CN109147509A - 全自动导电微晶静电场描绘仪及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种全自动导电微晶静电场描绘仪及其使用方法，属于物理实验教学设备领域。该系统采用单片机为核心控制单元，加上A/D模块、上位机、步进电机驱动器、步进电机、舵机，实现导电微晶模拟场电势数据的自动采集和存储功能。本发明消除了不同轴误差，利用触摸屏设定测量数据的行数、列数、测量范围、探针伸缩长度；由单片机控制第一和第二步进电机，实现探针的逐行扫描；利用STM32控制舵机的转动，控制探针的升起和落下；通过A/D模块将探针的模拟电势值转化为数字量供单片机采集，并发送给上位机进行显示和存储。实现了探针的自动扫描、自动升降和电压数据的采集和存储，适合不同电介质静电场描绘实验，特别适用于导电微晶静电场描绘实验。

Description

全自动导电微晶静电场描绘仪及其使用方法

技术领域

本发明属于物理实验教学设备技术领域，具体涉及一种全自动导电微晶静电场描绘仪及其使用方法。

背景技术

静电场描绘实验是传统的电磁学实验，因为直接测量静电场的分布非常困难，所以实验中常采用以稳恒电流场模拟静电场的方法来间接测量静电场的分布情况。

目前静电场描绘实验中，采用导电纸、自来水及表面导电玻璃等材料作为产生稳恒电流场的导电介质。不同导电介质的均匀性、寿命、介质与电极接触情况不同，导致测量的准确度也不同。

水做电介质：

用水做电介质，优点是取材方便，成本低。但是，水做电介质存在如下问题：

1. 水碱附着物

一个原因是内外电极表面产生水碱等附着物，有些地区水中含碱量很大，当直接使用这些水作电极之间的导电介质时，而实验完毕后水虽然倒掉而又不擦干的话，余下粘滞在容器及电极表面的水蒸发后产生水碱等杂质，久而久之，杂质越积越厚，电极表面就复盖了一层电阻层。该电阻层上将产生电压降，影响了测量结果。

2. 水的电解的影响

水是弱电解质, 能电离成 H⁺ 和 OH ^- 离子, 在外加直流电源的作用下， H⁺ 向阴极移动， OH ^- 向阳极移动，到达电极后部分离子要电解产生氢气和氧气，这些气体以气泡的形式附着在内外电极表面。由于这些气泡的存在,，使内、外电极表面区域就偏离了模拟条件。另外产生的氧气会使阳极表面逐渐氧化覆盖上氧化层，而氧化层的电阻率与水不同，使阳极附近更偏离模拟条件。再者未电解的H⁺和OH ^-会产生与外加电压方向相反的反电压，也会破坏模拟条件。

3. 水分子极化的影响

水分子是有极分子，在外电场作用下不仅要产生电子位移极化，还要产生取向极化，其中取向极化的效应比电子位移极化要强得多，两种极化都使水介质的端面即内外电极表面出现束缚电荷(其中内电极表面出现负束缚电荷，外电极表面出现正束缚电荷)，束缚电荷要在水介质内产生与外加电场方向相反的附加电场，因此也破坏了模拟条件。

4.水槽中充放电效应的影响

内外电极和探针都为导体，而水为电介质，故任意两导体间均会构成电容器，其电容经测量为微法的数量级。当探针P放在水介质中某一位置测量其电位时，发现某一点电位随时间会增大或减少，说明电容器在充电或放电，这样会使测量无法进行。

此外，利用水做电介质，测试过程中容易出现漏水、打翻水槽等问题，沾湿桌面、书本、手机等。综合以上分析可知，当用水作导电介质时, 用稳恒电流来模拟静电场所带来的误差是很大的。

导电纸做电介质：

用导电纸做电介质，避免了上述的问题。但是，用导电纸存在如下问题：导电纸作导电介质，实验误差较大。因为导电纸中的自由电子在外加电场的作用下，作定向移动形成电流，从而在导电纸中产生电流场，导电纸安装在电极与电极固定板之间。电极与电极固定板之间是光滑表面接触，导电纸安装时用固定中心电极的螺钉与外电极四个螺钉穿过导电纸压紧，这种情况易造成导电纸皱折和破损，实验误差大。因为导电介质分布不均匀会导致导电介质内的电流密度不均匀，从而使电流场的分布与有差异，并且导电纸本身在出厂时就存百分之二左右的不均匀度。两电极与导电纸不能良好接触，导电纸发生皱折，也是误差产生的原因。

导电玻璃做电介质：

在优质平板玻璃上均匀地涂敷一层复合材料导电膜。采用微机控制涂层厚度，导电膜的均匀度、硬度高、耐磨性有一定提高。模拟电极采用导电胶涂成，压制在导电膜上，保证了电极与导电介质的接触良好。采用双层探针结构，测量探针(头)用导电橡胶制成，测量时不损伤导电膜。但是，导电玻璃静电场描绘仪中的下探头导电橡胶易弯曲、老化、更换困难；金属探头易磨损导电玻璃涂层，导致较大的误差。

微晶做电介质：

微晶静电场描绘仪是近年来新兴起的一款产品，采用四氯化锡微晶薄膜做电介质，模拟电极采用银电极，与微晶接触良好。采用双层探针结构，注意了双层探针支撑片的材质和机械强度，操作时不发生形变。下探针采用铜锡合金制成，铜锡合金导电性能好、耐磨损，探针头微凸，与微晶薄膜接触好且不会划伤微晶薄膜。通过上下固定支板的翻转，可方便地实现不同的实验内容。微晶静电场描绘仪不易磨损、测绘稳定、均衡，实验值与理论值的误差小于百分之三，彻底克服了上述利用水、导电纸和导电玻璃做电介质存在的一系列问题。综上所述，微晶是目前静电场描绘仪最好的电介质。现有的微晶静电场描绘仪，采用双层探针结构，双层结构的描绘仪容易产生“不同轴误差”。当上下两层的探针不在同一轴线上，如果描绘时没有转动，所得到的静电场分布可以说是被测电场的平移。但是，要求描绘时没有转动是很困难的。有转动时，在坐标纸上所描的等位点，就会与实际电场分布情况之间存在误差，即“不同轴误差”。

传统静电场描绘仪在描绘静电场时，先要寻找等位点。而寻找等位点的方法是用伏特表通过描绘探针在被测电场范围内逐处测量，边找边观察伏特表的读数，当伏特表的读数为设定值时，停下探针，然后将该点标记在坐标纸上。这种人工寻点的方法效率很低。

从测试仪器发展的趋势上看，总的趋势是自动化，智能化，高效化。有必要设计一款适合利用微晶做电介质的全自动静电场描绘仪。在最终的设计中，发明了一种全自动导电微晶静电场描绘仪，将探针的运动、数据的量化、数据的采集等全部实现自动化，提高效率，误差小，降低成本。

发明内容

为解决上述问题，本发明提出一种全自动导电微晶静电场描绘仪。从根本上消除了不同轴误差，大大提高了数据采集的效率，在显示的同时，数据自动保存到上位机中。

本发明的另一目的在于提供该全自动导电微晶静电场描绘仪的使用方法。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案：该全自动导电微晶静电场描绘仪，由矩形机架，机架上设有纵向移动机构，所述纵向移动机构上部设有横向移动机构，所述横向移动机构上设有舵机，所述舵机的下方放置有待测导电微晶板，待测导电微晶板置于描绘平台上，待测导电微晶板通电形成导电微晶模拟静电场；所述舵机具有数据采集系统，由探针、A/D模块、上位机、第二稳压直流电源组成；所述探针连接在舵机输出机构上，所述输出机构为舵机的输出轴上安装有凸轮，凸轮上设有圆柱形短轴，十字形卡套悬挂在圆柱形短轴上，所述十字形卡套由固定在机架上的两个导套约束，可上下运动， 十字形卡套的底部具有一个竖直孔，探针固定在竖直孔中；所述探针由顶针，探针套管和探针杆三部分的组成：顶针套装在探针套管内，探针套管通过钻孔安装在探针杆下端，探针杆下端侧面设有锁紧探针套管的压紧螺钉，所述探针套管为带线探针套管，探针杆上具有探针套管的OK线穿过的钻孔与A/D模块， A/D模块与单片机连接，单片机连接有触摸屏，单片机通过USB线与上位机相连；待测导电微晶板、A/D模块和步进电机由电源供电。

所述纵向移动机构具有两个支撑架，两个支撑架由导轨梁连接，在一侧的支撑架上设有第一步进电机，第一步进电机的输出轴两端分别固定有第一同步齿形带轮，第一同步齿形带轮分别配合连接第一同步带，所述第一同步带位于机架边框凹槽内且两端固定在机架边框的两端，所述第一同步齿形带轮的两侧分别设有第一压带轮。

所述横向移动机构包括第二步进电机，所述第二步进电机的输出轴上设有第二同步齿形带轮，第二同步齿形带轮分别配合连接第二同步带，第二同步齿形带轮的两侧分别设有第二压带轮，第二同步带位于导轨梁的凹槽内且两端固定在导轨梁的两端，所述第二压带轮设在连接板上，所述导轨梁的下部设有卡轮，所述卡轮设在连接板上。

所述顶针是P50-J1、0.68mm顶针，针管直径0.68mm，针头直径0.5mm，针总长16mm，顶针受压迫后可缩进5mm；探针套管采用R50-2W6P50-2W6带线探针套管，探针套管直径0.86mm，探针套管连接的OK线与探针套管采用压接方式，探针杆是圆柱形，长度约18cm，直径4mm，下端中央钻直径是1mm的孔。

所述第一、第二步进电机连接有步进电机驱动器，步进电机驱动器的步距角设为1.8°、0.9°、0.45°和0.1125°时，步进电机每走一步，探针在X方向或Y方向移动的距离分别为0.16mm、0.08mm，0.04mm和0.01mm。

该全自动导电微晶静电场描绘仪的使用方法，其特征在于按下述步骤操作：利用触摸屏设定测量范围N，所要采集数据点的行数m和列数n，探针伸缩的长度；单片机通过第一、第二步进电机驱动器分别控制第一、第二步进电机的转动，利用第一、第二步进电机带动纵向移动机构和横向移动机构运动，实现探针在水平方向的扫描运动；单片机控制舵机的转动，舵机动力输出机构转换变成竖直方向的直线运动，从而实现探针的升起和落下；从导电微晶板左上角的起始位置开始，探针落下，采集数据后，探针升起，第一步进电机转动舵机水平向右移动适当距离后停下，然后探针落下，采集数据，探针再升起，第一步进电机转动舵机向右水平移动适当距离后停下，然后探针再落下采集......如此循环，测完第一行后，探针保持升起状态，第一步进电机反向转，舵机水平向左退回到最左边时第一步进电机停止转动；然后第二步进电机转动，舵机沿纵向移动适当距离后第二步进电机停止转动，探针落下，采集数据，然后，探针再升起，第二步进电机转动使舵机向右水平移动适当距离后停下，然后探针再落下采集......如此循环，测完第二行；如此循环，直到测完最后一行；然后，探针保持升起状态，第一、第二步进电机转动，使滑块回到起始位置，为下一次测量做好准备；探针的模拟电势值通过A/D模块处理后转变为数字量，发送给单片机，单片机自动读取电势值后发给上位机进行显示和存储。

本发明的机理和技术特点：

本发明全自动导电微晶静电场描绘仪以STM32单片机为控制核心，通过1个A/D模块采集探针的电势值，通过单片机和步进电机驱动器控制步进电机的转动，利用步进电机带动二维电动滑台的滑块运动,从而实现探针在水平方向的二维扫描，利用单片机控制舵机的转动进而控制探针在竖直方向伸缩的距离，以达到对模拟场一定区域内处于一定边长的方格网点的各点电势值的自动测量。在获得各点电势数据的同时，将不同位置的电势值在上位机进行显示和存储，测试完毕，数据可以输出。

技术特点一：利用二维同步带直线导轨电动滑台实现探针的“二维扫描”。

由于需要对一定区域内处于一定边长的方格网点的各点电势值进行测量，采用单一探针，就必须让探针在该区域进行二维扫描。本发明选择了二维同步带直线导轨电动滑台，当步进电机驱动器的步距角设为1.8°、0.9°、0.45°和0.1125°时，步进电机每走一步，探针在X方向或Y方向移动的距离分别为0.16mm、0.08mm，0.04mm和0.01mm，所以，测量位置的精度是可以调节的。步进电机的运动是受STM32单片机控制的，通过触摸屏修改发脉冲的个数，可以方便地改变二维扫描的范围。

技术特点二：用舵机和运动转换机构实现探针的升起和落下。

运动转换机构包括机架、固定在机架上的舵机，舵机的输出轴上安装有凸轮，凸轮上设有圆柱形短轴，十字形卡套悬挂在圆柱形短轴上，所述十字形卡套由固定在机架上的两个导套约束，可上下运动， 十字形卡套的底部钻有一个竖直深孔，孔的侧面有一个横向的、带丝的孔和固定螺丝，将探针杆插入竖直孔，调节好插入深度后，拧紧侧面的固定螺丝，将探针杆固定在竖直孔中。运动转换机构的底座要固定到二维同步带直线导轨电动滑台的滑块上。固定、调整好后，探针处在竖直方向。可以通过触摸屏方便地改变探针伸缩的长度，当舵机运动使探针下降到最低位置时，探针的针尖与导电微晶板的表面接触后要受压缩进1-20mm，保证接触良好；当舵机运动使探针升起到最高位置时，探针的针尖要比导电微晶板的表面高5-20mm，保证当二维同步带直线导轨电动滑台的滑块运动时探针与导电微晶板不接触，避免划伤导电微晶板。

技术特点三：利用A/D模块、STM32单片机和上位机实现数据的采集，显示和存储。

利用一个A/D模块将探针的模拟电势值转换为数字量并输送给STM32单片机，STM32处理电势数据并发送给上位机进行显示和存储。上位机实时显示采集到的电势值，发现问题可以及时处理；存储的数据以.txt的格式输出，利用Origin软件可以方便地处理。

技术特点四：探测点处在方格的格点上。

通过控制步进电机的转动，使探测点的行距等于列距，数据点处于方格的格点上，一方面便于赋予各个探测点的X坐标和Y坐标；另一方面，有利于利用软件生成电势随位置变化的三维曲面及等势线的生成。

本发明解决技术问题所采用的技术方案优点：

1）扫描方案确定

需要探测的模拟场分布在一个矩形区域，为全面反映模拟场的性质，有必要均匀探测各点的电势值。如果用一根探针，需要进行二维扫描才能实现。测量时间长，但是，探针与导电微晶板的良好接触容易保证，一路信号的数据的采集难度也小。如果多个探针纵向排成一排，同时进行横向扫描，也可以实现均匀探测各点的电势值。但是，不容易保证多个探针同时与导电微晶板接触良好，同时，多路数据的采集难度也增加了。此外，人们自然可以想象到用多根探针构成的探针束，将探针按一定的二维空间点阵进行排列，如40×40=1600根，这样不需要扫描，而且测量效率会大大提高。但是，这样做也有一些弊端。第一，探针束制备起来有些困难。第二，数据采集的难度大大增加。第三，很难保证所有的探针都与导电微晶板接触良好。第四，成本上升。为解决上述问题，本发明采用一根探针进行二维扫描来实现各点电势的探测。降低了实现的难度和成本，测量效率也可以接受。

2） 探针升降问题的解决

步进电机带动二维电动滑台的滑块运动,实现探针在水平方向的二维扫描，以达到对模拟场一定区域（面积160mm×160mm）处于一定边长的方格网点的各点电势值的自动测量。为了防止探针将导电微晶板划伤，在扫描的时候，探针必须升起来；在测试的时候，二维扫描必须停下，探针必须落下去和导电微晶板接触。由于测试的点数量较大，探针要升起和落下很多次，并且升起和落下的速度要快以节省时间。为实现这一目的，本发明采用舵机进行转换，由舵机的正向或反向转动转换为向上或向下的直线运动，当舵机运动使探针下降到最低位置时，探针的针尖与导电微晶板的表面接触后要受压缩进适当长度，保证接触良好；当舵机运动使探针升起到最高位置时，探针的针尖要比导电微晶板的表面高出适当距离，保证当二维同步带直线导轨电动滑台的滑块运动时探针与导电微晶板不接触，避免划伤导电微晶板。

3） 抖动影响测量问题的解决

由于步进电机在运转的时候会有振动，为防止探针与导电微晶板接触不良影响电势数据的采集，将探针从落下到采集数据的时间间隔设置为1秒以上，采集数据的时候，振动已经停止，排除振动的影响，确保数据的准确性和可靠性。

4） 数据的采集和存储

利用一个A/D模块将探针的模拟电势值转换为数字量并输送给STM32单片机，STM32处理电势数据并发送给上位机进行显示和存储。不仅电路简单，成本低，而且保证了较高的数据采集效率。上位机实时显示采集到的电势值，发现问题可以及时处理；存储的数据可以以.txt的格式输出，利用Origin软件可以方便地处理。

5） 参数的设置

利用触摸屏可以快速设定测量范围、数据的行数和列数、探针伸缩的距离，启动和复位等，无需修改程序，非常方便。

发明与背景技术相比所产生的有益效果：

利用本发明的全自动导电微晶静电场描绘仪对长直同轴柱形电极模拟场和两等量异种点电荷模拟场进行了描绘，利用Origin软件处理后得到了两种模拟场电势分布的三维映射表面图和等势线图，分别如图4、图5、图6和图7所示。

由于使用导电微晶作电介质，同以往的使用水、导电纸和导电玻璃做电介质相比，不存在水碱附着、水的电解、水分子极化、水槽充放电和沾湿物品的问题；也不存在导电薄层涂抹不均匀，电极与导电纸接触不良和重复测量使导电纸破损等问题；也不存在导电玻璃静电场描绘仪中的下探头导电橡胶易弯曲、老化、更换困难和金属探头易磨损导电玻璃涂层等问题。

传统的静电场描绘仪工作时需要寻找等位点，通常的做法是用连接伏特表的探针在被测模拟场内逐处测量，一边移动探针一边观察伏特表，当伏特表的读数为设定值时，停止移动探针，将该点标记在坐标纸上。然后重复上述操作，直到点的数目足够多、能够大致描绘等势线的分布情况为止，所以，寻点的效率特别低。本发明利用STM32单片机通过A/模块直接量化和处理测量点的电势值，然后将数据发送给上位机进行显示和存储；利用STM32单片机、步进电机驱动器，步进电机，舵机和同步带二维电动滑台实现探针的运动。利用触摸屏可以方便地设定测量范围，采集数据点的行数和列数，控制探针伸缩的舵机脉冲数等。不仅效率高，而且准确度高。和以往的双层静电场描绘仪相比，从根本上克服了不同轴误差，避免了描绘结果与实际电场分布差别过大的问题。

本发明消除了不同轴误差，探针的扫描、探针的升降、数据的量化、采集、存储均实现了自动化，大大提高了数据采集的效率。采集的同时，上位机实时显示并存储数据，实验完毕，数据可以导出。本发明原理简单、成本低廉、容易操作、效果直观。本发明不仅适用于用导电微晶作电介质的静电场描绘实验，也可以用于以水、导电纸、导电玻璃等为电介质的静电场描绘实验。完全可以取代传统的静电场描绘方法，在模拟静电场的测量，教学和研究方面具有重要意义，具有一定是推广价值。

附图说明

为进一步说明本发明的特征和技术方案，以下结合应用实例对本发明详细进行描述：

图 1本发明的系统示意图。

图 2本发明的结构示意图。

图 3 同步齿形带轮、压带轮连接结构示意图。

图4本发明的探针结构图。

图5本发明的舵机输出机构结构图。

图6本发明的作业流程图。

图7本发明实施例的长直同轴柱形静电场的三维映射表面图。

图8本发明实施例的长直同轴柱形静电场的等势线分布图。

图9本发明实施例的两等量异种点电荷模拟场的三维映射表面图。

图10本发明实施例的两等量异种点电荷模拟场的等势线分布图。

具体实施方式

图1、2、3为该全自动导电微晶静电场描绘仪，由矩形机架1，机架上设有纵向移动机构，所述纵向移动机构上部设有横向移动机构，所述横向移动机构上设有舵机8，所述舵机的下方放置有待测导电微晶板12，待测导电微晶板置于描绘平台上，待测导电微晶板通电形成导电微晶模拟静电场；所述舵机具有数据采集系统，由探针、A/D模块、上位机、第二稳压直流电源组成；所述探针9连接在舵机输出机构上，探针杆上具有探针套管的OK线穿过的钻孔与A/D模块， A/D模块与单片机连接，单片机连接有触摸屏，单片机通过USB线与上位机相连；待测导电微晶板、A/D模块和步进电机由电源供电。

所述纵向移动机构具有两个支撑架4，两个支撑架由导轨梁6连接，在一侧的支撑架上设有第一步进电机11，第一步进电机的输出轴7两端分别固定有第一同步齿形带轮5，第一同步齿形带轮分别配合连接第一同步带2，所述第一同步带位于机架边框凹槽内且两端固定在机架边框的两端，所述第一同步齿形带轮的两侧分别设有第一压带轮。

所述横向移动机构包括第二步进电机，所述第二步进电机的输出轴上设有第二同步齿形带轮，第二同步齿形带轮分别配合连接第二同步带，第二同步齿形带轮的两侧分别设有第二压带轮，第二同步带位于导轨梁的凹槽内且两端固定在导轨梁的两端，所述第二压带轮设在连接板上，所述导轨梁的下部设有卡轮，所述卡轮设在连接板上。

A/D模块选用荣域ADS1115超小型16位精密模数转换器模块，四通道，供电电压5V。电源3的正负极分别与待测导电微晶板的两个电极相连，电源3输出电压为5V。待测导电微晶板水平放置，建立待测的模拟场。探针的OK线与A/D模块的AO口连接。电源3的V-与A/D模块的A1口相连。A/D模块的VDD和GND分别与电源2的V+和V-相连。A/D模块的SDA与STM32的PB9相连，A/D模块的SCL与STM32的PB8相连。A/D模块的GND与STM32单片机的GND并联后接到电源3的负极上。第一步进电机的四根线与第一步进电机驱动器的A+、A-、B+、B-连接；第二步进电机的四根线与第二步进电机驱动器的A+、A-、B+、B-连接。两个步进电机驱动器的VCC并联后与电源1的正极连接；两个步进电机驱动器的GND并联后与电源1的负极连接，电源1输出电压为13V。第一步进电机驱动器的脉冲+和方向+并联后接STM32单片机的PG8口。第一步进电机驱动器的脉冲-接STM32单片机的PC9口。第一步进电机驱动器的方向-接STM32单片机的PC7口。第二步进电机驱动器的脉冲+和方向+并联后接STM32单片机的PG2口。第二步进电机驱动器的脉冲-接STM32单片机的PG6口。第二步进电机驱动器的方向-接STM32单片机的PG4口。舵机的+和-分别与电源2的正极和负极连接，舵机的signal与stm32单片机的PF9连接。STM32单片机的PG6口接地。STM32单片机通过USB线与上位机相连。两个步进电机驱动器的步距角都设置为0.9°，电机每走一步，滑块移动0.08mm；测试区域是160mm×160mm，利用触摸屏设定测量的范围是2000脉冲。利用触摸屏设定测量数据点为40行40列，共1600个数据。利用触摸屏设定控制探针伸缩的舵机脉冲数为8300。由于步进电机在运转的时候会有振动，为防止探针与导电微晶板接触不良影响电势数据的采集，设定从探针落下到采集数据的时间间隔为2秒，采集数据的时候，振动早就停止了，排除振动的影响，保证数据的准确性和可靠性。

图4是本发明的探针结构图

所用探针由三部分的组成：顶针9.1，探针套筒9.2和探针杆9.3。顶针是P50-J1（0＃小圆头）、0.68mm顶针，针管直径0.68mm，针头直径0.5mm，针总长16mm，顶针受压迫后可缩进5mm；探针套管采用的是R50-2W6P50-2W6（0＃）带线探针套管，套管直径0.86mm。钻孔安装尺寸为0.9mm，尾部带600mm长OK线9.4，线与套管采用压接方式，使用时无需焊线，可配P50系列各种头型的针；探针杆是圆柱形，长度约18cm，直径4mm，下端中央钻直径是1mm的孔，探针杆下端侧面横向开一个带丝的孔并配有螺丝9.5，探针杆上端横向开一个孔9.6。将顶针装入探针套管，将探针套管插入探针杆下端的圆孔中，探针套筒后端的OK线穿过探针杆上端横向的孔与A/D模块的AO口连接，利用下端横向螺丝固定探针套筒。适当调整探针杆的长度，当探针落下时，顶针要缩进2mm左右，保证与导电微晶板接触良好。

图5是本发明的运动转换机构结构图。

固定在机架8.1上的舵机8.2，舵机的输出轴8.3上安装有凸轮8.4，凸轮上设有圆柱形短轴8.5，十字形卡套8.6悬挂在圆柱形短轴上，所述十字形卡套由固定在机架上的两个导套8.7约束，可上下运动， 十字形卡套的底部钻有一个直径为4mm的竖直深孔8.8，孔的侧面有一个横向的、带丝的孔和固定螺丝8.9，将探针杆插入竖直孔，调节好插入深度后，拧紧侧面的固定螺丝，将探针杆固定在竖直孔中。运动转换机构的底座要固定到二维同步带直线导轨电动滑台的滑块上。固定、调整好后，探针处在竖直方向。当舵机运动使探针下降到最低位置时，探针的针尖与导电微晶板的表面接触后要受压缩进3mm，保证接触良好；当舵机运动使探针升起到最高位置时，探针的针尖要比导电微晶板的表面高10mm，保证当二维同步带直线导轨电动滑台的滑块运动时探针与导电微晶板不接触，避免划伤导电微晶板。

图6为本发明的作业流程图

硬件电路连接完毕后，给STM32单片机上电，触摸屏亮，触摸四角的校准提示符号完成校准；设置测量范围为N=2000脉冲，设置采集数据点的行数m=40，列数n=40，设置控制探针伸缩量的舵机的脉冲为8300；启动开始测量，步进电机和舵机配合动作，实现探针的扫描和伸缩，A/D模块将探针的模拟电势值数字化并传给上位机显示和存储；测量完毕，舵机将探针缩回，步进电机将探针拖回初始位置，点击上位机串口界面的数据保存，将数据以.txt格式保存到上位机并可以输出做后继处理。

该全自动导电微晶静电场描绘仪的使用方法，其特征在于按下述步骤操作：利用触摸屏设定测量范围N，所要采集数据点的行数m和列数n，探针伸缩的长度；单片机通过第一、第二步进电机驱动器分别控制第一、第二步进电机的转动，利用第一、第二步进电机带动纵向移动机构和横向移动机构运动，实现探针在水平方向的扫描运动；单片机控制舵机的转动，舵机动力输出机构转换变成竖直方向的直线运动，从而实现探针的升起和落下；从导电微晶板左上角的起始位置开始，探针落下，采集数据后，探针升起，第一步进电机转动舵机水平向右移动适当距离后停下，然后探针落下，采集数据，探针再升起，第一步进电机转动舵机向右水平移动适当距离后停下，然后探针再落下采集......如此循环，测完第一行后，探针保持升起状态，第一步进电机反向转，舵机水平向左退回到最左边时第一步进电机停止转动；然后第二步进电机转动，舵机沿纵向移动适当距离后第二步进电机停止转动，探针落下，采集数据，然后，探针再升起，第二步进电机转动使舵机向右水平移动适当距离后停下，然后探针再落下采集......如此循环，测完第二行；如此循环，直到测完最后一行；然后，探针保持升起状态，第一、第二步进电机转动，使滑块回到起始位置，为下一次测量做好准备；探针的模拟电势值通过A/D模块处理后转变为数字量，发送给单片机，单片机自动读取电势值后发给上位机进行显示和存储。

测试结果

按照上述测试条件，采用本发明的全自动导电微晶静电场描绘仪测量了长直同轴柱形电极模拟场和两等量异种点电荷模拟场的电势分布情况。导出数据后，用Origin软件处理，得到长直同轴柱形电极模拟场电势分布的三维映射表面图和等势线图分别如图7和图8所示；得到两等量异种点电荷模拟场的电势分布的三维映射表面图和等势线图分别如图9和图10所示。

Claims (6)

1.一种全自动导电微晶静电场描绘仪，其特征在于：具有矩形机架，机架上设有纵向移动机构，所述纵向移动机构上部设有横向移动机构，所述横向移动机构上设有舵机，所述舵机的下方放置有待测导电微晶板，待测导电微晶板置于描绘平台上，待测导电微晶板通电形成导电微晶模拟静电场；所述舵机具有数据采集系统，由探针、A/D模块、上位机、第二稳压直流电源组成；所述探针连接在舵机输出机构上，所述输出机构为舵机的输出轴上安装有凸轮，凸轮上设有圆柱形短轴，十字形卡套悬挂在圆柱形短轴上，所述十字形卡套由固定在机架上的两个导套约束，可上下运动， 十字形卡套的底部具有一个竖直孔，探针固定在竖直孔中；所述探针由顶针，探针套管和探针杆三部分的组成：顶针套装在探针套管内，探针套管通过钻孔安装在探针杆下端，探针杆下端侧面设有锁紧探针套管的压紧螺钉，所述探针套管为带线探针套管，探针杆上具有探针套管的OK线穿过的钻孔与A/D模块， A/D模块与单片机连接，单片机连接有触摸屏，单片机通过USB线与上位机相连；待测导电微晶板、A/D模块和步进电机由电源供电。

2.如权利要求1所述的全自动导电微晶静电场描绘仪，其特征在于：所述纵向移动机构具有两个支撑架，两个支撑架由导轨梁连接，在一侧的支撑架上设有第一步进电机，第一步进电机的输出轴两端分别固定有第一同步齿形带轮，第一同步齿形带轮分别配合连接第一同步带，所述第一同步带位于机架边框凹槽内且两端固定在机架边框的两端，所述第一同步齿形带轮的两侧分别设有第一压带轮。

3.如权利要求1所述的全自动导电微晶静电场描绘仪，其特征在于：所述横向移动机构包括第二步进电机，所述第二步进电机的输出轴上设有第二同步齿形带轮，第二同步齿形带轮分别配合连接第二同步带，第二同步齿形带轮的两侧分别设有第二压带轮，第二同步带位于导轨梁的凹槽内且两端固定在导轨梁的两端，所述第二压带轮设在连接板上，所述导轨梁的下部设有卡轮，所述卡轮设在连接板上。

4.如权利要求1所述的全自动导电微晶静电场描绘仪，其特征在于：所述顶针是P50-J1、0.68mm顶针，针管直径0.68mm，针头直径0.5mm，针总长16mm，顶针受压迫后可缩进5mm；探针套管采用R50-2W6P50-2W6带线探针套管，探针套管直径0.86mm，探针套管连接的OK线与探针套管采用压接方式，探针杆是圆柱形，长度约18cm，直径4mm，下端中央钻直径是1mm的孔。

5.如权利要求1所述的全自动导电微晶静电场描绘仪，其特征在于：所述第一、第二步进电机连接有步进电机驱动器，步进电机驱动器的步距角设为1.8°、0.9°、0.45°和0.1125°时，步进电机每走一步，探针在X方向或Y方向移动的距离分别为0.16mm、0.08mm，0.04mm和0.01mm。

6.如权利要求1所述的全自动导电微晶静电场描绘仪的使用方法，其特征在于按下述步骤操作：利用触摸屏设定测量范围N，所要采集数据点的行数m和列数n，探针伸缩的长度；单片机通过第一、第二步进电机驱动器分别控制第一、第二步进电机的转动，利用第一、第二步进电机带动纵向移动机构和横向移动机构运动，实现探针在水平方向的扫描运动；单片机控制舵机的转动，舵机动力输出机构转换变成竖直方向的直线运动，从而实现探针的升起和落下；从导电微晶板左上角的起始位置开始，探针落下，采集数据后，探针升起，第一步进电机转动舵机水平向右移动适当距离后停下，然后探针落下，采集数据，探针再升起，第一步进电机转动舵机向右水平移动适当距离后停下，然后探针再落下采集......如此循环，测完第一行后，探针保持升起状态，第一步进电机反向转，舵机水平向左退回到最左边时第一步进电机停止转动；然后第二步进电机转动，舵机沿纵向移动适当距离后第二步进电机停止转动，探针落下，采集数据，然后，探针再升起，第二步进电机转动使舵机向右水平移动适当距离后停下，然后探针再落下采集......如此循环，测完第二行；如此循环，直到测完最后一行；然后，探针保持升起状态，第一、第二步进电机转动，使滑块回到起始位置，为下一次测量做好准备；探针的模拟电势值通过A/D模块处理后转变为数字量，发送给单片机，单片机自动读取电势值后发给上位机进行显示和存储。