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探头可更换的智能磁场测量仪的研制 测量仪技术指标

时间:2020-07-30    来源:仪多多仪器网    作者:仪多多商城     
摘要:介绍了一种基于霍尔效应的高精度、宽范围的智能磁场测量仪的硬件组成和软件结构。该仪器具有探头可更换、能自动完成相应定标的特点,具有自动转换量程、自动调零的功能,可实现对稳恒场,交变场正负峰值及峰峰值和频率,脉冲场峰值的测量。
关键词:自动定标 磁场测量 霍尔效应 自动调零 程控放大

基于霍尔效应的磁场测量方法灵敏度高、适应范围宽,既可测量恒定磁场,又可测量交变磁场。但在使用过程中,霍尔探头容易由于人为因素造成损坏,这样就需要更换新的探头。然而不同探头在相同电流下灵敏度不同,需要重新定标。定标过程比较复杂且需要较高精度的专业定标设备,一般用户不具备这种条件。现在国内的同类产品多是在交付用户使用前完成定标,一旦探头损坏就只能返回重新定标。

本文介绍一种更换探头后可自动重新定标且具有较高测量精度和较大测量范围的磁场测量仪的硬件组成和软件结构。该测量仪可以完成对稳恒场,脉冲场峰值,交变场正负峰值、峰峰值及其频率的测量,同时具有自动测量功能。

1 测量原理

霍尔效应的基本原理如图1所示。在Y方向通以电流I,并在Z方向施加磁感应强度为90的磁场,那么载流子在X方向受到洛仑兹力作用而在两端产生霍尔电动势EH。根据霍尔效应制造的霍尔器件是具有一定形状的半导体薄片,其霍尔电动势为:

EH=RH(IB0/d)(1)

式中,RH为与材料有关的霍尔系数,d为霍尔器件的厚度,I为流过霍尔器件的电流,Bo为外磁场的磁感应强度。对一个霍尔器件而言,在电流I恒定的情况下,EH与外磁场Bo成正比,设比例系数K=RH 。因此,对于不同的霍尔传感器,可以通过改变工作电流I,使其具有相同的比例系数。

霍尔器件的定标就是确定霍尔电动势EH与外磁场Bo的比例关系。所以在霍尔器件的线性区,可以通过改变工作电流I,使其达到预先设置的霍尔电动势EH与外磁场Bo的比例关系,从而完成线性区的定标。把对应工作电流下的非线性区霍尔电动势与外磁场Bo作成数据表格存储在一个串行的E2PROM中,测量时就可以通过查表和线性拟合的方法求得外磁场Bo。因此,只需在霍尔器件探头上封装一个串行E2PROM,将该探头的工作电流和对应的非线性区表格存储在其中即可。更换探头后磁场测量仪的CPU可以从E2OPROM中取得该探头的工作电流,然后调节一个可控的恒流源完成定标工作。

2 硬件设计

该仪器的硬件电路主要由主控电路、定标电路、信号处理与采集电路、频率测量电路等组成。

2.1 主控电路

主控电路以AT89C52为核心,包括一个双通道A/D转换器MAXlll[1]、两个D/A转换器MAX541[2]、经8279扩展的键盘显示电路、一个定标参数存储器X24128[3]以及与上位机通讯的RS232接口。为了减少干扰,在模拟电路与数字电路之间加有光电隔离电路。

A/D转换器MAXlll的一路用来检测调零电路输出,另一路用来采集保持后的感应电压信号。两个D/A转换器MAX541中的一个用来输出霍尔不等位电势的补偿电压,另一个用来控制压控恒流源。

经8279扩展六个按键:电源键、定标键、调零键、量程转换键、自动测量键、显示暂停键,键盘以中断方式工作。同时经8279扩展出双8位的数字表头,一个用来显示交变磁场频率,另一个由软件控制根据不同的磁场显示不同数值。当测量稳恒场时,显示磁场值;当测量脉冲场时,显示峰值;当测量交变磁场时,由软件控制依次显示正、负峰值及峰峰值,显示时间间隔由软件控制为5s,当按下显示暂保持键时,保持当前显示数据,再次按显示保持键,显示下一个数据。

参数存储器X24128与霍尔器件封装在一起,通过串行总线和主机相连。

2.2 定标电路设计及工作原理

定标电路主要由一个压控恒流源和提供控制电压的D/A转换电路组成。压控恒流源[4]由两个高阻型双运算放大器LM358构成,其原理图如图3所示。

从图中可得出:

Iout=—4VIN(mA)

式中,VIN由16位D/A转换器MAX541提供,可在0~2.5V之间以0.04mV的分辨率调节。那么恒流源电流可在0~10mA之间以0.161μA的分辨率调节,完全可以满足一般霍尔器件的恒流工作要求。

2.3 信号处理与采集电路

为了对不同类型磁场进行高精度测量,本系统信号处理电路由程控放大电路、数字调零电路、峰值检测与保持电路组成。处理后信号的采集由MAXlll通道1完成。

2.3.1 数字调零电路

由于制作工艺的原因,霍尔器件总有不等位电势存在。为了适应自动测量的需要,不等位电压的补偿由数字调零电路实现,其原理图如图4所示。该电路实际上是由两个运算放大器构成的加减运算电路。在系统初始化时,对不同量程进行调零,并将对应的补偿电压数值存在RAM中;测量过程中量程转换或手动选择量程后,可直接查询相应的数值,由D/A转换器输出补偿电压。由于采用了高精度的A/D和D/A转换器,调零后的不等电位小于0.1mV。

2.3.2 峰值检测与保持电路

为了测量脉冲磁场和交变磁场的峰值,本系统含有由采样保持器LF398[5]和逻辑控制电路组成的正负峰值检测保持电路。正峰值检测保持电路原理图如图5所示。LF398的控制端8的逻辑值E=(A+B)*D,当E为高时LF398处于跟随状态,输出电压等于输入电压;当E为低时LF398处于保持状态,输出保持不变。峰值保持电路的工作过程是:当进行数据采集时,使P2.0置低电平,P2.1置高,这样LF398的控制端完全取决于LM319比较器的输出端。LM319的输出电平可由LF398的输出电压Vo和输入电压Vin比较的结果决定。当输入电压Vin高于输出电压Vo时,LF398的逻辑控制被置成高电平,使LF398处于跟随状态;当输入电压Vin达到峰值而下降时,LF398的逻辑控制端被置成低电平,使LF398处于保持状态,从而实现了对“峰值”的保持。在采样状态,为了使保持下来的峰值不被下一个不同的峰值冲掉,当检测到P1.2被置成低电平(LF398已经取得峰值)时,使P2.1脚置低电平,从而封锁了输入信号。在测量稳恒磁场和交变磁场时,为了提高准确度,常需要转换量程。每次转换量程后,先把P2.0和P2.1置高,使LF398处于跟随状态,延时50μs,使得LF398的输出和输入相等;然后将P2.0置低,进入峰值检测状态,即可完成量程转换。

负峰值检测电路只是在正峰值检测电路之前加了一个反相器,逻辑控制部分由P1.3、P2.2、P2.3完成。保持下来的峰值经一个模拟开关CD4051后由MAXlll的通道1检测。

2.4 频率测量

由于AT89C52含有三个定时计数器,测量频率非常简单方便,只需对调零后的输出信号进行适当的放大,其后经过一个过零滞回比较器整形后得到方波信号,再通过一个四分频器输入到AT89C52的计数器T1和外部中断INT0即可。为了更加准确地测量频率,当信号频率高于5kHz时用测频法,即关中断INT0,把定时器TO设定一个时间to,开计数器T1,计数器溢出一次,则把内存中某个单元加1;若to时间内计数值为N1,可求得被测信号的频率为4Nl/to。频率低于5kHz时用测周期法,即关计数器T1,开定时器TO,中断INT0以边沿方式触发,发生第一次中断时,TO计时为t1,再次发生中断时关掉中断,此时计数器TO计时为t2,则被测信号的周期T=(t2-t1)/4、f=4/(t2-t1)。为了测较低的信号频率,可以使TO循环计数。由于加了四分频,该方法可测小于2MHz的信号。

3 仪器的软件设计

仪器软件采用汇编语言编写,包括主程序、定标子程序、调零子程序、数据采集子程序、显示子程序、键盘中断服务子程序、频率测量程序、A/D转换程序、D/A转换程序、计算磁场大小子程序等。系统默认为自动测量模式,选择最大量程。在键盘中断程序中,不同的键被按下,执行不同的程序。在数据采集子程序中,判断是否为手动,若是则直接采集,并保存数据。若不是则判断量程是否合适,不合适则转换量程重新测量,并保存上次测量值。若转换后测量为零,说明为脉冲场,以上次测的值为准。因此,对于脉冲场,若知道其场强范围,可以手动选择量程。仪器软件流程图如图6所示。

该测场仪以单片机为核心,采用串行存储器扩大了磁场测量范围,采用压控恒流源技术解决了霍尔探头更换后的定标问题。该仪器具有自动量程转换功能,并能同时测量磁场频率,其磁场的测量范围为:0.01mT~6T,测量精度优于量程的±0.2%,特别适合于磁场大、类型未知的测量场合。



    植物叶片是作物各种能量转换的媒介,通过空气、水和能量交换的重要平台,对叶面积的一个测量;


    有利于评价生态系统的光能和水分的利用,叶面积的大小直接关系到叶片的光能、呼吸、蒸腾作用;


    我们一般都应用研发生产的叶片型状测量仪来测量叶片的面积,通过叶片面积分析,可以了解植物的生长情况。


    有研究表明,植物的叶片还具有吸收能力,根外施肥,喷施的农药和除草剂,大多是通过叶表面的微小的气孔被吸收进入植物体内而产生作用的;


    此外,少数植物叶片具有繁殖功能,如秋海棠等,这些植物常用叶插扦的方式进行繁殖;


    因此,叶片的作用是我们不可忽视的,植物在生长过程中,我们要通过叶片型状测量仪确保叶面积的大小。


    如今,叶面积大小对作物的生长影响我们不可忽视,使用叶片型状测量仪准确方便进行叶面积测量;


    对指导作物栽培密度和施肥水平调整群体结构以及提高肥料利用率以获得高产具有重要的意义,同时也对虫病灾情的准确预警和采取合理的保护措施具有重要的参考价值。


    叶面积测量仪的主机、探头为一体化设计,使得操作更为便捷。


    同时采用微电脑技术,LCD液晶显示;内置高性能充电锂电池,无需外部供电,低电压显示,野外测量更为试用。


    一次性可测量较大叶片面积(2000mm×213mm)。可测量叶面积、平均叶面积、叶长、叶宽、长宽比等多种参数。


    内置储存量可支持存储5000组数据(叶面积、叶长、叶宽)。仪器内部自带时间、日期功能,可随时测量数据保存测量时间,便于查询。


    若需查询历史数据,可在主机上直接进行查询。通讯接口为迷你USB接口,可直接将数据导入计算机中。





现场测量仪一般分为温度、压力、流量、液位四大类。

  (1):温度突然增大:此故障多为热电阻(热电偶)断路、接线端子松动、(补偿)导线断、温度失灵等原因引起,这时需要了解该温度所处的位置及接线布局,用万用表的电阻(毫伏)档在不同的位置分别测量几组数据就能很快找出原因。

  (3):温度出现大幅度波动或快速震荡:此时应主要检查工艺操作情况(参与调节的检查调节系统)。

  (1):压力突然变小、变大或指示曲线无变化:此时应检查变送器引压系统,检查根部阀是否堵塞、引压管是否畅通、引压管内部是否有异常介质、排污丝堵及排污阀是否泄漏等。冬季介质冻也是常见现象。变送器本身故障可能性很小。

  三):流量仪表系统常见故障及分析

  (2):流量指示:主要原因是负压室引压系统堵或漏。变送器需要调校的可能不大。

  四):液位仪表系统常见故障及分析

  (2):液位突然变小:主要检查正压室引压系统是否堵、漏、集气、缺液、平衡阀是否关死等。检查引压系统是否畅通的具体方法是停变送器,开排污阀,检查排污情况(不能外泄的介质除外)。

  4): 液位波动频繁:首先和工艺人员结合检查进料、出料情况,确定工艺状况正常后,可通过调整PID参数来稳定。具体方法是:调节阀投手动状态,先调整设定值与 测量值一致,使液位波动平稳下来,再慢慢调整调节阀开度,使液位缓慢上升或下降,达到工艺要求,再调整设定值与测量值一致,待参数稳定后调节阀投自动。

 

  总之,一旦发现仪表参数有些异常,首先与工艺人员结合,从工艺操作系统和现场仪表系统两方面入手,综合考虑,认真分析,特别要考虑被测参数和控制阀之间的关联,将故障分步分段判定,也就很容易找出问题所在,对症下药解决问题。




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