夏小翔

摘要：為了驗(yàn)證混合記錄饋熱效應(yīng)，設(shè)計(jì)了一個(gè)介質(zhì)放大模型對(duì)混合記錄溫度場(chǎng)仿真結(jié)果進(jìn)行檢驗(yàn)。放大模型的設(shè)計(jì)依據(jù)熱傳導(dǎo)理論，按比例放大模型各尺寸和加熱時(shí)間。通過單片機(jī)控制加熱時(shí)間，通過熱電偶和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)檢測(cè)溫度，獲得了放大模型的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

關(guān)鍵詞：混合記錄；單片機(jī)；數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

中圖分類號(hào)：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2015）01-0162-03

Abstract： We device a magnified model of hybrid recoding medium to validate hybrid recoding heat effect according to heat transfer theory，we magnify the heat time and dimensions in proportion. We control the heating times by simple-chip computer， collect the temperature by thermocouple and data collection system. The experiment data of the model is got.

Key words： hybrid recoding， simple-chip computer， data collection system

1 混合記錄熱效應(yīng)檢測(cè)方法研究

混合記錄熱效應(yīng)是屬于納米尺度下的熱效應(yīng)，納米尺度下的溫度測(cè)量有其特殊性，傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)方法在此問題上往往存在一定的局限性。表1列出了與之相適應(yīng)的一些測(cè)量方法的溫度、空間及時(shí)間分辨率。顯然，它們中無(wú)任何一種能用以測(cè)定500nm范圍內(nèi)的溫度或溫度差。這一空間極限實(shí)際上是由光學(xué)或光熱測(cè)量技術(shù)本身決定的，因?yàn)楣馐c(diǎn)的最小尺寸要受到光波衍射效應(yīng)的限制。由于光學(xué)測(cè)量中通常采用的是可見光，因此500nm極限對(duì)這些方法而言是一個(gè)天然存在的屏障。

對(duì)于500nm以下的溫度測(cè)量，遠(yuǎn)場(chǎng)光學(xué)方法因受輻射波長(zhǎng)的衍射限制而可以排除，即便是磁共振成像也很難測(cè)定1um以下的尺度范圍，所以也無(wú)需考慮，但近場(chǎng)光學(xué)方法則可能奏效。為滿足高空間分辨率測(cè)量的要求，石英振蕩器的尺寸需要降至100nm，而這樣一來(lái)其共振頻率將高達(dá)1THz，然而如此高的頻率實(shí)際上很難測(cè)定。掃描熱顯微鏡是其中一種可用以研究500nm尺度內(nèi)溫度分布的儀器，它由原子力顯微鏡發(fā)展而來(lái)，不同之處在于采用了一種特制的探針。掃描熱顯微鏡的基本思想是在原子力顯微鏡的懸臂端部設(shè)置一個(gè)溫度傳感器來(lái)同時(shí)掃描被加熱表面的幾何形貌及熱參數(shù)。早期的掃描熱顯微鏡是通過在掃描隧道顯微鏡的探針端部制作一個(gè)熱偶來(lái)實(shí)現(xiàn)的，其初衷并非為了表面溫度的測(cè)量，而是想借助針尖與樣品之間的熱傳導(dǎo)來(lái)對(duì)絕緣材料的表面進(jìn)行成像（因?yàn)閽呙杷淼里@微鏡僅對(duì)導(dǎo)體材料有效）。這種顯微鏡隨即被用于分辨率約為100nm的光熱測(cè)量。事實(shí)上該測(cè)量方法受限于溫度傳感器的尺寸，此后的掃描熱顯微鏡則大多是基于原子力顯微鏡系統(tǒng)，其用于形貌成像的反饋控制機(jī)制是建立在力作用基礎(chǔ)上的。無(wú)須借助于針尖樣品之間的熱傳導(dǎo)。這樣從事該方法溫度測(cè)量的研究也越來(lái)越少，使得該測(cè)量方法無(wú)論是在空間還是在時(shí)間上都很難真正滿足納米量級(jí)的測(cè)量。

在考慮混合記錄熱效應(yīng)溫度檢測(cè)方法的時(shí)候，除了微小尺寸外，更為關(guān)鍵的是檢測(cè)方法的時(shí)間分辨率，由于混合記錄熱效應(yīng)有加熱時(shí)間和擴(kuò)散時(shí)間短的特點(diǎn)，要求檢測(cè)方法時(shí)間分辨率在ns量級(jí)，這樣能同時(shí)滿足微小尺寸和極小的時(shí)間分辨率的檢測(cè)方法在現(xiàn)有技術(shù)情況下還很難滿足。

為此我們必須對(duì)混合記錄模型予以放大，通過對(duì)放大模型進(jìn)行檢測(cè)來(lái)驗(yàn)證仿真結(jié)果，模型放大采用等比例放大的原則，主要是對(duì)各尺寸的同比例放大以及按照傳熱學(xué)的原理同比例放大時(shí)間?；趯?shí)驗(yàn)驗(yàn)檢測(cè)方法的考慮，我們將薄膜厚度尺寸放大到mm量級(jí)，相對(duì)應(yīng)的時(shí)間放大到秒量級(jí)，在對(duì)各種檢測(cè)方法分析比較的基礎(chǔ)上，我們選擇了熱電偶作為傳感器，由于熱電偶采用熱電效應(yīng)原理，而相對(duì)檢測(cè)系統(tǒng)來(lái)說，可以認(rèn)為熱電效應(yīng)本身無(wú)時(shí)間延遲，這樣可以認(rèn)為熱電偶傳感器的時(shí)間響應(yīng)由熱電偶的尺寸和測(cè)量時(shí)的接觸方式來(lái)決定，其響應(yīng)時(shí)間來(lái)源于熱電偶本身被加熱的延遲時(shí)間。我們通過采用將直徑僅為0.1mm的熱電偶直接埋在被檢測(cè)樣品中，基本解決了熱電偶時(shí)間響應(yīng)上的缺陷。一方面由于熱電偶的直徑很小，另一方面，熱電偶與被加熱樣品一同加熱，所以熱電偶的響應(yīng)時(shí)間大大減小，在亞秒量級(jí)。

2 系統(tǒng)總體功能設(shè)計(jì)

混合記錄作為一種全新的記錄方式，以激光輔助熱磁記錄和磁通檢測(cè)讀出為主要特征，有理論極限記錄密度高，讀出分辨率、靈敏度高，對(duì)寫入磁頭功率要求低等一系列優(yōu)點(diǎn)，是一種很有希望在單驅(qū)動(dòng)器上實(shí)現(xiàn)Tb 量級(jí)存儲(chǔ)的方法。為了驗(yàn)證混合記錄熱效應(yīng)仿真結(jié)果，我們?cè)O(shè)計(jì)了一個(gè)等比例放大的熱效應(yīng)模擬試驗(yàn)系統(tǒng)。這個(gè)模擬系統(tǒng)所使用的熱效應(yīng)樣品為一個(gè)三層結(jié)構(gòu)，其中用玻璃盤基來(lái)模擬襯底層，上下兩層用Fe分別模擬記錄層和基底層，熱電偶位于兩個(gè)夾層之間，

模擬實(shí)驗(yàn)樣品如圖1所示。用激光器對(duì)上述的模擬樣品加熱，通過檢測(cè)熱電偶電壓值的變化來(lái)得到模擬系統(tǒng)的熱效應(yīng)。

控制與測(cè)試系統(tǒng)由上位機(jī)，AT89S52單片機(jī)，驅(qū)動(dòng)電路，激光器加熱電路，傳感器，放大電路等組成。上位機(jī)通過串口通信模塊將控制信息傳送給單片機(jī)，以此控制激光器的加熱時(shí)間。數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)由傳感器，放大電路，數(shù)據(jù)采集，數(shù)字濾波組成。主要是將傳感器上的信號(hào)放大經(jīng)采集卡采集通過數(shù)字濾波后得到熱電偶上的電壓變化，從而得到實(shí)驗(yàn)樣品的溫度變化數(shù)據(jù)。

3 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)各功能單元簡(jiǎn)述

本實(shí)驗(yàn)的目的是模擬混合記錄熱效應(yīng)過程，驗(yàn)證混合記錄熱場(chǎng)分析模型的可靠性。為了便于控制加熱時(shí)間和數(shù)據(jù)采集，同時(shí)得到較好的性價(jià)比，我們采用單片機(jī)控制加熱時(shí)間，具體的加熱時(shí)間由上位機(jī)根據(jù)實(shí)驗(yàn)需要通過串口通信模塊傳給單片機(jī)，串口通信模塊采用串口RS-232C標(biāo)準(zhǔn)完成。單片機(jī)控制系統(tǒng)電路圖如圖3所示。

為了得到更加穩(wěn)定精確的時(shí)間控制，本系統(tǒng)采用內(nèi)部時(shí)鐘方式。MCS-51 系列單片機(jī)有一個(gè)反相放大器，管腳XTAL1是放大器的輸入端，XTAL2是輸出端。兩腳之間的外接電路和該反相器構(gòu)成一個(gè)自激振蕩器，其振蕩頻率正是晶振頻率，或稱為時(shí)鐘頻率。

如果單片機(jī)的時(shí)鐘使用外接時(shí)鐘信號(hào)時(shí)，就不用外接晶振，并導(dǎo)致內(nèi)部時(shí)鐘電路停振。該電路被稱為外部時(shí)鐘方式。設(shè)計(jì)振蕩器時(shí)，首先要考慮器件的工作頻率范圍；其次，應(yīng)該考慮器件的最大輸出電壓幅度和負(fù)載特性是否滿足要求；再其次，當(dāng)設(shè)計(jì)的振蕩器要求低噪音性能時(shí)，還應(yīng)該選噪音系數(shù)小的器件。

影響LC振蕩電路振蕩頻率f0的因素主要是諧振回路的品質(zhì)因數(shù)Q值。Q值愈大，頻率穩(wěn)定度愈高。由電路理論可知，為提高Q值，應(yīng)該盡量減小回路的損耗電阻R并加大L/C值。為了得到很高的頻率穩(wěn)定度，我們選用了石英晶體振蕩電路，它的頻率穩(wěn)定度可高達(dá)10-9甚至10-11。石英晶體之所以具有極高的頻率穩(wěn)定度，主要是由于采用了具有極高Q值的石英晶體元件。我們?cè)O(shè)計(jì)的時(shí)鐘發(fā)生器電路如圖4所示。

由于單片機(jī)引腳的輸出功率很小，無(wú)法驅(qū)動(dòng)繼電器正常工作。因此必須外加一個(gè)驅(qū)動(dòng)電路。由于本系統(tǒng)中只需要使用一個(gè)繼電器，我們選用了三極管作為功率放大器件。具體電路圖如圖5所示。

在本系統(tǒng)中，我們要研究的是熱電偶上的溫度和加熱時(shí)間的關(guān)系。由于熱電偶上的電壓很?。ㄖ挥袔缀练笥遥瑪?shù)據(jù)采集卡的采集精度不夠，因此，必須在熱電偶和數(shù)據(jù)采集卡之間增加電壓放大電路，我們?cè)O(shè)計(jì)的電壓放大電路圖如圖6所示。定時(shí)采用復(fù)合定時(shí)，參見圖7。

4 系統(tǒng)功能的設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

軟件系統(tǒng)分為兩部分：一部分是時(shí)間控制模塊，包括上位機(jī)控制程序和單片機(jī)控制程序。它們通過串口進(jìn)行通信。單片機(jī)控制程序采用C語(yǔ)言編寫。另一部分是上位機(jī)的數(shù)據(jù)采集和處理模塊，包括數(shù)據(jù)采集和數(shù)字濾波。

單片機(jī)是時(shí)間控制系統(tǒng)的核心，它接收上位機(jī)傳送過來(lái)的控制信息，將其轉(zhuǎn)化為電信號(hào)去控制繼電器驅(qū)動(dòng)電路。它是上位機(jī)到繼電器驅(qū)動(dòng)電路的聯(lián)系紐帶。系統(tǒng)上電后，首先進(jìn)行復(fù)位，初始化。設(shè)置定時(shí)/計(jì)數(shù)器的工作方式（T/C0工作在定時(shí)器方式1，T/C1工作在計(jì)數(shù)器方式2） ，待接收上位機(jī)傳輸過來(lái)的字符。接收到后，將其轉(zhuǎn)化為整數(shù)，并置計(jì)數(shù)初值，然后計(jì)時(shí)開始。與此同時(shí)，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對(duì)熱電偶的電壓進(jìn)行采集，采集后的數(shù)據(jù)用圖示的方法表示出來(lái)。為了靈活控制定時(shí)時(shí)間，我們采用了復(fù)合定時(shí)的方法。使T/C0工作在定時(shí)器方式1，定時(shí)時(shí)間到后P1.0反相，即P1.0端輸出周期為0.1s的方波脈沖。另設(shè)T/C1工作在計(jì)數(shù)器方式2，對(duì)T1輸入的脈沖計(jì)數(shù)，當(dāng)計(jì)數(shù)滿預(yù)定次數(shù)時(shí)，定時(shí)時(shí)間到，P1.7端將會(huì)反相。這樣，通過T/C0的中斷服務(wù)程序使P1.0反相并重新裝載計(jì)數(shù)初值；T/C1的中斷服務(wù)程序使P1.7反相，并在定時(shí)時(shí)間結(jié)束關(guān)閉激光器。

單片機(jī)時(shí)間控制系統(tǒng)配合pc機(jī)應(yīng)用程序來(lái)控制激光器加熱電路的開合，時(shí)間間隔為0～25s。電路閉合時(shí)，激光器對(duì)上述的模擬環(huán)境加熱，從而引起熱電偶溫度的變化，使熱電偶的電壓也隨之改變。熱電偶數(shù)據(jù)采集采用PCI-9111采集卡，PCI-9111采集卡是一種基于32位PCI總線結(jié)構(gòu)的高級(jí)數(shù)據(jù)采集卡，系統(tǒng)提供有數(shù)據(jù)采集接口。通過對(duì)采集接口編程得到熱電偶溫度與電壓之間的關(guān)系，由熱電偶與溫度的對(duì)應(yīng)關(guān)系得到熱電偶的溫度分布，從而模擬出混合記錄放大模型的熱效應(yīng)。