一种自动化磁电系数测试系统技术方案

本发明专利技术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。通过本发明专利技术，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。

Automatic magnetoelectric coefficient testing system

The invention belongs to the field of material performance testing, and discloses an automatic magnetoelectric coefficient testing system. The test system comprises a computer, a DC bias magnetic field generator, AC magnetic field generator module, signal detection module and sample clamping module, sample placed on the sample holder module, by Helmholtz coil in AC magnetic field generator, air gap and the electromagnet coil in Helmholtz DC bias magnetic field generator in the signal detection module, sample the induction voltage signal and transmitted to the computer, then through the computer to calculate the magnetoelectric coefficient required. According to the invention, the alternating magnetic field in the 100kHz above, the size and direction of variation of multi factor and small type thin film material with the bias magnetic field of alternating magnetic field size and frequency of the test, the test system has the intelligence and high accuracy.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术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。
技术介绍
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MaheshKumar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JunghoRyu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。
技术实现思路
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本专利技术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，按照本专利技术的一个方面，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，通过本专利技术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、本专利技术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、本专利技术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、本专利技术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、本专利技术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，本专利技术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、本专利技术通过采用计算机、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按照本专利技术的优选实施例所构建的测试系统硬件结构图；图2按照本专利技术的优选实施例所构建的测试系统样品台结构示意图；图3按照本专利技术的优选实施例所构建的计算机的工作流程图；图4按照本专利技术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按照本专利技术的优选实施例本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种自动化磁电系数测试系统，该测试系统包括计算机(12)、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(3)、直流电源(1)和高斯计(6)，其中，所述一组电磁铁(3)相对设置，并分别与所述直流电源(1)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(1)与所述计算机(12)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(4)、交流电源(2)和电流表(9)，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(7)和万用表(8)，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(5)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(12)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。...

【技术特征摘要】
1.一种自动化磁电系数测试系统，该测试系统包括计算机(12)、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(3)、直流电源(1)和高斯计(6)，其中，所述一组电磁铁(3)相对设置，并分别与所述直流电源(1)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(1)与所述计算机(12)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(4)、交流电源(2)和电流表(9)，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(7)和万用表(8)，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...

【专利技术属性】
技术研发人员：陆晶晶，吴成，胡作启，游时林，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：湖北;42