一种自动化磁电系数测试系统

摘要

本发明属于材料性能测试领域，并公开了一种自动化磁电系数测试系统。该测试系统包括：计算机、直流偏置磁场发生模块、交流磁场发生模块、信号检测模块和样品夹持模块，待测样品放置在样品夹持模块中，被置于交流磁场发生模块的亥姆霍兹线圈中，同时该亥姆霍兹线圈置于直流偏置磁场发生模块的电磁铁气隙中，信号检测模块检测待测样品的感应电压信号并传送给计算机，然后通过在计算机中计算得到所需的磁电系数。通过本发明，实现了在100kHz以上的交变磁场中，中小型化薄膜化的材料随偏置磁场的大小和方向、交变磁场的大小和频率等多因素的变化规律的测试，同时该测试系统具备智能化和测试精度高的特点。

说明书

技术领域

本发明属于材料性能测试领域，更具体地，涉及一种自动化磁电系数测试系统。

背景技术

磁电效应是指一些多铁材料在外加磁场的作用下感应出电压或者在外加电场作用下感应出磁场的现象。具有磁电效应的材料在信息存储方面和微电子器件如滤波器、传感器等方面的应用潜力已经引起了研究者们的广泛关注，在实际应用中也具有广泛前景。通常，我们用磁电系数来表征磁电效应强弱，即单位外加磁场转化为电极化的大小或外加单位电场感生出的感应磁场的大小。通过磁电系数的研究来分析影响磁电效应的机理，从而提高磁电效应耦合作用，最终达到在实际中广泛应用的目的。目前，具有磁电效应的材料中以复合磁电材料表现出的磁电效应更为优异，其中磁电层状复合材料因其制备方便、性能突出、漏电性小等优点尤其受到各方重视。磁电层状复合材料的磁电效应机理是一种磁-力-电多场耦合的作用，其磁电系数可以表述为αME＝dE/dH＝dE/dσ×dσ/dH，磁场通过磁性层的磁致伸缩效应转换成应力应变，由于层间接触界面的机械耦合作用，磁性层的应力应变传递给压电层，压电层受到应力应变作用转换成感应电压，实现磁场到电场的转换。据此磁电效应的机理，磁电系数的测试方法有静态法和动态法，其中，动态法更快速、抗干扰、更精确，故使用较多。磁电系数测试固态法即在直流磁场的作用下，外加一微扰的交变磁场使磁电复合材料获得谐振或者非谐振条件下的磁电系数，磁电系数αME＝dE/dH≈ΔE/ΔH，其中ΔE和ΔH可以用微扰交变磁场产生的交变电压和交变磁场的振幅来表示。目前，具有可用于实际应用的磁电材料主要是磁电复合材料，它们具有较大的磁电系数，在常温下或者较宽温度范围可用。而作为磁电材料最重要的参数磁电系数的测量是我们研究磁电效应必不可少的一步。

1981年Bracke等人在论文中公开了他们磁电系数的测试装置，采用了信号发生器驱动一对亥姆霍兹线圈来产生频率达到100kHz的均匀交流磁场，用永磁铁来产生偏置磁场，用阻抗变换器采集磁电材料上电压；其缺点主要有直流磁场的调节费时且误差大，交变磁场和偏置磁场的大小都无实时监测。1997年Mahesh Kumar用PC机控制步进电机调节电磁铁的变化，采用锁相放大器读取输出数据。锁相放大器改善了输出信号噪声的影响，提高了测量精度；2002年Jungho Ryu等采用电源驱动的电磁铁代替永磁铁提供偏置磁场，并用霍尔探针实时测量偏置磁场大小，采用电荷放大器和示波器测量输出电压值；2006年南策文等在专利中采用计算机技术与测量技术结合，实现了磁电系数测试自动化，并改进了测试样品的探针夹持装置；2011年Thayer等开发了远程控制系统实现远程磁电测试与数据传输；2014年Chen等人采用弹簧挤压夹板的夹持装置来研究施加应力时的磁电系数的变化规律。总而言之，磁电系数测试仪的研究仍在开发改进中，目前的技术仍存在的不足有：目前的测试系统针对信号更微弱、应用更广泛的薄膜复合磁电材料的测试仍有不足，其中多数测试的交流磁场频率在100kHz以内，测试过程中小型化薄膜化的磁电材料的共振频率范围在100kHz以上时无法有效测量；样品的夹持过程中样品收到外界应力，从而对测试结果有一定影响；此外，磁电性能测试仪中自动化程度、操作和使用的便捷性、界面的简洁美观和数据存储的安全可靠等方面都有较大的改进空间。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种自动化磁电系数测试系统，通过计算机、直流偏置磁场发生模块、交流磁场发生模块、信号检测模块和样品夹持模块几个模块共同协作，扩展磁电系数测试频率范围，由此解决对更小型化的磁电复合材料磁电系数测试的技术问题。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种自动化磁电系数测试系统，该测试系统包括计算机、直流偏置磁场发生模块、交流磁场发生模块、信号检测模块和样品夹持模块，其特征在于：

所述直流偏置磁场发生模块包括一组电磁铁、直流电源和高斯计，其中，所述一组电磁铁相对设置，并分别与所述直流电源相连，用于获得直流偏置磁场，所述高斯计与所述计算机相连，用于检测待测量样品的直流偏置磁场的大小，所述直流电源与所述计算机互连，该直流电源一方面给所述电磁铁的线圈供电，同时将该供电电压的电压值传递给所述计算机，另一方面，该直流电源接收来自所述计算机的信号，实现对所述供电电压的调节；

所述交流磁场发生模块包括一组亥姆霍兹线圈、交流电源和电流表，三者串联构成回路，其中，所述交流电源还与所述计算机相连，用于给所述亥姆霍兹线圈提供交流电，同时将该交流电的电压信号传递给所述计算机，所述一组亥姆霍兹线圈相对设置并放置在所述一组电磁铁的气隙之间，用于获得交流磁场，所述电流表用于检测所述交流磁场中实际电流的大小；

所述信号检测模块包括锁相放大器和万用表，二者并联后一端与所述样品夹持模块相连，另一端与所述计算机相连，用于检测待测样品中的交流电压的电压值并传输给所述计算机；

所述样品夹持模块设置在所述亥姆霍兹线圈之间，用于将待测样品放置在交流磁场中；

所述计算机用于接收来自不同模块的电压信号，并将该信号计算转化为所需的磁电系数。

优选地，交流磁场发生模块中还串联有采样电阻，同时该采样电阻与所述锁相放大器相连，用于为所述锁相放大器提供参比信号，提高所述锁相放大器的测量精度。

优选地，所述万用表优选采用六位半的万用表。

优选地，所述样品夹持模块包括样品托、支柱和底盘，待测样品放置在所述样品托的托台上，该样品托台上的引线与待测样品相连，所述引线的另一端固定在所述支柱和底盘上，并与所述信号检测模块相连。

优选地，所述样品夹持模块中样品放置时优选将样品边长长的一边沿偏置磁场的方向放置，旋转所述样品托可调节样品上加载的偏置磁场的方向。

优选地，所述计算机包括自检和硬件监控、性能测量、特性曲线实时显示和数据导出。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

1、本发明通过采用锁相放大器和万用表并联的方式，与现有技术相比较，万用表的并联使得测试过程中可以测试的交流磁场的频率达到300kHz，从而能实现中小型化薄膜化的材料的测试；

2、本发明中通过采用计算机实时监控整个系统中每个功能模块的磁场和电压信号，使得整个测试过程更加智能化，且减少了人为因素造成的测试误差；

3、本发明中含有用于监测偏置磁场大小的高斯计，并在交变磁场产生电路中串联有电流表实时记录交变磁场的大小，在电压信号检测电路中有采样电阻提供同频信号给锁相放大器从而获得抗干扰性强的电压信号；

4、本发明中通过采用样品夹持模块将待测样品放置在样品托台上，与现有技术中在外力作用下夹持样品相比，本发明中的样品减少了外界应力对待测试样品的磁电感应电压的误差影响；

5、本发明通过采用计算机、直流偏置磁场发生模块、交流磁场发生模块、信号检测模块和样品夹持模块几个模块共同协作，实现了对待测样品随偏置磁场的大小和方向、交变磁场的大小和频率等多因素的变化规律的测试。

附图说明

图1按照本发明的优选实施例所构建的测试系统硬件结构图；

图2按照本发明的优选实施例所构建的测试系统样品台结构示意图；

图3按照本发明的优选实施例所构建的计算机的工作流程图；

图4按照本发明的优选实施例所构建的计算机中测试软件测试界面图和主体窗口结构图；

图5按照本发明的优选实施例所构建的计算机测试软件串口通讯设计流程图；

图6按照本发明的优选实施例所构建的测试软件折线图实时显示设计流程图；

图7按照本发明的优选实施例所构建的测试软件数据excel格式导出流程图；

图8按照本发明的优选实施例所构建的磁电系数随偏置磁场变化关系图；

图9按照本发明的优选实施例所构建的磁电系数随交变磁场频率变化的关系图。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：

1-直流电源 2-交流电源 3-电磁铁 4-亥姆霍兹线圈 5-样品夹持模块6-高斯计7-锁相放大器 8-万用表 9-电流表 10-采样电阻 11-USB集线器12-计算机 13-排母 14-支柱 15-PCB板 16-待测样品 17-焊点 18-端排针19-样品托

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

一种自动测试磁电材料磁电系数的测试系统，图1按照本发明的优选实施例所构建的测试系统硬件结构图；如图1所示，该系统包含有：计算机、直流偏置磁场发生模块、交流磁场发生模块、信号检测模块和样品夹持模块，其中：

直流偏置磁场发生模块包含：电磁铁、直流电源和高斯计，其中：

该高斯计的信号输出端与所述计算机的测量信号输入端相连；

直流电源，与所述计算机互连，接受所述计算机的控制信号，向该计算机输出直流电压信号，同时，所述直流电源箱为所述电磁铁的线圈供电；

电磁铁，所述直流电源给电磁铁的线圈供电，使电磁铁获得所属计算机要求的直流偏置磁场。

直流偏置磁场发生模块具体连接和发生过程如下：

调节电磁铁气隙间距，使其为50mm，使用支架固定高斯计探头在电磁铁中心均匀磁场区域，是磁场方向与探头垂直，预热高斯计20min使其达到额定精度。直流电源与电磁铁的线路连接完成后，开启电源并设定为电流输出模式。在使用前校验磁场和电流的关系获得磁场随电流线性变化的关系式为H＝444.7×I+22.5，该拟合关系式可作为软件编写中直流磁场输出控制的参考。连接直流电源和电磁铁，开启高斯计后，直流磁场部分的输出和监测可通过计算机软件直流磁场模块调控并记录。

交流磁场发生模块包含：亥姆霍兹线圈、交流电源、电流表，其中：

交流电源为驱动电源，可提供0.1Hz～200kHz范围，分辨率达0.1Hz的交流信号，为亥姆霍兹线圈供电，与所述计算机相连，接受所述计算机的控制信号，向该计算机输出交流电压信号；

亥姆霍兹线圈，感应线圈尺寸为半径10mm，匝数20圈一对同轴线圈，采用CH-1600数字高斯计进行检测，配合法拉第电磁感应定律的理论计算标定在1kHz时亥姆霍兹线圈中心磁场与电流的关系，得到关系式为H＝1.1289I+0.0045；不同频率下亥姆霍兹线圈的磁场通过感应线圈校准，保持电流表的读数为1A不变，可获得大小为2Oe左右的交变磁场。

电流表，串联在交流磁场产生电路中，实时监控不同频率下的交流磁场的大小的稳定性；

信号检测模块，由锁相放大器、采样电阻和高精度数字万用表并联组成，两者的输入端都与样品信号输出端相连，输出端都选用RS232远程接口与USB集线器相连进而连接计算机，其中：

锁相放大器，两个输入端通道分别与所述的样品输出端和采样电阻输出端相连，该锁相放大器的输出端通过USB集线器连接计算机，传输样品产生的磁电电压信号给计算机。

采样电阻，1Ω，20W的功率电阻，用以将其负载电压接入锁相放大器的参考输入端，提供微电压信号测量部分锁相放大器的参考信号，降低噪声，提高测量精度；

高精度六位半数字万用表数字万用表的输入端和输出端分别与所述样品输出端和USB集线器输入端相连，传输样品产生的磁电电压信号给计算机。

样品夹持模块，沿外加偏置磁场的方向放置在亥姆霍兹线圈内中轴线位置，该样品夹持模块主要由样品托、托台、支柱和底盘几部分组成，图2按照本发明的优选实施例所构建的测试系统样品台结构示意图，如图2所示，其中：

样品托是一个尺寸为16×10×2mm3的PCB板，PCB面板上分布有连接样品引线的焊接点、引线和边沿的信号引出端排针；

托台、支柱和底盘均为绝缘、无磁性的塑料制品，其中：

托台为直径为18mm的圆柱，上表面沿直径方向刻有宽10mm深2mm的凹槽，用于放置样品托；

支柱沿纵轴方向刻有通槽用于放置导线，与底盘和托台之间用塑料螺丝固定；

样品放置长轴沿偏置磁场方向，以此位置为位置0°，可旋转托台调节外加磁场对样品的作用方向水平面内0～360°；

所述样品放置模块通过引线引出磁电效应感应的电压信号，与锁相放大器和高精度数字万用表连接，并传输给计算机处理。

所述计算机中包括自检和硬件监控、性能测量、特性曲线实时显示和数据导出，图3按照本发明的优选实施例所构建的计算机的工作流程图，图4按照本发明的优选实施例所构建的计算机中测试软件测试界面图和主体窗口结构图，如图3和图4所示，

图5按照本发明的优选实施例所构建的计算机测试软件串口通讯设计流程图，如图5所示，该自检和硬件监控，其中自检主要是软件通过扫描串口并向相应仪器设备发送版本查询信息，将读取的数据与已知信息进行匹配检查来确定仪器是否通信成功并给出相应的提示信息，硬件监控主要监控正在通信的串口，直流磁场的大小、交流磁场的频率等。

性能测量，分别针对磁电系数随外加偏置磁场的变化规律、磁电系数随交变磁场频率变化规律和磁电系数随交变磁场大小的变化等。

特性曲线实时显示，通过JFreechart折线图实现，包括低频条件下磁电系数随直流磁场的关系曲线和磁电系数随交流磁场频率的关系曲线，图6按照本发明的优选实施例所构建的测试软件折线图实时显示设计流程图，如图6所示。

数据导出模块采用jxl工具类库将数据保存到Excel，便于后续导出,图7按照本发明的优选实施例所构建的测试软件数据excel、TXT格式导出流程图，如图7所示。

下面对本发明的具体的工作过程作进一步的说明：

1)将待测层状复合材料样品引出导线连接到PCB板的固定焊点上，固定该PCB板在样品托上，使PCB板上的排针恰好嵌入样品托上的排母中；

2)将待测样品和样品夹持模块一起放置在交、直流磁场中，调整样品到待测角度，与交流磁场方向相同；

3)计算机进行系统自检，查看各硬件设备通信是否正常；

方法一：

4)在计算机中，输入压电层厚度t，选择测试曲线性能αE-Hdc，测试磁电系数随直流偏置磁场Hdc大小的变化规律，设置测试直流偏置磁场的大小范围，利用软件控制直流电源的电流大小和高斯计的检查使电磁铁提供的直流偏置磁场按设置从小到大变化，交流磁场默认提供1kHz大小为1Oe的交流磁场；

5)通过锁相放大器定点采集磁电电压信号，计算机自动通过计算公式计算一系列对应的磁电系数值；

6)计算机中实时折线图显示模块显示磁电系数随外加偏置磁场的大小变化规律曲线；

7)从计算机导出excel数据进行保存，以待进一步分析在一定交流磁场频率下，磁电系数αE随外加偏置磁场Hdc的变化规律。

方法二：

4)在计算机软件中输入压电层厚度t，选择测试曲线性能αE-fac，测试磁电系数随交流磁场频率fdc的变化规律，设置测试交流磁场的频率范围，利用软件控制交流电源，使亥姆霍兹线圈产生不同频率相同大小的交流磁场，控制直流电源的电流大小和高斯计的校验使电磁铁提供的设置值大小的直流偏置磁场；

5)通过锁相放大器和高精度数字万用表定点采集磁电电压信号，计算机自动通过计算公式计算一系列对应的磁电系数值；

6)计算机中实时折线图显示模块显示磁电系数随交流磁场频率变化的规律曲线；

7)从计算机中导出excel数据进行保存，以待进一步分析在一定直流偏置磁场下，磁电系数αE随交流磁场频率fdc的变化规律。

下面以Terfenol-D/PZT复合层状结构为例，说明本发明所述不同测试方法的操作过程。

实例一：铽镝铁合金Terfenol-D/锆钛酸铅PZT层状复合磁电结构

放置Terfenol-D/PZT复合结构在PCB板上在PZT上下表面的电极上引出导线，并将导线与PCB板上的对应焊点连接，放置样品托PCB板，卡在样品夹持模块的托台上，使引出信号的PCB板上的排针嵌入沿样品柱安放的排母上，调整托台方向，使待测样品的长轴沿偏置磁场方向。连接并开启各设备，打开计算机软件，对各仪器进行自检，设置PZT层厚度t，在磁电测试模块选择测试曲线类型αE-Hdc，设置fac初始值，设置Hdc测试范围后，开始测试，软件模块通过信号检测模块获得一系列磁电电压值，通过得到的磁电系数，与输出偏置磁场大小信号一起绘制成实时测试曲线，图8按照本发明的优选实施例所构建的磁电系数随偏置磁场变化关系图，如图8所示，最后导出测试数据结果。

实例二：铽镝铁合金Terfenol-D/锆钛酸铅PZT层状复合磁电结构

放置Terfenol-D/PZT复合结构在PCB板上在PZT上下表面的电极上引出导线，并将导线与PCB板上的对应焊点连接，放置样品托PCB板，卡在样品夹持模块的托台上，使引出信号的PCB板上的排针嵌入沿样品柱安放的排母上，调整托台方向，使待测样品的长轴沿偏置磁场方向。连接并开启各设备，打开计算机软件，对各仪器进行自检，设置PZT层厚度t，在磁电测试模块选择测试曲线类型αE-fac，设置Hdc初始值，设置fac测试范围后，开始测试，软件模块通过信号检测模块获得一系列磁电电压值，通过得到的磁电系数，与输出交流磁场频率信号一起绘制成实时测试曲线，图9按照本发明的优选实施例所构建的磁电系数随交变磁场频率变化的关系图，如图9所示，最后导出测试数据结果。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。