專利名稱：磁電材料的磁電系數(shù)測試儀及其測試方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種測量磁電材料的磁電系數(shù)的儀器及測試方法，屬材料的性能測試領域。
背景技術：
磁電材料是具有磁電效應的材料。磁電效應是一個物理效應，用磁電系數(shù)αE來衡量磁電效應的大小，其單位是V/cmOe，即每單位磁場下材料產生的電場。磁電系數(shù)可以通過測量在已知磁場下磁電材料產生的電場來獲得。磁電材料可以用于磁場傳感器、換能器、變壓器等多種功能器件，受到研究人員的廣泛關注。
1981年Bracks等人在論文(Bracks.L.P.M.and van Vliet.R.G.A broadbandmagneto-electric transducer using a composite material.International Journal ofElectronics.1981，51225)中公開了一種磁電系數(shù)測試裝置。該裝置用永磁體施加直流偏置磁場HDC；用信號發(fā)生器驅動亥姆赫茲線圈產生正弦微擾磁場Hac；用阻抗變換器與磁電材料連接，測量磁電材料的電壓。最近，美國的Dong等人在他的論文(Dong S.X.，Li J.F.andViehland D.Characterization of magnetoelectric laminate composites operated inlongitudinal-transverse and transverse-transverse modes.Journal of Applied Physics.2004，952625)中公開了他的測試裝置。其中，采用直流電源驅動電磁鐵產生直流偏置磁場；采用鎖相放大器輸出一個正弦電壓，經過交流功率放大器放大，驅動亥姆赫茲線圈產生正弦微擾磁場，同時鎖相放大器也用于測量磁電材料的輸出電壓。該裝置可以測試樣品與磁場垂直或者平行兩種角度下的磁電系數(shù)。
目前的測試技術存在的不足有只測量了磁電系數(shù)的幅值，沒有磁電系數(shù)的相位；磁電材料的輸出電壓受到引線和測試儀的電容的影響，比真實值低，需要進行修正；采用手工記錄數(shù)據(jù)以及操作儀器，測量過程花費大量時間和人力；不能測量磁電系數(shù)隨角度的連續(xù)變化曲線。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的是提供一種磁電材料的磁電系數(shù)測試儀及其測試方法，該測試儀一方面可以同時測量磁電系數(shù)的幅值和相位；另一方面可自動測試磁電系數(shù)的頻譜以及測量磁電系數(shù)隨角度的變化關系。
本發(fā)明的技術方案如下一種磁電材料的磁電系數(shù)測試儀，包括直流磁場發(fā)生裝置和交流磁場發(fā)生裝置；所述直流磁場發(fā)生裝置含有電磁鐵、直流電源和特斯拉計；所述的交流磁場發(fā)生裝置含有亥姆赫茲線圈和函數(shù)信號發(fā)生器；其特征在于該測試儀還包括信號采集裝置，所述的信號采集裝置包括電荷放大器、示波器和采樣電阻，所述的電荷放大器的輸入端通過引線與待測樣品相連；電荷放大器的輸出端接入示波器的一個通道，所述的采樣電阻串聯(lián)到亥姆赫茲線圈與函數(shù)信號發(fā)生器的回路中，并接入示波器的另一個通道。
本發(fā)明的技術特征還在于該測試儀還包括一個含有控制軟件的計算機，所述的函數(shù)信號發(fā)生器和示波器通過通信接口與所述的計算機相連。
作為本發(fā)明的另一改進，該測試儀還含有一個角度控制裝置，所述的角度控制裝置包括帶刻度的轉盤、支撐樣品的連接桿和起支撐作用的橫梁，所述的轉盤帶動連接桿和待測樣品進行角度轉動。
本發(fā)明提供的一種利用所述測試儀的磁電材料磁電系數(shù)的測試方法，其特征在于該方法按如下步驟進行1)把磁電材料的待測樣品放入磁場中；2)利用直流電源驅動電磁鐵產生直流偏置磁場，通過改變直流電源輸出電流的大小，來改變直流偏置磁場HDC的大??；將特斯拉計的探頭放在電磁鐵的磁極之間，測量直流偏置磁場HDC的大小和方向；3)利用函數(shù)信號發(fā)生器驅動亥姆赫茲線圈產生正弦微擾磁場Hac，通過改變函數(shù)信號發(fā)生器的輸出頻率來改變正弦微擾磁場的頻率；4)通過電荷放大器對待測樣品的電荷信號Q進行放大，輸出到示波器的一個通道；5)通過采樣電阻對亥姆赫茲線圈的電流進行采樣，作為基準信號輸出到示波器的另外一個通道；6)從示波器上采集兩個通道的信號，測量電荷信號Q的幅值和相位ψ，根據(jù)如下公式，進行數(shù)據(jù)處理得到所需頻率下磁電系數(shù)αE的幅值，其中Cp、t分別為待測樣品的電容和厚度；αE=QCp·t·Hac]]>7)重復步驟3)至6)，得出一系列頻率f下的磁電系數(shù)的幅值和相位ψ。
在本發(fā)明的上述方法中，所述步驟3)中的頻率由計算機中的控制軟件設定，所述的計算機通過通信接口與函數(shù)信號發(fā)生器相連；所述步驟6)中信號采集和數(shù)據(jù)處理由計算機中的控制軟件進行，所述計算機通過通信接口與示波器相連。
作為本發(fā)明方法的另一種改進，還可使待測樣品與一個角度控制裝置連接，使待測樣品在磁場中的角度在0°～360°的范圍內變化；所述的角度控制裝置包括帶刻度的轉盤、支撐樣品的連接桿和起支撐作用的橫梁，所述的轉盤帶動連接桿和待測樣品進行角度轉動。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比，具有以下優(yōu)點及突出性效果本發(fā)明是一套完備的磁電系數(shù)測試系統(tǒng)，它包含了角度θ、直流磁場HDC、交流磁場Hac、頻率f四種測試變化因素，并提供了一種測量方法，除了能測量磁電系數(shù)的幅值之外，還能夠測得磁電系數(shù)的相位。本發(fā)明含有計算機，可以自動化測試磁電系數(shù)的頻譜，是一套自動化程度很高的測試儀器，可代替人工進行測量，節(jié)約了測試時間，降低了測試的勞動強度。本發(fā)明含有電荷放大器，消除了引線電容等外部電容的影響。本發(fā)明可以測量在0°～360°范圍內任意角度下的磁電系數(shù)。本發(fā)明包含的控制軟件采用了虛擬儀器技術，除了對示波器采集到的信號進行分析處理之外，還自動控制整個測試過程，屬于自動化技術與虛擬儀器技術的結合，不僅大大節(jié)省了人力和時間，而且固定了測試步驟，使測試規(guī)范化。


圖1測試系統(tǒng)的電路連接方框圖。
圖2角度控制裝置示意圖。
圖3控制軟件的流程圖。
圖4磁電系數(shù)隨角度θ的變化關系圖。
圖5磁電系數(shù)的頻譜。
圖中1-電磁鐵，2-直流電源，3-特斯拉計，4-亥姆赫茲線圈，5-信號發(fā)生器，6-電荷放大器，7-示波器，8-采樣電阻，9-計算機，10-接口，11-轉盤，12-連接桿，13-橫梁，14-屏蔽盒，15-特斯拉計的探頭，16-待測樣品；具體實施方式
下面結合附圖對本發(fā)明的原理、結構和具體實施方式
作進一步的說明本測試儀的電路連接方框圖如圖1所示。本測試儀的組成可以分為以下幾個部分(一)直流磁場發(fā)生裝置包括電磁鐵1、直流電源2和特斯拉計3。直流電源驅動電磁鐵產生直流偏置磁場HDC。特斯拉計的探頭15放在電磁鐵的磁極之間，用于測量HDC的大小和方向，如圖2所示。改變直流電源輸出電流的大小可以改變HDC的大小。
(二)交流磁場發(fā)生裝置包括亥姆赫茲線圈4和函數(shù)信號發(fā)生器5。函數(shù)信號發(fā)生器輸出頻率從100Hz-200kHz的正弦電壓，驅動亥姆赫茲線圈產生相同頻率的正弦微擾磁場Hac。
(三)角度控制裝置角度控制裝置包括帶刻度的轉盤11、支撐樣品的連接桿12和起支撐作用的橫梁13，如圖2所示。待測樣品16固定在連接桿12的末端，處于磁極之間。連接桿從轉盤中心穿過，由轉盤11帶動進行角度轉動。橫梁13支撐著轉盤。圓形的轉盤上有角度刻度，轉盤可以在0°～360°的范圍內轉動，設定轉盤的角度即設定了待測樣品在磁場中的角度。
(四)信號采集裝置信號采集裝置包含電荷放大器6、示波器7和采樣電阻8。磁電材料通過引線與電荷放大器6的輸入相連。電荷放大器的輸出信號接入示波器的一個通道。采樣電阻8串聯(lián)到亥姆赫茲線圈4與函數(shù)信號發(fā)生器5的回路中，如圖1所示。采樣電阻的阻值一般選為1～10Ω，用示波器的另一個通道采集采樣電阻兩端的電壓，作為基準信號。
(五)計算機計算機通過通信接口分別與函數(shù)信號發(fā)生器和示波器相連，通信接口采用了GPIB接口；計算機安裝了虛擬儀器語言Labview編程環(huán)境。
(六)控制軟件采用虛擬程序語言Labview編寫了控制軟件，其流程圖如圖3所示。第一步對儀器進行初始化，設定示波器和信號發(fā)生器的初始狀態(tài)。第二步從事先制定好的頻率表文件中讀取頻率表，根據(jù)待測頻率的個數(shù)作循環(huán)。第三步在每次循環(huán)中，依次取出每個待測頻率，測量該頻率下的磁電系數(shù)。首先控制函數(shù)信號發(fā)生器輸出所需頻率的正弦電壓，同時，根據(jù)頻率的大小設置示波器的時基檔位，使示波器能采集到3個周期以上的波形。其次控制示波器讀取信號的幅值大小，控制軟件根據(jù)信號的幅值大小設置示波器的電壓檔位，直到獲得最佳的波形顯示。然后鎖定波形，把波形傳輸?shù)接嬎銠C中。第四步調用Labview的信號處理模塊對采集到的波形進行處理，將兩個通道的相位相減得到磁電系數(shù)的相位。根據(jù)公式計算磁電信號的幅值。第五步將所測頻率、磁電信號的幅值、相位差保存成文本文件，存儲在計算機中。
具體的工作過程為1)把磁電材料的待測樣品放入磁場中；2)利用直流電源驅動電磁鐵產生直流偏置磁場，通過改變直流電源輸出電流的大小，來改變直流偏置磁場HDC的大??；將特斯拉計的探頭放在電磁鐵的磁極之間，測量直流偏置磁場HDC的大小和方向；3)利用函數(shù)信號發(fā)生器驅動亥姆赫茲線圈產生正弦微擾交流磁場Hac，通過改變函數(shù)信號發(fā)生器的輸出頻率來改變正弦微擾磁場的頻率；4)通過電荷放大器對待測樣品的電荷信號Q進行放大，輸出到示波器的一個通道；5)通過采樣電阻對亥姆赫茲線圈的電流進行采樣，作為基準信號輸出到示波器的另外一個通道；6)從示波器上采集兩個通道的信號，測量電荷信號Q的幅值和相位ψ，根據(jù)如下公式，進行數(shù)據(jù)處理得到所需頻率下磁電系數(shù)αE的幅值，其中Cp、t分別為待測樣品的電容和厚度。
αE=QCp·t·Hac]]>7)重復步驟3)至6)，得出一系列頻率f下的磁電系數(shù)的幅值和相位ψ。
當使用控制軟件自動化測試時，步驟3)的頻率設置和步驟6)的信號采集和數(shù)據(jù)處理由控制軟件執(zhí)行。計算機通過通信接口分別與信號發(fā)生器、示波器連接，計算機含有控制軟件，可以自動化測試磁電系數(shù)的頻譜，代替人工的操作和記錄。控制軟件依照設定的頻率列表，依次控制函數(shù)信號發(fā)生器，驅動線圈產生相應頻率f的正弦微擾磁場Hac，然后計算機控制示波器對磁電樣品的信號以及基準信號進行同步采集，并對采集到的信號進行處理，得出一定頻率f下的磁電系數(shù)的幅值和相位。一系列頻率f下的磁電系數(shù)組成了磁電系數(shù)的頻譜。
該測試儀包含了角度θ、直流磁場HDC、交流磁場Hac、頻率f四種獨立的測試變化因素，可以進行的測試內容有1)磁電系數(shù)隨角度θ的變化關系；2)磁電系數(shù)隨偏置磁場HDC的變化關系；3)磁電系數(shù)的頻譜，即磁電系數(shù)隨頻率f的變化關系；4)磁電系數(shù)隨交流磁場Hac的變化關系；下面，以磁電系數(shù)隨角度θ和頻率f的變化關系為例，說明本發(fā)明的操作過程。
a)磁電系數(shù)隨角度θ的變化關系將待測樣品固定在連接桿上，設定HDC、Hac、f，然后轉動轉盤依次設定角度值θ從0°～360°的范圍內變化，從示波器上讀取每個角度下的電荷信號大小Q與相位ψ，根據(jù)計算公式得到磁電系數(shù)的幅值與相位，結果如圖4所示。
b)磁電系數(shù)的頻譜將待測樣品固定在連接桿上，設定HDC、θ，啟動計算機，運行控制軟件，設置頻率列表，開始自動測量，得到記錄數(shù)據(jù)的文本文件。文件中包含了一系列頻率下的磁電系數(shù)的幅值和相位值，磁電系數(shù)的頻譜如圖5所示。
權利要求
1.一種磁電材料的磁電系數(shù)測試儀，包括直流磁場發(fā)生裝置和交流磁場發(fā)生裝置；所述直流磁場發(fā)生裝置含有電磁鐵(1)、直流電源(2)和特斯拉計(3)；所述的交流磁場發(fā)生裝置含有亥姆赫茲線圈(4)和函數(shù)信號發(fā)生器(5)；其特征在于該測試儀還包括信號采集裝置，所述的信號采集裝置包括電荷放大器(6)、示波器(7)和采樣電阻(8)，所述的電荷放大器的輸入端通過引線與待測樣品相連；電荷放大器的輸出端接入示波器的一個通道，所述的采樣電阻串聯(lián)到亥姆赫茲線圈與函數(shù)信號發(fā)生器的回路中，并接入示波器的另一個通道。
2.按照權利要求1所述的磁電材料的磁電系數(shù)測試儀，其特征在于該測試儀還包括一個含有控制軟件的計算機(9)，所述的函數(shù)信號發(fā)生器(5)和示波器(7)通過通信接口(10)與所述的計算機相連。
3.按照權利要求1或2所述的磁電材料的磁電系數(shù)測試儀，其特征在于該測試儀還含有一個角度控制裝置，所述的角度控制裝置包括帶刻度的轉盤(11)、支撐樣品的連接桿(12)和支撐轉盤的橫梁(13)，所述的轉盤帶動連接桿和待測樣品進行角度轉動。
4.一種采用如權利要求1所述測試儀的磁電材料磁電系數(shù)的測試方法，其特征在于該方法按如下步驟進行1)把磁電材料的待測樣品放入磁場中；2)利用直流電源驅動電磁鐵產生直流偏置磁場，通過改變直流電源輸出電流的大小，來改變直流偏置磁場HDC的大?。粚⑻厮估嫷奶筋^放在電磁鐵的磁極之間，測量直流偏置磁場HDC的大小和方向；3)利用函數(shù)信號發(fā)生器驅動亥姆赫茲線圈產生正弦微擾磁場Hac，通過改變函數(shù)信號發(fā)生器的輸出頻率來改變正弦微擾磁場的頻率；4)通過電荷放大器對待測樣品的電荷信號Q進行放大，輸出到示波器的一個通道；5)通過采樣電阻對亥姆赫茲線圈的電流進行采樣，作為基準信號輸出到示波器的另外一個通道；6)從示波器上采集兩個通道的信號，測量電荷信號Q的幅值和相位Ψ，根據(jù)如下公式，進行數(shù)據(jù)處理得到所需頻率下磁電系數(shù)αE的幅值，其中Cp、t分別為待測樣品的電容和厚度；αE=QCp·t·Hac]]>7)重復步驟3)至6)，得出一系列頻率f下的磁電系數(shù)的幅值和相位Ψ。
5.按照權利要求4所述的磁電材料磁電系數(shù)的測試方法，其特征在于所述步驟3)中函數(shù)信號發(fā)生器的輸出頻率由計算機中的控制軟件設定，所述的計算機通過通信接口與函數(shù)信號發(fā)生器相連；所述步驟6)中信號采集和數(shù)據(jù)處理由計算機中的控制軟件進行，所述計算機通過通信接口與示波器相連。
6.按照權利要求4或5所述的磁電材料磁電系數(shù)的測試方法，其特征在于使待測樣品與一個角度控制裝置連接，然后轉動轉盤依次設定待測樣品在磁場中的角度θ，使待測樣品在磁場中的角度在0°～360°的范圍內變化；所述的角度控制裝置包括帶刻度的轉盤(11)、支撐樣品的連接桿(12)和起支撐作用的橫梁(13)，所述的轉盤帶動連接桿和待測樣品進行角度轉動。
全文摘要
一種磁電材料的磁電系數(shù)測試儀及測試方法，涉及材料的性能測試領域。該測試儀包括直流磁場發(fā)生裝置、交流磁場發(fā)生裝置、信號采集裝置、角度控制裝置和含有控制軟件的計算機；并提供了一種磁電材料磁電系數(shù)的測試方法。本發(fā)明不僅能測量磁電系數(shù)的幅值，還能夠測得磁電系數(shù)的相位，是一套完備的磁電系數(shù)測試系統(tǒng)，它包含了角度θ、直流磁場H
文檔編號G01R23/16GK1975454SQ200610165250
公開日2007年6月6日 申請日期2006年12月15日 優(yōu)先權日2006年12月15日
發(fā)明者施展, 南策文, 蔡寧, 翟俊宜, 馬靜 申請人:清華大學