Open-Source Automated Mapping Four-Point Probe/pl
Naukowcy zaczęli używać samoreplikujących się drukarek 3D RepRap (RepRap) do produkcji cyfrowych projektów sprzętu naukowego z otwartym kodem źródłowym. Podejście to zostało tutaj udoskonalone w celu opracowania nowego instrumentu zdolnego do wykonywania zautomatyzowanych pomiarów sondą czteropunktową na dużych powierzchniach. Projekty konwersji drukarki 3D RepRap na dwuwymiarowe urządzenie pomiarowe z sondą czteropunktową (OS4PP) z otwartym kodem źródłowym są szczegółowo opisane dla systemów mechanicznych i elektrycznych. Opracowano bezpłatne i otwarte oprogramowanie i oprogramowanie układowe do obsługi narzędzia. OS4PP został sprawdzony na szerokiej gamie rezystorów dyskretnych i próbek tlenku indu i cyny (ITO) o różnych grubościach przed i po wyżarzaniu. Następnie OS4PP został porównany z dwoma komercyjnymi systemami zastrzeżonymi. Wyniki rezystorów od 10 do 1 MΩ wykazują błędy mniejsze niż 1% dla OS4PP. Trójwymiarowe mapowanie rezystancji powierzchniowej próbek ITO pomyślnie wykazało zautomatyzowaną zdolność do pomiaru nierównomierności w próbkach o dużej powierzchni. Wyniki wskazują, że wszystkie zmierzone wartości mieszczą się w tym samym rzędzie wielkości w porównaniu z dwoma zastrzeżonymi systemami pomiarowymi. Podsumowując, system OS4PP, który kosztuje mniej niż 70% ręcznych zastrzeżonych systemów, jest porównywalny pod względem elektrycznym, oferując jednocześnie automatyczną dokładność położenia 100 mikronów do pomiaru rezystancji powierzchni na większych obszarach.
- proszę zapoznać się z OSF w celu uzyskania BOM i projektów (elektrycznych i mechanicznych), a także walidacji w powyższym dokumencie
- Otwarte ramy naukowe — sonda Open Source 4 Point Probe. Dostępne online: [1]
- Interfejs graficzny i oprogramowanie sondy Four Point. Dostępne online: [2]
- Przegląd literatury: [3]
Zawartość
Teoria
System wykorzystuje metodę sondy czteropunktowej, która działa tak, jak pokazano na poniższym rysunku:
Cztery igły w równych odstępach umieszcza się na próbce, która ma zostać zmierzona, a źródło prądu podłącza się do zewnętrznej pary igieł. Następnie mierzy się napięcie generowane między wewnętrzną parą igieł. Następnie mierzy się rezystancję arkusza za pomocą wzoru:
Rezystancja powierzchniowa = Stała * (Zmierzone napięcie / Wartość prądu)
Gdzie stała wynosi 4,532, jeżeli spełnione są następujące warunki:
- Średnica próbki jest duża w porównaniu do odległości między igłami.
- Grubość próbki jest mała w porównaniu do odległości między igłami.
- Igły nie powinny być umieszczone zbyt blisko krawędzi próbki.
Jeżeli powyższe warunki nie są spełnione, należy posłużyć się literaturą podaną w artykule w celu obliczenia wymaganego współczynnika korekcyjnego.
Sprzęt komputerowy
- Precyzyjny system pozycjonowania z sondą czteropunktową. W tym przypadku zmodyfikowano Prusa Mendel, aby utrzymać cylindryczną sondę czteropunktową Jandel. [4] Uchwyt sondy wydrukowany w technologii 3D, dostępny w [1], służy do zamocowania sondy na liniowym pręcie drukarki.
- Płytka pomiarowa i jej obudowa drukowana dostępne są na stronie [1] Oprogramowanie układowe dla Teensy na płytce drukowanej dostępne jest na stronie [2]
- Zasilacz 48 V, używany do zasilania źródła prądu obwodu pomiarowego. Dowolna wartość prądu będzie odpowiednia, ponieważ obwód będzie pobierał maksymalnie ~10 mA z zasilacza.
- Kabel microUSB, umożliwiający podłączenie Teensy na płytce pomiarowej do komputera.
- Kabel USB umożliwiający podłączenie precyzyjnego systemu pozycjonowania do komputera.
- Zasilanie systemu precyzyjnego pozycjonowania.
Interfejs użytkownika
Interfejs użytkownika Java można pobrać z [2] Przejdź do folderu Java i pobierz OS4PP.jar. Upewnij się, że Java Runtime Environment jest zainstalowane i kliknij dwukrotnie plik .jar, aby uruchomić oprogramowanie.
Interfejs użytkownika jest zaprojektowany tak, aby użytkownik musiał jedynie wykonać ponumerowane kroki, aby wypełnić informacje potrzebne do wykonania automatycznego pomiaru sondą czteropunktową. W lewej części interfejsu użytkownika użytkownik może wprowadzić informacje o pomiarze. Środkowa część będzie raportować stan trwającego pomiaru w czasie rzeczywistym. Prawa część jest zarezerwowana do celów debugowania, gdzie użytkownicy mogą wysyłać polecenia bezpośrednio do płytki Teensy na płytce obwodu pomiarowego. Należy pamiętać, że można najechać kursorem myszy na każdy element w interfejsie użytkownika, aby wyświetlić pomoc w postaci podpowiedzi.
Interfejs użytkownika zawsze automatycznie zapisuje bieżące dane pomiarowe do pliku results.csv w tym samym folderze, w którym znajduje się oprogramowanie. Za każdym razem, gdy wykonywany jest nowy pomiar, plik results.csv zostanie nadpisany. Plik results.csv będzie zawierał współrzędne, wartość prądu i napięcie mierzone w każdym punkcie. Oprogramowanie ma również możliwość zapisywania i ładowania skonfigurowanych punktów pomiarowych do pliku config.csv za pomocą przycisku zapisz i załaduj. Plik config.csv zostanie zapisany w tym samym folderze, w którym znajduje się oprogramowanie.
Przykładowa geometria
Wprowadź średnicę lub wymiary X i Y próbki w mm. Następnie kliknij Okrągły lub Prostokątny, aby wprowadzić ustawienie do oprogramowania.
Punkty testowe
Wprowadź liczbę punktów, które mają zostać wygenerowane automatycznie, a następnie kliknij przycisk Generate Points. Alternatywnie, punkty można dodać ręcznie, wprowadzając współrzędne X i Y żądanego punktu i klikając przycisk Place. Zwróć uwagę, że współrzędne (0, 0) znajdują się w lewym górnym rogu pola obrazu w oprogramowaniu. Możesz znaleźć współrzędne żądanego punktu, umieszczając kursor myszy nad polem obrazu w oprogramowaniu.
Przycisk Cofnij służy do ręcznego usunięcia ostatniego punktu wstawionego, a przycisk Wyczyść służy do wyczyszczenia wszystkich punktów. Przycisk Zapisz i Załaduj służy do zapisywania i ładowania danych współrzędnych punktów do pliku o nazwie config.csv w tym samym folderze, w którym znajduje się oprogramowanie.
Tablica pomiarowa
Wybierz port COM, do którego podłączony jest obwód pomiarowy z listy rozwijanej i kliknij przycisk Połącz. Najłatwiejszym sposobem, aby dowiedzieć się, który port COM jest odłączenie połączenia USB z obwodem pomiarowym i zanotowanie, którego portu COM brakuje na liście rozwijanej.
Aktualne źródło
Wprowadź żądaną wartość prądu w jednostkach nanoamperowych od 10 do 10 000 000. Wprowadź 0, aby wykonać automatyczną regulację prądu. Kliknij przycisk Current, aby wprowadzić wartość do oprogramowania.
System pozycjonowania
Wprowadź współrzędną środka łóżka systemu pozycjonowania (w odniesieniu do układu współrzędnych drukarki) w polu tekstowym X i Y w jednostkach mm. Następnie wybierz port COM podłączony do systemu pozycjonowania z listy rozwijanej. Następnie kliknij przycisk Połącz. Każdy system akceptujący standardowe polecenie Gcode przez szeregowy port USB może być używany jako system pozycjonowania.
Pomiar
Kliknij przycisk Rozpocznij pomiar, aby wykonać pomiar automatyczny. Umieść próbkę na łóżku i wyrównaj środek próbki ze środkiem łóżka (współrzędna środka wprowadzona wcześniej w kroku 5). System pozycjonowania najpierw wykona homing, a następnie przesunie sondę do każdej współrzędnej wprowadzonej w kroku 2. Układ pomiarowy automatycznie wykona pomiar i wyświetli wyniki w środkowej części interfejsu użytkownika.
Komunikaty o błędach
- Próbka nie została wykryta. Pomiń ten punkt: Oznacza to, że albo próbka nie jest podłączona do sondy, albo rezystancja próbki jest zbyt wysoka, tak że przekracza zgodność źródła prądu i uniemożliwia jej źródło prądu.
- Zbyt duża różnica między prądem do przodu i do tyłu, próba ponowna: Oznacza to, że napięcie mierzone, gdy kierunek prądu do przodu i do tyłu różni się o ponad 10%, więc wyniki mogą być nieprawidłowe. Kolejny pomiar w tym samym punkcie zostanie wykonany ponownie, aby się upewnić.
- Przekroczono zakres napięcia wejściowego ADC. Zmniejsz natężenie prądu: Zmierzone napięcie jest większe niż maksymalne napięcie odczytane przez ADC. Może to być spowodowane zbyt dużą wartością prądu
- Nie można sprawdzić sondy. Błąd komunikacji z Arduino: Nieprawidłowa lub brak odpowiedzi z płytki Teensy podczas wysyłania polecenia check probe.
- Nie można ustawić prądu. Błąd komunikacji z Arduino: Nieprawidłowa odpowiedź lub brak odpowiedzi z płytki Teensy podczas wysyłania polecenia ustawienia prądu.
- Nie można wykonać pomiaru. Błąd komunikacji z Arduino: Nieprawidłowa lub brak odpowiedzi z płytki Teensy podczas wykonywania pomiaru.
- Nie można włączyć prądu. Błąd komunikacji z Arduino: Nieprawidłowa lub brak odpowiedzi z płytki Teensy podczas włączania prądu.
- Nie można wyłączyć prądu. Błąd komunikacji z Arduino: Nieprawidłowa lub brak odpowiedzi z płytki Teensy podczas wyłączania prądu.
- Nie można przełączyć do przodu. Błąd komunikacji z Arduino: Nieprawidłowa lub brak odpowiedzi z płytki Teensy podczas przełączania kierunku prądu.
- Nie można przełączyć wstecz. Błąd komunikacji z Arduino: Nieprawidłowa lub brak odpowiedzi z płytki Teensy podczas przełączania kierunku prądu.
Schemat blokowy operacji
Ograniczenia
- Źródło prądu może dostarczać prąd tylko w zakresie od 10 nA do 10 mA. Pomiar w zakresie nA nie jest dokładny, dlatego zaleca się ustawienie prądu tak wysokiego, jak to możliwe, ale nadal nie przekraczającego maksymalnego napięcia wejściowego ADC.
- Nawet jeśli próbka może być przewodząca, rezystancja styku może być bardzo wysoka i uniemożliwiać dokładne wykonanie pomiaru lub w ogóle nie jest możliwa. Końcówki sondy są zoptymalizowane dla próbek ITO, a do różnych próbek mogą być potrzebne różne sondy. Zobacz [5] i [6]
Zobacz także
- Laboratorium Open Source
- Budowanie sprzętu badawczego przy użyciu bezpłatnego sprzętu o otwartym kodzie źródłowym
- Otwarte źródło nauki
- Sprzęt typu open source
- Pompa strzykawkowa typu open-source
Odniesienia
- ↑Przejdź do:1,0 1,1 1,2 https://osf.io/kcbmq/
- ↑Przejdź do:2.0 2.1 2.2 https://github.com/mtu-most/fourpointprobe
- ↑ Przegląd literatury dotyczącej sondy 4-punktowej typu open source
- ↑ http://www.jandel.co.uk/downloads/Jandel_four_point_probe_cylindrical.pdf
- ↑ http://four-point-probes.com/determining-the-best-choice-of-probe-tip-specifications-for-a-given-material/
- ↑ http://four-point-probes.com/four-point-probe-tip-specifications-applications-chart/