詳細教程:電感測試儀和磁場探頭

2021-01-18 電子發燒友
詳細教程：電感測試儀和磁場探頭

工程師2 發表於 2018-05-23 16:38:00

使用少量元件的廉價易用電感測試儀

在缺乏昂貴測試設備的情況下，圖1中的電路可以提供一種測量電感的簡單快捷的替代方法。其應用包括驗證電感值是否接近設計參數，並描述未知參數的磁芯特性。按照設計，電路可測試大多數用於電源中的電感，以及很多RF電路中的電感。

電路由兩個級聯的共射放大器級組成，構成一個不飽和交叉耦合觸發器。一個共射級用作相位變換，兩個級聯級構成一個非反相的反饋放大器，其增益產生反饋。沒有待測電感L的情況下，反饋發生在直流狀態，電路表現為一個雙穩態觸發器，可取兩種穩定狀態中的任何一個。連接電感後，將直流正反饋降低到反饋電平以下。因此，反饋可以只發生在交流狀態，電路成為一個非穩振蕩器。

通過儘量減小電晶體的存儲時間，使電晶體保持在飽和狀態以外，可以加快電路的運行。差不多任何型號的高速小信號RF電晶體都能提供適合的開關速度，雖然較低頻率的器件也可以工作，但減小了小電感測量的範圍。電路的振蕩頻率與待測電感成反比，你可以用頻率計數器或示波器來測量振蕩頻率。

圖2顯示一個大約為100mH 電感產生的波形。振蕩頻率取決於由待測電感和電阻RL與RR構成的L/R時間常數。波形改變其狀態所花時間與電感值成正比，

對半周期，它大約為 THALF=「L/100」。振蕩循環的整個周期是該值的兩倍，或 TFULL=「L/50」。算出電感值，L=50×TFULL。另一種方法是，頻率與電感值成反比，或fOSC=50/L。用頻率計數器可以測得電感為L=50/fOSC。

電路的有限開關速度大約為10ns，因此其測量範圍有1mH的低限。可以採用將小電感與大電感串聯的方法，記下讀數，測出較大電感單獨的值，然後將兩個測量值相減得到小電感值。

雖然該電路對電感值沒有上限，但當電感的ESR（等效串聯電阻）超過約70Ω時，電路會停止振蕩，轉為雙穩態運行。電路可測量各種電感和變壓器繞組的值，除了有高ESR的小型低頻鐵芯器件以外。為得到最高的精度，應使用低輸入電容的儀器來測量振蕩頻率。

為電路提供能量的是一節NiCd（鎳鎘）或NiMH（鎳氫）可充電電池。這些電池有相對較平坦的電壓/時間放電特性，可提高電路的測量精度。電路在工作時的功耗大約只有6mA。

只需少數元件的磁場探頭

Sandeep M Satav和VV Rama Sarma，EMI-EMC Centre， RCI， Hyderadad， India

磁場計的流行名稱是「高斯計」，市場上各種牌子和型號，其價格使許多業餘愛好者和工程師無法承受。本設計實例把一種常見的 DMM（數字萬用表）和單一半導體元件結合起來，以便測量磁通量密度和磁場強度。

圖1列出了測量設備，由探頭、電池組、DMM 組成。探頭的有源元件由線性霍爾效應傳感器構成。實際上任何線性霍爾效應傳感器在這種應用中都好用，但這個探頭版本使用 Allegro MicroSystems公司的A1323傳感器，它產生與施加的磁場成比例的電壓（參考文獻1）。A1323依靠4.5V ~ 5.5V電源工作，它的靜態輸出電壓（零磁場輸出）取決於電源電壓的50%。鑑於A1323的標稱靈敏度是2.5毫伏/高斯，它對於4.5V電源電壓提供的滿刻度量程是1800高斯（4.5伏/2.5毫伏/高斯=1800高斯）。

施加一個朝向傳感器正面南側的磁場，就會增加傳感器的輸出電壓，它與垂直於傳感器標有品牌一面施加的磁場成比例，而施加一個位於同一面北側的磁場就會導致輸出電壓的成比例下降。對於4.5V電源，傳感器的2.25V靜態輸出電壓能增加到4.5V（對 900 高斯正南方磁場）或降低到 0

V（對900高斯正北方磁場）。傳感器能檢測直流磁場的強度和極性，而它的交流磁場帶寬則延伸到了30 kHz。

探頭的電路試驗板版本包含一小塊印製電路板，其長度足以適應操作者的手（圖2）。傳感器的引線連接到一段高質量的三導體屏蔽電纜和兩個 10 nF 表面貼裝解耦電容器。傳感器的電源包含三塊串聯的小型1.5V 電池，總電壓為4.5V。為了達到更大的滿刻度量程，可用9V電池向7805 伏特計等5V穩壓IC饋電，並在需要時添加一個通/斷開關。應把電池放在伏特計附近。否則電池的鋼製外殼會干擾被觀察的磁場。應使用10nF SMD電容器來解耦傳感器的輸入和輸出引腳。雖然提供較高直流精度和超過50kHz交流帶寬的DMM能顯示傳感器的輸出，但Fluke 公司的187 型DMM等具有RELΔ（「與參考讀數的相對差值」）功能的DMM使直流磁場的測量和極性檢測變得很容易（參考文獻2）。

在電路組裝之後，用兩個4 mm香蕉形插頭把探頭的輸出連到DMM。用一分鐘時間預熱，並把探頭的傳感器放在磁屏蔽外殼中。（編者按：可以用鋼製或錫制同心圓食品罐頭盒來製作磁屏蔽外殼。罐頭盒的置放應使其未打開的一端指向相反方向。在較大罐頭盒未打開的一端上鑽一個小口來容納傳感器的輸出電纜。）按DMM的RELΔ功能鍵。DMM 的顯示器將傳感器的2.25V靜態電壓輸出值顯示為0.0000V，表示探頭針對零磁場校準完畢，可以使用了。

把探頭從屏蔽外殼中取出，測量被觀察的磁場。為了達到最高靈敏度，應使傳感器的面垂直於磁場。如果磁場的方向未知，則使探頭圍繞其最長軸旋轉來搜索最高電壓。為了計算磁通量密度，把輸出電壓讀數除以靈敏度（2.5毫伏/高斯）。例如，如果表頭讀數是-1.9800V，則磁場在正北向是792高斯。對於交流磁場測量，應使用DMM的真rms模式來讀傳感器的交流輸出電壓。

可用以下公式計算磁場在空氣中的強度：B=m0×H，其中B表示磁通量密度，單位是特斯拉（teslas），H表示磁場強度，單位是安培/米，m0=4p×10-7H/m（自由空間的磁導率）。鑑於特斯拉代表較大的測量單位，因此1T磁場相當強。

對於更大的測量解析度，可用以下轉換因子來使用更流行的單位高斯：10000 高斯=1特斯拉，1高斯=79.6安培/米，1.2560毫特斯拉=1000安培/米。磁場傳感器的應用包括分析移動磁體線性位置探測器的故障、直流電機和揚聲器製造、低頻磁場幹擾的研究、電磁幹擾屏蔽裝置的設計與製造。

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