一種多鐵性材料的磁電性能測量系統(tǒng)和測量方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種多鐵性材料的磁電性能測量系統(tǒng)和測量方法，該方法可以精確表征多鐵性材料的鐵電性能在磁場下的變化情況，并且大幅降低了設(shè)備成本，實現(xiàn)了由計算機(jī)控制的全自動測量。采用直流電源產(chǎn)生直流磁場，通過高壓放大器在測試樣品的兩端施加電壓，并用高斯計讀取產(chǎn)生的磁場，同時將這些數(shù)據(jù)傳輸?shù)接嬎銠C(jī)中進(jìn)行分析處理以及保存，實現(xiàn)了由計算機(jī)控制的全自動測量，本發(fā)明同步精確測量試樣的電滯回線隨磁場不同的變化關(guān)系結(jié)果直觀穩(wěn)定，確保了測量的精確性。
【專利說明】一種多鐵性材料的磁電性能測量系統(tǒng)和測量方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于電子材料磁電性能測量領(lǐng)域，涉及多鐵性材料磁電性能的測量技術(shù)，具體涉及一種多鐵性材料的磁電性能測量系統(tǒng)和測量方法。
【背景技術(shù)】
[0002]多鐵材料是指材料中同時存在兩種及兩種以上鐵的基本性能，這些鐵的基本性能包括鐵電性，鐵磁性和鐵彈性。這類材料在一定的溫度下同時存在自發(fā)極化和自發(fā)磁化，正是它們的同時存在引起的磁電耦合效應(yīng)，使多鐵材料具有某些特殊的物理性質(zhì)，引發(fā)了若干新的、有意義的物理現(xiàn)象。例如，在磁場的作用下產(chǎn)生電極化或者誘導(dǎo)鐵電相變；在電場作用下產(chǎn)生磁場或者誘導(dǎo)鐵磁相變。多鐵材料的這些特性使得它在信息存儲、傳感和驅(qū)動等領(lǐng)域擁有廣泛應(yīng)用前景。
[0003]目前，在鐵電性能研究方面，國內(nèi)外普遍使用的電滯回線測試系統(tǒng)為美國Radiant公司的Precision Workstation和德國aixACCT公司生產(chǎn)的TFAnalyzer2000。這些系統(tǒng)均價格昂貴，且只能進(jìn)行常規(guī)的電滯回線測量，由于其商業(yè)化的特點，使得其測量模塊均為封閉狀態(tài)，研究者無法根據(jù)自身需求來對系統(tǒng)進(jìn)行相關(guān)修改。最為重要的是，這些系統(tǒng)均只能測量單一的電滯回線，而無法做到將電滯回線測量與磁場相結(jié)合。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的在于解決上述問題，提出一種多鐵性材料的磁電性能測量系統(tǒng)和測量方法，該方法可以精確表征多鐵性材料的鐵電性能在磁場下的變化情況，并且大幅降低了設(shè)備成本，實現(xiàn)了由計算機(jī)控制的全自動測量。
[0005]為達(dá)到以上目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案予以實現(xiàn):
[0006]一種多鐵性材料的磁電性能測試裝置，包括帶有多路A\D數(shù)據(jù)采集卡的計算機(jī)、連接在直流電源正負(fù)極上的兩個電磁鐵以及設(shè)置在兩個電磁鐵之間的測試樣品；多路A\D數(shù)據(jù)采集卡上分別連接有用于控制電磁鐵產(chǎn)生的磁場大小的直流電源、用于讀取產(chǎn)生的磁場的高斯計、用于采集測試樣品的電滯回線并保證實驗設(shè)備和儀器在高壓測試下安全的信號調(diào)理單元以及用于產(chǎn)生測試樣品兩端電壓的高壓放大器；所述的計算機(jī)內(nèi)設(shè)置有用于對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、電滯回線進(jìn)行補(bǔ)償以及對數(shù)據(jù)進(jìn)行保存的數(shù)據(jù)分析處理與保存模塊。
[0007]所述的計算機(jī)內(nèi)還包括電信號發(fā)生模塊、直流磁場控制模塊、電信號采集模塊以及磁場采集模塊；電信號發(fā)生模塊通過多路A\D數(shù)據(jù)采集卡的一個輸出通道與高壓放大器相連；直流磁場控制模塊通過多路A\D數(shù)據(jù)采集卡的另一個輸出通道與直流電源相連；電信號采集模塊通過多路A\D數(shù)據(jù)采集卡的一個輸入通道與信號調(diào)理單元相連；磁場采集模塊通過多路A\D數(shù)據(jù)采集卡的另一個輸入通道與高斯計相連。
[0008]所述的測試樣品置于用絕緣且無磁性的材料制作的樣品室內(nèi)。
[0009]一種多鐵性材料的磁電性能測試方法，包括以下步驟:
[0010]I)將直流電源、高斯計、高壓放大器以及信號調(diào)理單元分別通過多路A\D數(shù)據(jù)采集卡連接到帶有電信號發(fā)生模塊、直流磁場控制模塊、電信號采集模塊以及磁場采集模塊的計算機(jī)上，并將兩個電磁鐵分別接在直流電源的正負(fù)極上，將信號調(diào)理單元和高壓放大器分別連接至測試樣品的兩端；
[0011]2)計算機(jī)的直流磁場控制模塊通過多路A\D數(shù)據(jù)采集卡的一個輸出通道控制直流電源使得電磁鐵同步的產(chǎn)生一個恒定的直流磁場，然后將該磁場通過高斯計讀取，再由磁場采集模塊通過多路A\D數(shù)據(jù)采集卡的一個輸入通道經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換后采集回計算機(jī)；
[0012]3)由電信號發(fā)生模塊通過多路A\D數(shù)據(jù)采集卡的另一個輸出通道輸出所需的波形信號，經(jīng)過多路A\D數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換，再經(jīng)過高壓放大器放大后施加在測試樣品上；流經(jīng)測試樣品的電流，經(jīng)過信號調(diào)理單元以后，輸入到多路A\D數(shù)據(jù)采集卡的另一個輸入通道經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換后，輸入計算機(jī)的電信號采集模塊；
[0013]4)將電信號采集模塊和磁場采集模塊采集到的數(shù)據(jù)共同匯總到數(shù)據(jù)分析處理與保存模塊，對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、電滯回線進(jìn)行補(bǔ)償以及對數(shù)據(jù)進(jìn)行保存。
[0014]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益效果:
[0015]本發(fā)明多鐵性材料的磁電性能的測試裝置，采用直流電源產(chǎn)生直流磁場，通過高壓放大器在測試樣品的兩端施加電壓，并用高斯計讀取產(chǎn)生的磁場，同時將這些數(shù)據(jù)傳輸?shù)接嬎銠C(jī)中進(jìn)行分析處理以及保存，實現(xiàn)了由計算機(jī)控制的全自動測量，本發(fā)明同步精確測量試樣的電滯回線隨磁場不同的變化關(guān)系結(jié)果直觀穩(wěn)定，確保了測量的精確性。
[0016]本發(fā)明多鐵性材料的磁電性能的測試方法，利用多路A\D數(shù)據(jù)采集卡，將計算機(jī)內(nèi)的電信號發(fā)生模塊、直流磁場控制模塊、電信號采集模塊以及磁場采集模塊與外部的直流電源、高斯計、高壓放大器以及信號調(diào)理單元相連，在計算機(jī)的控制下，對測試樣品進(jìn)行檢測，測量結(jié)果中可以顯示電流密度與電場強(qiáng)度關(guān)系曲線的變化關(guān)系以及極化強(qiáng)度與電場強(qiáng)度關(guān)系曲線，測量過程實現(xiàn)了全自動化操作。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0017]圖1為本發(fā)明的整體結(jié)構(gòu)示意圖；
[0018]圖2為本發(fā)明測試樣品在不同磁場下測得的電流密度與電場強(qiáng)度關(guān)系曲線圖；
[0019]圖3為本發(fā)明測試樣品在不同磁場下測得的極化強(qiáng)度與電場強(qiáng)度關(guān)系曲線圖。
[0020]其中，I為電磁鐵；2為直流電源；3為高斯計；4為高壓放大器；5為樣品室；6為測試樣品；7為信號調(diào)理單元；8為一臺帶有多路采樣A\D卡的計算機(jī)；9為電信號發(fā)生模塊；10為直流磁場控制模塊；11為電信號采集模塊；12為磁場采集模塊；13為數(shù)據(jù)分析處理與保存模塊。
【具體實施方式】
[0021]以下結(jié)合附圖及具體實例對本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。
[0022]如圖1所示，本發(fā)明多鐵性材料的磁電性能測試裝置，包括帶有多路A\D數(shù)據(jù)采集卡的計算機(jī)8、連接在直流電源2正負(fù)極上的兩個電磁鐵I以及設(shè)置在兩個電磁鐵I之間的測試樣品6，測試樣品6置于用絕緣且無磁性的材料制作的樣品室5內(nèi)；多路A\D數(shù)據(jù)采集卡上分別連接有用于控制電磁鐵I產(chǎn)生的磁場大小的直流電源2、用于讀取產(chǎn)生的磁場的高斯計3、用于采集測試樣品6的電滯回線并保證實驗設(shè)備和儀器在高壓測試下安全的信號調(diào)理單元7以及用于產(chǎn)生測試樣品6兩端電壓的高壓放大器4;計算機(jī)8內(nèi)還包括電信號發(fā)生模塊9、直流磁場控制模塊10、電信號采集模塊11以及磁場采集模塊12 ；電信號發(fā)生模塊9通過多路A\D數(shù)據(jù)采集卡的一個輸出通道與高壓放大器4相連；直流磁場控制模塊10通過多路A\D數(shù)據(jù)采集卡的另一個輸出通道與直流電源2相連；電信號采集模塊11通過多路A\D數(shù)據(jù)采集卡的一個輸入通道與信號調(diào)理單元7相連；磁場采集模塊12通過多路A\D數(shù)據(jù)采集卡的另一個輸入通道與高斯計3相連。計算機(jī)8內(nèi)設(shè)置有用于對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、電滯回線進(jìn)行補(bǔ)償以及對數(shù)據(jù)進(jìn)行保存的數(shù)據(jù)分析處理與保存模塊13。
[0023]本發(fā)明還公開了一種多鐵性材料的磁電性能測試方法，包括以下步驟:
[0024]I)將直流電源2、高斯計3、高壓放大器4以及信號調(diào)理單元7分別通過多路A\D數(shù)據(jù)采集卡連接到帶有電信號發(fā)生模塊9、直流磁場控制模塊10、電信號采集模塊11以及磁場采集模塊12的計算機(jī)8上，并將兩個電磁鐵I分別接在直流電源2的正負(fù)極上，將信號調(diào)理單元7和高壓放大器4分別連接至測試樣品6的兩端；
[0025]2)計算機(jī)8的直流磁場控制模塊10通過多路A\D數(shù)據(jù)采集卡的一個輸出通道控制直流電源2使得電磁鐵I同步的產(chǎn)生一個恒定的直流磁場，然后將該磁場通過高斯計3讀取，再由磁場采集模塊12通過多路A\D數(shù)據(jù)采集卡的一個輸入通道經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換后采集回計算機(jī)8 ；
[0026]3)由電信號發(fā)生模塊9通過多路A\D數(shù)據(jù)采集卡的另一個輸出通道輸出所需的波形信號，經(jīng)過多路A\D數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換，再經(jīng)過高壓放大器4放大后施加在測試樣品6上；流經(jīng)測試樣品6的電流，經(jīng)過信號調(diào)理單元7以后，輸入到多路A\D數(shù)據(jù)采集卡的另一個輸入通道經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換后，輸入計算機(jī)8的電信號采集模塊11 ；
[0027]4)將電信號采集模塊11和磁場采集模塊12采集到的數(shù)據(jù)共同匯總到數(shù)據(jù)分析處理與保存模塊13，對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、電滯回線進(jìn)行補(bǔ)償以及對數(shù)據(jù)進(jìn)行保存。
[0028]實施例:
[0029]一種多鐵性材料的磁電性能測試裝置，電磁鐵I采用長春英普公司生產(chǎn)的WD-50型，高斯計3采用北京翠海公司的CH-1300型全數(shù)字高斯計，高壓放大器4采用美國Trek公司的Model610E,數(shù)據(jù)米集卡為美國National Instruments公司的M系列PCI—6221型數(shù)據(jù)采集卡，它可以提供2路16位模擬輸出。電信號發(fā)生模塊9、直流磁場控制模塊10、電信號采集模塊11、磁場采集模塊12以及數(shù)據(jù)分析處理與保存模塊13均是在計算機(jī)8中基于LabVIEW平臺編寫。
[0030]測試樣品為BiFe03基磁電陶瓷樣品，其厚度為0.400mm、直徑為IOmm的圓片。樣品如圖1所示放入位于電磁鐵I之間的樣品室5中。樣品室由聚四氟乙烯材料將銅電極包裹而成，其中盛有絕緣油，以便于將高壓輸入樣品，并且可以將流經(jīng)樣品的電流讀回。
[0031]檢查線路無誤后開始實驗。首先，通過直流磁場控制模塊10控制電磁鐵I產(chǎn)生70000e的磁場強(qiáng)度；同時，通過電信號發(fā)生模塊9發(fā)出一個正弦激勵電壓,經(jīng)由信號放大器4放大后加于測試樣品6的兩級，該電壓幅值為2800V，頻率為10Hz。然后通過磁場采集模塊12將高斯計3采集到的磁場強(qiáng)度值讀取到計算機(jī)8中，同時利用電信號采集模塊11將經(jīng)由信號調(diào)理單元7的模擬信號通過數(shù)據(jù)采集卡采回。最后，通過數(shù)據(jù)分析處理與保存模塊13對信號進(jìn)行處理后，進(jìn)行保存與現(xiàn)實、得到試樣在70000e磁場下、電壓幅值為2800V、頻率為IOHz的J-E曲線和P-E曲線。[0032]隨后改變磁場大小為SOOOOe重新進(jìn)行上述步驟得到新的J_E、P-E曲線。
[0033]再將所得結(jié)果與無磁場條件下的J-E、P_E曲線進(jìn)行對比并繪圖，得到圖2、圖3。
[0034]分析圖2可以看到(I)為H=O時的試樣J-E曲線，(2)為H=70000e時的J-E曲線，
(3)為H=80000e時的J-E曲線。可以很明顯的看出該試樣的電滯回線電流密度峰值隨著磁場增加而增大，J的最大值從H=O時的14.09A/m2增大到H=70000e時的16.83A/m2，再到H=80000e 時的 18.Ukfm20
[0035]分析圖3可以看到(I)為H=O時的試樣P-E曲線，(2)為H=70000e時的P-E曲線，
(3)為H=SOOOOe時的P-E曲線?？梢钥闯?，由于極化強(qiáng)度P是由電流密度J積分得到的，所以在圖3中P-E曲線的變化并不如圖2中顯著，但仍可清晰看到試樣的極化強(qiáng)度隨磁場的增大而明顯增強(qiáng)。
[0036]以上內(nèi)容僅為說明本發(fā)明的技術(shù)思想，不能以此限定本發(fā)明的保護(hù)范圍，凡是按照本發(fā)明提出的技術(shù)思想，在技術(shù)方案基礎(chǔ)上所做的任何改動，均落入本發(fā)明權(quán)利要求書的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種多鐵性材料的磁電性能測試裝置，其特征在于:包括帶有多路A\D數(shù)據(jù)采集卡的計算機(jī)(8)、連接在直流電源(2)正負(fù)極上的兩個電磁鐵(I)以及設(shè)置在兩個電磁鐵(I)之間的測試樣品(6);多路A\D數(shù)據(jù)采集卡上分別連接有用于控制電磁鐵(I)產(chǎn)生的磁場大小的直流電源(2)、用于讀取產(chǎn)生的磁場的高斯計(3)、用于采集測試樣品(6)的電滯回線并保證實驗設(shè)備和儀器在高壓測試下安全的信號調(diào)理單元(7)以及用于產(chǎn)生測試樣品(6)兩端電壓的高壓放大器(4);所述的計算機(jī)(8)內(nèi)設(shè)置有用于對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、電滯回線進(jìn)行補(bǔ)償以及對數(shù)據(jù)進(jìn)行保存的數(shù)據(jù)分析處理與保存模塊(13)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多鐵性材料的磁電性能測試裝置，其特征在于:所述的計算機(jī)(8)內(nèi)還包括電信號發(fā)生模塊(9)、直流磁場控制模塊(10)、電信號米集模塊(11)以及磁場采集模塊(12);電信號發(fā)生模塊(9)通過多路A\D數(shù)據(jù)采集卡的一個輸出通道與高壓放大器(4)相連；直流磁場控制模塊(10)通過多路A\D數(shù)據(jù)采集卡的另一個輸出通道與直流電源(2 )相連；電信號采集模塊(11)通過多路A\D數(shù)據(jù)采集卡的一個輸入通道與信號調(diào)理單元(7)相連；磁場采集模塊(12)通過多路A\D數(shù)據(jù)采集卡的另一個輸入通道與高斯計(3)相連。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多鐵性材料的磁電性能測試裝置，其特征在于:所述的測試樣品(6)置于用絕緣且無磁性的材料制作的樣品室(5)內(nèi)。
4.一種多鐵性材料的磁電性能測試方法，其特征在于，包括以下步驟: O將直流電源(2)、高斯計(3)、高壓放大器(4)以及信號調(diào)理單元(7)分別通過多路A\D數(shù)據(jù)采集卡連接到帶有電信號發(fā)生模塊(9)、直流磁場控制模塊(10)、電信號采集模塊(11)以及磁場采集模塊(12)的計算機(jī)(8)上，并將兩個電磁鐵(I)分別接在直流電源(2)的正負(fù)極上，將信號調(diào)理單元(7)和高壓放大器(4)分別連接至測試樣品(6)的兩端； 2)計算機(jī)(8)的直流磁場控制模塊(10)通過多路A\D數(shù)據(jù)采集卡的一個輸出通道控制直流電源(2)使得電磁鐵(I)同步的產(chǎn)生一個恒定的直流磁場，然后將該磁場通過高斯計(3)讀取，再由磁場采集模塊(12)通過多路A\D數(shù)據(jù)采集卡的一個輸入通道經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換后采集回計算機(jī)(8); 3)由電信號發(fā)生模塊(9)通過多路A\D數(shù)據(jù)采集卡的另一個輸出通道輸出所需的波形信號，經(jīng)過多路A\D數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換，再經(jīng)過高壓放大器(4 )放大后施加在測試樣品(6)上；流經(jīng)測試樣品(6)的電流，經(jīng)過信號調(diào)理單元(7)以后，輸入到多路A\D數(shù)據(jù)采集卡的另一個輸入通道經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換后，輸入計算機(jī)(8)的電信號采集模塊(11)； 4)將電信號采集模塊(11)和磁場采集模塊(12)采集到的數(shù)據(jù)共同匯總到數(shù)據(jù)分析處理與保存模塊(13)，對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、電滯回線進(jìn)行補(bǔ)償以及對數(shù)據(jù)進(jìn)行保存。
【文檔編號】G01R33/12GK103698724SQ201310643332
【公開日】2014年4月2日 申請日期:2013年12月3日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月3日
【發(fā)明者】朱錦濤, 賈江江, 王曉濤, 王曉莉 申請人:西安交通大學(xué)