李玉婷

摘 要：非晶态合金的结晶过程中电阻率变化明显，这个特性是晶核组织结构的敏感性能指标。运用非线性系统辨识方式，创建能够反映非晶态合金在结晶过程当中金属材料电阻率的时间序列模型，从而分析并预先判断出非晶态合金在结晶过程中表现出的各种特征及相应参数变化，然后灵活、方便的控制结晶过程的温度，在一定程度上就可以控制非晶材料的组织特征。

关键词：结晶过程 四探针法 电阻率 PID控制算法

非晶合金从液态金属（或气体状态）快速冷却，由于没有时间在室温或低温结晶和保持液体的原子无序的凝聚状态，它的制作工艺简单，节能效果显著，具有优异的机械、物理和化学性能，是一种新型的绿色工程材料。研究非晶合金的晶化過程，可以鉴定金属玻璃形成非晶体结构的能力，还可以作为制作内部原子结构可以控制的金属材料一种重要依据，所以对晶化过程的研究对新型材料的研制和应用具有重要的指导意义。

非晶态合金在晶化过程当中电阻率变化显明，是以能够通过测量金属材料在不同温度下呈现出电阻率大小这种关系曲线来研究金属玻璃的结晶过程。通过温度测控系统测量出样品材料在什么温度下能够出现快速晶化，在这个温度下，测试样本的电阻率迅速下降。设计非晶态合金晶化过程时电阻率及温度关系测量系统，该系统包括能发出指令并监视现场设备的信号变化的计算机即HMI（上位机）和能够接收、传达信号并实时转换下属设备中相关信号反馈给上位机的下位机两大部分。

上位机是一台计算机，可以实时的采集下位设备运行参数，从而不断更新数据显示、归档、逻辑分析判断作出界面中的指示灯等图形元件的变色处理或播放报警语言，并将控制数据下发至下位机中。下位机为MSP430单片机，该单片机承担着炉温控制及温度采集任务和晶化设备中样本材料电阻率测量任务，分别完成精确控制晶化设备中温度和建立恒流源实现数字电压测量并在同一时间内自动切换测量量程以及数据的操作和控制。把非晶态合金样本放在晶化设备里，通入高精度交流稳流电源，在材料上形成电位差，通过直流放大器放大电位差，通过AD转换单元与标准电阻的电位差进行对比，以此获得高精度交流稳流电源的电流大小，并将该电流值转换成两路数字量输出给单片机；通过温度检测单元检测的结晶温度和由此产生的数据被转换成数字量输入到单片机，而后单片机根据键盘输入的参数以及其他控制要求信号给加热电路发送相应控制信号以调节晶化箱的温度。最后，单片机计算晶化材料电阻率，在LCD上显示结果，并将测试出的电阻率以及该电阻率对应的温度传送给上位机。

一、系统硬件设计

把电阻率测试系统和温度测控系统综合起来分析，能够看出系统对测试电路并没有过高要求，整个系统的控制功能较少，测量频率也较低，而且系统中使用的所有芯片都采用串口通讯，对通讯端口的数量也要求不多。只是为保证该系统的易操作性，系统需要能够提供强大的人机交互功能，操作者可以将操作意图通过键盘或其他设备传递给计算机，并且能够看见操作过程及反应结果，综上所述，用普通的51单片机加上外接的液晶显示器就能实现。但考虑到51单片机输入、输出端口较少及需要外扩液晶显示器控制芯片，本系统选择集成度较高的、输入输出端口较多的且自带液晶显示单元的MSP430型单片机作为核心控制器件。该单片机可以在一块芯片上实现多个功能，设计方便、节能效果好。MSP430单片机处理数据以16个字节为一个单位，比8位的51单片机响应速度高。而且有些型号的MSP430单片机拥有2千字节的随机存取存储器和超过3兆字节的只读存储器，能够达到移植小型操作系统所需配置。

二、系统软件设计

把电阻率测试系统和温度测控系统综合起来分析，能够看出系统中存在很多小任务，而且这些任务之间相互影响、相互关联，并且大多任务都要求能够实时控制。如果单独设计系统软件，面临着难度太大、无法实时更新与维护等诸多难题，所以本系统的软件设计借助嵌入式实时操作系统μC/OS-Ⅱ智能操作系统功能来设计应用层任务等级，解决任务交互控制问题。这样一来，就可以解决掉单独设计软件引发的难度太大、无法实时更新与维护等诸多难题，还能保证系统的实时性控制，缩短整个系统设计时间，有较强的应用性。

参考文献：

[1] 冯娟，刘俊成.非晶合金的制备方法[J].铸造技术，2009，30。

[2] 西安交通大学理学院.四探针法测量高导电率材料的电导率[R].西安交通大学理学院.

[3] 樊贵卿，袁延忠，吕朝龙等.材料电阻率的自动化测量研究[J].河南师范大学学