振動樣品磁強(qiáng)計(jì)低溫控溫儀的研制

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1、吉林大學(xué)碩士論文第一章緒論振動樣品磁強(qiáng)計(jì)(VSM)測試技術(shù)是S.Fancr五十年代在綜合了磁性測量中的磁感應(yīng)法與磁強(qiáng)計(jì)法二者的優(yōu)點(diǎn)下提出的。具有:1，靈敏度高，可以測試微小樣品;2幾乎沒有漂移，能長時間進(jìn)行測量;3.可以測量與溫度有關(guān)的磁特性;4.可以測量與不同磁化方向相關(guān)的磁參數(shù)等優(yōu)點(diǎn)。近年來，由于現(xiàn)代電子技術(shù)尤其是鎖相放大技術(shù)的發(fā)展，極大地提高了其靈敏度，擴(kuò)展了其使用范圍。隨著人們對磁的應(yīng)用日益廣泛，對物質(zhì)在不同環(huán)境下的各種磁參數(shù)的研究要求逐漸提高。目前在磁測量領(lǐng)域，振動樣品磁強(qiáng)計(jì)是應(yīng)用最廣泛

2、的一種。由于振動樣品磁強(qiáng)計(jì)的特點(diǎn)，使其被廣泛的應(yīng)用于測量微小樣品以及與溫度相關(guān)的磁特性實(shí)驗(yàn)中，可以測量粉狀、粒狀、膜狀等磁性材料，一般可以測量曲線:磁化曲線、磁滯回線、退磁曲線、熱磁曲線，測量參數(shù):比飽和磁矩。s、比飽和磁化強(qiáng)度4jTMs、剩磁Br、內(nèi)察嬌頑力Me,剩磁矯頑力bHc、最大磁能積(BH)max,居里溫度Tc,磁化率、磁導(dǎo)率u。一般的振動樣品磁強(qiáng)計(jì)測量樣品的溫度為室溫，或通過加熱裝置可以測量高溫的磁性參數(shù)，但是由于對物體低溫磁特性研究的日益深入，需要進(jìn)行低溫的磁性測量越來越多。由于振動

3、樣品磁強(qiáng)計(jì)的限制，不能使用普通的降溫裝置，就需要使用特殊的低溫控制設(shè)備?，F(xiàn)在比較多的控溫裝置都是針對室溫到1000℃之間，低溫的控溫儀還比較少見，而且普遍存在控制精度低，儀器成本較高的現(xiàn)象。比如美國的PAR公司的一套M155振動樣品磁強(qiáng)計(jì)的液氮溫區(qū)的溫度測量控制系統(tǒng)需要數(shù)萬美元。國產(chǎn)的控溫儀雖然成本相對低一些，但是普遍存在控制溫區(qū)比較窄，吉林大學(xué)碩士論文控制精度較差的缺點(diǎn)。為了便于我們開展物質(zhì)低溫下磁性參數(shù)的研究，并有效的降低實(shí)驗(yàn)成本，我們研制了一個針對振動樣品磁強(qiáng)計(jì)使用的低溫控溫儀，利用單片機(jī)8

4、OC196KC進(jìn)行主控制，使用液氮制冷達(dá)到比較寬的控制溫區(qū)。整臺儀器的成本較低，可以實(shí)現(xiàn)較高的控制精度。在實(shí)際測量中，當(dāng)需要在某種特定的溫度下對測試樣品進(jìn)行測量時，溫度條件是否滿足直接影響到測量的準(zhǔn)確性與結(jié)論。一般小樣品的熱容小，溫度變化快，受外界影響比較大，并且在實(shí)際使用中還要有其他的參數(shù)需要測量控制，所以需要控溫儀對溫度的控制精確穩(wěn)定，減少被測樣品溫度值的震蕩，并需要減少和其他儀器的噪聲干擾。為此我們在測量、采樣、回控等環(huán)節(jié)上都采取了一些特殊的處理方法。采用光電禍合方法和多次平均算法，都可以有

5、效減少振動樣品磁強(qiáng)計(jì)的電源對控溫儀的干擾;在控制算法中采用分段式PID算法，給出合理的PID參數(shù)與模型公式，計(jì)算出合理輸出功率值，有效抑制被測樣品溫度值的過沖，并能夠快速達(dá)到設(shè)定溫度。為了適應(yīng)不同測量的需要，方便該系統(tǒng)的升級與改造，本系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)，這樣可以通過很少的改動，就能使該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對其它物理量的測量及控制。本系統(tǒng)由控溫儀主體，制冷裝置以及_L位機(jī)構(gòu)成，我們完成了控溫儀主體部分的研制以及上位機(jī)調(diào)試程序的編寫。本文將從控溫儀的電路原理和軟件程序設(shè)計(jì)等幾個方面給予詳細(xì)說明。吉林大學(xué)碩士論文第

6、二章主控制單元主控制單元的單片機(jī)選擇80C196KC。該部分的功能為:利用熱敏電阻測量出室溫，將室溫與采集部分發(fā)送過來的溫度值(被測樣品溫度與室溫的差值)一起進(jìn)行計(jì)算，最后得出真實(shí)的被測樣品的溫度值。根據(jù)被測樣品的溫度值，以及設(shè)定的溫度值，利用PID算法計(jì)算出所需的輸出功率，然后將輸出功率傳送到輸出部分，并將真實(shí)的被測溫度值送到顯示部分進(jìn)行顯示，同時可以接收上位機(jī)的參數(shù)設(shè)定，并將溫度值發(fā)送到上位機(jī)。一.8OC196KC單片機(jī)簡介80C196KC是Intel公司的16位單片機(jī)，具有低功耗、高性能的特

7、點(diǎn)。它適用于自動控制、信號處理系統(tǒng)和高級智能儀器。它的主要性能特點(diǎn)如下:1，工6位的CPU(中央處理器)該CPU在結(jié)構(gòu)上的最大特點(diǎn)是:沒有采用習(xí)慣的累加器結(jié)構(gòu)，改用寄存器—寄存器結(jié)構(gòu)，CPU的操作直接面向512字節(jié)的寄存器，消除了一般CPU結(jié)構(gòu)中存在的累加器的瓶頸效應(yīng)，提高了操作速度和數(shù)據(jù)吞吐能力。16位的CPU(中央處理器)支持位、字節(jié)和字的操作，在部分指令中還支持32位雙字操作。2.高效的指令系統(tǒng)該指令系統(tǒng)可以對不帶符號數(shù)進(jìn)行操作，有16位乘16位和32位除16位的乘除指令，有符號擴(kuò)展指令，還

8、有數(shù)據(jù)規(guī)格化指令(有利于浮點(diǎn)計(jì)算)等等，這些是它優(yōu)于MCS-51指令系統(tǒng)之處。吉林大學(xué)碩士論文3.8或10位A/D轉(zhuǎn)換器8OC196KC單片機(jī)中，有一個8通道的8位或10位的A/D轉(zhuǎn)換器使得它特別適用于多路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、智能儀器、控制系統(tǒng)等應(yīng)用領(lǐng)域4.脈寬調(diào)制輸出作為D/A轉(zhuǎn)換器輸出，80C196KC單片機(jī)可以直接提供3路脈寬調(diào)制信號，某些電機(jī)可以用它直接驅(qū)動。脈寬調(diào)制信號經(jīng)過積分就可以獲得直流輸出。D/A轉(zhuǎn)換器的分辨率為8位。5全雙工串行口8OC196KC具有與MCS-51兼容的