專利名稱:鐵電體電滯回線計(jì)算機(jī)測試技術(shù)方案的制作方法
本發(fā)明涉及一種改進(jìn)的鐵電體電滯回線計(jì)算機(jī)測試技術(shù)方案，用以測得各種鐵電體準(zhǔn)確的電滯回線。
電滯回線是鐵電體的重要特征和重要判據(jù)之一，但是廣泛采用的Sawyer-Tower電路卻難以準(zhǔn)確地測定電滯回線，因?yàn)殍F電體試樣中存在線性電容、漏導(dǎo)及損耗，有時會淹沒要測的信號。多年來許多研究者都致力于改進(jìn)Sawyer-Tower電路。至今大多數(shù)研究者仍采用的一種電路(Diamant，H.et al∶Rev.Sci.Instrum.28，30，1957)是由兩個Sawyer-Tower電路組成的電橋電路，一個是由被測試樣和取樣電容組成，另一個由可變電容、可變電阻相互并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)和另一取樣電容組成。電橋電路輸出接向一個差分放大器。由于可變電容和可變電阻相互并聯(lián)的網(wǎng)絡(luò)對應(yīng)于試樣中線性電容和漏導(dǎo)及損耗，所以靠調(diào)節(jié)可變電容和可變電阻，在差分放大器中能抵銷掉試樣中線性電容、漏導(dǎo)及損耗的影響，在示波器中測得準(zhǔn)確的電滯回線。
這種電橋電路存在的缺點(diǎn)是(1)在超低頻下進(jìn)行精確測試時，手工操作麻煩和費(fèi)時，需反復(fù)調(diào)節(jié)可變電容和可變電阻，經(jīng)多次電滯回線的循環(huán)才能完成，并且是靠人眼從測得電滯回線形狀來判斷是否達(dá)到最佳校正狀態(tài)，使測試受主觀因素的影響，影響了測試精度;(2)可變電容和可變電阻兩端存在高的電位差，給制造可變電容和可變電阻帶來困難，并且影響操作安全。
隨著計(jì)算機(jī)的廣泛應(yīng)用，已有不少把微計(jì)算機(jī)用于電滯回線測試的報(bào)導(dǎo)，最近期的是Tatsuo Fukami等發(fā)表的文章(TatsuoFukami et al∶Rev.Sci.Instrum.54，1551，1983)。采用受控制的工頻正弦波測試電壓加向Sawyer-Tower電路，Sawyer-Tower電路輸出信號經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換貯存在微計(jì)算機(jī)內(nèi)，微計(jì)算機(jī)輸出經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換，再進(jìn)行電滯回線的顯示。但至今未見有關(guān)應(yīng)用微計(jì)算機(jī)進(jìn)行測得電滯回線的校正方面工作的報(bào)導(dǎo)本發(fā)明的任務(wù)即在解決上述電橋電路的缺點(diǎn)，應(yīng)用微計(jì)算機(jī)對從Sawyer-Tower電路測得的電滯回線進(jìn)行校正，自動地抵銷掉試樣中線性電容、漏導(dǎo)及損耗的影響，簡化操作手續(xù)，提高測試精度，節(jié)省測試時間。
本發(fā)明的任務(wù)是通過下述技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的還是采用Sawyer-Tower電路。微計(jì)算機(jī)產(chǎn)生所需測試電壓波形的數(shù)字信號，經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換器和高壓放大器放大后得所需測試電壓。這測試電壓加在Sawyer-Tower電路上，從這Sawyer-Tower電路的輸出，經(jīng)高輸入阻抗放大器放大后，由A/D轉(zhuǎn)換器送入微計(jì)算機(jī)。采用計(jì)算方法中“二分法”，通過編制計(jì)算機(jī)程序，自動地把Sawyer-Tower電路輸出信號中試樣的線性電容、漏導(dǎo)和損耗的影響逐次加以消除。微計(jì)算機(jī)根據(jù)這已最后消除掉試樣中線性電容、漏導(dǎo)和損耗的影響的信號和加于試樣的測試電壓，控制繪圖機(jī)作出準(zhǔn)確的經(jīng)校正的電滯回線;利用“二分法”求出的試樣中線性電容和代表漏導(dǎo)和損耗的損耗電阻值電也由微計(jì)算機(jī)控制打印機(jī)輸出。
本發(fā)明簡化了具體操作手續(xù)，操作者不需多次反復(fù)調(diào)節(jié)可變電容和可變電阻，也不需用人眼來判別是否達(dá)到最佳校正狀態(tài)，消除了手工操作中主觀因素的影響，提高了測試精度;由于微計(jì)算機(jī)運(yùn)算處理速度很高，校正工作很快完成，所以使超低頻下的精確測試很容易進(jìn)行;并且操作者不需在高電壓作多次反復(fù)的校正的操作，所以很為安全。
以下結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步的描述圖1是本發(fā)明構(gòu)成的方框圖。
圖2是試樣由等值電路表示后的Sawyer-Tower電路圖。
圖3是測試電壓U波形圖。
圖4是電滯回線各種校正狀態(tài)的示意圖。
圖1所示的本發(fā)明構(gòu)成的方框圖中，用微計(jì)算機(jī)〔4〕產(chǎn)生所需測試電壓波形的數(shù)字信號，經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換器〔5〕和高壓放大器〔6〕后得所需測試電壓U，這測試電壓U加在Sawyer-Tower電路〔7〕中上，Sawyer-Tower電路〔7〕輸出信號經(jīng)高輸入阻抗放大器〔13〕后，經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換器〔14〕存貯在微計(jì)算機(jī)〔4〕內(nèi)。經(jīng)微計(jì)算機(jī)〔4〕運(yùn)算處理后結(jié)果，由繪圖機(jī)〔15〕和打印機(jī)〔16〕輸出結(jié)果。Sawyer-Tower電路〔7〕Cx為被測試樣〔8〕，Co為取樣電容〔9〕，因?yàn)镃o＞＞Cx，所以試樣〔8〕上電壓與測試電壓U非常接近。
圖2是試樣〔8〕由等值電路表示后的Sawyer-Tower電路圖。其中Cxi〔11〕是線性電容，Cxs〔10〕是非線性電容，Rx〔12〕是等值于試樣中漏導(dǎo)和損耗的損耗電阻。本發(fā)明即利用圖2求出在測試電壓U作用下，試樣〔8〕中線性電容Cxi〔11〕和損耗電阻〔12〕在取樣電容Co〔9〕中產(chǎn)生的影響的表達(dá)式。從Sawyer-Tower電路的輸出信號中扣除這部分的影響，就達(dá)到校正的目的。
如設(shè)測試電壓U為三角波，其波形示于圖3中，設(shè)三角波U的幅值為Um，K為三角波U的斜率，將三角波U在一個周期中分成三段〔1〕、〔2〕、〔3〕，〔1〕和〔3〕段為三角波U的上升部分，使電滯回線由下向上掃描，〔2〕段為三角波U的下降部分，使電滯回線由上向下掃描，而三角波U的正、負(fù)峰值部分，分別對應(yīng)于電滯回線的上、下飽和部分。對應(yīng)于三角波U的三段〔1〕、〔2〕、〔3〕時間內(nèi)，取樣電容Co〔9〕上所得信號電壓分別為E1、E2、E3，由下面表示
E1＝CxsU/Co+(CxiU/Co+U2/2RxCoK)＝E1′+(CxiU/Co+U2/2RxCoK)E2＝CxsU/Co+(CxiU/Co-U2/2RxCoK+Um2/RxCoK)＝E2′+(CxiU/Co-U2/2RxCoK+Um2/RxCoK)E3＝CxsU/Co+(CxiU/Co+U2/2RxCoK)＝E3′+(CxiU/Co+U2/2RxCoK) (Ⅰ)公式(Ⅰ)中括號內(nèi)各項(xiàng)即為試樣〔8〕中線性電容Cxi〔11〕和損耗電阻Rx〔12〕在測試電壓U作用下在取樣電容Co〔9〕中所產(chǎn)生的信號的各分量。在損耗電阻Rx〔12〕值趨無窮大和線性電容Cxi〔11〕的電容量趨零時，這些括號內(nèi)各項(xiàng)都趨于零，所得信號E1′、E2′、E3′即為準(zhǔn)確的所求信號。
在測試電壓U一個周期中三段〔1〕、〔2〕、〔3〕時間內(nèi)，根據(jù)下列公式設(shè)置計(jì)算機(jī)程序，求出E1′＝E1-(CxiU/Co+U2/2RxCoK)E2′＝E2-(CxiU/Co-U2/2RxCoK+Um2/RxCoK)E3′＝E3-(CxiU/Co+U2/2RxCoK) (Ⅱ)即得消除試樣〔8〕中線性電容Cxi〔11〕和損耗電阻Rx〔12〕的影響后的E1′、E2′、E3′信號。E1′和E2′對應(yīng)于消除影響后的電滯回線的上升支部分，而E2′對應(yīng)于這電滯回線的下降支部分。
在以上公式(Ⅰ)和(Ⅱ)中，括號內(nèi)各項(xiàng)的U、Um、K和Co為已知，關(guān)鍵是要得到Cxi〔11〕和Rx〔12〕的具體值，一旦得到，就可減去兩者的影響，達(dá)到校正的目的。這Cxi〔11〕和Rx〔12〕相當(dāng)于上述的電橋電路中相互并聯(lián)的可變電容和可變電阻，需反復(fù)多次逼近求得。不同值的Cxi〔11〕和Rx〔12〕代入公式(Ⅱ)后得到不同的校正結(jié)果?？赡転檫^校正狀態(tài);也可能為欠校正狀態(tài);最恰當(dāng)?shù)男ＵQ為最佳校正狀態(tài)。各種校正狀態(tài)的判別主要在三角波測試電壓U近于正峰值的時間區(qū)域進(jìn)行，也即相應(yīng)于測得電滯回線的右上飽和部分進(jìn)行。
圖4是電滯回線各種校正狀態(tài)的示意圖。圖中〔16〕為Rx〔12〕過校正狀態(tài);〔17〕為Rx〔12〕欠校正狀態(tài);〔18〕為Cxi〔11〕欠校正狀態(tài);〔19〕為Cxi〔11〕過校正狀態(tài)。根據(jù)圖4得以下各表所示的結(jié)果。
表一為Rx〔12〕各種校正狀態(tài)的判別特征。
表二為Cxi〔11〕各種校正狀態(tài)的判別特征。
表一 Rx〔12〕各種校正狀態(tài)的判別特征
表二 Cxi〔11〕各種校正狀態(tài)的判別特征
在本發(fā)明中最佳校正Rx〔12〕和Cxi〔11〕是采用“二分法”，通過編制計(jì)算機(jī)程序逐次逼近求得(華中工學(xué)院數(shù)學(xué)教研室和軟件教研室合編，《算法語言·計(jì)算方法》，1978年，124-128頁)。具體分兩步進(jìn)行先求最佳校正Rx〔12〕，使Cxi〔11〕＝0;再求最佳校正Cxi〔11〕，使Rx〔12〕為求出的最佳校正值。
最佳校正的Rx〔12〕和Cxi〔11〕求出后，也就得到最佳校正輸出信號E1′、E2′、E3′。微計(jì)算機(jī)〔4〕根據(jù)這E1′、E2′、E3′信號和加于試樣〔8〕的測試電壓U控制繪圖機(jī)〔15〕作出準(zhǔn)確的電滯回線，同時控制打印機(jī)〔16〕輸出最佳校正的Rx〔12〕和Cxi〔11〕值。
具體的“二分法”逐次逼近的Rx〔12〕值求法描述如下最佳校正的Rx〔12〕值由設(shè)Cxi〔11〕＝0和以下步驟得到。分別設(shè)定兩個Rx〔12〕值，Rx′和Rx″。Rx′使過校正，Rx″使欠校正，得最佳校正的Rx〔12〕值必在區(qū)間〔Rx′，Rx″〕內(nèi)。把Rx＝(Rx′+Rx″)/2，Cxi＝0代入公式(Ⅱ)，得初步校正結(jié)果。如碰巧計(jì)算出在測試電壓U接近正峰Um的前和后部分時間中，從公式(Ⅱ)求出的E1′-E2′＝0，則Rx＝(Rx′+Rx″)/2即為求得最佳校正的Rx〔12〕值。否則計(jì)算出E1′-E2′＞0或E1′-E2′＜0，前一種情形取Rx1′＝(Rx′+Rx″)/2，Rx1″＝Rx″，后一種情形取Rx1′＝Rx′，Rx1″＝(Rx′+Rx″)/2。于是得到一個損耗電阻Rx〔12〕的差值只為原來一半的區(qū)間〔Rx1′，Rx1″〕，即Rx1″-Rx1′＝(Rx″-Rx′)/2。再把區(qū)間〔Rx1′，Rx1″〕二等分，使Rx＝(Rx1′+Rx1″)/2，把Rx＝(Rx1′+Rx1″)/2和Cxi＝0又代入公式(Ⅱ)，得進(jìn)一步校正結(jié)果，再計(jì)算新求出的(E1′-E2′)值的正負(fù)，等等。重復(fù)上述的“二分”過程，直至損耗電阻Rx〔12〕差值即區(qū)間小于予定的允許誤差值。
至于得最佳校正的Cxi〔11〕值的“二分法”求法與以上相似，只是根據(jù)測試電壓U接近正峰前E1′對時間導(dǎo)數(shù)的正或負(fù)作為判斷各種校正狀態(tài)的特征。
本發(fā)明的最佳實(shí)施方案是D/A轉(zhuǎn)換器〔5〕和A/D轉(zhuǎn)換器〔14〕是選用12位的。從精度上考慮優(yōu)于8位和10位的，從經(jīng)濟(jì)上考慮比更高位數(shù)的要低廉。取樣電容Co〔9〕應(yīng)選用優(yōu)質(zhì)低漏的電容器。高輸入阻抗放大器〔13〕的輸入阻抗應(yīng)不小于109歐，可減少取樣電容容〔9〕上電荷的損失?？刹捎肨REK 610B型高壓放大器，電壓放大最高可一千倍，頻帶寬，穩(wěn)定度高和具有輸出電流過載自動保護(hù)能力，特別適用于超低頻電滯回線的測試。微計(jì)算機(jī)〔4〕可采用IBM公司的IBM-PC/XT型。
本發(fā)明的技術(shù)方案中測試電壓U波形也可采用正弦波，只需對公式(Ⅰ)和(Ⅱ)作相應(yīng)的改動。
以下表三是兩種校正方法比較結(jié)果，一種是電橋電路方法，一種是本發(fā)明技術(shù)方案，對同一PLZT 9/70/30試樣的測試結(jié)果的比較。
表四是試樣以標(biāo)準(zhǔn)電阻，標(biāo)準(zhǔn)電容或兩者相并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)代替后，用本發(fā)明技術(shù)方案進(jìn)行測試的結(jié)果。
表四 試樣以標(biāo)準(zhǔn)電阻、標(biāo)準(zhǔn)電容或兩者相并網(wǎng)絡(luò)代替后，本發(fā)明測試結(jié)果
權(quán)利要求
1.一種鐵電體電滯回線計(jì)算機(jī)測試技術(shù)方案，采用Sawyer-Tower電路，利用微計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、存貯和控制等工作，本發(fā)明的特征是用微計(jì)算機(jī)[4]產(chǎn)生所需測試電壓波形的數(shù)字信號，經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換器[5]和高壓放大器[6]后得到所需測試電壓U，這測試電壓U加在Sawyer-Tower電路[7]，從Sawyer-Tower電路[7]輸出信號經(jīng)高輸入阻抗放大器[13]后，由A/D轉(zhuǎn)換器[14]送入微計(jì)算機(jī)[4]；采用“二分法”，通過編制計(jì)算機(jī)程序，把Sawyer-Tower電路[7]輸出信號中試樣[8]的線性電容Cxi[11]和損耗電阻Rx[12]的影響逐次加以消除；微計(jì)算機(jī)[4]根據(jù)這已消除掉線性電容Cxi[11]和損耗電阻Rx[12]的影響后的信號和加于試樣[8]的測試電壓U，控制繪圖機(jī)[15]作出校正后的電滯回線。
2.按權(quán)利要求
1規(guī)定的測試技術(shù)方案，其特征是加向Sawyer-Tower電路〔7〕的測試電壓U的波形為三角波，斜率為K，最大幅值為Um，在測試電壓U的一周期三段〔1〕、〔2〕、〔3〕時間內(nèi)，根據(jù)下列公式設(shè)置計(jì)算機(jī)程序求出E1′＝E1-(CxiU/Co+U2/2RxCoK)E2′＝E2-(CxiU/Co-U2/2RxCoK+Um2/RxCoK)E3′＝E3-(CxiU/Co+U2/2RxCoK) (Ⅱ)即得消除試樣〔8〕中線性電容Cxi〔11〕和損耗電阻Rx〔12〕的影響后的信號E1′、E2′、E3′;公式(Ⅱ)中U、Um、K和Co為已知知，E1、E2、E3為三段〔1〕、〔2〕、〔3〕時間內(nèi)Sawyer-Tower電路相應(yīng)的輸出信號。
3.按權(quán)利要求
2規(guī)定的測試技術(shù)方案，其特征是試樣〔8〕中損耗電阻Rx〔12〕和線性電容Cxi〔11〕的具體值是采用“二分法”，編制計(jì)算機(jī)程序逐次逼近求得(1)先使Cxi〔11〕＝0，先進(jìn)行損耗電阻Rx〔12〕的逐次逼近求值，判別各種校正狀態(tài)的特征是測試電壓U接近正峰值的前和后部分時間中，從公式(Ⅱ)求出的E1′-E2′＞0屬過校正，E1′-E2′＜0屬欠校正，E1′-E2′＝0屬最佳校正;(2)使Rx〔12〕為以上求得的最佳校正值，進(jìn)行Cxi〔11〕的逐次逼近求值，這時判別各種校正狀態(tài)的特征是在測試電壓U接近正峰值前的部分時間中公式(Ⅱ)中E1′對時間的導(dǎo)數(shù)為正值時屬欠校正，這導(dǎo)數(shù)為負(fù)值時屬過校正，這導(dǎo)數(shù)為零時屬最佳校正;求得最佳校正的Rx〔12〕和Cxi〔11〕值的同時，由公式(Ⅱ)得到相應(yīng)的得最佳校正的信號E1′、E2′、E3′，微計(jì)算機(jī)〔4〕根據(jù)這E1′、E2′、E3′信號和加于試樣〔8〕的測試電壓U控制繪圖機(jī)〔15〕作出最佳校正后的電滯回線，微計(jì)算機(jī)〔4〕同時控制打印機(jī)〔16〕輸出最佳校正的Rx〔12〕和Cxi〔11〕的值。
專利摘要
一種改進(jìn)的鐵電體電滯回線計(jì)算機(jī)測試技術(shù)方案，采用Sawyer-Tower電路，利用“二分法”，通過編制計(jì)算機(jī)程序把被測試樣中線性電容和損耗電阻的影響逐次自動消除，從而測得校正后的電滯回線。與現(xiàn)有電橋電路的校正方法相比，不需在高電壓下靠手工多次反復(fù)操作，在超低頻測試時能節(jié)省時間，并且免除了操作者主觀因素的影響，提高了測試精度和達(dá)到安全目的。
文檔編號G01R31/00GK86107714SQ86107714
公開日1988年5月25日 申請日期1986年11月13日
發(fā)明者何忠亮, 姚熹 申請人:西安交通大學(xué)導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan