CN101788653A - 一种连续施加扫描磁场的磁电回线测试方法及其装置 - Google Patents
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Abstract
一种连续施加扫描磁场的磁电回线测试方法及其装置,涉及一种磁电材料的性能测试方法及其测试装置。装置设有电磁铁、直流电源、特斯拉计、亥姆赫兹线圈、锁相放大器、函数信号发生器、屏蔽罩和计算机。将样品接锁相放大器输入端,设定函数信号发生器频率和锁相放大器时间常数,启动信号处理软件;控制电磁铁输出扫描磁场施加在样品上;计算机连续采集磁电电压的幅值和相位,以及扫描磁场的磁场强度值;计算机对采集到的幅值和相位进行信号处理,根据相位小于等于零时磁电电压为正,相位大于零时为负的规则,自动设定幅值的正负号,得到磁电电压;计算机自动以扫描磁场的磁场强度值为X轴,磁电电压为Y轴,实时做出磁电回线并保存实验数据。
Description
技术领域
本发明涉及一种磁电材料的性能测试方法及其测试装置,尤其是涉及一种连续施加扫描磁场的磁电回线测试方法及其装置。
背景技术
磁电效应是磁场和电场的相互耦合效应,磁场诱导产生电极化的效应为正磁电效应,通常就简称为磁电效应,另外还有电场诱发磁极化的逆磁电效应。具有磁电效应的材料统称为磁电材料,在传感器、执行器、存储器等领域具有广阔的应用前景,是一种新型的多功能信息材料。
磁电效应一般是通过向被测材料施加磁场然后测量其电极化的原理来进行测量,但是直接测量电极化有一定的难度,因为磁电材料都是很好的绝缘材料(介电体),除非采用高输入阻抗的静电计来测量,否则电极化积累产生的电压很容易被外电路释放掉。因此,直接测量静态电压的作法一般不被采用,而是采用动态的微扰法。微扰法是在向被测材料施加直流偏置磁场的基础上,再叠加一个起微扰作用的微小交变磁场,交变磁场通常由函数信号发生器驱动一个亥姆赫兹线圈产生,与直流偏置磁场共同施加在磁电材料上。在微扰交变磁场的作用下,由直流偏置磁场诱导产生的电极化处于不断的变化中,于是可以源源不断地输出交变电压或者电荷到外电路中,便于后续的电压或电荷测量。采用微扰法大大降低了测量的难度,受到广泛的采用。固定微扰磁场的频率和大小,测量磁电效应随直流偏置磁场的变化曲线是微扰法最基本的一项测试内容。
近年来,在许多研究结果中发现([1]Laletin V.M.,Paddubnaya N.,Srinivasan G.,VreugdC.P.,Bichurin M.I.,Petrov V.M.,Filippov D.A.Frequency and field dependence of magnetoelectricinteractions in layered ferromagnetic transition metal-piezoelectric lead zirconate titanate,AppliedPhysics Letters 87,222507(2005);[2]施展,王翠萍,刘兴军,南策文.基于磁电复合材料的四态存储器.科学通报,53(10),1177-1179(2008)),磁电效应随直流偏置磁场的变化曲线也存在着形状和磁滞回线(或电滞回线)类似的滞回现象,这种扫描磁场在正负磁场之间扫描一周的磁电效应变化曲线被称为磁电回线。磁电回线中包含了最佳偏置磁场、矫顽场等重要性能指标,对磁电材料在存储器方面的应用有重要的指导意义。于是,磁电回线作为一种新的性能曲线和新的测试内容开始受到关注。
但是,目前的技术在测量磁电回线时存在着两大不足:
1)测试过程漫长。当测量磁电回线时,扫描磁场要在正负磁场之间扫描一周,测试数据量相当于常规测量的4倍。目前,不论是采用示波器,还是锁相放大器的测试技术([3]施展,南策文,翟俊宜,蔡宁,马静,磁电材料的磁电系数测试仪及其测试方法,专利,公开号CN1975454A;[4]Shuxiang Dong,Jie-Fang Li and D.Vieland,Characterization of magnetoelectriclaminate composites operated in longitudinal-transverse and transverse-transverse modes,J.Appl.Phys.,95(5),2625-2630(2004),直流偏置磁场都是断续变化的,即扫描磁场呈阶梯波的形式,在每个磁场值下必须停留足够的时间进行测量。这与示波器测量时间较长以及锁相放大器时间常数没有优化有关,而磁电回线的测试点多,数据量大,导致测试时间很长。
2)自动化程度低,需要手工对信号进行处理。微扰法的磁电电压是交变的,绘制磁电回线时需要根据相位的大小设置磁电电压的正负号,才能进行最后的作图。目前,这一部分的信号处理需在测量之后采用手动方式进行,不够直接,要耗费大量的人力和时间,这大大降低了研究效率。
因此,很有必要针对磁电回线的特点,开发出能够进行快速测量的专门设备,其关键技术在于如何加快扫描磁场的变化速率,并且缩短测量和信号处理的时间。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术中测试速度较慢的问题,提供一种连续施加扫描磁场的磁电回线测试装置。
本发明的另一目的在于提供一种采用所述连续施加扫描磁场的磁电回线测试装置的连续施加扫描磁场的磁电回线测试方法。
本发明的技术方案是采用连续施加扫描磁场的方式来测量磁电回线,同时通过优化锁相放大器的时间常数,使得锁相放大器可以作为快速检波器使用,并采用计算机进行自动化信号处理。
本发明所述连续施加扫描磁场的磁电回线测试装置设有电磁铁、直流电源、特斯拉计、亥姆赫兹线圈、锁相放大器、函数信号发生器、屏蔽罩和计算机。电磁铁由直流电源驱动,通过手动控制直流电源,电磁铁产生一正一负大小相等的两个连续变化的三角波扫描磁场施加在样品上;特斯拉计通过所带的霍尔探头测量扫描磁场的大小;函数信号发生器的同步信号输出端接锁相放大器的参考信号输入端以提供相位参考,函数信号发生器驱动亥姆赫兹线圈产生一个微扰磁场施加在样品上;接地的屏蔽罩笼罩在样品周围屏蔽外来的干扰;样品连接到锁相放大器的输入端,由锁相放大器测量样品产生的磁电电压的幅值R和相位θ;计算机中含有计算机通讯模块以及采用Labview语言自行编写的信号处理软件,计算机通过通讯模块与特斯拉计和锁相放大器连接并进行通讯;信号处理软件通过通讯模块连续读取特斯拉计和锁相放大器的测量值然后实时进行信号处理,实时做出磁电回线,并保存实验数据。
所述锁相放大器的时间常数最好设定在10~100ms,使之可以实现连续地测量。
本发明所述连续施加扫描磁场的磁电回线测试方法,采用所述连续施加扫描磁场的磁电回线测试装置,包括以下步骤:
1)将样品与锁相放大器的输入端连接,设定函数信号发生器的频率为所需的测量频率,设定锁相放大器的时间常数范围,启动计算机中的信号处理软件;
2)手动控制电磁铁输出一正一负大小相等的两个连续变化的三角波扫描磁场施加在样品上;
3)计算机连续采集磁电电压的幅值和相位,以及扫描磁场的磁场强度值;
4)计算机对采集到的幅值和相位进行信号处理,根据相位小于等于零时磁电电压为正,相位大于零时为负的规则,自动设定幅值的正负号,得到磁电电压;
5)计算机自动以扫描磁场的磁场强度值为X轴,磁电电压为Y轴,实时做出磁电回线并保存实验数据。
所述设定锁相放大器的时间常数范围最好为10~100ms。
从以上的技术方案可以看出,本发明的主要技术特点是采用连续的方式施加扫描磁场,同时优化锁相放大器的时间常数使得锁相放大器可以作为快速检波器使用,实现了连续的测量,最后采用计算机连续记录测量值并同步进行信号处理,使得扫描、测量、信号处理都是连续的,实现了磁电回线的实时、快速测量。本发明的突出特点是:
1)扫描磁场为一正一负大小相等的两个连续变化的三角波。
2)频率范围在(1~100)kHz内,锁相放大器的时间常数设定在10~100ms,使之可以实现连续测量。
3)计算机连续记录磁电电压的幅值、相位以及扫描磁场的磁场强度,根据相位小于等于零时磁电电压为正,相位大于零时磁电电压为负的规则进行实时信号处理,实时做出磁电回线并保存实验数据。
本发明实现了以下的技术效果。
1)快速测量:连续施加磁场的方式显著提高了测试速度,扫描磁场的变化率最高可达0.02T/s。例如,扫描磁场峰值为0.2T时,测试时间只需要40~60秒,测量数据点为120~200个,每个点测量时间为300ms,测量效率比逐点增加磁场的方式提高了一个数量级。
2)实时直观:计算机在记录数据的同时进行信号处理,可以实时做出磁电回线,以及其他一些原始数据的曲线,如:磁场强度随测量时间的变化曲线,磁电电压的幅值、相位随磁场强度的变化曲线。第一时间就能对结果进行初步判断,方便进行现场分析和调整。
3)操作简单:自动化程度高。只需要手动施加扫描磁场,其余工作都由计算机自动完成,最终的数据保存成文本文件储存在计算机中,便于使用。
附图说明
图1为本发明所述连续施加扫描磁场的磁电回线测试装置实施例的系统方框图。
图2为信号处理软件的软件方框图。
图3为在1kHz下,本发明以时间常数为10ms测量Ni/PZT材料的扫描磁场随测量时间的变化曲线。
图4为在1kHz下,本发明以时间常数为10ms测量Ni/PZT材料的幅值、相位随磁场强度的变化曲线。
图5为在1kHz下,本发明以时间常数为10ms测量Ni/PZT材料的磁电回线。
图6为在1kHz下,本发明以时间常数为30ms测量Ni/PZT材料的扫描磁场随测量时间的变化曲线。
图7为在1kHz下,本发明以时间常数为30ms测量Ni/PZT材料的幅值、相位随磁场强度的变化曲线。
图8为在1kHz下,本发明以时间常数为30ms测量Ni/PZT材料的磁电回线。
图9为在1kHz下,本发明以时间常数为100ms测量Ni/PZT材料的扫描磁场随测量时间的变化曲线。
图10为在1kHz下,本发明以时间常数为100ms测量Ni/PZT材料的幅值、相位随磁场强度的变化曲线。
图11为在1kHz下,本发明以时间常数为100ms测量Ni/PZT材料的磁电回线。
图12为在10kHz下,本发明以时间常数为10ms测量Ni/PZT材料的扫描磁场随测量时间的变化曲线。
图13为在10kHz下,本发明以时间常数为10ms测量Ni/PZT材料的幅值、相位随磁场强度的变化曲线。
图14为在10kHz下,本发明以时间常数为10ms测量Ni/PZT材料的磁电回线。
图15为在10kHz下,本发明以时间常数为30ms测量Ni/PZT材料的扫描磁场随测量时间的变化曲线。
图16为在10kHz下,本发明以时间常数为30ms测量Ni/PZT材料的幅值、相位随磁场强度的变化曲线。
图17为在10kHz下,本发明以时间常数为30ms测量Ni/PZT材料的磁电回线。
图18为在10kHz下,本发明以时间常数为100ms测量Ni/PZT材料的扫描磁场随测量时间的变化曲线。
图19为在10kHz下,本发明以时间常数为100ms测量Ni/PZT材料的幅值、相位随磁场强度的变化曲线。
图20为在10kHz下,本发明以时间常数为100ms测量Ni/PZT材料的磁电回线。
图21为在80kHz下,本发明以时间常数为10ms测量Ni/PZT材料的扫描磁场随测量时间的变化曲线。
图22为在80kHz下,本发明以时间常数为10ms测量Ni/PZT材料的幅值、相位随磁场强度的变化曲线。
图23为在80kHz下,本发明以时间常数为10ms测量Ni/PZT材料的磁电回线。
图24为在80kHz下,本发明以时间常数为30ms测量Ni/PZT材料的扫描磁场随测量时间的变化曲线。
图25为在80kHz下,本发明以时间常数为30ms测量Ni/PZT材料的幅值、相位随磁场强度的变化曲线。
图26为在80kHz下,本发明以时间常数为30ms测量Ni/PZT材料的磁电回线。
图27为在80kHz下,本发明以时间常数为100ms测量Ni/PZT材料的扫描磁场随测量时间的变化曲线。
图28为在80kHz下,本发明以时间常数为100ms测量Ni/PZT材料的幅值、相位随磁场强度的变化曲线。
图29为在80kHz下,本发明以时间常数为100ms测量Ni/PZT材料的磁电回线。
在图3,6,9,12,15,18,21,24,27中,横坐标为测量时间(s),纵坐标为磁场强度(T);其中样品:Ni/PZT,频率:1kHz,时间常数:10ms,数据个数:156。
在图4,7,10,13,16,19,22,25,28中,横坐标为磁场强度(T),左纵坐标为磁场幅值(V),右纵坐标为相位(deg);其中样品:Ni/PZT,频率:1kHz,时间常数:10ms,数据个数:156。
在图5,8,11,14,17,20,23,26,29中,横坐标为磁场强度(T),纵坐标为磁场磁电电压(V);其中样品:Ni/PZT,频率:1kHz,时间常数:10ms,数据个数:156。
在图3~5中,样品:Ni/PZT,频率:1kHz,时间常数:10ms,数据个数:156。
在图6~8中,样品:Ni/PZT,频率:1kHz,时间常数:30ms,数据个数:199。
在图9~11中,样品:Ni/PZT,频率:1kHz,时间常数:100ms,数据个数:152。
在图12~14中,样品:Ni/PZT,频率:10kHz,时间常数:10ms,数据个数:121。
在图15~17中,样品:Ni/PZT,频率:10kHz,时间常数:30ms,数据个数:144。
在图18~20中,样品:Ni/PZT,频率:10kHz,时间常数:100ms,数据个数:124。
在图21~23中,样品:Ni/PZT,频率:80kHz,时间常数:10ms,数据个数:148。
在图24~26中,样品:Ni/PZT,频率:80kHz,时间常数:30ms,数据个数:158。
在图27~29中,样品:Ni/PZT,频率:80kHz,时间常数:100ms,数据个数:163。
具体实施方式
以下实施例结合附图对本发明作进一步的说明。
按图1的方式连接测试装置,一台电磁铁1(型号U-85)由直流电源2(型号U85D)驱动。由带有通讯端口的特斯拉计3(型号YL1020)测量电磁铁1产生的磁场强度,特斯拉计3的霍尔探头放置在电磁铁1的匀强区中。亥姆赫兹线圈4放置在电磁铁1中,线圈的匀强区中心与电磁铁的匀强区中心相重合。样品P放置在匀强区的中心,周围笼罩着一个接地的屏蔽罩7。函数信号发生器6(型号DG2012A)的电压输出端与亥姆赫兹线圈4连接,输出一个频率从1kHz到100kHz的交流电压,驱动亥姆赫兹线圈4产生微扰磁场。一台双锁相放大器5(型号EG&G Model5210)的电压输入端与样品P连接,锁相放大器5设置为外触发模式,锁相放大器5的外触发输入端口与函数信号发生器6的同步信号输出端口连接,时间常数设定为10ms-100ms。计算机8通过通讯端口9分别与特斯拉计3和锁相放大器5相连接。计算机8中带有采用Labview语言自行编写的信号处理软件10。
信号处理软件10的软件方框图如图2所示,各个模块的功能和工作过程为:软件首先进行初始化,设定锁相放大器的量程;然后进入一个定时的循环,循环每隔300ms启动,分别与特斯拉计3和锁相放大器5进行通讯,进行一次磁场强度的读取和电压幅值R和相位θ的读取;然后进入信号处理模块,信号处理模块根据相位θ设置幅值R的正负号得到磁电电压UME,具体规则为:θ≤0时,UME=R,θ>0时,UME=-R。实时作图模块根据所测得的数据,实时做出扫描磁场的磁场强度随测量时间变化曲线、幅值和相位随磁场强度的变化曲线,以及磁电回线(即磁电电压UME随磁场强度的的变化曲线)。每次循环的测量时间、磁场强度、电压幅值R、电压相位θ和磁电电压UME进入保存模块,保存成文本文件储存在计算机中。
在1kHz-100kHz范围内,采用所述的测量装置以10ms-100ms的时间常数对Ni/PZT样品进行的具体测量过程和测量结果如图3~29所示。
1)采用所述测试装置在1kHz下以时间常数为10ms对Ni/PZT磁电复合材料进行测量。测量过程为:将样品如图1放入电磁铁的匀强区中,并与锁相放大器的输入端相连接;设定函数信号发生器的频率为1kHz;设定锁相放大器的时间常数(Time constant)为10ms启动信号处理软件,缓慢连续地转动直流电源的电流旋钮,对样品施加一个从0上升到+0.2T再下降到0再下降到-0.2T再上升到0的扫描磁场,施加完毕后关闭信号处理软件。信号处理软件采集到的扫描磁场随测量时间的变化曲线如图3所示;幅值和相位随磁场强度的变化曲线如图4所示;磁电回线如图5所示。
2)采用所述测试装置在1kHz下以时间常数为30ms对Ni/PZT磁电复合材料进行测量。测量过程为:将样品如图1放入电磁铁的匀强区中,并与锁相放大器的输入端相连接;设定函数信号发生器的频率为1kHz;设定锁相放大器的时间常数(Time constant)为30ms;启动信号处理软件,缓慢连续地转动直流电源的电流旋钮,对样品施加一个从0上升到+0.2T再下降到0再下降到-0.2T再上升到0的扫描磁场,施加完毕后关闭信号处理软件。信号处理软件采集到的扫描磁场随测量时间的变化曲线如图6所示;幅值和相位随磁场强度的变化曲线如图7所示;磁电回线如图8所示。
3)采用所述测试装置在1kHz下以时间常数为100ms对Ni/PZT磁电复合材料的测量结果。测量过程为:将样品如图1放入电磁铁的匀强区中,并与锁相放大器的输入端相连接;设定函数信号发生器的频率为1kHz;设定锁相放大器的时间常数(Time constant)为100ms;启动信号处理软件,缓慢连续地转动直流电源的电流旋钮,对样品施加一个从0上升到+0.2T再下降到0再下降到-0.2T再上升到0的扫描磁场,施加完毕后关闭信号处理软件。信号处理软件采集到的扫描磁场随测量时间的变化曲线如图9所示;幅值和相位随磁场强度的变化曲线如图10所示;磁电回线如图11所示。
4)采用所述测试装置在10kHz下以时间常数为10ms对Ni/PZT磁电复合材料进行测量。测量过程为:将样品如图1放入电磁铁的匀强区中,并与锁相放大器的输入端相连接;设定函数信号发生器的频率为10kHz;设定锁相放大器的时间常数(Time constant)为10ms;启动信号处理软件,缓慢连续地转动直流电源的电流旋钮,对样品施加一个从0上升到+0.2T再下降到0再下降到-0.2T再上升到0的扫描磁场,施加完毕后关闭信号处理软件。信号处理软件采集到的扫描磁场随测量时间的变化曲线如图12所示;幅值和相位随磁场强度的变化曲线如图13所示;磁电回线如图14所示。
5)采用所述测试装置在10kHz下以时间常数为30ms对Ni/PZT磁电复合材料进行测量。测量过程为:将样品如图1放入电磁铁的匀强区中,并与锁相放大器的输入端相连接;设定函数信号发生器的频率为10kHz;设定锁相放大器的时间常数(Time constant)为30ms;启动信号处理软件,缓慢连续地转动直流电源的电流旋钮,对样品施加一个从0上升到+0.2T再下降到0再下降到-0.2T再上升到0的扫描磁场,施加完毕后关闭信号处理软件。信号处理软件采集到的扫描磁场随测量时间的变化曲线如图15所示;幅值和相位随磁场强度的变化曲线如图16所示;磁电回线如图17所示。
6)采用所述测试装置在10kHz下以时间常数为100ms对Ni/PZT磁电复合材料进行测量。测量过程为:将样品如图1放入电磁铁的匀强区中,并与锁相放大器的输入端相连接;设定函数信号发生器的频率为10kHz;设定锁相放大器的时间常数(Time constant)为100ms;启动信号处理软件,缓慢连续地转动直流电源的电流旋钮,对样品施加一个从0上升到+0.2T再下降到0再下降到-0.2T再上升到0的扫描磁场,施加完毕后关闭信号处理软件。信号处理软件采集到的扫描磁场随测量时间的变化曲线如图18所示;幅值和相位随磁场强度的变化曲线如图19所示;磁电回线如图20所示。
7)采用所述测试装置在80kHz下以时间常数为10ms对Ni/PZT磁电复合材料进行测量。测量过程为:将样品如图1放入电磁铁的匀强区中,并与锁相放大器的输入端相连接;设定函数信号发生器的频率为80kHz;设定锁相放大器的时间常数(Time constant)为10ms启动信号处理软件,缓慢连续地转动直流电源的电流旋钮,对样品施加一个从0上升到+0.2T再下降到0再下降到-0.2T再上升到0的扫描磁场,施加完毕后关闭信号处理软件。信号处理软件采集到的扫描磁场随测量时间的变化曲线如图21所示;幅值和相位随磁场强度的变化曲线如图22所示;磁电回线如图23所示。
8)采用所述测试装置在80kHz下以时间常数为30ms对Ni/PZT磁电复合材料进行测量。测量过程为:将样品如图1放入电磁铁的匀强区中,并与锁相放大器的输入端相连接;设定函数信号发生器的频率为80kHz;设定锁相放大器的时间常数(Time constant)为30ms;启动信号处理软件,缓慢连续地转动直流电源的电流旋钮,对样品施加一个从0上升到+0.2T再下降到0再下降到-0.2T再上升到0的扫描磁场,施加完毕后关闭信号处理软件。信号处理软件采集到的扫描磁场随测量时间的变化曲线如图24所示;幅值和相位随磁场强度的变化曲线如图25所示;磁电回线如图26所示。
9)采用所述测试装置在80kHz下以时间常数为100ms对Ni/PZT磁电复合材料进行测量。测量过程为:将样品如图1放入电磁铁的匀强区中,并与锁相放大器的输入端相连接;设定函数信号发生器的频率为80kHz;设定锁相放大器的时间常数(Time constant)为100ms;启动信号处理软件,缓慢连续地转动直流电源的电流旋钮,对样品施加一个从0上升到+0.2T再下降到0再下降到-0.2T再上升到0的扫描磁场,施加完毕后关闭信号处理软件。信号处理软件采集到的扫描磁场随测量时间的变化曲线如图27所示;幅值和相位随磁场强度的变化曲线如图28所示;磁电回线如图29所示。
Claims (4)
1.连续施加扫描磁场的磁电回线测试装置,其特征在于设有电磁铁、直流电源、特斯拉计、亥姆赫兹线圈、锁相放大器、函数信号发生器、屏蔽罩和计算机;电磁铁由直流电源驱动,通过手动控制直流电源,电磁铁产生一正一负大小相等的两个连续变化的三角波扫描磁场施加在样品上;特斯拉计通过所带的霍尔探头测量扫描磁场的大小;函数信号发生器的同步信号输出端接锁相放大器的参考信号输入端以提供相位参考,函数信号发生器驱动亥姆赫兹线圈产生一个微扰磁场施加在样品上;接地的屏蔽罩笼罩在样品周围屏蔽外来的干扰;样品连接到锁相放大器的输入端,由锁相放大器测量样品产生的磁电电压的幅值和相位;计算机中含有计算机通讯模块以及采用Labview语言自行编写的信号处理软件,计算机通过通讯模块与特斯拉计和锁相放大器连接并进行通讯;信号处理软件通过通讯模块连续读取特斯拉计和锁相放大器的测量值然后实时进行信号处理,实时做出磁电回线,并保存实验数据。
2.如权利要求1所述的连续施加扫描磁场的磁电回线测试装置,其特征在于锁相放大器的时间常数设定在10~100ms。
3.连续施加扫描磁场的磁电回线测试方法,其特征在于采用如权利要求1所述连续施加扫描磁场的磁电回线测试装置,包括以下步骤:
1)将样品与锁相放大器的输入端连接,设定函数信号发生器的频率为所需的测量频率,设定锁相放大器的时间常数范围,启动计算机中的信号处理软件;
2)手动控制电磁铁输出一正一负大小相等的两个连续变化的三角波扫描磁场施加在样品上;
3)计算机连续采集磁电电压的幅值和相位,以及扫描磁场的磁场强度值;
4)计算机对采集到的幅值和相位进行信号处理,根据相位小于等于零时磁电电压为正,相位大于零时为负的规则,自动设定幅值的正负号,得到磁电电压;
5)计算机自动以扫描磁场的磁场强度值为X轴,磁电电压为Y轴,实时做出磁电回线并保存实验数据。
4.如权利要求3所述的连续施加扫描磁场的磁电回线测试方法,其特征在于所述设定锁相放大器的时间常数范围为10~100ms。
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