Измерение на постоянном токе

Подключение и настройка аппаратуры

Для проведения эксперимента на постоянном токе нужен следующий набор оборудования:

• Четыре вольтметра общего назначения для измерения двух сигналов с образца, тока через образец и магнитного поля. В настоящее время поддерживаются вольтметры Agilent 34410A и Keithley 2000. Эти приборы взаимозаменяемы и могут использоваться в любых сочетаниях.
• Термоконтроллер LakeShore 340 или датчик давления паров гелия для измерения температуры.
• Синхронный детектор Signal Recovery 7265 (только для измерения вольт-амперных характеристик).

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 S1, S2, Isample, H и T или P для измерения соответственно сигналов с образца, тока образца, сигнала с датчика Холла и температуры. В любой момент (даже не прерывая эксперимента) эти программные назначения можно изменить. Для измерения температуры термоконтроллеру надо присвоить имя T или термотрансдьюсеру - имя P. Если оба устройства включены и работают, программа использует данные от LakeShore. Для измерения вольт-амперных характеристик к каналу LockIn1 должен быть подключен прибор Signal Recovery 7265. Подробнее о подключении цифровых приборов.

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 постоянном 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.

Настройка программы

После правильного подключения приборов сама программа проведения эксперимента на постоянном токе не требует дополнительной настройки. Используемые приборы автоматически настраиваются в нужный режим в зависимости от их типа и измеряемого сигнала.

Доступ 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

Все программы комплекса построены так, что

• вы видите самую нужную информацию и основные действия в наглядной форме,
• вы не видите ничего лишнего,
• 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,
• сервер в интернете для хранения данных обеспечивает простой доступ к результатам из любой точки земного шара.

Рассматриваемая программа обеспечивает регистрацию двух сигналов с образца при проведении эксперимента на постоянном 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.

Вы конечно понимаете, что измерение на постоянном токе не означает, что ток образца будет постоянным. Это означает только, что не используется переменный ток и синхронный детектор.

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 предыдущих версий, в которых узнать что происходит прямо сейчас было можно только после старта эксперимента.

Индикаторы измеряемых величин

Все индикаторы измеряемых физических величин собраны вместе в верхней части экрана. Размерности величин: градусы Кельвина, микроамперы и милливольты.

Особенностью нашего комплекса является его полная устойчивость к ошибкам аппаратуры. Задержки в работе, сбои и даже отлючение цифрового прибора никоим образом не снижает готовность и функциональность. Если прибор отключен или в нём произошёл сбой, соответствующий индикатор станет розовым, а значение в нём - NaN. Это сигнал пользователю, что ситуация вышла из под контроля программы и требуется ручное вмешательство. В этот момент можно переназначить имена приборов из оболочки Agilent IO Control . 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.

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 пользователя: какой образец с какими контактами он хотел померить, какова была бы развёртка, когда появилось желание провести измерение и сколько секунд оно продолжалось.

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.

Выбор образца

Некоторые параметры измерения программа не может узнать сама и их нужно задавать перед началом записи эксперимента. Прежде всего это 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 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 развёртки от температуры, от магнитного поля, от тока для вольт-амперных характеристик и от времени для измерения релаксационных процессов.

Не забудьте определить образец, контакты и тип развёртки до начала записи эксперимента: во время записи их уже нельзя будет изменить. Во время записи можно будет менять только комментарий.

Все развертки кроме ВАХ являются пассивными: программа не управляет ходом развертки в ходе эксперимента, а только регистрирует происходящие изменения. Управлять пассивной разверткой можно внешними приборами - термоконтроллером LakeShore и источником тока сверхпроводящего соленоида.

Активная развёртка ВАХ

Развертка ВАХ является активной, то есть управляемой самой измерительной программой. Для управления используется выход цифро-аналогого преобразователя DAC1 синхронного детектора 7265. Поддерживаются два способа управления током через образец, каждый из которых требует своей аппаратной поддержки.

В обоих режимах напряжение с ЦАП управляет напряжением, подаваемым на образец на токовые контакты 12 и регистрируется по каналу S1, ток через образец как обычно регистрируется по каналу Isample. Чтобы получить привычное расположение осей ВАХ сигнал напряжения на образце S1 на левом графике располагается по оси абсцисс (Х), а ток образца - по оси ординат (Y).

В ходе измерения всегда контролируется ток и напряжение на образце. Если при пассивной развёртке выключение или сбой любого прибора не влияют на продолжение эксперимента, то при активной развёртке ВАХ контроль тока и напряжения позволяет не допустить разрушения образца. При сбое на канале измерения S1 или Isample эксперимент аварийно завершается, а напряжение ЦАП устанавливается в 0. Таким образом программа гарантирует, что ток и напряжение на образце не превысят заданных значений. Эти значения устанавливаются в верхней части диалога настоек ВАХ.

Надпись Lock-in 7265 в нижней части диалога настроек показывает готовность к работе синхронного детектора Signal Recovery 7265, подключенного по каналу LockIn1, без которого измерение ВАХ невозможно. Зелёный цвет надписи говорит о готовности прибора. Если надпись красная, можно попробовать подключиться к прибору заново сделав двойной щелчок по этой надписи.

Развертка ВАХ начинается с нулевого напряжения на образце, далее напряжение увеличивается, пока не будет достигнут максимальный ток через образец или максимальное напряжение на образце. После этого напряжение с той же скоростью уменьшается и идёт в область отрицательных значений, пока опять не будет достигнуто одно из ограничений по току или по напряжению. В конце напряжение с той же скоростью идёт к нулю. Эксперимент завершается либо по завершению полного цикла измерений, либо досрочно пользователем при повторном нажатии на кнопку Запись.

Способ управления током образца и другие параметры ВАХ можно установить в диалоге параметров ВАХ, вызываемом двойным щелчком по значку справа от выбора типа развёртки. Для выбора способа управления тока, реализованного в конкретной (вашей) установке достаточно выбратьт соответствующую вкладку диалога.

Обычный режим измерения ВАХ

Этот режим подходит для большинства случаев и позволяет получить максимальную точность и скорость измерений. Измерения происходят в непрерывном режиме, а напряжение ЦАП подается на образец через интегратор, то есть ЦАП управляет скоростью изменения напряжения на образце. Конкретная скорость развертки зависит от аппаратной реализации интегратора, пользователь задаёт скорость развёртки в вольтах. Максимальная скорость соответствует максимальному напряжению ЦАП - 10 вольт. В конце измерений, когда напряжение переходит нулевую отметку из отрицательных значений, запись прекращается, но программа некоторое время выводит напряжение на образце к точному нулевому значению, после чего напряжение ЦАП устанавливается в 0.

Режим измерений ВАХ с минимальным разогревом образца

Иногда ток через образец, необходимый для измерений, приводит к сильному разогреву образца. Чтобы уменьшить средний ток, мы проводим измерения в импульсном режиме. В этом случае напряжение ЦАП подаётся на образец без интегратора (хотя возможно с усилением или ослаблением в зависимости от аппаратной реализации). В настройках определяется скважность импульса тока - отношение периода импульсов к длительности самого импульса тока. При скважности 1 измерения происходят непрерывно, при скважности 2 длительность импульса равна длительности "отдыха" с нулевым током. Количество точек в диалоге - это количество точек в положительной ветви ВАХ от 0 до максимального заданного в диалоге напряжения (не до 10 вольт!). Таким образом, общее количество точек в эксперименте обычно в 4 раза больше. Если сработало ограничение по допустимому току через образец, то положительная ветвь заканчивается, а шаг по напряжению для отрицательной ветви соответственно уменьшается, чтобы уложиться в заданное число точек.

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 графиков. 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 областей графиков.

Изменение полярности тока

Во многих исследовательских группах применяют методику изменения полярности тока через образец для подавления паразитного сигнала термосопротивления с контактов подводящих проводов. Цикл измерения при этом состоит из переключения полярности тока с помощью реле, задержки, короткого измерения, второго переключения полярности, задержки, и второго измерения, после чего результаты первого и второго измерения усредняются.

В нашем комплексе такая методика не используется. В оправдание можно привести массу доводов. Например, эта методика, хотя и избавляет от систематической ошибки от термосопротивлений, привносит новую систематическую ошибку и вдобавок значительно уменьшает отношение сигнал/шум. В самом деле, давайте прикинем дополнительные возникающие ошибки. Пусть время задержки составляет 2 секунды, время измерения 0.5 сек, а общее время эксперимента 10 минут. Тогда отношение сигнал/шум ухудшится вдвое sqrt(0.5/2.0)=0.5, и вдобавок появится дополнительная систематическая ошибка порядка 2/600, то есть треть процента от всей шкалы ординат выходного графика из-за рассогласования по времени измерения. Больше эта треть процента чем термоЭДС? Однозначного решения пока нет.