基于VB的磁響應性測試軟件的研制
現代磁性材料已經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，計算機用磁記錄軟盤等，那么它與VB又有怎樣的聯系呢?
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于磁性材料發現和使用的記錄，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，發揮了巨大的作用，極大的推進了人類文明的發展，促進了東西方文化和物質的交流[2]。現代磁性材料已經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，計算機用磁記錄軟盤等。可以說，磁性材料與自動化、機電一體化、信息化、國防、國民經濟的方方面面緊密相關。
近年來，磁性材料已成為科學研究的熱點和前沿，主要原因是其獨特的物理、化學性質。隨著生物學、醫學的快速發展，高性能磁性材料的應用也越來越廣泛，需求也越來越迫切。納米技術的快速發展更是極大的拓寬了磁性材料的研究領域和應用范圍，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不再是空想，并且還可以根據電子信息、生物醫學、航空航天等領域的需要，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，從而制備出各種類型的功能型磁性復合材料。
而在磁性納米材料的研究過程中，常常需要測定它的磁響應性，即磁性納米材料對外加磁場的響應時間。具備高磁響應性的磁性納米材料越來越受到人們的關注。
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程中，研究人員往往需要對磁性納米材料進行磁響應性測試。經查閱大量文獻和專利資料，目前市場上還沒有專門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，大多都是自行設計的，操作方法繁瑣，耗費時間長。其中技術相對比較成熟的方法主要有兩種：
1.通過人眼觀察或在等間隔時間內給磁性溶液拍照，來記錄在給定磁場下磁性溶液從開始渾濁變至澄清的時間，即可得到該材料的磁響應時間。這種方法依賴于人眼識別，測量誤差大，耗費時間長。
2.在設定磁場中每隔一段時間，用紫外分光光度計分析出取出樣品從進入磁場到澄清時所用時間。需要重復取樣，成本較高。
由此可見，目前磁性納米材料磁響應性測量的方法并不成熟。
1.3 課題的主要研究內容
本課題利用磁性納米材料中的磁性顆粒在外加磁場的作用下，會做定向運動，磁性溶液的透光率也隨之增大的原理，通過測量透過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VB編程設計開發用于檢測磁性納米材料的磁響應特性的軟件系統。該系統通過實時采集激光經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間并繪制磁響應特性曲線。
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，簡要介紹了磁性材料的發展和應用領域、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進行簡單說明，著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路連接、VB中常用的串口通信控件及建立方法。著重介紹系統的VB顯示界面。利用RS232串口可以實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，無需編寫大量的Visual Basic語言，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驗數據。
1.4 本章小結
磁性材料在很久以前就已經被發現和使用。21世紀，隨著化學、醫學和生物學的發展，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程中，常需要測定納米磁性材料的磁響應性。然而目前市場上還沒有針對磁響應的專門的測試儀器�，F有的測量方法雖然種類很多，然而測量原理五花八門，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的作用下會做定向運動、使溶液透光率隨之改變的特性。通過測量透過溶液光強度的變化，最終得到磁性納米顆粒的磁響應時間曲線。
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，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。磁性是物質的一種基本屬性[4]。
2.1.1 材料磁性的一般性原理
能吸引鐵、鈷、鎳等物質的性質稱為磁性。
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。核磁矩通常可忽略，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。大多數物質中，電子運動的方向各不相同、雜亂無章，磁效應相互抵消。因此，大多數物質在正常情況下并不呈現磁性。
鐵、鈷、鎳或鐵氧體等鐵磁類物質有所不同。它們內部的電子自旋可以在小范圍內自發地排列起來，形成一個自發磁化區，這種自發磁化區就叫磁疇。鐵磁類物質磁化后，內部的磁疇整整齊齊、方向一致地排列起來，使磁性加強，對外就會呈現出宏觀的磁性[5]。
磁疇理論是用量子理論從微觀上說明鐵磁質的磁化機理。所謂磁疇，是指磁性材料內部的一個個小區域，每個區域內部包含大量原子，這些原子的磁矩都像一個個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。各個磁疇之間的交界面稱為磁疇壁。宏觀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，整個物體的磁矩為零。也就是說，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，它才會對外顯示出磁性。
2.1.2 磁性材料的分類
在對磁性物質進行分類時，依據不同的標準，可以將磁性物質進行不同的分類。按照物質內部結構及其在外磁場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。鐵磁性和亞鐵磁性物質為強磁性物質，抗磁性和順磁性物質為弱磁性物質。按化學成分和性能的不同，可分為金屬磁性材料和非金屬磁性材料兩類，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、磁滯回線和磁損耗等。
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程中，常利用磁化率來表示該種材料對外加磁場的磁響應性大小。物質在外磁場作用下，由于其內部帶電體的運動，材料被磁化，產生一附加磁場，其磁場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，順磁性物質的磁化率大于零，抗磁性物質的磁化率小于零。在實驗中，常利用古埃磁天平來測量材料的磁化率[6]。
另外，也可以用一定時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，記錄在磁場作用下磁性顆粒下降的刻度值[7]。
此外，也可以用磁響應時間，即在一定的外磁場作用下，磁性納米溶液中磁性微球完全被磁場吸附所需要的時間來表示材料的磁響應性大小。西北大學生物芯片研發中心的崔亞麗等人在研究Fe3O4/Au的磁響應性時，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， 通過記錄磁性復合微粒被分離至貼壁膠體溶液完全澄清的時間，確定復合微粒對外加磁場的響應性。
在磁場作用下，磁性納米溶液中的磁性顆粒被磁化，產生一個與外加磁場方向相同的磁場，由于磁場間的相互作用，并且磁性顆粒的質量比產生外磁場的磁鐵質量小的多，因此，磁性顆粒會沿著磁場方向運動，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間，就可以得到該材料的磁響應時間。
在本設計中，正是利用磁性顆粒在外加磁場的作用下，會做定向運動的原理，來測量材料的磁響應特性的。測量一旦開始，系統便不停地采集透過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：磁場控制系統、溶液盛放模塊、激光發射與接收系統、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間進行檢測。
磁場控制系統：用于提供磁場并控制外加磁場的大小，使磁性溶液的磁性納米顆粒做定向運動，進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;
激光發射與接收系統：用于產生激光穿過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、電腦數據接口組成，用于進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圖的形式動態顯示、光強度數據自動保存于Microsoft Excel中并形成圖表。
2.3 裝置硬件結構框圖
整個裝置由電腦控制，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
物質的宏觀磁性起源于微觀的原子磁矩。而原子磁矩主要由電子自旋磁矩和軌道磁矩組成。在無外加磁場作用下，若物質內部磁疇相互平行排列，則整體磁矩加強，該物質為鐵磁性物質，若磁疇相互反平行排列，則凈磁矩為零，該物質為反鐵磁性物質。順磁性物質的磁疇在無外加磁場時呈無序排列，只有在外加磁場條件下才能產生平行有序的排列。
在科學研究或是材料制備過程中，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吸附所需要的時間，即磁響應時間來表示。
因磁性納米材料中的磁性顆粒在外加磁場的作用下，會做定向運動，磁性溶液的透光率也隨之增大。通過測量透過磁性溶液的光強變化，進而得到激光在磁性溶液中不同時間的透光度，最終便可得到溶液的磁響應時間曲線。
基于VB的磁性納米材料磁響應特性檢測裝置主要由7個部分組成，它們分別是：磁場控制系統、溶液盛放模塊、激光發射與接收系統、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。電腦擁有整個裝置的最高控制權，各個部分相互協調，共同完成磁響應時間的測量。
結束語
磁性材料，是古老而用途十分廣泛的功能材料。近年來，磁性材料已成為科學研究的熱點和前沿，隨著生物學、醫學的快速發展，高性能磁性材料的應用也越來越廣泛。
在磁性納米材料制備和特性測試過程中，研究人員往往需要對磁性納米材料進行磁響應性測試。通過測量透過磁性溶液的光強度大小，進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間曲線。測量自動完成，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的觀察光強度的變化，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。利用VB與Excel相結合實現數據保存和自動繪圖，大大提高了編程效率，增加了系統的可維護性。
實驗證明，本設計的軟件系統具有以下優點：
1.代替了人工手動測量,簡單,高效,誤差小;
2.數據實時采集，光強變化動態顯示，整體趨勢一目了然;
3.從開始測量至測量結束過程中無需人員駐守，節約時間，提高工作效率;
4.自動形成圖表,并通過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、實用性強。
本設計中也存在著一些不足，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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