專利名稱：一種全自動磁電材料磁電性能測量裝置及其測量方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于磁電材料領(lǐng)域，涉及磁電材料磁電性能的測量技術(shù)，具體涉及到利用虛擬多通道鎖相放大原理實現(xiàn)的全計算機控制的測量磁電材料磁電性能的裝置及其測量方法。
背景技術(shù)：
磁電性能是指材料在外部磁場誘發(fā)的介電極化，或外電場誘發(fā)的磁化。通常所說的磁電性能在沒有特別說明的情況下，都是指磁場誘導介電極化。磁電性能在許多高性能磁電功能元器件中具有廣闊的應(yīng)用前景，具體說來，它可應(yīng)用于磁場探測、磁電能量互換、信息存儲以及驅(qū)動等諸多領(lǐng)域中。而材料磁電性能的測量則是磁電材料研究開發(fā)和應(yīng)用過程中最為關(guān)鍵的一個環(huán)節(jié)。表征磁電性能的指標常用的是磁電電壓系數(shù)，定義為αME＝dV/(tdH)，其中dH為直流偏置磁場上疊加的交流微分磁場，dV為樣品兩端在微分磁場作用下產(chǎn)生的電壓，t為樣品的厚度。
通常測試條件都是在kHz或者MHz頻率下，在該頻率段，由亥姆赫茲線圈產(chǎn)生的微分磁場通常都是很微小的，也就是說通過亥姆赫茲線圈的電流非常微弱，而且樣品兩端產(chǎn)生的電壓也是很微小的。因此，磁電材料的磁電響應(yīng)信號的測量涉及弱信號檢測，精確的磁電測量設(shè)備必須要用鎖相放大器，由于鎖相放大器價格高，從而導致目前國內(nèi)外現(xiàn)有的磁電測量設(shè)備成本昂貴。另一方面，由αME＝dV/(tdH)可以看出，磁電性能的獲得需要同時測量dV和dH，但通常的商用鎖相放大器每臺只能對一個通道的信號進行鎖相放大處理，無法同時測量dV和dH，于是目前國內(nèi)外通常的做法是只測量dV而名義上的將dH固定[1-2]。在實際測量時，尤其是當交流磁場的頻率變化時將dH完全固定是不容易達到的，因此無法對磁場做精確的動態(tài)監(jiān)測，從而也就無法獲得準確的磁電性能。鎖相放大器的使用工作頻率范圍也是體現(xiàn)磁電測試系統(tǒng)測量能力的重要指標，一般的鎖相放大器的工作頻率都在200kHz以下，如果測試條件超出了這個工作頻率范圍，那么使用鎖相放大器就無法滿足測試的需要，測試無法進行。如果要拓展設(shè)備的測試頻率，則需要更為昂貴的寬頻鎖相放大器，這無疑將更進一步提高了設(shè)備成本。此外，磁電性能隨外加直流偏置磁場的變化和磁電性能隨外加交流磁場頻率的變化必須分別加以測量[1-2]，無法獲得磁電性能同時隨外加直流偏置磁場和外加交流磁場頻率的變化。由此可見，目前國內(nèi)外現(xiàn)有的磁電測量設(shè)備成本昂貴，精度、頻率上限不夠高，而且測量過程自動化程度也亟待提高。
M.Mahesh Kumar et al，An experimental setup for dynamic measurement ofmagnetoelectric effect，Bull.Mater.Sci.，21(3)，251-255(1998)[2]Shuxiang Dong，Jie-Fang Li，and D.Viehland，Characterization of magnetoelectriclaminate composites operated in longitudinal-transverse and transverse-transverse modes，J.Appl.Phys.，95(5)，2625-2630(2004)發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有測量儀器成本高，測量精度、頻率上限和自動化程度不高的弊端，為此將鎖相放大器虛擬化，即將鎖相放大器的功能利用計算機軟件來實現(xiàn)，因為鎖相放大器是虛擬的，可以很方便的實現(xiàn)對多通道的信號進行鎖相放大處理。這樣一來，不僅可以同時精確的動態(tài)測量dV和dH，改善了磁電性能測量精度，而且相比硬件鎖相放大器工作頻率上限得到大幅度提高，同時減少磁電測量設(shè)備的制造成本，此外，本發(fā)明結(jié)合外加直流偏置磁場的控制和測量進一步提高磁電測量設(shè)備的自動化程度，從而提高磁電測量精度和效率。
一種全自動磁電材料磁電性能測量裝置，包括電磁鐵1、亥姆赫茲線圈2、特斯拉計3、直流電源4、測試樣品5、計算機8、差分儀11、數(shù)據(jù)采集前端12、信號發(fā)生器13、功率放大器14。數(shù)據(jù)采集前端是一個可多路同步采樣的A/D卡或數(shù)字示波器，計算機8設(shè)有虛擬磁場閉環(huán)控制單元6、磁電耦合性能的記錄單元7、虛擬信號發(fā)生控制單元9、相關(guān)器10。
電磁鐵1用來產(chǎn)生直流偏置磁場；在直流磁場中間放入的亥姆赫茲線圈2用來產(chǎn)生交流磁場；外加偏置磁場強度由特斯拉計3讀出并送入計算機。直流電源4控制外加偏置磁場；計算機中的虛擬磁場閉環(huán)控制單元6，可讀入從3傳來的直流偏置磁場的強度；通過D/A卡傳遞直流偏置磁場的控制信號到達電源4。計算機8中的虛擬信號發(fā)生控制單元9通過信號發(fā)生器13將信號經(jīng)過功率放大器14放大后提供給亥姆赫茲線圈2作為其驅(qū)動信號。交變磁場的強度通過串聯(lián)在亥姆赫茲線圈2中的電阻R轉(zhuǎn)換成電壓信號輸入數(shù)據(jù)采集前端12。磁場中的待測樣品5上產(chǎn)生的磁電響應(yīng)信號通過兩根同軸線連接到差分儀11；差分儀11的輸入信號線通過浮地接法提高信噪比，其輸出接到數(shù)據(jù)采集前端12上。虛擬信號發(fā)生控制單元9、相關(guān)器10、數(shù)據(jù)采集前端12是虛擬鎖相放大器的三個主要部分。相關(guān)器10是虛擬多通道鎖相放大器的核心部件，利用數(shù)據(jù)采集前端12輸入的磁電響應(yīng)信號與交流磁場強度的信號和信號發(fā)生控制單元9輸入的參比信號進行相關(guān)計算得到磁電耦合強度和相位差等信息并將結(jié)果輸出到磁電耦合性能的記錄單元7。磁電耦合性能記錄單元7可以動態(tài)紀錄來自磁場控制單元6輸入的直流偏置磁場強度大?。灰约坝上嚓P(guān)器10傳入的磁電響應(yīng)強度和相位滯后的信息和其他實驗信息，從而完成連續(xù)的全自動化的測量。
本發(fā)明中相關(guān)器的使用前提是被測信號是具有一定周期的微弱正弦信號，其數(shù)學形式為s(t)＝Asin(ωt+φ)，而在數(shù)據(jù)采集前端的測量信號中混有噪音n(t)，即測量信號Vs(t)＝s(t)+n(t)。相關(guān)器中的參比信號是兩個振幅為1，相位相差π/2的正弦信號Vr(t)＝sin(ωt)和Vr′(t)＝sin(ωt+π/2)。求解離散信號互相關(guān)函數(shù)的聯(lián)立方程，可以得到φ=arctan{ΣkN[Vs(k)Vr′(k)/ΣkN[Vs(k)Vr(k)]},]]>A=2ΣkN[Vs(k)Vr(k)]/cosφ]]>其中N是進入相關(guān)器的采樣信號或虛擬參比信號的離散采樣點總量。
本發(fā)明中使用的虛擬多路鎖相放大原理是將同步的電壓信號dV和磁場信號dH同時傳送進入相關(guān)器，計算結(jié)果分別得到電壓信號的幅值A(chǔ)dE與相位φdE和磁場信號的幅值A(chǔ)dH與相位φdH，進而計算出磁電耦合性能的大小和磁電耦合的幅值αME和相位差φME。
因為電源4產(chǎn)生的直流磁場不會隨時間改變，因此磁電測量之前先對磁場進行標定，生成表格。當需要加載特定強度的直流偏置磁場時直接通過查表來設(shè)定直流磁場。在動態(tài)磁電測量過程中實時跟蹤每次磁電性能測量時刻所對應(yīng)的瞬時直流偏置磁場值，它和設(shè)定的直流偏置磁場值相差小于5％。
本發(fā)明使用的虛擬鎖相放大原理是對磁電響應(yīng)的交流信號進行相敏檢波，即利用被測信號和參考信號具有相同頻率和一定的相位關(guān)系，只對被測信號中和參考信號同頻率的那部分信號分量有響應(yīng)，而被測信號中與參比信號不同頻率的那部分當作噪音則被抑制，因此能大幅度改善磁電測量的信噪比。
本發(fā)明所采用的虛擬多通道鎖相放大原理搭建的磁電測量裝置具有以下技術(shù)效果(1)同步動態(tài)精確的測量磁電電壓系數(shù)公式中的兩個參量dV和dH，從而提高了磁電性能的測量精度，這是其他磁電測量裝置所不具備的。
(2)由于采用了虛擬的鎖相放大技術(shù)，對鎖相放大的整個過程的控制自由度相當大，因而增加磁電測量設(shè)備的自動化控制水平。國內(nèi)外其他磁電測量設(shè)備中尚未有人引入虛擬鎖相放大技術(shù)。
(3)本發(fā)明中沒有使用真實的鎖相放大器，從而大大降低了磁電測量設(shè)備的成本。
(4)由于使用的是虛擬鎖相放大器，其工作頻率將大大拓展，不受硬件鎖相放大器工作頻率的限制。
(5)虛擬鎖相放大器對發(fā)生信號和產(chǎn)生信號同時進行采集和計算，可以直接求出兩者的相位，從而對相位的研究提供可能性。
(6)本發(fā)明將虛擬多通道鎖相放大器和虛擬的直流磁場的閉環(huán)控制系統(tǒng)結(jié)合，可以全自動的測量出材料磁電性能隨外加直流偏置磁場和交變磁場頻率變化的三維圖像。材料磁電性能隨外加直流偏置磁場和外加交流磁場頻率變化的三維圖像到目前為止在國內(nèi)外尚未有人能測出。


圖1是本發(fā)明所述利用虛擬多通道鎖相放大原理的全自動磁電測量裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2是本發(fā)明所述對Ni/PZT/Ni層狀復合材料橫向磁電耦合強度隨外加直流偏置磁場變化的測量曲線。
圖3是本發(fā)明所述對Ni/PZT/Ni層狀復合材料橫向磁電耦合強度和磁電響應(yīng)的相位滯后隨外加交流磁場頻率的變化。
圖4是圖3的局部變化。
圖5是本發(fā)明所述對Ni/PZT/Ni層狀復合材料的磁電耦合強度隨外加偏置磁場和外加交流磁場頻率變化的三維圖像。
圖6是本發(fā)明所述對Ni/PZT/Ni層狀復合材料磁電響應(yīng)的相位滯后隨外加偏置磁場和外加交流磁場頻率變化的三維圖像。
具體實施例方式
下面通過實施實例及附圖作進一步說明。
實施例1，典型的測試樣品5采用的是Ni/PZT/Ni層狀復合材料。測量Ni/PZT/Ni層狀復合材料橫向磁電耦合系數(shù)αME，31以及磁電相應(yīng)的相位滯后。
(1)按照圖1的原理組裝儀器，其中產(chǎn)生磁場的感測電阻R＝10Ω。數(shù)據(jù)采集前端12是Rigol DS5062CA型示波器；信號發(fā)生器13是Agilent 33220A；直流偏置磁場系統(tǒng)采用WWL-LSX21型三相直流穩(wěn)壓電源和SB175型電磁鐵；特斯拉計3使用HT100；在計算機(1.6GHz，256MB，40GB，WindowsXP)安裝Labview8.0評估版作為控制程序的開發(fā)平臺。根據(jù)上述原理在Labview下編寫相應(yīng)的測量控制軟件。
(2)測試的樣品是在尺寸為25mm×25mm×0.8mm的PZT鐵電陶瓷上電鍍Ni的Ni/PZT/Ni層狀復合正方形片，其中Ni、PZT和Ni的厚度分別為0.4mm、0.8mm和0.4mm。磁電復合片的兩面按圖1所示放入磁場，引出同軸線纜，放置方向保證直流磁場方向、交流磁場方向和正方形片的邊長方向平行。因為磁場方向在正方形面內(nèi)且和正方形邊長一致，記為1方向，又因為磁生電場輸出方向為垂直片的方向，定義為3方向，所以磁電耦合強度記作αME，31。
(3)檢查所有的電源線和信號線連線無誤后開始加電。將從信號發(fā)生器13中輸出的交流磁場的驅(qū)動信號頻率設(shè)定為1kHz，幅值設(shè)定為1V，并保持不變。然后開始逐漸增加直流偏置磁場，同時觀察磁電輸出，如圖2所示，可以看出磁電輸出出現(xiàn)峰值時對應(yīng)的直流偏置磁場值HD＝150Oe。
(4)固定直流偏置磁場HD＝150Oe和信號發(fā)生器13的輸出交流電壓的幅值1V不變，只改變信號發(fā)生器13輸出交流電壓的頻率，運行控制程序，自動記錄磁電響應(yīng)輸出的幅值和相位滯后值，得到圖3。它是Ni/PZT/Ni層狀復合材料橫向磁電耦合強度和磁電響應(yīng)的相位滯后隨外加交流磁場頻率變化的測量曲線?？梢钥闯鯪i/PZT/Ni層狀復合材料的橫向磁生電場系數(shù)αME，31最大值為41.5V/cm Oe，出現(xiàn)在85.3kHz。另外兩個共振峰分別在59.5kHz和73.5kHz，雖然在強度上分辨不出他們是共振峰，但是根據(jù)磁電響應(yīng)的相位滯后曲線，可以確認他們是兩個共振峰。
(5)分析圖3磁電輸出強度出現(xiàn)最強峰值的位置，保持其它條件不變，對峰值附近的頻率進行精細掃描，得到圖4，它是Ni/PZT/Ni層狀復合材料在共振頻率附近的橫向磁電耦合強度和磁電響應(yīng)的相位滯后隨外加交流磁場頻率變化的測量曲線。通過最強共振峰附近頻率的精細掃描可以得到更精確的共振頻率的大小在85.25kHz，對應(yīng)的αME，31最大值也增加為43.2V/cm Oe。
實施例2，測量Ni/PZT/Ni層狀復合材料的橫向磁生電場系數(shù)αME，31以及磁電響應(yīng)的相位滯后隨外加偏置磁場和外加交流磁場頻率而變化的三維圖像。
(1)為了增加磁場自動控制模塊，另外在計算機的PCI插槽內(nèi)安裝AD/DA卡(AC6632和AC6682)作為直流偏置磁場的控制接口，對測量系統(tǒng)中硬件和軟件進行相應(yīng)的擴充。其余同實例1中的步驟1(2)測試的樣品同實例1中的步驟2。
(3)固定信號發(fā)生器13的輸出交流電壓的幅值為1V，保持不變，同時改變信號發(fā)生器13輸出交流電壓的頻率和直流偏置磁場(見圖1中的1)的大小，運行控制程序，自動記錄記錄磁電響應(yīng)輸出的幅值和相位滯后值，得到圖5和圖6。它們分別是Ni/PZT/Ni層狀復合材料的磁電耦合強度和響應(yīng)的相位滯后隨外加偏置磁場和外加交流磁場頻率而變化的三維圖像。從圖5可以看出，Ni/PZT/Ni層狀復合材料的橫向磁電耦合性能隨偏置磁場在正負兩端基本呈對稱分布，而且在某個偏置磁場絕對值上達到峰值，這反映Ni/PZT/Ni層狀復合材料的磁電耦合性能來源于Ni層的磁致伸縮性能。此外，交流磁場的頻率對磁電耦合性能的影響程度顯著強于直流偏置磁場。從圖6種可以看出，與圖3對應(yīng)的三個頻率分界面為59.5kHz，73.5kHz和85kHz，反映共振特性不隨偏置磁場變化而變化。在圖6上同時還有一個直流偏置磁場引入的分界面，體現(xiàn)磁電耦合的符號變化。
權(quán)利要求
1.一種全自動磁電材料磁電性能測量裝置，其特征測量裝置包括電磁鐵(1)、亥姆赫茲線圈(2)、特斯拉計(3)、直流電源(4)、測試樣品(5)、計算機(8)、差分儀(11)、數(shù)據(jù)采集前端(12)、信號發(fā)生器(13)、功率放大器(14)；數(shù)據(jù)采集前端是一個可多路同步采樣的A/D卡或數(shù)字示波器，計算機(8)設(shè)有虛擬磁場閉環(huán)控制單元(6)、磁電耦合性能的記錄單元(7)、虛擬信號發(fā)生控制單元(9)、相關(guān)器(10)；電磁鐵(1)用來產(chǎn)生直流偏置磁場；在直流磁場中間放入的亥姆赫茲線圈(2)用來產(chǎn)生交流磁場；外加偏置磁場強度由特斯拉計(3)讀出并送入計算機。
2.一種全自動磁電材料磁電性能測量方法，其特征在于用直流電源(4)控制外加偏置磁場；計算機中的虛擬磁場閉環(huán)控制單元(6)，讀入從(3)傳來的直流偏置磁場的強度，通過D/A卡傳遞直流偏置磁場的控制信號到達電源(4)；計算機(8)中的虛擬信號發(fā)生控制單元(9)通過信號發(fā)生器(13)將信號經(jīng)過功率放大器(14)放大后提供給亥姆赫茲線圈(2)作為其驅(qū)動信號；交變磁場的強度通過串聯(lián)在亥姆赫茲線圈(2)中的電阻R轉(zhuǎn)換成電壓信號輸入數(shù)據(jù)采集前端(12)；磁場中的待測樣品(5)上產(chǎn)生的磁電響應(yīng)信號通過兩根同軸線連接到差分儀(11)；差分儀(11)的輸入信號線通過浮地接法提高信噪比，其輸出接到數(shù)據(jù)采集前端(12)上；相關(guān)器(10)利用數(shù)據(jù)采集前端(12)輸入的磁電響應(yīng)信號與交流磁場強度的信號和信號發(fā)生控制單元(9)輸入的參比信號進行相關(guān)計算得到磁電耦合強度和相位差等信息并將結(jié)果輸出到磁電耦合性能的記錄單元(7)，磁電耦合性能記錄單元(7)能動態(tài)紀錄來自磁場控制單元(6)輸入的直流偏置磁場強度大小以及由相關(guān)器(10)傳入的磁電響應(yīng)強度和相位滯后的信息和其他實驗信息，從而完成連續(xù)的全自動化的測量。
3.如權(quán)利要求2所述一種全自動磁電材料磁電性能測量方法，其特征在于相關(guān)器的使用前提是被測信號是具有一定周期的微弱正弦信號，其數(shù)學形式為s(t)＝Asin(ωt+φ)，而在數(shù)據(jù)采集前端的測量信號中混有噪音n(t)，即測量信號Vs(t)＝s(t)+n(t)；相關(guān)器中的參比信號是兩個振幅為1，相位相差π/2的正弦信號Vr(t)＝sin(ωt)和Vr′(t)＝sin(ωt+π/2)；求解離散信號互相關(guān)函數(shù)的聯(lián)立方程，得到φ=arctan{ΣkN[Vs(k)Vr′(k)/ΣkN[Vs(k)Vr(k)]},]]>A=2ΣkN[Vs(k)Vr(k)]/cosφ,]]>其中N是進入相關(guān)器的采樣信號或虛擬參比信號的離散采樣點總量。
全文摘要
本發(fā)明屬于磁電材料領(lǐng)域，具體涉及到利用虛擬多通道鎖相放大原理來實現(xiàn)計算機控制的測量材料磁電性能的方法和裝置。本發(fā)明將鎖相放大器虛擬化，即計算機軟件來實現(xiàn)鎖相放大器的功能，利用虛擬的鎖相放大器可以很方便的對任意多通道的信號進行鎖相放大處理，從而不僅可以同時精確的動態(tài)測量dE和dH，改善了磁電性能測量精度，而且相比硬件鎖相放大器工作頻率上限得到大幅度提高，同時減少磁電測量設(shè)備的制造成本。本發(fā)明還結(jié)合外加直流偏置磁場的控制和測量進一步提高磁電測量設(shè)備的自動化程度，從而提高磁電測量精度和效率。
文檔編號G01R33/06GK101034144SQ200710098500
公開日2007年9月12日 申請日期2007年4月19日 優(yōu)先權(quán)日2007年4月19日
發(fā)明者陸俊, 潘德安, 喬利杰 申請人:北京科技大學