一种铁电材料电滞回线的测量方法技术

本发明专利技术所公开了一种基于电流采样电路的铁电材料电滞回线测量装置及测量方法，将计算机处理单元产生的模拟输出信号通过信号源经数据采集卡接入高电压放大器，给测试样品一个激励电压，通过采样电阻Ｒ↓［０］，将采集到的电流信号通过运算放大器输入至信号调理模块，再通过数据采集卡返回到计算机处理单元；通过将所测量得到的电流信号分离为线性极化、非线性极化和电损耗三部分，使测量系统除了具有测量Ｐ－Ｅ关系的功能外，还可得到被测电介质材料真实自发极化和感应极化与场强关系的功能；进一步的，通过在一恒定强偏置电场下再叠加一小交变电场的激励信号，同步采集被测样品的极化强度发生相应变化的信息，可得到可逆介电常数。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种铁电材料电滞回线测量装置及测量方法。技术背景电滞回线是铁电体的重要特征和基本判据。Sawyer-Tower电路(见图1) 是目前最为广泛使用的电滞回线测试电路，在以此为基础的电滞回线测量方 法中，测试样品与采样电容G串联，采样电容G相当于一个积分器的作用， 流过试样的电流在其上积分形成电荷，经过示波器显示电压 〃。与激励电压 ^的关系曲线就是电滞回线极化强度尸与电场强度^的关系曲线。由于铁 电材料中的漏导凡、介电损耗和线性电容G等效应，在低频下测量电滞回 线时，采样电容G上的漏导会影响测量数据的准确性，使得测量得到的电滞 回线中含有非铁电极化的信息，不能完全真实地反映铁电材料中实际自发极化的本质。对于弛豫型铁电体和绝缘电阻不是很高的铁电材料，这类现象尤 为突出。现有商业化的两种电滞回线测量系统(美国Radiant公司的Precise Workstation和德国aixACT公司的TF-ANALY2ER 2000)不具有消除上述 非铁电极化信号的功能。有研究者利用计算机技术对电滞回线实验曲线进行 软件补偿，达到消除电损耗的影响。如专利技术专利CN 86107714和专利技术专利 CN 1888923公开的方法。在这些方法中，用于电滞回线补偿的关键参数的 选取缺少物理机理做依托，主要依靠主观判断，因此缺乏客观标准。此外，铁电材料是非线性电介质，介电常数与测量条件密切相关。例如， 在恒定强偏置电场下再施加一个小交变讯号测得的介电常数只有可逆极化 响应的贡献，称为可逆介电常数；由电滞回线各点斜率得到的介电常数是微 分介电常数，它既含有可逆极化响应过程，又含有不可逆极化响应过程。目前，可逆介电常数一般采用LCR(电感、电容、电阻)测试仪测量加有恒定强偏置电场试样的电容来得到。由于测量方法和使用设备的差别，上述现有技术无法将由得到的微分介电常数和用LCR仪得到的可逆介电常数进行 定量的对比分析。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是提供一种基于电流采样电路的测量装置 和测量方法，使测量系统除了具有测量尸-^关系的功能外，还具备可将所测 量得到的电流信号分离为线性极化、非线性极化和电损耗(包括漏导和介电 损耗)三部分，进而得到被测电介质材料真实自发极化和感应极化与场强关 系的功能；进一步的，通过本专利技术的方法，可在一恒定强偏置电场下再叠加 一小交变电场的激励信号，同步采集被测样品的极化强度发生相应变化的信 息而得到可逆介电常数。为了达到以上目的，本专利技术是采取如下技术方案予以实现的一种铁电材料电滞回线测量装置，包括数据采集卡，数据采集卡中设有A/D转换器和D/A转换器，所述的D/A转换器的输入连接计算机处理单元 中的信号源，D/A转换器的输出连接一个高压放大器；所述的A/D转换器的 输入连接一个信号调理模块，A/D转换器的输出连接计算机处理单元中的数 据分析与处理器；所述的信号调理模块和高压放大器连接采样电路，其特征 在于，所述的采样电路包括一个与测试样品连接的采样电阻/^，高压放大器 输入给测试样品一个激励电压，通过该采样电阻/^，将测试样品的输出信号 连接至信号调理模块，所述的测试样品在采样电路中等效为漏导电阻A、非 线性极化电容G和线性极化电容G的并联。上述方案中，所述的采样电阻^为可调线性电阻，且并联有一个瞬态 抑制二极管，并通过一个运算放大器连接信号调理模块。一种基于上述装置的铁电材料电滞回线的测量方法，包括下述步骤 a.电滞回线测量，将计算机处理单元产生的模拟输出信号通过信号源经数据采集卡的D/A转换器接入高电压放大器的输入端，高压放大器输出的激 励电压Ui加在测试样品和采样电阻上，将采集到的电流信号通过运算放大器输入至信号调理模块，再通过数据采集卡的A/D转换器返回到计算机中的 数据分析与处理器，对采集测量数据过滤、分析、处理后进行数据存储与显b.在采集测量数据中分离出线性极化、非线性极化和电损耗，对铁电材 料电流的电滞回线补偿-设厶为流经漏导电阻兄的电流密度，丄为线性极化电容G的位移电流 密度，丄为非线性极化电容C,的位移电流密度，激励电压为f/,-Ain^，其 中A为激励电压幅值，试样厚度为A试样表面极化面积为5"，则有以下关 系式，<formula>formula see original document page 6</formula>全电流密度《/0为，<formula>formula see original document page 6</formula>、(1)(2)(3)(4)求出损耗电阻RX，根据式(1)即得到损耗电流密度JRx。 在J0中减去JRx,得到只含位移电流密度Jc与E的关系曲线，进而得到 P-E关系曲线，其饱和区的斜率为线性介电常数s，由s得到Cx，再根据式(2)得到线性极化电流密度Jcx,最后根据式(4)得到非线性极化电流密度<formula>formula see original document page 6</formula>c.偏置电场下的极化特性测量,在上述步骤a的基础上，修改采集测量数 据，即通过计算机处理单元的信号源输出一直流偏置电压信号，然后再叠加 一个5 20V的交变电压信号，重复步骤a，得到P-E电滞回线，再通过数据 分析与处理器的数据处理得到可逆介电常数。本专利技术的有益效果是1、 用电流采样法电路作为测量原理，采集与被测样品串连的线性采样电 阻上的电压信号，在低频下测量时不会受到采样电容的影响，确保测量结果 的准确性。2、 可将测量信号分离为线性极化、非线性极化和电损耗三部分，并利用 计算机的软件程序计算和数据处理，实现对电滞回线的补偿，得到完全真实 地反映铁电材料中实际自发极化本质的电滞回线。3、 具有测量可逆介电常数的功能，并且能根据同步采集到的极化强度变 化信息，将它与户-五得到的微分介电常数进行定量的对比分析。附图说明图1为传统Sawyer-Tower采样电路图。图中G、采样电容；仏、测 试样品两端电压；"、采样电容两端电压；仏 、驱动电压。 图2为本专利技术测量装置的结构框图。图3为图2中的采样电路的原理图。图中，Ro、采样电阻；Rx、测试样 品等效漏导电阻；Cs、测试样品非线性极化电容；Cx、测试样品线性极化电 容；TVS、瞬态抑制二极管；A"运算放大器；Vee、双极性直流电压源。图4为损耗电流密度力.和线性极化电流密度/"与电场强度E的关系曲线。图5补偿前后的电流密度与电场强度关系曲线。 图6补偿前后的极化强度与电场强度关系曲线。 图7测量可逆介电常数用的极化强度与电场强度关系曲线。具体实施方式以下结合附图及具体实施例对本专利技术作进一步的详细说明。 如图2所示， 一种铁电材料电滞回线测量装置，包括数据采集卡5，数 据采集卡5中设有A/D转换器和D/A转换器，D/A转换器的输入连接计算机处理单元6中的信号源，D/A转换器的输出连接一个高压放大器4; A/D 转换器的输入连接一个信号调理模块3， A/D转换器的输出连接计算机处理 单元中的数据分析与处理器；信号调理模块3和高压放大器4连接采样电路 2。采样电路2包括一个与测试样品l连接的采样电阻&本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种铁电材料电滞回线测量装置，包括数据采集卡，数据采集卡中设有Ａ／Ｄ转换器和Ｄ／Ａ转换器，所述的Ｄ／Ａ转换器的输入连接计算机处理单元中的信号源，Ｄ／Ａ转换器的输出连接一个高压放大器；所述的Ａ／Ｄ转换器的输入连接一个信号调理模块，Ａ／Ｄ转换器的输出连接计算机处理单元中的数据分析与处理器；所述的信号调理模块和高压放大器连接采样电路，其特征在于，所述的采样电路包括一个与测试样品连接的采样电阻Ｒ↓［０］，高压放大器输入给测试样品一个激励电压，通过该采样电阻Ｒ↓［０］，将测试样品的输出信号连接至信号调理模块，所述的测试样品在采样电路中等效为漏导电阻Ｒ↓［ｘ］、非线性极化电容Ｃ↓［ｓ］和线性极化电容Ｃ↓［ｘ］的并联。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：罗平生，王亦春，王晓莉，徐华，陆彬，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：87[中国|西安]