热电性特征。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术之不足，提供一种活化温度范围宽、结构合理、性能可靠、易操作、集热电系数、热电势、热电曲线、导型、温度、湿度等参量测量功能于一体的矿物热电效应测试仪器。其技术方案为包括热活化装置、热极温度传感器S2、冷极温度传感器S3、冷极E2、信号处理电路、温控开关电路TK和显示器LED2；其中热活化装置包括热极E1和安装在热极E1体内的电加热器HTR，其作用是在温控开关电路TK控制之下对热极E1加热；冷极温度传感器S3安装在冷极E2上，热极温度传感器S2设置在热极E1中，它们分别与信号处理电路的输入端连接，将采集的冷热极温度信号输入信号处理电路；冷极E2和热极E1分别连接信号处理电路的输入端，将采集的热电信号送入信号处理电路；信号处理电路的输出端分别连接温控开关电路TK和显示器LED2，将温度信号和热电信号运算处理的结果分别输出到温控开关电路TK和显示器LED2，以控制加热电路工作和显示热电测量结果，其特征在于信号处理电路包括温度信号前置电路DL1～2、热电信号前置电路DL3、湿度信号前置电路DL4和连接显示器LED1～2的单片机MCU；增加与单片机MCU相连的温度预置装置SET、电存储器IC1、测量控制按板CTR，增加测温探头S1、湿度传感器S4、“恒温-测温”切换开关K1、加热电路“接通-断开”开关K2，其中测温探头S1、热极温度传感器S2经“恒温-测温”切换开关K1与温度信号前置电路DL1输入端相连，冷极温度传感器S3经“恒温-测温”切换开关K1与温度信号前置电路DL2输入端相连，温度信号前置电路DL1～2的输出端分别接单片机MCU的输入端；热电信号前置电路DL3输入端连接冷极E2、热极E1，输出端连接单片机MCU的输入端，湿度信号前置电路DL4的输入端连接湿度传感器S4，其输出端连接单片机MCU输入端，单片机MCU的输出端接显示器LED1～2和温控开关电路TK，电加热器HTR依次经加热电路“接通-断开”开关K2、温控开关电路TK接220V交流电源。
所述的一种多功能矿物热电仪，“恒温-测温”切换开关K1置于“测温”时，测温探头S1接通温度信号前置电路DL1，其采集的被测物质温度信号经温度信号前置电路DL1放大并处理成非负信号后送单片机MCU处理，测温结果由显示器LED1数字输出；“恒温-测温”切换开关K1置于“恒温”时，热极温度传感器S2与温度信号前置电路DL1接通，同时冷极温度传感器S3与温度信号前置电路DL2输入端接通，两个温度传感器采集的热、冷极温度信号分别经温度信号前置电路DL1、DL2调理后送入单片机MCU进行运算比较，结果输出到温控开关电路TK控制加热电路工作并同时由显示器LED1显示热极温度或热冷极温差；冷极E2、热极E1采集的冷热极热电势信号经热电信号前置电路DL3调理后由单片机MCU进行运算处理，得到被测物质的热电势、热电系数、导型等，由显示器LED2显示输出；湿度信号前置电路DL4将湿度传感器S4采集的湿度信号调理后送单片机处理，由显示器LED2输出湿度测量结果。
所述的一种多功能矿物热电仪，温度预置装置SET包括“设置”按键AN1和“置数”按键AN2，对应接单片机MCU的P0口，测量控制板(CTR)包括“温差/温度”切换按键AN3、“湿度/热电”切换按键AN4、“热电势/热电系数”切换按键AN5，分别对应接单片机(MCU)的P0、P5、P4口，其中“设置”按键AN1用于激活预置功能，“置数”按键AN2用于设置相关参数，“设置”按键AN1与“置数”按键AN2的组合使用可以预设活化温度(热极温度传感器温度同冷极温度传感器温度之差)和超限温度(活化温度的上下限)，预置的参数存储在电存储器中，掉电不丢失，设置完成后可以随时按“设置”按键AN1查看预置状态。“温差/温度”切换按键AN3单独使用可以切换显示器LED1显示当前活化温度或热极温度；“湿度/热电”切换按键AN4使显示器LED2切换“湿度/热电”显示，“热电势/热电系数”切换按键AN5用以实现切换显示器LED2显示热电系数或热电势。
所述的一种多功能矿物热电仪，其设有的温度信号前置电路DL1～2可以对温度电压信号进行放大和电平移动而将其转化为适合单片机MCU输入的信号，从而使仪器可以测量负温度，并使活化温度范围更宽。温度信号前置电路DL1包括稳压管TL1、微调电位器RW1～2、运算放大器IC2～3、电阻R1～7和电容C1～2，其中微调电位器RW1的一端(温度信号前置电路DL1的输入端)，经“恒温-测温”切换开关K1(“恒温-测温”切换开关K1为双刀双掷开关)，连接热极温度传感器S2和测温探头S1中的一个，微调电位器RW1的另一端分别接电阻R4～5的一端和经稳压管TL1接地，微调电位器RW1的可调端经电阻R1接运算放大器IC3的同相输入端，电阻R4的另一端经微调电位器RW2接地，电阻R5的另一端接-5V电源，微调电位器RW2的可调端接运算放大器IC2的同相输入端，运算放大器IC2的反相输入端经电阻R6接其输出端，运算放大器IC2的输出端经电阻R2分别接运算放大器IC3的反相输入端和电容C1、电阻R3的一端，电容C1、电阻R3的另一端及运算放大器IC3的输出端(温度信号前置电路DL1的输出端)相接后，经电阻R7接单片机MCU的P4口，并经电容C2接地，温度信号前置电路DL2与温度信号前置电路DL1电路相同，其输入端经“恒温-测温”切换开关K1连接冷极温度传感器S3，输出端连接单片机MCU的P4端口。
所述的一种多功能矿物热电仪，热电信号前置电路DL3包括电压信号放大电路DL5和电路结构与温度信号前置电路DL1相同的热电信号调理电路DL6，电压信号放大电路DL5包括运算放大器IC4、电阻R19～22和电容C3，其中运算放大器IC4的同相输入端经电阻R19接冷极E2，其反相输入端经电阻R20接热极E1、接地和电容C3的负极，电容C3的正极与运算放大器IC4的输出端相接后接热电信号调理电路DL6的输入端，热电信号调理电路DL6的输出端接单片机MCU的P4端口。
所述的一种多功能矿物热电仪，湿度信号前置电路DL4包括运算放大器IC7、电阻R30～32和电容C6，其中运算放大器IC7的同相输入端经电阻R30接湿度传感器S4的输出端，其反相输入端与其输出端之间并接有电阻R31和电容C6，且反相输入端经电阻R32接地，运算放大器IC7的输出端接单片机MCU的P4端口。
所述的一种多功能矿物热电仪，增设顶部敞口的绝热盒BOX，热极E1安装在绝热盒BOX内，热极E1与绝热盒BOX之间充填绝热层MAT。电加热器HTR的电源端设有加热指示器LED，加热指示器LED与电加热器HTR并联，用以指示电加热器HTR的工作状态。
所述的一种多功能矿物热电仪，热极E1安装在绝热性能良好的绝热盒BOX内，电加热器HTR安装在热极E1内部，这样的结构使得热极E1温度分布均匀、绝热保温性能提高，有效提高了系统的热稳定性和恒温精度。加热电路“接通-断开”开关K2是个手动开关，通过该开关可以强行断开加热电路，以实现一些特别的功能(如测量随活化温度降低的热电曲线等)或满足安全方面的需要。
所述的一种多功能矿物热电仪，温控开关电路TK包括三极管T1、电阻R15～17、光电耦合器GD和双向可控硅SK，其中光电耦合器GD的输入端分别经电阻R15接+5V电源、接三极管T1的集电极，光电耦合器GD输出端的一端经电阻R16接双向可控硅SK的一端，其另一输出端接双向可控硅SK的控制端，并经电阻R17分别接双向可控硅SK的另一端和加热电路“接通-断开”开关K2，三极管T1的发射极接地，其基极接单片机MCU的P1端口，温控开关电路TK配合单片机MCU控制电加热器的加热，有效避免了温度过冲，使系统的恒温状态更稳定。
所述的一种多功能矿物热电仪，增设带有辅极E3～4和显示器LED3的数字万用表模块MTR，该模块与系统共享电源，但是采用相对独立的电路，辅极E3～4配合数字万用表模块MTR，可以测量电阻、电压、电流等与分析矿物性质有关的辅助参量；辅极E3～4和冷极E2均为外接插拔式电极，冷极E2探针直径0.05mm～0.1mm，可以实现对矿物的微区测量热极温度传感器S2、冷极温度传感器S3和测温探头S1均使用高精度集成温度传感器LM35A，测温探头S1设计成伸缩式探头并采用钢管特别封装，方便于气、液、固不同环境使用。
其工作原理为本发明主要用于测量矿物热电性研究涉及的热电参量(热电势、热电曲线、热电系数、导型)、温度、湿度等，还可以测量外部温度、外部湿度、电压、电流、电阻等辅助参量。各功能可通过控制面板上的控制按键方便切换，测量结果无需另外运算，各参量数据可直接从数字显示器读取。
使用活化温度预置装置来预设活化温度(热极温度传感器温度同冷极温度传感器温度之差)和超限温度(活化温度的上下限)，系统工作时，通过按“设置”按键AN1激活预置功能，用“置数”按键AN2设置相关参数，设置完成后可以随时按“设置”按键AN1查看预置状态。预置的参数存储在电存储器中，可以根据需要随时更改，并且掉电不丢失，再次开机如果使用的参数相同，则无需重新设置。
测温功能和恒温控制功能的切换由“恒温-测温”切换开关实现。实现恒温功能“恒温-测温”切换开关置于“恒温”时，热极温度传感器、冷极温度传感器采集的温度信号经“恒温-测温”切换开关送入温度信号前置电路进行信号放大、电平移动等处理，调理成适合单片机输入的信号后送入单片机，单片机将运算得到的热极冷极温差同预置的活化温度相比较，根据比较的结果输出控制使温控开关电路处在不同的工作状态，此时若加热电路“接通-断开”开关K2处在“接通”状态，则可实现电加热器的调功输出，使热极冷极温差恒定在预设活化温度。热极冷极温差低于预置活化温度较多时，加热器全功率工作，使热极快速升温，热冷极温差接近预设活化温度时，电加热器减小加热功率，减小温度过冲，热冷极温差达到预置活化温度后，单片机经过运算会控制温控开关电路输出一较小加热功率以补偿热极散热的热量损失，使热冷极温差稳定在预置活化温度。该过程中加热指示器会以不同的声音或亮度指示加热状态，热极冷极温差及热极温度可由显示器LED1显示，两者的切换可通过按“温差/温度”切换按键AN3实现。如果不需要恒温系统工作或出于特别需要，可手动将加热电路“接通-断开”开关K2置于“断开”状态，使电加热器停止加热。
实现测温功能“恒温-测温”切换开关置于“测温”时，热极温度传感器、冷极温度传感器与温度信号前置电路的连接被断开，加热电路由温控开关电路自动切断，将测温探头置于待测环境中(气、液、固均可)，测温探头采集的温度信号经“恒温-测温”切换开关进入温度信号前置电路，再经单片机运算处理，温度测量结果由单片机送显示器LED1显示。不进行专门的温度测量时，测温探头就处在当前的测量环境中，测量的就是环境温度，可以通过“恒温-测温”切换开关在“恒温”、“测温”之间切换，随时了解当前环境温度。
湿度测量功能只要开机就有效，湿度传感器S4将采集的湿度信号送湿度信号前置电路DL4，放大调理后送单片机运算处理，测量结果由显示器LED2显示输出。
热电参量的测量在恒温状态下，将矿样置于热极上，冷极探针接触矿样的上表面，矿样的冷端(与冷极接触的一端，其温度与冷极温度相同，为环境温度)与热端(与热极接触的一端，温度为热极温度)之间产生热电动势，冷极和热极将矿样两端的电势差传递到热电势信号前置电路，经过信号放大和调理后送入单片机，进行热电势和热电系数的运算，测量结果由显示器LED2显示输出。显示器LED2默认的是湿度显示，通过按“湿度/热电”切换按键AN4可以将其置为热电参量显示状态，用“热电势/热电系数”切换按键AN5切换显示器LED2显示热电势、热电系数。显示的热电势或热电系数为正值表明矿物导型为P型(空穴型)，若显示的热电势或热电系数为负值则被测矿物的导型是N型(电子型)。可以连续测量冷热极温差逐渐升高或降低过程中相应不同温差的热电势，由此得到热电曲线。也可以分多次预置不同的活化温度，分别多次测量冷热极温差稳定在不同活化温度时相应的矿物热电势，取平均值，得到更精确的热电曲线。当不需要恒温系统工作或者欲测量随活化温度降低的热电曲线时，可以用加热电路“接通-断开”开关将加热电路强行断开。
集成的通用数字万用表是一个独立的模块，用以测量矿样以及外部物质的电压、电阻、电流等与物性分析有关的辅助参量。使用时由两个辅极采集相关信号，送通用数字万用表，测量结果由显示器LED3显示输出。
本发明具有以下特点(1)本发明具有多功能的特点，可以同步测量矿物热电性研究涉及的多种参数，如热电势、热电曲线、热电系数、导型、温度、湿度、电阻等，还可以测量外部温度(气、液、固皆可，测温范围-50℃～150℃)、外部湿度、电压、电流等与分析矿物性质有关的辅助参量。各功能可通过控制面板上的控制按键方便切换，测量结果无需另外运算，各参量数据可直接从数字显示器读取。
(2)设有活化温度预置装置，可以根据所测矿物样品、环境温度、湿度等条件的不同而任意设定不同的活化温度，以获得最佳的测量条件。活化温度范围宽，可达0℃～120℃。
(3)可预置超限温度(设置活化温度的上限和下限)，配合单片机控制的温控开关电路调功输出，可以实现很高的控温精度，并有效提高了恒温状态的稳定性。
(4)热活化装置采用电加热器嵌在热极内部并使用了绝热盒的新型结构，热极的温度分布均匀并且增强了隔热保温性能；冷极温度设计为矿样的冷端温度，无需专门设置冷极恒温系统，既简化了系统结构又使操作更为简单。
(5)集成的数字万用表模块与系统共享电源，但是采用相对独立的电路，外部湿度、电压、电流等与分析矿物性质有关的辅助参量。有效避免了其对热电系数、热电势、温度、湿度等参量测量的干扰。
图1是本发明的工作原理框图；图2是本发明实施例中单片机与电存储器、显示器、按键及电路DL1～4连接的电路图；图3是本发明实施例中温度信号前置电路DL1～2及其与热极温度传感器、冷极温度传感器、测温探头、温控开关电路、电加热器和单片机连接的电路图；图4是本发明实施例中热电信号前置电路及其与热极、冷极和单片机连接的电路图；
图5是本发明实施例中湿度信号前置电路及其与湿度传感器、单片机连接的电路图；图6是本发明实施例中热活化装置的结构示意图。
具体实施例方式
AN1“设置”按键 AN2“置数”按键AN3“温差/温度”切换按键AN4“湿度/热电”切换按键 AN5“热电势/热电系数”切换按键DL1～2温度信号前置电路DL3热电信号前置电路DL4湿度信号前置电路DL5热电信号放大电路 DL6热电信号调理电路S1测温探头S2热极温度传感器 S3冷极温度传感器 S4湿度传感器E1热极E2冷极 E3～4辅极K1“恒温-测温”切换开关 K2加热电路“接通-断开”开关TK温控开关电路SK双向可控硅 MCU单片机IC1电存储器 SET温度预置装置CTR测量控制板HTR电加热器 BOX绝热盒 MAT绝热层LED加热指示器 LED1～3显示器 T1三极管GD光电耦合器 U1～2串行-并行芯片 MTR通用数字万用表模块在图1～6所示的实施例中单片机MCU选用台湾松翰电子公司的产品SN8P2704A，其9～12脚对应接湿度信号前置电路DL4、热电信号前置电路DL3、温度信号前置电路DL1～2的输出端，其P1口接显示器LED1～2，其27脚经电阻R12接“温差/温度”切换按键AN3，其18脚经电阻R13接“湿度/热电”切换按键AN4，其8脚经电阻R14接“热电势/热电系数”切换按键AN5，其25脚经电阻R10接“设置”按键AN1，其26脚经电阻R11接“置数”按键AN2，其1脚经温控开关电路TK接AC220V电源和控制为电加热器HTR通电的加热电路“接通-断开”开关K2，其19脚、20脚对应经串行-并行芯片U1～2接显示器LED1～2，作为笔段驱动，利用分时扫描位驱动，使单片机MCU同时输出到两个4.5位的数码管显示器LED1～2，其P1口的6、5、4、2脚接显示器LED1～2，用于提供显示器LED1～2的位驱，其1脚输出到温控开关电路TK。温控开关电路TK包括三极管T1、电阻R15～17、光电耦合器GD和双向可控硅SK，其中光电耦合器GD的输入端分别经电阻R15接+5V电源、接三极管T1的集电极，光电耦合器GD输出端的一端经电阻R16接双向可控硅SK的一端，其另一输出端接双向可控硅SK的控制端，并经电阻R17分别接双向可控硅SK的另一端和加热电路“接通-断开”开关K2，加热电路“接通-断开”开关K2的另一端接电加热器HTR，三极管T1的发射极接地，其基极接单片机MCU的P1端口，温控开关电路TK配合单片机MCU控制电加热器HTR的加热，有效避免了温度过冲，使系统的恒温状态更稳定。本实施例中活化温度范围可达0℃～120℃，测温范围在-50℃～150℃。
温度信号前置电路DL1～2可以对温度电压信号进行放大和电平移动而将其转化为适合单片机MCU输入的信号，从而使仪器可以测量负温度，并使活化温度范围更宽。其中温度信号前置电路DL1包括稳压管TL1、微调电位器RW1～2、运算放大器IC2～3、电阻R1～7和电容C1～2，其中微调电位器RW1的一端(温度信号前置电路DL1的输入端)，经双刀双掷的“恒温-测温”切换开关K1连接热极温度传感器S2和测温探头S1中的一个，微调电位器RW1的另一端分别接电阻R4～5的一端和经稳压管TL1接地，微调电位器RW1的可调端经电阻R1接运算放大器IC3的同相输入端，电阻R4的另一端经微调电位器RW2接地，电阻R5的另一端接-5V电源，微调电位器RW2的可调端接运算放大器IC2的同相输入端，运算放大器IC2的反相输入端经电阻R6接其输出端，运算放大器IC2的输出端经电阻R2分别接运算放大器IC3的反相输入端和电容C1、电阻R3的一端，电容C1、电阻R3的另一端及运算放大器IC3的输出端(温度信号前置电路DL1的输出端)相接后，经电阻R7接单片机MCU的11脚，并经电容C2接地，温度信号前置电路DL2与温度信号前置电路DL1电路相同，其输入端经“恒温-测温”切换开关K1连接冷极温度传感器S3，输出端连接单片机MCU的12脚。
热电信号前置电路DL3包括电压信号放大电路DL5和电路结构与温度信号前置电路DL1相同的热电信号调理电路DL6，电压信号放大电路DL5包括运算放大器IC4、电阻R19～22和电容C3，其中运算放大器IC4的同相输入端经电阻R19接冷极E2，其反相输入端经电阻R20接热极E1、接地和电容C3的负极，电容C3的正极与运算放大器IC4的输出端相接后接热电信号调理电路DL6的输入端，热电信号调理电路DL6的输出端接单片机MCU的10脚。
湿度信号前置电路DL4包括运算放大器IC7、电阻R30～32和电容C6，其中运算放大器IC7的同相输入端经电阻R30接湿度传感器S4的输出端，其反相输入端与其输出端之间并接有电阻R31和电容C6，且反相输入端经电阻R32接地，运算放大器IC7的输出端接单片机MCU的9脚。
绝热盒BOX顶部敞口，热极E1采用导电导热性能良好的铝合金材质，安装在绝热盒BOX内，热极E1与绝热盒BOX之间充填绝热层MAT，电加热器HTR使用两根20W的内热式电烙铁芯，安装在热极E1内部，这样的结构使得热极E1温度分布均匀、绝热保温性能提高，有效提高了系统的热稳定性和恒温精度，加热电路“接通-断开”开关K2是个手动开关，通过该开关可以强行断开加热电路，以实现一些特别的功能(如测量随活化温度降低的热电曲线等)或满足安全方面的需要。电加热器HTR并接有加热指示器LED，用以指示电加热器HTR的工作状态。
数字万用表模块采用了DT9205A型通用数字万用表的核心，去掉了与矿物物性分析不相关的测量项目，只保留基本测量功能，用于测量矿样以及外部物质的电压、电阻、电流等与物性分析有关的辅助参量，测量结果由显示器LED3显示输出，其冷极E2和辅极E3～4均为外接插拔式电极，其探针直径0.1mm，可实现高精度微区测量。
本实施例设计成矿样的冷端温度与冷极E2的温度相同，始终为环境温度，无需专门设置冷极恒温系统。这样不仅使冷极E2结构简化，而且令操作简单且提高了测量精度。热极温度传感器S2、冷极温度传感器S3和测温探头S1均使用高精度集成温度传感器LM35A，测温探头S1设计成伸缩式探头并采用钢管特别封装，方便于气、液、固不同环境使用。
本实施例所有功能通过控制面板上的按键和开关来实现，过程如下先将加热电路“接通-断开”K2开关置于“断开”，再打开电源开关开机，电源指示灯亮。如果原先储存在电存储器IC1中的预置活化温度和超限温度不符合需要，则需要更新按“设置”按键AN1，激活活化温度设置状态，显示器LED1上循环显示原先预存的活化温度和超限温度(上下限)，按“置数”按键AN2，(如不更新则直接按“设置”按键AN1退出)，显示器LED1上显示闪烁的活化温度值(T)，可按”置数”按键AN2依次更改显示的各数位，将活化温度设为需要的值，之后LED1上闪烁显示超限温度上限(TH)，通过按“置数”按键AN2将其更改为需要的超限温度上限值，同样方法设置好超限温度下限值(TL)后，按“设置”按键AN1退出设置状态(或者10秒后自动退出)，更新了的各参数存储在电存储器IC1中。
只要开机，湿度测量模块就开始工作，湿度传感器S4将采集的湿度信号送湿度信号前置电路DL4，放大调理后送单片机MCU运算处理，测量结果由显示器LED2显示输出。
如果不测量热电参量(热电势、热电系数、导型、热电曲线)而只进行其他参量测量，恒温系统不需要工作，加热电路“接通-断开”K2开关就置于“断开”，否则将其置于“接通”。
需要恒温控制时，“恒温-测温”切换开关K1置于“恒温”，此时热极温度传感器S2和冷极温度传感器S3分别同温度信号前置电路DL1～2接通，它们采集的热极温度信号和冷极温度信号分别经温度信号前置电路DL1～2调理成适合单片机A/D输入的信号后送入单片机处理，如果热极E1与冷极E2温差小于预置超限温度上限，则单片机输出控制双向可控硅SK动作，接通加热电路使电加热器HTR工作给热极E1加热，加热指示灯亮起；当热极E1与冷极E2温差接近预置活化温度时，双向可控硅SK控制电加热器HTR减小加热功率，有效减小温度“过冲”，此时加热指示灯亮变暗，如果热极E1与冷极E2温差达到或超预置超限温度上限，双向可控硅SK会立即断开加热电路使热极E1降温，此时加热指示灯熄灭，到热极E1与冷极E2温差降到预置超限温度下限时，电加热器HTR再次开启加热。单片机MCU会根据开机后温差最初几次到达预置活化温度、预置超限温度上限和下降到预置超限温度下限所需的时间自动计算出最佳的全功率加热时间、低功率加热时间以及达到预置活化温度时所需要的最小加热功率(以补偿热活化装置的散热功率)，并控制温控开关电路相应调功输出，使热极E1与冷极E2温差稳定地恒定在预置活化温度。恒温过程中，显示器LED1默认地显示当前热极E1与冷极E2温差，按“温差/温度”切换按键AN3可以显示当前热极E1温度，再按一次返回温差显示状态(或者10秒后自动返回温差显示状态)。
“恒温-测温”切换开关K1置于“测温”时，测温探头S1与温度信号前置电路DL1接通，热极温度传感器S2和冷极温度传感器S3与温度信号前置电路DL1～2的连接被切断，加热电路同时自动断开。测温探头S1采集的温度信号经温度信号前置电路DL1调理后送入单片机MCU处理，显示器LED1上同步显示温度测量结果。当不进行专门的温度测量时，测温探头S1就处在当前的测量环境中，显示器LED1上显示的是当前的环境温度。
当热极E1与冷极E2温差恒定在预置活化温度时，就可以进行恒定活化温度下的热电势、热电系数测量了。将矿样置于热极E1表面上，冷极E2探针接触矿样的上表面(冷端，其温度同冷极温度相同，同为环境温度)，矿样的热端(与热极接触的一端，温度为热极温度)与冷端间的温差(等于活化温度)使其两端之间产生电动势，该电势差由冷极E2和热极E1传递到热电信号前置电路DL3，经过信号放大和调理送入单片机MCU，进行热电势和热电系数的运算，测量结果由显示器LED2显示输出。显示器LED2默认的是湿度显示，通过按“湿度/热电”切换按键AN4(3秒钟以上)可以将其置为热电(热电势、热电系数)显示状态，(要想返回湿度显示，只需再按该键3秒钟以上)。“热电势、热电系数”切换按键AN5是一个反复键，在热电显示状态下，按一次显示热电势，再按一次显示热电系数。显示的热电势即冷热极间的电势差，精度为0.1mv，热电系数是对热电势做了一定运算处理得到的数据(α＝u/(TH-TC)，TH、TC分别是热端温度和冷端温度)，精度为1μv/℃。
热电测量模块还可以测量被测样品的导型，上述热电测量中，如果测的热电势或者热电系数为正值，则被测物为P型(空穴型)，如果测的热电势或者热电系数为负值，则被测物为N型(电子型)。
在热极E1与冷极E2温差逐渐升到预置的活化温度的过程中，连续测量热电势，即可得到随活化温度升高而变化的热电曲线，或者在热极E1与冷极E2温差达到预置的活化温度后，关闭加热电路“接通-断开”开关K2，在热极E1与冷极E2温差逐渐降低的过程中，连续测量热电势而得到随活化温度降低而变化的热电曲线。如果想得到更为准确的热电曲线，可以分别预置不同的活化温度，等系统恒温在各个活化温度时，多次测量相应的热电势取平均值，即可得到随活化温度连续变化而变的热电曲线。
如要测量电压、电阻、电流等参量，可调整旋盘式通用数字万用表档位切换开关到所需档位，用两只探针式辅极连接被测对象，从显示器LED3上读取测量数据。
权利要求
1.一种多功能矿物热电仪，包括热活化装置、热极温度传感器(S2)、冷极温度传感器(S3)、冷极(E2)、信号处理电路、温控开关电路(TK)和显示器(LED2)；其中热活化装置包括热极(E1)和安装在热极(E1)体内的电加热器(HTR)；冷极温度传感器(S3)安装在冷极(E2)上，热极温度传感器(S2)设置在热极(E1)中，信号处理电路的输入端分别连接热极温度传感器(S2)、冷极温度传感器(S3)、冷极(E2)和热极(E1)，其输出端分别连接温控开关电路(TK)和显示器(LED2)；其特征在于信号处理电路包括温度信号前置电路(DL1～2)、热电信号前置电路(DL3)、湿度信号前置电路(DL4)和连接显示器(LED1～2)的单片机(MCU)，增加与单片机(MCU)相连的温度预置装置(SET)、电存储器(IC1)、测量控制板(CTR)，增加测温探头(S1)、湿度传感器(S4)、“恒温-测温”切换开关(K1)、加热电路“接通-断开”开关(K2)，其中测温探头(S1)、热极温度传感器(S2)经“恒温-测温”切换开关(K1)与温度信号前置电路(DL1)输入端相连，冷极温度传感器(S3)经“恒温-测温”切换开关(K1)与温度信号前置电路(DL2)输入端相连，温度信号前置电路(DL1～2)的输出端分别接单片机(MCU)的输入端；热电信号前置电路(DL3)输入端连接冷极(E2)、热极(E1)，输出端连接单片机(MCU)的输入端，湿度信号前置电路(DL4)的输入端连接湿度传感器(S4)，其输出端连接单片机(MCU)输入端，单片机(MCU)的输出端接显示器(LED1～2)和温控开关电路(TK)，电加热器(HTR)依次经加热电路“接通-断开”开关(K2)、温控开关电路(TK)接220V交流电源。
2.如权利要求1所述的一种多功能矿物热电仪，其特征在于温度预置装置(SET)包括“设置”按键(AN1)和“置数”按键(AN2)，对应接单片机(MCU)的P0口；测量控制板(CTR)包括“温差/温度”切换按键AN3、“湿度/热电”切换按键AN4、“热电势/热电系数”切换按键AN5，分别对应接单片机(MCT)的P0、P5、P4口。
3.如权利要求1所述的一种多功能矿物热电仪，其特征在于“恒温-测温”切换开关(K1)为双刀双掷开关，温度信号前置电路(DL1)包括稳压管(TL1)、微调电位器(RW1～2)、运算放大器(IC2～3)、电阻(R1～7)和电容(C1～2)，其中微调电位器(RW1)的一端即温度信号前置电路(DL1)的输入端，经“恒温-测温”切换开关(K1)连接热极温度传感器(S2)和测温探头(S1)中的一个，微调电位器(RW1)的另一端分别接电阻(R4～5)的一端和经稳压管(TL1)接地，微调电位器(RW1)的可调端经电阻(R1)接运算放大器(IC3)的同相输入端，电阻(R4)的另一端经微调电位器(RW2)接地，电阻(R5)的另一端接-5V电源，微调电位器(RW2)的可调端接运算放大器(IC2)的同相输入端，运算放大器(IC2)的反相反向输入端经电阻(R6)接其输出端，运算放大器(IC2)的输出端经电阻(R2)分别接运算放大器(IC3)的反相输入端和电容(C1)、电阻(R3)的一端，电容(C1)、电阻(R3)的另一端及运算放大器(IC3)的输出端即温度信号前置电路(DL1)的输出端相接后，经电阻(R7)接单片机(MCU)的P4口，并经电容(C2)接地，温度信号前置电路(DL2)与温度信号前置电路(DL1)电路相同，其输入端经“恒温-测温”切换开关(K1)连接冷极温度传感器(S3)，输出端连接单片机(MCU)的P4端口。
4.如权利要求1、3所述的一种多功能矿物热电仪，其特征在于热电信号前置电路(DL3)包括电压信号放大电路(DL5)和电路结构与温度信号前置电路(DL1)相同的热电信号调理电路(DL6)，电压信号放大电路(DL5)包括运算放大器(IC4)、电阻(R19～22)和电容(C3)，其中运算放大器(IC4)的同相输入端经电阻(R19)接冷极(E2)，其反相输入端经电阻(R20)接热极(E1)、接地和电容(C3)的负极，电容(C3)的正极与运算放大器(IC4)的输出端相接后接热电信号调理电路(DL6)的输入端，热电信号调理电路(DL6)的输出端接单片机(MCU)的P4端口。
5.如权利要求1所述的一种多功能矿物热电仪，其特征在于湿度信号前置电路(DL4)包括运算放大器(IC7)、电阻(R30～32)和电容(C6)，其中运算放大器(IC7)的同相输入端经电阻(R30)接湿度传感器(S4)的输出端，其反相输入端与其输出端之间并接有电阻(R31)和电容(C6)，且反相输入端经电阻(R32)接地，运算放大器(IC7)的输出端接单片机(MCU)的P4端口。
6.如权利要求1所述的一种多功能矿物热电仪，其特征在于增设顶部敞口的绝热盒(BOX)，热极(E1)安装在绝热盒(BOX)内，热极(E1)与绝热盒(BOX)之间充填绝热层(MAT)。
7.如权利要求1、6所述的一种多功能矿物热电仪，其特征在于温控开关电路(TK)包括三极管(T1)、电阻(R15～17)、光电耦合器(GD)和双向可控硅(SK)，其中光电耦合器(GD)的输入端分别经电阻(R15)接+5V电源、接三极管(T1)的集电极，光电耦合器(GD)输出端的一端经电阻(R16)接双向可控硅(SK)的一端，其另一输出端接双向可控硅(SK)的控制端，并经电阻(R17)分别接双向可控硅(SK)的另一端和加热电路“接通-断开”开关(K2)，三极管(T1)的发射极接地，其基极接单片机(MCU)的P1端口。
8.如权利1要求所述的一种多功能矿物热电仪，其特征在于增设带有辅极(E3～4)和显示器(LED3)的数字万用表模块(MTR)，辅极(E3～4)和冷极(E2)均为外接插拔式电极，冷极(E2)探针直径0.05mm～0.1mm；热极温度传感器(S2)、冷极温度传感器(S3)和测温探头(S1)均使用高精度集成温度传感器LM35A，测温探头(S1)采用钢管特别封装。
全文摘要
本发明提供一种多功能矿物热电仪，包括热极、冷极，安装在热极内的电加热器和热极温度传感器，安装在冷极上的冷极温度传感器，信号处理电路，温控开关电路和显示器，其中信号处理电路的输入端分别连热极、冷极及热、冷极温度传感器，其输出端分别连接温控开关电路和显示器，温控开关电路连接电加热器，其特征在于信号处理电路包括单片机和与其连接的温度信号前置电路、热电信号前置电路、湿度信号前置电路，增设通用数字万用表模块和与单片机连接的活化温度预置装置、电存储器、测温探头、湿度传感器，其中单片机的输出端接显示器和温控开关电路。本发明可对金属和半导体矿物热电性研究所涉及的热电势、热电曲线、热电系数、导型、温度、湿度、电阻等多种参数进行同步测试，应用于矿物标型研究中。
文档编号G01N35/00GK1991350SQ200510131128
公开日2007年7月4日 申请日期2005年12月27日 优先权日2005年12月27日
发明者杨赞中, 杨赞国, 刘玉金, 石学法 申请人:山东理工大学