毕业设计与论文-薄膜电阻率测量系统.pdf

摘要电阻率是电子材料的重要参考性能数，薄膜电阻率的测量备受关注。采用传 统四探针高电阻率测量方法测量薄膜电阻率，需要加入较多的修正才能得到精确 的结果。因此，研究薄膜电阻率的测量系统原理、软硬件集成方法等具有很重要 的意义和应用价值。在综合比较各种电阻率测量方法的基础上，本设计采用双电测组合法测量薄 膜电阻率。首先，系统研究双电测组合法薄膜电阻率测量原理，跟据测量要求改 进电阻率的计算方法，极大的简化相关修正，提高测量结果的可靠性和精确度。其次，基于单片机的Rymaszewski四探针双电测组合法设计了薄膜电阻率自动化 测量系统。在8051单片机的控制下，利用基于CD4052芯片的接口电路实现电流 探针，电压探针的自动切换，并通过单片机控制实现两次电压测量；同时根据两 次测量结果编程完成范德堡修正因子的计算，最终实现薄膜电阻率自动测量和显 示，建立基于8051单片机的双电测四探针薄膜电阻率测量系统。实验结果表明，所设计的自动测量系统不仅可以满足多种薄膜电阻率测量要求，而且提高了测量 精度和自动化程度，同时精简了薄膜电阻率测量过程。关键词：四探针双电测组合法；范德堡修正因子；CD4052;薄膜电阻率Ab st rac tAt t en t io n is main l y paid t o t he measuremen t o f resist ivit y-an impo rt an t pro pert y o f t hin fil m.Owin g t o appl y t radit io n al fo ur-pro b e met ho d o n fil m sampl e resist ivit y measuremen t,c o mpl ex c o rrec t io n s are required in o rder t o ac quire an ac c urat e resul t an d sampl e wil l easil y b e sc rat c hed durin g t he measurin g pro c ess when usin g man ual fo ur-pro b e equipmen t.Therefo re,t he measuremen t t heo ry,so ft ware an d hardware in t egrat io n met ho d b y virt ual in st rumen t at io n fo r t hin fil m resist ivit y aut o mat ic syst em are o f impo rt an t val ue.In c o mprehen sive c o mparat ive measuremen t met ho d o f resist ivit y,o n t he b asis o f t he design USES do ub l e el ec t ric al measuremen t gro up l egal measurin g fil m resist ivit y.First,syst em researc h do ub l e el ec t ric al measuremen t is t he l egit imat e fil m resist ivit y measuremen t s o f t he prin c ipl e wit h ac c o rdin g t o measuremen t requiremen t s,t he c al c ul at io n met ho d o f impro vin g resist ivit y,great l y simpl ified rel at ed c o rrec t io n,impro ve t he rel iab il it y an d prec isio n measuremen t resul t.Sec o n dl y,Based o n SCM Rymaszewski fo ur-po in t pro b e do ub l e el ec t ric al measuremen t gro up t he fil m resist ivit y l egit imat e design aut o mat io n measurin g syst em.In 8051 un der t he c o n t ro l o f t he sin gl e c hip mic ro c o mput er b ased o n CD4052 c hip in t erfac e c irc uit impl emen t s c urren t pro b e,vo l t age pro b e t o swit c h,an d t hro ugh t he sin gl e-c hip mic ro c o mput er c o n t ro l ac hieve t wo vo l t age measuremen t;An d ac c o rdin g t o t wo measuremen t resul t s pro grammed Van derb il t c o rrec t io n fac t o r c al c ul at io n,an d fin al l y ac hieve t he fil m resist ivit y o f aut o mat ic measuremen t an d displ ay,b ased o n t he sin gl e c hip mic ro c o mput er 8051 do ub l e el ec t ric al measuremen t o f fo ur pro b e fil m resist ivit y measurin g syst em.The experimen t al resul t sho ws t hat t he design o f aut o mat ic measuremen t syst em c an n o t o n l y meet a variet y o f fil m resist ivit y measuremen t requiremen t s,an d impro ve t he measurin g prec isio n an d aut o mat io n degree,an d st reaml in e fil m resist ivit y measuremen t pro c ess.Keywords:dual electro measurement with four point probes;van der Pauw correction factor;CD4052;Film resistivity目录论文第一章绪论.错误！未定义书签。1.1设计的目的.41.2国内外研究进展.51.2.1电阻率测量对薄膜材料研究的意义.51.2.2电阻率测量技术.81.3本章小结.14第二章四探针电阻率测量原理.162.1四探针基本原理.162.1.1体原理.162.1.2薄层原理.182.1.3测准条件.192.2双电测组合法测量原理.202.3本章小结.22第三章单片机控制技术.错误！未定义书签。3.1单片机的结构.错误！未定义书签。3.2单片机的指令系统及汇编程序设计.错误！未定义书签。3.3单片机的定时器，中断系统以及串行口.错误！未定义书签。3.3.1单片机的定时器.错误！未定义书签。3.3.2单片机的中断系统及串行口.错误！未定义书签。3.4单片机的人机交互与扩展技术.错误！未定义书签。3.4.1单片机的人机交互技术.错误！未定义书签。3.4.2存储器的扩展与系统扩展技术.错误！未定义书签。3.5 单片机应用系统开发与设计.错误！未定义书签。3.6 本章小结.错误！未定义书签。第四章薄膜电阻率测量系统硬件设计.错误！未定义书签。4.1系统设计.错误！未定义书签。4.2应用需求分析.错误！未定义书签。4.3系统硬件结构设计.错误！未定义书签。4.3.1硬件选择.错误！未定义书签。4.3.2硬件模块设计.错误！未定义书签。4.4本章小结.错误！未定义书签。第五章薄膜电阻率测量系统软件设计.错误！未定义书签。5.1 薄膜电阻率测量系统软件构思.错误！未定义书签。5.2 信号采集模块.错误！未定义书签。5.3 信号处理模块.错误！未定义书签。5.4 薄膜电阻率的运算模块.错误！未定义书签。5.5 数据的存储与回放模块.错误！未定义书签。5.6 薄膜电阻率测量软件.错误！未定义书签。5.7 本章小结.错误！未定义书签。第六章 总结与致谢.错误！未定义书签。总结.错误！未定义书签。致谢.错误！未定义书签。参考文献.错误！未定义书签。附 录.错误！未定义书签。外文翻译.错误！未定义书签。第一章绪论1.1设计的目的电阻率是电子材料的基本参数，电阻率的精确测量对于材料机理研究和性 论文能评价有着重要的意义。针对不同材料，应该采用不同的方法来进行电阻率测量。肃然目前可以应用的电阻率测量方法有很多种，但是仍然不能满足新型材料的测 量需求。针对新材料的特点改进原有方法或设计新的测量方法，也是新材料电阻 率测量研究的重要组成部分。近年来，薄膜材料得到了越来越多的关注，而且随着对薄膜性能要求的提 高，薄膜的厚度也越来越薄，几百纳米的薄膜超薄膜的广泛研究对近年来，薄膜材料得到了越来越多的关注，而且随着对薄膜性能要求的提 高，膜的厚度越来越薄，几百纳米的超薄膜的广泛研究对电阻率测量提出了新的 要求。对薄膜这样有平整表面的样品，电阻率测量一般采用四探针法。常见的四 探针电阻率测量设备都是为半导体材料设计的。半导体材料材质坚硬，电阻率范 围在1c.em103c.em量级，而薄膜材料不仅是在样品厚度，在样品的材质以及 电阻率的范围上都与一般的半导体材料有着显著的不同。以纳米磁性薄膜为例，厚度只有几百纳米，一般采用溅射、电化学沉积、气相沉积等方法制作，附着在 基底表面，连接十分脆弱，采用四探针法测量电阻率时，样品极易被针尖划伤，不仅不能完成测量，还会破坏样品；而且它们的电阻率多在以下，10dc m超出 了一般电阻率测量装置的量程。量程更大精确度更高并且充分考虑薄膜样品特点 的测量系统才能满足薄膜样品电阻率的测量需求。1.2国内外研究进展电阻率是材料的基本参数之一。随着材料科学的不断发展，电阻率测量技 术也在不断进步。本节首先说明电阻率测量在薄膜材料研究中的意义，接着总结电阻率测量 方法，最后介绍四探针电阻率测量方法的发展历程以及四探针电阻率测量设备的 发展状况。1.2.1电阻率测量对薄膜材料研究的意义随着材料应用领域的拓宽，材料电阻率对材料来说也不仅仅只是标识其导 电性能的参数，以纳米磁性薄膜为例说明电阻率测量在薄膜材料研究中的意义。纳米磁性薄膜也是本研究测量对象的原型。纳米薄膜是指尺寸在纳米量级的颗粒(晶粒)构成的薄膜或者层厚在纳米量 级的单层或多层薄膜，通常也称作纳米颗粒薄膜和纳米多层薄膜。与普通薄膜相 比，纳米薄膜具有许多独特的性能，如具有巨电导、巨磁电阻效应、巨霍尔效应 等。因而在军事、重工业、轻工业、石化等领域表现出了广泛的应用前景。常见 的纳米磁性薄膜有微波软磁薄膜、巨磁阻薄膜等。在这些应用中电阻率都极大的 影响着材料的性能。1.软磁薄膜随着通信技术的飞速发展，对能在GHz高频段应用的微磁器件提出越来越 迫切的需求。以高频电感器为代表的微磁器件在技术革新上的主要难题在于缺乏 高频下仍能保持良好性能的磁性材料。另外，通信技术的发展也带来越来越严重 的电磁污染，对电磁波吸收材料提出了更高要求，传统的磁性吸波材料由于材料 局限性已难以满足这些应用需求。因此，研究在微波高频下具有高磁导率、超低 磁损耗或高磁损耗的材料都具有重要意义。软磁材料可以很好的满足这样的需求。所谓软磁材料,，特指那些矫顽力小、容易磁化和退磁的磁性材料。软磁材料的用途非常广泛。因为它们容易磁化和退 磁，而且具有很高的导磁率，可以起到很好的聚集磁力线的作用，所以软磁材料 被广泛用来作为磁力线的通路，即用作导磁材一料，例如变压器、传感器的铁芯，磁屏蔽罩等。由于软磁材料一般应用在高频环境下，所以除过导磁率，在实际应用中对 材料的自然共振频率了和涡流损耗也需要考虑。对于面内单轴各向异性从的 薄膜，自然共振频率为：其中，,为旋磁因子，肌为饱和磁化强度，”人为面内单轴各向异性场。在 其难轴方向，磁导率实部”为：,4%Ms4=-Hk(1-2)考虑趋肤效应，涡流损耗截止频率九C为：f=-PEC乃”为j(1-3)其中P和.,分别为薄膜的电阻率和厚度，涡流损耗截止频率/ec定义当磁 论文导率实部下降到起始磁导率值的2/3时所对应的频率。可以看出，理想的软磁薄 膜不仅应具有高的饱和磁化强度Ms和适当的单轴面内各向异性场左以保证高 的铁磁共振频率/y和高的磁导率/”，还需要具备小的厚度乙和高的电阻率 以尽可能减少高频下的涡流损耗。反射率是评价吸波材?性能的重要参数，当在空气中传播的电磁波遇到由 介电常数为工、磁导率为的材料构成的界面时，其反射系数为：其中N=1为材料的阻抗，以和a分别为磁导率和介电常数的损耗角。根据Drude关系式，与电导率对应的介电常数为：7()7。工 卫、Rs 1（1-8）论文进而可以得到方阻计算公式:(1-9)双电测法提出后得到了广泛的研究。P erl o ff给出了包含厚度修正的电阻率计 算多项式。宿昌厚和鲁效明在总结国内外对双电测法研究的基础上，比较总结了 双电测法相对一般四探针法的优势，提出了双电测组合法的概念并完善了修正体 系，Yamashit a M也对双电测法的应用范围作了研究。目前双电测组合法已经被 作为电阻率测量的标准方法被公布。本研究构建的磁性薄膜电阻率测量系统也主 要应用双电测组合法完成。微区电阻率的测量是四探针法的重要应用领域。将传统的四探针法应用于测 量微区电阻率，最大的误差来源将是探针的游移，而van der P auw法和双电测组合法测量对于探针位置的要求不严格，正好可以解决这个问题。具体的测量方法包括改进的van der P auw法和斜置式方形Rymaszewski四探针法两种。改进的van der P auw法由孙以材从van der P auw的测量方法发展而来，并成功的应用于微 区电阻率的测量。这一方法的要点是：在显微镜帮助下用目视法将四个探针尖分 别置于方形微小样品面上的内切圆外四个角区，如图1-2所示；接着进行四次 测量，第一次测量时，用A、B探针作为电流探针，电流为I,D、C探针作为电 压探针，其间电压为;第二次测量时用B、C探针作为通电流探针，电流仍 为I,A、D探针作为测电压探针，其间电压为2；然后依次以C、D和D、A作 为通电流的探针，相应测电压的探针B、A和C、D间电压分别为3和 V4o由 四次测量结果可得样品的方块电阻为：其中人为范得堡修正函数。基于同样的考虑，将直线型的Rymaszewski法应用于方形探针进行微区电 阻率测量，就是斜置式方形Rymaszewski四探针法。电阻率计算公式于直线型 探针测量时基本一致。改进的van der P auw法和斜置式方形Rymaszewski四探 针法在微区电阻率测量上的成功应用进一步说明了做为其来源的双电测组合法 的优越性和可靠性。许多研究者也在不断的改进四探针法，使其不再限于电阻率 值的测量。例如，Cro ssl ey P A和P erl o ff D S在上世纪70年代就发展出了可得到 样品薄层电阻分布的测试方法，即Mappin g技术。孙以材等人也为Mappin g技 术的实际应用做出贡献。在集成电路研究中四探针法也得到广泛的应用，如在表面态研究，以及芯片 测试方法等，P erl o ff DS曾应用四探针测量技术来研究光刻套刻误差；在器件研 究中四探针法也有用武之地，如在对超浅结(Ul t ra-Shal l o w Jun c t io n,USJ)器件 的研究中，一些研究者通过特别设计的探针来减少测量对样品带来的损坏，另一 些则对测量方法进行了深入的讨论。四探针法测量磁性材料电阻率的研究也有许 多报道，研究主要集中于对磁阻效应的研究，磁场对材料电阻率的影响，而不在 于电阻率本身的测量精度的提高。3.四探针测量设备的发展根据四探针法制作出测量仪器才能为科学研究服务。早期的文献中报道的 电阻率测量设备是全手动的，电流不能连续调节，电压表也是外接设备，对边界 条件的修正参数列表给出。Buehl er M G等人完成的电阻率测量设备就是这样的，测量对象是块状半导体样品，测量范围为0.7Cc a30c.e%。测量技术不断发 展，对于自动化测量，自动化数据处理的需求使人们不断努力提高测量设备的性 能，将计算机引入测量系统计算修正函数的做法也渐渐出现。到上世纪80年代末，四探针测量设备已经设计定型并批量生产，其中一些 设备可以自动完成传统四探针法测量电阻率，并给出带厚度修正的电阻率测量结 果，电阻率测量范围可以达到并出现了由计算机控制测 量过程的产品。目前四探针测量设备已经实现了和计算机技术的紧密结合。国内国外设计 生产四探针测量电阻率设备的公司也很多。1.3本章小结本设计的薄膜电阻率测试系统由硬件和软件两部分组成。硬件部分主要包 括激励电路、信号处理电路。激励电路产生测量所需的激励电压和电流，信号处 理电路将激励电压和电流信号进行放大、滤波处理。设计中采用多功能数据采集 卡来完成信号的采集和处理。本设计要求采用基于虚拟仪器技术的Rymaszewski四探针双电测组合法，应 用模拟电子开关设计电流和电压探针切换控制电路，并应用Lab VIEW控制实现 电流和电压探针的自动切换以及精密电流的输出和电压的测量；同时依靠论文Lab VIEW的强大数据处理能力完成范德堡修正因子的计算，最终建立基于虚拟仪 器技术的双电测四探针薄膜电阻率测量系统。在总结比较各种电阻率测量理论的基础上，选择适合薄膜样品电阻率测量的 双电测组合法作为系统构建的理论基础。运用虚拟仪器技术实现自动化测量系 统。再依据薄膜的特点设计特殊的功能模块使系统更加适合薄膜材料。最终的系 统工作稳定，达到设计要求。本文的主要内容分述如下。首先阐明研究的目的，以纳米磁性薄膜为例说明了电阻率测量在现今薄膜 材料研究中的意义。系统的分析和总结了材料电阻率的测量方法以及四探针电阻 率测量方法的发展过程。接着总结了传统四探针法测量原理及修正体系，双电测组合法测量原理和 厚度修正公式，并对双电测组合法不需要边界修正的特性给出证明。通过比较，双电测组合法在测量薄膜样品上的优势被体现出来，成为系统构建的理论基础。第二章四探针电阻率测量原理四探针理论是成熟的电阻率测量方法，因其理论简明，测量过程简单方便 而被广泛采用。本章首先总结一般四探针法的基本理论，测准条件以及通过镜像 源法得到的修正体系；接着介绍了双电测组合法的理论基础，给出电阻率计算方 法以及厚度修正公式，并对双电测组合法不需要边界和尺寸修正的特性给出证 明。2.1四探针基本原理四探针电阻率测量法的基本思路是，将电流通入材料，再测量电流在材料 中产生的电势差，根据材料的几何特性找到电阻率和电流以及测量电势差之间的 关系，进而求出材料的电阻率。由于样品的厚度会影响电力线在样品中的分布，根据样品的厚度应采用不同的物理模型推导四探针测量电阻率计算公式，体原理 适于块体样品而薄层原理适于薄层样品。运用四探针法测量材料电阻率，在不满 足测准条件的情况下得到的测量结果都需要进行修正。2.1.1体原理设想一块电阻率为p的均匀半导体样品，样品的几何尺寸与测量探针的间 距相比可以看作半无限大。设探针引入的点电流源的电流强度为I,样品内的电 力线分布，等势线分布如图2-1所示：图27点电流源对于无穷大样品上由探针引入的点电流源来说，样品中的等电位面是一个 球面，对应每一球面应有确定的电位二，r为半径。因为探针引入的点电 流强度为I,而且导体是均匀的，所以半球等位面上电流密度可以表示为：IJ=72兀 Y(2-1)论文其中2,为半径为r的半球等位面的面积。利用下式关系:7 x。中（厂）6=-=-石ore=J/（7=t27r y由2-2和2-3分析得电流源对于两电压探针间电势差的贡献可以表示为:(2-2)(2-3)(2-4)(2-5)应用四探针设备进行电阻率测量时，须将四根探针放置于样品表面，如图 2-2所示。图2-2电流通过1、4探针的情形如果电流从探针1流入，从探针4流出，则可以把探针1和4看作是点电 流源（或点电流汇）来进行处理。由公式（2-5）可以得知两个电流源对探针2 和3间电势的贡献分别为：不夕“1 1 12乃r12 r 13J（2-6）小 pl 1 1 4 二 一=-r24 r34J（2-7）根据叠加原理，由式（2-6）和式（2-7）可得2、3探针间的电位差：匕3=中1+4=+2兀 r,2 厂 13 厂 24 厂 34（2-8）由式（2-8）,样品的电阻率可以表示为：V C/1 1 1 1 X-1p=-2（-+）1 八 2/34$3$34 九q）式（2-9）是利用体原理得到的直流四探针法测电阻率的普遍公式。若四探 针处于同一平面的同一条直线上，其间距分别为5、$2、$3,则式（2-9）变为：V./1 1 1 1 V10=72（-+）1 51 +$2 S2+S3 S3（2.10）若探针间间距相等，表达式变为：夕=心.2公I（2-11）对于满足体原理的样品，电阻率计算公式和探针间距相关。2.1.2薄层原理薄层原理适用于薄膜样片。当样品厚度相比四探针间距很小时，在电流源 作用下，样品内的线等势线分布如图2-3所示。图2-3薄层原理下样品内电力线等势线分布这时材料内的等势面是以电流通入点为圆心的柱面。分析方法与体原理基 本相同，等势面上电流密度的表达式为:(2-12)其中w为样品厚度。与式（2-4）推导过程相同，可以得至限(小乙271TW(2-13)某个电流源对于两电压探针间电势差的贡献可以表示为:论文G=4-l n乙Ti 27TTW 八则探针1和4处电流源对探针2和3间电势的贡献分别为:尸乙*豪t(2-14)(2-15)(2-16)根据叠加原理，测量电势差的理论表达式为：二/这样电阻率的表达式为:二匕/In1 厂12厂34对于等距直线型探针，电阻率的表达式可以简化为：V 23 o/1 2s-2s 71 V 23p=2v/l n-=-wI s-s In 2 I(2-17)(2-18)(2-19)对于满足薄层原理要求的样片，电阻率计算结果和样品厚度相关。体原理 和薄层原理应用范围在后面介绍厚度修正时再进行界定。2.1.3测准条件用直流四探针法测量电阻率时，满足以下测试条件则测量结果不需要修正。(1)测量区域的电阻率应是均匀的。针距不宜过大，一般采用1毫米左右 较适宜。(2)四根探针应处于同一平面的同一条直线上，因此样品表面应平整。(3)四探针与试样应有良好的接触。探针应当比较尖，与样品的接触点应 为半球形，使电流入射状发散(或汇拢)，且接触半径应远远小于针距；要求针尖 可压痕的线度必须小于100微米，针尖应有一定压力，一般取20牛顿为宜。(4)电流通过样品时不应引起样品的电导率发生变化。(5)要使用电位差计或高输入阻抗的电子仪器来进行电压测量。(6)电流I在测量期间应保持恒定。(7)应关注探针间距对测试结果的影响。如果直线排列的每一根探针之间的间隔与额定的距离s稍有误差的话-，则有:=二白(3人%54羽+54%-3414)P(2-20)山公式2-20得，探针2和探针3是电压探针，“天是第i次探针偏离开额定位置 的线位移。在实际测量中一般都无法全部条件满足，需要进行修正来得到精确的 电阻率值。2.2双电测组合法测量原理在本章2.1节中讨论的修正方法都是基于体原理进行讨论的，可以看到虽然 四探针法理论本身比较简单，但是修正函数十分繁杂。通过改进测量方法可以屏 蔽边界条件对测量结果的影响。所谓双电测是指将四根探针两两组合，让电流先后通过不同的探针对，测量 相应的另外两针间电压，按相关的公式求出电阻值。这时针距和边界效应对测量 结果产生的影响将不存在，实现“自我修正”减小误差。双电测组合法是专门用 来测量薄膜样品电阻率的，不需要增加设备，但是需要增加测量步骤，改进电阻 率计算方法。方法概述：双电测组合法是基于薄层原理的，它的前身是Rymaszewski法和P erl o ff法。它们的原理基本相同，区别在于测量中采用的探针组合方式。Rymaszewski法和P erl o ff法应用的电路连接方式如图2-13所示:a.Rymaszewski 法论文图2-13两种测量方法电路连接方式可以看到两种方法都是将传统四探针法的电路连接方式和另一种电路连接 方式相结合进行测量的。下面以Rymaszewski法为例介绍如何建立测量值和材料 电阻率之间的关系。由薄层原理，当电流通过1、2探针时，3和4探针间的势差为：21n U+SlL+sJ Vl*1n S2G+S2+S3)(2-21)在公式2-21中尺产%,为材料的方块电阻。定义R为：R=V.3 4=R、1n&；2匕2+Z12 2 4 S2G1+S2+S3)(2-22)可以得至!)：S2&+/2+S3)(5 1+S2L2+S3)(2-23)当电流通过1、4探针时，2和3探针见的势差为:T/141n+2)(5+S3)V 23 1n2冗 Si.(2-24)则令:R丫23_ Rs 1n(s+SzLi+sJ,2兀 s s(2-25)则有:(2-26)(2-27)得到R与测量值之间的关系，经过数学处理就可以得到电阻率的表达式。电阻率的计算公式为：vp=p.w I(2-28)其中W为薄膜厚度，F为常数因子，在双测组合法中不同的连接方式下的 常数因子是不相同的，表2-1中列出了 Rymaszewski法测量时不同电压电流探针 组合下薄层原理电阻率计算公式中修正因子的值。表27 Rymaszewski法测量薄膜电阻率的常数因子F电流探针电压探针薄膜电阻修正因子。4.5321-42-31-23-42.3本章小结本章总结并比较了传统四探针法和双电测组合法两种电阻率测量方法。可以 看出，传统四探针法虽然测量步骤简单但是修正体系繁复杂，并不适于小尺寸薄 膜样品电阻率的测量；双电测组合法的理论模型是基于薄层样品的，数据处理模 式固定而且不需要边界修正，虽然需要在测量过程中动态的改变电路的连接方 式，而且数据处理过程的计算量很大，但是通过流程的自动化和编程实现数据处 理，这些问题都可以得到解决。基于以上分析，本测量系统确定应用Rymaszewski 双电测组合法作为电阻率的测量方法。论文第三章系统的硬件设计3.1 系统主要设备的选型根据变频循环投切恒压供水系统的原理，系统的电气控制总框图如图3.1 所示：图3.1系统的电气控制总框图由以上电气系统总框图可以看出，该系统的主要硬件设备应包括以下几部 分：（1）P LC及其扩展模块；（2）变频器；（3）水泵机组；（4）压力变送器；（5）液位变送器。主要设备选型如表37所示：表37本系统主要硬件设备清单主要设备型号及其生产厂家可编程控制器（P LC）Siemen s CP U226模拟量扩展模块Siemen s EM235 EM232变频器Siemen s MM440下面详述选型过程。水泵机组Siemen s 1LG0 系列 4 台压力变送器2088经济型压力变送器液位变送器分体式液位变送器DS26（淄博丹佛斯公司）3.1.1 PLC及其扩展模块的选型P LC是整个变频恒压供水系统的核心部件，它主要完成对系统中所有输入信 号的采集、所有输出单元的控制、恒压的实现以及对外的数据交换。因此，我们 在选择P LC时，要考虑指令的执行速度、指令丰富程度、内存空间、通讯接口 及协议、带扩展模块的能力和编程软件的方便与否等多方面的诸多因素。由于恒 压供水自动控制系统设备相对较少，控制逻辑相对较简单，所以，本系统的P LC 就选用德国SIEMENS公司的S7-200型。S7-200型P LC结构紧凑，价格低廉吗，具有较高的性价比，广泛应用于一些小型控制系统。SIEMENS公司的P LC具有可 靠性高、可扩展性好，又有较丰富的通信指令，且通信协议较简单等优点；P LC 可以上接工控计算机，对自动控制系统进行监测控制。P LC和上位机的通信采用 P C/P P I电缆，支持点对点接口（P P I）协议，P C/P P I电缆可以方便的实现P LC 的通信接口 RS485到P C机的通信接口 RS232的转换，用户程序有三级口令保护，可以对程序实施安全保护。根据控制系统实际所需端子数目，考虑P LC端子数目要有一定的预留量和可 扩展性等方面因素，因此，选用的P LC为S7-200的主模块为CP U226。其开关量 输出为16点，输出形式为AC220V继电器输出；开关量输入为24点，输入形式 为+24V直流输入。由于实际中需要模拟量输入点1个，模拟量输出点2个，所 以，需对其扩展。扩展模块选择的是一片EM232和一片EM235。EM232选用的是 4路输出。EM235模块有4个模拟量输入（AIW）,1个模拟量输出（AQW）信号通 道。所有输入输出信号接入端口时能够自动完成A/D的转换，标准信号能够自动 完成D/A的转换，个字长的数字信号能够转换成标准信号。EM235模块，还可 以针对不同的输入信号，通过DIP开关进行设置。3.1.2 变频器的选型变频器是本系统的控制执行机构的主要硬件。其控制方式是通过对频率的改 变实现对电机转速的调节，从而改变水泵的出水量，进而改变管道中的供水压力。变频器的选择必须根据水泵电机的功率和电流进行选择。本系统要可以能够扩展 实现监控功能，所以变频器还应具有通讯功能。根据控制功能不同，通用变频器 可以分为三种类型：普通功能U/f控制变频器、具有转矩控制功能的高功能型 论文U/f控制变频器以及矢量控制高功能型变频器。供水系统属于泵类负载，低速运 行时的转矩小，可以选择价格相对便宜的u/f控制变频器。由于本设计中P LC选择的是西门子的S7-200型号，为了方便P LC和变频器 之间的通信，我们选择西门子的Mic ro Mast er440变频器。它是是全新一代可以 广泛应用的多功能标准变频器，采用高性能的矢量控制技术，提供低速高转矩输 出和良好的动态特性，同时具备超强的过载能力，以满足广泛的应用场合。创新 的BIC0（内部功能互联）功能有无可比拟的灵活性。380V-480V10%,三相，交流，0.37kW-250kW；内置P ID控制器，参数自整定等诸多功能。本设计中用到 的四台水泵电机，其中三台为160KW,一台为90KW。所选用的变频器适合这一点，另外，选择西门子的变频器可以通过RS485通信协议和接口直接与西门子P LC 相连，更便于设备之间的通信。3.1.3 水泵机组的选型水泵机组的选型基本原则，一是要确保平稳运行；二是要经常处于高效区运 行，以求取得较好的节能效果。要使泵组常处于高效区运行，则所选用的水泵型 号必须与系统用水量的变化幅度相匹配。本设计的要求为：电动机额定功率为 160KW和90KW,供水压力为0.4MP a,根据本设计要求并结合实际中生活用水的 情况，最终确定选用固安捷的3台西门子1LG0系列的160KW异步电动机和一台 90KW的异步电动机。西门子1LG0系列产品主要针对风机类、泵类、压缩机类及暖通空调类负载，适用于各种定速和变转矩负载（转矩随着转速的平方成比例地增加，功率与转速 的立方成正比）调速应用。根据IEC 60034-5标准（防止触及电动机内部的带电 部件和转动部件，避免灰尘的有害沉淀，防止任何方向的水滴溅射）。所有电动 机都按照IP 55防护等级进行设计。它们可以用于含尘的或潮湿的环境中。电机 具有适应湿热带条件下使用的绝缘，绝缘系统包括：高强度漆包线和绝缘片材料 以及无溶剂浸渍树脂。该系统可保证达到很高的机械和电气强度以及良好的使用 可靠性和超长的电机寿命。采用这样的绝缘系统后，电机适用于变频器供电模式 下使用，不加任何限制条件的情况下，额定电压可达500V,电压上升时间t s0.1 U s o标准电机采用了 F级绝缘性能，并按B级考核（80k）增加了电机运行的可 靠性，提高了电机的使用寿命。如果将电动机用于变频供电运行，则安装P TC 热敏电阻是绝对必要的！轴承选用Esso Un irex N3新型润滑脂，保证轴承关键 部件连续长期的可靠运行。其主要数据如表3-2和3-3所示：表3-2 160KW电动机技术参数安装形式B5表3-3 90KW电动机技术参数频率（Hz）50电压（V）380/660最大转矩倍数2.8系列带P TC热敏电阻、出线盒在顶部额定转矩（N.m）1032功率因数0.89额定转速（r/min）1480额定电流（A）288机座315L效率（劲95.1额定功率（kW）160起动电流倍数6.5起动转矩倍数2.2安装形式B3频率（Hz）50电压（V）380/660最大转矩倍数2.8系列带P TC热敏电阻、出线盒在顶部额定转矩（N.m）580.7功率因数0.87额定转速（r/min）1480额定电流（A）167机座280M效率（%）94.3额定功率（kW）90起动电流倍数7.2起动转矩倍数2.43.1.4 压力变送器的选型压力变送器用于检测管网中的水压，常装设在泵站的出水口，压力传感器和 论文压力变送器是将水管中的水压变化转化成1-5V或4-201I1A的模拟量信号，作为模 拟量输入模块（A/D模块）的输入，在选择时，为了防止传输过程中的干扰与损 耗，我们采用4-20n iA输出压力变送器。在运行过程中，当压力传感器和变送器 出现故障时，系统有可能会开启所有的水泵，而此时的用水量又达不到，这就使 水管中的水压上升，为了防止爆管和超高水压损坏用户的用水设备，本文中的供 水系统使用电极点压力表的上限输出，作为P LC的一个数字量输入，当压力超出 上限时，关闭所有水泵并进行报警输出。根据以上分析，本设计中选用普通压力表Y-100和2088经济型压力变送器 实现压力的检测、显示和变送。压力表测量范围为OTMP a,精度为1.5O 2088 输出一路4-20mA电流信号，送给与CP U226连接模拟量模块EM235,作为P ID调 节的反馈电信号，可设定压力上、下限，通过两路继电器控制输出压力超限信号。3.1.5 液位变送器选型考虑到水泵电机空载时会影响电机的寿命，因此，需要对水池水位作必要的 检测和控制。本设计要求贮水池水位：5-8米，所以要通过液位变送器将检测到 的水位转换成标准电信号（4-20n iA电流信号），再将其输入窗口比较器，用比较 器输出的高电平作为贮水池水位的报警信号，输入P LC。综合以上因素：本设计选择淄博丹佛公司生产的型号为DS26分体式液位变 送器，其量程为：0-200n i,适用于水池、深井以及其他各种液位的测量；零点和 满量程外部可调；供电电源：24VDC；输出信号：两线制4-20mADC；精度等级：O 25 级。3.2 系统主电路分析及设计水厂循环自动投切恒压供水系统主电路如图3.2所示：四台水泵电机Ml、M2、M3、M4,它们分别拖动水泵1#、2#、3#、4#。接触器KMK KM3、KM5分别 控制Ml、M2、M3的工频运行；接触器KM2控制Ml的变频运行、KM4控制M2的 变频运行、KM6控制M3的变频运行；KM7控制M4的投入和切除。FR1、FR2、FR3、FR4分别为四台水泵电机过载保护用的热继电器；QF1到QF5分别为1、2#变频 器，四台电机与主电路的隔离开关，QFO为主隔离开关；FU为主电路熔断器。本系统采用三台主泵（1、2、3#泵）循环投切变频