脈沖強(qiáng)磁場(chǎng)下多鐵材料磁電性能的測(cè)試系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本實(shí)用新型公開(kāi)了一種脈沖強(qiáng)磁場(chǎng)下多鐵材料磁電性能的測(cè)試系統(tǒng)，包括電容器組、脈沖磁體、磁場(chǎng)探測(cè)線圈、采樣電阻、直流電源和前置放大器、杜瓦瓶、溫控儀和控制模塊；脈沖磁體為中空螺線管結(jié)構(gòu)；磁場(chǎng)探測(cè)線圈為中空螺線管結(jié)構(gòu)同軸放置于脈沖磁體中心；采樣電阻的一端連接待測(cè)樣品，另一端與直流電源連接；前置放大器的一端用于采集采樣電阻兩端的電壓，另一端與控制模塊連接；溫控儀的一端與杜瓦瓶連接，另一端與控制模塊連接。本實(shí)用新型可以在脈沖磁場(chǎng)下對(duì)多鐵材料進(jìn)行測(cè)量，與穩(wěn)態(tài)場(chǎng)下測(cè)量相比，可提供更高的磁場(chǎng)環(huán)境和更大的磁場(chǎng)變化率，在極短時(shí)間內(nèi)，產(chǎn)生更大的響應(yīng)信號(hào)，為弱信號(hào)樣品的測(cè)量提供了一個(gè)新途徑。
【專利說(shuō)明】脈沖強(qiáng)磁場(chǎng)下多鐵材料磁電性能的測(cè)試系統(tǒng)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型屬于材料的性能測(cè)試領(lǐng)域，更具體地，涉及一種脈沖強(qiáng)磁場(chǎng)下多鐵材料磁電性能的測(cè)試系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]多鐵材料同時(shí)具備鐵電、鐵磁等多重鐵性，其中一類材料在一定溫度下存在磁電耦合效應(yīng)，使多鐵性體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。這類材料也在磁場(chǎng)測(cè)量、智能濾波器及高密度磁記錄方面有潛在的應(yīng)用價(jià)值。
[0003]脈沖強(qiáng)磁場(chǎng)是指利用脈沖電源在極短時(shí)間(幾十毫秒甚至微秒)內(nèi)對(duì)脈沖磁體進(jìn)行放電而產(chǎn)生的一種強(qiáng)場(chǎng)環(huán)境，其特點(diǎn)為磁場(chǎng)場(chǎng)強(qiáng)高，運(yùn)行費(fèi)用較低，持續(xù)時(shí)間短，磁場(chǎng)隨時(shí)間變化。是一種綜合測(cè)試平臺(tái)，可進(jìn)行材料的電、磁、光、熱等性質(zhì)的研究。
[0004]脈沖強(qiáng)磁場(chǎng)下多鐵材料磁電性能測(cè)試系統(tǒng)目前還沒(méi)有人進(jìn)行過(guò)報(bào)道和公開(kāi)，對(duì)于穩(wěn)態(tài)場(chǎng)磁電性能測(cè)試儀方面，2006年，清華大學(xué)施展、南策文等人申請(qǐng)專利公開(kāi)了磁電塊體材料的測(cè)試裝置，實(shí)現(xiàn)了對(duì)塊體多鐵材料磁電耦合性能的測(cè)量。2010年清華大學(xué)李崢、南策文等人申請(qǐng)專利公開(kāi)了多鐵性薄膜材料的磁電性能測(cè)試系統(tǒng)及其測(cè)試方法，重點(diǎn)解決了對(duì)多鐵薄膜小信號(hào)的測(cè)量，及薄膜樣品探針加持裝置。
[0005]目前的測(cè)試技術(shù)存在的不足有:由于受制于穩(wěn)態(tài)磁場(chǎng)技術(shù)限制，目前所能提供的穩(wěn)態(tài)磁場(chǎng)強(qiáng)度較低，很多材料的磁電耦合測(cè)量不能得到滿足，穩(wěn)態(tài)磁場(chǎng)變化率小，極化電流值很小，不易測(cè)得。穩(wěn)態(tài)磁場(chǎng)要持續(xù)供能，能源消耗大。產(chǎn)生的焦耳熱持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，需要復(fù)雜且龐大的冷卻設(shè)備。建設(shè)和使用經(jīng)濟(jì)成本高。
實(shí)用新型內(nèi)容
[0006]針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，本實(shí)用新型提供了一種脈沖強(qiáng)磁場(chǎng)下多鐵材料磁電性能的測(cè)試系統(tǒng)，目的在于測(cè)量脈沖強(qiáng)磁場(chǎng)下多鐵材料的磁電響應(yīng)信號(hào)；解決了現(xiàn)有技術(shù)中穩(wěn)態(tài)磁場(chǎng)變化率小，極化電流值很小，不易測(cè)得的問(wèn)題。
[0007]本實(shí)用新型提供了一種脈沖強(qiáng)磁場(chǎng)下多鐵材料磁電性能的測(cè)試系統(tǒng)，包括電容器組、脈沖磁體、磁場(chǎng)探測(cè)線圈、采樣電阻、直流電源和前置放大器、杜瓦瓶、溫控儀和控制模塊；所述脈沖磁體為中空螺線管結(jié)構(gòu)，用于產(chǎn)生脈沖磁場(chǎng)；所述磁場(chǎng)探測(cè)線圈為螺線管結(jié)構(gòu)，同軸放置于所述脈沖磁體的中心孔內(nèi)，并與所述控制模塊連接，用于探測(cè)脈沖磁體中心的磁場(chǎng)強(qiáng)度；所述采樣電阻的一端用于連接待測(cè)樣品，所述采樣電阻的另一端與所述直流電源的一端連接，所述直流電源的另一端與所述控制模塊連接；所述前置放大器的一端用于采集所述采樣電阻兩端的電壓，所述前置放大器的另一端與所述控制模塊連接；所述溫控儀的一端與所述杜瓦瓶連接，所述溫控儀的另一端與所述控制模塊連接。
[0008]更進(jìn)一步地，所述控制模塊為工控機(jī)，包括通訊單元、信號(hào)采集單元和數(shù)據(jù)處理單元；所述通訊單元的輸出端分別與所述電容器組、直流電源和溫控儀連接，所述通訊單元的輸入端與所述數(shù)據(jù)處理單元連接；所述信號(hào)采集單元的輸入端與所述前置放大器和所述磁場(chǎng)探測(cè)線圈連接，所述信號(hào)采集單元的輸出端與所述數(shù)據(jù)處理單元連接。
[0009]本實(shí)用新型可以在脈沖磁場(chǎng)下對(duì)多鐵材料進(jìn)行測(cè)量，與穩(wěn)態(tài)場(chǎng)下測(cè)量相比，可提供更高的磁場(chǎng)環(huán)境和更大的磁場(chǎng)變化率，在極短時(shí)間內(nèi)，產(chǎn)生更大的響應(yīng)信號(hào)，為弱信號(hào)樣品的測(cè)量提供了一個(gè)新途徑。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0010]圖1是本實(shí)用新型提供的脈沖強(qiáng)磁場(chǎng)下多鐵材料磁電性能的測(cè)試系統(tǒng)原理框圖；
[0011]圖2是本實(shí)用新型提供的極化電流測(cè)量電路原理圖；
[0012]圖3是本實(shí)用新型提供的磁場(chǎng)隨時(shí)間變化關(guān)系曲線圖；
[0013]圖4是本實(shí)用新型提供的極化電流隨時(shí)間變化關(guān)系曲線圖；
[0014]圖5是本實(shí)用新型提供的極化強(qiáng)度隨磁場(chǎng)變化關(guān)系曲線圖。
【具體實(shí)施方式】
[0015]為了使本實(shí)用新型的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對(duì)本實(shí)用新型進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本實(shí)用新型，并不用于限定本實(shí)用新型。
[0016]本實(shí)用新型提供的脈沖強(qiáng)磁場(chǎng)下多鐵材料磁電性能測(cè)試系統(tǒng)，涉及材料的性能測(cè)試領(lǐng)域?？梢酝ㄟ^(guò)施加脈沖磁場(chǎng)同時(shí)測(cè)量多鐵樣品極化電流信號(hào)，獲得多鐵樣品電極化強(qiáng)度隨磁場(chǎng)強(qiáng)度的變化規(guī)律。
[0017]本實(shí)用新型的目的是提供一種脈沖強(qiáng)磁場(chǎng)下多鐵材料磁電性能測(cè)試系統(tǒng)，該測(cè)試系統(tǒng)可以測(cè)量脈沖強(qiáng)磁場(chǎng)下多鐵材料的磁電響應(yīng)信號(hào)，可對(duì)多鐵材料磁電性能進(jìn)行測(cè)試。
[0018]本實(shí)用新型是脈沖磁場(chǎng)下對(duì)多鐵材料進(jìn)行測(cè)量，與穩(wěn)態(tài)場(chǎng)下測(cè)量相比，可提供更高的磁場(chǎng)環(huán)境和更大的磁場(chǎng)變化率，在極短時(shí)間內(nèi)，產(chǎn)生更大的響應(yīng)信號(hào)，為弱信號(hào)樣品的測(cè)量提供了一個(gè)新途徑。本實(shí)用新型包括直流電源，可提供很高的預(yù)極化電場(chǎng)強(qiáng)度；本實(shí)用新型包括脈沖磁場(chǎng)發(fā)生裝置，用于產(chǎn)生磁場(chǎng)強(qiáng)度高、磁場(chǎng)變化率可調(diào)的脈沖磁場(chǎng)。本實(shí)用新型包括由采樣電阻和前置放大器組成的測(cè)量回路，為多鐵材料的磁電耦合行為微弱信號(hào)測(cè)量提供了可能性。
[0019]一種脈沖強(qiáng)磁場(chǎng)下多鐵材料磁電性能測(cè)試系統(tǒng)包括:控制模塊、磁場(chǎng)產(chǎn)生模塊、溫度控制模塊、信號(hào)生成模塊。
[0020]控制模塊10可以采用工控機(jī)；工控機(jī)包括:通訊單元101、信號(hào)采集單元102、數(shù)據(jù)處理單元103 ;通訊單元101的輸出端分別與電容器組1、直流電源6和溫控儀9連接，通訊單元101的輸入端與所述數(shù)據(jù)處理單元103連接；信號(hào)采集單元102的輸入端與所述前置放大器7和所述磁場(chǎng)探測(cè)線圈3連接，信號(hào)采集單元102的輸出端與所述數(shù)據(jù)處理單元I連接。
[0021]通訊單元101用于工控機(jī)10與儀器(電容器組1、直流電源6和溫控儀9)間通信，可以由GPIB卡實(shí)現(xiàn)，此卡插在工控機(jī)主板插槽里，通過(guò)GPIB線與直流電源6、溫控儀9、電容器組I相連；信號(hào)采集單元102用于信號(hào)采集，由數(shù)據(jù)采集卡實(shí)現(xiàn)，此采集卡通過(guò)主板上的插槽與主板連接，采集卡具有多個(gè)采集通道，使用BNC接口分別與探測(cè)線圈3、前置放大器7輸出接口相連；數(shù)據(jù)處理單元103用于數(shù)據(jù)處理及生成控制信號(hào)，由焊接在主板上的CPU實(shí)現(xiàn)。
[0022]磁場(chǎng)產(chǎn)生模塊包括:電容器組1、脈沖磁體2，其中:電容器組I用于儲(chǔ)存電荷，由工控機(jī)10來(lái)控制其充、放電。脈沖磁體2為中空螺線管結(jié)構(gòu)。首先，工控機(jī)控制電容器組I進(jìn)行充電。待達(dá)到所要求的電量時(shí)，工控機(jī)10控制電容器組I對(duì)脈沖磁體2進(jìn)行放電。利用法拉第電磁感應(yīng)原理，產(chǎn)生脈沖磁場(chǎng)。
[0023]溫度控制模塊包括:杜瓦瓶8、溫控儀9。杜瓦瓶8用于為樣品提供溫度恒定的測(cè)量環(huán)境，內(nèi)有溫度計(jì)及加熱絲。溫度計(jì)用于探測(cè)杜瓦樣品腔中溫度，加熱絲由溫控儀提供電流，用于加熱，與杜瓦瓶8中的液氦配合，使杜瓦樣品腔保持恒定的溫度。溫度控制儀接受工控機(jī)指令，通過(guò)控制加熱絲發(fā)熱功率，控制杜瓦中樣品腔的溫度。
[0024]信號(hào)生成模塊包括:磁場(chǎng)探測(cè)線圈3、樣品4、采樣電阻5、直流電源6、前置放大器
7。磁場(chǎng)探測(cè)線圈3為螺線管結(jié)構(gòu)，與脈沖磁體2同軸放置，用于探測(cè)脈沖磁體中心的磁場(chǎng)強(qiáng)度。直流電源6、采樣電阻5、待測(cè)樣品4串聯(lián)連接。工控機(jī)通過(guò)控制直流電源的輸出電壓，為待測(cè)樣品4提供一定的電場(chǎng)強(qiáng)度。前置放大器7接收采樣電阻5兩端的電壓信號(hào)，并對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波、放大，而后輸出給工控機(jī)進(jìn)行處理。
[0025]在本實(shí)用新型實(shí)施例中，采用上述測(cè)試系統(tǒng)對(duì)脈沖強(qiáng)磁場(chǎng)下多鐵材料磁電性能進(jìn)行測(cè)試，可以采用以下具體操作步驟實(shí)現(xiàn):
[0026](I)將待測(cè)多鐵樣品4置于脈沖磁體2的中心；
[0027](2)工控機(jī)10發(fā)送指令給溫控儀9，控制杜瓦8中樣品腔到指定溫度；
[0028](3)工控機(jī)10發(fā)送設(shè)置指令到直流電源6，輸出指定電壓，用于對(duì)待測(cè)樣品4形成極化電場(chǎng)；
[0029](4)工控機(jī)10控制電容器組I充電，待電容器組充電完全后，電容器組對(duì)脈沖磁體2放電，產(chǎn)生脈沖磁場(chǎng)H;
[0030](5)同時(shí)采集采樣電阻5兩端電壓信號(hào)V，經(jīng)前置放大器7放大、濾波后，輸出給工控機(jī)10 ；
[0031](6)同時(shí)磁場(chǎng)探測(cè)線圈3將感應(yīng)信號(hào)Vb輸出給工控機(jī)10 ；
[0032](7)根據(jù)如下公式，工控機(jī)10進(jìn)行數(shù)據(jù)處理得到極化強(qiáng)度P隨時(shí)間的變化關(guān)系；
其中=R為采樣電阻阻值，S為樣品電極面積，t為數(shù)據(jù)采集時(shí)間
【權(quán)利要求】
1.一種脈沖強(qiáng)磁場(chǎng)下多鐵材料磁電性能的測(cè)試系統(tǒng)，其特征在于，包括電容器組(I)、脈沖磁體(2)、磁場(chǎng)探測(cè)線圈(3)、采樣電阻(5)、直流電源(6)和前置放大器(7)、杜瓦瓶(8)、溫控儀(9)和控制模塊(10)； 所述脈沖磁體(2)為中空螺線管結(jié)構(gòu)，用于產(chǎn)生脈沖磁場(chǎng)； 所述磁場(chǎng)探測(cè)線圈(3)為中空螺線管結(jié)構(gòu)，同軸放置于所述脈沖磁體(2)的中心孔內(nèi)，并與所述控制模塊(10)連接，用于探測(cè)脈沖磁體中心的磁場(chǎng)強(qiáng)度； 所述采樣電阻(5)的一端用于連接待測(cè)樣品(4)，所述采樣電阻(5)的另一端與所述直流電源出)的一端連接，所述直流電源出)的另一端與所述控制模塊(10)連接； 所述前置放大器(7)的一端用于采集所述采樣電阻(5)兩端的電壓，所述前置放大器(7)的另一端與所述控制模塊(10)連接； 所述溫控儀(9)的一端與所述杜瓦瓶(8)連接，所述溫控儀(9)的另一端與所述控制模塊(10)連接。
2.如權(quán)利要求1所述的測(cè)試系統(tǒng)，其特征在于，所述控制模塊(10)為工控機(jī)，包括通訊單元(101)、信號(hào)采集單元(102)和數(shù)據(jù)處理單元(103): 所述通訊單元(101)的輸出端分別與所述電容器組⑴、直流電源(6)和溫控儀(9)連接，所述通訊單元(101)的輸入端與所述數(shù)據(jù)處理單元(103)連接； 所述信號(hào)采集單元(102)的輸入端與所述前置放大器(7)和所述磁場(chǎng)探測(cè)線圈(3)連接，所述信號(hào)采集單元(102)的輸出端與所述數(shù)據(jù)處理單元(103)連接。
【文檔編號(hào)】G01N27/72GK203732707SQ201420097810
【公開(kāi)日】2014年7月23日 申請(qǐng)日期:2014年3月5日 優(yōu)先權(quán)日:2014年3月5日
【發(fā)明者】夏念明, 夏正才, 李亮 申請(qǐng)人:華中科技大學(xué)