冰芯介電特性測定儀研制

杜東洲　劉敬彪

摘 要：為了實現(xiàn)冰芯介電特性測定儀的自動化和自適應(yīng)測試功能，文中設(shè)計一個基于Agilent E4980A的冰芯介電特性測試系統(tǒng)。該系統(tǒng)結(jié)合冰芯的介電常數(shù)、坐標(biāo)信息以及測量狀態(tài)等，利用客戶端軟件數(shù)據(jù)進行分析處理，實時顯示位置與冰芯介電特性的動態(tài)圖形，同時該系統(tǒng)可設(shè)置0～200 VAC的任意測試電平與2～20 MHz的任意測試頻率，通過改變測定儀的測試頻率、運動模式以及探頭的運行速度，達(dá)到更高的測量精度。該系統(tǒng)同時還可測量電阻、電容、電感和位移等參數(shù)。實驗結(jié)果表明，該系統(tǒng)的測量位移分辨率能夠達(dá)到0.08 mm，測量距離最大可達(dá)5 m，參數(shù)測試誤差在1%以內(nèi)。

關(guān)鍵詞：Agilent E4980A；介電特性；冰芯；STM32

中圖分類號：TP39；TN401 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：2095-1302（2018）03-00-03

0 引 言

冰芯因其分辨率高、信息量大、保真性強、時間序列長和潔凈度高而成為研究全球氣候變化、極地能源勘測等領(lǐng)域的最好媒介[1]。通過物理和化學(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)之一的自動化冰芯介電特性測定儀，其研究在我國卻一直處于空白狀態(tài)[2]。目前國內(nèi)對冰芯的介電特性測試主要依靠手搖式測試平臺，人為誤差較大，人工成本高，且存在自動化程度低、測量模式單一、測量速度不穩(wěn)定、測量精度差、測量周期長、介電特性測量的實時性差、測量數(shù)據(jù)與位置沒有得到實時處理等缺點。

基于上述現(xiàn)狀，本文設(shè)計的自動化冰芯介電特性測定儀采用機電一體化設(shè)計，實現(xiàn)了人性化的界面操作以及自動化的數(shù)據(jù)處理。改善了人工操作成本高、誤差大的局面。提高了測量精度，縮短了測量周期，同時還增加了多種測量模式，在實現(xiàn)測量速度、頻率、長度可調(diào)整的同時還實現(xiàn)了對冰芯電阻、電容、電感的同時測量以及數(shù)據(jù)處理和動態(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機和主控單元可通過運動控制單元控制機械系統(tǒng)以不同的運動模式完成對冰芯的多運動模式測量，并負(fù)責(zé)匯總位移采集部分采集的測量點冰芯的位置信息以及該點的冰芯介電特性信息，進而對收集的信息做算法分析處理，并繪圖動態(tài)顯示。同時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)計如圖2所示。系統(tǒng)分為主控單元，位移采集系統(tǒng)，運動控制系統(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，定時器等資源。具有功耗低、運行速度快、抗干擾能力強等優(yōu)點，能滿足本設(shè)計的資源要求。

主控單元集成高性能、高速的MCU；光耦隔離輸出運動控制信號，輸出信號為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動控制系統(tǒng)中的減速電機保持同步，保證維系測量精準(zhǔn)無誤。

2.3 運動控制系統(tǒng)

在運動控制系統(tǒng)中由主控單元連接PC進行通信，PC機中的上位機軟件經(jīng)由主控單元控制電機控制器，進而控制電機的運動狀態(tài)。為增加操作的靈活性，運動控制系統(tǒng)中還設(shè)計有手動操作部分，其優(yōu)先級高于PC機。通過手動操作按鈕也能借助主控單元控制電機控制器，進而控制電機的運動狀態(tài)。將步進電機和減速電機相組合，解決了測量過程中步進電機的抖動問題，提高了測量的精準(zhǔn)性。系統(tǒng)中前后安裝兩個運動限位單元，測量端越界時會自動觸發(fā)停止電平，確?；瑒訙y量端在安全范圍內(nèi)工作。為應(yīng)對突發(fā)緊急事件，系統(tǒng)增加了緊急制動按鈕，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進行介電特性采集。Agilent E4980A是一款用于元器件接收檢驗、質(zhì)量控制和實驗室使用的通用LCR儀表。Agilent E4980A可在寬頻和寬幅測試信號電平范圍內(nèi)對LCR元件及半導(dǎo)體器件進行評估和測試，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測量，且在每個范圍內(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，支持自動測試。通過GPIB轉(zhuǎn)串口與PC端通信。由PC端上位機可設(shè)置LCR測試儀的測試頻率，測試模式，讀出測試結(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)

為保證測試平臺能在嚴(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。實際測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

3.1 主控單元軟件設(shè)計

主控單元作為運動狀態(tài)控制的核心節(jié)點，負(fù)責(zé)運動控制系統(tǒng)與上位機通信。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)送請求標(biāo)志位是在數(shù)據(jù)傳輸時序控制單元中設(shè)置的。數(shù)據(jù)傳輸時序控制單元包含在定時器中斷函數(shù)中，具有計數(shù)功能，設(shè)定了產(chǎn)生脈沖的模式和數(shù)據(jù)上傳的時序[5]。

3.2 上位機軟件設(shè)計

上位機軟件設(shè)計包括LCR測試數(shù)據(jù)、運動狀態(tài)和位移數(shù)據(jù)的采集系統(tǒng)，測試端子A運動控制系統(tǒng)和上位機界面動態(tài)顯示部分。

上位機軟件流程如圖3所示。界面數(shù)據(jù)收集包括LCR讀取的冰芯介電特性，對應(yīng)介電特性的位移以及運動模式狀態(tài)信息。系統(tǒng)的數(shù)據(jù)同步由兩個定時器、請求發(fā)送定時器和數(shù)據(jù)更新定時器完成。請求發(fā)送定時器負(fù)責(zé)控制LCR測試儀查詢以及切換測試模式和對位移的查詢。數(shù)據(jù)更新定時器負(fù)責(zé)手動控制的查詢檢測、UI界面的更新、動態(tài)圖表的更新以及數(shù)據(jù)入庫。

上位機軟件實際效果如圖4所示。數(shù)據(jù)檢測區(qū)顯示了實時測試冰芯的電感、電容、電阻值，還具有波形顯示選擇，波形顏色選擇等功能。下方是位移實時顯示框，附帶有位移清零功能。串口控制區(qū)分別布置了LCR串口、位移串口以及點擊控制串口的串口號和波特率的設(shè)置選項框，同時還具有LCR測試頻率手動界面調(diào)整功能。右側(cè)是電機的界面控制按鈕左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)和停止選項。其上方的動態(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。同時圖表具有鼠標(biāo)滾輪時縮放、按下鼠標(biāo)中鍵盤移動以及按下鼠標(biāo)右鍵出現(xiàn)菜單的功能。菜單附加了一鍵截屏、保存實時圖形等功能。隨著鼠標(biāo)在曲線上移動，還能實時顯示曲線上鼠標(biāo)點的測量值與坐標(biāo)的數(shù)字框，方便研究人員對測量點數(shù)據(jù)的實時直觀掌握。

4 測試

4.1 機械部分測試

供電后，按下總開關(guān)，系統(tǒng)運行指示燈亮起。按下前進，測試端子在步進電機和減速電機的驅(qū)動下開始前進，直到前方運動限位處停下。按下后退按鈕，測試端子開始向后運動，運動過程中按下停止按鈕，測試端子停止運動，繼續(xù)按下后退按鈕，直到測試端子運動到后方運動限位處停下。在測試過程中，測試端子的運動不會對履帶內(nèi)的測試線纜造成拉扯、擠壓等機械損傷。測試端子可上下靈活調(diào)整，且運動在減速電機的配合下抵消了步進電機的運動抖動。

4.2 軟件部分測試

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

測試過程：機械部分上電后，打開上位機界面，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，電機串口COM1、波特率為9 600。設(shè)置測試頻率為1 000 Hz，按下位移調(diào)零并用記號筆標(biāo)記測試端子A在機臺的位置。點擊界面連接各個串口，點擊右轉(zhuǎn)，一段時間后點擊停止。測量發(fā)現(xiàn)測量端子實際運動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：設(shè)置軟件環(huán)境后把測量頻率改為1 000 Hz，自選10～2 800 Ω之間的若干組電阻進行DEP測量，得到圖5所示的該系統(tǒng)的電阻誤差率曲線圖。其中實線為電阻誤差率，虛線為擬合趨勢線。從擬合趨勢線可以看出，測量阻值越大電阻誤差率越小，整體誤差率在0.5%以內(nèi)。

對電容的測試：從阻值為10～5 600 pF之間的瓷片電容中選擇了20組，在測試頻率為1 000 Hz的條件下進行測試。誤差百分比曲線如圖6所示，實線為電容誤差率，虛線為擬合趨勢線。從擬合趨勢線可以看出，實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。

對于電感誤差的測試：試驗選擇10 μH～1 000 mH的14組常用電感進行測試，測試結(jié)果如圖7所示。其中實線為電感誤差率，虛線為擬合趨勢線。從擬合趨勢線可以看出，在電感大于100 μH時實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。

5 結(jié) 語

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

參考文獻

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