冰芯介電特性測定儀研制

杜東洲　劉敬彪

摘 要：為了實現冰芯介電特性測定儀的自動化和自適應測試功能，文中設計一個基于Agilent E4980A的冰芯介電特性測試系統。該系統結合冰芯的介電常數、坐標信息以及測量狀態等，利用客戶端軟件數據進行分析處理，實時顯示位置與冰芯介電特性的動態圖形，同時該系統可設置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，達到更高的測量精度。該系統同時還可測量電阻、電容、電感和位移等參數。實驗結果表明，該系統的測量位移分辨率能夠達到0.08 mm，測量距離最大可達5 m，參數測試誤差在1%以內。

關鍵詞：Agilent E4980A；介電特性；冰芯；STM32

中圖分類號：TP39；TN401 文獻標識碼：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、極地能源勘測等領域的最好媒介[1]。通過物理和化學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[2]。目前國內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、測量數據與位置沒有得到實時處理等缺點。

基于上述現狀，本文設計的自動化冰芯介電特性測定儀采用機電一體化設計，實現了人性化的界面操作以及自動化的數據處理。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，在實現測量速度、頻率、長度可調整的同時還實現了對冰芯電阻、電容、電感的同時測量以及數據處理和動態繪圖顯示。

1 工作原理概述

本系統工作原理如圖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以不同的運動模式完成對冰芯的多運動模式測量，并負責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，并繪圖動態顯示。同時恒溫控制箱需確保整套系統可在極地正常工作。

2 硬件電路部分

硬件電路系統部分的整體結構設計如圖2所示。系統分為主控單元，位移采集系統，運動控制系統，介電特性采集系統，智能恒溫控制系統等。

2.1 主控單元

主控單元的主控芯片選用意法半導體公司（ST）生產的基于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、抗干擾能力強等優點，能滿足本設計的資源要求。

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

位移采集系統采用歐姆龍高精編碼器，解碼后發送至PC端。必須確保編碼器和運動控制系統中的減速電機保持同步，保證維系測量精準無誤。

2.3 運動控制系統

在運動控制系統中由主控單元連接PC進行通信，PC機中的上位機軟件經由主控單元控制電機控制器，進而控制電機的運動狀態。為增加操作的靈活性，運動控制系統中還設計有手動操作部分，其優先級高于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。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，提高了測量的精準性。系統中前后安裝兩個運動限位單元，測量端越界時會自動觸發停止電平，確?；瑒訙y量端在安全范圍內工作。為應對突發緊急事件，系統增加了緊急制動按鈕，可緊急關閉各系統電源。

2.4 介電特性采集系統

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對LCR元件及半導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，且在每個范圍內分辨率可達7位數。GPIB，LAN，USB 接口是Agilent E4980A上的標準接口，支持自動測試。通過GPIB轉串口與PC端通信。由PC端上位機可設置LCR測試儀的測試頻率，測試模式，讀出測試結果及后期的數據分析處理[4]。

2.5 智能恒溫控制系統

為保證測試平臺能在嚴寒地區正常工作，滿足工作溫度在-50℃到80℃之間的要求，特設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 軟件設計

3.1 主控單元軟件設計

主控單元作為運動狀態控制的核心節點，負責運動控制系統與上位機通信。主控系統軟件流程主要分為下行指令與上行數據的管理流程。其中串口發送請求標志位是在數據傳輸時序控制單元中設置的。數據傳輸時序控制單元包含在定時器中斷函數中，具有計數功能，設定了產生脈沖的模式和數據上傳的時序[5]。

3.2 上位機軟件設計

上位機軟件設計包括LCR測試數據、運動狀態和位移數據的采集系統，測試端子A運動控制系統和上位機界面動態顯示部分。

上位機軟件流程如圖3所示。界面數據收集包括LCR讀取的冰芯介電特性，對應介電特性的位移以及運動模式狀態信息。系統的數據同步由兩個定時器、請求發送定時器和數據更新定時器完成。請求發送定時器負責控制LCR測試儀查詢以及切換測試模式和對位移的查詢。數據更新定時器負責手動控制的查詢檢測、UI界面的更新、動態圖表的更新以及數據入庫。

上位機軟件實際效果如圖4所示。數據檢測區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置選項框，同時還具有LCR測試頻率手動界面調整功能。右側是電機的界面控制按鈕左轉、右轉和停止選項。其上方的動態圖表直觀顯示了冰芯的電感、電容、電阻和位移的關系。分別為不同測量參數提供了不同的彩色曲線圖以及不同顏色的坐標表示。同時圖表具有鼠標滾輪時縮放、按下鼠標中鍵盤移動以及按下鼠標右鍵出現菜單的功能。菜單附加了一鍵截屏、保存實時圖形等功能。隨著鼠標在曲線上移動，還能實時顯示曲線上鼠標點的測量值與坐標的數字框，方便研究人員對測量點數據的實時直觀掌握。

4 測試

4.1 機械部分測試

供電后，按下總開關，系統運行指示燈亮起。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

軟件部分經過了先測試后校準再測試的流程。經前期測試發現了機械誤差，由軟件內部算法處理校準后再次測試，可大大降低測試數據的誤差。

測試過程：機械部分上電后，打開上位機界面，設置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。設置測試頻率為1 000 Hz，按下位移調零并用記號筆標記測試端子A在機臺的位置。點擊界面連接各個串口，點擊右轉，一段時間后點擊停止。測量發現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。

校準后電阻誤差率檢測：設置軟件環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。

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，且隨著電容值增大有趨于平穩的趨勢。

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，且隨著電感值增大有趨于平穩且減小的趨勢。

5 結 語

該冰芯介電特性測定儀較好地實現了測試數據的自動保存與算法校驗分析。滿足了在連續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圖表。整套系統簡潔明了，界面非常人性化。從系統校準，測試參數設置到數據分析處理都實現了全自動化，大大加快了科研進程，減輕了傳統手動測量冰芯測試任務的壓力。尤其是機械結構的設計，安全可靠，擁有測量精度高，測量范圍廣，測量冰芯大小可調等優點。隨著我國對極地資源的深入開發，冰芯介電特性測定儀在科考領域將具有更加廣闊的應用空間。

參考文獻

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