电路实验相序仪原理

近年来，国内市场上出现一种根据热导原理设计的手持热导仪（又称二代测钻笔），专门用于快速鉴定钻石、宝石及仿制品。价格不贵，体积小巧，操作简单，便于携带，特别适合外出快速检测及家庭使用，但鲜见电路原理文章。下面对其进行拆机解析，绘出电路图，便于大家熟悉原理、正确使用及提供维修参考。[b]一、仪器外观[/b]仪器外观及检测功能设计是仿90年代的日本产品：[img=,690,482]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2019/09/201909091536476305_6177_1807987_3.jpg!w690x482.jpg[/img]仪器各部分名称，这是正面：[img=,690,517]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2019/09/201909091537332180_6133_1807987_3.jpg!w690x517.jpg[/img]仪器背面：[img=,690,517]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2019/09/201909091538131112_6631_1807987_3.jpg!w690x517.jpg[/img]底部是电池盒，内部安装一只9V叠层电池：[img=,690,517]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2019/09/201909091538463212_7562_1807987_3.jpg!w690x517.jpg[/img]笔尖探针是一段Φ1.5mm导热紫铜线：[img=,690,517]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2019/09/201909091539259473_6611_1807987_3.jpg!w690x517.jpg[/img][b]二、仪器检测原理[/b] 在宝石中，热导率最高的是钻石。室温下，钻石的热导率从Ⅰ型的100W/（m℃）变化到Ⅱa型的2600W/（m℃）。测钻笔正是利用钻石这一热学性质来鉴定钻石真伪，以及判断除合成碳硅石以外的钻石仿制品（人工合成碳硅石热导率也很高，仅次于钻石，用测钻笔测试也可发出鸣响）。其检测原理框图如下：[img=,652,525]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2019/09/201909091540190826_2495_1807987_3.jpg!w652x525.jpg[/img] 测钻笔的笔尖是导热良好的紫铜探针，探针的内部是紫铜线与另一种金属线材构成的热电偶，该热电偶与加热元件PTC（正温度系数热敏电阻）制作在一起。开机后，PTC通电发热并加热探针，且保持恒温，热电偶两端的电动势为一固定值。检测时，探针与钻石接触后热量迅速流失，探针上的热电偶电动势发生改变，这个微弱的变化电信号经前级电路放大后，送入单片机（MCU）进行处理分析，从而判断被测物体导热性。测钻笔的12格LED显示导热程度的高低，当点亮9格LED及以上，蜂鸣器发出滴滴滴声讯，可以判定为钻石。[b]三、拆解及内部结构[/b]先取下尾部电池盒中的电池：[img=,690,517]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2019/09/201909091543268454_3098_1807987_3.jpg!w690x517.jpg[/img]用螺丝刀卸下背面两颗固定螺丝：[img=,690,517]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2019/09/201909091543460322_9470_1807987_3.jpg!w690x517.jpg[/img]很容易分开外壳，看见内部结构：[img=,690,517]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2019/09/201909091544168892_1321_1807987_3.jpg!w690x517.jpg[/img]电路板上的主要元件分布：[img=,690,517]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2019/09/201909091544509368_8065_1807987_3.jpg!w690x517.jpg[/img]这是检测时调节LED亮灯数量的小型电位器（10KΩ）：[img=,690,517]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2019/09/201909091545368734_5888_1807987_3.jpg!w690x517.jpg[/img][b]四、电路图及工作原理[/b]根据PCB（电路板）上的元件分布，绘出热导仪（测钻笔）电路原理框图如下：[img=,690,429]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2019/09/201909091548203112_5137_1807987_3.jpg!w690x429.jpg[/img][b]电路工作原理[/b] 接通电源开关K，电源指示灯（LED1）亮，为加热元件PTC、放大电路、LED三色指示灯组提供电源，由于稳压管D5的作用，可在一定范围稳压(7.5～8V)。另一路，经过稳压电源IC，为MCU提供5V工作电源。 通电后，PTC进行加热，初始电流约80mA，加热25秒钟左右，预热指示灯（LED2）亮，电流下降为38mA左右，PTC保持50℃左右恒温，可以进行测量操作；按照仪器背面的调灯表指示，调亮LED三色指示灯的个数；将仪器探针垂直对准钻石进行测量，钻石优良的导热性使探针的温度迅速降低，与探针相连的热电偶产生的电动势发生变化，这一变化经放大电路放大处理、送入MCU，通过MCU内置的程序进行A/D转换、计算分析，结果由三色LED指示灯显示。若是真钻石，三色LED指示灯将显示9格以上，同时蜂鸣器发出滴滴滴声讯。[b]五、单元电路分析[/b]1、电源及加热电路下面是电路板上电源部分的元件：[img=,690,517]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2019/09/201909091550363283_8484_1807987_3.jpg!w690x517.jpg[/img]采用T0-92封装的三端线性稳压电源IC，为MCU提供5V稳压电源，确保其工作稳定：[img=,690,517]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2019/09/201909091551111278_3857_1807987_3.jpg!w690x517.jpg[/img]拆开检测头，加热元件采用小圆片PTC作为热源。利用PTC的自动恒温特性，使得探针检测一次后，自动恢复固定的温度值，为下一次检测做好准备：[img=,690,517]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2019/09/201909091551504527_7455_1807987_3.jpg!w690x517.jpg[/img]特制的小圆片低温PTC发热元件，直径5.3毫米、厚2毫米，两面焊接的白色电线是供电线，紫铜线热电偶两端焊接漆包线引线、并牢牢地焊接在PTC的一侧面：[img=,690,517]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2019/09/201909091552247181_2623_1807987_3.jpg!w690x517.jpg[/img]实测PTC冷态（室温20℃）的电阻，大约103.6欧姆：[img=,690,517]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2019/09/201909091552564443_8618_1807987_3.jpg!w690x517.jpg[/img]打开仪器电源开关，给PTC通电，稳定后（READY预热灯亮），PTC温度大约51℃：[img=,690,517]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2019/09/201909091553342152_9854_1807987_3.jpg!w690x517.jpg[/img]绘出电源及加热部分电路图如下：[img=,690,415]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2019/09/201909091554173544_2015_1807987_3.jpg!w690x415.jpg[/img]2、微电压放大电路热电偶产生的电动势很微弱，采用美国TI公司（德州仪器）的OP07C低偏移电压运算放大器构成微电压放大电路：[img=,690,517]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2019/09/201909091555023882_7812_1807987_3.jpg!w690x517.jpg[/img]OP07是一种低噪声，非斩波稳零的双极性运算放大器集成电路，具有非常低的输入失调电压，在很多应用电路中不需要额外的调零措施，电路设计精干。OP07同时还具有输入偏置电流低和开环增益高的特点，使得OP07特别适用于高增益的测量设备和放大传感器的微弱信号等方面。绘出前级放大电路部分的电路图如下：[img=,690,429]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2019/09/201909091556107592_9791_1807987_3.jpg!w690x429.jpg[/img]3、MCU及显示、声、光电路电路板上的18脚MCU，被抹去了型号。根据周边电路分析，与PIC16F716相像，8-bit Flash-basedMicrocontroller with A/D Converter and Enhanced Capture/Compare/PWM ,内部固化了程序，担负了A/D、计算分析、显示、灯光、声讯的任务：[img=,690,517]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2019/09/201909091556525402_8677_1807987_3.jpg!w690x517.jpg[/img]MCU旁边的蓝色元件X1，是三端陶瓷滤波器，连接到MCU的15、16脚：[img=,690,517]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2019/09/201909091557323072_6167_1807987_3.jpg!w690x517.jpg[/img]电路板背面没有元件，压电陶瓷片是蜂鸣器：[img=,690,517]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2019/09/201909091558128710_507_1807987_3.jpg!w690x517.jpg[/img]绘出MCU部分电路图如下（由于线路遮挡观察受限，可能有误差，供参考）：[img=,690,472]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2019/09/201909091559033260_8326_1807987_3.jpg!w690x472.jpg[/img][b]六、使用注意事项[/b] 温度对该仪器测量的准确性影响较大。仪器的使用环境温度在10℃～30℃，超过这个范围，误差较大。测试前，需要根据样品大小、环境温度并按照仪器背面表格数据选取调亮LED灯个数进行操作。仪器与被测样品应事先放置在同一区域，与环境温度达到一致，无风。每次检测前，按照说明书的要求，使用玻璃校准后再检测。检测时，要耐心等待预热灯亮起，再进行检测。探针应垂直对准干净的样品表面，不要倾斜。仪器耗电量较大，9伏碳锌叠层电池，用不了很多次。若经常使用，最好安装大容量的可充电镍氢电池或锂电池。 该仪器属于手动型，操作稍嫌麻烦，熟悉后问题不大。下面是检测几种真假宝石的情况（商家图片）：[img=,690,817]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2019/09/201909091600229310_5058_1807987_3.jpg!w690x817.jpg[/img][b]七、结束语[/b] 通过对二代手持热导仪（测钻笔）的拆解分析，其电路原理是用热电偶测量已加热并处于恒温状态金属探针的热量被钻石吸收后带来的温度变化，从而计算出被测样品的热导值。该仪器的准确度与掌握正确使用方法和单片机内置的算法有关。不同厂家的产品，会有一定的差别。现在的二代热导仪（测钻笔）采用单片机结构，相比以前的模拟机型，更加轻便快捷准确，作为定性分析使用，满足要求。该仪器物美价廉，值得宝石爱好者手中拥有一只。