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ラボオートメーション

私は金属物理学研究所の大学院生であり、さまざまな金属や合金の特性を研究しています。 通常、測定と分析のプロセスは面倒であり、多くのルーチン作業が必要です。 これに関して、金属の光学特性を研究するための設備の自動化が行われました。 それが出版物の後半でどのようになったかについてお話します。



問題の声明


自動光学エリプソメーターで実験の準備と実施を管理するためのソフトウェアを開発する。

ソフトウェアは機会を提供する必要があります









実験


測定プロセス中、プログラムは2次元スキャンを実行してステッパードライブを制御する必要があります。 最小スキャン手順は、インストールオプションによって異なります。 範囲ごとのポイント数は、範囲のサイズとスキャンステップによって決まります。

実験パラメータ（測定範囲、スキャンステップ）は、測定中に変化しません。 スキャンは段階的に個別に行われます。

測定は、ドライブが停止しているときにのみ実行されます。 測定が実行された後、次のステップに移動コマンドが与えられ、搬送移動が実行されます。 PMTの電圧は PWMを使用して調整されます。

ソフトウェア


プログラミング言語として、C＃を選択しました。これは、USB、COMポート、Microsoft Officeのネイティブサポートなどを操作するための多くの便利な機能を備えているためです。

したがって、データを受信し、マイクロコントローラーにコマンドを送信するには、仮想COMポートを使用します。

コード
// Open ADC Com private void buttonADC_Click(object sender, EventArgs e) { String s = ""; if (comboBox1.Text != "") { s += comboBox1.Text; } try { hPort = PACNET.UART.Open(s + ",9600,N,8,1"); Log.Items.Add("  "); buttonADC.Enabled = false; comboBox1.Enabled = false; } catch { MessageBox.Show(" " + serialPort1.PortName + " !", "!", MessageBoxButtons.OK, MessageBoxIcon.Warning); Log.Item.add("  !"); } }


アナログ信号を変換するために、 ICP Dasの 16ビットADCを使用しました。公式WebサイトにはSDKがあるため、ADCからのデータの読み取りは簡単です。

コード
 float readSequenceADC(int iChannel, int iterations) { float result = 0; for (int i = 0; i < iterations; i++) { result += readADC(iChannel); Thread.Sleep(150); } result /= iterations; return result; }


光学定数を計算する少しの数学：

コード
 public void count(float a, float b, float c) { double x = a; double y = b; double z = c; double ksi = Math.Atan(Math.Sqrt(x / z)); double delta = Math.Acos((x + z - 2 * y) / (2 * Math.Sqrt(x * z))); double denominator = Math.Pow((1 - Math.Sin(2 * ksi) * Math.Cos(delta)), 2); double numerator = Math.Pow(Math.Sin(phi), 2) * Math.Pow(Math.Tan(phi), 2) * Math.Sin(2 * ksi) * Math.Cos(2 * ksi) * Math.Sin(delta); double nk = numerator / denominator; double numerator1 = Math.Pow(Math.Cos(2 * ksi), 2) - Math.Pow(Math.Sin(2 * ksi), 2) * Math.Pow(Math.Sin(delta), 2); double nk2 = Math.Pow(Math.Sin(phi), 2) + (Math.Pow(Math.Sin(phi), 2) * Math.Pow(Math.Tan(phi), 2) * (numerator1 / denominator)); double x1 = 0; double x2 = 0; double D = nk2 * nk2 - 4 * ((-1) * nk * nk); if (D < 0) { x1 = 0; x2 = 0; } else if (D == 0) { x1 = -nk2 / 2; x2 = -nk2 / 2; } else if (D > 0) { x1 = (-nk2 + Math.Sqrt(D)) / 2; x2 = (-nk2 - Math.Sqrt(D)) / 2; } if (x1 < 0 && x2 < 0) { // "X1, x2 < 0" } else if (x1 > 0) { k = Math.Sqrt(x1); } else if (x2 > 0) { k = Math.Sqrt(x2); } n = Math.Sqrt(nk2 + k * k); }


「ゼロ」信号のドリフトを決定する機能：

コード
  // Intensity Drifting Check private void Worker3() { while (isWorking == true) { try { for (int i = 0; i < 1000; i++) { Thread.Sleep(200); I = readADC(3); Intensity.Add(I); this.Invoke((MethodInvoker)(() => Log.Items.Add("I = " + I))); DrawGraph(i, I, 0); } PrintExel.ExportText(Intensity); ClearGraph(); isWorking = false; } catch (Exception e) { MessageBox.Show("Error:\n" + e.Message); } } }


光電子増倍管は非常に非線形であるため、スペクトルのさまざまな部分で感度が異なり、一定の信号を設定された制限内に維持する必要があります（測定では、これは300から850 mVの範囲で、最適な信号対雑音比です）：



コード
 private void maxControl() { double val = 1; while (val > 0.85) { this.radRadialGauge1.Value -= 7; serialPort1.Write("decrease"); val = Convert.ToInt32(Math.Abs(readADC(3))); Thread.Sleep(1000); } } private void minControl() { double val = 0; while (val < 0.4) // val < 300 { this.radRadialGauge1.Value += 7; serialPort1.Write("increase"); val = Convert.ToInt32(Math.Abs(readADC(3))); Thread.Sleep(1000); } }



データの可視化

測定結果をリアルタイムで表示することは、プロセスと実験の正確さを制御できるため、非常に重要なポイントです。 Habrの記事「.NETの グラフ作成 ツール」を分析して、ZedGraph を選択しました 。 無料、高速、シンプルでかなり機能的なライブラリ。



チャート機能
 private void DrawGraph(int x, double n, double k) { GraphPane pane = zedGraphControl1.GraphPane; PointPairList listN = new PointPairList(); PointPairList listK = new PointPairList(); LineItem myCurve; listN.Add(x, n); listK.Add(x, k); myCurve = pane.AddCurve("", listN, Color.Blue, SymbolType.Default); myCurve = pane.AddCurve("", listK, Color.Red, SymbolType.Default); zedGraphControl1.AxisChange(); zedGraphControl1.Invalidate(); }



最後に、ファイルに保存します。

コード
  public static void ExportToExcelIntensity(ArrayList arrLamda, ArrayList arrI0, ArrayList arrI45, ArrayList arrI90) { try { Microsoft.Office.Interop.Excel.Application excelApp = new Microsoft.Office.Interop.Excel.Application(); excelApp.Visible = true; excelApp.Workbooks.Add(); Microsoft.Office.Interop.Excel.Worksheet workSheet = excelApp.ActiveSheet; workSheet.Cells[1, "A"] = "WaveLength"; workSheet.Cells[1, "B"] = "I0"; workSheet.Cells[1, "C"] = "I45"; workSheet.Cells[1, "D"] = "I90"; int row = 1; for (int i = 0; i < arrLamda.Count; i++) { row++; workSheet.Cells[row, "A"] = arrLamda[i]; workSheet.Cells[row, "B"] = arrI0[i]; workSheet.Cells[row, "C"] = arrI45[i]; workSheet.Cells[row, "D"] = arrI90[i]; } workSheet.Range["A1"].AutoFormat(Microsoft.Office.Interop.Excel.XlRangeAutoFormat.xlRangeAutoFormatClassic2); excelApp.DisplayAlerts = false; workSheet.SaveAs(string.Format(@"{0}\OpticalIntensities.xlsx", Environment.CurrentDirectory)); excelApp.Quit(); } catch (Exception ex) { MessageBox.Show("Error:\n" + ex.Message); } }



まとめ

WinFormsに基づいて実験室測定を自動化するために設計されたハードウェアとソフトウェアの複合体が開発されました。 科学計算用にこの特定のPLを選択することのパフォーマンスと関連性を犠牲にして、 記事を参照してください 。

PSこれは制御ハードウェアの一部の外観です。これについては、次の記事で説明する予定です。

写真撮影

Source: https://habr.com/ru/post/J306434/

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