自动控制显微镜

[font=&][color=#333333]水池水位自动控制器是一种用于监测和控制水池水位的设备。它通过传感器实时监测水池的水位，并根据设定的水位范围自动控制水泵或阀门的开关，以保持水池的水位在合适的范围内。[/color][/font][font=&][color=#333333][/color][/font][font=&][color=#333333]水池水位自动控制器具有以下功能：[/color][/font][font=&][color=#333333][/color][/font][font=&][color=#333333]实时监测水位：水池水位自动控制器配备了高精度的水位传感器，能够准确地监测水池的水位变化。它可以实时显示当前水位，并将数据传输给控制器进行处理。[/color][/font][font=&][color=#333333][/color][/font][font=&][color=#333333]自动控制水泵或阀门：根据设定的水位范围，水池水位自动控制器可以自动控制水泵或阀门的开关。当水位低于设定的最低水位时，控制器会自动启动水泵或打开阀门，将水注入水池；当水位达到设定的最高水位时，控制器会自动关闭水泵或关闭阀门，停止注水。[/color][/font][align=center][img=水位自动控制器,690,690]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2023/07/202307191457554937_9399_4008598_3.jpg!w690x690.jpg[/img][/align][font=&][color=#333333]报警功能：水池[url=https://www.eptsz.com]水位自动控制器[/url]还具有报警功能。当水位超出设定的安全范围时，控制器会发出声音或光信号，提醒操作人员及时采取措施，避免水池溢出或水位过低。[/color][/font][font=&][color=#333333][/color][/font][font=&][color=#333333]远程监控和控制：一些高级的水池水位自动控制器还具有远程监控和控制功能。通过与互联网连接，操作人员可以远程监测水池的水位，并进行远程控制，实现对水泵或阀门的远程开关。[/color][/font][font=&][color=#333333][/color][/font][font=&][color=#333333]水池水位自动控制器的功能使得水池的水位控制更加方便和精确。它可以广泛应用于各种水池，如蓄水池、游泳池、鱼塘等，有效地提高了水资源的利用效率，减少了人工操作的工作量，同时也提高了水池的安全性和稳定性。[/color][/font][font=&][color=#333333][/color][/font]

[align=left][font=宋体][color=#333333][back=white]随着科技的发展，人们的生活越来越智能化。对于养鱼爱好者来说，一个自动控制的鱼缸水位开关控制器能够极大地提高养鱼的便利性和舒适度。[/back][/color][/font][/align][align=left][font=宋体][color=#333333][back=white]这款鱼缸水位[url=https://www.eptsz.com]开关自动控制器[/url]采用先进的微处理器技术，能够实时监测鱼缸的水位。当水位过低或过高时，控制器会立即启动相应的工作模式。当水位过低时，控制器会自动打开水泵，将水注入鱼缸，确保鱼儿有足够的水生活环境。[/back][/color][/font][/align][align=center][img=水位自动控制器,673,582]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2023/12/202312141603520014_401_4008598_3.jpg!w673x582.jpg[/img][/align][align=left][font=宋体][color=#333333][back=white]鱼缸补水器分为控制器和磁性吸盘两部分，确定鱼缸需要保持的水位线，将吸盘与控制器对准后分别放在鱼缸壁的内侧与外侧。电源的一头插入控制器，将另一头插入插座内，即可完成补水器供电。水泵插头插入控制器，水泵接上水管放入备用水箱中，既可实现补水功能。[/back][/color][/font][/align][align=left][font=宋体][color=#333333][back=white]这款鱼缸水位开关自动控制器是养鱼爱好者的理想选择。它不仅能够提供舒适的鱼儿生活环境，还能大大降低养鱼的难度和劳动强度。在未来，随着技术的不断进步，相信这款控制器将会更加智能、更加人性化，为养鱼爱好者带来更多的便利和乐趣。[/back][/color][/font][/align]

[align=center][size=16px][img=体外循环术中灌注流量的高精度自动控制,600,415]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2023/10/202310271116037597_5912_3221506_3.jpg!w690x478.jpg[/img][/size][/align][size=16px][color=#990000][b]摘要：在目前的体外循环手术过程中，需要灌注师快速而精确地操作使得血液流速调节到期望的目标值。基于国外文献报道的血流量自动控制方法和装置，本文提出了技术改进且国产化解决方案。通过本解决方案中增加的国产系列电控夹管阀、电控针阀和具有远程设定值功能的超高精度PID控制器，可以使得体外循环过程中的静脉和动脉血流量控制真正实现高精度的自动化控制，在满足临床应用和研究需求的同时，可降低灌注师的操作难度和医疗事故。[/b][/color][/size][align=center][size=16px][color=#990000][b]~~~~~~~~~~~~~~~~~[/b][/color][/size][/align][size=18px][color=#990000][b]1. 问题的提出[/b][/color][/size][size=16px] 体外循环（CPB）设备在心脏手术期间临时替代心肺功能，以维持体循环。心脏体外循环手术时，需要将手术病人静脉血从体内引出，通过体外循环机氧合后回输至体内动脉管道、静脉回流管、左心房引流管、心内吸引管、普通吸引管等管道，并维持血流量、静脉储库水平、氧气浓度、氧气血流量和血液温度，其中对血液流速的控制要求非常高，稍有错误就会导致循环障碍和大量空气栓塞，从而导致严重的医疗事故。[/size][size=16px] 在CPB具体操作过程中，需要灌注师快速而精确地操作三个装置（静脉侧阻隔器、动脉侧阻隔器和离心泵）来将血液流速调节到期望的目标值，不正确的操作会导致气栓并改变静脉储血水平而导致意外的血压波动，从而将患者置于危险之中。因此，需要开发一种有助于自动调节血液流速的装置以提高自动化控制水平和降低灌注师工作强度，为此文献[1]提出了一种体外循环过程中动脉侧血流量的自动控制方法和控制装置，其结构如图1所示。[/size][align=center][size=16px][color=#990000][b][img=体外循环血流量自动控制结构示意图,650,351]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2023/10/202310271117325921_65_3221506_3.jpg!w584x316.jpg[/img][/b][/color][/size][/align][align=center][size=16px][color=#990000][b]图1 体外循环血流量自动控制装置结构示意图[/b][/color][/size][/align][size=16px] 尽管文献[1]提出了一种体外循环过程中动脉侧血流量的自动控制方法和相应装置，但距离真正的临床应用还有一定差距，这些差距主要体现在以下几个方面：[/size][size=16px] （1）尽管文献[1]给出了静脉侧和动脉侧血流量调节用的手动和自动阻隔器的具体型号，但我们并未在阻隔器厂家官网上查到相应型号阻隔器的具体产品和相应技术参数。因此，为了真正实现临床应用还需进一步明确阻隔器产品，甚至是国产化替代。[/size][size=16px] （2）动脉侧血流量自动控制的目的是要自动调节动脉侧血流量的变化始终要与静脉侧血流量的变化保持快速同步和相同，但文献[1]给出的控制模型和控制策略过于复杂，较难真正的工程化实现。[/size][size=16px] 针对文献[1]技术方案存在的上述缺陷，本文提出了可真正实现临床应用的解决方案，能很好的解决上述问题，并可完全采用国产化相关产品予以实现。[/size][size=18px][color=#990000][b]2. 解决方案[/b][/color][/size][size=16px] 基于文献[1]所述的动脉侧血流量自动控制技术方案，我们进行了改进，并进一步明确和细化了相关所用部件，改进后的自动控制装置结构如图2所示。[/size][align=center][size=16px][color=#990000][b][img=改进后的体外循环血流量自动控制结构示意图,650,311]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2023/10/202310271118025749_1493_3221506_3.jpg!w690x331.jpg[/img][/b][/color][/size][/align][align=center][size=16px][color=#990000][b]图2 改进后的体外循环血流量自动控制结构示意图[/b][/color][/size][/align][size=16px] 解决方案的改进内容之一是采用国产的电控夹管阀来代替文献[1]中所用的阻隔器，这种电控夹管阀可以通过0~10V的直流电压信号来改变加持力以调节管路导通口径的大小，从而实现对管路中的流体流量进行调节。由此可见，这种电控夹管阀可以很方便的被用来进行静脉侧和动脉侧血流量的手动或自动调节。[/size][size=16px] 尽管电控夹管阀和自动阻隔器可以用来对体外循环系统中的血流量进行调节，但存在的问题是会带来的非线性，这种非线性会对自动控制精度带来严重影响，这也是文献[1]控制模型非常复杂的主要原因。文献[2]对这种非线性进行了研究和描述，发现操作值与开度之间呈指数关系。[/size][size=16px] 为了解决管夹形式所带来的非线性问题，解决方案提出的改进内容之二是采用NCNV系列的电控针阀。NCNV系列电控针阀具有非常高的线性度，且具有快速的响应速度以及不同的孔径尺寸，常用于气体和液体介质的真空、压力和流量的精密调节。尽管采用电控针阀可以很好的解决夹管阀非线性所带来的控制精度问题，但电控针阀存在的重要问题是针阀需要接触所调节的流体介质，不能像夹管阀那样与流体介质不发生接触。[/size][size=16px] 为真正使动脉侧血流量能快速与静脉侧血流量保持同步和相同，本解决方案提出的重大改进是采用具有远程设定点功能的VPC2021系列高精度PID控制器，控制器的具体特性和功能如下：[/size][size=16px] （1）具有两个输入信号接收通道，其中主输入通道接收动脉侧流量计信号，并由主控输出通道输出控制信号对动脉侧电控夹管阀/针阀进行调节；而辅助输入通道接收静脉侧流量计信号，此接收到的静脉侧流量信号则作为动脉侧流量控制的设定值。通过这种辅助输入通道的这种远程设定值功能，可使得动脉侧的流量控制始终以静脉侧的流量为跟踪控制目标。[/size][size=16px] （2）控制器具有超高的测量精度和控制精度，其中24位AD、16位DA和0.01%最小输出百分比，并采用了无超调的PID控制模式，这非常适用于体外循环装置中的高精度血液流量控制。[/size][size=16px] （3）控制器具有RS485通讯接口，并执行标准的MODBUS协议。控制器自带测控软件，在计算机上运行软件可实现控制器参数设置、驱动运行、过程参数的采集、曲线显示和存储，无需再进行程序编写就可组成软硬件控制系统用于临床应用和研究。[/size][size=18px][color=#990000][b]3. 总结[/b][/color][/size][size=16px] 通过本解决方案中增加的国产系列电控夹管阀、电控针阀和具有远程设定值功能超高精度PID控制器，可以使得体外循环过程中的静脉和动脉血流量控制真正实现高精度的自动化控制，在满足临床应用和研究需求的同时，降低医疗事故和灌注师的操作难度。[/size][size=18px][color=#990000][b]4. 参考文献[/b][/color][/size][size=16px][1] Takahashi H, Kinoshita T, Soh Z, et al. Automatic control of blood flow rate on the arterial-line side during cardiopulmonary bypass[C]//2021 43rd Annual International Conference of the IEEE Engineering in Medicine & Biology Society （EMBC）. IEEE, 2021: 5011-5014.[/size][size=16px][2] Takahashi H, Soh Z, Tsuji T. Steady-state model of pressure-flow characteristics modulated by occluders in cardiopulmonary bypass systems[J]. IEEE Access, 2020, 8: 220962-220972.[/size][align=center][size=16px][color=#990000][b][/b][/color][/size][/align][align=center][b][color=#990000]~~~~~~~~~~~~~~~[/color][/b][/align][size=16px][/size]

[color=#ff0000]摘要：玻璃制品吹塑成型工艺中，始终存在人工吹气和机器吹气气压不稳造成成品一致性差、成品率不高等问题。为解决这些问题，本文提出了一种吹气气压全自动控制解决方案，使得吹气气压可以按照设定曲线进行快速和精密控制，可大幅提高生产效率和产品良率。[/color][size=18px][color=#ff0000]一、问题的提出[/color][/size]玻璃是一个非结晶无定形固体，玻璃制品在加工过程中需要加热软化和吹塑成型，但目前的吹塑成型工艺存在以下几方面的问题需要解决：（1）在目前大多数通过人工用嘴吹气方式向玻璃制品的内部进行吹气的吹塑成型工艺中，需要依靠人力用管吹气然后将熔融的玻璃液塑形。这种工艺方法极大增加了生产者的负担，容易使得生产者因脑部缺氧而产生晕眩，同时降低了工作效率。这种工艺所生产的成品一致性差，且成品率不高，同时对于玻璃制品的生产周期延长，不利于广泛的推广和普及。（2）在玻璃瓶成型工艺中，由于风从吹塑管出来后一直作用于玻璃瓶的瓶底，吹塑气压不够均匀，会导致玻璃瓶成型后瓶底厚薄不一，同时现有的自动吹塑装置在吹塑过程中会出现气压不稳定的情况，不具备自动稳压的功能，导致玻璃瓶质量层次不一。分析现有玻璃制品的吹塑成型工艺可以发现，整个吹塑过程是一个典型的小型密闭空间内的气压变化过程，如果可以精密控制这个气压变化过程，并总能准确重复这个气压变化过程，即可实现玻璃制品吹塑工艺的自动化和质量可靠性，大幅提高成品率和缩短生产周期。本文针对玻璃制品吹塑成型工艺中存在的上述问题，提出了一种吹气气压全自动控制解决方案，吹气气压可以按照设定曲线进行快速和精密控制，由此大幅提高生产效率和产品良率。[size=18px][color=#ff0000]二、技术方案[/color][/size]玻璃塑形吹气压力自动控制的基本原理是按照需要快速控制一个密闭空腔内的气压，用此气压来代替人工吹气时的压力变化。整个控制装置的结构如图1所示。[align=center][img=玻璃塑形吹气压力自动控制,500,386]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2022/05/202205111628124420_8460_3384_3.png!w690x533.jpg[/img][/align][align=center]图1 玻璃塑形吹气压力自动控制装置结构示意图[/align]吹气压力自动控制装置主要包括腔体、电动针阀、压力传感器、PID控制器和高压气源。腔体内的压力精密控制采用动态控制法，即根据压力传感器的测量值与设定值的比较，PID控制器同时调节进气流量和排气流量，使得腔体内的压力快速达到动态平衡，将压力控制在设定值上。设定值可以是一个不随时间变化的压力恒定点，也可以是根据玻璃吹塑工艺要求设计出来的压力随时间变化的曲线，以此来满足不同压力要求。总之，通过此技术方案，可实现玻璃塑形吹气压力的自动精密控制，并可保证控制精度和重复性，以此保证产品质量和稳定性。[align=center]~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~[/align]

[color=#339999][b][size=16px]摘要：目前临床用气管导管[/size][size=16px]套[/size][size=16px]囊压力管理中缺乏操作简便和技术成熟的套囊压力自动控制仪器，现有压力测量和控制装置操作繁琐，存在充气增压和放气减压过程不及时和压力不稳定等问题。针对这些问题本文提出了[/size][size=16px]套[/size][size=16px]囊[/size][size=16px]压力自动控制解决方案，采用动态平衡原理的球囊压力控制仪可根据设定压力自动排气和进气，快速抑制各种干扰，使球囊压力始终处于稳定状态。控制仪配有面板显示屏和微型气泵，并可连接外置压力传感器，使控制更准确和直观。[/size][/b][/color][align=center][img=气管扩张球囊压力控制,600,369]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2023/08/202308031417449117_6777_3221506_3.jpg!w690x425.jpg[/img][/align][b][size=18px][color=#339999]1. 问题的提出[/color][/size][/b][size=16px] 气管导管套囊在机械通气中可起防止气道漏气，预防呼吸机相关性肺炎的作用，套囊压力管理是气管插管患者气道管理中的一个重要环节。由于气管导管套囊的压力异常与很多因素相关，如患者自身因素（肥胖、有吸烟史或合并哮喘、气管炎等）、麻醉医生因素和外在因素（体位、二氧化碳气腹、术中相关操作、笑气的应用等）以及呼吸机正常运行也会对套囊的压力产生影响。因此在套囊压力管理中，应当调节套囊中的压力以使其维持在一个稳定的水平，以避免漏气和其他潜在疾病的风险。套囊中压力过低可能产生漏气，而压力过高则可能对病人产生不适感。此外，在对套囊中压力进行调节时，也应当尽可能长时间维持套囊内压力稳定，降低套囊的不停膨胀和收缩的频率。但在目前的临床应用中套囊压力管理还无法达到稳定控制要求，所存在的问题主要体现在以下几个方面：[/size][size=16px] （1）外接压力测量和控制装置操作繁琐、器械及人力成本高。充气增压和放气减压过程用时长，压力调节缓慢，不利于抢救插管时快速操作，也不利于整个过程中的压力稳定。[/size][size=16px] （2）缺乏操作简便的套囊压力自动控制的成熟技术和相应仪器。[/size][size=16px] 为了解决上述问题，基于快速闭环气体压力控制技术，本文提出了一种解决方案，可完美的实现套囊压力的快速自动调节和控制。[/size][size=18px][color=#339999][b]2. 解决方案[/b][/color][/size][size=16px] 依据套囊的结构，临床气管导管套囊的压力控制，从理论上可以归结为对一个弹性体材质的密闭容器进行气压控制，此密闭容器只有一个对外进气或出气接口。由此，我们采用了动态平衡法进行压力控制，其基本原理如图1所示，即压力控制仪的核心是一个四通结构的小管件，其中管件的左右两端口分别作为进气和排气口，向上端口作为压力测量端口，向下端口作为工作压力输出口。[/size][align=center][size=16px][color=#339999][b][img=套囊压力控制仪工作原理,400,293]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2023/08/202308031419148618_9875_3221506_3.jpg!w690x506.jpg[/img][/b][/color][/size][/align][align=center][size=16px][color=#339999][b]图1 套囊压力控制仪工作原理[/b][/color][/size][/align][size=16px] 在压力控制过程中，PID控制器采集压力传感器信号并与设定压力值进行比较，根据比较差值来驱动进气和出气电磁阀打开或关闭，由此来控制压力输出口处的压力快速达到设定压力值。[/size][size=16px] 根据上述原理制造的套囊压力控制仪实际上是一个自动控制的压力源，此压力源直接连接到气管导管上就能实现对套囊压力的准确控制。整个套囊压力控制装置结构如图2所示。[/size][align=center][size=16px][color=#339999][b][img=两种形式气管导管套囊的自动压力控制结构示意图,650,270]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2023/08/202308031419447144_9325_3221506_3.jpg!w690x287.jpg[/img][/b][/color][/size][/align][align=center][size=16px][color=#339999][b]图2 两种形式气管导管套囊的自动压力控制结构示意图[/b][/color][/size][/align][size=16px] 在压力控制过程中，PID控制器采集压力传感器信号并与设定压力值进行比较，根据比较差值来驱动进气和出气电磁阀打开或关闭，由此来控制压力输出口处的压力快速达到设定压力值。[/size][size=16px] 这里需要说明的是，标准的压力控制仪是在控制仪中内置了一个高精度压力传感器，但在实际应用中压力传感器更靠近被控容器以准确测量容器压力，所以球囊压力控制器提供了一个外置压力传感器的接口，由此可更准确的调节和控制球囊内压力，如图2(a)所示。[/size][size=16px] 由于气管导管往往较细较长，图2(a)所示的外置压力传感器形式因距离球囊较远，往往也不能很准确和及时的监测和控制球囊压力。为此，目前新型的气管导管球囊往往会内置一个微型压力传感器，此内置压力传感器连接到球囊压力控制器可进行更准确和快速的压力控制。[/size][size=16px] 在球囊压力控制仪中集成了一个微型气泵以始终提供正压压力，在控制仪面板上还提供了一个手动调节旋钮。在具体使用过程中，操作人员可根据面板上显示的压力数值来调整旋钮以设定球囊所需要稳定控制的压力值，设定完毕后，按动执行按钮，控制仪就可以全程的进行球囊压力自动控制，无论其他形式的各种干扰，球囊压力始终稳定在设定的压力值上。[/size][size=18px][color=#339999][b]3. 总结[/b][/color][/size][size=16px] 综上所述，本解决方案所采用的球囊压力自动控制仪，基于动态平衡的压力控制方法，可很方便的实现球囊进气和排气的自动控制，使球囊压力始终保持稳定，具有很强的各种压力干扰的抑制性和恢复性。并且此球囊压力控制仪进行了最大程度的集成，内置了压力传感器和气泵，并具有很强的适用性，可连接各种气管导管球囊和外部压力传感器。整个操作极为简便，仅需通过面板旋钮进行操作，压力监测和控制结果直观面板数字显示。[/size][size=16px][/size][align=center][size=16px][color=#339999][b]~~~~~~~~~~~~~~~[/b][/color][/size][/align]

[size=16px][color=#339999][b]摘要：针对环境扫描/透射电子显微镜对样品杆中的真空压力气氛环境和流体流量精密控制控制要求，本文提出了更简单高效和准确的国产化解决方案。解决方案的关键是采用动态平衡法控制真空压力，真空压力控制范围为1E-03Pa~0.7MPa；采用压差法控制微小流量，解决了以往采用质量流量控制器较难对混合气体和微小流量准确控制的难题，可实现气体和液体在0.005sccm~10slm范围内的流量的高精度控制。[/b][/color][/size][align=center][size=16px][color=#339999][b]============================[/b][/color][/size][/align][size=18px][color=#339999][b]1. 问题的提出[/b][/color][/size][size=16px] 在环境扫描/透射电子显微镜（ESEM/ETEM）技术应用中，常会在研究对象附近创造出一个气氛环境，以研究固体和气体在原子尺度上相互作用过程中发生的现象。这种气氛环境通常为负压低真空或高于一个大气压的正压压力，由一个称之为环境样品杆“environmental sample holder”的密封形式的特殊气体样品架来提供。典型的环境样品杆结构如图1所示，其具有两个进出端口，用于气体或液体流入和流出位于样品架尖端的空腔。[/size][align=center][size=16px][color=#339999][b][img=典型的电子显微镜样品杆,550,208]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2023/09/202309111733107508_954_3221506_3.jpg!w690x261.jpg[/img][/b][/color][/size][/align][align=center][size=16px][color=#339999][b]图1 典型的电子显微镜样品杆[/b][/color][/size][/align][size=16px] 一般电子显微镜样品杆及其进气控制装置需具有以下功能：[/size][size=16px] （1）样品杆具有独立的气氛环境和很好的密封性，极低的漏率使得电子显微镜能正常工作在超高真空条件下。[/size][size=16px] （2）进入样品杆的一种或多种气体，采用一个或多个质量流量控制器（MFC）来控制流量，且每个MFC需要根据进气气体进行独立校准。[/size][size=16px] 在实际研究过程中，上述功能的电子显微镜样品杆进气控制装置还存在以下几方面的问题需要解决：[/size][size=16px] （1）无法实现真空压力的精密控制，即无法为被测样品提供稳定的真空压力环境，且随着反应过程的进行以及温度变化和反应气体的挥发，无法使真空压力不受影响并保持稳定。[/size][size=16px] （2）对于原子尺度上的研究，通常会涉及到纳米粒子的气体反应，这就要求进出样品杆的气体流速低至0.005 SCCM或更低，且始终保持稳定，这是采用MFC无法控制实现的。此外，由于MFC是针对特定的气体种类来进行校准，所以复杂的气体混合物或未知的气体混合物不能被精确地计量。[/size][size=16px] 因此，考虑到上述现有技术的问题，本文提出一种能准确控制样品杆内部真空压力环境以及全量程控制通过样品杆的气体流速的解决方案，且流速的控制与气体种类无关。[/size][size=18px][color=#339999][b]2. 解决方案[/b][/color][/size][size=16px] 针对电子显微镜气体样品杆内的真空压力控制，解决方案的基本原理是动态平衡法，使得样品杆的进气流量与排气流量达到不同的平衡状态，实现不同真空压力的精密控制。[/size][size=16px] 针对电子显微镜气体样品杆内的混合气体流量控制，解决方案的基本原理是压差法，使得样品杆的进出气口两端形成恒定压差，调节出气口开度大小来是实现不同微小流量的精密控制。[/size][size=16px][color=#339999][b]2.1 真空压力控制[/b][/color][/size][size=16px] 气体样品杆的真空压力控制装置如图2所示，整个装置主要由电控针阀、真空计、真空压力控制器和真空泵组成。装置中配置了两个电控针阀，分别用来调节进气流量和排气流量。真空计用来测量样品杆内的真空度，控制器采集真空计信号与设定值对比，驱动针阀来进行恒定控制。[/size][align=center][size=16px][color=#339999][b][img=气体样品杆真空压力控制装置,600,290]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2023/09/202309111733596359_8287_3221506_3.jpg!w690x334.jpg[/img][/b][/color][/size][/align][align=center][size=16px][color=#339999][b]图2 气体样品杆真空压力控制装置[/b][/color][/size][/align][size=16px] 在此真空压力控制装置的具体使用过程中，需注意以下几点：[/size][size=16px] （1）此控制装置可实现宽泛范围内的真空度控制，如从1Pa~0.1MPa（绝对压力），且可以轻松达到±1%的控制精度。但需要注意的是需要至少采用两只电容真空计来覆盖整个范围，如果控制精度要求不高，可直接使用一只测量精度较差的皮拉尼等真空计来覆盖全真空度范围。[/size][size=16px] （2）此控制装置也可实现正压压力的精密控制，如从0.1MPa~0.7MPa（绝对压力），可以轻松达到±0.5%的控制精度。具体应用时，可以将真空计处增加一个正压压力传感器。[/size][size=16px] （3）控制装置中的真空压力控制器需要是两通道的高精度控制器，控制器可连接两只真空度传感器并驱动两个电控针阀，并可在两只真空计之间进行自动切换。在具体控制过程中，低真空（1000Pa~0.1MPa）范围内，具体控制方式是恒定进气针阀开度而自动调节排气针阀开度；在高真空（1Pa~1000Pa）范围内，控制方式是100%排气针阀开度而自动调节进气针阀开度。[/size][size=16px] （4）如果需要对气体样品杆内进行更高真空度（1E-04Pa~1Pa）范围的控制，则需更换真空计和进气针阀并增加分子泵等，关键是需将进气针阀更换为阀门开度更小（微米量级）和进气流量更低的可变泄漏阀。[/size][size=16px] （5）如果采用非电容式真空计作为真空度传感器来进行真空度控制，要求真空压力控制器需具有输入信号线性处理功能，这是因为除了电容式真空计外，其他形式的真空计输出的都是非线性信号，要实现准确的真空度控制，就要求真空压力控制器具有多点拟合线性化处理功能。[/size][size=16px][color=#339999][b]2.2 微小流量控制[/b][/color][/size][size=16px] 气体样品杆的微小流量控制装置结构如图3所示，整个装置主要由电控针阀、流量计、PID调节器、压力控制器和上下游气罐组成。装置中配置了两个气罐分别来恒定气体样品杆进出口两端的压力以形成压差，然后PID调节器根据设定值来调节电控针阀实现流量的精密控制。[/size][align=center][size=16px][color=#339999][b][img=气体样品杆精密流量控制装置,690,262]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2023/09/202309111734506728_6036_3221506_3.jpg!w690x262.jpg[/img][/b][/color][/size][/align][align=center][size=16px][color=#339999][b]图3 气体样品杆精密流量控制装置[/b][/color][/size][/align][size=16px] 在此微小流量精密控制装置的具体使用中，需注意以下几方面的内容：[/size][size=16px] （1）因为流量控制是基于压差法，所以只需能提供稳定的压力差，且调节电控针阀的开度就可实现流量控制。压力差精密可控，且针阀的开度也可自动调节，这是保证微小流量精密控制的关键。[/size][size=16px] （2）另外决定微小流量精密控制的因素是流量计和PID调节器的精度，因此在采用满足流量测量范围要求的高精度流量计的同时，还需采用高精度的PID调节器，如24位AD和16位DA。[/size][size=16px] （3）同样，为了实现稳定的高精度的压差供给，需要对上下游气罐的压力进行精密控制。简单的方法是通过双通道的PID调节直接设定两个压力控制器为不同的压力控制值，采集压力控制器内部自带的压力传感器信号进行控制。如果要求实现更高精度的压差控制，则需在上下游气罐上增加更高精度的压力传感器并分别与PID调节器连接。[/size][size=16px] （4）图3所示的气体样品杆流量控制装置同样适用于液体的流量控制，同样可以实现液体微小流量的高精度控制。[/size][size=18px][color=#339999][b]3. 总结[/b][/color][/size][size=16px] 综上所述，采用本文解决方案中真空、压力和流量控制装置，可实现以下功能：[/size][size=16px] （1）真空压力控制范围为1E-03Pa~0.7MPa（绝对压力），1E-03Pa~1Pa真空度范围内的控制精度可达±15%，1Pa~0.1MPa真空度范围内的控制精度可达±1%，0.1MPa~0.7MPa范围内正压压力控制精度可达0.5%。上述控制精度主要由真空计和压力传感器的测量精度决定。[/size][size=16px] （2）流量控制范围为0.005sccm~10slm，控制精度可达±1%，主要由流量计测量精度决定。流量控制装置可适应于气体和液体。[/size][align=center][size=16px][color=#339999][b][/b][/color][/size][/align][align=center][size=16px][color=#339999][b]~~~~~~~~~~~~~~~~~[/b][/color][/size][/align]

[align=center][img=真空冷热台,500,326]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2022/03/202203060829340674_8408_3384_3.png!w690x451.jpg[/img][/align]摘要：针对气密真空冷热台目前存在的真空度控制精度差和配套控制系统价格昂贵的问题，本文介绍采用国产产品的解决方案，介绍了采用数控针阀进行上游和下游双向控制模式的详细实施过程。此方案已经得到了应用和验证，可实现宽范围内的真空度精密控制，真空度波动可控制在±1%以内，整个控制系统具有很高的性价比。[align=center]~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~[/align][size=18px]一、问题的提出[/size]气密真空冷热台是同时可用于真空和气密环境的精密温控冷热平台，具有加热和制冷功能，适合显微镜和光谱仪等应用对样品在可控的真空度环境下进行精确加热或制冷。根据用户要求，针对目前的各种气密真空冷热台，在真空度控制方面，还需要解决以下几方面的问题：（1）无论是进口还是国产真空冷热台，真空度测量和控制还采用皮拉尼真空计，使得配套的控制系统无法实现真空度的精密控制，如无法满足研究和模拟冷冻干燥过程的精度要求。（2）气密真空冷热台普遍体积较小，在宽泛的真空度范围内，实现精确控制一直存在较大难度，真空度的波动性较大，而真空度的波动性又反过来影响温度的稳定性。（3）进口配套的真空度控制系统，不仅控制精度达不到要求，而且价格昂贵。针对气密真空冷热台存在的上述问题，本文将介绍采用国产产品并具有高性价比的解决方案，并介绍了详细的实施过程。[size=18px]二、解决方案[/size]气密真空冷热台真空度精密控制系统的整体结构如图1所示，整个系统主要包括真空计、数控针阀、PID控制器和真空泵。[align=center][img=真空冷热台,690,396]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2022/03/202203060828037872_2582_3384_3.png!w690x396.jpg[/img][/align][align=center]图1 冷热台真空度精密控制系统结构示意图[/align]为提高真空度测控精度，采用了测量精度更高（可达满量程0.2%）的电容式真空计，可覆盖0.01~760Torr的真空度区间。如果需要更高真空度环境，也可以同时采用皮拉尼真空计进行测控。为实现全宽量的真空度控制，将两只数控针阀分别安装在冷热台的进气口和排气口。通过分别采用上游和下游控制模式，可实现全量程波动率小于±1%的精密控制。控制器是精密控制的关键，方案中采用了24位A/D和16位D/A的高精度PID控制器，独立的双通道便于进行上游和下游气体流量调节和控制。总之，通过此经过验证的真空度控制方案，可实现高性价比的精密控制。[align=center]~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~[/align]

[size=16px][color=#339999][b][font='微软雅黑',sans-serif]摘要：为了实现[url=https://insevent.instrument.com.cn/t/5p]液相[/url]电子显微镜的更广泛和更便捷应用，需要对微芯片中的液体样本厚度进行精密调控。本文基于透射显微镜中被检液体样本内外压差对应于液体厚度这一凸起变形膨胀的基本现象，提出了通过精确控制液体池内部真空度来实现液体厚度精密调控的解决方案。真空度的高精度控制将采用动态平衡法，可在宽区间[/font]0.1~100kPa[font='微软雅黑',sans-serif]范围内的任意真空度下实现±[/font]1%[font='微软雅黑',sans-serif]的控制精度，最终实现液体样本厚度的高精度自动调节和控制。[/font][/b][/color][/size][size=16px][color=#339999][b][font='微软雅黑',sans-serif][/font][/b][/color][/size][align=center][size=16px][font='微软雅黑',sans-serif][img=真空度精密控制技术在液相透射电子显微镜液体厚度调节中的应用,550,328]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2023/02/202302201108567445_1826_3221506_3.jpg!w690x412.jpg[/img][/font][/size][/align][size=16px][font='微软雅黑',sans-serif][/font][/size][font='微软雅黑',sans-serif][size=24px][color=#339999][b]1. 问题的提出[/b][/color][/size][/font][font='微软雅黑',sans-serif][size=16px] 近年来，基于透射电子显微、微纳加工和薄膜制造技术的液相透射电子显微技术，为构建多种纳米级分辨率尺度下的微实验平台，发展新型纳米表征技术和众多领域的相关研究提供了有效途径。如图[/size][/font][size=16px]1[/size][font='微软雅黑',sans-serif][size=16px]所示，一个标准的液体池是由隔离材料支撑起两片电子透明氮化硅（[/size][/font][size=16px]SiN[/size][font='微软雅黑',sans-serif][size=16px]）薄膜窗口的硅微芯片，液体样品被填充在这两个窗口之间。[/size][/font][font='微软雅黑',sans-serif][/font][align=center][size=14px][b][color=#339999][img=液相透射额电子显微镜液体腔基本结构示意图,500,321]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2023/02/202302201111174803_9349_3221506_3.jpg!w690x444.jpg[/img][/color][/b][/size][/align][font='微软雅黑',sans-serif][size=16px][color=#339999][/color][/size][/font][align=center][b][font='微软雅黑',sans-serif]图[/font][size=16px]1 [/size][font='微软雅黑',sans-serif]液相透射额电子显微镜液体腔基本结构示意图[/font][/b][/align][font='微软雅黑',sans-serif][size=16px][font=微软雅黑, sans-serif] [/font]理论上，液体厚度可以通过微芯片之间的间隔垫片来设定，但在实际观察中需要将微芯片放置在透射电子显微镜的超高真空环境中，使得膜窗口内外的压力不同，此压差会造成膜窗口凸起变形膨胀而造成液体厚度发生改变，而这种改变往往超过了好几倍。因此，除非产生气泡，这种厚度变化将严重影响观测的分辨率。另外，可以用柱子连接顶部和底部膜窗口以最小化膨胀，但这种固定厚度的液体池无法加载不同的样本进行观测，并不具有通用性和适用性。[/size][/font][font='微软雅黑',sans-serif][size=16px][font=微软雅黑, sans-serif] [/font]由此可见，液体池在透射电子显微镜超高真空环境下的凸起变形膨胀，反而是一种可利用的特性，通过这种膨胀可实现不同厚度的液体样品以使得在保证高分辨率的条件下对多种液体样本进行观测，更具有通用性和适用性，但这种液体厚度可调的前提是液体厚度可精确控制。[/size][/font][font='微软雅黑',sans-serif][size=16px][font=微软雅黑, sans-serif] [/font]因此，为了实现液相电子显微镜中液体样本厚度可调，就必须设法对液体池膜窗口内外的压差进行精密控制。本文将针对液体池内部的真空度控制提出相应的解决方案，真空度的高精度控制将采用动态平衡法，可在[/size][/font][size=16px]0.1~100kPa[/size][font='微软雅黑',sans-serif][size=16px]范围内的任意真空度下实现±[/size][/font][size=16px]1%[/size][font='微软雅黑',sans-serif][size=16px]的控制精度，由此实现液体样本厚度的精密可调和恒定控制。[/size][/font][b][size=24px][color=#339999]2. [font='微软雅黑',sans-serif]解决方案[/font][/color][/size][/b][font='微软雅黑',sans-serif][size=16px][font=微软雅黑, sans-serif] [/font]采用控制液体样本的真空度来调节微芯片内外压差实现液体样本厚度变化控制的方法，实际上早在文献[/size][/font][size=16px][1,2][/size][font='微软雅黑',sans-serif][size=16px]中进行过简单描述，如图[/size][/font][size=16px]2[/size][font='微软雅黑',sans-serif][size=16px]和图[/size][/font][size=16px]3[/size][font='微软雅黑',sans-serif][size=16px]所示。[/size][/font][font='微软雅黑',sans-serif][/font][align=center][size=14px][b][color=#339999][img=文献1所述的真空压力控制系统结构示意图,690,311]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2023/02/202302201111448082_9675_3221506_3.jpg!w690x311.jpg[/img][/color][/b][/size][/align][font='微软雅黑',sans-serif][size=16px][color=#339999][/color][/size][/font][align=center][b][font='微软雅黑',sans-serif]图[/font][size=16px]2 [/size][font='微软雅黑',sans-serif]文献[/font][size=16px]1[/size][font='微软雅黑',sans-serif]所述的真空压力控制系统结构示意图[/font][/b][/align][align=center][size=14px][b][color=#339999][/color][/b][/size][/align][align=center][size=14px][b][color=#339999][img=文献2所述的真空压力控制系统,550,570]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2023/02/202302201112014834_1301_3221506_3.jpg!w690x716.jpg[/img][/color][/b][/size][/align][font='微软雅黑',sans-serif][size=16px][color=#339999][/color][/size][/font][align=center][b][font='微软雅黑',sans-serif]图[/font][size=16px]3 [/size][font='微软雅黑',sans-serif]文献[/font][size=16px]2[/size][font='微软雅黑',sans-serif]所述的真空压力控制系统[/font][/b][/align][font='微软雅黑',sans-serif][size=16px][font=微软雅黑, sans-serif] [/font]文献[/size][/font][size=16px][1][/size][font='微软雅黑',sans-serif][size=16px]中基本给出了采用真空度控制来实现液体厚度调节的整个装置结构示意图，但并没有给出调节厚度用的真空度控制范围。文献[/size][/font][size=16px][2][/size][font='微软雅黑',sans-serif][size=16px]虽然仅给出了示意草图和控制值装置的照片，但对应不同液体厚度的调节给出了相应的真空度范围为[/size][/font][size=16px]5~100kPa[/size][font='微软雅黑',sans-serif][size=16px]。[/size][/font][font='微软雅黑',sans-serif][size=16px][font=微软雅黑, sans-serif] [/font]我们从真空度控制的基本原理分析，文献[/size][/font][size=16px][1,2][/size][font='微软雅黑',sans-serif][size=16px]采用的是相同的控制方法，即动态平衡法，也就是通过分别调节图[/size][/font][size=16px]2[/size][font='微软雅黑',sans-serif][size=16px]所示的进气和出气流量来实现不同设定真空度的动态平衡控制。[/size][/font][font='微软雅黑',sans-serif][size=16px][font=微软雅黑, sans-serif] [/font]另外，之所以采用动态平衡法控制真空度，这主要是因为一是可以实现很高的控制精度，控制精度可以轻松达到±[/size][/font][size=16px]1%[/size][font='微软雅黑',sans-serif][size=16px]以内；二是因为这种方法非常适用于小尺寸空间内的真空度控制。[/size][/font][font='微软雅黑',sans-serif][size=16px][font=微软雅黑, sans-serif] [/font]本文所述的解决方案也是采用上述动态平衡法进行液体样本的真空度控制，不同之处在于进行了进一步的细化，给出了工程化的具体实施方案和详细描述。[/size][/font][font='微软雅黑',sans-serif][size=16px][font=微软雅黑, sans-serif] [/font]根据上述文献中所述的调节液体厚度所对应的真空度控制范围，我们首先确定出解决方案所需覆盖的真空度控制范围为[/size][/font][size=16px]0.1~100kPa[/size][font='微软雅黑',sans-serif][size=16px]，这样基本可以满足液相透射电子显微镜下液体样本所有厚度调节的需要，同时真空度控制精度要求优于±[/size][/font][size=16px]1%[/size][font='微软雅黑',sans-serif][size=16px]。具体实施方案所述装置如图[/size][/font][size=16px]4[/size][font='微软雅黑',sans-serif][size=16px]所示。[/size][/font][font='微软雅黑',sans-serif][/font][align=center][size=14px][b][color=#339999][img=真空度控制装置结构示意图,600,312]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2023/02/202302201112219088_5274_3221506_3.jpg!w690x359.jpg[/img][/color][/b][/size][/align][font='微软雅黑',sans-serif][size=16px][color=#339999][/color][/size][/font][align=center][b][font='微软雅黑',sans-serif]图[/font][size=16px]4 [/size][font='微软雅黑',sans-serif]用于液体样本厚度调节的真空度控制系统结构示意图[/font][/b][/align][font='微软雅黑',sans-serif][size=16px][font=微软雅黑, sans-serif] [/font]图[/size][/font][size=16px]4[/size][font='微软雅黑',sans-serif][size=16px]所示的液相电子显微镜中用于液体样本厚度调节的真空度控制系统主要包括真空计、电子针阀、真空泵、真空压力控制器和计算机及其软件，他们各自的功能和及其详细说明如下：[/size][/font][font='微软雅黑',sans-serif][size=16px][font=微软雅黑, sans-serif] [/font]（[/size][/font][size=16px]1[/size][font='微软雅黑',sans-serif][size=16px]）真空计：用于精密测量液体样本的真空度。真空计采用测量精度较高的薄膜电容真空计，为满足全量程真空度测量需要，配备了两只不同量程的真空计。[/size][/font][font='微软雅黑',sans-serif][size=16px][font=微软雅黑, sans-serif] [/font]（[/size][/font][size=16px]2[/size][font='微软雅黑',sans-serif][size=16px]）电子针阀：用于精密调节进气和排气流量。电子针阀是一种步进电机驱动的高速针型阀，通过[/size][/font][size=16px]0~10V[/size][font='微软雅黑',sans-serif][size=16px]的模拟电压信号可在小于[/size][/font][size=16px]1s[/size][font='微软雅黑',sans-serif][size=16px]的时间内精密快速的调节针型阀开度以实现高精度流量调节，非常适合小尺寸空间内的真空度控制。配备了两只[/size][/font][size=16px]NCNV[/size][font='微软雅黑',sans-serif][size=16px]系列的电子针阀分别用来进行进气和排气流量的调节以最终达到真空度的高精度控制。[/size][/font][font='微软雅黑',sans-serif][size=16px][font=微软雅黑, sans-serif] [/font]（[/size][/font][size=16px]3[/size][font='微软雅黑',sans-serif][size=16px]）真空泵：用作真空源。作为真空源的真空泵，一般采用低污染的干式真空泵，并降低震动和噪音对整个透射电子显微镜的影响。[/size][/font][font='微软雅黑',sans-serif][size=16px][font=微软雅黑, sans-serif] [/font]（[/size][/font][size=16px]4[/size][font='微软雅黑',sans-serif][size=16px]）真空压力控制器：用来接收真空计测量信号，根据真空度设定值对电子针阀进行[/size][/font][size=16px]PID[/size][font='微软雅黑',sans-serif][size=16px]自动控制，使液体样品的真空度快速达到设定值并可长时间保持恒定。对于[/size][/font][size=16px]0.1~1kPa[/size][font='微软雅黑',sans-serif][size=16px]范围内的高真空度控制，控制器需采集[/size][/font][size=16px]10Torr[/size][font='微软雅黑',sans-serif][size=16px]量程的真空计[/size][/font][size=16px]1[/size][font='微软雅黑',sans-serif][size=16px]信号，同时将排气用电子针阀固定为全开状态，控制器对进气用电子针阀的开度进行自动调节。对于[/size][/font][size=16px]1~100kPa[/size][font='微软雅黑',sans-serif][size=16px]范围内的低真空度控制，控制器需采集[/size][/font][size=16px]1000Torr[/size][font='微软雅黑',sans-serif][size=16px]量程的真空计[/size][/font][size=16px]2[/size][font='微软雅黑',sans-serif][size=16px]信号，同时将进气用电子针阀固定为某个开度状态，控制器对排气用电子针阀的开度进行自动调节。为了实现这种宽量程范围内的真空度控制，配备了独立双通道的[/size][/font][size=16px]VPC2021[/size][font='微软雅黑',sans-serif][size=16px]系列高精度真空压力[/size][/font][size=16px]PID[/size][font='微软雅黑',sans-serif][size=16px]控制器，其中的两个通道分别对应两只真空计的信号采集，并组成两路独立的闭环控制回路对不同范围内的真空度进行自动控制。[/size][/font][font='微软雅黑',sans-serif][size=16px][font=微软雅黑, sans-serif] [/font]（[/size][/font][size=16px]5[/size][font='微软雅黑',sans-serif][size=16px]）计算机和软件：计算机用来与真空压力控制器进行通讯，计算机软件则可通过界面形式对真空压力控制器进行各种参数设定、运行控制以及过程参数的数字显示、图形显示、存储和调用。尽管单独使用真空压力控制器也可以进行真空度控制，但需要通过控制器上的按钮进行手动操作，操作比较繁复，而通过计算机软件进行控制器操作，则更直观和简便。[/size][/font][font='微软雅黑',sans-serif][size=16px][font=微软雅黑, sans-serif] [/font]为了满足液体厚度调节控制的高精度要求，上述关键部件的主要技术指标如下：[/size][/font][font='微软雅黑',sans-serif][size=16px][font=微软雅黑, sans-serif] [/font]（[/size][/font][size=16px]1[/size][font='微软雅黑',sans-serif][size=16px]）真空计：薄膜电容真空计，量程分别为[/size][/font][size=16px]10Torr [/size][font='微软雅黑',sans-serif][size=16px]和[/size][/font][size=16px]1000Torr[/size][font='微软雅黑',sans-serif][size=16px]，任意真空度测量值的精度为[/size][/font][size=16px]0.25%[/size][font='微软雅黑',sans-serif][size=16px]。[/size][/font][font='微软雅黑',sans-serif][size=16px][font=微软雅黑, sans-serif] [/font]（[/size][/font][size=16px]2[/size][font='微软雅黑',sans-serif][size=16px]）电动针阀：步进电机驱动，控制信号为模拟电压或电流信号，从全闭到全开的全程响应时间小于[/size][/font][size=16px]1s[/size][font='微软雅黑',sans-serif][size=16px]，重复精度优于±[/size][/font][size=16px]0.1%[/size][font='微软雅黑',sans-serif][size=16px]，阀芯具有耐腐蚀作用。[/size][/font][font='微软雅黑',sans-serif][size=16px][font=微软雅黑, sans-serif] [/font]（[/size][/font][size=16px]3[/size][font='微软雅黑',sans-serif][size=16px]）真空压力控制器：[/size][/font][size=16px]24[/size][font='微软雅黑',sans-serif][size=16px]位[/size][/font][size=16px]AD[/size][font='微软雅黑',sans-serif][size=16px]，[/size][/font][size=16px]16[/size][font='微软雅黑',sans-serif][size=16px]位[/size][/font][size=16px]DA[/size][font='微软雅黑',sans-serif][size=16px]，[/size][/font][size=16px]0.01%[/size][font='微软雅黑',sans-serif][size=16px]最小输出百分比，[/size][/font][size=16px]PID[/size][font='微软雅黑',sans-serif][size=16px]参数具有自整定功能，[/size][/font][size=16px]RS 485[/size][font='微软雅黑',sans-serif][size=16px]通讯和标准[/size][/font][size=16px]MODBUS[/size][font='微软雅黑',sans-serif][size=16px]通讯协议，随机配备计算机操控软件。[/size][/font][b][size=24px][color=#339999]3. [font='微软雅黑',sans-serif]总结[/font][/color][/size][/b][font='微软雅黑',sans-serif][size=16px][font=微软雅黑, sans-serif] [/font]液相透射电子显微镜已经成为实时监测液体中纳米材料过程的基本技术，由于液体和透射电子显微镜高真空之间存在的压力差，氮化硅膜窗口通常会发生弯曲，可通过调节液体池的内部真空压力来动态调节液体厚度，从而在用于高分辨率成像的中心窗区域中产生超薄液体层。[/size][/font][font='微软雅黑',sans-serif][size=16px][font=微软雅黑, sans-serif] [/font]通过本文提出的解决方案，可搭建起独立的真空度控制装置，用于对液相透射电子显微镜的微芯片液体样本进行各种厚度的自动调节和恒定控制，而且可以达到很高的控制精度。[/size][/font][font='微软雅黑',sans-serif][size=16px][font=微软雅黑, sans-serif] [/font]此外，液体池内部的高精度真空度自动控制，也为液体厚度按程序方式的动态改变提供了可能，这非常有利于克服扩散限制，达到本体溶解条件。[/size][/font][font='微软雅黑',sans-serif][size=16px][font=微软雅黑, sans-serif] [/font]总之，解决方案提供了在液相透射电子显微镜实验中测量和动态调整液体厚度的基本方法，使得新的实验设计和溶液化学的更好控制成为可能。[/size][/font][b][size=24px][color=#339999]4. [font='微软雅黑',sans-serif]参考文献[/font][/color][/size][/b][size=16px][1] Inayoshi Y, Minoda H, Arai Y, et al. Directobservation of biological molecules in liquid by environmental phase-platetransmission electron microscopy[J]. Micron, 2012, 43(11): 1091-1098.[/size][size=16px][2] Keskin S[/size][font='微软雅黑',sans-serif][size=16px]，[/size][/font][size=16px]Kunnas P[/size][font='微软雅黑',sans-serif][size=16px]，[/size][/font][size=16px]De Jonge N[/size][font='微软雅黑',sans-serif][size=16px]。[/size][/font][size=16px]Liquid-phaseelectron microscopy with controllable liquid thickness[J][/size][font='微软雅黑',sans-serif][size=16px]。[/size][/font][size=16px]Nano Letters[/size][font='微软雅黑',sans-serif][size=16px]，[/size][/font][size=16px]2019[/size][font='微软雅黑',sans-serif][size=16px]，[/size][/font][size=16px]19[/size][font='微软雅黑',sans-serif][size=16px]（[/size][/font][size=16px]7[/size][font='微软雅黑',sans-serif][size=16px]）：[/size][/font][size=16px] 4608-4613.[/size][size=16px][font='微软雅黑',sans-serif][/font][/size][align=center]~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~[/align][size=16px] [/size]

[em09503]关于激光共聚焦显微镜的3D成像噪声控制，高手进来讨论一下。1 噪声产生的原理？2 激光的强度、补偿以及针孔直径对噪声的影响有什么规律？3 采用更大的分辨率和更慢的激光扫描速率以及多次平均扫描能否更好的控制噪声？4 还有什么其他有效的方法？[em09511]附几张带有噪声的图片，有兴趣的我可以提供原始文件（ZEISS的LSM格式）。[img]http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2017/01/201701191651_625647_1633980_3.jpg[/img][img]http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2009/05/200905301042_152604_1633980_3.jpg[/img][img]http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2009/05/200905301042_152605_1633980_3.jpg[/img]

[size=16px][color=#339999]摘要：目前各种PID控制器仪表常用于简单的设定点（Set Point）和斜坡（Ramp）程序控制，但对于复杂的正弦波等周期性变量的控制则无能为力。为了采用标准PID控制器便捷和低成本的实现对正弦波等周期性变量的自动控制，本文介绍相应的解决方案。解决方案的主要内容一是采用具有远程设定点功能的PID控制器，二是采用外置信号发生器，发生器输出的周期信号作为PID控制器周期性改变的设定值，从而实现周期性变量的自动控制。[/color][/size][align=center][size=16px][img=正弦波等周期性变量PID自动控制的解决方案,600,365]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2023/03/202303031128526531_6859_3221506_3.jpg!w690x420.jpg[/img][/size][/align][size=18px][color=#339999][b]1. 问题的提出[/b][/color][/size][size=16px] 在各种科研生产中经常会设计一些周期性的温度、湿度、真空压力和振动等交变环境或边界条件来进行各种特定的测试和考核，这些周期性边界条件或环境所呈现出的常见形式往往会是方波、正弦波，三角波和梯形波等，这在各种物理参数的动态测试和产品构件的性能考核试验过程中体现的尤为明显，由此就要求相应的自动化系统能提供这些不同波形环境变量的准确控制，从而保证实际环境的变化与测试及试验数学模型对边界条件的描述尽可能的吻合，最终保证物理变量测试以及考核试验的准确性和可靠性。[/size][size=16px] 在各种温度、湿度、真空压力和振动等环境的形成和自动化控制过程中，基本都是采用各种小巧的工业级PID控制器和PLC可编程逻辑控制器，这些控制器非常适用于定点或变化速度较慢的线性变化控制，图1(a)所示就是这样一个非常典型温度控制变化过程曲线。[/size][align=center][size=16px][color=#339999][b][img=典型被控变量变化曲线,690,213]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2023/03/202303031129551376_5834_3221506_3.jpg!w690x213.jpg[/img][/b][/color][/size][/align][align=center][size=16px][color=#339999][b]图1 温度过程典型变化曲线：（a）折线形式；（b）正弦波形式[/b][/color][/size][/align][size=16px] 对于图1(a)所示的典型温度变化过程，采用普通的PID程序控制器进行编程设计就可以实现，并且还可以编辑多条这样的多折线控制程序进行存储和调用运行。但对于如图1(b)所示的正弦波形式的温度控制和线性升温加正弦波调制的温度控制，目前还未看到可进行这种周期性变量控制的标准化PID控制器。为了在实际应用中实现这种周期性变量的PID控制，往往需要采用计算机和PLC并进行复杂的控制程序编写才能实现这种复杂功能，但这具有较高的技术门槛。[/size][size=16px] 为了解决上述PID控制器对于复杂正弦波等周期性变量控制的无能为力，并能采用标准PID控制器便捷和低成本的实现对正弦波等周期性变量的自动控制，本文将提出以下解决方案。[/size][size=18px][color=#339999][b]2. 解决方案[/b][/color][/size][size=16px] PID调节器进行自动控制的基本原理是根据设定值与被控对象测量值之间的控制偏差，将偏差按比例、积分和微分通过线性组合形成控制输出量，对被控对象进行控制。这里的设定值是一种泛指，实际上包括了不随时间变化的固定设定值和随时间变化的设定曲线。[/size][size=16px] 由此可见，对于PID控制器要实现自动控制的必要前提是要已知被控对象的变化要求，并将此要求按照设定值曲线输入给PID控制器。通常的设定曲线如图1(a）所示，它可以通过设定不同的爬升速率构成控制程序曲线。如果采用此方式来进行如图1(b）所示正弦波那样的周期性被控对象，则需要设计很多个小折线才能准确代表波形曲线，而在实际应用中还需能不断调整被动对象的波幅和频率，由此可见采用这种折线方式来对正弦波类周期性变化被动对象进行设定值近似无可操作性。总之，这种问题最终可以归结到如何使得PID控制器的设定值变得符合周期性函数特征，并可以很方便的进行波形、波幅和频率的更改。[/size][size=16px] 为了可以很方便的将PID控制器设定值按照所需的函数波形进行设置，本文提出的解决方案具体内容如下：[/size][size=16px] （1）采用具有外部设定点功能的PID控制器，即PID控制器所接收到的外部任意波形信号都可以作为设定值。[/size][size=16px] （2）外置一个函数信号发生器，给PID控制器传输所需的波形信号。[/size][size=16px] 依据上述方案所确定的PID控制装置及其接线如图2所示。[/size][align=center][size=16px][color=#339999][b][img=正弦波等周期变量PID控制装置及接线图,690,193]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2023/03/202303031146347077_9300_3221506_3.jpg!w690x193.jpg[/img][/b][/color][/size][/align][align=center][size=16px][color=#339999][b]图2 正弦波等周期变量PID控制装置及接线图[/b][/color][/size][/align][size=16px][color=#339999][b]2.1 具有远程设定点功能的PID控制器[/b][/color][/size][size=16px] 所用的具有远程设定值功能的PID控制器一般配置有两个输入通道，第一主输入通道作为测量被控对象的传感器输入，第二辅助输入通道用来作为远程设定点输入。与主输入信号一样，辅助输入的远程设定点同样可接受47种类型的输入信号，其中包括10种热电偶温度传感器、9种电阻型温度传感器、3种纯电阻、10种热敏电阻、3种模拟电流和12种模拟电压，即任何信号源只要能转换为上述47种类型型号，都可以直接接入第二辅助输入通道作为远程设定点源。需要注意的是，远程设定点功能只能在单点设定控制模式下有效，在程序控制模式下无此功能。[/size][size=16px][color=#339999][b]2.2 函数信号发生器[/b][/color][/size][size=16px] 对于所有被控对象而言，相应的传感器测量输出无外乎就是电压和电阻这两类信号输出。因此，为了实现被控对象周期性变化的控制，可以采用各种相应的函数信号发生器输出周期性设定值，对于热电偶和热电阻的周期信号输出，可以采用专门的过程校验仪输出相应的温度设定值。[/size][size=16px][color=#339999][b]2.3 接线、参数设置和操作[/b][/color][/size][size=16px] 在如图2所示的周期性变量PID控制系统中，在主输入通道上连接过程传感器，在主控输出通道连接的是执行机构，由此传感器、执行机构和PID调节器组成标准的闭环控制回路，在一般情况下可以通过内部设定点进行PID自动控制。[/size][size=16px] 如果要对被控对象进行周期性变化的控制，则使用远程设定点功能，此时需要在辅助输入通道接入远程设定点源，即函数信号发生器或过程校验仪。[/size][size=16px] 完成外部接线后，在运行使用远程设定值功能之前，需要对PID控制器的辅助输入通道相关参数进行设置，需要满足以下几方面要求：[/size][size=16px] （1） 辅助通道上接入的远程设定点信号类型要与主输入通道完全一致。[/size][size=16px] （2） 辅助通道的显示上下限也要与主输入通道完全一致。[/size][size=16px] （3） 显示辅助通道接入的远程设定点信号大小的小数点位数要与主输入通道保持一致。[/size][size=16px] 完成上述辅助输入通道参数的设置后，开始使用远程设定点功能时，还需要激活远程设定值功能。远程设定值功能的激活可以采用以下两种方式：[/size][size=16px] （1） 内部参数激活方式：在PID控制器中，设置辅助输入通道2的功能为“远程SV”，相应数字为3。[/size][size=16px] （2）外部开关切换激活：如图2所示可连接一个外部开关进行切换来选择远程设定点功能。同时，还需在PID控制器中，设置辅助输入通道2的功能为 “禁止”，相应数字为0。然后设置外部开关量输入功能DI1为“遥控设定”，相应数字为2。通过这种外部开关量输入功能的设置，就可以采用图2中所示的纽子开关实现远程设定点和本地设定点之间的切换，开关闭合时为远程设定点功能，开关断开时为本地设定点功能。[/size][size=16px] 需要注意的是，无论采用哪种远程设定点激活和切换方式，在输入信号类型、显示上下限范围和小数点位数这三个参数选项上，辅助输入通道始终要与主输入通道保持一致。[/size][size=16px][color=#339999][b]3. 总结[/b][/color][/size][size=16px] 综上所述，本文提出的解决方案，可以彻底解决正弦波等周期性变量的PID控制问题，而且使用简便和门槛较低，无需再进行复杂的程序编写。[/size][size=16px] 另外，本解决方案还可以进行多种拓展，如可实现被控对象周期性调制波的加载，非常便于实现更复杂的第二类和第三类边界条件的精密PID控制。[/size][size=16px][/size][align=center]~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~[/align][size=16px][/size]

[align=center][size=16px] [img=常压原子力显微镜实现从超高真空到1bar的可变压力精密控制解决方案,690,446]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2023/10/202310111648213082_8409_3221506_3.jpg!w690x446.jpg[/img][/size][/align][size=16px][color=#000099][b]摘要：针对原子力显微镜对真空度和气氛环境精密控制要求，本文提出了精密控制解决方案。解决方案基于闭环动态平衡法，在低真空控制时采用恒定进气流量并调节排气流量的方法，在高真空和超高真空控制时则采用恒定排气流量并调节进气流量的方法。原子力显微镜真空度控制系统主要由高速电控针阀、电动可变泄漏阀、高速电控球阀、电容真空计、电离真空计和超高精度PID调节器构成，在超高真空至一个大气压范围内可达到很高的控制精度。[/b][/color][/size][align=center][size=16px][color=#000099][b]=================[/b][/color][/size][/align][size=18px][color=#000099][b]1. 问题的提出[/b][/color][/size][size=16px] 环境可控型原子力显微镜（AFM）是一种可以选择真空环境、气氛环境、液体环境以及变温环境等不同工作环境，并基于检测被测样品与探针之间的弱相互作用来研究包括材料表面形貌和物理化学性质的精密仪器。原子力显微镜要具备真空和气氛环境功能，主要出于以下应用需求：[/size][size=16px] （1）众所周知，原子之间的相互作用力非常微小的，AFM在工作时，为了维持两者之间的作用力，探针和样品之间的距离非常近，通常只有几个纳米或几十个纳米，这就对仪器周围环境的要求非常之高。目前市场上的原子力显微镜都是在普通空气环境中进行操作，但由于空气中活跃着各种气体分子、存在各种机械振动以及电磁干扰的缘故，要想获得极高的分辨率还是比较困难的，要想利用原子力显微镜真正获得原子级别的分辨率，还是需要在真空和超高真空环境下进行工作。[/size][size=16px] （2）随着微纳尺度下研究的逐步深入，在诸多研究中，需要在真空环境或者同一气氛环境（如氮气、氧气、湿度以及酒精蒸汽等）中，对样品表面同一实验区域原位开展多种不同的探测实验（如摩擦能量耗散测量，需要在不破坏工作环境的前提下更换其他具有不同功能的探针，实现原位探测）。 [/size][size=16px] （3）在有些微纳尺度研究中，不同真空度和不同气氛下的力谱测量结果显示AFM针尖和所研究材料之间的粘附力显著依赖于所暴露的真空压力和气体。[/size][size=16px] 总之，为了使原子力显微镜具有环境可控功能，关键是解决原子力显微镜的真空度和环境气氛精密控制问题，为此本文提出以下解决方案。[/size][size=18px][color=#000099][b]2. 解决方案[/b][/color][/size][size=16px] 解决方案的基本思路是在采用多个进气管路来选择具体工作气体的基础上，采用了两种技术途径来改变和精密控制原子力显微镜内的真空度。[/size][size=16px][color=#000099][b]2.1 回填技术[/b][/color][/size][size=16px] 在文献1所报道的如图1所示的环境压力原子力显微镜中，采用的就是回填技术，即先对环境压力腔室抽真空至超高真空度，然后通过泄漏阀的调节向环境压力腔室内回填所需的工作气体，使腔室内的压力达到所需的真空度。整个真空回填系统结构如图2所示。[/size][align=center][size=16px][color=#000099][b][img=带有制备室和环境压力室的超高真空度原子力显微镜,690,485]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2023/10/202310111651309750_3730_3221506_3.jpg!w690x485.jpg[/img][/b][/color][/size][/align][align=center][size=16px][color=#000099][b]图1 带有制备室和环境压力室的超高真空度原子力显微镜[/b][/color][/size][/align][align=center][size=16px][color=#000099][b][img=原子力显微镜真空压力回填系统结构示意图,550,361]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2023/10/202310111651565751_1942_3221506_3.jpg!w460x302.jpg[/img][/b][/color][/size][/align][align=center][size=16px][color=#000099][b]图2 原子力显微镜真空压力回填系统结构示意图[/b][/color][/size][/align][size=16px] 如图2所示，回填系统主要由以下几部分构成：（1）涡轮分子泵、（2）旋转低真空泵、（3）一氧化碳气体管线的碳过滤器、（4）压力计、（5）冷阱、（6）AP室气体计量的泄漏阀和（7）AP室初始排空闸阀。[/size][size=16px] 环境压力室真空压力范围为超高真空1×10[sup]-7[/sup]mBar~1Bar，在打开泄漏阀之前，环境压力室与准备室和离子泵隔离。由于真空室压力最高可达1巴，因此关闭离子压力计，使用全量程压力计（冷阴极压力计和对流压力计的组合）监控压力。[/size][size=16px] 从图2可以看出，在文献1所描述气体回填系统是一个真空压力的开环控制系统，我们分析此真空度控制系统并未进行更详细的描述，甚至可能根本无法真正实现文中所述的从超高真空度到一个大气压的1%精度内的准确控制，主要原因如下：[/size][size=16px] （1）首先，文献1中所采用的真空度传感器是超高真空用离子压力计和全量程压力计（冷阴极压力计和对流压力计的组合），这些真空计本身的精度就无法达到1%以内的测量精度。[/size][size=16px] （2）文献1采用了调节泄漏阀的开环控制形式向AFM环境压力腔内回填气体来进行真空度调节，根本就无法做到实施的反馈控制，关闭泄漏阀后，腔体自身漏率的存在一定会使腔内压力逐渐回升，这种回升在超高真空度范围内会非常明显，会明显影响超高真空度的稳定性。[/size][size=16px] （3）泄漏阀是一种漏率极低的调节阀门，其微小的进气流量仅适合10[sup]-3[/sup]~10[sup]-10[/sup]mBar范围内的高真空和超高真空度调节。对于10[sup]-3[/sup]mBar~1Bar的低真空控制，泄漏阀的作用非常有限，或者需要非常长的进气时间才能达到所需真空度，因此对于低真空范围内的进气控制，一般都会采用进气流量较大的针阀。[/size][size=16px][color=#000099][b]2.2 闭环控制和不同流量阀技术[/b][/color][/size][size=16px] 针对上述文献1中所用的回填技术存在的问题，本文提出的解决方案将逐项予以解决，一方面采用闭环控制技术，即由真空计、电动进气流量调节阀和真空压力PID控制器过程闭环控制回路，对所设定的不同真空度进行准确控制。另一方面是针对不同的真空度范围，分别采用了微小进气流量的电动可变泄漏阀和较大流量的电动针阀。由此构成的真空控制系统结构如图3所示。[/size][align=center][size=16px][color=#000099][b][img=原子力显微镜真空压力闭环控制系统结构示意图,690,364]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2023/10/202310111652283772_3144_3221506_3.jpg!w690x364.jpg[/img][/b][/color][/size][/align][align=center][size=16px][color=#000099][b]图3 原子力显微镜真空压力闭环控制系统结构示意图[/b][/color][/size][/align][size=16px] 如图3所示，整个真空压力闭环控制系统分为以下四条气体管路，各自功能如下：[/size][size=16px] 抽气管路：抽气管路主要由电动球阀、干泵和分子泵组成，其中干泵和分子泵的作用是提供相应的真空源，而电动球阀则是用于调节使用干泵时管道内的抽气速率。[/size][size=16px] 大流量进气管路：大流量进气管路主要由电动针阀组成，其作用是以较大的流量形式调节腔体的进气流量。[/size][size=16px] 微小流量进气管路：微小流量进气管路主要由电动可变泄漏阀组成，其作用是以极小的流量形式调节腔体的进气流量。[/size][size=16px] 进气管路：进气管路的作用是连接气源和为腔体提供多种压力恒定的工作气体，图3中并未绘出。进气管路中也可以通过增加混气罐来进行各种进气的混合。[/size][size=16px] 通过上述四条管路以及相应的真空度传感器和真空压力控制器，图3所示的闭环控制系统可实现从超高真空度至一个大气压的全量程真空压力精确控制，具体控制的过程如下：[/size][size=16px] （1）低真空度范围（10mBar~1Bar）：在低真空度范围内，双通道真空压力控制器的第一通道采集1000Torr电容真空计（测量精度0.25%）的真空度测量信号，与设定值比较后驱动电动球阀，通过快速改变电动球阀的开度调节排气流量，从而在低真空度范围内实现1%内的控制精度。需要注意的是在低真空度范围控制时，大流量进气管路上的电动针阀要保持恒定开度。[/size][size=16px] （2）高真空度范围（0.01mBar~10mBar）：在高真空度范围内，双通道真空压力控制器的第二通道采集10Torr电容真空计（测量精度0.25%）的真空度测量信号，与设定值比较后驱动电动针阀，通过快速改变电动针阀的开度调节进气流量，从而在高真空度范围内实现1%内的控制精度。需要注意的是在高真空度范围控制时，抽气管路上的电动球阀要始终处于全开状态。[/size][size=16px] （3）高真空度范围（10[sup]-10[/sup]mBar~0.01mBar）：在超高真空度范围内，真空压力控制器采集电离真空计（测量精度15%）的真空度测量信号，与设定值比较后驱动电动可变泄漏阀，通过快速改变泄漏阀的进气流量，从而在超高真空度范围内实现15%内的控制精度。需要注意的是在超高真空度范围控制时，抽气管路上的电动球阀要始终处于全开状态，大流量进气管路上的电动针阀处于关闭状态，而分子泵处于工作状态。[/size][size=16px] 在真空压力的控制过程中，要实现高精度控制，以下部件需要达到相应的技术指标要求：[/size][size=16px] （1）真空度传感器：真空度传感器的测量精度是决定控制精度的关键指标之一，本解决方案在低真空和高真空范围内采用了精度可达0.25%的薄膜电容真空计，而在超高真空范围内采用了精度最高可达15%的电离真空计。[/size][size=16px] （2）阀门：各种进气和排气阀门调节精度和速度也是决定控制精度的关键指标，解决方案所采用的电动针阀、电动球阀和电动可变泄漏阀都具有非常好的调节精度，响应速度都小于1秒以内，其中可变泄漏阀的响应速度可以到达十几微秒，完全可以满足超高真空度的进气控制。[/size][size=16px] （3）真空压力控制器：真空压力控制器的采集精度、调节输出精度和线性化处理功能也是决定控制精度的关键指标，解决方案采用了VPC2021系列超高精度PID调节器，具有24位AD、16位DA、0.01%最小输出百分比和八点拟合处理功能，可很好的实现全量程真空度的精密控制。[/size][size=18px][color=#000099][b]3. 总结[/b][/color][/size][size=16px] 综上所述，本文提出的解决方案可很好的实现环境可控原子力显微镜从超高真空至一个大气压全真空度范围内任意真空压力设定点的准确控制，也可以按照设定的真空度变化曲线进行程序控制。另外，此解决方案可以推广应用到各种显微镜的真空度和气氛环境的精密控制。[/size][size=18px][color=#000099][b]4. 参考文献[/b][/color][/size][size=16px] [1] Choi， Joong Il Jake， et al. "Ambient-pressure atomic force microscope with variable pressure from ultra-high vacuum up to one bar." Review of Scientific Instruments 89.10 （2018）.[/size][size=16px][/size][align=center][b]~~~~~~~~~~~~~~~[/b][/align][size=16px][color=#000099][b][/b][/color][/size]

[align=center][b][img=显微镜探针冷热台的真空压力和气氛精密控制解决方案,600,484]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2023/11/202311021102101876_7960_3221506_3.jpg!w690x557.jpg[/img][/b][/align][size=16px][color=#333399][b]摘要：针对目前国内外显微镜探针冷热台普遍缺乏真空压力和气氛环境精密控制装置这一问题，本文提出了解决方案。解决方案采用了电动针阀快速调节进气和排气流量的动态平衡法实现0.1~1000Torr范围的真空压力精密控制，采用了气体质量流量计实现多路气体混合气氛的精密控制。此解决方案还具有很强的可拓展性，可用于电阻丝加热、TEC半导体加热制冷和液氮介质的高低温温度控制，也可以拓展到超高真空度的精密控制应用。[/b][/color][/size][align=center][size=16px][color=#333399][b]====================[/b][/color][/size][/align][size=16px][color=#333399][b][/b][/color][/size][size=18px][color=#333399][b]1. 问题的提出[/b][/color][/size][size=16px] 探针冷热台允许同时进行样品的温控和透射光/反射光观察，支持腔内样品移动、气密/真空腔、红外/紫外/X光等波段观察、腔内电接线柱、温控联动拍摄、垂直/水平光路、倒置显微镜等，广泛应用于显微镜、倒置显微镜、红外光谱仪、拉曼仪、X射线等仪器，适用于高分子/液晶、材料、光谱学、生物、医药、地质、 食品、冷冻干燥、 X光衍射等领域。[/size][size=16px] 在上述这些材料结构、组织以及工艺过程等的微观测量和研究中，普遍需要给样品提供所需的温度、真空、压力、气氛、湿度和光照等复杂环境，而现有的各种探针冷热台往往只能提供所需的温度变化控制，尽管探针冷热台可以提供很好的密闭性，但还是缺乏对真空、压力、气氛和湿度的调节及控制能力，国内外还未曾见到相应的配套控制装置。为了实现探针冷热台的真空压力、气氛和湿度的准确控制，本文提出了相应的解决方案，解决方案主要侧重于真空压力和气氛控制问题，以解决配套装置缺乏现象。[/size][size=18px][color=#333399][b]2. 解决方案[/b][/color][/size][size=16px] 针对显微镜探针冷热台的真空压力和气氛的精密控制，本解决方案可达到的技术指标如下：[/size][size=16px] （1）真空压力：绝对压力范围0.1Torr~1000Torr，控制精度为读数的±1%。[/size][size=16px] （2）气氛：单一气体或多种气体混合，气体浓度控制精度优于±1%。[/size][size=16px] 本解决方案将分别采用以下两种独立的技术实现真空压力和气氛的精确控制：[/size][size=16px] （1）真空压力控制：采用动态平衡法技术，通过控制进入和排出测试腔体的气体流量，使进气和排气流量达到动态平衡从而实现宽域范围内任意设定真空压力的准确恒定控制。[/size][size=16px] （2）气氛控制：采用气体质量流量控制技术，分别控制多种工作气体的流量，由此来实现环境气体中的混合比。[/size][size=16px] 采用上述两种控制技术所设计的控制系统结构如图1所示。[/size][align=center][size=16px][color=#333399][b][img=显微镜探针冷热台真空压力和气氛控制系统结构示意图,690,329]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2023/11/202311021103195907_6925_3221506_3.jpg!w690x329.jpg[/img][/b][/color][/size][/align][align=center][size=16px][color=#333399][b]图1 真空压力和气氛控制系统结构示意图[/b][/color][/size][/align][size=16px] 如图1所示，真空压力控制系统由进气电动针阀、高真空计、低真空计、排气电动针阀、高真空压力控制器、低真空压力控制器和真空泵组成，并通过以下两个高低真空压力控制回路来对全量程真空压力进行精密控制：[/size][size=16px] （1）高真空压力控制回路：真空压力控制范围为0.1Torr~10Torr（绝对压力），控制方法采用上游控制模式，控制回路由进气电动针阀（型号：NCNV-20）、高真空计（规格：10Torr电容真空计）和真空压力程序控制器（型号：VPC20201-1）组成。[/size][size=16px] （2）低真空压力控制回路：真空压力控制范围为10Torr~1000Torr（绝对压力），控制方法采用下游控制模式，控制回路由排气电动针阀（型号：NCNV-120）、低真空计（规格：1000Torr电容真空计）和真空压力程序控制器（型号：VPC20201-1）组成。[/size][size=16px] 由上可见，对于全量程真空压力的控制采用了两个不同量程的薄膜电容真空计进行覆盖，这种薄膜电容真空计可以很轻松的达到0.25%的读数精度。真空计所采集的真空度信号传输给真空压力控制器，控制器根据设定值与测量信号比较后，经PID算法计算后输出控制信号驱动电动针阀来改变进气或排气流量，由此来实现校准腔室内气压的精密控制。[/size][size=16px] 在全量程真空压力的具体控制过程中，需要分别采用上游和下游控制模式，具体如下：[/size][size=16px] （1）对于绝对压力0.1Torr~10Torr的高真空压力范围的控制，首先要设置排气电控针阀的开度为某一固定值，通过运行高真空度控制回路自动调节进气针阀开度来达到真空压力设定值。[/size][size=16px] （2）对于绝对压力10Torr~1000Torr的低真空压力范围的控制，首先要设置进气针阀的开度为某一固定值，通过运行低真空度控制回路自动调节排气针阀开度来达到真空压力设定值。[/size][size=16px] （3）全量程范围内的真空压力变化可按照设定曲线进行程序控制，控制采用真空压力控制器自带的计算机软件进行操作，同时显示和存储过程参数和随时间变化曲线。[/size][size=16px] 显微镜探针冷热台内的真空压力控制精度主要由真空计、电控针阀和真空压力控制器的精度决定。除了真空计采用了精度为±0.25%的薄膜电容真空计之外，所用的NCNV系列电控针阀具有全量程±0.1%的重复精度，所用的VPC2021系列真空压力控制器具有24位AD、16位DA和0.01%最小输出百分比，通过如此精度的配置，全量程的真空压力控制可以达到很高的精度，考核试验证明可以轻松达到±1%的控制精度，采用分段PID参数，控制精度可以达到±0.5%。[/size][size=16px] 对于探针冷热台内的气氛控制，如图1所示，采用了多个气体质量流量控制器来对进气进行精密的流量调节，以精确控制各种气体的浓度或所占比例。通过精密测量后的多种工作气体在混气罐内进行混合，然后再进入探针冷热台，由此可以准确控制各种气体比值。在气氛控制过程中，需要注意以下两点：[/size][size=16px] （1）对于某一种单独的工作气体，需要配备相应气体的气体质量流量控制器。[/size][size=16px] （2）混气罐压力要进行恒定控制或在混气罐的出口处增加一个减压阀，以保持混气罐的出口压力稳定，这对准确控制校准腔室内的真空压力非常重要。[/size][size=18px][color=#333399][b]3. 总结[/b][/color][/size][size=16px] 综上所述，本解决方案可以彻底解决显微镜探针冷热台的真空压力控制问题，并具有很高的控制精度和自动控制能力。另外，此解决方案还具有以下特点：[/size][size=16px] （1）本解决方案具有很强的适用性和可拓展性，通过改变其中的相关部件参数指标就可适用于不同范围的真空压力，更可以通过在进气口增加微小流量可变泄漏阀，实现各级超高真空度的精密控制。[/size][size=16px] （2）本解决方案所采用的控制器也可以应用到冷热台的温度控制，如帕尔贴式TEC半导体加热制冷装置的温度控制、液氮温度的低温控制。[/size][size=16px] （3）解决方案中的控制器自带计算机软件，可直接通过计算机的屏幕操作进行整个控制系统的调试和运行，且控制过程中的各种过程参数变化曲线自动存储，这样就无需再进行任何的控制软件编写即可很快搭建起控制系统，极大方便了微观分析和测试研究。[/size][size=16px] 在目前的显微镜探针冷热台环境控制方面，还存在微小空间内湿度环境的高精度控制难题，这将是我们后续研究和开发的内容之一。[/size][size=16px][/size][align=center][size=16px][color=#333399][b]~~~~~~~~~~~~~~~[/b][/color][/size][/align]