CN101592715A - 磁电材料的电诱导磁转换系数测试装置及测试方法 - Google Patents

Abstract

一种磁电材料的电诱导磁转换系数测试装置及测试方法，直流磁场电源通过导线与左电磁铁、右电磁铁串联，在左电磁铁与右电磁铁之间设置x－y位移器和通过导线与特斯拉计相连接的特斯拉计探头，通过导线与电压放大器相连的交流磁场探头设置在安装于x－y位移器上待测样品的表面，电压放大器通过导线与示波器的一个通道相连接，函数信号发生器通过导线与功率放大器相连接，功率放大器通过导线与待测样品和示波器的另一个通道相连接。本发明可测量电诱导磁转换系数的幅值和相位随交流电场E_ac、交流电场频率f、直流偏置磁场H_dc、位置四种变化关系，样品垂直和平行磁场两个方向的电诱导磁转换系数。

Description

磁电材料的电诱导磁转换系数测试装置及测试方法

技术领域

本发明属于材料技术领域，具体涉及到测量磁电材料的电诱导磁转换系数测试装置及测试方法。

背景技术

磁电材料是多铁性材料的一种，具有磁电效应。磁电效应是材料在磁场作用下产生电极化或在电场中产生磁化的现象，这种材料兼有铁磁和铁电性能，亦被称作多铁性材料。磁电材料可以用于磁场传感器、换能器、变压器等多种功能器件，受到研究人员的广泛关注。

磁电材料的耦合系数可以通过测量在已知磁场下产生的电极化来获得。美国的Dong等人在“Dong S.X.，Li J.F.and Viehland D.Characterization ofmagnetoelectric laminate composites operated in longitudinal-transverse andtransverse-transverse modes.Journal of Appl ied Physics.2004，95：2625”中公开了他的测试装置。其中，采用直流电源驱动电磁铁产生直流偏置磁场；采用锁相放大器输出一个正弦电压，经过功率放大器放大，驱动亥姆赫兹线圈产生正弦微扰磁场，同时锁相放大器也用于测量磁电材料的输出电压。申请号为200610165250、发明名称为《磁电材料的磁电系数测试仪及其测试方法》的中国专利，用于测试样品与磁场不同角度下的磁电系数。磁电材料的耦合系数也可以通过测量磁电材料在电场下激发的磁感应强度来获得。最近，W.Eerenstein等人在“W.Eerenstein，M.Wiora，J.L.Prieto，J.F.Scott，and N.D.Mathur，Giant sharp and persistent conversemagnetoelectric effect in multiferroic epitaxial heterostructures.NatureMaterials.2007，6：348”中提到了他们的测试方法，通过给样品施加电场，利用振动样品磁强计测试磁感应强度。万建国等人在“J.G.Wan，J.-M.Liu，G.H.Wang，andC.W.Nan，Electric-field-induced magnetization in Pb(Zr，Ti)O₃/Terfenol-Dcomposite structures.Applied Physics Letter.2006，88：182502”中提到了他们的测试方法，使用线圈来探测由电场激发的磁感应强度。

现有的磁电材料电诱导磁转换系数的测试方法存在的主要缺点是只测量了电诱导磁转换系数的幅值，不能测量电诱导磁转换系数的相位，振动样品磁强计价格昂贵，操作不灵活，不能获得样品磁感应强度分布情况。

发明内容

本发明所解决的一个技术问题在于克服上述振动样品磁强计的缺点，提供一种磁电材料的电诱导磁转换系数测试装置

本发明所要解决的另一个技术问题在于提供一种磁电材料的电诱导磁转换系数测试的测试方法。

解决上述技术问题所采用的技术方案是：直流磁场电源通过导线与左电磁铁、右电磁铁串联，在左电磁铁与右电磁铁之间设置x-y位移器和通过导线与特斯拉计相连接的特斯拉计探头，通过导线与电压放大器相连的交流磁场探头设置在安装于x-y位移器上待测样品的表面，电压放大器通过导线与示波器的一个通道相连接，函数信号发生器通过导线与功率放大器相连接，功率放大器通过导线与待测样品和示波器的另一个通道相连接。

本发明的x-y位移器为：在支架上设置有样品固定板和上下移动的平移器，平移器上设置有连接杆，交流磁场探头设置在连接杆的端部，待测样品设置在样品固定板上。

本发明的交流磁场探头为：在软磁体外缠绕有导线。

本发明的软磁体为锰锌铁氧体。

上述测试装置对磁电材料电诱导磁转换系数的测试方法步骤如下：

a.将待测样品安装在样品固定板上，放入左电磁铁与右电磁铁之间的磁场中，待测样品平行或垂直于磁场。

b.接通左电磁铁和右电磁铁的直流磁场电源，调整直流磁场电源输出电流，用于接收直流偏置磁场H_dc的特斯拉计的探头放置在左电磁铁与右电磁铁之间的磁场中。

c.函数信号发生器向功率放大器输出正弦交流信号，功率放大器输出交流电压，在待测样品中产生正弦交流电场E_ac，改变函数信号发生器的输出频率来改变正弦电场的频率，改变功率放大器的输出功率改变待测样品中的电场强度。

d.功率放大器向示波器的一个通道输出基准信号。

e.设置在待测样品表面的交流磁场探头向电压放大器输出电压信号，电压放大器对输入的电压信号进行放大输出到示波器的另一个通道。

f.示波器上采集两个通道的信号，测量交流磁场产生的电压V₂的幅值和相位ψ，按以下公式计算交流磁场强度：

$M=C\frac{V_2}{f}---\left(1\right)$

式中C为校准常数，f为交流信号频率，读取示波器上功率放大器的输出检测端的电压信号V₁，根据下列公式转换成待测样品中的电场强度：

$E_{\mathrm{ac}}=\frac{V_1}{t}---\left(2\right)$

式中t为待测样品的厚度，根据如下公式，进行数据处理得到所需频率下电诱导磁转换系数α_M的幅值：

${\mathrm{\α}}_M=\frac{M}{E_{\mathrm{ac}}}---\left(3\right)$

g.重复步骤3至6，得出一系列频率f下的电诱导磁转换系数的幅值和相位ψ。

作为本发明的另一种改进，加装了x-y位移器，x-y位移器上设置放置在待测样品表面上的交流磁场探头，通过x-y位移器调整交流磁场探头的位置。

本发明与现有技术相比，本发明是一套完备的电诱导磁转换系数测试装置，它包含了频率f、直流偏置磁场H_dc、交流电场E_ac、样品不同位置四种测试变化因素，并提供了一种测量方法，除了能测量电诱导磁转换系数的幅值之外，还能够测得电诱导磁转换系数的相位。本发明直接监控功率放大器的电压输出，提高了精度。

该测试装置一方面可以测量电诱导磁转换系数的幅值和相位随频率的变化；另一方面可以测量电诱导磁转换系数随直流磁场和交流电场的变化，还可测试电诱导磁转换系数的在样品不同位置的分布情况。

附图说明

图1是本发明一个实施例的结构示意图。

图2是图1中交流磁场探头9的结构示意图。

图3是待测样品8平行磁场方向电诱导磁转换系数的幅值和相位随频率的变化曲线。

图4是待测样品8垂直磁场方向电诱导磁转换系数的幅值和相位随频率的变化曲线。

图5是待测样品8平行磁场方向电诱导磁转换系数在待测样品8表面不同位置的分布曲线。

图6是待测样品8垂直磁场方向电诱导磁转换系数在径向的变化曲线。

图7是待测样品8垂直磁场方向在原点处电诱导磁转换系数随电场的变化曲线。

图8是待测样品8垂直磁场方向在原点处电诱导磁转换系数随偏置磁场H_dc的的变化曲线。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步详细说明，但本发明不限于这些实施例。

在图1中，本实施例的磁电材料的电诱导磁转换系数测试装置由特斯拉计1、电压放大器2、功率放大器3、示波器4、函数信号发生器5、直流磁场电源6、右电磁铁7、交流磁场探头9、连接杆10、样品固定板11、平移器12、支架13、特斯拉计探头14、左电磁铁15联接构成。

直流磁场电源6通过导线与左电磁铁15、右电磁铁7串联，直流磁场电源6为左电磁铁15、右电磁铁7提供电源，在左电磁铁15与右电磁铁7之间设置x-y位移器和特斯拉计探头14，特斯拉计探头14通过导线与特斯拉计1相连接，特斯拉计探头14用于测量直流偏置磁场H_dc的大小，通过改变直流电源电流输出的大小调节直流偏置磁场H_dc的大小。本实施例的x-y位移器由连接杆10、样品固定板11、平移器12、支架13连接构成，在支架13上用螺纹緊固联接件活动联接有平移器12和样品固定板11，平移器12可在支架13上上下移动，平移器12上用螺纹緊固联接件活动联接有连接杆10，连接杆10相对于支架13在垂直方向上上下移动，在连杆的端部用螺纹緊固联接件活动联接有交流磁场探头9，交流磁场探头9可在平移器12上水平移动，在检测待测样品8时，待测样品8固定在样品固定板11上，交流磁场探头9放置在被测的待测样品8的表面，调整平移器12在支架13上的垂直方向上的位置，调整交流磁场探头9在连接杆10上的位置，实现交流磁场探头9相对于支架13在垂直方向、水平方向移动。交流磁场探头9通过导线与电压放大器2相连，交流磁场探头9将所接收到的待测样品8的磁信号转换成电信号输出到电压放大器2，电压放大器2通过导线与示波器4的一个通道相连接，电压放大器2将输入的电信号进行放大输出到示波器4的一个通道。函数信号发生器5通过导线与功率放大器3相连接，功率放大器3通过导线与待测样品8和示波器4的另一个通道相连接，函数信号发生器5输出频率为100Hz～200kHz的正弦电压，经功率放大器3放大后驱动被检测的待测样品8，在被测的待测样品8上产生相同频率的正弦电场E_ac。功率放大器3为示波器4提供基准信号。

采用上述磁电材料的电诱导磁转换系数测试装置的测试方法由下述步骤组成：

a.将待测样品8安装在样品固定板11上，放入左电磁铁15与右电磁铁7之间的磁场中，待测样品8平行或垂直于磁场。

b.接通直流磁场电源6与左电磁铁15和右电磁铁7的电源，产生直流磁化偏置磁场，通过改变直流磁场电源6输出电流的大小，调节直流偏置磁场H_dc的大小；将特斯拉计的探头6放置在左电磁铁15与右电磁铁7的磁场之间，测量直流偏置磁场H_dc的大小。

c.函数信号发生器5输出正弦交流信号，由功率放大器3输出交流电压，在待测样品8中产生正弦交流电场E_ac，通过改变函数信号发生器5的输出频率来改变正弦电场的频率，改变功率放大器3的输出功率，改变待测样品8中的电场强度。

d.把功率放大器3的输出检测端输出到示波器4的一个通道，作为基准信号。

e.把交流磁场探头9放在待测样品8表面，待测样品8产生的交流磁场在交流磁场探头9中产生交流电压，通过电压放大器2对探测到的电压信号进行放大，输出到示波器4的另一个通道。

f.从示波器4上采集两个通道的信号，测量交流磁场产生的电压V₂的幅值和相位ψ，根据如下公式换算成交流磁场强度：

$M=C\frac{V_2}{f}---\left(1\right)$

式中C为校准常数，f为交流信号频率，读取示波器4上功率放大器3的输出检测端的电压信号V₁，根据下列公式转换成待测样品8中的电场强度：

$E_{\mathrm{ac}}=\frac{V_1}{t}---\left(2\right)$

式中t为待测样品8的厚度，根据如下公式，进行数据处理得到所需频率下电诱导磁转换系数α_M的幅值：

${\mathrm{\α}}_M=\frac{M}{E_{\mathrm{ac}}}---\left(3\right)$

g.重复步骤3～6，得出一系列频率f下的电诱导磁转换系数的幅值和相位ψ。

为了验证本发明的有益效果，发明人采用本发明实施例1磁电材料的电诱导磁转换系数测试装置及测试方法对Pb(Zr_0.52，Ti_0.48)O₃(PZT)和Terfenol-D复合的磁电复合材料的电性能参数进行了测试，各种电性能参数测试情况如下：

1、制备磁电复合材料片

将直径为19.8mm，厚度为1.56mm的Pb(Zr_0.52，Ti_0.48)O₃(PZT)和厚度为2.79mm的Terfenol-D圆薄片用环氧树脂粘接在一起，制成磁电复合材料片，作为待测样品8。

2、测试磁电复合材料片水平方向的电诱导磁转换系数和相位的频谱

将磁电复合材料片作为待测样品8固定在样品固定板11上，放入左电磁铁15与右电磁铁7之间磁场中，使待测样品8表面和磁场方向平行，设定H_dc为500Oe，把交流磁场探头9放置在待测样品8表面距中心4.5mm处，调节激发电压频率和幅度，从示波器4上读取交流磁场探头9的电压信号幅值V₂与相位ψ，根据计算公式(1)～(3)得到电诱导磁转换系数的幅值与相位，得到一系列频率下的电诱导磁转换系数的幅值(α_M)和相位值(ψ)，然后重复测试5次得到数据，按(4)～(6)式求电诱导磁转换系数和相位的平均值：

$\stackrel{\‾}{{\mathrm{\α}}_M}=\frac{1}{5}\underset{i=1}{\overset{5}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\α}}_{M,i}$ $\stackrel{\‾}{\mathrm{\ψ}}=\frac{1}{5}\underset{i=1}{\overset{5}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\ψ}}_i---\left(4\right)$

标准偏差为：

${\mathrm{SD}}_{{\mathrm{\α}}_M}=\sqrt{\frac{1}{5}\underset{i=1}{\overset{5}{\mathrm{\Σ}}}{({\mathrm{\α}}_{M,i}-\stackrel{\‾}{{\mathrm{\α}}_M})}^2}$ ${\mathrm{SD}}_{\mathrm{\ψ}}=\sqrt{\frac{1}{5}\underset{i=1}{\overset{5}{\mathrm{\Σ}}}{({\mathrm{\ψ}}_i-\stackrel{\‾}{\mathrm{\ψ}})}^2}---\left(5\right)$

相对标准偏差为：

${\mathrm{RSD}}_{{\mathrm{\α}}_M}=\frac{{\mathrm{SD}}_{{\mathrm{\α}}_M}}{\stackrel{\‾}{{\mathrm{\α}}_M}}\×100\%$ ${\mathrm{RSD}}_{\mathrm{\ψ}}=\frac{{\mathrm{SD}}_{\mathrm{\ψ}}}{\stackrel{\‾}{\mathrm{\ψ}}}\×100\%---\left(6\right)$

根据公式(4)～(6)得到平行方向的电诱导磁转换系数和相位的平均值、标准偏差及相对标准偏差随频率变化的曲线见图3。

在图3中，上半部分的圆圈表示电诱导磁转换系数的幅值平均值(α_M)，三角表示相位的平均值(ψ)，横短线表示相应点的标准偏差(SD)，下半部分为对应的相对标准偏差(RSD)随频率的变化，圆形为电诱导磁的相对标准偏差，三角为相位的相对标准偏差。除了低频个别点外，相对标准偏差小于5％，说明系统很可靠。

3、测试磁电复合材料片垂直方向的电诱导磁转换系数和相位的频谱

将磁电复合材料片作为待测样品8固定在样品固定板11上，放入左电磁铁15与右电磁铁7之间磁场中，使待测样品8表面与磁场方向垂直，设定H_dc为400Oe，把交流磁场探头9放置在待测样品8表面的中心处，其它操作步骤和实验2相同，得到垂直方向的电诱导磁转换系数(α_M)和相位(ψ)的平均值和标准偏差随频谱变化如图4所示。

图4中的符号和图3中的含义相同，在图4中，下半部分对应的相对标准偏差(RSD)除了低频个别点外，相对标准偏差小于3％，说明系统很可靠。

4、测试电诱导磁转换系数在磁电复合材料片表面平行方向的分布情况

将实验1中的磁电复合材料片作为待测样品8固定在样品固定板11上，放入左电磁铁15与右电磁铁7之间磁场中，使待测样品8表面与磁场方向平行，设定H_dc为500Oe、E_ac为130V/cm、f为37kHz，调节x-y位移器，控制交流磁场探头9在样品表面的位置。假定待测样品8中心位置为原点，平行磁场方向为x方向，垂直磁场方向为y方向。设置y为0、2、4mm，调节x方向位置，从示波器4上读取不同位置的电压信号大小V₂，根据计算公式(1)～(3)得到电诱导磁转换系数(α_M)，根据计算公式(4)～(6)得到平均值和标准偏差，实验结果见图5，图5中的符号与图3中的含义相同，在图5中，下半部分为对应的不同位置的相对标准偏差(RSD)，在电诱导磁转换系数较大处相对标准偏差较小，但相对标准偏差均小于10％，说明系统可靠。

5、测试电诱导磁转换系数在磁电复合材料片表面垂直方向的分布情况

将实验1中的磁电复合材料片作为待测样品8固定在样品固定板11上，放入左电磁铁15与右电磁铁7之间的磁场中，使测样品8与磁场方向垂直，设定H_dc为400Oe、E_ac为130V/cm、f为37kHz，调节x-y位移器，控制交流磁场探头9在待测样品8表面的位置。假定样品中心位置为原点，由于电诱导磁具有中心对称分布特征，故重复测量从待测样品8中心到边缘的变化情况。从示波器4上读取不同位置的电压信号大小V₂，根据计算公式(1)～(3)得到电诱导磁转换系数(α_M)，根据计算公式(4)～(6)得到平均值和标准偏差，试验结果见图6，图6中的符号和图3中的含义相同，在图6中，下半部分为对应的不同位置的相对标准偏差(RSD)，在电诱导磁转换系数较大处相对标准偏差＜2％，其它位置相对标准偏差均小于7％，说明系统可靠。

6、测试磁电复合材料片的电诱导磁转换系数随激发电场E_ac的变化

将实验1中的磁电复合材料片作为待测样品8固定在样品固定板11上，放入左电磁铁15与右电磁铁7之间磁场中，使测样品8与磁场方向垂直，把交流磁场探头9放置在样品表面的中心处，设定H_dc为400Oe、f为37kHz，通过调节功率放大器3改变激发电场(E_ac)的大小，从示波器4上读取不同激发电场下的电压信号大小V₂，根据计算公式(1)～(3)得到电诱导磁转换系数(α_M)，根据计算公式(4)～(6)得到平均值和标准偏差。实验结果见图7，在图7中，下半部分为对应的不同电场下的相对标准偏差RSD，相对标准偏差均小于4％，说明系统很可靠。

7、磁电复合材料片的电诱导磁转换系数随直流偏置磁场H_dc的变化

将实验1中的磁电复合材料片作为待测样品8固定在样品固定板11上，放入左电磁铁15与右电磁铁7之间磁场中，使测样品8与磁场方向垂直，把交流磁场探头9放置在待测样品8表面的中心处，设定E_ac为130V/cm、f为37kHz，调节直流磁场电源6的输出电流改变偏置磁场H_dc的大小，从示波器4上读取不同激发电场下的电压信号大小V₂，根据计算公式(1)～(3)得到电诱导磁转换系数α_M，根据计算公式(4)～(6)得到平均值和标准偏差。试验结果见如图8，在图8中，下半部分为对应的不同偏置磁场下的相对标准偏差(RSD)，相对标准偏差(RSD)均小于2％，说明系统很可靠。

Claims (5)

1、一种磁电材料的电诱导磁转换系数测试装置，其特征在于：直流磁场电源(6)通过导线与左电磁铁(15)、右电磁铁(7)串联，在左电磁铁(15)与右电磁铁(7)之间设置x-y位移器和通过导线与特斯拉计(1)相连接的特斯拉计探头(14)，通过导线与电压放大器(2)相连的交流磁场探头(9)设置在安装于x-y位移器上待测样品(8)的表面，电压放大器(2)通过导线与示波器(4)的一个通道相连接，函数信号发生器(5)通过导线与功率放大器(3)相连接，功率放大器(3)通过导线与待测样品(8)和示波器(4)的另一个通道相连接。

2、按照权利要求1所述的磁电材料的电诱导磁转换系数测试装置，其特征在于：所说的x-y位移器为：在支架(13)上设置有样品固定板(11)和上下移动的平移器(12)，平移器(12)上设置有连接杆(10)，交流磁场探头(9)设置在连接杆(10)的端部，待测样品(8)设置在样品固定板(11)上。

3、按照权利要求1或2所述的磁电材料的电诱导磁转换系数测试装置，其特征在于所说的交流磁场探头(9)为：在软磁体(9-2)外缠绕有导线(9-1)。

4、按照权利要求3所述的磁电材料的电诱导磁转换系数测试装置，其特征在于所说的软磁体(9-2)为锰锌铁氧体。

5、一种使用权利要求1磁电材料的电诱导磁转换系数测试装置的测试方法，其特征在于该方法步骤如下：

a.将待测样品(8)安装在样品固定板(11)上，放入左电磁铁(15)与右电磁铁(7之间的磁场中，待测样品(8平行或垂直于磁场；

b.接通左电磁铁(15)和右电磁铁(7)的直流磁场电源(6)，调整直流磁场电源(6)输出电流，用于接收直流偏置磁场H_dc的特斯拉计的探头(6)放置在左电磁铁(15)与右电磁铁(7)之间的磁场中；

c.函数信号发生器(5向功率放大器(3)输出正弦交流信号，功率放大器(3)输出交流电压，在待测样品(8)中产生正弦交流电场E_ac，改变函数信号发生器(5)的输出频率来改变正弦电场的频率，改变功率放大器(3)的输出功率改变待测样品(8)中的电场强度；

d.功率放大器(3)向示波器(4)的一个通道输出基准信号；

e.设置在待测样品(8)表面的交流磁场探头(9)向电压放大器(2)输出电压信号，电压放大器(2)对输入的电压信号进行放大输出到示波器(4)的另一个通道；

f.示波器(4)上采集两个通道的信号，测量交流磁场产生的电压V₂的幅值和相位ψ，按以下公式计算交流磁场强度：

$M=C\frac{V_2}{f}---\left(1\right)$

式中C为校准常数，f为交流信号频率，读取示波器(4)上功率放大器(3)的输出检测端的电压信号V₁，根据下列公式转换成待测样品(8)中的电场强度：

$E_{\mathrm{ac}}=\frac{V_1}{t}---\left(2\right)$

式中t为待测样品8的厚度，根据如下公式，进行数据处理得到所需频率下电诱导磁转换系数α_M的幅值：

${\mathrm{\α}}_M=\frac{M}{E_{\mathrm{ac}}}---\left(3\right)$

g.重复步骤(3)至(6)，得出一系列频率f下的电诱导磁转换系数的幅值和相位ψ。

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