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1、河南师范大学学报 (自然科学版)第 31 卷 第 4 期 2003 年 11 月Vol . 31 No. 4J ournal of Henan Normal University ( N atural Science) Nov . 2003 文章编号 :1000 - 2367 (2003) 04 - 0039 - 04材料电特性的自动化测量研究樊贵卿1 ,袁延忠2 ,吕朝龙2 ,李喜贵2 ,路庆凤2(1. 河海大学 计算机与信息工程学院 ,江苏 常州 213002 ;2. 河南师范大学 物理与信息工程学院 ,河南 新乡 453002)摘要 :本文针对物理学院凝聚态物理实验室采用人工读数测量手段
2、落后的现状 ,研究了材料电特性的自动化测量方法 ,实现了材料电特性测量的自动化 .关键词 :凝聚态物理 ;电特性 ;自动化测量中图分类号 :O511. 9文献标识码 :A1911 年 ,荷兰物理学家昂尼斯首次发现了 4 . 2 K 以下水银的超导电性 ,揭开了人类科学史上研究超导现象的第一页 . 长期以来 ,超导材料的研究和应用成为世界上最引人注目的领域之一. 我们学院也积极投身于 超导材料的合成及其特性的研究工作 ,但是 ,自从 1986 年建立超导研究实验室以来 ,一直采用的是眼看 、口 读 、手写的测量方法 ,或采用 X2Y 记录仪将所测量的试样电阻和温度信号分别作为 X 轴和 Y 轴记
3、录在坐标纸上 ,然后人工标定试样电阻值和温度值 . 一次测量需要几个人连续工作好几个小时 ,不仅浪费时间 ,而且测 量精度和可信度也会大打折扣. 落后的测量手段自然严重的影响着我院的科研工作. 国内外许多相关科研单 位早就实现了测量的自动化. 这并不是说我们没有自动化测量的技术水平 ,只不过我们一直没有配置可以和 计算机相连的测量仪器 . 为了解决这一问题 ,学院在 2002 年春季购置了两块美国 Agilent 公司的 3494A1 型万 用表 ,秋季又购置了 Agilent 公司的计算机接口 GPIB 板 . 这为我们开始进行自动化测量的研究打下了基础 .材料的电特性和测量方法 1 除了电
4、介质以外 ,材料在电场中的行为遵从欧姆定律 U = RI , R 由材料的性质所决定 ,即1R = L(1)SL 是试样的长度 , S 是试样的横截面积 ,称为电阻率 , 可以作为材料电特性的量度. 有时也用与 相对应的电导率来表示材料的导电性 , 且 = 1/ . 由微观的欧姆定律22ne ljne = 或 =(2)2 m vE 2 ml 是参与导电的电子的平均自由程 , v 是平均速度 , 它们都是温度的函数 , 由此可知电阻率 是温度 T 的函数 . 一般可以表示为i = 0 + ( T)(3)i其中 0 为常数.材料电特性的测量实际上归结为一个一定几何尺寸试样电阻的测量 ,根据几何尺寸
5、和电阻值就可以由(1) 式算出电阻率 . 如果跟踪测量试样在变温装置中的电阻 ,便可以得到电阻率和温度的关系曲线 . 材料的电 阻测量一般采用四引线法 ,本研究我们选择具有较高转变温度的超导材料 YBa2 Cu3O6 + x 作为试样 ,两根电流 收稿日期 :2003 - 08 - 05基金项目 :河南省自然科学基金资助 (0111050700)作者简介 :樊贵卿 (1964) ,男 ,河南武陟人 ,河海大学副教授 ,主要从事电子测量与智能化仪表技术研究 .引线与恒流源相连 ,两跟电压引线连接到电压表 ,由于电压测量回路的高输入阻抗特性 ,因此能够避免引线接点电阻给测量带来的影响.自动化测量的
6、设计 24 为了实现自动化测量 ,我们根据测量原理以及仪表的适用语言 ,选用较简单的程序语言 Visual Basic 6 . 0进行程序设计 .2. 1 GP2IB 接口板美国 Agilent 公司生产 ,型号为 82350A ,通过接口板控制电表 ,接口板 I/ O 设置程序厂家已经给出 ,应首 先将接口板驱动程序装到计算机上 .2. 2 材料信息的录入每一次测量 ,都需要填入材料的信息和测量参量 ,比如样品的长 、宽 、高 ,测量的温度间隔等 ,如图 1 所 示 . 为了使测量顺利正确进行 ,必须保证输入信息是正确的.2. 3 温度计及其校正我 们 的 程 序 支 持 的 温度 计 有
7、两 种 , 即 Cu 温度计和 Au + 0 . 07 % Fe2Cr 温度计 ,可以从液氮温度 (77 . 35 K) 到 室 温 进 行 测 量 . 在 测 量 之 前 , 需 要 选 择温度计类型 ,并将温度计校正表读入数组. 由于 热电偶温度计测温时 , 会 有一定的系统误差 , 需要 在测量中进行温度校正 . 我 们 所 使 用 的 Au + 0 .07Fe2Cr 温度计 ,在液氮点的校 正 参 数 是 : 4 024 V- 77 . 35 K. 确认试样到 达液氮温度后 ,方可进行温度校正.2. 4 坐标绘制坐标绘制是一个难点 . 因为测量结果有时很难预料 ,比如刚开始设定的坐标系
8、统可能不适合测量 ,致使 点打得很密集 ,这时如果改变坐标系统 ,以前的数据点就会失去 . 我们采用临时文件的办法 ,在存储主数据的同时 ,将打点需要的数据存到临时文件里 ,需要时随时拿出来重绘图形.2. 5 电表的控制与读数测量程序用到两块美国 Agilent 公司生产的 HP34401A 型电压表 ,一块测量材料电压 ,另一块测量温度计 电压. 对电表的控制 ,我们使用厂商提供的电表控件 Agt3494A ,编程时只需要加入控件 ,设置属性即可. 由于是两块表 ,应将它们的接口地址分别设置 ,才能实现对电表的控制 . 例如 : 我们将测温度的电表地址设为 26 ,将测电压的电表地址设为 1
9、5 . 温度计电压和样品电压要同时读才有效 ,但是计算机无法同时给电表发送命2I E 浏览器打开 .3 对测量程序的分析讨论3. 1 程序的特点程序采用可视化图形界面 ,易于操作和掌握. 在信息输入时 ,设置容错处理 ,防止程序操作中的失误 ; 在 程序运行中 ,可以随时更改温度间隔 ,可更改重新绘制的坐标系统 ,方便了测量过程中的实时观测. 更改温度间隔 ,需要在相应文本框内填入要设定的新间隔 ,然后点旁边的确定按钮 ;更改坐标 ,点击相应按钮 ,填入新的坐标范围 ,系统会自动重新绘制图像 . 对图像的重绘 ,采用的是临时文件的办法 ,就是在记录测量数据时 , 也在临时文件里记录打点的数据
10、,重绘时 ,直接从临时文件里面读入数据即可 ;在测量过程中 ,您可以随时更 改绘图颜色 ,为了节省时间 ,系统提供了几种常用颜色 ,以供选择 ,只要点击相应的按钮即可 . 实验中无需特殊的控温设备 ,只需将试样架缓慢浸入液氮中 ,即可实现 77 K300 K 温度区的变温测试 ,在测量过程中 ,除 了可以在文本框中查看测量数据 ,您还可以在文件菜单中运行“查看数据文件”菜单 ,显示已经测定的数据 .3. 2 程序的改进方向尽管系统拥有很多优点 ,但是其不足也不少 ,需要在电表控 制安全性 、系统结构优化 、测量速度等方面继续做些改进 . 目前 ,程序的功能还比较单一 ,只能够测量材料的导电特性
11、 ,如果能将 涉及材料特性测量的其他功能也加入进来 ,这个系统才可以成 为一个完整的 、功能较强的系统. 当然 ,这是我们以后的努力方 向 .4测量结果的比较我们将自动测量的结果和近代实验中两个小组的实验结果进行比较. 表 1 给出了自动测量和人工测量的数据 ,由此可见 ,人工读数的记录速度是无法和计算机相比的 .表 1自动测量和人工测量的数据测量者计算机甲 组乙 组244 ( 降温)点 数179 ( 降温)44 ( 降温) 251 ( 升温) 图 2图 4 所示为被测试样 YBa2 Cu3O6 + x 的电阻率随温度变化的关系曲线 ,由图可见 ,乙组测的数据太少 ,而且在超导转变温度附近没有
12、测到数据 ;甲组虽说测的点数较多 ,但是在 230 K 以上没有读到数据 ,而且 超导转变温度处的数据离散度较大 . 自动测量的优越性则是显而易见的 .结论5我们利用 GPIB 接口将计算机与数字万用表和恒流源相连 ,选用较简单的程序语言 Visual Basic 6 . 0 进行程序设计 ,在设计过程中 ,突破了温度与电压测量的同时性 ,坐标的设置与重绘 ,电压到温度的转换等难题 ,最终实现了材料电特性的自动化测量 .参考文献1234陈树川 ,陈凌冰 . 材料物理性能 M . 上海 :上海交通大学出版社 ,1999. 3791.龚沛曾 ,陆慰民 ,杨志强 . Visual Basic 程序设
13、计教程 M . 北京 :高等教育出版社 ,2000. 110163.张树兵 . Visual Basic6. 0 入门与提高 M . 北京 :清华大学出版社 ,2002. 56118.刘炳文 . 精通 Visual Basic6. 0 中文版 M . 北京 :电子工业出版 ,1999. 92153.The study of the material electric characteristic mea surement a utomatizationFAN Gui2qing1 , YUAN Yuan2zhong2 ,LV Chao2long2 ,L I Xi2gui2 ,LU Qing2fe
14、ng2(1 . The Computer & Information College of Hehai University ,Changzhou 213002 ,China ;2 . College of Physics & Information Engineering , Henan Normal University , Xinxiang 453002 ,China)Abstract : We give a method for automatic measurement of electrical resistivity of materials.Key words : Conden
15、sed physics ;electric characteristic ;automize measurement(上接 16 页)Decentralized varia ble2structure control ba sed on stateobserver f or uncerta in composite large2scale systemsWANG Hong2jun1 , ZHU Shao2zhi2(1 . College of Mathematics and Information Science , Henan Normal University , Xinxiang 453
16、002 ,China ;2 . Pingdingshan Institute of Technology ,Pingdingshan 467001 ,China)Abstract :Based on state observer , the problem of decentralized Variable2Structure Stabilization is investigated for a class of uncertainlinear large2scale systems with parametric perturbation and interconnections and external disturbance , the proposed design is simple and the asymptotic stability of the closed2loop systems can be guaranteed.Key words :state observer ; uncertain composite large2sale systems ; output feedback ; decentralized variable2structure control
