CN112630707A - 一种磁场探测器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种磁场探测器，包括：电源、霍尔元件、比较器、电阻及发光二极管；电源分压后产生第一电压及第二电压，第一电压接入第一比较器的同相输入端，第二电压接入第二比较器的反相输入端；霍尔元件的输出端分压后接入第一比较器的反相输入端及第二比较器的同相输入端；第一发光二极管连接第一比较器的输出端，第二发光二极管连接第二比较器的输出端；若第一发光二极管发光，则霍尔元件靠近S极磁场，若第二发光二极管发光，则霍尔元件靠近N极磁场。本发明使用霍尔元件的霍尔效应显现的高灵敏度，配合小型运算放大器作为比较器使用，通过不同极性磁场产生的高低电位差，驱动不同颜色的指示灯来直观的反应当前测试位置的磁场极性。
Description
技术领域
本发明涉及电源电路技术领域，特别是涉及一种磁场探测器。
背景技术
磁场存在于世界的各个角落，主要由两种形式存在。其一是永磁体，如地球本身可看做一个永磁体，南北极附近分别是其的两极，人类利用这一特点发明了磁罗盘，用于航海识别方向等，更常见的是吸铁石。其二是电磁感应形成的磁场，根据安培定律，电流的存在就会形成磁场。磁场不光被人类所利用，有时会妨碍甚至威胁到人类的劳动生产、航空及军事安全。如军舰就需要消磁，其目的是为了减弱舰艇磁场强度并改善其分布特性的技术措施。用于提高舰艇的磁性防护能力，防御水中磁性武器(如磁性感应水雷)的攻击和被磁探测仪器发现，保障舰艇航行安全。同时飞机的导航系统也会受到磁场的影响而出现偏差甚至失灵的问题。
在电磁兼容测试中，无论军品、民品以及航空机载测试均有涉及磁场发射的测试项目。目的是为了探测舰船、飞机等大型设施上安装的设备自身的磁场发射量是否满足标准的限值要求，同时对于有危害的磁场进行消磁处理提供参考。但是电磁兼容测试主要是对磁场的强度进行定量，针对磁场的极性无法进行判断，而消磁技术的基本原理第一步则是需要定位磁场的极性，再产生反向磁场进行抵消。
如图1所示，磁场的走向相对于外部都是由北极(N极)流向南极(S极)形成闭环磁路，同时在空间中与距离的数学关系是以立方形式衰减的，在舰船等设施上往往从存在高至几百安的电流传输线路，其周围会形成很高的磁场，那就需要对这种设备产生的磁场进行极性定位来辅助采取进一步的处理措施。
对于这一问题，由于主要存在于军机/民机的整机或舰船性能研究测试，目前相关测试标准并没有可效仿的标准试验配置，行业内一直也没有推广出一种简单高效的测试方法及测试装置来解决磁场极性定位时遇到的实际困难。
发明内容
本发明提供一种磁场探测器，致力于在保证测试人员、设备安全运行条件下，采用无接触的方式对设备各个方位产生的磁场极性进行定位。高效直观的判断出指定方向的磁场极性，同时其灵敏度也需要得到保障。
本发明一个实施例提供一种磁场探测器，包括：电源、霍尔元件、比较器、电阻及发光二极管；其中，
所述电源被第一电阻、第二电阻及第三电阻依次分压后产生第一电压及第二电压，所述第一电压接入第一比较器的同相输入端，所述第二电压接入第二比较器的反相输入端；
所述霍尔元件的输出端在被第四电阻分压后的第三电压分别接入所述第一比较器的反相输入端及所述第二比较器的同相输入端；
第一发光二极管连接所述第一比较器的输出端，第二发光二极管连接所述第二比较器的输出端；
满足所述霍尔元件在供电状态下，
若所述第一发光二极管发光，则所述霍尔元件靠近S极磁场，
若所述第二发光二极管发光，则所述霍尔元件靠近N极磁场。
进一步地，所述的磁场探测器，还包括：若所述第一发光二极管及所述第二发光二极管均不发光，则所述霍尔元件不靠近磁场。
进一步地，所述电源被第一电阻、第二电阻及第三电阻依次分压后产生第一电压及第二电压具体为：
所述电源依次连接第一电阻、第二电阻及第三电阻，所述第一电阻与所述第二电阻之间的电压为第一电压，所述第二电阻与所述第三电阻之间的电压为第二电压；所述第一电压大于第二电压。
进一步地，所述若所述第一发光二极管发光，则所述霍尔元件靠近S极磁场，具体为：
若所述第一电压大于所述第三电压，所述第一比较器的正向输入端的电压大于反相输入端的电压，使得所述第一发光二极管发光，则所述霍尔元件靠近S极磁场。
进一步地，所述若所述第二发光二极管发光，则所述霍尔元件靠近N极磁场，具体为：
若所述第二电压小于所述第三电压，所述第二比较器的正向输入端的电压大于反相输入端的电压，使得所述第二发光二极管发光，则所述霍尔元件靠近N极磁场。
进一步地，所述电源的电压为5v，所述第一电阻的阻值为10kΩ，所述第二电阻的阻值为1kΩ，所述第三电阻的阻值为10kΩ，所述第一电压为2.4v，所述第二电压为2.6v，所述霍尔元件的供电电压为5v，所述第四电阻的阻值为10kΩ。
进一步地，所述第一发光二极管的正向连接所述第一比较器的输出端，所述第一发光二极管的反向连接第五电阻；所述第二发光二极管的正向连接所述第二比较器的输出端，所述第二发光二极管的反向连接第六电阻。
进一步地，所述第一比较器接入电源，所述第二比较器接入电源。
进一步地，所述霍尔元件的型号为SS49E。
进一步地，所述第一比较器及第二比较器的型号均为LM393。
与现有技术相比，本发明实施例的有益效果在于：
本发明提供一种磁场探测器，包括：电源、霍尔元件、比较器、电阻及发光二极管；其中，所述电源被第一电阻、第二电阻及第三电阻依次分压后产生第一电压及第二电压，所述第一电压接入第一比较器的同相输入端，所述第二电压接入第二比较器的反相输入端；所述霍尔元件的输出端在被第四电阻分压后的第三电压分别接入所述第一比较器的反相输入端及所述第二比较器的同相输入端；第一发光二极管连接所述第一比较器的输出端，第二发光二极管连接所述第二比较器的输出端；满足所述霍尔元件在供电状态下，若所述第一发光二极管发光，则所述霍尔元件靠近S极磁场，若所述第二发光二极管发光，则所述霍尔元件靠近N极磁场。本发明使用霍尔元件的霍尔效应显现的高灵敏度，配合小型运算放大器作为比较器使用，通过不同极性磁场产生的高低电位差，来输出不同的电位，驱动不同颜色的LED指示灯来直观的反应当前测试位置的磁场极性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明某一实施例提供的磁场极性示意图；
图2是本发明另一实施例提供的一种磁场探测器的电路图；
图3是本发明又一实施例提供的开环式霍尔元件输出曲线图；
图4是本发明某一实施例提供的霍尔元件的内部电路图；
图5是本发明某一实施例提供的霍尔元件的磁性范围与输出电压曲线图；
图6是本发明另一实施例提供的电压比较器结构示意图；
图7是本发明某一实施例提供的电压比较器内部电路图；
图8是本发明另一实施例提供的一种磁场探测器的工作原理逻辑图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
应当理解，文中所使用的步骤编号仅是为了方便描述，不对作为对步骤执行先后顺序的限定。
应当理解，在本发明说明书中所使用的术语仅仅是出于描述特定实施例的目的而并不意在限制本发明。如在本发明说明书和所附权利要求书中所使用的那样，除非上下文清楚地指明其它情况，否则单数形式的“一”、“一个”及“该”意在包括复数形式。
术语“包括”和“包含”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。
术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。
传统试验方法一般采用磁罗盘进行测试，首先在远离设备的相同场地进行环境地磁场测试，观察磁场南/北极指向，确定指针指向后，将磁罗盘在水平方向缓慢靠近被测设备的受试面，同时观察指针偏转方向。
如指针是指北针，当靠近设备时指针向设备方向偏转说明当前设备磁场方向是南极(S极)，指针方向向设备反方向偏转说明当前设备磁场方向是北极(N极)。指针是指南针时则判定方法相反。
但是地磁根据各地区所处位置相对于海平面的海拔高度不同，以及周边环境不同，磁罗盘的偏转响应能力，即灵敏度具有局限性，同时磁罗盘上的最小刻度一般为1°，小于此偏转角度时的变化一般难以察觉，故此传统方法实施起来不但繁琐，需要谨慎操作，而且由于不确定因素引起的误差也较大，实施起来并不方便和准确。
本发明意在使用霍尔元件的霍尔效应显现的高灵敏度，配合小型运算放大器作为比较器使用，通过不同极性磁场产生的高低电位差，来输出不同的电位，驱动不同颜色的LED指示灯来直观的反应当前测试位置的磁场极性。
所谓霍尔效应，是指磁场作用于载流金属导体、半导体中的载流子时，产生横向电位差的物理现象。当电流通过金属箔片时，若在垂直于电流的方向施加磁场，则金属箔片两侧面会出现横向电位差。半导体中的霍尔效应比金属箔片中更为明显，而铁磁金属在居里温度以下将呈极强的霍尔效应。利用霍尔效应可以设计制成多种传感器。霍尔电位差UH的基本关系为：
式中：
RH――霍尔系数；
n――单位体积内载流子或自由电子的个数；
q――电子电量；
I――通过的电流；
B――垂直于I的磁感应强度；
d――导体的厚度。
由于通电导线周围存在磁场，其大小和导线中的电流成正比，故可以利用霍尔元件测量出磁场，就可确定导线电流的大小。利用这一原理可以设计制成霍尔电流传感器。其优点是不和被测电路发生电接触，不影响被测电路，不消耗被测电源的功率，特别适合于大电流传感。
第一方面。
请参阅图2，本发明一实施例提供一种磁场探测器，包括：电源、霍尔元件、比较器、电阻及发光二极管。
其中，所述电源VCC被第一电阻R1、第二电阻R2及第三电阻R3依次分压后产生第一电压(A点电压)及第二电压(C点电压)，所述第一电压接入第一比较器U1的同相输入端，所述第二电压接入第二比较器U2的反相输入端。
在某一具体实施方式中，所述电源VCC被第一电阻R1、第二电阻R2及第三电阻R3依次分压后产生第一电压(A点电压)及第二电压(C点电压)具体为：
电源VCC依次连接第一电阻R1、第二电阻R2及第三电阻R3，所述第一电阻R1与所述第二电阻R2之间的电压为第一电压，所述第二电阻R2与所述第三电阻R3之间的电压为第二电压；所述第一电压大于第二电压。
所述霍尔元件的输出端在被第四电阻R4分压后的第三电压(B点电压)分别接入第一放比较器U1的反相输入端及第二比较器U2的同相输入端。
第一发光二极管LED1连接第一比较器U1的输出端，第二发光二极管LED2连接第二发光二极管LED2的输出端。
满足霍尔元件在供电状态下，
若所述第一发光二极管LED1发光，则霍尔元件靠近S极磁场。
在某一具体实施方式中，所述若所述第一发光二极管LED1发光，则霍尔元件靠近S极磁场，具体为：
若所述第一电压(A点电压)大于所述第三电压(B点电压)，即所述第一比较器U1正向输入端电压大于反相输入端电压，所述第一发光二极管LED1发光，则霍尔元件靠近S极磁场。
若所述第二发光二极管发光，则霍尔元件靠近N极磁场。
在某一具体实施方式中，所述若所述第二发光二极管LED2发光，则霍尔元件靠近N极磁场，具体为：
若所述第二电压(C点电压)小于所述第三电压(B点电压)，即所述第二比较器U2正向输入端电压大于反相输入端电压，所述第二发光二极管LED2发光，则霍尔元件靠近N极磁场。
在某一具体实施方式中，还包括：
若所述第一发光二极管LED1及所述第二发光二极管LED2均不发光，则霍尔元件不靠近磁场。
在某一具体实施方式中，所述电源VCC电压为5v，所述第一电阻R1的阻值为10kΩ，所述第二电阻R2的阻值为1kΩ，所述第三电阻R3的阻值为10kΩ，所述第一电压为2.4v，所述第二电压为2.6v，所述霍尔元件的供电电压为5v，所述第四电阻R4的阻值为10kΩ。
在某一具体实施方式中，所述第一发光二极管LED1的正向连接第一比较器U1的输出端，所述第一发光二极管LED1的反向连接第五电阻R5；所述第二发光二极管LED2的正向连接第二比较器U2的输出端，所述第二发光二极管LED2的反向连接第六电阻R6。
在某一具体实施方式中，所述第一比较器U1接入电源，所述第二比较器U2接入电源。
在某一具体实施方式中，所述霍尔元件的型号为SS49E。
需要说明的是，线性霍尔元件一般可分为开环式和闭环式，本发明使用的SS49E属于开环式霍尔元件，主要用于磁场变化产生的电压变化。输出电压与外加磁场强度呈线性关系，如图3所示，可见，在B1～B2的磁感应强度范围内有较好的线性度，磁感应强度超出此范围时则呈现饱和状态。
线性霍尔元件推荐使用SS49E。SS49E传感器是一种小型、通用的设备，由永久磁体或电磁体产生的磁场控制。线性输出电压源根据供电电压设定，并随磁场强度成比例变化。该产品非常节能，可在最低2.7VDC的电压下工作，而在5VDC典型值电压下电流消耗仅有6mA。集成电路的特点是低噪声输出，这使得它不需要使用外部过滤器。它还包含了薄膜电阻，拥有更好的温度稳定性和准确性。该线性霍尔效应传感器的使用温度范围为-40℃到100℃，适合商业、消费和工业领域，其内部集成电路组成如图4所示。
SS49E在典型5VDC供电条件下，其磁性范围和输出电压曲线如图5所示。
在某一具体实施方式中，所述第一比较器U1及第二比较器U2的型号均为LM393。
如图6所示，比较器实际上是运算放大器的一种，可以将比较器当作一个1位模/数转换器(ADC)。运算放大器在不加负反馈时从原理上讲可以用作比较器，但由于运算放大器的开环增益非常高，它只能处理输入差分电压非常小的信号。而且，一般情况下，运算放大器的延迟时间较长，无法满足实际需求。比较器经过调节可以提供极小的时间延迟，但其频响特性会受到一定限制。为避免输出振荡，许多比较器还带有内部滞回电路。比较器的阈值是固定的，有的只有一个阈值，有的具有两个阈值。本发明使用LM393作为电压比较器使用，电压比较器可以看作是放大倍数接近“无穷大”的运算放大器。
电压比较器的功能：比较两个电压的大小(用输出电压的高或低电平，表示两个输入电压的大小关系)：
当“+”输入端电压高于“－”输入端时，电压比较器输出为高电平；
当“+”输入端电压低于“－”输入端时，电压比较器输出为低电平；
电压比较器可工作在线性工作区和非线性工作区。工作在线性工作区时特点是虚短，虚断；工作在非线性工作区时特点是跳变，虚断。
由于比较器的输出只有低电平和高电平两种状态，所以其中的集成运算放大器常工作在非线性区。从电路结构上看，运放常处于开环状态，又是为了使比较器输出状态的转换更加快速，以提高响应速度，一般在电路中接入正反馈。
如图7所示，比较器推荐使用LM393。LM393是双电压比较器集成电路。输出负载电阻能衔接在可允许电源电压范围内的任何电源电压上，不受供电电压Vcc值的限制。同时LM393也是高增益，宽频带器件，像大多数比较器一样，如果输出端到输入端有寄生电容而产生耦合，则很容易产生振荡，所以通常电源不需要加旁路电容。
本发明内部元器件多采用模拟量元器件以及无源类元器件，以常用便携式开关电源供电或电池供电(充电宝)，尽量减少数字有源器件的使用，降低系统自身对磁场极性测试的影响，保证其功能和性能的优异性。
在某一具体实施例中，可识别极性磁场探测设备的具体工作原理逻辑关系如图8所示。
本发明用于磁场的无接触式快速极性检测，故必须满足如下特性：
1)装置必须工作在无外界磁场干扰的场地下；
2)必须配备有高精度直流电源或自备电池为装置进行供电；
3)操作人员身上不得佩戴含铁、钴、镍成分的饰物或移动电子设备，以免影响测试准确性。；
从图8中可看出本发明分为静态电压比较(探测到周围无磁场)、低电压比较(探测到周围磁场为S极性)与高电压比较(探测到周围磁场为N极性)三条工作逻辑路径，本发明电路总图如图2所示。
电源分压：使用R1，R2，R3对5VDC电源进行分压，A点电压约在2.4V，C点电压约在2.6V。现分别对三条传输路径进行说明：
1)静态电压比较：线性霍尔元件SS49E在5VDC供电条件下，其静态电压B点输出为2.5V。当SS49E处于静态电压输出时可以看出，A点电压低于B点电压，比较器U1处于反向电压工作状态。C点电压高于B点电压，比较器U2也处于反向电压工作状态。所以LED1和LED2均不会发亮；
2)低电压比较：当线性霍尔元件SS49E靠近S极性磁场时，其输出电压会下降，当低于2.4V时，A点电压会高于B点电压，比较器U1将处于正向电压工作状态，输出5V驱动LED1发亮，指示磁场极性为S极。而C点电压依然高于B点电压，比较器U2保持处于反向电压工作状态，所以LED2不会发亮；
3)高电压比较：当线性霍尔元件SS49E靠近N极性磁场时，其输出电压会升高，当高于2.6V时，B点电压会高于C点电压，比较器U2将处于正向电压工作状态，输出5V驱动LED2发亮，指示磁场极性为N极。而B点电压依然高于A点电压，比较器U1保持处于反向电压工作状态，所以LED1不会发亮。
通过上述三条路径可发现，对比传统测试方法，本专利主要添加各类有源器件进行电路搭建，可实现高精度的磁场极性识别，主要添加的元器件有线性霍尔器件和比较器。
本电路具有以下优势：
1.将磁场变化特性转化为电信号，达到mV级动态响应，极大的提高了磁场识别的灵敏度；
2.结构简单，易搭建，极大减少制作元器件成本；
3.采用安全电压供电，人员安全得以保障；
4.对比传统测试方法方便快捷，只需要靠近即可实现直观且无接触式显示，大大提高了识别效率和精度。
本发明关键技术在于使用线性霍尔元件、双电压比较器及6只电阻、2只LED组合，使用非常精简的电路设计思路达到对磁场极性高效、直观、高灵敏度的测试判定。由于本电路中使用的霍尔元件、双电压比较器均为集成电路元器件，同时两路比较电路使用1片双电压比较器即可搭建，而电阻及LED均可采用贴片式封装，所以装置整体体积不会超过10cm2大小，具有很强的便携性也适合于在空间狭小的区域作业，制作成本也极其低廉。同时测试结果采用指示灯形式进行显示，极大地降低了测试人员的专业知识能力要求，经过简单说明即可操作完成并作出结果判定，为有需求的企事业单位提供了一种便于自制，无需专业人员即可轻松完成测试的简易装置。
本发明可极大的提高磁场极性测试效率、安全性及准确性，大幅减轻现场试验人员实验布置难度及人员要求，同时解决了在进行磁场极性测试时，读取测试结果的误差问题以及其他方法可能需要接触被测设备带来安全隐患问题，试验装置制作简单方便，成本极低。同时装置本体小巧，特别适合在空间狭小的区域进行测试操作，为判定磁场极性提供一种切实有效的解决途径。
Claims (10)
1.一种磁场探测器，其特征在于，包括：电源、霍尔元件、比较器、电阻及发光二极管；其中，
所述电源被第一电阻、第二电阻及第三电阻依次分压后产生第一电压及第二电压，所述第一电压接入第一比较器的同相输入端，所述第二电压接入第二比较器的反相输入端；
所述霍尔元件的输出端在被第四电阻分压后的第三电压分别接入所述第一比较器的反相输入端及所述第二比较器的同相输入端；
第一发光二极管连接所述第一比较器的输出端，第二发光二极管连接所述第二比较器的输出端；
满足所述霍尔元件在供电状态下，
若所述第一发光二极管发光，则所述霍尔元件靠近S极磁场，
若所述第二发光二极管发光，则所述霍尔元件靠近N极磁场。
2.如权利要求1所述的磁场探测器，其特征在于，还包括：若所述第一发光二极管及所述第二发光二极管均不发光，则所述霍尔元件不靠近磁场。
3.如权利要求1所述的磁场探测器，其特征在于，所述电源被第一电阻、第二电阻及第三电阻依次分压后产生第一电压及第二电压具体为：
所述电源依次连接第一电阻、第二电阻及第三电阻，所述第一电阻与所述第二电阻之间的电压为第一电压，所述第二电阻与所述第三电阻之间的电压为第二电压；所述第一电压大于第二电压。
4.如权利要求3所述的磁场探测器，其特征在于，所述若所述第一发光二极管发光，则所述霍尔元件靠近S极磁场，具体为：
若所述第一电压大于所述第三电压，所述第一比较器的正向输入端的电压大于反相输入端的电压，使得所述第一发光二极管发光，则所述霍尔元件靠近S极磁场。
5.如权利要求3所述的磁场探测器，其特征在于，所述若所述第二发光二极管发光，则所述霍尔元件靠近N极磁场，具体为：
若所述第二电压小于所述第三电压，所述第二比较器的正向输入端的电压大于反相输入端的电压，使得所述第二发光二极管发光，则所述霍尔元件靠近N极磁场。
6.如权利要求3所述的磁场探测器，其特征在于，所述电源的电压为5v，所述第一电阻的阻值为10kΩ，所述第二电阻的阻值为1kΩ，所述第三电阻的阻值为10kΩ，所述第一电压为2.4v，所述第二电压为2.6v，所述霍尔元件的供电电压为5v，所述第四电阻的阻值为10kΩ。
7.如权利要求1所述的磁场探测器，其特征在于，所述第一发光二极管的正向连接所述第一比较器的输出端，所述第一发光二极管的反向连接第五电阻；所述第二发光二极管的正向连接所述第二比较器的输出端，所述第二发光二极管的反向连接第六电阻。
8.如权利要求1所述的磁场探测器，其特征在于，所述第一比较器接入电源，所述第二比较器接入电源。
9.如权利要求1所述的磁场探测器，其特征在于，所述霍尔元件的型号为SS49E。
10.如权利要求1所述的磁场探测器，其特征在于，所述第一比较器及第二比较器的型号均为LM393。
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|---|---|---|---|---|
| CN114323083A (zh) * | 2021-12-17 | 2022-04-12 | 上海艾为电子技术股份有限公司 | 霍尔传感器件和电子设备 |
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2020
- 2020-12-21 CN CN202011518269.0A patent/CN112630707A/zh active Pending
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