CN1975454B - 磁电材料的磁电系数测试仪及其测试方法 - Google Patents

Abstract

一种磁电材料的磁电系数测试仪及测试方法，涉及材料的性能测试领域。该测试仪包括直流磁场发生装置、交流磁场发生装置、信号采集装置、角度控制装置和含有控制软件的计算机；并提供了一种磁电材料磁电系数的测试方法。本发明不仅能测量磁电系数的幅值，还能够测得磁电系数的相位，是一套完备的磁电系数测试系统，它包含了角度θ、直流磁场H_DC、交流磁场H_ac、频率f四种测试变化因素，可以由计算机自动测试磁电系数的频谱，节约了测试时间，降低了测试的劳动强度。含有的电荷放大器，消除了引线电容等外部电容的影响。角度控制装置可以测量在0°～360°范围内任意角度下的磁电系数。

Description

磁电材料的磁电系数测试仪及其测试方法

技术领域

本发明涉及一种测量磁电材料的磁电系数的仪器及测试方法，属材料的性能测试领域。

背景技术

磁电材料是具有磁电效应的材料。磁电效应是一个物理效应，用磁电系数α_E来衡量磁电效应的大小，其单位是V/cmOe，即每单位磁场下材料产生的电场。磁电系数可以通过测量在已知磁场下磁电材料产生的电场来获得。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。

1981年Bracks等人在论文(Bracks.L.P.M.and van Vliet.R.G.A broadbandmagneto-electric transducer using a composite material.International Journal ofElectronics.1981，51：225)中公开了一种磁电系数测试装置。该装置用永磁体施加直流偏置磁场H_DC；用信号发生器驱动亥姆赫兹线圈产生正弦微扰磁场H_ac；用阻抗变换器与磁电材料连接，测量磁电材料的电压。最近，美国的Dong等人在他的论文(Dong S.X.，Li J.F.andViehland D.Characterization of magnetoelectric laminate composites operated inlongitudinal-transverse and transverse-transverse modes.Journal of Applied 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，经过交流功率放大器放大，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。该装置可以测试样品与磁场垂直或者平行两种角度下的磁电系数。

目前的测试技术存在的不足有：只测量了磁电系数的幅值，没有磁电系数的相位；磁电材料的输出电压受到引线和测试仪的电容的影响，比真实值低，需要进行修正；采用手工记录数据以及操作仪器，测量过程花费大量时间和人力；不能测量磁电系数随角度的连续变化曲线。

发明内容

本发明的目的是提供一种磁电材料的磁电系数测试仪及其测试方法，该测试仪一方面可以同时测量磁电系数的幅值和相位；另一方面可自动测试磁电系数的频谱以及测量磁电系数随角度的变化关系。

本发明的技术方案如下：

一种磁电材料的磁电系数测试仪，包括直流磁场发生装置和交流磁场发生装置；所述直流磁场发生装置含有电磁铁、直流电源和特斯拉计；所述的交流磁场发生装置含有亥姆赫兹线圈和函数信号发生器；其特征在于：该测试仪还包括信号采集装置，所述的信号采集装置包括电荷放大器、示波器和采样电阻，所述的电荷放大器的输入端通过引线与待测样品相连；电荷放大器的输出端接入示波器的一个通道，所述的采样电阻串联到亥姆赫兹线圈与函数信号发生器的回路中，并接入示波器的另一个通道。

本发明的技术特征还在于：该测试仪还包括一个含有控制软件的计算机，所述的函数信号发生器和示波器通过通信接口与所述的计算机相连。

作为本发明的另一改进，该测试仪还含有一个角度控制装置，所述的角度控制装置包括带刻度的转盘、支撑样品的连接杆和起支撑作用的横梁，所述的转盘带动连接杆和待测样品进行角度转动。

本发明提供的一种利用所述测试仪的磁电材料磁电系数的测试方法，其特征在于该方法按如下步骤进行：

1)把磁电材料的待测样品放入磁场中；

2)利用直流电源驱动电磁铁产生直流偏置磁场，通过改变直流电源输出电流的大小，来改变直流偏置磁场H_DC的大小；将特斯拉计的探头放在电磁铁的磁极之间，测量直流偏置磁场H_DC的大小和方向；

3)利用函数信号发生器驱动亥姆赫兹线圈产生正弦微扰磁场H_ac，通过改变函数信号发生器的输出频率来改变正弦微扰磁场的频率；

4)通过电荷放大器对待测样品的电荷信号Q进行放大，输出到示波器的一个通道；

5)通过采样电阻对亥姆赫兹线圈的电流进行采样，作为基准信号输出到示波器的另外一个通道；

6)从示波器上采集两个通道的信号，测量电荷信号Q的幅值和相位ψ，根据如下公式，进行数据处理得到所需频率下磁电系数α_E的幅值，其中Cp、t分别为待测样品的电容和厚度；

${\mathrm{\α}}_E=\frac{Q}{C_p\·t\·H_{\mathrm{ac}}}$

7)重复步骤3)至6)，得出一系列频率f下的磁电系数的幅值和相位ψ。

在本发明的上述方法中，所述步骤3)中的频率由计算机中的控制软件设定，所述的计算机通过通信接口与函数信号发生器相连；所述步骤6)中信号采集和数据处理由计算机中的控制软件进行，所述计算机通过通信接口与示波器相连。

作为本发明方法的另一种改进，还可使待测样品与一个角度控制装置连接，使待测样品在磁场中的角度在0°～360°的范围内变化；所述的角度控制装置包括带刻度的转盘、支撑样品的连接杆和起支撑作用的横梁，所述的转盘带动连接杆和待测样品进行角度转动。

本发明与现有技术相比，具有以下优点及突出性效果：本发明是一套完备的磁电系数测试系统，它包含了角度θ、直流磁场H_DC、交流磁场H_ac、频率f四种测试变化因素，并提供了一种测量方法，除了能测量磁电系数的幅值之外，还能够测得磁电系数的相位。本发明含有计算机，可以自动化测试磁电系数的频谱，是一套自动化程度很高的测试仪器，可代替人工进行测量，节约了测试时间，降低了测试的劳动强度。本发明含有电荷放大器，消除了引线电容等外部电容的影响。本发明可以测量在0°～360°范围内任意角度下的磁电系数。本发明包含的控制软件采用了虚拟仪器技术，除了对示波器采集到的信号进行分析处理之外，还自动控制整个测试过程，属于自动化技术与虚拟仪器技术的结合，不仅大大节省了人力和时间，而且固定了测试步骤，使测试规范化。

附图说明

图1测试系统的电路连接方框图。

图2角度控制装置示意图。

图3控制软件的流程图。

图4磁电系数随角度θ的变化关系图。

图5磁电系数的频谱。

图中：1-电磁铁，2-直流电源，3-特斯拉计，4-亥姆赫兹线圈，5-信号发生器，6-电荷放大器，7-示波器，8-采样电阻，9-计算机，10-接口，11-转盘，12-连接杆，13-横梁，14-屏蔽盒，15-特斯拉计的探头，16-待测样品；

具体实施方式

下面结合附图对本发明的原理、结构和具体实施方式作进一步的说明：

本测试仪的电路连接方框图如图1所示。本测试仪的组成可以分为以下几个部分：

(一)直流磁场发生装置

包括：电磁铁1、直流电源2和特斯拉计3。直流电源驱动电磁铁产生直流偏置磁场H_DC。特斯拉计的探头15放在电磁铁的磁极之间，用于测量H_DC的大小和方向，如图2所示。改变直流电源输出电流的大小可以改变H_DC的大小。

(二)交流磁场发生装置

包括：亥姆赫兹线圈4和函数信号发生器5。函数信号发生器输出频率从100Hz-200kHz的正弦电压，驱动亥姆赫兹线圈产生相同频率的正弦微扰磁场H_ac。

(三)角度控制装置

角度控制装置包括：带刻度的转盘11、支撑样品的连接杆12和起支撑作用的横梁13，如图2所示。待测样品16固定在连接杆12的末端，处于磁极之间。连接杆从转盘中心穿过，由转盘11带动进行角度转动。横梁13支撑着转盘。圆形的转盘上有角度刻度，转盘可以在0°～360°的范围内转动，设定转盘的角度即设定了待测样品在磁场中的角度。

(四)信号采集装置

信号采集装置包含电荷放大器6、示波器7和采样电阻8。磁电材料通过引线与电荷放大器6的输入相连。电荷放大器的输出信号接入示波器的一个通道。采样电阻8串联到亥姆赫兹线圈4与函数信号发生器5的回路中，如图1所示。采样电阻的阻值一般选为1～10Ω，用示波器的另一个通道采集采样电阻两端的电压，作为基准信号。

(五)计算机

计算机通过通信接口分别与函数信号发生器和示波器相连，通信接口采用了GPIB接口；计算机安装了虚拟仪器语言Labview编程环境。

(六)控制软件

采用虚拟程序语言Labview编写了控制软件，其流程图如图3所示。第一步：对仪器进行初始化，设定示波器和信号发生器的初始状态。第二步：从事先制定好的频率表文件中读取频率表，根据待测频率的个数作循环。第三步：在每次循环中，依次取出每个待测频率，测量该频率下的磁电系数。首先控制函数信号发生器输出所需频率的正弦电压，同时，根据频率的大小设置示波器的时基档位，使示波器能采集到3个周期以上的波形。其次控制示波器读取信号的幅值大小，控制软件根据信号的幅值大小设置示波器的电压档位，直到获得最佳的波形显示。然后锁定波形，把波形传输到计算机中。第四步：调用Labview的信号处理模块对采集到的波形进行处理，将两个通道的相位相减得到磁电系数的相位。根据公式计算磁电信号的幅值。第五步：将所测频率、磁电信号的幅值、相位差保存成文本文件，存储在计算机中。

具体的工作过程为：

1)把磁电材料的待测样品放入磁场中；

2)利用直流电源驱动电磁铁产生直流偏置磁场，通过改变直流电源输出电流的大小，来改变直流偏置磁场H_DC的大小；将特斯拉计的探头放在电磁铁的磁极之间，测量直流偏置磁场H_DC的大小和方向；

3)利用函数信号发生器驱动亥姆赫兹线圈产生正弦微扰交流磁场H_ac，通过改变函数信号发生器的输出频率来改变正弦微扰磁场的频率；

4)通过电荷放大器对待测样品的电荷信号Q进行放大，输出到示波器的一个通道；

5)通过采样电阻对亥姆赫兹线圈的电流进行采样，作为基准信号输出到示波器的另外一个通道；

6)从示波器上采集两个通道的信号，测量电荷信号Q的幅值和相位ψ，根据如下公式，进行数据处理得到所需频率下磁电系数α_E的幅值，其中Cp、t分别为待测样品的电容和厚度。

${\mathrm{\α}}_E=\frac{Q}{C_p\·t\·H_{\mathrm{ac}}}$

7)重复步骤3)至6)，得出一系列频率f下的磁电系数的幅值和相位ψ。

当使用控制软件自动化测试时，步骤3)的频率设置和步骤6)的信号采集和数据处理由控制软件执行。计算机通过通信接口分别与信号发生器、示波器连接，计算机含有控制软件，可以自动化测试磁电系数的频谱，代替人工的操作和记录。控制软件依照设定的频率列表，依次控制函数信号发生器，驱动线圈产生相应频率f的正弦微扰磁场H_ac，然后计算机控制示波器对磁电样品的信号以及基准信号进行同步采集，并对采集到的信号进行处理，得出一定频率f下的磁电系数的幅值和相位。一系列频率f下的磁电系数组成了磁电系数的频谱。

该测试仪包含了角度θ、直流磁场H_DC、交流磁场H_ac、频率f四种独立的测试变化因素，可以进行的测试内容有：

1)磁电系数随角度θ的变化关系；

2)磁电系数随偏置磁场H_DC的变化关系；

3)磁电系数的频谱，即磁电系数随频率f的变化关系；

4)磁电系数随交流磁场H_ac的变化关系；

下面，以磁电系数随角度θ和频率f的变化关系为例，说明本发明的操作过程。

a)磁电系数随角度θ的变化关系

将待测样品固定在连接杆上，设定H_DC、H_ac、f，然后转动转盘依次设定角度值θ从0°～360°的范围内变化，从示波器上读取每个角度下的电荷信号大小Q与相位ψ，根据计算公式得到磁电系数的幅值与相位，结果如图4所示。

b)磁电系数的频谱

将待测样品固定在连接杆上，设定H_DC、θ，启动计算机，运行控制软件，设置频率列表，开始自动测量，得到记录数据的文本文件。文件中包含了一系列频率下的磁电系数的幅值和相位值，磁电系数的频谱如图5所示。

Claims (4)

1.一种磁电材料的磁电系数测试仪，包括直流磁场发生装置和交流磁场发生装置；所述直流磁场发生装置含有电磁铁(1)、直流电源(2)和特斯拉计(3)；所述的交流磁场发生装置含有亥姆赫兹线圈(4)和函数信号发生器(5)；其特征在于：该测试仪还包括信号采集装置和一个角度控制装置，所述的信号采集装置包括电荷放大器(6)、示波器(7)和采样电阻(8)，所述的电荷放大器的输入端通过引线与待测样品相连；电荷放大器的输出端接入示波器的一个通道，所述的采样电阻串联到亥姆赫兹线圈与函数信号发生器的回路中，并接入示波器的另一个通道；所述的角度控制装置包括带刻度的转盘(11)、支撑样品的连接杆(12)和支撑转盘的横梁(13)，所述的转盘带动连接杆和待测样品进行角度转动。

2.按照权利要求1所述的磁电材料的磁电系数测试仪，其特征在于：该测试仪还包括一个含有控制软件的计算机(9)，所述的函数信号发生器(5)和示波器(7)通过通信接口(10)与所述的计算机相连。

3.一种采用如权利要求1所述测试仪的磁电材料磁电系数的测试方法，其特征在于该方法按如下步骤进行：

1)把磁电材料的待测样品放入磁场中，并与角度控制装置连接；

2)利用直流电源驱动电磁铁产生直流偏置磁场，通过改变直流电源输出电流的大小，来改变直流偏置磁场H_DC的大小；将特斯拉计的探头放在电磁铁的磁极之间，测量直流偏置磁场H_DC的大小和方向；

3)利用函数信号发生器驱动亥姆赫兹线圈产生正弦微扰磁场H_ac，通过改变函数信号发生器的输出频率来改变正弦微扰磁场的频率；

4)通过电荷放大器对待测样品的电荷信号Q进行放大，输出到示波器的一个通道；

5)通过采样电阻对亥姆赫兹线圈的电流进行采样，作为基准信号输出到示波器的另外一个通道；

6)从示波器上采集两个通道的信号，测量电荷信号Q的幅值和相位ψ，根据如下公式，进行数据处理得到所需频率下磁电系数α_E的幅值，其中Cp、t分别为待测样品的电容和厚度；

${\mathrm{\α}}_E=\frac{Q}{C_p\·t\·H_{\mathrm{ac}}}$

7)重复步骤3)至6)，得出一系列频率f下的磁电系数的幅值和相位ψ；

8)转动转盘(11)带动连接杆(12)和待测样品进行角度转动，依次设定待测样品在磁场中的角度θ，得到待测样品在磁场中角度在0°～360°范围内的磁电系数。

4.按照权利要求3所述的磁电材料磁电系数的测试方法，其特征在于：所述步骤3)中函数信号发生器的输出频率由计算机中的控制软件设定，所述的计算机通过通信接口与函数信号发生器相连；所述步骤6)中信号采集和数据处理由计算机中的控制软件进行，所述计算机通过通信接口与示波器相连。

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