引 言

冰芯因其分辨率高、信息量大、保真性強(qiáng)、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(jī)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(jī)和主控單元可通過運(yùn)動控制單元控制機(jī)械系統(tǒng)以不同的運(yùn)動模式完成對冰芯的多運(yùn)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(jìn)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(yùn)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(yùn)行速度快、抗干擾能力強(qiáng)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(yùn)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(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)動控制系統(tǒng)中的減速電機(jī)保持同步， 保證維系測量精準(zhǔn)無誤。

2.3 運(yùn)動控制系統(tǒng)

在運(yùn)動控制系統(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)動狀態(tài)。為增加操作的靈活性，運(yùn)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(jī)。通過手動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)動狀態(tài)。將步進(jìn)電機(jī)和減速電機(jī)相組合，解決了測量過程中步進(jìn)電機(jī)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(yùn)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(jìn) 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(jìn)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(jī)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(yùn)動狀態(tài)控制的核心節(jié)點，負(fù)責(zé)運(yùn)動控制系統(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(jī)軟件設(shè)計

上位機(jī)軟件設(shè)計包括 LCR 測試數(shù)據(jù)、運(yùn)動狀態(tài)和位移數(shù)據(jù)的采集系統(tǒng)，測試端子A 運(yùn)動控制系統(tǒng)和上位機(jī)界面動態(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，對應(yīng)介電特性的位移以及運(yùn)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(jī)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(jī)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。

圖 4 上位機(jī)軟件實際效果圖

4 測試

4.1 機(jī)械部分測試

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)， 測試端子在步進(jìn)電機(jī)和減速電機(jī)的驅(qū)動下開始前進(jìn)，直到前方運(yùn)動限位處停下。按下后退按鈕，測試端子開始向后運(yùn)動， 運(yùn)動過程中按下停止按鈕，測試端子停止運(yùn)動，繼續(xù)按下后退按鈕，直到測試端子運(yùn)動到后方運(yùn)動限位處停下。在測試過程中，測試端子的運(yùn)動不會對履帶內(nèi)的測試線纜造成拉扯、擠壓等機(jī)械損傷。測試端子可上下靈活調(diào)整，且運(yùn)動在減速電機(jī)的配合下抵消了步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)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(jī)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(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(jī)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(yùn)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(jìn)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)。

圖 5 電阻誤差百分比曲線圖

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(jìn)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 10μH～1000mH的14組常用電感進(jìn)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。

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

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(jìn)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(jī)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。