基于VB的磁響應性測試軟件的研制
現代磁性材料已經(jīng)廣泛的用在我們的生活之中，例如將永磁材料用作馬達，應用于變壓器中的鐵心材料，作為存儲器使用的磁光盤(pán)，計算機用磁記錄軟盤(pán)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，它是現代指南針的雛形。在十二世紀的大航海中，司南作為一種導航設備，發(fā)揮了巨大的作用，極大的推進(jìn)了人類(lèi)文明的發(fā)展，促進(jìn)了東西方文化和物質(zhì)的交流[2]�，F代磁性材料已經(jīng)廣泛的應用于我們的生活之中，例如可以將永磁材料用作馬達，也可以用作變壓器中的鐵心材料，亦可應用于存儲器中使用的磁光盤(pán)，計算機用磁記錄軟盤(pán)等�？梢哉f(shuō)，磁性材料與自動(dòng)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(lái)，磁性材料已成為科學(xué)研究的熱點(diǎn)和前沿，主要原因是其獨特的物理、化學(xué)性質(zhì)。隨著(zhù)生物學(xué)、醫學(xué)的快速發(fā)展，高性能磁性材料的應用也越來(lái)越廣泛，需求也越來(lái)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，并且還可以根據電子信息、生物醫學(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(lèi)型的功能型磁性復合材料。
而在磁性納米材料的研究過(guò)程中，常常需要測定它的磁響應性，即磁性納米材料對外加磁場(chǎng)的響應時(shí)間。具備高磁響應性的磁性納米材料越來(lái)越受到人們的關(guān)注。
1.2現階段的研究現狀
在磁性納米材料制備和特性測試過(guò)程中，研究人員往往需要對磁性納米材料進(jìn)行磁響應性測試。經(jīng)查閱大量文獻和專(zhuān)利資料，目前市場(chǎng)上還沒(méi)有專(zhuān)門(mén)用于測試磁性納米材料的磁響應性的儀器。研究人員采用的測試磁性納米材料磁響應性的方法也是五花八門(mén)，大多都是自行設計的，操作方法繁瑣，耗費時(shí)間長(cháng)。其中技術(shù)相對比較成熟的方法主要有兩種：
1.通過(guò)人眼觀(guān)察或在等間隔時(shí)間內給磁性溶液拍照，來(lái)記錄在給定磁場(chǎng)下磁性溶液從開(kāi)始渾濁變至澄清的時(shí)間，即可得到該材料的磁響應時(shí)間。這種方法依賴(lài)于人眼識別，測量誤差大，耗費時(shí)間長(cháng)。
2.在設定磁場(chǎng)中每隔一段時(shí)間，用紫外分光光度計分析出取出樣品從進(jìn)入磁場(chǎng)到澄清時(shí)所用時(shí)間。需要重復取樣，成本較高。
由此可見(jiàn)，目前磁性納米材料磁響應性測量的方法并不成熟。
1.3 課題的主要研究?jì)热?/p>
本課題利用磁性納米材料中的磁性顆粒在外加磁場(chǎng)的作用下，會(huì )做定向運動(dòng)，磁性溶液的透光率也隨之增大的原理，通過(guò)測量透過(guò)磁性納米溶液的光強度大小，最終得到溶液的磁響應特性。
本課題通過(guò)VB編程設計開(kāi)發(fā)用于檢測磁性納米材料的磁響應特性的軟件系統。該系統通過(guò)實(shí)時(shí)采集激光經(jīng)容器內磁性納米材料透射出的光強，獲取磁性納米材料的磁響應時(shí)間并繪制磁響應特性曲線(xiàn)。
全文共分為四章，各章節的主要內容安排如下：
第一章為緒論，簡(jiǎn)要介紹了磁性材料的發(fā)展和應用領(lǐng)域、對磁性納米材料磁響應性的研究現狀。
第二章對材料磁性的一般性原理以及磁性材料的分類(lèi)進(jìn)行簡(jiǎn)單說(shuō)明，著(zhù)重介紹了磁響應性的檢測原理和本系統的硬件組成部分。
第三章在闡述了原理的基礎上，講述了本測試的軟件部分。介紹了串行通信的概念及線(xiàn)路連接、VB中常用的串口通信控件及建立方法。著(zhù)重介紹系統的VB顯示界面。利用RS232串口可以實(shí)現單片機與上位機之間的通信，它是目前應用最廣泛的串口通信端口。利用VB與Microsoft Excel相結合，解決了VB在數據處理以及繪制圖表方面存在的不便，無(wú)需編寫(xiě)大量的Visual Basic語(yǔ)言，及提高了編程效率，也可以提高系統的可維護性，增加系統的穩定性。
第四章分析了本設計的軟件系統所得到的實(shí)驗數據。
1.4 本章小結
磁性材料在很久以前就已經(jīng)被發(fā)現和使用。21世紀，隨著(zhù)化學(xué)、醫學(xué)和生物學(xué)的發(fā)展，磁性納米材料更是展現出了廣闊的應用前景。在磁性納米材料的研究過(guò)程中，常需要測定納米磁性材料的磁響應性。然而目前市場(chǎng)上還沒(méi)有針對磁響應的專(zhuān)門(mén)的測試儀器�，F有的測量方法雖然種類(lèi)很多，然而測量原理五花八門(mén)，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(chǎng)的作用下會(huì )做定向運動(dòng)、使溶液透光率隨之改變的特性。通過(guò)測量透過(guò)溶液光強度的變化，最終得到磁性納米顆粒的磁響應時(shí)間曲線(xiàn)。
第二章 磁響應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)，廣義還包括可應用其磁性和磁效應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(chēng)為磁性。
一般情況下，可以粗略的認為材料的磁性起源于物質(zhì)內部的原子磁矩。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�？珊雎�，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。大多數物質(zhì)中，電子運動(dòng)的方向各不相同、雜亂無(wú)章，磁效應相互抵消。因此，大多數物質(zhì)在正常情況下并不呈現磁性。
鐵、鈷、鎳或鐵氧體等鐵磁類(lèi)物質(zhì)有所不同。它們內部的電子自旋可以在小范圍內自發(fā)地排列起來(lái)，形成一個(gè)自發(fā)磁化區，這種自發(fā)磁化區就叫磁疇。鐵磁類(lèi)物質(zhì)磁化后，內部的磁疇整整齊齊、方向一致地排列起來(lái)，使磁性加強，對外就會(huì )呈現出宏觀(guān)的磁性[5]。
磁疇理論是用量子理論從微觀(guān)上說(shuō)明鐵磁質(zhì)的磁化機理。所謂磁疇，是指磁性材料內部的一個(gè)個(gè)小區域，每個(gè)區域內部包含大量原子，這些原子的磁矩都像一個(gè)個(gè)小磁鐵那樣整齊排列，但相鄰的不同區域之間原子磁矩排列的方向不同。各個(gè)磁疇之間的交界面稱(chēng)為磁疇壁。宏觀(guān)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，結果相互抵消，矢量和為零，整個(gè)物體的磁矩為零。也就是說(shuō)，磁性材料在一般情況下并不對外顯示磁性，只有當磁性材料被磁化后，它才會(huì )對外顯示出磁性。
2.1.2 磁性材料的分類(lèi)
在對磁性物質(zhì)進(jìn)行分類(lèi)時(shí)，依據不同的標準，可以將磁性物質(zhì)進(jìn)行不同的分類(lèi)。按照物質(zhì)內部結構及其在外磁場(chǎng)中的響應情況可分為抗磁性、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(lèi)，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(xiàn)、磁滯回線(xiàn)和磁損耗等。
2.2 磁響應性檢測原理
2.2.1 磁性納米材料的磁響應性
在科研或材料制備過(guò)程中，常利用磁化率來(lái)表示該種材料對外加磁場(chǎng)的磁響應性大小。物質(zhì)在外磁場(chǎng)作用下，由于其內部帶電體的運動(dòng)，材料被磁化，產(chǎn)生一附加磁場(chǎng)，其磁場(chǎng)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(shí)驗中，常利用古埃磁天平來(lái)測量材料的磁化率[6]。
另外，也可以用一定時(shí)間內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(chǎng)作用下磁性顆粒下降的刻度值[7]。
此外，也可以用磁響應時(shí)間，即在一定的外磁場(chǎng)作用下，磁性納米溶液中磁性微球完全被磁場(chǎng)吸附所需要的時(shí)間來(lái)表示材料的磁響應性大小。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的磁響應性時(shí)，取一定量的磁性復合微粒置于Eppendorf管中，并將其置于自制磁性分離架上， 通過(guò)記錄磁性復合微粒被分離至貼壁膠體溶液完全澄清的時(shí)間，確定復合微粒對外加磁場(chǎng)的響應性。
在磁場(chǎng)作用下，磁性納米溶液中的磁性顆粒被磁化，產(chǎn)生一個(gè)與外加磁場(chǎng)方向相同的磁場(chǎng)，由于磁場(chǎng)間的相互作用，并且磁性顆粒的質(zhì)量比產(chǎn)生外磁場(chǎng)的磁鐵質(zhì)量小的多，因此，磁性顆粒會(huì )沿著(zhù)磁場(chǎng)方向運動(dòng)，最終聚集在盛溶液裝置靠近磁鐵的一側，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(shí)間，就可以得到該材料的磁響應時(shí)間。
在本設計中，正是利用磁性顆粒在外加磁場(chǎng)的作用下，會(huì )做定向運動(dòng)的原理，來(lái)測量材料的磁響應特性的。測量一旦開(kāi)始，系統便不停地采集透過(guò)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 磁響應性的檢測裝置
課題設計的磁性納米材料磁響應特性檢測裝置主要由：磁場(chǎng)控制系統、溶液盛放模塊、激光發(fā)射與接收系統、信號處理系統、單片機控制系統、串口通信系統、VB界面控制系統組成，用于對磁性納米材料的磁響應時(shí)間進(jìn)行檢測。
磁場(chǎng)控制系統：用于提供磁場(chǎng)并控制外加磁場(chǎng)的大小，使磁性溶液的磁性納米顆粒做定向運動(dòng)，進(jìn)而改變溶液的透光率;
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：用于產(chǎn)生激光穿過(guò)磁性納米溶液并將接收的光信號傳給信號處理系統;
信號處理系統：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轉換等，最終轉換成數字信號傳給單片機控制系統;
單片機控制系統：用于控制傳感器采集光信號、接收信號處理系統傳入的光強度數據、并通過(guò)串口通信系統將光強度數據傳送給電腦;
串口通信系統：由MAX232、RS232、串口線(xiàn)、電腦數據接口組成，用于進(jìn)行單片機與電腦之間的數據傳輸;
VB界面控制系統：用于控制單片機采集數據、接收單片機控制系統傳入的光強度數據并將其以折線(xiàn)圖的形式動(dòng)態(tài)顯示、光強度數據自動(dòng)保存于Microsoft Excel中并形成圖表。
2.3 裝置硬件結構框圖
整個(gè)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(gè)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
物質(zhì)的宏觀(guān)磁性起源于微觀(guān)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(wú)外加磁場(chǎng)作用下，若物質(zhì)內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(wú)外加磁場(chǎng)時(shí)呈無(wú)序排列，只有在外加磁場(chǎng)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(guò)程中，用于表示材料磁響應性大小的方法有兩種：第一種是用磁化率來(lái)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(chǎng)吸附所需要的時(shí)間，即磁響應時(shí)間來(lái)表示。
因磁性納米材料中的磁性顆粒在外加磁場(chǎng)的作用下，會(huì )做定向運動(dòng)，磁性溶液的透光率也隨之增大。通過(guò)測量透過(guò)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(shí)間的透光度，最終便可得到溶液的磁響應時(shí)間曲線(xiàn)。
基于VB的磁性納米材料磁響應特性檢測裝置主要由7個(gè)部分組成，它們分別是：磁場(chǎng)控制系統、溶液盛放模塊、激光發(fā)射與接收系統、信號處理系統、單片機控制系統、串口通信系統以及VB界面控制系統。電腦擁有整個(gè)裝置的最高控制權，各個(gè)部分相互協(xié)調，共同完成磁響應時(shí)間的測量。
結束語(yǔ)
磁性材料，是古老而用途十分廣泛的功能材料。近年來(lái)，磁性材料已成為科學(xué)研究的熱點(diǎn)和前沿，隨著(zhù)生物學(xué)、醫學(xué)的快速發(fā)展，高性能磁性材料的應用也越來(lái)越廣泛。
在磁性納米材料制備和特性測試過(guò)程中，研究人員往往需要對磁性納米材料進(jìn)行磁響應性測試。通過(guò)測量透過(guò)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時(shí)間曲線(xiàn)。測量自動(dòng)完成，解放了人的雙手，提高了測量的準確性。
本設計中利用RS232和VB中的MSComm控件實(shí)現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(guān)的觀(guān)察光強度的變化，而且可以將數據保存到Microsoft Excel中，方便數據保存，有利于研究人員分析磁性納米材料的性質(zhì)。利用VB與Excel相結合實(shí)現數據保存和自動(dòng)繪圖，大大提高了編程效率，增加了系統的可維護性。
實(shí)驗證明，本設計的軟件系統具有以下優(yōu)點(diǎn)：
1.代替了人工手動(dòng)測量,簡(jiǎn)單,高效,誤差小;
2.數據實(shí)時(shí)采集，光強變化動(dòng)態(tài)顯示，整體趨勢一目了然;
3.從開(kāi)始測量至測量結束過(guò)程中無(wú)需人員駐守，節約時(shí)間，提高工作效率;
4.自動(dòng)形成圖表,并通過(guò)excel保存數據,利于后續研究分析;
5.采用低成本設計方案，可靠性、實(shí)用性強。
本設計中也存在著(zhù)一些不足，數據采集密度有待加強，可以使圖形界面更加細膩。
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