基于VB的磁響應(yīng)性測試軟件的研制

時間：2022-11-18 04:16:06 理工學(xué) 我要投稿

相關(guān)推薦

　　現(xiàn)代磁性材料已經(jīng)廣泛的用在我們的生活之中，例如將永磁材料用作馬達(dá)，應(yīng)用于變壓器中的鐵心材料，作為存儲器使用的磁光盤，計算機用磁記錄軟盤等，那么它與VB又有怎樣的聯(lián)系呢?

　　第一章緒論

　　1.1課題的背景

　　磁性材料，是古老而用途十分廣泛的功能材料。中國很久以前就有了關(guān)于磁性材料發(fā)現(xiàn)和使用的記錄，其中最具代表性的是中國古代的司南，它是現(xiàn)代指南針的雛形。在十二世紀(jì)的大航海中，司南作為一種導(dǎo)航設(shè)備，發(fā)揮了巨大的作用，極大的推進(jìn)了人類文明的發(fā)展，促進(jìn)了東西方文化和物質(zhì)的交流[2]�，F(xiàn)代磁性材料已經(jīng)廣泛的應(yīng)用于我們的生活之中，例如可以將永磁材料用作馬達(dá)，也可以用作變壓器中的鐵心材料，亦可應(yīng)用于存儲器中使用的磁光盤，計算機用磁記錄軟盤等�？梢哉f，磁性材料與自動化、機電一體化、信息化、國防、國民經(jīng)濟的方方面面緊密相關(guān)。

　　近年來，磁性材料已成為科學(xué)研究的熱點和前沿，主要原因是其獨特的物理、化學(xué)性質(zhì)。隨著生物學(xué)、醫(yī)學(xué)的快速發(fā)展，高性能磁性材料的應(yīng)用也越來越廣泛，需求也越來越迫切。納米技術(shù)的快速發(fā)展更是極大的拓寬了磁性材料的研究領(lǐng)域和應(yīng)用范圍，它使得人們對磁性材料研究的尺度縮小到納米范圍[3]�；诂F(xiàn)代的科研水平，在納米范圍、原子尺度上研究和制備磁性納米粒子已經(jīng)不再是空想，并且還可以根據(jù)電子信息、生物醫(yī)學(xué)、航空航天等領(lǐng)域的需要，充分地利用磁性納米粒子的特性，將制備得到的磁性納米粒子與其它材料相組合，從而制備出各種類型的功能型磁性復(fù)合材料。

　　而在磁性納米材料的研究過程中，常常需要測定它的磁響應(yīng)性，即磁性納米材料對外加磁場的響應(yīng)時間。具備高磁響應(yīng)性的磁性納米材料越來越受到人們的關(guān)注。

　　1.2現(xiàn)階段的研究現(xiàn)狀

　　在磁性納米材料制備和特性測試過程中，研究人員往往需要對磁性納米材料進(jìn)行磁響應(yīng)性測試。經(jīng)查閱大量文獻(xiàn)和專利資料，目前市場上還沒有專門用于測試磁性納米材料的磁響應(yīng)性的儀器。研究人員采用的測試磁性納米材料磁響應(yīng)性的方法也是五花八門，大多都是自行設(shè)計的，操作方法繁瑣，耗費時間長。其中技術(shù)相對比較成熟的方法主要有兩種：

　　1.通過人眼觀察或在等間隔時間內(nèi)給磁性溶液拍照，來記錄在給定磁場下磁性溶液從開始渾濁變至澄清的時間，即可得到該材料的磁響應(yīng)時間。這種方法依賴于人眼識別，測量誤差大，耗費時間長。

　　2.在設(shè)定磁場中每隔一段時間，用紫外分光光度計分析出取出樣品從進(jìn)入磁場到澄清時所用時間。需要重復(fù)取樣，成本較高。

　　由此可見，目前磁性納米材料磁響應(yīng)性測量的方法并不成熟。

　　1.3 課題的主要研究內(nèi)容

　　本課題利用磁性納米材料中的磁性顆粒在外加磁場的作用下，會做定向運動，磁性溶液的透光率也隨之增大的原理，通過測量透過磁性納米溶液的光強度大小，最終得到溶液的磁響應(yīng)特性。

　　本課題通過VB編程設(shè)計開發(fā)用于檢測磁性納米材料的磁響應(yīng)特性的軟件系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過實時采集激光經(jīng)容器內(nèi)磁性納米材料透射出的光強，獲取磁性納米材料的磁響應(yīng)時間并繪制磁響應(yīng)特性曲線。

　　全文共分為四章，各章節(jié)的主要內(nèi)容安排如下：

　　第一章為緒論，簡要介紹了磁性材料的發(fā)展和應(yīng)用領(lǐng)域、對磁性納米材料磁響應(yīng)性的研究現(xiàn)狀。

　　第二章對材料磁性的一般性原理以及磁性材料的分類進(jìn)行簡單說明，著重介紹了磁響應(yīng)性的檢測原理和本系統(tǒng)的硬件組成部分。

　　第三章在闡述了原理的基礎(chǔ)上，講述了本測試的軟件部分。介紹了串行通信的概念及線路連接、VB中常用的串口通信控件及建立方法。著重介紹系統(tǒng)的VB顯示界面。利用RS232串口可以實現(xiàn)單片機與上位機之間的通信，它是目前應(yīng)用最廣泛的串口通信端口。利用VB與Microsoft Excel相結(jié)合，解決了VB在數(shù)據(jù)處理以及繪制圖表方面存在的不便，無需編寫大量的Visual Basic語言，及提高了編程效率，也可以提高系統(tǒng)的可維護(hù)性，增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

　　第四章分析了本設(shè)計的軟件系統(tǒng)所得到的實驗數(shù)據(jù)。

　　1.4 本章小結(jié)

　　磁性材料在很久以前就已經(jīng)被發(fā)現(xiàn)和使用。21世紀(jì)，隨著化學(xué)、醫(yī)學(xué)和生物學(xué)的發(fā)展，磁性納米材料更是展現(xiàn)出了廣闊的應(yīng)用前景。在磁性納米材料的研究過程中，常需要測定納米磁性材料的磁響應(yīng)性。然而目前市場上還沒有針對磁響應(yīng)的專門的測試儀器�，F(xiàn)有的測量方法雖然種類很多，然而測量原理五花八門，大都存在一定的缺陷。

　　本課題是基于磁性納米溶液中的磁性納米粒子在外加磁場的作用下會做定向運動、使溶液透光率隨之改變的特性。通過測量透過溶液光強度的變化，最終得到磁性納米顆粒的磁響應(yīng)時間曲線。

　　第二章磁響應(yīng)性測試的理論和硬件部分

　　2.1 磁性材料

　　磁性材料是指具有磁有序的強磁性物質(zhì)，廣義還包括可應(yīng)用其磁性和磁效應(yīng)的弱磁性及反鐵磁性物質(zhì)。磁性是物質(zhì)的一種基本屬性[4]。

　　2.1.1 材料磁性的一般性原理

　　能吸引鐵、鈷、鎳等物質(zhì)的性質(zhì)稱為磁性。

　　一般情況下，可以粗略的認(rèn)為材料的磁性起源于物質(zhì)內(nèi)部的原子磁矩。原子磁矩是指原子或分子中電子的自旋磁矩、軌道磁矩和核磁矩的矢量和。核磁矩通常可忽略，原子磁矩則為電子自旋磁矩與軌道磁矩的總和的有效部分。大多數(shù)物質(zhì)中，電子運動的方向各不相同、雜亂無章，磁效應(yīng)相互抵消。因此，大多數(shù)物質(zhì)在正常情況下并不呈現(xiàn)磁性。

　　鐵、鈷、鎳或鐵氧體等鐵磁類物質(zhì)有所不同。它們內(nèi)部的電子自旋可以在小范圍內(nèi)自發(fā)地排列起來，形成一個自發(fā)磁化區(qū)，這種自發(fā)磁化區(qū)就叫磁疇。鐵磁類物質(zhì)磁化后，內(nèi)部的磁疇整整齊齊、方向一致地排列起來，使磁性加強，對外就會呈現(xiàn)出宏觀的磁性[5]。

　　磁疇理論是用量子理論從微觀上說明鐵磁質(zhì)的磁化機理。所謂磁疇，是指磁性材料內(nèi)部的一個個小區(qū)域，每個區(qū)域內(nèi)部包含大量原子，這些原子的磁矩都像一個個小磁鐵那樣整齊排列，但相鄰的不同區(qū)域之間原子磁矩排列的方向不同。各個磁疇之間的交界面稱為磁疇壁。宏觀物體一般總是具有很多磁疇，這樣磁疇的磁矩方向各不相同，結(jié)果相互抵消，矢量和為零，整個物體的磁矩為零。也就是說，磁性材料在一般情況下并不對外顯示磁性，只有當(dāng)磁性材料被磁化后，它才會對外顯示出磁性。

　　2.1.2 磁性材料的分類

　　在對磁性物質(zhì)進(jìn)行分類時，依據(jù)不同的標(biāo)準(zhǔn)，可以將磁性物質(zhì)進(jìn)行不同的分類。按照物質(zhì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)及其在外磁場中的響應(yīng)情況可分為抗磁性、順磁性、鐵磁性、反鐵磁性和亞鐵磁性物質(zhì)。鐵磁性和亞鐵磁性物質(zhì)為強磁性物質(zhì)，抗磁性和順磁性物質(zhì)為弱磁性物質(zhì)。按化學(xué)成分和性能的不同，可分為金屬磁性材料和非金屬磁性材料兩類，前者主要有電工鋼、鎳基合金和稀土合金等，后者主要是鐵氧體材料。按使用又分為軟磁材料、永磁材料和功能磁性材料。功能磁性材料主要有磁致伸縮材料、磁記錄材料、磁電阻材料、磁泡材料、磁光材料，旋磁材料以及磁性薄膜材料等，反映磁性材料基本磁性能的有磁化曲線、磁滯回線和磁損耗等。

　　2.2 磁響應(yīng)性檢測原理

　　2.2.1 磁性納米材料的磁響應(yīng)性

　　在科研或材料制備過程中，常利用磁化率來表示該種材料對外加磁場的磁響應(yīng)性大小。物質(zhì)在外磁場作用下，由于其內(nèi)部帶電體的運動，材料被磁化，產(chǎn)生一附加磁場，其磁場強度即被磁化的程度就表示為磁化率。磁化率越大，則磁響應(yīng)性就越大，通常情況下，順磁性物質(zhì)的磁化率大于零，抗磁性物質(zhì)的磁化率小于零。在實驗中，常利用古埃磁天平來測量材料的磁化率[6]。

　　另外，也可以用一定時間內(nèi)含有固形物顆粒的體積在總體積中占有的百分比反映磁性顆粒的磁響應(yīng)性能。需要取待測溶液與試管中，并將其置于磁鐵上，記錄在磁場作用下磁性顆粒下降的刻度值[7]。

　　此外，也可以用磁響應(yīng)時間，即在一定的外磁場作用下，磁性納米溶液中磁性微球完全被磁場吸附所需要的時間來表示材料的磁響應(yīng)性大小。西北大學(xué)生物芯片研發(fā)中心的崔亞麗等人在研究Fe3O4/Au的磁響應(yīng)性時，取一定量的磁性復(fù)合微粒置于Eppendorf管中，并將其置于自制磁性分離架上，通過記錄磁性復(fù)合微粒被分離至貼壁膠體溶液完全澄清的時間，確定復(fù)合微粒對外加磁場的響應(yīng)性。

　　在磁場作用下，磁性納米溶液中的磁性顆粒被磁化，產(chǎn)生一個與外加磁場方向相同的磁場，由于磁場間的相互作用，并且磁性顆粒的質(zhì)量比產(chǎn)生外磁場的磁鐵質(zhì)量小的多，因此，磁性顆粒會沿著磁場方向運動，最終聚集在盛溶液裝置靠近磁鐵的一側(cè)，使溶液變澄清。所以，只需要測定溶液從渾濁變澄清所需要的時間，就可以得到該材料的磁響應(yīng)時間。

　　在本設(shè)計中，正是利用磁性顆粒在外加磁場的作用下，會做定向運動的原理，來測量材料的磁響應(yīng)特性的。測量一旦開始，系統(tǒng)便不停地采集透過磁性溶液的光強度信息，若所采集到的光強度信息不變或變化非常小，則認(rèn)為溶液中的磁性顆粒被完全吸附，溶液變澄清。

　　2.2.2 磁響應(yīng)性的檢測裝置

　　課題設(shè)計的磁性納米材料磁響應(yīng)特性檢測裝置主要由：磁場控制系統(tǒng)、溶液盛放模塊、激光發(fā)射與接收系統(tǒng)、信號處理系統(tǒng)、單片機控制系統(tǒng)、串口通信系統(tǒng)、VB界面控制系統(tǒng)組成，用于對磁性納米材料的磁響應(yīng)時間進(jìn)行檢測。

　　磁場控制系統(tǒng)：用于提供磁場并控制外加磁場的大小，使磁性溶液的磁性納米顆粒做定向運動，進(jìn)而改變?nèi)芤旱耐腹饴?

　　溶液盛放模塊：用于盛放待檢測的磁性納米溶液;

　　激光發(fā)射與接收系統(tǒng)：用于產(chǎn)生激光穿過磁性納米溶液并將接收的光信號傳給信號處理系統(tǒng);

　　信號處理系統(tǒng)：用于接收激光接收器傳入的光信號，并將其I/V變換、放大、A/D轉(zhuǎn)換等，最終轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號傳給單片機控制系統(tǒng);

　　單片機控制系統(tǒng)：用于控制傳感器采集光信號、接收信號處理系統(tǒng)傳入的光強度數(shù)據(jù)、并通過串口通信系統(tǒng)將光強度數(shù)據(jù)傳送給電腦;

　　串口通信系統(tǒng)：由MAX232、RS232、串口線、電腦數(shù)據(jù)接口組成，用于進(jìn)行單片機與電腦之間的數(shù)據(jù)傳輸;

　　VB界面控制系統(tǒng)：用于控制單片機采集數(shù)據(jù)、接收單片機控制系統(tǒng)傳入的光強度數(shù)據(jù)并將其以折線圖的形式動態(tài)顯示、光強度數(shù)據(jù)自動保存于Microsoft Excel中并形成圖表。

　　2.3 裝置硬件結(jié)構(gòu)框圖

　　整個裝置由電腦控制，將所測的磁性納米材料的溶液放入溶液器中，由電腦界面控制整個裝置的運行。圖2-1為裝置的總體框圖。

　　圖2-1 裝置整體圖

　　2.4 本章小結(jié)

　　物質(zhì)的宏觀磁性起源于微觀的原子磁矩。而原子磁矩主要由電子自旋磁矩和軌道磁矩組成。在無外加磁場作用下，若物質(zhì)內(nèi)部磁疇相互平行排列，則整體磁矩加強，該物質(zhì)為鐵磁性物質(zhì)，若磁疇相互反平行排列，則凈磁矩為零，該物質(zhì)為反鐵磁性物質(zhì)。順磁性物質(zhì)的磁疇在無外加磁場時呈無序排列，只有在外加磁場條件下才能產(chǎn)生平行有序的排列。

　　在科學(xué)研究或是材料制備過程中，用于表示材料磁響應(yīng)性大小的方法有兩種：第一種是用磁化率來表示，可以利用古埃磁天平測量得到;第二種是利用磁性顆粒被外磁場吸附所需要的時間，即磁響應(yīng)時間來表示。

　　因磁性納米材料中的磁性顆粒在外加磁場的作用下，會做定向運動，磁性溶液的透光率也隨之增大。通過測量透過磁性溶液的光強變化，進(jìn)而得到激光在磁性溶液中不同時間的透光度，最終便可得到溶液的磁響應(yīng)時間曲線。

　　基于VB的磁性納米材料磁響應(yīng)特性檢測裝置主要由7個部分組成，它們分別是：磁場控制系統(tǒng)、溶液盛放模塊、激光發(fā)射與接收系統(tǒng)、信號處理系統(tǒng)、單片機控制系統(tǒng)、串口通信系統(tǒng)以及VB界面控制系統(tǒng)。電腦擁有整個裝置的最高控制權(quán)，各個部分相互協(xié)調(diào)，共同完成磁響應(yīng)時間的測量。

　　結(jié)束語

　　磁性材料，是古老而用途十分廣泛的功能材料。近年來，磁性材料已成為科學(xué)研究的熱點和前沿，隨著生物學(xué)、醫(yī)學(xué)的快速發(fā)展，高性能磁性材料的應(yīng)用也越來越廣泛。

　　在磁性納米材料制備和特性測試過程中，研究人員往往需要對磁性納米材料進(jìn)行磁響應(yīng)性測試。通過測量透過磁性溶液的光強度大小，進(jìn)而得到激光在不同磁性溶液的透光度，最終可以得到該納米材料的磁響應(yīng)時間曲線。測量自動完成，解放了人的雙手，提高了測量的準(zhǔn)確性。

　　本設(shè)計中利用RS232和VB中的MSComm控件實現(xiàn)了測量控制電路與顯示界面之間的串口通信。軟件界面不僅可以直觀的觀察光強度的變化，而且可以將數(shù)據(jù)保存到Microsoft Excel中，方便數(shù)據(jù)保存，有利于研究人員分析磁性納米材料的性質(zhì)。利用VB與Excel相結(jié)合實現(xiàn)數(shù)據(jù)保存和自動繪圖，大大提高了編程效率，增加了系統(tǒng)的可維護(hù)性。

　　實驗證明，本設(shè)計的軟件系統(tǒng)具有以下優(yōu)點：

　　1.代替了人工手動測量,簡單,高效,誤差小;

　　2.數(shù)據(jù)實時采集，光強變化動態(tài)顯示，整體趨勢一目了然;

　　3.從開始測量至測量結(jié)束過程中無需人員駐守，節(jié)約時間，提高工作效率;

　　4.自動形成圖表,并通過excel保存數(shù)據(jù),利于后續(xù)研究分析;

　　5.采用低成本設(shè)計方案，可靠性、實用性強。

　　本設(shè)計中也存在著一些不足，數(shù)據(jù)采集密度有待加強，可以使圖形界面更加細(xì)膩。

【基于VB的磁響應(yīng)性測試軟件的研制】相關(guān)文章：

眼科仿真見習(xí)教學(xué)軟件的研制與應(yīng)用08-30

基于LabVIEW的舵機自動加載測試系統(tǒng)軟件設(shè)計探究（精選8篇）12-03

談述基于金融監(jiān)管效率的金融監(jiān)管復(fù)雜性08-04

淺析計算機軟件可維護(hù)性方法04-20