浅谈磁力仪研究论文
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篇1：浅谈磁力仪研究论文
浅谈磁力仪研究论文
1.光泵磁力仪
光泵磁力仪是高灵敏的磁测设备。它是以某些元素的原子在外磁场中产生的蔡曼分裂为基础，并采用光泵技术与磁共振技术研制成的。
按照量子理论，在外磁场T中，具有自旋的亚原子粒子（如核子和电子）能级简并（degeneracy）解除，分裂为一些磁次能级（或称为蔡曼能级），在光谱上的表现，就是谱线分裂，这就是蔡曼效应，蔡曼因此获得1902(第二届)诺贝尔物理学奖。分裂的能级间的能量差一般与外界磁场成正比。当粒子在分裂的能级间发生跃迁时，就会发射或吸收电磁波，其频率与磁次能级间的能量差成正比，测定这个电磁波的频率，即可测定磁场。
光泵磁力仪是目前实际生产和科学技术应用中灵敏度较高的一种磁测仪器。它灵敏度高，一般为0.01nT量级，理论灵敏度高达10－2-10－4nT;响应频率高，可在快速变化中进行测量;可测量地磁场的总向量T及其分量，并能进行连续测量。
光泵磁力仪的种类甚多。按共振元素的不同，可分为氦（He）光泵磁力仪和碱金属光泵磁力仪，共振元素有氦（He4）、铷（Rb85、Rb87）、铯（Cs133）、钾（K39）、汞（Hg）等。对碱金属而言，受温度影响较大，如铯（Cs133）元素在恒温430C左右，方可变成蒸汽状态，而只有在蒸汽状态时才能产生光泵作用。对He3、He4而言，因其本身是气体状态，无需加热至恒温，只需将它激励使其处于亚稳态，就能产生光泵作用。这些条件在设计与制造仪器时，必须予以重视。
光泵磁力仪未来的发展水平，主要取决于光泵光源及共振元素的发展程度。法国曾用可调谐的激光器代替常规的氦灯制成光泵磁力仪，由于谱线的选择性较好，激光又比氦灯的光要强，因此提高了磁力仪的灵敏度，达到10pT/Hz1/2。美国的R.Slcum博士利用二极管激光器作为氦同位素光泵磁力仪的光源，并申请了专利，与氦灯光源相比，灵敏度提高一个量级。最新的激光光泵氦（He4）磁力仪的灵敏度已突破1PT/Hz1/2的界限，达到0.4PT/Hz1/2，而用高频激发的灯室作为光泵的光源的氦4航空磁力仪达到了20pT/Hz1/2的灵敏度［2-3］。在共振元素的选择上，为了提高精度，需要选择谱线较窄的物质，碱金属符合谱线窄的要求，但需要一定的温度（40-55℃）加热为气态。现在已经有很多利用碱金属制成的磁力仪，前不久问世的钾磁力仪，由于谱线很窄又不重叠，方位误差很小，维修方便，分辨率达到0.1pT，在取样率为20Hz时，灵敏度可达到0.014nT。因此钾光泵磁力仪在光泵磁力仪中占有优势地位。当然随着灵敏度，取样率的提高，其价格也显著提高。
2.超导量子干涉磁力仪
超导量子干涉器件（SQUID）是上世纪60年代中期发展起来的一种新型的灵敏度极高的磁敏传感器。它是以约瑟夫逊（Josephson）效应为理论基础，用超导材料制成的，是超导量子干涉磁力仪的核心。
SQUID由两个用很薄的绝缘体隔开的超导体而形成两个并联的约瑟夫松结（Josephsonjunction）组成。约瑟弗松获得1973年诺贝尔物理学奖，在此前一年（1972年）J.Bardeen、L.N.Cooper和J.R.Schrieffer三位物理学家由于共同研究建立解释超导现象的BCS理论获得诺贝尔物理学奖。
SQUID可以检测非常微弱的磁场，足以检测生物电流产生的微弱磁场，人类心脏产生的磁场约为10-10T（0.1nT），人脑的磁场约为10-13T（0.1pT）。如果有一个恒定的电流维持在SQUID中，则测得的电压随两个结上相位的变化而振荡，而相位的变化取决于磁通的变化。量子理论得出的十分重要的结论是，若有一超导体环路，则它包围的磁通量只能取0的整数倍。
0＝h/(2e)=2.0678506(54)×10-15Wb≈2.07×10-15Wb=2.07×nT.cm2
这就是磁通量的量子化，0叫做磁通量量子。如果磁场发生变化，则0的个数也跟着变化，对0个数进行计数就可测得磁场值。超导磁力仪是矢量磁力仪，它测量垂直于超导环路平面的磁场[4]。
SQUID灵敏度极高，可达10-15T，比灵敏度较高的光泵磁力仪要高出几个数量级；它测量范围宽，可从零场测量到数千特斯拉；其响应频率可从零响应到几千兆赫。这些特性均远远超过常用的磁通门磁力仪和质子旋进磁力仪。
量子超导磁力仪具有高精度、高灵敏度的同时不足之处也相对十分明显，超导材料自身易碎、不易加工，成本极其昂贵且SQUID磁测仪器要求在低温条件下工作、需要昂贵的液氦（或液氮）和制冷设备，这给SQUID磁测技术的.广泛应用带来许多困难。在超导领域的这场竞争中，世界各国都在不断探索，超导从低温向高温的方向进步，同时生产设备和技术也持续的提高。可以预计，量子超导干涉磁力仪随着超导技术的发展将会在许多领域中得到更广泛的应用。
3.原子磁力仪
M.V.Romalis等指出，根据量子力学的测不准原理（uncertaintyprinciple,或不确定性原理），原子磁力仪的极限灵敏度δB＝1/（γ(nT2Vt)1/2），式中γ是旋磁比，n是单位体积内工作物资的原子数，T2是横向弛豫(自旋驰豫)时间，V是体积，t是测量时间。由上式可见，在γ、t给定的条件下，要提高灵敏度，必须让n、T2达到尽可能大的数值．而为了提高空间分辨率，V又不能取很大的数值。
M．v．Romalis教授等研制的量子磁力仪正是巧妙的提高了n与T。M.V.Romalis等把钾原子密度增加到n≈6×1013cm-3,是通常的10000倍，并加进大密度（2.9atm）的氦作为缓冲等方法，避免了自旋弛豫，即保持大的T2数值，获得提高测量磁场的灵敏度和空间分辨率的优异成果。灵敏度达到0.54fT/Hz1/2，经过改进后还可提高10-2-10-3fT/Hz1/2，空间分辨率达到毫米级。在弱磁场中工作时．这种磁力仪的灵敏度可能达到10-18T的数量级，那将比SQUID灵敏1000倍，更为重要的是这种磁力仪不需要低温条件。受M.V.Romalis教授等研制的新型原子磁力仪的启发，目前美国已经有公司提出根据频率调制磁学-光学转动原理设计灵敏磁力仪,转动率与磁场成比例,用极化测定方法测量[4][6]。
新型原子磁力仪可用于物理学基本理论的研究，高精度地质调查和油、气等矿产普查，生物磁学研究。前已提及,现在光泵磁力仪已成功地测绘出心脏产生的磁场,磁场幅度为0.1nT，人脑的磁场很弱,只有几个fT。高灵敏度的原子磁力仪,在绘制心磁图、脑磁图作医学诊断乃至是生物磁测、空间磁测，军事侦察等领域，无疑是非常合适的，但仍需进行完善才适应实际应用的需要。
结束语:
虽然现在许多小巧的新兴磁敏传感器（如霍尔磁敏传感器，巨磁阻传感器等）也十分活跃，但其精度远不能与文中涉及的磁力仪相比较。随着磁力仪的发展，磁场探测精度的提高，新兴学科--磁法应用有着广泛的发展空间。
篇2：顶板离层监测数据采集仪研究论文
顶板离层监测数据采集仪研究论文
论文摘要：根据数据采集仪的测量原理，结合现场顶板的实际情况，采用以机械开关为基础的的磁编码直线相对位移传感器, 实现顶板下沉量的非接触式测量，采用MSP430F4793IP超低功耗单片机实现了对采集到的数据进行处理、显示、报警及传输等功能，从而为顶板支护提供依据。
论文关键词：数据采集仪,锚杆支护,顶板离层,监测
1．引言
顶板离层是巷道围岩变形和破坏的主要形式之一，对于锚杆支护巷道来说,顶板离层则是最大的安全隐患。因此，对锚杆支护巷道进行离层监测，掌握顶板离层的状况，并及时采取相应的措施，阻止顶板失稳、避免突发性破坏的发生具有重要意义。顶板离层监测数据采集仪就是用以测试锚杆长度范围及范围外的顶板离层状况的监测仪器，用于判别锚杆支护参数是否合理，巷道服务期间顶板是否稳定，并以此为依据来避免顶板事故发生。
2．数据采集仪的组成及工作原理
顶板离层监测数据采集仪主要用来采集编码器的脉冲信号表示出的顶板离层的相对位移，并保存在闪存中，可通过无线装置对该设备进行各种参数的设置及存储数据的读取。
2.1数据采集仪的组成
顶板离层监测数据采集仪主要由以下几部分组成：
（1）数显设备：该数显设备可实时监测显示顶板的离层量，当顶板离层量超过一定限度，仪器报警。该数显设备的处理器采用Microchip公司生产的.MSP430F4793IP，其性能优越，功耗低，资源丰富，数据处理能力强。
（2）机械放大器：该放大器主要是对顶板的离层量进行放大，以便于采集存储。其外壳的材质选用ABS树脂，该树脂具有突出的耐冲击性、阻燃性和耐磨性等优点。
2.2数据采集仪的工作原理
矿用本安数据采集仪的工作原理是：采用桥式电路进行测量、采用机械式放大装置进行放大，对信号进行模数转换、信号处理，之后进行存储、显示。其测量原理是：
A、B两相脉冲分别通过MSP430F4793IP单片机的P1.2/P1.3中断采集，以A相为基准。当单片机中断侦测到A相脉冲触发中断，判断是上升沿中断还是下降沿中断，如果是上升沿触发中断，当侦测到B相脉冲高电平时，计数器计数值加1，否则减1；如果是下降沿触发中断，当侦测到B相脉冲高电平时，计数器计数值减1，否则加1；P1.2中断完成前，反转A相触发脉冲标志MSP430F4793IP。
3.数据采集仪电气研究
3.1主机芯片的选型
数据采集仪主机对PIE—1000-G05E光电轴角编码器的输出脉冲进行收集、运算、存储和检测，通过数据转移设备对设备进行设置和各种参数及存储数据的读取，同时还实现和上位机的通讯。主要使用的芯片和设备包括单片机（MSP430F4793IP）、串行闪存芯片（JS28F128）、实时时钟芯片（PCF8563）和总线控制芯片（EP1C3T100C8）。
4.结束语
实践证明,该仪器是有效监测巷道顶板离层的仪器,其结构简单合理,安装方便,测试快速可靠、效果很好，非常适合锚杆支护巷道的日常监测。有效地防止了顶板事故的发生有利于作业人员的人身安全。同时，此数据采集仪的使用实现了矿井巷道顶板监测智能化，使煤矿巷道顶板安全管理的技术水平有较大提高,对煤矿的安全生产具有一定的促进作用,它为煤矿安全管理实现网络化、信息化奠定了基础。
本文作者创新点：在深刻理解顶板支护理论与数据采集原理的基础上，结合实验室实验和现场实践，推出数据采集仪，实践证明该仪器能有效监测巷道顶板离层情况，有效防止冒顶的发生，为煤矿的安全生产提供保障。
参考文献
1 王诚,高谦,李月,锚杆支护巷道顶板离层的现场监测与分析[J] ,矿业工程,第 4 卷 第 6 期,29-30。
2 阎学文,等,低功耗顶板离层仪研究[J],振动、测试与诊断,第28 卷第4 期,404-405。
3 黄夫宽,王显森.BY-III 型顶板离层指示仪在五沟煤矿中的应用[J],山西建筑,(33): 340-341。
4 李兰,宁永海,基于CH372的USB数据采集系统的设计与实现[J],微计算机信息,2007,34:76-77。
5 谢希,张伟健,静态电阻应变仪的原理及在材料应变测量中的使用[J],科技纵横,.7,,225。
6 张少华,曹卫忠,钟国强,DL Z- 2 型顶板离层指示仪的研制与应用[J],矿山压力与顶板管理, . No.4,113。
7 郭书英,顶板岩层结构探测仪采集技术研究[J],19-21。
8 刘军动,煤巷巷道顶板破碎区离层仪测试方法及其应用[ J],科技创新导报,2009 NO.04,96。
篇3：基于ARM的全自动固相萃取仪设计研究论文
基于ARM的全自动固相萃取仪设计研究论文
引言
样品前处理是食品安全分析检测过程的一个关键环节，样品前处理好坏与否，将对检测结果造成直接影响，样品前处理是制约检测速度、准确度和灵敏度的瓶颈问题。固相萃取相对离心、透析、蒸馏、沉淀、过滤、索氏提取等，具有样品转移少、蒸发少、污染小、选择性强、分离时间短、使用有机溶剂少、回收率高、重现性好等特点，能够有效将分析物与干扰组分分离，是目前迅速发展的样品分析前处理技术。固相萃取广泛应用于食品安全检测实验室，萃取操作大部分采用手工萃取装置，难以实现食品分析检测要求的高通量、高效率，难以达到快速、高效、准确的要求。本文设计的全自动固相萃取仪能够把分析检测人员从复杂繁琐的重复劳动中解放出来，且能够实现样品的高通量、高效率处理，实现固相萃取的自动化、智能化。
1 固相萃取仪基本工作原理
1.1 样品前处理中的固相萃取法
固相萃取(Solid Phase Extrtaction,SPE)是近年来国外新开发的一种样品前处理技术，由液固相萃取和柱液相色谱技术相结合发展而来，主要用于目标化合物的分离、纯化和浓缩。SPE是一个包括液相和固相的物理萃取过程，在SPE过程中，固相对分析物的吸附力大于样品母液，当样品通过SPE柱时，分析物被吸附在固体表面，其他组分则随样品母液通过柱子，最后用适当的溶剂将分析物洗脱下来。SPE操作一般有六步，分别是样品前处理(这一步不包括在SPE过程中)、SPE溶剂活化、SPE助平衡、样品加入、冲洗填料、洗脱感兴趣的化合物。
1.2 全自动固相萃取仪萃取功能实现
全自动固相萃取仪通过三维机械臂和高精度蠕动泵实现固相萃取的自动化。三维机械臂由X轴载动系统、Y轴载动系统和Z轴升降系统组成。其中Z轴升降装置上固定有12跟取样针管，针管与多通道蠕动泵上的12跟硅胶管相连;Z轴升降系统固定在X轴载动系统的滑块上，在滑块的带动下，取样针管可运动到仪器背板各个溶剂盒上方;Y轴载动系统可来回推进固相萃取小柱支架，使其能够在废液搜集池和回收试管上方运动。系统通过机械臂的三维运动实现固相萃取的活化、平衡、上样、淋洗、洗脱过程中的定位，通过蠕动泵泵液实现过柱样品和溶剂的添加。机械结构采用SolidWorks 2012三维软件对全自动固相萃取仪的机械结构进行设计。
2 控制系统总体设计
全自动固相萃取仪控制系统主要实现三轴载动系统的运动控制和蠕动泵的泵液控制，系统总体结构框图如图2所示。控制系统采用ARM9和Cortex-M3内核微处理器构成的上下位机架构，控制核心分别为S3C2440和STM32F103RBT6。上位机采用Micro2440开发板，搭载嵌入式WinCE操作系统，基于WinCE设计系统的操控软件，控制取样蠕动泵的运转并通过数据接口和下位机进行通讯，发送操控指令。与下位机连接的硬件模块包含电机驱动模块、传感器模块、电源模块等。电机驱动模块用于驱动载动系统和升降系统的电机，光电传感器用于载动系统和升降系统原点控制。
3 控制系统硬件结构设计
3.1 电源设计
根据系统硬件模块不同，所需的电压也不同。系统中步进电机驱动模块、光电传感器、单片机的工作电压分别为24V、24V和3.3V。其中步进电机驱动模块和光电传感器直接采用开关电源24V输出端供电，采用ASM1117-3.3将开关电源的5V输出端转为3.3V电压给单片机供电。
3.2 电机驱动模块设计
电机驱动芯片选择东芝公司的THB6064H，驱动电路原理图如图3所示。THB6064H内部集成了续流二极管，不需要外接肖特基二极管来泄放绕组电流，2相输出端口OUTA和OUTB直接与步进电机相连，选用0.25欧姆，2W的大功率电阻连接至A、B两相的电流检测端NFA、NFB。为解决步进电机低频振动大、噪声大的问题，采用了细分方式，通过M1、M2、M3外接拨码开关来设定不同的细分值，最多设置64细分。
3.3 光电传感器检测模块设计
为了对载动系统和升降系统进行准确定位和零点控制，采用槽形光EE-SX670，将其安放在X轴、Y轴与Z轴的零点位置。EE-SX670拥有50到100mA的开关能力，采用NPN输出模式，反应频率高达1KHz。由于电源存在冲击电压，在EE-SX672的电源输入端和地之间需要并联一个耐压值30V~35V的齐纳二极管和0.01uF的电容吸收冲击电压。为了使传感器的输出信号稳定，输出端外接一个4.7千欧的.、0.5W的电阻上拉至24V电源端。STM32的每个IO都可以作为中断输入，EE-SX670的输出信号需要给STM32的外部中断端口，而STM32的IO输入电压为3.3V，所以EE-SX670的输出信号需要经过电平转换后才能连接到STI32的IO端口。
4 控制系统软件设计
控制系统软件与硬件电路紧密结合共同实现对全自动固相萃取仪的控制。本文设计的全自动固相萃取仪是集计算机自动化控制与实时性状态监控和数据分析于一体的自动化系统，要求系统能够稳定可靠的处理人机界面发出的指令请求，实时处理收发数据，提供友好的操控界面。基于以上要求，本系统采用Windows CE6.0作为操作系统平台，根据实际需要对内核进行了适当的。裁剪。，采用Visual Studio 2005开发应用软件。控制系统软件设计主要包括上位机应用软件设计和三轴运动和蠕动泵控制软件设计。
两种模式都要求准确控制X轴载动装系统、Y轴载动系统和Z轴升降系统的定位和蠕动泵的泵液量。系统三个载动轴的定位采用步进电机作为执行机构，通过STM32的定时器TIM来产生PWM信号，输出到步进电机驱动芯片上驱动步进电机运行，蠕动泵的控制则通过上位机的串行通信接口实现。
5 实验结果
采用三聚氰胺HPLC-UV方法对三聚氰胺进行检测的过程中，采用仪器进行样品的净化处理，用仪器对样品进行萃取净化后，对搜集液用50℃的氮气吹干，用20%的甲醇水溶液进定容至2ml，用HPLC(高效液相色谱法)进行分析。
6 结束语
本文所设计的全自动固相萃取仪采用SolidWorks三维软件对仪器机械机构进行设计，采用ARM9和Cortex-M3双核架构，基于WindowsCE6.0嵌入式操作系统用Visual Studio 2005进行应用软件开发，能够实现样品的高通量、高效率处理，实现固相萃取的自动化、智能化。实验结果表明能很好的用于自动化分析检测样品前处理的场合，具有很好的应用前景和实用价值。
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9.教学论文研究方向
10.工程造价管理研究论文
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