膠體晶體生長檢測控制裝置制造方法
【專利摘要】本發明涉及一種膠體晶體生長檢測控制裝置，包括微處理器，所述膠體晶體生長檢測控制裝置還包括：激光照明控制模塊，與所述微處理器相連接，用于控制激光器輸出激光和發光二極管照明；換位電機控制驅動模塊，與所述換位電機相連接，用于控制換位電機動作；樣品溫度控制模塊，與所述微處理器相連接，用于控制溫度傳感器，以及加熱膜加熱。本發明膠體晶體生長檢測控制裝置可以實現對多種膠體晶體生長的檢測控制。
【專利說明】膠體晶體生長檢測控制裝置
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種膠體晶體生長檢測控制裝置，尤其涉及一種在微重力環境下的膠體晶體生長檢測裝置的控制裝置。
【背景技術】
[0002]膠體晶體(colloidal crystal)是指由亞微米級(submicro)或納米級(nano)的膠體微球分散在溶劑中經過特定的排列方式構成的類似于晶體結構的有序體系。膠體晶體已成為當前研究熱點之一。
[0003]膠體有序相變的研究意義在于，可用放大了幾個數量級的膠體粒子代替原子構成類似于原子晶體的有序結構。與原子晶體相比，膠體晶體在觀察的空間和時間分辨率上都有幾個數量級的放大，從而可以利用它作為模型體系研究許多原子晶體無法研究的過程。
[0004]現有技術的膠體晶體生長檢測裝置對膠體晶體的生長檢測非常簡單，無法實現多種膠體生長的檢測，所以膠體晶體生長檢測控制裝置也非常簡單。
【發明內容】
[0005]本發明的目的是針對現有技術的缺陷，提供一種膠體晶體檢測控制裝置，以實現多種膠體生長的檢測控制。
[0006]為實現上述目的，本發明提供了一種膠體晶體生長檢測控制裝置，包括微處理器，所述膠體晶體生長檢測控制裝置還包括:
[0007]激光照明控制模塊，與所述微處理器相連接，用于控制激光器輸出激光和發光二極管照明；
[0008]換位電機控制驅動模塊，與所述換位電機相連接，用于控制換位電機動作；
[0009]樣品溫度控制模塊，與所述微處理器相連接，用于控制溫度傳感器，以及加熱膜加熱。
[0010]所述微處理器通過數據總線分別與所述激光照明控制模塊、換位電機控制驅動模塊和樣品溫度控制模塊相連接。所述膠體晶體生長檢測控制裝置還包括電極電壓控制驅動模塊，與所述微處理器相連接，用于控制電極板的電壓。所述電極電壓控制驅動模塊通過數據總線與所述微處理器相連接。所述膠體晶體生長檢測控制裝置還包括攪拌電機控制驅動模塊，與所述微處理器相連接，用于控制攪拌電機動作。所述攪拌電機控制驅動模塊通過數據總線與所述微處理器相連接。
[0011]所述膠體晶體生長檢測控制裝置還包括電源分配模塊，與所述微處理器相連接。所述膠體晶體生長檢測控制裝置還包括通信邏輯模塊，與所述微處理器相連接。所述通信邏輯模塊具有通信接口。
[0012]本發明膠體晶體生長檢測控制裝置可以實現對多種膠體晶體生長的檢測控制。
【專利附圖】
【附圖說明】[0013]圖1為本發明膠體晶體生長檢測控制裝置的示意圖。
【具體實施方式】
[0014]下面通過附圖和實施例，對本發明的技術方案做進一步的詳細描述。
[0015]由于膠體顆粒尺寸上比原子晶體大幾個數量級，與重力相比，其顆粒間的作用力與原子比相對較弱，重力對其結晶過程與結晶結構產生決定性的影響。比如，重力會導致沉降，當膠體顆粒沉淀到樣品瓶的底部時便引起結晶的產生。
[0016]在重力場中發生沉降過程后，結晶發生前便有一層液體會在容器底部生成。這前兩層液體在重力場下進行一階轉換。當沉降具有較高的Peclet系數時(重力與熱效應之比)，布朗運動的影響減少了，類似于系統的單層晶體便形成了。當Peclet系數較低時，膠體晶體向外延展。重力還會加速“玻璃化”系統的老化過程，減少晶體成核時間和玻璃轉化
山/又ο
[0017]鑒于重力對膠體晶體的結晶有如此重要的影響，在減少重力影響的環境下進行實驗引起了各國科學家的興趣。根據萬有引力定律，完全的零重力環境是不存在的，各種條件下的微重力膠體晶體實驗逐漸展開。
[0018]本發明膠體晶體生長檢測控制裝置可以用于微重力環境下膠體晶體結晶動力學過程中的圖像變化過程，如何獲得高分辨率衍射圖像、形態圖像成為一項關鍵技術。本發明首次構筑具有遙控功能的Kossel線成像系統，該系統在膠體晶體生長過程中能夠全程記錄膠體晶體Kossel線的相變過程。高分辨率1394總線電荷稱合元件(Charge CoupledDevice, (XD)滿足分辨Kossel線衍射角0.5度變化的精度要求。為了增加可靠性，對激光器進行了主備份冗余處理，利用光的偏振態設計了協調兩個激光器設備的光路。另外，通過換位機構，能夠切換觀察三種不同體系膠體晶體的衍射圖像和形態圖像。
[0019]本發明膠體晶體生長檢測控制裝置首次使用Kossel線衍射方法在空間微重力環境研究三種不同分散體系的帶電膠體晶體，從電子學而言，需要進行激光照明、拍照、溫度控制、電場控制等多個設備和接口的全面控制與驅動，且在拍照的同時還要兼顧溫度和電場的控制，本發明通過地址總線鎖存的方式對各個設備和接口進行協調控制。膠體晶體生長持續時間達到180天，必須具備足夠的可靠性，確保空間微重力的順利進行。
[0020]圖1為本發明膠體晶體生長檢測控制裝置的示意圖，如圖所示，本發明膠體晶體生長檢測控制裝置100具體包括:微處理器101、激光照明控制模塊102、換位電機控制驅動模塊103、樣品溫度控制模塊104。
[0021]激光照明控制模塊102與微處理101器相連接，用于控制激光器201輸出激光和發光二極管LED202照明；換位電機控制驅動模塊103與換位電機相連接，用于控制換位電機203動作；樣品溫度控制模塊104與微處理器101相連接，用于控制溫度傳感器205，以及加熱膜204加熱。
[0022]微處理器101通過數據總線110分別與激光照明控制模塊102、換位電機控制驅動模塊103和樣品溫度控制模塊104相連接。
[0023]再如圖1所示，本發明膠體晶體生長檢測控制裝置還包括電極電壓控制驅動模塊105、攪拌電機控制驅動模塊106、通信邏輯模塊107和電源分配模塊108。
[0024]電極電壓控制驅動模塊105與微處理器101通過數據總線110相連接，用于控制電極板206的電壓。攪拌電機控制驅動模塊106與微處理器101通過數據總線110相連接，用于控制攪拌電機207動作。
[0025]電源分配模塊108與微處理器101相連接。通信邏輯模塊107通過數據總線110與微處理器101相連接。通信邏輯模塊107具有通信接口 170。通信接口 170的作用是與外部IEEE 1394 CCD208以及通信平臺209相連接。
[0026]攪拌電機控制驅動模塊106負責對攪拌電機207進行驅動與控制；電極電壓控制驅動模塊105負責對三種不同體系膠體晶體樣品進行電場控制；電源分配模塊108負責提供電路板需要的各種電源；微處理器101為電子學的控制單元，對各接口進行了地址鎖存控制。
[0027]測試的膠體晶體安裝在一個換位設備(旋轉機構)上。轉動換為部分的作用就是通過轉動轉盤，將指定的容置膠體晶體樣品的樣品倉移動到指定工位(衍射工位或形態工位)。
[0028]轉動機構包括框架和轉動兩部分。框架如鼠籠狀，有三個截面為L型(30x30mm，長135mm)的支柱，通過23-M4不銹鋼螺釘將兩塊方形側板固定起來形成一個方形整體。三個樣品單體即樣品倉固定在三角支架上。三角支架的中心軸與大齒輪連接并置于兩側板中間，傳動通過電機及小齒輪帶動大齒輪實現樣品工位選擇。
[0029]本發明膠體晶體生長檢測控制裝置的研究對象為帶電膠體晶體顆粒水溶液，對膠體晶體在電場中的變化情況進行了描述，對膠體晶體溶液施加精確的電場便是關鍵技術。由于膠體晶體樣品的厚度基本固定，對膠體晶體施加精確電場的問題便轉化為對膠體晶體樣品池的電極施加精確電壓。
[0030]電磁兼容(Electromagnetic Compatibility, EMC)指的是設備、分系統、系統在共同的電磁環境中能夠一起執行各自功能的共存狀態。即設備、分系統、系統在預定的電磁環境中運行時，可按規定的安全裕度實現設計的工作性能，并且不因電磁干擾而受損或產生不可接受的降級；設備、分系統、系統在預定的電磁環境中正常地工作且不會給環境(或其它設備)帶來不可接受的電磁干擾。
[0031]電磁干擾發生作用，需要三個“要素”的存在。即電磁干擾源、耦合通道和敏感設備。相對應的，有三條抑制電磁干擾的方法:一是設法降低電磁波輻射源或是傳導源；二是切斷耦合路徑；三是增加接收器的抗干擾能力。
[0032]能產生巨大電磁能量的干擾源，如大功率雷達、核爆炸、雷電放電等，未必一定能夠形成電磁干擾，只能說它們是潛在的電磁干擾源。同樣，對電磁能量比較敏感的設備，如計算機、信息處理設備、通訊接收機等，也未必一定能夠受干擾，也只能說它們是潛在的電磁敏感設備。在電磁兼容性設計中，電磁兼容性工程師通常對電磁干擾源的特性、電磁敏感設備的性能提出具體的電磁兼容技術要求，由器件、設備供應商考慮這些電磁兼容性技術要求，并按要求提供器件、設備。電磁干擾耦合的分析、預測，系統的電磁兼容性，則主要由電磁兼容性工程師，依據系統的組成、布局和系統的電磁兼容性技術要求，從總體上系統的設計。
[0033]電磁兼容主要包括兩個方面的內容:發射型和抗擾性，即電磁騷擾性和電磁敏感性。在印刷電路板(Printed circuit board,PCB)上，導線、電阻、電容、電感等在不同頻率下表現出不同的特性。[0034]一般不把PCB上的走線看成是射頻能量輻射器，除非走線特別長，并且頻率很高，導線的長度具有天線效應。每個元器件都有引線電感，從芯片的引腳導線到電阻、電容和電感線圈的引線，每條線和走線都有寄生電容和電感，這些寄生電容和電感，影響著導線的阻抗并且對頻率敏感。根據其電感、電容值和PCB上走線的長度，在元器件和走線之間可能會發生自諧振，這樣走線就成了一個EMI發射天線。在低頻段，導線主要成電阻特性；在高頻段，則呈電感特性。這種變化會改變PCB上走線的特性，影響數據的傳遞。
[0035]在數字電路中，電阻主要是用做限流和確定固定電平，即所謂的上拉和下拉。在高頻電路中，電阻也會帶來EMI問題。電阻的高頻特性跟其材料和封裝關系較大，寄生電容存在于電阻的兩端之間，對高頻設計有很大的破壞。
[0036]電容器在數字電路中使用廣泛，主要具有旁路、濾波去耦和儲能等作用，但當電容上的頻率超過電容自諧振頻率時，電容就出現電感性了。假定一個10 μ F的電解電容，在頻率為10kHz時其電抗為1.6Ω，在100kHz時其電抗為160 μ Ω，電容就會出現短路現象，產生了 ΕΜΙ現象。電解電容的等效串聯電阻和等效串聯電感都很高，所以電解電容只用在直流或低頻電源系統上，在數字電路中有時用于儲能。總的來說，電容器引腳上的寄生電感將使電容器在其自身諧振頻率以上時表現為電感特性而失去其原有的功能。
[0037]在數字電路中，電感用于對電磁干擾的抑制。對于電感來說,其電感阻抗隨著頻率的增加和增加，當頻率很高時，高頻信號的傳遞就會受到影響。
[0038]為了提高本發明膠體晶體生長檢測控制裝置的電磁兼容性，根據以下幾部分內容強調了電磁兼容方面的設計:
[0039]PCB器件布局
[0040]器件布局是設計PCB的第一步。如果器件分布很散，器件之間的傳輸線就會很長，印制線條長，阻抗增加，抗噪聲能力下降；如果器件過于集中布放的話，則散熱不好，且鄰近線條易受耦合、串擾。在布局的時候遵守了以下原則:
[0041]按照電路信號的流程安排各個功能電路單元的位置，并使信號盡可能保持一致的方向；
[0042]以每個功能電路的核心元件為中心，圍繞它來進行布局。元器件均勻、整齊、緊湊地排列在PCB上，盡量減少和縮短各元器件之間的引線和鏈接；
[0043]對于具有較高電位差的元器件和導線，加大它們之間的距離，以免放電引出意外短路。
[0044]PCB 分層
[0045]依靠完整平面層的內嵌信號線是最有效的抑制信號共模干擾的方法之一。合理的PCB分層可以降低系統的射頻發射，保證信號的完整性。
[0046]根據克希霍夫定律，每個從驅動器出發到接收器的信號必須最終回到驅動器端，任何信號都需要這個回流路徑，任何時域信號由源到負載的傳輸都必須有一個最低阻抗的路徑。稱I為信號電流，則任何信號電流下面都有一個大小相等、方向相反的映像電流I’。根據法拉第感應定律，信號及其回流路徑的大小會形成一個閉環的區域，這個區域的大小與產生的磁場成正比，交變的磁場會產生射頻能量輻射，造成ΕΜΙ問題。
[0047]本發明根據功能復雜度需要和電磁兼容的綜合考慮，采取4層PCB板結構頂層和底層為信號線，中間兩層分別為地層和電源層。確保PCB產生的射頻能量輻射最小。[0048]PCB 布線
[0049]PCB板布局完成后，開始進行PCB走線操作，首先對所有走線進行分類，分為電源線、地線、時鐘線、高速信號線、控制線、數據線、地址線等。在布線時，遵守了以下幾條原則:
[0050]輸入輸出端用的導線盡量避免相鄰長距離的平行；
[0051]印制傳輸線拐彎處走135°角；
[0052]印制板傳輸線的最小寬度由導線與絕緣基板間的粘附強度以及流過他們的電流
值決定。
[0053]旁路電容的使用
[0054]旁路電容的作用是為了提高系統配電的質量，降低在印制電路板上從元器件電源、地腳轉移出不想要的共模射頻能量。這主要是通過產生交流旁路來消除無意的能量，降低器件的EMI分量，另外其還可以提供濾波功能。旁路電容的主要作用是產生一個交流分路，從而消去進入易感區的那些不需要的能量。本裝置中，對±12V電源輸出端都使用了 2個+33 μ F的電解電容，對+5V電源輸出端使用了 1個+33 μ F的電解電容。這些電容也能起到儲能的作用。
[0055]去耦電容的使用
[0056]有源器件在開關時產生的高頻開關噪聲將沿著電源傳播，數字芯片在狀態發生變化時，電源功耗的變化也會在電源和地之間產生噪聲，去耦電容用來濾除高頻器件在PCB電源或芯片電源腳上引起的輻射電流，為器件提供一個局域化的直流通路，能減低印制電路中的電流沖擊的峰值。它在減少電源和地平面上紋波、噪聲和毛刺很有效果。去耦電容的主要功能就是提供一個局部的直流電源給有源器件，以減少開關噪聲在板上的傳播并抑制噪聲對其他芯片的干擾。陶瓷電容器通常被用來做去耦電容。
[0057]當電容容值很大時，其諧振頻率很低，電容提供電流的能力在較低的頻率就開始變差，使得高頻去耦效果變差。
[0058]本發明膠體晶體生長檢測控制裝置是用于微重力環境下膠體晶體結晶動力學過程中的圖像變化過程，需要全程控制參數，記錄遙測數據和圖像數據。針對膠體晶體空間微重力的功能需求，采取地址總線鎖存的方式，實現了電子學部分中各項功能的協調控制，包含樣品及工位選擇模塊、樣品及工位選擇模塊、電極電壓控制模塊、電源變換模塊、單片機及數據程序存儲模塊、AD轉換模塊、CCD和LED控制檢測模塊、樣品溫度控制模塊和激光器驅動模塊。各模塊功能都經過了調試與驗證，工作正常。空間微重力環境對裝置運行可靠性提出了較高的標準，測試結果表明發明在電磁兼容性方面達到了進行空間標準。
[0059]最后所應說明的是，以上實施例僅用以說明本發明的技術方案而非限制，盡管參照較佳實施例對本發明進行了詳細說明，本領域的普通技術人員應當理解，可以對本發明的技術方案進行修改或者等同替換，而不脫離本發明技術方案的精神和范圍。
【權利要求】
1.一種膠體晶體生長檢測控制裝置，包括微處理器，其特征在于，所述膠體晶體生長檢測控制裝置還包括:激光照明控制模塊，與所述微處理器相連接，用于控制激光器輸出激光和發光二極管照明；換位電機控制驅動模塊，與所述換位電機相連接，用于控制換位電機動作；樣品溫度控制模塊，與所述微處理器相連接，用于控制溫度傳感器，以及加熱膜加熱。
2.根據權利要求1所述的膠體晶體生長檢測控制裝置，其特征在于，所述微處理器通過數據總線分別與所述激光照明控制模塊、換位電機控制驅動模塊和樣品溫度控制模塊相連接。
3.根據權利要求1所述的膠體晶體生長檢測控制裝置，其特征在于，所述膠體晶體生長檢測控制裝置還包括電極電壓控制驅動模塊，與所述微處理器相連接，用于控制電極板的電壓。
4.根據權利要求3所述的膠體晶體生長檢測控制裝置，其特征在于，所述電極電壓控制驅動模塊通過數據總線與所述微處理器相連接。
5.根據權利要求1所述的膠體晶體生長檢測控制裝置，其特征在于，所述膠體晶體生長檢測控制裝置還包括攪拌電機控制驅動模塊，與所述微處理器相連接，用于控制攪拌電機動作。
6.根據權利要求5所述的膠體晶體生長檢測控制裝置，其特征在于，所述攪拌電機控制驅動模塊通過數據總線與所述微處理器相連接。
7.根據權利要求1所述的膠體晶體生長檢測控制裝置，其特征在于，所述膠體晶體生長檢測控制裝置還包括電源分配模塊，與所述微處理器相連接。
8.根據權利要求1所述的膠體晶體生長檢測控制裝置，其特征在于，所述膠體晶體生長檢測控制裝置還包括通信邏輯模塊，與所述微處理器相連接。
9.根據權利要求1所述的膠體晶體生長檢測控制裝置，其特征在于，所述通信邏輯模塊具有通信接口。
【文檔編號】G01N21/84GK103645193SQ201310700440
【公開日】2014年3月19日 申請日期:2013年12月18日 優先權日:2013年12月18日
【發明者】代斌, 孫志斌, 曹松, 楊皓, 翟永亮, 王超, 李維寧, 楊捍東, 蔣遠大, 翟光杰, 李明 申請人:中國科學院空間科學與應用研究中心