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基于VB的磁响应性测试软件的研制

  第一章 绪 论

  1.1课题的背景

  磁性材料,是古老而用途十分广泛的功能材料。中国很久以前就有了关于磁性材料发现和使用的记录,其中最具代表性的是中国古代的司南,它是现代指南针的雏形。在十二世纪的大航海中,司南作为一种导航设备,发挥了巨大的作用,极大的推进了人类文明的发展,促进了东西方文化和物质的交流[2]。现代磁性材料已经广泛的应用于我们的生活之中,例如可以将永磁材料用作马达,也可以用作变压器中的铁心材料,亦可应用于存储器中使用的磁光盘,计算机用磁记录软盘等。可以说,磁性材料与自动化、机电一体化、信息化、国防、国民经济的方方面面紧密相关。

  近年来,磁性材料已成为科学研究的热点和前沿,主要原因是其独特的物理、化学性质。随着生物学、医学的快速发展,高性能磁性材料的应用也越来越广泛,需求也越来越迫切。纳米技术的快速发展更是极大的拓宽了磁性材料的研究领域和应用范围,它使得人们对磁性材料研究的尺度缩小到纳米范围[3]。基于现代的科研水平,在纳米范围、原子尺度上研究和制备磁性纳米粒子已经不再是空想,并且还可以根据电子信息、生物医学、航空航天等领域的需要,充分地利用磁性纳米粒子的特性,将制备得到的磁性纳米粒子与其它材料相组合,从而制备出各种类型的功能型磁性复合材料。

  而在磁性纳米材料的研究过程中,常常需要测定它的磁响应性,即磁性纳米材料对外加磁场的响应时间。具备高磁响应性的磁性纳米材料越来越受到人们的关注。

  1.2现阶段的研究现状

  在磁性纳米材料制备和特性测试过程中,研究人员往往需要对磁性纳米材料进行磁响应性测试。经查阅大量文献和专利资料,目前市场上还没有专门用于测试磁性纳米材料的磁响应性的仪器。研究人员采用的测试磁性纳米材料磁响应性的方法也是五花八门,大多都是自行设计的,操作方法繁琐,耗费时间长。其中技术相对比较成熟的方法主要有两种:

  1.通过人眼观察或在等间隔时间内给磁性溶液拍照,来记录在给定磁场下磁性溶液从开始浑浊变至澄清的时间,即可得到该材料的磁响应时间。这种方法依赖于人眼识别,测量误差大,耗费时间长。

  2.在设定磁场中每隔一段时间,用紫外分光光度计分析出取出样品从进入磁场到澄清时所用时间。需要重复取样,成本较高。

  由此可见,目前磁性纳米材料磁响应性测量的方法并不成熟。

  1.3 课题的主要研究内容

  本课题利用磁性纳米材料中的磁性颗粒在外加磁场的作用下,会做定向运动,磁性溶液的透光率也随之增大的原理,通过测量透过磁性纳米溶液的光强度大小,最终得到溶液的磁响应特性。

  本课题通过VB编程设计开发用于检测磁性纳米材料的磁响应特性的软件系统。该系统通过实时采集激光经容器内磁性纳米材料透射出的光强,获取磁性纳米材料的磁响应时间并绘制磁响应特性曲线。

  全文共分为四章,各章节的主要内容安排如下:

  第一章为绪论,简要介绍了磁性材料的发展和应用领域、对磁性纳米材料磁响应性的研究现状。

  第二章对材料磁性的一般性原理以及磁性材料的分类进行简单说明,着重介绍了磁响应性的检测原理和本系统的硬件组成部分。

  第三章在阐述了原理的基础上,讲述了本测试的软件部分。介绍了串行通信的概念及线路连接、VB中常用的串口通信控件及建立方法。着重介绍系统的VB显示界面。利用RS232串口可以实现单片机与上位机之间的通信,它是目前应用最广泛的串口通信端口。利用VB与Microsoft Excel相结合,解决了VB在数据处理以及绘制图表方面存在的不便,无需编写大量的Visual Basic语言,及提高了编程效率,也可以提高系统的可维护性,增加系统的稳定性。

  第四章分析了本设计的软件系统所得到的实验数据。

  1.4 本章小结

  磁性材料在很久以前就已经被发现和使用。21世纪,随着化学、医学和生物学的发展,磁性纳米材料更是展现出了广阔的应用前景。在磁性纳米材料的研究过程中,常需要测定纳米磁性材料的磁响应性。然而目前市场上还没有针对磁响应的专门的测试仪器。现有的测量方法虽然种类很多,然而测量原理五花八门,大都存在一定的缺陷。

  本课题是基于磁性纳米溶液中的磁性纳米粒子在外加磁场的作用下会做定向运动、使溶液透光率随之改变的特性。通过测量透过溶液光强度的变化,最终得到磁性纳米颗粒的磁响应时间曲线。

  第二章 磁响应性测试的理论和硬件部分

  2.1 磁性材料

  磁性材料是指具有磁有序的强磁性物质,广义还包括可应用其磁性和磁效应的弱磁性及反铁磁性物质。磁性是物质的一种基本属性[4]。

  2.1.1 材料磁性的一般性原理

  能吸引铁、钴、镍等物质的性质称为磁性。

  一般情况下,可以粗略的认为材料的磁性起源于物质内部的原子磁矩。原子磁矩是指原子或分子中电子的自旋磁矩、轨道磁矩和核磁矩的矢量和。核磁矩通常可忽略,原子磁矩则为电子自旋磁矩与轨道磁矩的总和的有效部分。大多数物质中,电子运动的方向各不相同、杂乱无章,磁效应相互抵消。因此,大多数物质在正常情况下并不呈现磁性。

  铁、钴、镍或铁氧体等铁磁类物质有所不同。它们内部的电子自旋可以在小范围内自发地排列起来,形成一个自发磁化区,这种自发磁化区就叫磁畴。铁磁类物质磁化后,内部的磁畴整整齐齐、方向一致地排列起来,使磁性加强,对外就会呈现出宏观的磁性[5]。

  磁畴理论是用量子理论从微观上说明铁磁质的磁化机理。所谓磁畴,是指磁性材料内部的一个个小区域,每个区域内部包含大量原子,这些原子的磁矩都像一个个小磁铁那样整齐排列,但相邻的不同区域之间原子磁矩排列的方向不同。各个磁畴之间的交界面称为磁畴壁。宏观物体一般总是具有很多磁畴,这样磁畴的磁矩方向各不相同,结果相互抵消,矢量和为零,整个物体的磁矩为零。也就是说,磁性材料在一般情况下并不对外显示磁性,只有当磁性材料被磁化后,它才会对外显示出磁性。

  2.1.2 磁性材料的分类

  在对磁性物质进行分类时,依据不同的标准,可以将磁性物质进行不同的分类。按照物质内部结构及其在外磁场中的响应情况可分为抗磁性、顺磁性、铁磁性、反铁磁性和亚铁磁性物质。铁磁性和亚铁磁性物质为强磁性物质,抗磁性和顺磁性物质为弱磁性物质。按化学成分和性能的不同,可分为金属磁性材料和非金属磁性材料两类,前者主要有电工钢、镍基合金和稀土合金等,后者主要是铁氧体材料。按使用又分为软磁材料、永磁材料和功能磁性材料。功能磁性材料主要有磁致伸缩材料、磁记录材料、磁电阻材料、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线、磁滞回线和磁损耗等。

  2.2 磁响应性检测原理

  2.2.1 磁性纳米材料的磁响应性

  在科研或材料制备过程中,常利用磁化率来表示该种材料对外加磁场的磁响应性大小。物质在外磁场作用下,由于其内部带电体的运动,材料被磁化,产生一附加磁场,其磁场强度即被磁化的程度就表示为磁化率。磁化率越大,则磁响应性就越大,通常情况下,顺磁性物质的磁化率大于零,抗磁性物质的磁化率小于零。在实验中,常利用古埃磁天平来测量材料的磁化率[6]。

  另外,也可以用一定时间内含有固形物颗粒的体积在总体积中占有的百分比反映磁性颗粒的磁响应性能。需要取待测溶液与试管中,并将其置于磁铁上,记录在磁场作用下磁性颗粒下降的刻度值[7]。

  此外,也可以用磁响应时间,即在一定的外磁场作用下,磁性纳米溶液中磁性微球完全被磁场吸附所需要的时间来表示材料的磁响应性大小。西北大学生物芯片研发中心的崔亚丽等人在研究Fe3O4/Au的磁响应性时,取一定量的磁性复合微粒置于Eppendorf管中,并将其置于自制磁性分离架上, 通过记录磁性复合微粒被分离至贴壁胶体溶液完全澄清的时间,确定复合微粒对外加磁场的响应性。

  在磁场作用下,磁性纳米溶液中的磁性颗粒被磁化,产生一个与外加磁场方向相同的磁场,由于磁场间的相互作用,并且磁性颗粒的质量比产生外磁场的磁铁质量小的多,因此,磁性颗粒会沿着磁场方向运动,最终聚集在盛溶液装置靠近磁铁的一侧,使溶液变澄清。所以,只需要测定溶液从浑浊变澄清所需要的时间,就可以得到该材料的磁响应时间。

  在本设计中,正是利用磁性颗粒在外加磁场的作用下,会做定向运动的原理,来测量材料的磁响应特性的。测量一旦开始,系统便不停地采集透过磁性溶液的光强度信息,若所采集到的光强度信息不变或变化非常小,则认为溶液中的磁性颗粒被完全吸附,溶液变澄清。

  2.2.2 磁响应性的检测装置

  课题设计的磁性纳米材料磁响应特性检测装置主要由:磁场控制系统、溶液盛放模块、激光发射与接收系统、信号处理系统、单片机控制系统、串口通信系统、VB界面控制系统组成,用于对磁性纳米材料的磁响应时间进行检测。

  磁场控制系统:用于提供磁场并控制外加磁场的大小,使磁性溶液的磁性纳米颗粒做定向运动,进而改变溶液的透光率;

  溶液盛放模块:用于盛放待检测的磁性纳米溶液;

  激光发射与接收系统:用于产生激光穿过磁性纳米溶液并将接收的光信号传给信号处理系统;

  信号处理系统:用于接收激光接收器传入的光信号,并将其I/V变换、放大、A/D转换等,最终转换成数字信号传给单片机控制系统;

  单片机控制系统:用于控制传感器采集光信号、接收信号处理系统传入的光强度数据、并通过串口通信系统将光强度数据传送给电脑;

  串口通信系统:由MAX232、RS232、串口线、电脑数据接口组成,用于进行单片机与电脑之间的数据传输;

  VB界面控制系统:用于控制单片机采集数据、接收单片机控制系统传入的光强度数据并将其以折线图的形式动态显示、光强度数据自动保存于Microsoft Excel中并形成图表。

  2.3 装置硬件结构框图

  整个装置由电脑控制,将所测的磁性纳米材料的溶液放入溶液器中,由电脑界面控制整个装置的运行。图2-1为装置的总体框图。

  图2-1 装置整体图

  2.4 本章小结

  物质的宏观磁性起源于微观的原子磁矩。而原子磁矩主要由电子自旋磁矩和轨道磁矩组成。在无外加磁场作用下,若物质内部磁畴相互平行排列,则整体磁矩加强,该物质为铁磁性物质,若磁畴相互反平行排列,则净磁矩为零,该物质为反铁磁性物质。顺磁性物质的磁畴在无外加磁场时呈无序排列,只有在外加磁场条件下才能产生平行有序的排列。

  在科学研究或是材料制备过程中,用于表示材料磁响应性大小的方法有两种:第一种是用磁化率来表示,可以利用古埃磁天平测量得到;第二种是利用磁性颗粒被外磁场吸附所需要的时间,即磁响应时间来表示。

  因磁性纳米材料中的磁性颗粒在外加磁场的作用下,会做定向运动,磁性溶液的透光率也随之增大。通过测量透过磁性溶液的光强变化,进而得到激光在磁性溶液中不同时间的透光度,最终便可得到溶液的磁响应时间曲线。

  基于VB的磁性纳米材料磁响应特性检测装置主要由7个部分组成,它们分别是:磁场控制系统、溶液盛放模块、激光发射与接收系统、信号处理系统、单片机控制系统、串口通信系统以及VB界面控制系统。电脑拥有整个装置的最高控制权,各个部分相互协调,共同完成磁响应时间的测量。

  结束语

  磁性材料,是古老而用途十分广泛的功能材料。近年来,磁性材料已成为科学研究的热点和前沿,随着生物学、医学的快速发展,高性能磁性材料的应用也越来越广泛。

  在磁性纳米材料制备和特性测试过程中,研究人员往往需要对磁性纳米材料进行磁响应性测试。通过测量透过磁性溶液的光强度大小,进而得到激光在不同磁性溶液的透光度,最终可以得到该纳米材料的磁响应时间曲线。测量自动完成,解放了人的双手,提高了测量的准确性。

  本设计中利用RS232和VB中的MSComm控件实现了测量控制电路与显示界面之间的串口通信。软件界面不仅可以直观的观察光强度的变化,而且可以将数据保存到Microsoft Excel中,方便数据保存,有利于研究人员分析磁性纳米材料的性质。利用VB与Excel相结合实现数据保存和自动绘图,大大提高了编程效率,增加了系统的可维护性。

  实验证明,本设计的软件系统具有以下优点:

  1.代替了人工手动测量,简单,高效,误差小;

  2.数据实时采集,光强变化动态显示,整体趋势一目了然;

  3.从开始测量至测量结束过程中无需人员驻守,节约时间,提高工作效率;

  4.自动形成图表,并通过excel保存数据,利于后续研究分析;

  5.采用低成本设计方案,可靠性、实用性强。

  本设计中也存在着一些不足,数据采集密度有待加强,可以使图形界面更加细腻。


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