Измерение на переменном токе

Программа измерения на переменном токе представляет собой часть комплекса автоматизации физического эксперимента для проведения магнитотранспортных измерений на постоянном или переменном токе. Эта программа обеспечивает регистрацию двух сигналов с образца при проведении эксперимента на переменном токе. Это значит, что она работает в пассивном режиме, то есть делает всё, кроме развёртки. Для управления развёрткой служат другие программы комплекса, которые запускаются одновременно с этой. Новая концепция легкого старта значительно повышает простоту и надёжность. Измерения происходят непрерывно, позволяя получить максимальное соотношение сигнал/шум. Хранение результатов в реляционной базе данных автоматически упорядочивает результаты и на порядки увеличивает скорость и простоту поиска

Подключение и настройка аппаратуры

Для проведения эксперимента на переменном токе нужен следующий набор оборудования:

Все приборы подключаются к компьютеру через оболочку VISA, которая позволяет абстрагироваться от конкретного интерфейса прибора и работать с ними единообразно. Мы используем оболочку Agilent IO Libraries Suite, предоставляющую COM-интерфейс для управления приборами. Эта оболочка позволяет проверить правильность подключения приборов и назначить им имена LockIn1, LockIn2, H, T или P (а также Gate для активной развёртки) для измерения соответственно сигналов с синхронных детекторов, сигнала с датчика Холла, термоконтроллера или термотрансдьюсера и напряжения активной развёртки. В любой момент (даже не прерывая эксперимента) назначение приборов можно изменить.

Оба синхронных детектора работают на одной частоте, генерируемой LockIn1. Для синхронизации частоты обоих приборов необходимо соединить коаксиальным кабелем цифровой выход REF MON прибора LockIn1 на его задней панели со входом REF IN прибора LockIn2 на его передней панели. Для LockIn2 также необходимо вручную настроить синхронизацию частоты: для SR830 нажатием на кнопку Trig выставьте синхронизацию по положительному фронту импульса (индикатор POS EDGE) и кнопкой Sourse задайте синхронизацию от внешнего источника (при правильном включении индикаторы INTERNAL и UNLOCK не должны гореть). Для 7265 эта операция проделывается из меню прибора. Переход в правильный режим работы осуществляется программой в начале её работы.

Необходимо также соединить опорное напряжение с LockIn1 с токовыми контактами образца и измеряемое напряжение с соответствующими входами синхронных детекторов.

После запуска программы управления термоконтроллером и до завершения её работы запрещается ручное управление термоконтроллером LakeShore и запуск сторонних программ для работы с ним, не входящих в комплекс. Это может привести к потере данных и порче оборудования.

После запуска программы измерений на переменном токе и до завершения её работы запрещается ручное управление всеми цифровыми устройствами, участвующих в проведении эксперимента, а также запуск сторонних программ для работы с ними, не входящих в комплекс. Это может привести к потере данных и порче оборудования.

Доступ к базе данных

Диалог доступа к базе данных

Ключевой особенностью нашего измерительного комплекса является простой доступ к экспериментальным результатам из любой точки земного шара, что обеспечивается хранением данным в реляционной базе данных, которая доступна по интернету всем заинтересованным лицам. Поскольку к данным открывается самый широкий доступ, возникает вопрос об их защите от несанкционированного доступа - доступ к данным по паролю. Доступ к базе данных обязательно необходим при проведении любого эксперимента, поскольку программа не создаёт никаких файлов в процессе работы, все полученные экспериментальные данные сразу передаются только в базу данных. Поэтому при старте программы возникает диалог доступа к локальной базе данных.

Первые параметры - сервер и тематика - определяют расположение, где находятся ваши данные. Имя сервера базы данных - это компьютер в интернете, где хранятся данные. Это может быть имя компьютера в локальной сети, интернет адрес (начинающийся с http://...) или IP адрес (например 194.85.232.96). Если сервер находится на локальном компьютере, для него можно применять специальное имя localhost.

На каждом экспериментальном сервере может находиться произвольное количество баз данных, которые мы называем тематиками. Одновременно можно работать и производить поиск в пределах одной тематики. В настоящее время одна тематика может содержать не более 65535 экспериментов, в каждом из которых может быть не более 65535 записей. Можно хранить вообще все данные установки в одной тематике. Если возникает необходимость создать на сервере независимую область хранения - тематику - обратитесь к амминистратору комплекса.

Программа позволяет запоминать готовые комбинации из четырёх параметров доступа в группы и запоминать их на локальном компьютере в зашифрованном виде. Вверху диалога располагается список таких групп. Выбрав одну из них, пользователь сразу определяет все параметры доступа, которые он затем может поменять или дополнить. В зависимости от политики безопасности лаборатории в группе сохраняются или только сервер и тематика, или сервер, тематика и имя пользователя, или все параметры с паролем. Список комбинаций предустановлен и меняется администратором. Программа запоминает последний вариант из предустановленного списка комбинаций параметров. При следующем вызове этого диалога будет показан именно этот вариант, но без последующих изменений, сделанных пользователем.

Если ввод паролей и режим безопасности вызывают стойкое отвращение, а запись осуществляется всегда в одну и ту же тематику - попросите администратора комплекса создать конфигурацию вызова программ без начального диалога. Конечно, это ухудшает безопасность данных, но это безусловно лучше, чем хранить пароль на бумажке, прикрепленной к дисплею!

Даже при обращении к базе данных на локальном компьютере программа использует IP протокол, поэтому обязательно добавьте все программы комплекса в исключения вашего файервола.

Начало работы

Эксперимент на переменном токе

Как и во всех программах комплекса, AC эксперимент построен так, что

Программа обеспечивает регистрацию сигналов с двух синхронных детекторов, то есть работает в пассивном режиме. Для управления развёрткой по магнитному полю или температуре служат другие программы комплекса, которые запускаются одновременно с программой регистрации.

Как и во всех программах комплекса, для получения справки по элементу окна программы достаточно навести туда мышку - и появится всплываюшая подсказка.

Связь с измеряемыми физическими величинами устанавливается сразу при старте программы и продолжается всё время, пока программа запущена. Это выгодно отличает наш измерительный комплекс от других, в которых узнать что происходит прямо сейчас можно только после старта эксперимента.

Индикаторы измеряемых величин

Индикаторы измеряемых физических величин в физических единицах измерения собраны вместе в верхней части экрана. Синхронный детектор измеряет как сигнал в фазе с опорным напряжением (канал X), так и сигнал, сдвинутый на 90° по сравнению с опорным (канал Y). Оба эти сигнала показываются на передней панели и записываются в базу данных.

Особенностью нашего комплекса является его полная устойчивость к ошибкам аппаратуры. Задержки в работе, сбои и даже отлючение цифрового прибора никоим образом не снижают готовность и функциональность.

Даже полный отказ всех измерительных приборов комплекса не является причиной для прекращения измерения и записи информации в базу данных. Вы можете спросить, что же тогда записывается? Записывается ценная информация о намерениях естествоиспытателя: какой образец с какими контактами он хотел померить, какова была бы развёртка, когда появилось желание провести измерение и сколько секунд оно продолжалось.

Отказы синхронных детекторов бывают двух видов. Если индицируется значение NaN, но фон индикатора остаётся прежний, то отказ прибора плановый, не волнуйтесь, прибор и не должен работать. Плановый отказ возникает после изменения режима его работы при изменении настройки пользователем или после автоматической смены предела измерения, если включен автоматический выбор пределов. Просто подождите некоторое время и сигнал восстановится.

Если фон соответствующего индикатора станет розовым - это сигнал пользователю, что ситуация вышла из под контроля программы и требуется ручное вмешательство, либо прибор был изначально выключен. После устранения ошибки сделайте двойной щелчок по индикатору прибора, и программа попытается связаться с ним заново и использовать в измерениях. Все эти действия могут происходить даже во время записи эксперимента.

Индикация магнитного поля

Сигнал, измеряемый по каналу магнитного поля H, пропорционален магнитному полю, но в зависимости от используемого датчика коэффициент пропорциональности будет разным. Этот коэффициент указывается пользователем в поле ввода сразу под индикатором магнитного поля H=. Размерность этого коэффициента кГ/Ом, все значения, измерянные прибором по каналу H будут домножены на этот коэффициент перед индикацией и записью в базу данных. При некорректном вводе числового значения коэфициента фон поля ввода становится красным, в этом случае данные не пропадают, а программа использует единичное значение.

Обычно для измерения магнитного поля используется датчик Холла и вольтметр работает в режиме измерения сопротивления по четырёхзондовой схеме. Но иногда измеряется просто ток соленоида, в этом случае вольтметр переходит в режим измерения напряжения, а размерность коэффициента становится кГ/В. Для перехода в альтернативный режим измерения магнитного поля или обратно нужно сделать двойной щелчок по размерности коэффициента. Значение коэффициента и режим измерения магнитного поля запоминаются при выходе и восстанавливаются при последующих запусках программы, так что менять ничего не придётся.

Измерения магнитного поля через ток соленоида менее точны, чем с помощью датчика Холла: в сильных полях нарушается линейность из-за "раздувания" соленоида, а в слабых полях появляются захваченные поля из-за намагничивания железных частей соленоида.

Индикация температуры

Программа измеряет температуру в пассивном режиме, то есть только регистрирует текущую температуру. Для активного управления служит другая программа комплекса. Для измерения текущей температуры используется либо термоконтроллер LakeShore, подключенный к каналу T, либо термотрансдьюсер (датчик давления паров гелия), подключенный к каналу P. Если оба устройства включены и работают, программа использует данные от LakeShore. При подключении канала термотрансдьюсера P меняется цвет фона индикатора температуры T= на передней панели. Для повторного поиска и подключения прибора как обычно сделайте двойной щелчок на его индикаторе.

Настройка синхронных детекторов

Параметры синхронных детекторов

Диалог настройки обоих синхронных детекторов вызывается двойным щелчком мышки по шестерёнке в центре окна программы.

Частота

Это общий параметр для обоих Lock-In. Установка оптимального значения - целое искусство. Слишком большое значение усиливает паразитный сигнал от емкостей и переходных процессов в образце. Слишком маленькая частота вынуждает применять фильтр с большой постоянной времени, что замедляет измерение и может привести к пропуску особенностей сигнала. К тому же установка частоты, близкой к частоте гармоник сети приводит к появлению паразитных осцилляций выходного сигнала на разностной частоте.

Фильтр

Для увеличения отношения сигнал/шум применяется аппаратный фильтр с заданной постоянной времени. Его величина должна быть не меньше нескольких периодов частоты опорного сигнала.

Автовыбор

Синхронный детектор в отличие от вольтметра общего назначения не имеет режима автоматического выбора пределов измерения. По-видимому, это связано с длительными переходными процессами в приборе, возникающими после изменения режима измерений. Поэтому до разработки комплекса диапазон прибора устанавливался вручную и контролировался во время всего измерения. Когда возникала необходимость изменить предел, измерение приостанавливалось, диапазон менялся вручную и после установления стабильного состояния измерение возобновлялось.

Наш комплекс предоставляет два более совершенных способа измерений: полуавтоматический и автоматический. В полуавтоматическом режиме все настройки синхронных детекторов производятся не с их передней панели, а из диалога настроек программы (двойной щелчок на шестерёнку в центре окна). После изменения параметров программа отбрасывает выпадающие измерения во время переходного процесса, так что ход эксперимента не прерывается. Выпадающие значения индицируются числом NaN на том же фоне индикатора прибора. В автоматическом режиме начальный диапазон сигнала определяется самим прибором при старте программы или при включении автоматического режима, а затем регулируется программой динамически в зависимости от измеряемого сигнала, учитывая параметры, задаваемые пользователем (см. ниже).

Чтобы мягко стимулировать пользователя к применению более современных режимов работы, устаревший ручной режим в комплексе не реализован. Установка флажков Автовыбор приводит к автоматическому режиму работы (выбор диапазона программой), а снятие флажков - к полуавтоматическому режиму (установка пользователем из диалога). Возможно также раздельное управление порогами автоматического выбора диапазона измерения раздельно по каждому синхронному детектору. Например, чтобы заставить прибор адаптироваться ко всё возрастающему входному сигналу, но никогда не переходить к более чувствительному диапазону при падении входного сигнала, следует отметить флажок автовыбора ↑, но снять пометку с флажка ↓. Это бывает полезно при регистрации быстро осциллирующих сигналов неизвестной амплитуды.

Диапазон

В полуавтоматическом режиме работы верхний предел измеряемых значений в милливольтах устанавливается в поле Диапазон. Особенность синхронного детектора Signal Recovery 7265 состоит в том, что сигнал может значительно (до двух раз) превосходить предел измерений, хотя делать так и не рекомендуется.

Пороги вверх и вниз

В автоматическом режиме работы пользователь может установить пороги измеряемого сигнала, при достижении которых будет происходить автоматическая смена диапазона измерений. Пороги регулируются отдельно для переключения диапазона к более или менее чувствительному и измеряются в долях от величины текущего диапазона.

Если измеряемый сигнал меняется от нуля в начале эксперимента, можно предотвратить частую смену пределов в начале измерения. Для этого вручную в диалоге установите разумный диапазон для среднего ожидаемого сигнала и отключите порог вниз перехода к более чувствительному пределу. Тогда начало измерений будет записано на установленном вами вручную пределе, а при его превышении чувствительность будет автоматически изменена.

Время установки

После изменения параметров измерения вручную или автоматически в приборе возникает переходной процесс, и данные в это время лучше выбросить. Характерное время этого процесса порядка постоянной времени сглаживающего фильтра, поэтому рекомендуется устанавливать время отбраковки данных в 3-10 постоянных времени фильтра. Эта установка действует как в полуавтоматическом, так и в автоматическом режимах.

Сохранение параметров

Фактическое обращение к прибору и запись в него новых параметров происходит только после нажатие на OK и если только значение параметра было изменено. Данные будут отбрасываться указанное время после изменения частоты опорного сигнала, диапазона или сглаживающий фильтра. Изменение времени установки будет учтено при следующем изменении параметров измерения.

Выбор образца

Некоторые параметры измерения программа не может узнать сама и их нужно задавать перед началом записи эксперимента. Самый важный из них - имя измеряемого образца. Предполагается, что параметры образца уже заданы ранее в редакторе образцов - это отдельная программа комплекса. Параметры достаточно определить один раз, а потом указывать только короткое имя образца. Подробное описание образца, заданное в редакторе образцов в поле комментариев, выводится как всплывающая подсказка при наведении мышкой на поле выбора образца.

Выбор тока образца

Значение тока через образец устанавливается переключателями на источнике тока, смонтированного на держаьеле образца. Это значение должно вводиться в поле I= до начала эксперимента, изменить его потом будет уже нельзя.

Выбор контактов

Над графиками слева от индикаторов сигналов с образца задаются контакты образца из выпадающего списка.

Выбор развёртки

Развёртка - это то, что меняется в ходе эксперимента и выводится по оси Х графиков. Режим развёртки общий для обоих каналов и задаётся под графиками. В настоящее время поддерживаются режимы пассивной развёртки от температуры T, от магнитного поля H и от времени для измерения релаксационных процессов time, а также одна активная развёртка gate.

Не забудьте определить образец, ток образца, контакты и тип развёртки до начала записи эксперимента: во время записи их уже нельзя будет изменить.

Режим активной развёртки

Развертка gate является активной, то есть управляемой самой измерительной программой. Для управления используется выход цифро-аналогого преобразователя DAC1 синхронного детектора Signal Recovery 7265 (подключенного ко входу LockIn1), сигнал с которого после усилителя и интегратора подаётся на образец и контролируется вольтметром общего назначения Gate.

Параметры активной развёртки

При выборе развёртки gate справа от неё появляется значок и индикатор текущего напряжения развёртки в вольтах. Двойной щелчок по значку вызывает диалог настройки параметров активной развёртки. Этих параметров всего два:

Запуск активной развёртки происходит как обычно нажатием на кнопку Запись. Предполагается, что до начала эксперимента напряжение на интеграторе было нулевым, обеспечить это условие должен сам экспериментатор. В ходе измерений программа с помощью DAC1 выставляет заданную в диалоге скорость развёртки и контролирует управляющее напряжение на образце с помощью вольтметра Gate. Как только управляющее напряжение превысит заданную в диалоге величину, направление развёртки сменится на противоположное. После прохода нуля будет записана ветвь отрицательных значений Gate. Развёртка продолжится до тех пор, пока не будет достигнуто отрицательное предельное значение Gate, после чего направление развёртки снова станет положительным. Эксперимент заканчивается при достижении нулевого значения Gate.

Пользователь может также принудительно остановить эксперимент повторно нажав кнопку Запись. В этом случае запись в базу данных будет прекращена и будет установлена нулевая скорость развёртки. Но управляющее напряжение Gate на выходе интегратора не будет сброшено к нулю, пользователь должен сделать это самостоятельно аппаратным способом (например замкнув контакты конденсатора в интеграторе).

Не забывайте вручную сбрасывать напряжение Gate на выходе интегратора после аварийной остановки эксперимента!

Если при пассивной развёртке выключение или сбой любого прибора не влияют на продолжение эксперимента, то при активной развёртке работоспособность вольтметра Gate критична и при его отказе эксперимент завершается аварийно, как при нажатии пользователем кнопки Запись.

Комментарий

Хотя это поле - прямой аналог имени файла в системах измерений предыдущих поколений, значение его совсем другое. Можно оставлять его пустым во всех экспериментах и тем ни менее сохранить все достоинства упорядоченного хранения данных и быстрого поиска - поскольку вся информация, ранее обычно попадавшая в имя файла, сейчас сохраняется системой автоматически. Комментарий можно использовать для сохранения особенностей конкретного измерения. Кроме того, продвинутые пользователи могут организовать с его помощью собственные категории поиска данных, такие как виртуальные папки, поиск по ключевым словам и ведение рейтинга экспериментов, подробнее смотри в поиске данных.

Поле комментария доступно для редактирования как до эксперимента, так и во время эксперимента. Обычно сохраняется его последняя редакция при завершении записи, но если в работе компьютера произошёл сбой, то останется версия от начала эксперимента. Если вы не успели что-то дописать, а эксперимент уже завершился - ничего страшного, комментарий всегда можно изменить позже в редакторе данных.

Старт и завершение записи

Момент начала эксперимента всегда был если не камнем преткновения, то точно был объектом повышенной опасности для экспериментатора. Когда начинать эксперимент, какие сейчас значения физических величин, что это на левом вольтметре - сигнал с датчика Холла, с контактов 35 или просто с источника напряжения? Исправны ли кабели соединения с компьютером? А не перепутаны ли сигнальные провода? А что если во время инициализации прибора при старте произойдёт сбой, хотя до этого он работал нормально? А какое выбрать имя файла? А не забыл ли я вписать туда ток образца? А какой выбрать каталог для хранения? А что, если файл уже существует?

Новая концепция лёгкого старта эксперимента избавляет экспериментатора от всех этих вопросов. Вместо стресса в начале каждого измерения - одно лёгкое нажатие на кнопку - и всё! В самом деле: поскольку все измеряемые величины всегда перед глазами, это гарантирует, что измерения пойдут гладко, ведь они уже идут непрерывно. Единственное, что меняется - статус записи, измерения можно или сохранять или не сохранять. Так эта кнопка и называется - Запись. При нажатии на ней появляется зелёная галочка, это признак того, что запись ведётся. Чтобы прекратить запись и завершить эксперимент, достаточно ещё раз нажать на ту же кнопку. Следующее нажатие начнёт новый эксперимент.

В отличие от комплекса для импульсного магнитного поля в нашем комплексе не предусмотрена кнопка приостановки эксперимента (паузы). В самом деле, старт и остановка эксперимента настолько легки, что писать или не писать данные становится чисто логическим различием. Чтобы устранить даже такое тонкое различие, специально для этого случая в редакторе данных предусмотрено слияние нескольких однотипных экспериментов, при котором все эти эксперименты будут рассматриваться при обработке как один. Поэтому паузу в измерениях полностью заменяет остановка и возобновление эксперимента.

Где же имя файла

Чтобы окончательно облегчить старт и заодно избавить экспериментатора от мук выбора имени файла и имени каталога, мы приняли радикальное решение: теперь не существует ни того, ни другого. Нет файла - нет выбора, всё просто. Хотя начинающие пользователи могут быть немного смущены, подобный подход уже был успешно реализован в системе автоматизации импульсного магнитного поля и показал себя с самой лучшей стороны. Тогда за основу была взята иерархическая структура файловой системы и жёсткий выбор имён файлов, генерируемых самой программой.

В нашем комплексе был сделан ещё один шаг вперёд - результаты эксперимента хранятся в реляционной базе данных. Это окончательно перекладывает всю нагрузку по наведению порядка на комплекс и заодно позволяет систематизировать и искать данные с невиданной ранее быстротой, скорость возрастает на порядки. Представьте себе волшебный письменный стол, на который достаточно кинуть кипу бумаг, и они сами собой будут рассортированы по темам и полочкам - это даёт отдалённое представление о системе поиска комплекса.

Просмотр графиков

Во время записи эксперимента графики обоих каналов в зависимости от выбранной ранее развёртки отображаются на экране. По умолчанию границы просмотра выбираются автоматически в зависимости от поступающих данных, но пользователь в любой момент может выделить мышкой интересующую его область и растянуть на всё окно. Для смещения области просмотра вверх-вниз и влево-вправо служат обычные скролл-бары по краям окна. При каждом выделении предыдущий масштаб запоминается и его можно восстановить кнопкой на скролл-баре независимо по обоим осям.

При окончании записи графики остаются на экране до начала нового эксперимента, который всегда начинается очисткой окна графиков.

График канала X сигнала, находящегося в фазе с опорным сигналом, рисуется на графике синей линией. Канал Y, сдвинутый на 90° от опорного сигнала, отображается в виде зелёного заполнения до оси абсцисс. Это позволяет визуально оценить соотношение сигналов в каналах и сдвиг фазы.

Управление фазой измеряемого сигнала

Продвинутые пользователи могут управлять фазой регистрации измеряемого сигнала с помощью кнопок справа от индикаторов синхронных детекторов. Кнопка вызывает функцию автоподстройки фазы, после чего значение по каналу Y должно стать мало по сравнению с каналом X. Кнопка вызывает изменение фазы детектирования на 90° по часовой стрелке. В обоих случаях вызываются внутренние функции приборов, так что подстройка может занимать несколько циклов измерения.

При модуляции магнитного поля опорным сигналом с синхронного детектора часто применяют регистрацию сигнала на второй гармонике опорного сигнала. Из-за петель при монтаже образце в измеряемом сигнале при этом возникает паразитный сигнал, пропорциональный dH/dt, а значит сдвинутый на 90° от основного измеряемого сигнала. Отстроиться от этого сигнала можно, отключив ток образца, проведя автоподстройку фазы и затем повернув фазу измеряемого сигнала на 90°.