冰芯介電特性測(cè)定儀研制

引 言

冰芯因其分辨率高、信息量大、保真性強(qiáng)、時(shí)間序列長(zhǎng)和潔凈度高而成為研究全球氣候變化、極地能源勘測(cè)等領(lǐng)域的最好媒介[1]。通過(guò)物理和化學(xué)手段可以提取其中的古氣候信息及能源信息。而作為物理分析技術(shù)之一的自動(dòng)化冰芯介電特性測(cè)定儀，其研究在我國(guó)卻一直處于空白狀態(tài)[2]。目前國(guó)內(nèi)對(duì)冰芯的介電特性測(cè)試主要依靠手搖式測(cè)試平臺(tái)，人為誤差較大，人工成本高，且存在自動(dòng)化程度低、測(cè)量模式單一、測(cè)量速度不穩(wěn)定、測(cè)量精度差、測(cè)量周期長(zhǎng)、介電特性測(cè)量的實(shí)時(shí)性差、測(cè)量數(shù)據(jù)與位置沒(méi)有得到實(shí)時(shí)處理等缺點(diǎn)。

基于上述現(xiàn)狀，本文設(shè)計(jì)的自動(dòng)化冰芯介電特性測(cè)定儀采用機(jī)電一體化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了人性化的界面操作以及自動(dòng)化的數(shù)據(jù)處理。改善了人工操作成本高、誤差大的局面。提高了測(cè)量精度，縮短了測(cè)量周期，同時(shí)還增加了多種測(cè)量模式，在實(shí)現(xiàn)測(cè)量速度、頻率、長(zhǎng)度可調(diào)整的同時(shí)還實(shí)現(xiàn)了對(duì)冰芯電阻、電容、電感的同時(shí)測(cè)量以及數(shù)據(jù)處理和動(dòng)態(tài)繪圖顯示。

1 工作原理概述

本系統(tǒng)工作原理如圖 1 所示。PC 機(jī)和主控單元可通過(guò)運(yùn)動(dòng)控制單元控制機(jī)械系統(tǒng)以不同的運(yùn)動(dòng)模式完成對(duì)冰芯的多運(yùn)動(dòng)模式測(cè)量，并負(fù)責(zé)匯總位移采集部分采集的測(cè)量點(diǎn)冰芯的位置信息以及該點(diǎn)的冰芯介電特性信息，進(jìn)而對(duì)收集的信息做算法分析處理，并繪圖動(dòng)態(tài)顯示。同時(shí)恒溫控制箱需確保整套系統(tǒng)可在極地正常工作。

2 硬件電路部分

硬件電路系統(tǒng)部分的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖 2 所示。系統(tǒng)分為主控單元，位移采集系統(tǒng)，運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，介電特性采集系統(tǒng)， 智能恒溫控制系統(tǒng)等。

2.1 主控單元

主控單元的主控芯片選用意法半導(dǎo)體公司（ST）生產(chǎn)的基于ARM Cortex-M3 的 32 位處理器芯片STM32F103VCT6， 該芯片的工作頻率為 72 MHz，含有 256 kB FLASH，48 kB RAM，片上集成 A/D，D/A，USART，定時(shí)器等資源。具有功耗低、運(yùn)行速度快、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，能滿足本設(shè)計(jì)的資源要求。

主控單元集成高性能、高速的MCU ；光耦隔離輸出運(yùn)動(dòng)控制信號(hào)，輸出信號(hào)為 5 ～24 V，最大電流為 100 mA ；含專用的常閉式正負(fù)極限限位和緊急通道；支持上位機(jī)軟件指令載入、485 通信、串口通信[3]。

2.2 位移采集系統(tǒng)

位移采集系統(tǒng)采用歐姆龍高精編碼器，解碼后發(fā)送至PC 端。必須確保編碼器和運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中的減速電機(jī)保持同步， 保證維系測(cè)量精準(zhǔn)無(wú)誤。

2.3 運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)

在運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中由主控單元連接PC 進(jìn)行通信，PC 機(jī)中的上位機(jī)軟件經(jīng)由主控單元控制電機(jī)控制器，進(jìn)而控制電機(jī)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。為增加操作的靈活性，運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中還設(shè)計(jì)有手動(dòng)操作部分，其優(yōu)先級(jí)高于 PC 機(jī)。通過(guò)手動(dòng)操作按鈕也能借助主控單元控制電機(jī)控制器，進(jìn)而控制電機(jī)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。將步進(jìn)電機(jī)和減速電機(jī)相組合，解決了測(cè)量過(guò)程中步進(jìn)電機(jī)的抖動(dòng)問(wèn)題，提高了測(cè)量的精準(zhǔn)性。系統(tǒng)中前后安裝兩個(gè)運(yùn)動(dòng)限位單元，測(cè)量端越界時(shí)會(huì)自動(dòng)觸發(fā)停止電平，確保滑動(dòng)測(cè)量端在安全范圍內(nèi)工作。為應(yīng)對(duì)突發(fā)緊急事件，系統(tǒng)增加了緊急制動(dòng)按鈕，可緊急關(guān)閉各系統(tǒng)電源。

2.4 介電特性采集系統(tǒng)

采 用 Agilent E4980A 進(jìn) 行 介 電 特 性 采 集。Agilent E4980A 是一款用于元器件接收檢驗(yàn)、質(zhì)量控制和實(shí)驗(yàn)室使用的通用LCR 儀表。Agilent E4980A 可在寬頻和寬幅測(cè)試信號(hào)電平范圍內(nèi)對(duì)LCR 元件及半導(dǎo)體器件進(jìn)行評(píng)估和測(cè)試，也可提供在任何頻率下基本精度為 0.05%（C）、 0.000 5（D）的 C-D 測(cè)量， 且在每個(gè)范圍內(nèi)分辨率可達(dá) 7 位數(shù)。GPIB， LAN，USB 接口是Agilent E4980A上的標(biāo)準(zhǔn)接口，支持自動(dòng)測(cè)試。通過(guò)GPIB 轉(zhuǎn)串口與PC 端通信。由PC 端上位機(jī)可設(shè)置LCR 測(cè)試儀的測(cè)試頻率，測(cè)試模式，讀出測(cè)試結(jié)果及后期的數(shù)據(jù)分析處理[4]。

2.5 智能恒溫控制系統(tǒng)

為保證測(cè)試平臺(tái)能在嚴(yán)寒地區(qū)正常工作，滿足工作溫度在－ 50℃到 80℃之間的要求，特設(shè)計(jì)了智能恒溫控制箱。采用DS18b20 傳感器采集溫度，以控制恒溫箱的加熱塊。實(shí)際測(cè)試恒溫箱可保持恒溫約 15℃，滿足了正常工作的要求。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 主控單元軟件設(shè)計(jì)

主控單元作為運(yùn)動(dòng)狀態(tài)控制的核心節(jié)點(diǎn)，負(fù)責(zé)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)與上位機(jī)通信。主控系統(tǒng)軟件流程主要分為下行指令與上行數(shù)據(jù)的管理流程。其中串口發(fā)送請(qǐng)求標(biāo)志位是在數(shù)據(jù)傳輸時(shí)序控制單元中設(shè)置的。數(shù)據(jù)傳輸時(shí)序控制單元包含在定時(shí)器中斷函數(shù)中，具有計(jì)數(shù)功能，設(shè)定了產(chǎn)生脈沖的模式和數(shù)據(jù)上傳的時(shí)序[5]。

3.2 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)包括 LCR 測(cè)試數(shù)據(jù)、運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和位移數(shù)據(jù)的采集系統(tǒng)，測(cè)試端子A 運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)和上位機(jī)界面動(dòng)態(tài)顯示部分。

上位機(jī)軟件流程如圖 3 所示。界面數(shù)據(jù)收集包括LCR 讀取的冰芯介電特性，對(duì)應(yīng)介電特性的位移以及運(yùn)動(dòng)模式狀態(tài)信息。系統(tǒng)的數(shù)據(jù)同步由兩個(gè)定時(shí)器、請(qǐng)求發(fā)送定時(shí)器和數(shù)據(jù)更新定時(shí)器完成。請(qǐng)求發(fā)送定時(shí)器負(fù)責(zé)控制LCR 測(cè)試儀查詢以及切換測(cè)試模式和對(duì)位移的查詢。數(shù)據(jù)更新定時(shí)器負(fù)責(zé)手動(dòng)控制的查詢檢測(cè)、UI 界面的更新、動(dòng)態(tài)圖表的更新以及數(shù)據(jù)入庫(kù)。

上位機(jī)軟件實(shí)際效果如圖 4所示。數(shù)據(jù)檢測(cè)區(qū)顯示了實(shí)時(shí)測(cè)試冰芯的電感、電容、電阻值，還具有波形顯示選擇， 波形顏色選擇等功能。下方是位移實(shí)時(shí)顯示框，附帶有位移清零功能。串口控制區(qū)分別布置了 LCR串口、位移串口以及點(diǎn)擊控制串口的串口號(hào)和波特率的設(shè)置選項(xiàng)框，同時(shí)還具有LCR測(cè)試頻率手動(dòng)界面調(diào)整功能。右側(cè)是電機(jī)的界面控制按鈕左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)和停止選項(xiàng)。其上方的動(dòng)態(tài)圖表直觀顯示了冰芯的電感、電容、電阻和位移的關(guān)系。分別為不同測(cè)量參數(shù)提供了不同的彩色曲線圖以及不同顏色的坐標(biāo)表示。同時(shí)圖表具有鼠標(biāo)滾輪時(shí)縮放、按下鼠標(biāo)中鍵盤移動(dòng)以及按下鼠標(biāo)右鍵出現(xiàn)菜單的功能。菜單附加了一鍵截屏、保存實(shí)時(shí)圖形等功能。隨著鼠標(biāo)在曲線上移動(dòng)，還能實(shí)時(shí)顯示曲線上鼠標(biāo)點(diǎn)的測(cè)量值與坐標(biāo)的數(shù)字框，方便研究人員對(duì)測(cè)量點(diǎn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)直觀掌握。

圖 4 上位機(jī)軟件實(shí)際效果圖

4 測(cè)試

4.1 機(jī)械部分測(cè)試

供電后，按下總開關(guān)，系統(tǒng)運(yùn)行指示燈亮起。按下前進(jìn)， 測(cè)試端子在步進(jìn)電機(jī)和減速電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下開始前進(jìn)，直到前方運(yùn)動(dòng)限位處停下。按下后退按鈕，測(cè)試端子開始向后運(yùn)動(dòng)， 運(yùn)動(dòng)過(guò)程中按下停止按鈕，測(cè)試端子停止運(yùn)動(dòng)，繼續(xù)按下后退按鈕，直到測(cè)試端子運(yùn)動(dòng)到后方運(yùn)動(dòng)限位處停下。在測(cè)試過(guò)程中，測(cè)試端子的運(yùn)動(dòng)不會(huì)對(duì)履帶內(nèi)的測(cè)試線纜造成拉扯、擠壓等機(jī)械損傷。測(cè)試端子可上下靈活調(diào)整，且運(yùn)動(dòng)在減速電機(jī)的配合下抵消了步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)抖動(dòng)。

4.2軟件部分測(cè)試

軟件部分經(jīng)過(guò)了先測(cè)試后校準(zhǔn)再測(cè)試的流程。經(jīng)前期測(cè)試發(fā)現(xiàn)了機(jī)械誤差，由軟件內(nèi)部算法處理校準(zhǔn)后再次測(cè)試， 可大大降低測(cè)試數(shù)據(jù)的誤差。

測(cè)試過(guò)程 ：機(jī)械部分上電后， 打開上位機(jī)界面， 設(shè)置LCR 串口為 COM10、波特率為 9 600，位移串口為 COM12、波特率為 9 600，電機(jī)串口COM1、波特率為 9 600。設(shè)置測(cè)試頻率為 1 000 Hz，按下位移調(diào)零并用記號(hào)筆標(biāo)記測(cè)試端子A 在機(jī)臺(tái)的位置。點(diǎn)擊界面連接各個(gè)串口，點(diǎn)擊右轉(zhuǎn)，一段時(shí)間后點(diǎn)擊停止。測(cè)量發(fā)現(xiàn)測(cè)量端子實(shí)際運(yùn)動(dòng)距離與界面位移完全一致，且界面控制安全可靠。

校準(zhǔn)后電阻誤差率檢測(cè)：設(shè)置軟件環(huán)境后把測(cè)量頻率改為 1 000 Hz，自選 10 ～2 800 Ω 之間的若干組電阻進(jìn)行DEP

測(cè)量，得到圖 5 所示的該系統(tǒng)的電阻誤差率曲線圖。其中實(shí)線為電阻誤差率，虛線為擬合趨勢(shì)線。從擬合趨勢(shì)線可以看出， 測(cè)量阻值越大電阻誤差率越小，整體誤差率在 0.5％以內(nèi)。

圖 5 電阻誤差百分比曲線圖

對(duì)電容的測(cè)試 ：從阻值為10 ～5 600 pF 之間的瓷片電容中選擇了 20 組，在測(cè)試頻率為 1 000 Hz 的條件下進(jìn)行測(cè)試。誤差百分比曲線如圖 6 所示，實(shí)線為電容誤差率，虛線為擬合趨勢(shì)線。從擬合趨勢(shì)線可以看出，實(shí)際電容值誤差率控制在0.8％以內(nèi)，且隨著電容值增大有趨于平穩(wěn)的趨勢(shì)。

對(duì)于電感誤差的測(cè)試 ：試驗(yàn)選擇 10μH～1000mH的14組常用電感進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如圖 7所示。其中實(shí)線為電感誤差率，虛線為擬合趨勢(shì)線。從擬合趨勢(shì)線可以看出，在電感大于 100 μH 時(shí)實(shí)際電感值誤差率控制在 0.8％以內(nèi)，且隨著電感值增大有趨于平穩(wěn)且減小的趨勢(shì)。

圖 6電容誤差百分比曲線圖

圖 7電感誤差百分比曲線圖

5 結(jié) 語(yǔ)

該冰芯介電特性測(cè)定儀較好地實(shí)現(xiàn)了測(cè)試數(shù)據(jù)的自動(dòng)保存與算法校驗(yàn)分析。滿足了在連續(xù)位移變化條件下對(duì)電阻、電容及電感的同時(shí)檢測(cè)，還能繪制成直觀動(dòng)態(tài)圖表。整套系統(tǒng)簡(jiǎn)潔明了，界面非常人性化。從系統(tǒng)校準(zhǔn)，測(cè)試參數(shù)設(shè)置到數(shù)據(jù)分析處理都實(shí)現(xiàn)了全自動(dòng)化，大大加快了科研進(jìn)程，減輕了傳統(tǒng)手動(dòng)測(cè)量冰芯測(cè)試任務(wù)的壓力。尤其是機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)， 安全可靠，擁有測(cè)量精度高，測(cè)量范圍廣，測(cè)量冰芯大小可調(diào)等優(yōu)點(diǎn)。隨著我國(guó)對(duì)極地資源的深入開發(fā)，冰芯介電特性測(cè)定儀在科考領(lǐng)域?qū)⒕哂懈訌V闊的應(yīng)用空間。