CN111983532A

CN111983532A - 石墨烯器件电磁性测试系统及其测试装置

Info

Publication number: CN111983532A
Application number: CN202010751847.9A
Authority: CN
Inventors: 张海
Original assignee: Nanchang Institute of Technology
Current assignee: Nanchang Institute of Technology
Priority date: 2020-07-30
Filing date: 2020-07-30
Publication date: 2020-11-24

Abstract

本发明公开了一种石墨烯器件电磁性测试系统及其测试装置，测试系统置于测试装置内，测试系统包括控制模块、中央处理器、测试驱动模块、测试模块、数据处理模块以及存储模块，分别协同各自对应的器件，如主机、驱动件、移动件、电磁圈。该测试系统利用石墨烯器件的谐振腔宽频多点耦合特性，通过电磁圈的电磁耦合效应，获取石墨烯器件的微波宽频变化以及电磁波衰歇的变化，然后通过测试系统的数据处理模块，构造面向电磁协同仿真问题的进化算法，有效解决宽频多点耦合问题，获取测试数据处理结果；并通过反馈模块，随时根据测试数据处理结果，进行适应性调整，以获取真实、准确的石墨烯器件电磁特性数据。

Description

石墨烯器件电磁性测试系统及其测试装置

技术领域

本发明涉及电磁性测试设备，尤其涉及一种一种石墨烯器件电磁性测试系统及其测试装置。

背景技术

石墨烯是具有独特晶体结构单原子层二维材料,有着丰富而新奇的特性。其独特的能带结构、载流子特性等，使其成为理论研究的良好载体。与此同时，其优异光学特性、导电性和导热性、高载流子迁移速率、高力学强度等，使其在电子、航天、生物、能源等领域具备广泛的应用潜力，被称作后硅时代神奇材料。

石墨烯其独特电子结构和载流子特性,具有优异的电磁特性，是一种极具潜力的微波/毫米波电子器件材料。由于其特有的高迁移率、良好的噪声性能等，能广泛地应用于微波/毫米波器件及电路中。而电磁特性的研究是研制开发物理电子器件的前提和基础，是电子科学技术和基础物理研究中不可或缺的重要部分。测量分析石墨烯电磁特性，对于研制基于石墨烯的新型物理电子器件，具有重要的理论意义和工程应用价值。

发明内容

基于上述问题，本发明所要解决的问题在于提供一种石墨烯器件电磁性测试系统及其测试装置

本发明的技术方案一，如下：

一种石墨烯器件电磁性测试系统，包括控制模块、中央处理器、测试驱动模块、测试模块、数据处理模块以及存储模块；其中：

所述控制模块，用于根据测试要求，输出相应的石墨烯器件电磁性测试控制指令；

所述中央处理器，用于根据接收到的所述控制指令，控制和协调与其相电信号连接的各个功能模块；

所述测试驱动模块，用于根据所述中央处理器输出的驱动指令，驱动所述石墨烯器件的移动，以便对所述石墨烯器件的电磁性进行相应测试；

所述测试模块，用于根据所述中央处理器输出的测试指令，对所述石墨烯器件的电磁性能进行测试；

所述数据处理模块，用于根据所述中央处理器输出的数据处理指令，对经所述测试模块获取到的石墨烯器件的电磁性数据进行相应分析处理，测试数据处理结果；

所述存储模块，受控于所述中央处理器，用于存储包括所述测试数据处理结果在内的相关数据信息。

一个实施例中，所述石墨烯器件电磁性测试系统，还包括一反馈模块；该反馈模块将收集到的包括所述测试数据处理结果以及所述驱动模块输出的驱动测试数据在内的各相关数据信息反馈至所述控制模块，由所述控制模块根据反馈的相关数据进行适应性调整。

一个实施例中，所述石墨烯器件电磁性测试系统，还包括一受控于所述中央处理器的协助处理模块，该协助处理模块根据所述中央处理器的指令，协助所述测试模块，提高对所述石墨烯器件的电磁性能的测试准确性。

一个实施例中，所述石墨烯器件电磁性测试系统，还包括一显示模块，用于将所述数据处理模块输出的数据处理结果转化成字符串格式，以供显示屏显示。

一个实施例中，所述石墨烯器件电磁性测试系统，还包括空载校准模块和加载测试模块；所述空载校准模块，用于对空载条件下所述测试模块的准确性进行校准；所述加载测试模块用于加载条件下所述测试模块的准确性进行校准，随后分别输出校准结果至反馈模块。

本发明还提供一种石墨烯器件电磁性测试装置，包括主机、驱动件、移动件、电磁圈以及电源；所述主机的电路板上包含有上述石墨烯器件电磁性测试系统；所述电源为所述主机、驱动件、电磁圈供电；所述驱动件用于驱动移动件移动；待测石墨烯器件则置于所述移动件上；所述电磁圈置于所述移动件对应轴线上，用于待测石墨烯器件的电磁性能进行感应测试检测；所述测试系统通过所述主机，分别与电磁圈及驱动件电连接。

一个实施例中，所述石墨烯器件电磁性测试装置，还包括控制件，所述控制件通过无线信号与所述主机形成信号连接。

一个实施例中，所述石墨烯器件电磁性测试装置，所述驱动件为一驱动电机，所述移动件为螺旋推进件。

一个实施例中，所述石墨烯器件电磁性测试装置，在所述主机上还设有一显示屏。

一个实施例中，所述石墨烯器件电磁性测试装置，所述电池圈由若干匝铜丝缠绕组成。

本发明提供的石墨烯器件电磁性测试装置，利用石墨烯器件的谐振腔宽频多点耦合特性，通过电磁圈的电磁耦合效应，获取石墨烯器件的微波宽频变化以及电磁波衰歇的变化，然后通过测试系统的数据处理模块，构造面向电磁协同仿真问题的进化算法，有效解决宽频多点耦合问题，获取测试数据处理结果；并通过反馈模块，随时根据测试数据处理结果，进行适应性调整，以获取真实、准确的石墨烯器件电磁特性数据。

附图说明

图1为本发明一个实施例的石墨烯器件电磁性测试系统方框图；

图2为本发明另一个实施例的石墨烯器件电磁性测试系统方框图；

图3为本发明提供的石墨烯器件电磁性测试数据仿真算法示意图；

图4为宽频多点耦合器的基本结构示意图；

图5为本发明提供的石墨烯器件电磁性测试流程图；

图6位本发明提供的石墨烯器件电磁性测试状结构示意图；

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的较佳实施例作进一步详细说明。

如图1和2所示，本发明一实施例提供的一种石墨烯器件电磁性测试系统，包括控制模块、中央处理器、测试驱动模块、测试模块、数据处理模块以及存储模块；其中：

控制模块，是一个用于根据石墨烯器件电磁性测试要求，在人为操作下，输出相应的测试控制指令；也可以是一个命令开关对应的控制芯片、或控制按钮芯片，或测试操作工艺参数控制芯片等，用于接收外界的控制操作指令。具体地，当需要测试石墨烯器件的电磁性时，则通过与该控制模块相连接的控制按钮，启动控制按钮，人为的输入一个控制指令，如，测试指令，

中央处理器，也就是微处理器、或者处理中心，是整个测试系统的中心枢纽，用于根据接收到的控制模块输出的控制指令，控制和协调与其相电信号连接的各个功能模块，如，测试驱动模块、测试模块、数据处理模块以及存储模块。具体地，当中央处理器接收到控制模块输入的测试指令时，则中央处理器将该测试指令进行转化，并向与其相连接的相应功能模块输出各自对应的执行指令，如，驱动指令、测试指令、数据处理指令、校准指令等。

测试驱动模块，用于根据中央处理器输出的驱动指令，导通与驱动模块电连接的驱动件(本文后面详细介绍)驱动源，如电源或气压源等，带动一移动件(本文后面详细介绍)，驱动设置在移动件上的石墨烯器件移动，以便对石墨烯器件的电磁性进行相应测试；同时，

测试模块，则根据中央处理器输出的测试指令，启动电磁圈通电，对石墨烯器件的电磁性能进行测试，主要是利用电磁圈与石墨烯器件之间的位置变化，根据设定的合理适应度函数，产生谐振腔宽频多点耦合效应，获取石墨烯器件的微波宽频变化以及电磁波衰歇的变化；其中，谐振腔宽频为非频变结构的2-20GHz宽频。

数据处理模块，则是根据所述中央处理器输出的数据处理指令，对经测试模块获取到的石墨烯器件的电磁性数据进行相应分析处理，测试数据处理结果。数据处理模块采用智能仿真算法，对测试数据进行仿真分析处理。

本实例中，如图3所示，智能仿真算法原理如下：

首先，数据处理模块分析测试数据进化策略(S₁，S₂，S₃，…,S_N)的搜索特征，选择合适的策略来构造多策略集(P₁，P₂，P₃，…,P_N)；

其次，针对群体在搜索过程中的不同状态，构造一种基于个体的自适应进化策略分配方式及另一种新的编码方式，新编码方式与原有的编码相比，个体增加了一个属性以指明分配到该个体上的进化策略(S₁，S₂，S₃，…,S_N)。

接着，每个个体(P₁，P₂，P₃，…,P_N)不仅包含了相应的位置信息(X₁，X₂，X₃，…,X_N)，还包含了在该个体执行的进化策略(S₁，S₂，S₃，…,S_N)；每个个体(P₁，P₂，P₃，…,P_N)按照自身分配的进化策略产生后代个体，由于每个个体自身的进化策略可能不同，因此产生的后代个体具有不同搜索特征，能较好地平衡算法的全局和局部搜索。

最后，进而构造面向电磁协同仿真问题的进化算法，即基于宽频多点散射参数的编码方式及操作算子，在该编码方式下，电磁波粒子位置向量由如图4中所表示的不同振子弧长、间距等几何参数构成；通过优化适应度函数值，由不同频点的回波损耗及传输系数加权表达。

如图5所示，为构造面向电磁协同仿真问题的进化算法CST协同仿真程序流程图，包括如下步骤：

开始启动，进行系统上电；

系统初始化设置；

生产初始种群，调用CST，传递种群至电磁模型参数，进行数据仿真，并输出CST结果至主程序；

根据输出结果，再进行协同仿真适应度函数计算；

判断是否终止函数计算；如果是，则结算仿真计算；如果否，则生产新种群，并再次调用CST，重复执行相应步骤。

将执行的CST数据结果输出至位于数据处理模块红的CST单元，优化适应度函数值，也就数据处理结果。

存储模块，受控于所述中央处理器，用于存储是数据信息和图形信息；数据信息包括测试数据处理结果、预设仿真参数信息、电磁性测试工艺参数信息等，图形信息包括数据处理结果仿真再现图形、电磁波形图以及其他电特性图形等。

一个较好实施例中，如图1和2所示，上述石墨烯器件电磁性测试系统还包括一反馈模块；该反馈模块分别于存储模块和测试驱动模块电连接。该反馈模块将收集到的包括所述测试数据处理结果以及所述驱动模块输出的驱动测试数据在内的各相关数据信息反馈至控制模块，由控制模块根据反馈的相关数据进行适应性调整。

具体地，反馈模块从存储模块中调用出由数据处理模块输出的测试数据处理结果，同时将接收驱动模块输出的驱动测试数据一同反馈至控制模块，有控制模块数输送至中央处理器，进行数据分析、比对，并判断测试驱动模块输出的驱动指令中包含的驱动参数是否合理，如果合理，则继续执行该指令；否则，中央处理器协调处理后输出合适的驱动参数，以适应性地调整驱动指令，使其更有利于石墨烯器件电磁性的测试。

再一个实施例中，如图1和2所示，上述石墨烯器件电磁性测试系统中还包括一受控于所述中央处理器的协助处理模块，该协助处理模块根据中央处理器的指令，协助测试模块，提高对石墨烯器件的电磁性能的测试准确性。

具体地，协助处理模块是一个辅助模块，对测试模块进行测试时出现的偏差或问题进行纠正；如，测试过程中，出现与测试数据存在较大误差时，协助处理模块则在中央处理器的协调下，输出一误差报警信息至反馈模块，并由反馈模块通过控制模块输送至中央处理器，对测试指令进行分析后，输出一合理的包括测试参数在内的测试指令至测试模块，以调整测试模块所出现的测试偏差。

又一个实施例中，如图2所示，石墨烯器件电磁性测试系统中还包括一显示模块，用于将数据处理模块输出的数据处理结果转化成字符串格式，以供显示屏显示，或者将数据处理结果绘制的图形输送至与显示模块电连接的显示屏显示。这样，测试人员可以更直观的在第一时间内观察到相应的测试结果，以便及时进行调整测试流程，或者分析相关测试结果是否合理等。

较好地，由于石墨烯器件电磁性测试系统属于电子集成设备，对于各种电子集成设备而言，随着时间、使用环境、操作者的使用习惯等，都会给其使用带来一定的系统偏差。为了使该测试系统能真实、准确地反映测试数据，此时就需要对测试系统进行纠偏处理。因此，如图2所示，该测试系统中还包括空载校准模块和加载测试模块；空载校准模块用于对空载条件下测试模块的准确性进行校准；加载测试模块用于加载条件下测试模块的准确性进行校准，随后分别输出校准结果至反馈模块。

如图6所示，本发明还提供一种使用上述测试系统的石墨烯器件电磁性测试装置100，包括主机110、驱动件120、移动件130、电磁圈140以及电源150。其中，主机110为一箱体构造，其箱体内设有包括电路板在内的电器件，上述石墨烯器件电磁性测试系统则设置在电路板上，且石墨烯器件电磁性测试系统中的相应功能模块分别于各种对应的功能器件进行连接，如，测试驱动模块与驱动件120电连接、测试模块与电磁圈140电连接等。

电源150为220V交流电源，分别通过若干根电缆线101为主机110、驱动件120、电磁圈140供电。主机110则通过其箱体内的降压转换电路，将220V交流电转化成5V、12V、36V等的直流电，以供测试系统各元器件及箱体内的各电器件提供工作电压。电源150通过电源控制器141，在测试模块的控制下，为电磁圈140提供12V直流工作电压。电源150为驱动件120提供的工作电压，需要根据驱动件120而定，如果驱动件120采用220V交流电动机，则提供交流电；如果驱动件120采用直流电动机，则提供直流电压。

驱动件120用于驱动移动件130移动，主要是驱动移动件130沿水平方向轴线来回一移动，且移动的速率控制在3～5cm/min，待测石墨烯器件200则置于移动件130上。速率控制在3～5cm/min，有利于观察石墨烯器件200电磁性的细微变化，如果速度太快，根本铺做不到电磁性的变化状态。

较好地，驱动件120可以为驱动电机，移动件130为螺旋推进件，包括旋转杆131和推进杆132，旋转杆131的一端与驱动电机120的转轴固定连接，并随转轴而转动，旋转杆131的另一端则与推进杆132的一端形成螺纹活动连接，通过改变螺纹距前进或后退，实现推进杆132沿轴线来回移动；推进杆132的另一端则放置待测石墨烯器件200。而电磁圈150则置于远离推进杆132的一侧，在测试石墨烯器件200的电磁性时，推进杆132推动石墨烯器件200缓缓靠近但不接触带电的电磁圈200，并使电磁圈200的产生谐振腔宽频多点耦合效应，由测试系统获取石墨烯器件200的微波宽频变化以及电磁波衰歇的变化。电磁感应的基本理论如下：

从微扰法基本理论(1)出发，由于石墨烯器件样品极薄，在实验中将样品放置于电场分布较强区域，以强化由于样品加入引起的腔体Q值、谐振频率的变化。

由于石墨烯厚度远远小于衬底厚度，在场形态前后分布不变的假设下，经过若干分析变换我们可以得到如下关系，

其中S_G是石墨烯样品面积；α是由于样品微扰引起的场分布变化，数值上表现为含有样品区域的场积分，基于微扰假设可近似常数。因而通过获取(2)斜率及石墨烯样品面积，即可提取石墨烯电导率。由于石墨烯极薄的厚度，为了引起充分的微扰，很可能需要将其放置强场区域。通过改变样品位置，不同位置分别测试绘点获取测试线(2)。这样就将对石墨烯厚度测试纳米级的问题转换为样品面积微米、毫米级问题，大大降低的精度要求，进而获得需要的电磁性对应的数据。

上述电池圈150由若干匝铜丝呈闭环状缠绕组成，每一匝闭环电磁圈的直径，需要根据待测石墨烯器件200的外形尺寸而定；铜丝匝数，可根据电磁性能的强弱而定，如果电磁感应较弱，可以适当增加电磁圈匝数，否则相应减小一些电磁圈匝数。

电源控制器141是一个包括电源开关和电磁感应捕捉器，电源控制器141在测试模块的控制作用下，导通电源开关，使电源150为电磁圈140通电；随后电磁圈将产生的谐振腔宽频多点耦合效应通过电磁感应捕捉器获取，并反馈至测试模块，再经中央处理器协调，由数据处理模块进行分析处理，获得测试数据处理结果。

较好地，在上述主机110上，设有若干个控制按钮112组成的控制件，与测试系统中的控制模块相连接，通过人为调整测试需要的数据，输出控制参数至控制模块；控制件也可以是一个红外遥控器160。

较好的，石墨烯器件电磁性测试装置100中，在主机110上还设有一显示屏111，与测试系统的显示模块电连接，用于将数据处理模块输出的数据处理结果转化成字符串格式显示出来，或者将数据处理结果绘制的图形显示出来。这样，测试人员可以更直观的在第一时间内观察到相应的测试结果，以便及时进行调整测试流程，或者分析相关测试结果是否合理等。

应当理解的是，上述针对本发明较佳实施例的表述较为详细，并不能因此而认为是对本发明专利保护范围的限制，本发明的专利保护范围应以所附权利要求为准。

Claims

1.一种石墨烯器件电磁性测试系统，其特征在于，包括控制模块、中央处理器、测试驱动模块、测试模块、数据处理模块以及存储模块；其中：

2.根据权利要求1所述的石墨烯器件电磁性测试系统，其特征在于，还包括一反馈模块；该反馈模块将收集到的包括所述测试数据处理结果以及所述驱动模块输出的驱动测试数据在内的各相关数据信息反馈至所述控制模块，由所述控制模块根据反馈的相关数据进行适应性调整。

3.根据权利要求1所述的石墨烯器件电磁性测试系统，其特征在于，还包括一受控于所述中央处理器的协助处理模块，该协助处理模块根据所述中央处理器的指令，协助所述测试模块，提高对所述石墨烯器件的电磁性能的测试准确性。

4.根据权利要求1所述的石墨烯器件电磁性测试系统，其特征在于，还包括一显示模块，用于将所述数据处理模块输出的数据处理结果转化成字符串格式，以供显示屏显示。

5.根据权利要求1至4任一所述的石墨烯器件电磁性测试系统，其特征在于，还包括空载校准模块和加载测试模块；所述空载校准模块，用于对空载条件下所述测试模块的准确性进行校准；所述加载测试模块用于加载条件下所述测试模块的准确性进行校准，随后分别输出校准结果至反馈模块。

6.一种石墨烯器件电磁性测试装置，其特征在于，包括主机、驱动件、移动件、电磁圈以及电源；所述主机的电路板上包含有权利要求1至5任一所述的石墨烯器件电磁性测试系统；所述电源为所述主机、驱动件、电磁圈供电；所述驱动件用于驱动移动件移动；待测石墨烯器件则置于所述移动件上；所述电磁圈置于所述移动件对应轴线上，用于待测石墨烯器件的电磁性能进行感应测试检测；所述测试系统通过所述主机，分别与电磁圈及驱动件电连接。

7.根据权利要求6所述的石墨烯器件电磁性测试装置，其特征在于，还包括控制件，所述控制件通过无线信号与所述主机形成信号连接。

8.根据权利要求6所述的石墨烯器件电磁性测试装置，其特征在于，所述驱动件为一驱动电机，所述移动件为螺旋推进件。

9.根据权利要求6所述的石墨烯器件电磁性测试装置，其特征在于，在所述主机上还设有一显示屏。

10.根据权利要求6至9任一所述的石墨烯器件电磁性测试装置，其特征在于，所述电池圈由若干匝铜丝缠绕组成。