CN103698724A

CN103698724A - 一种多铁性材料的磁电性能测量系统和测量方法

Info

Publication number: CN103698724A
Application number: CN201310643332.7A
Authority: CN
Inventors: 朱锦涛; 贾江江; 王晓涛; 王晓莉
Original assignee: Xian Jiaotong University
Current assignee: Xian Jiaotong University
Priority date: 2013-12-03
Filing date: 2013-12-03
Publication date: 2014-04-02

Abstract

本发明公开了一种多铁性材料的磁电性能测量系统和测量方法，该方法可以精确表征多铁性材料的铁电性能在磁场下的变化情况，并且大幅降低了设备成本，实现了由计算机控制的全自动测量。采用直流电源产生直流磁场，通过高压放大器在测试样品的两端施加电压，并用高斯计读取产生的磁场，同时将这些数据传输到计算机中进行分析处理以及保存，实现了由计算机控制的全自动测量，本发明同步精确测量试样的电滞回线随磁场不同的变化关系结果直观稳定，确保了测量的精确性。

Description

一种多铁性材料的磁电性能测量系统和测量方法

技术领域

本发明属于电子材料磁电性能测量领域，涉及多铁性材料磁电性能的测量技术，具体涉及一种多铁性材料的磁电性能测量系统和测量方法。

背景技术

多铁材料是指材料中同时存在两种及两种以上铁的基本性能，这些铁的基本性能包括铁电性，铁磁性和铁弹性。这类材料在一定的温度下同时存在自发极化和自发磁化，正是它们的同时存在引起的磁电耦合效应，使多铁材料具有某些特殊的物理性质，引发了若干新的、有意义的物理现象。例如，在磁场的作用下产生电极化或者诱导铁电相变；在电场作用下产生磁场或者诱导铁磁相变。多铁材料的这些特性使得它在信息存储、传感和驱动等领域拥有广泛应用前景。

目前，在铁电性能研究方面，国内外普遍使用的电滞回线测试系统为美国Radiant公司的Precision Workstation和德国aixACCT公司生产的TFAnalyzer2000。这些系统均价格昂贵，且只能进行常规的电滞回线测量，由于其商业化的特点，使得其测量模块均为封闭状态，研究者无法根据自身需求来对系统进行相关修改。最为重要的是，这些系统均只能测量单一的电滞回线，而无法做到将电滞回线测量与磁场相结合。

发明内容

本发明的目的在于解决上述问题，提出一种多铁性材料的磁电性能测量系统和测量方法，该方法可以精确表征多铁性材料的铁电性能在磁场下的变化情况，并且大幅降低了设备成本，实现了由计算机控制的全自动测量。

为达到以上目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

一种多铁性材料的磁电性能测试装置，包括带有多路A\D数据采集卡的计算机、连接在直流电源正负极上的两个电磁铁以及设置在两个电磁铁之间的测试样品；多路A\D数据采集卡上分别连接有用于控制电磁铁产生的磁场大小的直流电源、用于读取产生的磁场的高斯计、用于采集测试样品的电滞回线并保证实验设备和仪器在高压测试下安全的信号调理单元以及用于产生测试样品两端电压的高压放大器；所述的计算机内设置有用于对数据进行处理、电滞回线进行补偿以及对数据进行保存的数据分析处理与保存模块。

所述的计算机内还包括电信号发生模块、直流磁场控制模块、电信号采集模块以及磁场采集模块；电信号发生模块通过多路A\D数据采集卡的一个输出通道与高压放大器相连；直流磁场控制模块通过多路A\D数据采集卡的另一个输出通道与直流电源相连；电信号采集模块通过多路A\D数据采集卡的一个输入通道与信号调理单元相连；磁场采集模块通过多路A\D数据采集卡的另一个输入通道与高斯计相连。

所述的测试样品置于用绝缘且无磁性的材料制作的样品室内。

一种多铁性材料的磁电性能测试方法，包括以下步骤：

1）将直流电源、高斯计、高压放大器以及信号调理单元分别通过多路A\D数据采集卡连接到带有电信号发生模块、直流磁场控制模块、电信号采集模块以及磁场采集模块的计算机上，并将两个电磁铁分别接在直流电源的正负极上，将信号调理单元和高压放大器分别连接至测试样品的两端；

2）计算机的直流磁场控制模块通过多路A\D数据采集卡的一个输出通道控制直流电源使得电磁铁同步的产生一个恒定的直流磁场，然后将该磁场通过高斯计读取，再由磁场采集模块通过多路A\D数据采集卡的一个输入通道经模数转换后采集回计算机；

3）由电信号发生模块通过多路A\D数据采集卡的另一个输出通道输出所需的波形信号，经过多路A\D数据采集卡进行数模转换，再经过高压放大器放大后施加在测试样品上；流经测试样品的电流，经过信号调理单元以后，输入到多路A\D数据采集卡的另一个输入通道经模数转换后，输入计算机的电信号采集模块；

4）将电信号采集模块和磁场采集模块采集到的数据共同汇总到数据分析处理与保存模块，对数据进行处理、电滞回线进行补偿以及对数据进行保存。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明多铁性材料的磁电性能的测试装置，采用直流电源产生直流磁场，通过高压放大器在测试样品的两端施加电压，并用高斯计读取产生的磁场，同时将这些数据传输到计算机中进行分析处理以及保存，实现了由计算机控制的全自动测量，本发明同步精确测量试样的电滞回线随磁场不同的变化关系结果直观稳定，确保了测量的精确性。

本发明多铁性材料的磁电性能的测试方法，利用多路A\D数据采集卡，将计算机内的电信号发生模块、直流磁场控制模块、电信号采集模块以及磁场采集模块与外部的直流电源、高斯计、高压放大器以及信号调理单元相连，在计算机的控制下，对测试样品进行检测，测量结果中可以显示电流密度与电场强度关系曲线的变化关系以及极化强度与电场强度关系曲线，测量过程实现了全自动化操作。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图；

图2为本发明测试样品在不同磁场下测得的电流密度与电场强度关系曲线图；

图3为本发明测试样品在不同磁场下测得的极化强度与电场强度关系曲线图。

其中，1为电磁铁；2为直流电源；3为高斯计；4为高压放大器；5为样品室；6为测试样品；7为信号调理单元；8为一台带有多路采样A\D卡的计算机；9为电信号发生模块；10为直流磁场控制模块；11为电信号采集模块；12为磁场采集模块；13为数据分析处理与保存模块。

具体实施方式

以下结合附图及具体实例对本发明作进一步的详细说明。

如图1所示，本发明多铁性材料的磁电性能测试装置，包括带有多路A\D数据采集卡的计算机8、连接在直流电源2正负极上的两个电磁铁1以及设置在两个电磁铁1之间的测试样品6，测试样品6置于用绝缘且无磁性的材料制作的样品室5内；多路A\D数据采集卡上分别连接有用于控制电磁铁1产生的磁场大小的直流电源2、用于读取产生的磁场的高斯计3、用于采集测试样品6的电滞回线并保证实验设备和仪器在高压测试下安全的信号调理单元7以及用于产生测试样品6两端电压的高压放大器4；计算机8内还包括电信号发生模块9、直流磁场控制模块10、电信号采集模块11以及磁场采集模块12；电信号发生模块9通过多路A\D数据采集卡的一个输出通道与高压放大器4相连；直流磁场控制模块10通过多路A\D数据采集卡的另一个输出通道与直流电源2相连；电信号采集模块11通过多路A\D数据采集卡的一个输入通道与信号调理单元7相连；磁场采集模块12通过多路A\D数据采集卡的另一个输入通道与高斯计3相连。计算机8内设置有用于对数据进行处理、电滞回线进行补偿以及对数据进行保存的数据分析处理与保存模块13。

本发明还公开了一种多铁性材料的磁电性能测试方法，包括以下步骤：

1）将直流电源2、高斯计3、高压放大器4以及信号调理单元7分别通过多路A\D数据采集卡连接到带有电信号发生模块9、直流磁场控制模块10、电信号采集模块11以及磁场采集模块12的计算机8上，并将两个电磁铁1分别接在直流电源2的正负极上，将信号调理单元7和高压放大器4分别连接至测试样品6的两端；

2）计算机8的直流磁场控制模块10通过多路A\D数据采集卡的一个输出通道控制直流电源2使得电磁铁1同步的产生一个恒定的直流磁场，然后将该磁场通过高斯计3读取，再由磁场采集模块12通过多路A\D数据采集卡的一个输入通道经模数转换后采集回计算机8；

3）由电信号发生模块9通过多路A\D数据采集卡的另一个输出通道输出所需的波形信号，经过多路A\D数据采集卡进行数模转换，再经过高压放大器4放大后施加在测试样品6上；流经测试样品6的电流，经过信号调理单元7以后，输入到多路A\D数据采集卡的另一个输入通道经模数转换后，输入计算机8的电信号采集模块11；

4）将电信号采集模块11和磁场采集模块12采集到的数据共同汇总到数据分析处理与保存模块13，对数据进行处理、电滞回线进行补偿以及对数据进行保存。

实施例：

一种多铁性材料的磁电性能测试装置，电磁铁1采用长春英普公司生产的WD-50型，高斯计3采用北京翠海公司的CH-1300型全数字高斯计，高压放大器4采用美国Trek公司的Model610E，数据采集卡为美国NationalInstruments公司的M系列PCI—6221型数据采集卡，它可以提供2路16位模拟输出。电信号发生模块9、直流磁场控制模块10、电信号采集模块11、磁场采集模块12以及数据分析处理与保存模块13均是在计算机8中基于LabVIEW平台编写。

测试样品为BiFeO3基磁电陶瓷样品，其厚度为0.400mm、直径为10mm的圆片。样品如图1所示放入位于电磁铁1之间的样品室5中。样品室由聚四氟乙烯材料将铜电极包裹而成，其中盛有绝缘油，以便于将高压输入样品，并且可以将流经样品的电流读回。

检查线路无误后开始实验。首先，通过直流磁场控制模块10控制电磁铁1产生7000Oe的磁场强度；同时，通过电信号发生模块9发出一个正弦激励电压，经由信号放大器4放大后加于测试样品6的两级，该电压幅值为2800V，频率为10Hz。然后通过磁场采集模块12将高斯计3采集到的磁场强度值读取到计算机8中，同时利用电信号采集模块11将经由信号调理单元7的模拟信号通过数据采集卡采回。最后，通过数据分析处理与保存模块13对信号进行处理后，进行保存与现实、得到试样在7000Oe磁场下、电压幅值为2800V、频率为10Hz的J-E曲线和P-E曲线。

随后改变磁场大小为8000Oe重新进行上述步骤得到新的J-E、P-E曲线。

再将所得结果与无磁场条件下的J-E、P-E曲线进行对比并绘图，得到图2、图3。

分析图2可以看到（1）为H=0时的试样J-E曲线，（2）为H=7000Oe时的J-E曲线，（3）为H=8000Oe时的J-E曲线。可以很明显的看出该试样的电滞回线电流密度峰值随着磁场增加而增大，J的最大值从H=0时的14.09A/m²增大到H=7000Oe时的16.83A/m²，再到H=8000Oe时的18.14A/m²。

分析图3可以看到（1）为H=0时的试样P-E曲线，（2）为H=7000Oe时的P-E曲线，（3）为H=8000Oe时的P-E曲线。可以看出，由于极化强度P是由电流密度J积分得到的，所以在图3中P-E曲线的变化并不如图2中显著，但仍可清晰看到试样的极化强度随磁场的增大而明显增强。

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims

1.一种多铁性材料的磁电性能测试装置，其特征在于：包括带有多路A\D数据采集卡的计算机（8）、连接在直流电源（2）正负极上的两个电磁铁（1）以及设置在两个电磁铁（1）之间的测试样品（6）；多路A\D数据采集卡上分别连接有用于控制电磁铁（1）产生的磁场大小的直流电源（2）、用于读取产生的磁场的高斯计（3）、用于采集测试样品（6）的电滞回线并保证实验设备和仪器在高压测试下安全的信号调理单元（7）以及用于产生测试样品（6）两端电压的高压放大器（4）；所述的计算机（8）内设置有用于对数据进行处理、电滞回线进行补偿以及对数据进行保存的数据分析处理与保存模块（13）。

2.根据权利要求1所述的多铁性材料的磁电性能测试装置，其特征在于：所述的计算机（8）内还包括电信号发生模块（9）、直流磁场控制模块（10）、电信号采集模块（11）以及磁场采集模块（12）；电信号发生模块（9）通过多路A\D数据采集卡的一个输出通道与高压放大器（4）相连；直流磁场控制模块（10）通过多路A\D数据采集卡的另一个输出通道与直流电源（2）相连；电信号采集模块（11）通过多路A\D数据采集卡的一个输入通道与信号调理单元（7）相连；磁场采集模块（12）通过多路A\D数据采集卡的另一个输入通道与高斯计（3）相连。

3.根据权利要求1所述的多铁性材料的磁电性能测试装置，其特征在于：所述的测试样品（6）置于用绝缘且无磁性的材料制作的样品室（5）内。

4.一种多铁性材料的磁电性能测试方法，其特征在于，包括以下步骤：

1）将直流电源（2）、高斯计（3）、高压放大器（4）以及信号调理单元（7）分别通过多路A\D数据采集卡连接到带有电信号发生模块（9）、直流磁场控制模块（10）、电信号采集模块（11）以及磁场采集模块（12）的计算机（8）上，并将两个电磁铁（1）分别接在直流电源（2）的正负极上，将信号调理单元（7）和高压放大器（4）分别连接至测试样品（6）的两端；

2）计算机（8）的直流磁场控制模块（10）通过多路A\D数据采集卡的一个输出通道控制直流电源（2）使得电磁铁（1）同步的产生一个恒定的直流磁场，然后将该磁场通过高斯计（3）读取，再由磁场采集模块（12）通过多路A\D数据采集卡的一个输入通道经模数转换后采集回计算机（8）；

3）由电信号发生模块（9）通过多路A\D数据采集卡的另一个输出通道输出所需的波形信号，经过多路A\D数据采集卡进行数模转换，再经过高压放大器（4）放大后施加在测试样品（6）上；流经测试样品（6）的电流，经过信号调理单元（7）以后，输入到多路A\D数据采集卡的另一个输入通道经模数转换后，输入计算机（8）的电信号采集模块（11）；

4）将电信号采集模块（11）和磁场采集模块（12）采集到的数据共同汇总到数据分析处理与保存模块（13），对数据进行处理、电滞回线进行补偿以及对数据进行保存。