专利名称：自动换量限和数字调零的测磁仪的制作方法
技术领域：
本实用新型是一种自动换量限和数字调零的测磁仪，属磁敏传感仪表。
测磁仪是测量磁场强度的仪表。现有测磁类仪表的换量方式主要有手动换量限和自动换量限两种手动换量限是利用带自锁的琴键开关等来切换运算放大器电路的放大系数；自动换量限，一种是利用单片计算机自动控制升降量限，一种是将A/D转换器的输出脉冲信号作为静态电压信号，通过比较电路实现自动换量限。手动换量限的缺点是在测量物体的磁场强度时，每次升降量限都要按一次仪器的换量限开关，使测量操作繁琐；自动换量的优点是可以自动调整量限范围，方便测量。目前测磁类仪表存在的问题是①利用单片计算机调零点和自动换量限，需要增加CPU及相关的接口电路，既增加成本，又加大了电路的功耗，特别不利于便携式(电池供电)测磁仪表，如电源电压低于CMOS电平时，测磁仪表会出现混乱现象；②将A/D转换器输出的脉冲信号作为静态电压信号进行比较，使其比较电路输出电平存在不稳定因素，脉冲作为静态电压处理有干扰出现，使得还没有到量限时，出现换量限的现象，因此存在不稳定、可靠性差的问题；③目前，所有测量磁场的仪器仪表都是采用了手动直接调节电位器的方法，还要将控制放大倍数的电位器安装在仪表面板上。
本实用新型的目的就是为了克服和解决现有测磁仪表存在利用单片机换量限和调零电路功耗大、不利便携、成本高、而电源电压低于CMOS电平时，测磁仪会出现混乱现象，将A／D转换器输出的脉冲信号作为静态电压信号进行比较会引起干扰、存在不稳定、可靠性差或需手动调零等的缺点和问题，提供一种把A/D转换器的脉冲信号进行数字处理、采用模拟零点转换成数字零点的调零电路、使得仪表性能稳定、可靠、成本低、功耗低、读数清晰、准确、体积小、利于便携式的自动换量限和数字调零的测磁仪。
本实用新型是通过下述技术方案来实现的自动换量限和数字调零的测磁仪的外形结构示意图如
图1所示；本测磁仪的测磁探头如图2所示；本测磁仪的电路方框图如图3所示；其电路原理图如图4所示。它由机壳1、3·1/2位LCD液晶显示器2、调零按钮3、测磁探头插座4、测磁探头、电路板共同连结组装而成，其相互位置及连接关系为电路板固定安装于机壳1内，测磁探头套插于测磁探头插座4，3·1/2位LCD液晶显示器2装置于机壳的面板上部并与电路板上的相应A/D转换器相电气连接，调零按钮3装置于机壳面板的中上部并与电路板相应数字调零电路相电气连接，测磁探头插座4装置于机壳面板下部并与电路板上相应程控放大器电路相电气连接；其中测磁仪电路由电流源及磁敏元件组成的测磁传感器、程控放大器、数字调零电路、记忆、比较和锁存自动换量限电路、A/D转换器、LCD显示器共同电气连接构成，其互相连接关系为电流源通过电流源输出线与磁敏元件相电气连接构成测磁传感器；程控放大器分别通过测磁传感器输出信号线、数字调零电路输出信号线、记忆、比较和锁存自动换量限电路控制信号输出线、程控信号输出线分别与测磁传感器、数字调零电路、记忆、比较和锁存自动换量限电路、A/D转换器相电气连接，A/D转换器分别通过A/D转换器输出信号线分别与LCD显示器及记忆、比较和锁存自动换量限电路相电气连接；其中测磁传感器由运算放大器U1A、三极管N1、电阻R1、电流调节电阻器W2、磁敏元件Hall共同电气连接构成；程控放大器由运算放大器集成件U1C、U1D、多路模拟开关U8、可调电阻器W2T、W200mT、电阻R2、R4、R8～R10共同电气连接构成；数字调零电路由双稳态触发器集成件U11A、模拟记忆电路集成件U5、电阻R3、电阻R18、按钮开关S1、电容C5共同电气连接构成；记忆、比较和锁存自动换量限电路由或非门集成件U12A、U12B、U12C、U12D、数值比较集成电路U3、U6、U7和非门集成电路U4D共同电气连接构成；A/D转换器由双积分式A／D转换器集成件U10、可调电阻器W1、电阻R11～R13、电容C1～C4、电解电容C6共同电气连接构成；LCD显示器由液晶显示模块构成；测磁探头由磁敏元件(即霍尔元件)5、铜管6、手柄7、屏蔽电缆线8共同连接构成，其相互连接关系为磁敏元件5与铜管6配接，铜管6与手柄7相固接，屏蔽电缆线8分别与铜管6及测磁探头插座4相电气连接。
本测磁仪的工作作用原理及其电路工作原理如下测磁仪的电路原理方框图如图3所示，电流源提供约1～2mA稳定的电流供给磁敏元件，其霍尔输出电压输入到程控放大器，数字调零电路的零调整电压也输入到程控放大器，程控放大器将霍尔输出电压和零点调整电压进行差分放大后，输入到A/D转换器进行A／D转换后输出到液晶显示器LCD进行显示。在这期间A/D转换器直接控制“记忆、比较和锁存自动换量限电路”部分，该部分再控制程控放大器。其中测磁传感器的磁敏元件选用砷化镓霍尔元件，如图中Hall，PIN1和PIN2是其电流输入端，工作电流≤2mA；PIN3和PIN4是其输出电压端；数字调零电路由脉冲发生器U11A、模拟记忆电路(数字电位器)U5和电阻R3组成。需要调节仪表零点时，只需按自回复开关S1，脉冲电路U11A就会在PIN6引脚产生脉冲输出信号f，进入电路U5，通过电阻R3输出稳定的电压，U5输出电压的极性由A／D转换器U10的极性输出端PIN20来控制，最后通过放大器U1C实现调节零点；记忆、比较和锁存自动换量限电路开机通过时的初始状态为最低量限，即0～200mT量限。当电路U8的位输出到LCD的显示值为1---时，即仪表处于过载状态，也就是需要升量限，此时比较电路U12D的PIN11=1，触发由U12B和U12C组成的RS触发器，使得U12B的输出脚PIN4=1，控制U8选通W2T。同时驱动U2的PIN4，使得LCD显示器的千位小数点点亮。在电路升到高量限后，若U10输出到LCD显示值为01xx时，通过U6、U7和U12A经PIN3控制RS触发器使得U12B输出PIN4=0，控制U8选通W200mT，并且控制LCD显示器的拾位小数点点亮。由于RS触发器的特点，R触发端触发后，下一次R端再触发将无效，只有S端触发才起作用，即一端触发后，只有另一端触发才有效。根据这一特性保持了换量限后的状态；多路模拟开关U8和高性能放大器U1D组成了程控放大器，可调电阻器W2T和W200mT是校准仪表输出，其中W200mT是校准0～200mT量限范围，W2T是校准0～2T量限范围。U8的A引脚(PIN11)等于零选中W200mT，等于1选中W2T；U10是双积分式A/D转换器，是工业自动化仪表行业所采用的主流产品。输出直接驱动有三位半的LCD显示器，即千位数值是0和1，百、拾和个位数值是0～9，还有一个符号位PM，工作电流≤2mA。输入电压有两个范围Vx=0～200mV，Vx=0～2V。
本实用新型与现有技术相比有如下的优点和有益效果①本测磁仪对3·1/2 A/D转换器的字段输出脉冲信号进行数字处理，通过记忆、比较和锁存自动换量限电路，自动控制多路模拟开关电路，达到改变放大电路放大倍数的目的；②本测磁仪的“模拟零点转换成数字零点”的调零点电路，具有性能稳定可靠、又避免了模拟/数字(A/D)转换电路，成本低，也是本实用新型的独到之处。数字电位器U5是直接与单片机接口，不能手动控制，本发明将双稳态触发器U11A和A/D转换器与U5组成手动控制电路；③本实用新型全部选用了CMOS电路，特别是设计了降低功耗电路，使得功耗低，放大电路部分的最大电流≤1.6mA，再加双积分型A/D转换器的功耗电流≤2mA，整机功耗电流≤4mA；④本实用新型采用了1英寸LCD显示器，读数清晰、准确；读数为国际标准单位mT和T，其中mT为毫特斯拉，T为特斯拉，1T=1000mT=10000Gs；⑤本测磁仪的体积小，性能稳定、可靠，工作电流达到了便携式仪表的要求，外形类似万用表。
下面对说明书附图进一步说明如下图1是自动换量限和数字调零的测磁仪的外形结构示意图；图2是图1所示测磁仪的测磁探头结构示意图；图3是图1所示测磁仪的电路方框图；图4是图1所示测磁仪的电路原理图。各图中1为机壳，2为3·1/2位LCD液晶显示器，3为调零按钮，4为测磁探头插座，5为磁敏元件Hall(霍尔元件)，6为铜管，7为测磁探头手柄，8为屏蔽电缆。
本实用新型的实施方式可为如下(1)按图1所示，设计、加工制造机壳1及其面板。可采用铝合金或其它金属作材料，用通用的机加工方法加工制造机壳及其面板；(2)按图2所示设计加工制制造并按上面说明书所述的相互连接关系组装测磁探头；或可到市场选购SH型系列测磁探头；(3)按图1所示，可选购DV-16100型多位液晶显示器2；可选用能与测磁探头配套使用的测磁探头插座4，并按上面说明书所述相互位置及连接关系安装于机壳面板上；(4)按图4所示绘制印刷电路板，并筛选元器件进行安装调试。其中U1可选LM324型四运算放大器；U2可选MC4070型异或门；U3、U6、U7可选MC14585型4位数值比较器；U4、U9可选MC4069型非门集成件；U5可选用X9C104型数字电位器模块；U8可选用AD7501型多路模拟开关模块；U10可选ICL7106型双积分式A/D转换器集成件；U11可选MC4098型双稳态触发器集成件；U12可选MC4001型或非门集成件；(5)按安装调试好的电路板装于机壳内，并把其相应部分分别与LCD液晶显示器2、调零按钮3、测磁探头插座4进行安装连接，并插接上测磁探头，便能较好地完成本实用新型。
权利要求1.一种由机壳、调零按钮、测磁探头等构成的自动换量限和数字调零的测磁仪，其特征在于它由机壳(1)、3·1/2位LCD液晶显示器(2)、调零按钮(3)、测磁探头插座(4)、测磁探头、电路板共同连结组装而成，其相互位置及连接关系为电路板固定安装于机壳(1)内，测磁探头套插于测磁探头插座(4)，3·1/2位LCD液晶显示器(2)装置于机壳的面板上部并与电路板上的相应A/D转换器相电气连接，调零按钮(3)装置于机壳面板的中上部并与电路板相应数字调零电路相电气连接，测磁探头插座(4)装置于机壳面板下部并与电路板上相应程控放大器电路相电气连接；其中测磁仪电路由电流源及磁敏元件组成的测磁传感器、程控放大器、数字调零电路、记忆、比较和锁存自动换量限电路、A/D转换器、LCD显示器共同电气连接构成，其互相连接关系为电流源通过电流源输出线与磁敏元件相电气连接构成测磁传感器；程控放大器分别通过测磁传感器输出信号线、数字调零电路输出信号线、记忆、比较和锁存自动换量限电路控制信号输出线、程控信号输出线分别与测磁传感器、数字调零电路、记忆、比较和锁存自动换量限电路、A/D转换器相电气连接，A/D转换器分别通过A/D转换器输出信号线分别与LCD显示器及记忆、比较和锁存自动换量限电路相电气连接。
2.按权利要求1所述的由机壳、调零按钮、测磁探头等构成的自动换量限和数字调零的测磁仪，其特征在于所述的测磁传感器由运算放大器U1A、三极管N1、电阻R1、电流调节电阻器W2、磁敏元件Hall共同电气连接构成；程控放大器由运算放大器集成件U1C、U1D、多路模拟开关U8、可调电阻器W2T、W200mT、电阻R2、R4、R8～R10共同电气连接构成；数字调零电路由双稳态触发器集成件U11A、模拟记忆电路集成件U5、电阻R3、电阻R18、按钮开关S1、电容C5共同电气连接构成；记忆、比较和锁存自动换量限电路由或非门集成件U12A、U12B、U12C、U12D、数值比较集成电路U3、U6、U7和非门集成电路U4D共同电气连接构成；A／D转换器由双积分式A/D转换器集成件U10、可调电阻器W1、电阻R11～R13、电容C1～C4、电解电容C6共同连接构成；LCD显示器由液晶显示模块构成。
3.按权利要求1所述的由机壳、调零按钮、测磁探头等构成的自动换量限和数字调零的测磁仪，其特征在于所述的测磁探头由磁敏元件，即霍尔元件(5)、铜管(6)、手柄(7)、屏蔽电缆线(8)共同连接构成，其相互连接关系为磁敏元件(5)与铜管(6)配接，铜管(6)与手柄(7)相固接，屏蔽电缆线(8)分别与铜管(6)及测磁探头插座相电气连接。
专利摘要本实用新型是自动限量及数字调零的测磁仪,它由机壳、LCD显示器、调零按钮、测磁探头及其插座、电路板连结组装构成,其关系为:电路板装于机壳内,LCD显示器、调零按钮、测磁探头插座分别装于机壳面板上部、中上部和下部,并分别与电路板相应部分电气连接;其电路由电流源及磁敏元构成的测磁传感器、程控放大器、数字调零电路、记忆、比较和锁存自动换量限电路、A/D转换器、LCD显示器通过各自信号线、输出线相互电气连接构成。本测磁仪采用数字零点调零电路、体积小、便携式、性能稳定、可靠、成本低、功耗低、读数清晰、准确。
文档编号G01R15/09GK2419605SQ9923880
公开日2001年2月14日 申请日期1999年9月24日 优先权日1999年9月24日
发明者郭志友, 孙慧卿 申请人:华南师范大学