磁電系數(shù)自動化測試系統(tǒng)設計研究

郭浩，郭定和，顧豪爽，焦杰，狄文寧，羅豪甦

(1.湖北大學物理學與電子技術(shù)學院，湖北 武漢 430062；2.中國科學院上海硅酸鹽研究所，上海 200050)

復合磁電材料具有優(yōu)異的磁電性能[1-2]，引起了人們的廣泛關(guān)注，近年來此領(lǐng)域的研究開發(fā)已取得了長足發(fā)展，部分材料已可滿足器件的實際應用要求.磁電系數(shù)是評價材料本征磁電性能的重要參數(shù)，然而，對其測定的方法目前還沒有標準化[3]，部分研究單位仍然采用自主搭建的非自動化測試系統(tǒng)，測試速度緩慢，易引入人為測量誤差，而且難以保證直流磁場、交流磁場、微弱電荷測量等參數(shù)的準確度和高分辨率.

針對上述問題，本文中設計一種基于LabVIEW軟件平臺的高分辨率磁電系數(shù)自動化測試和數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)，克服傳統(tǒng)手動測試系統(tǒng)中的不足，同時也給測試者提供了可視化界面以及方便快捷的數(shù)據(jù)存儲與處理功能.該系統(tǒng)可以自動完成交直流磁場的產(chǎn)生和輸出信號的實時監(jiān)測，自動完成測試信號的實時采集與分析，為復合磁電材料磁電性能測試提供了一套比較完備的自動化測試平臺.

1 測試原理

(1)

當磁電材料的電極與外接電路連接時，產(chǎn)生的磁電電流iH為：

(2)

(3)

(4)

式中，dQ表示測量到的樣品上誘導電荷的微小變化，dH表示施加磁場的微小變化.磁電電荷系數(shù)一般用高斯單位表示，其單位為pC/Oe.由(4)式可以看出，測量出樣品上誘導的電荷有效值和外加交流磁場的有效值，可確定磁電電荷系數(shù)αQ.

測試研究的復合磁電材料是磁致伸縮材料與壓電材料通過環(huán)氧樹脂復合而成，其磁電效應是一種乘積效應，也是一種傳遞效應[5].當復合磁電材料處于變化的磁場中，其磁致伸縮材料因磁致伸縮效應而發(fā)生形變，這一形變通過力學耦合傳遞給壓電材料，而壓電材料由于壓電效應產(chǎn)生電荷.由于這種復合效應在不同偏置磁場下，因磁致伸縮材料的壓磁系數(shù)不同而影響磁電材料的磁電系數(shù).磁電材料在諧振狀態(tài)下，磁電系數(shù)遠大于非諧振狀態(tài)，從而研究磁電系數(shù)的頻率響應特性和直流磁場特性對磁電材料的設計和應用有著重大意義.

2 測試系統(tǒng)的實現(xiàn)

圖1 測試系統(tǒng)硬件連接框圖

為了研究磁電材料的磁電系數(shù)隨外磁場變化規(guī)律，采用同一套硬件進行復合磁電材料在兩種磁場環(huán)境下的磁電系數(shù)性能測試.首先給樣品一個正弦磁場激勵信號，測試磁電系數(shù)隨直流磁場工作點的變化情況.然后給樣品一個直流磁場工作點，測試磁電系數(shù)隨正弦磁場激勵信號頻率變化情況.

根據(jù)測試原理，組建了如圖1所示的測試系統(tǒng)硬件連接圖.采用力田磁電技術(shù)應用研究所PEM5005型號的電磁鐵與Agilent E3631A直流電源組成直流磁場的發(fā)生裝置，在直流工作狀態(tài)下電磁鐵的阻抗恒定不變，通過控制電源電壓即可控制電流，從而控制直流磁場的變化.電磁鐵中電流-磁場轉(zhuǎn)換系數(shù)采用北京翠海公司CH-1800型全數(shù)字高斯計測量，此高斯計的分辨率為10-4Oe，保證了測試系統(tǒng)的直流磁場分辨率.亥姆赫茲線圈與Keithley6221A交直流精密電流源組成交流磁場的發(fā)生裝置，交流磁場的大小與頻率由交流電源控制.亥姆赫茲線圈電流-磁場轉(zhuǎn)換系數(shù)采用英國Bartington公司Mag-03MSSB100磁通門標定.由于Keithley 6221A交直流電流輸出阻抗高達1014Ω，測試采用的亥姆赫茲線圈阻抗在100 kHz范圍內(nèi)低于105Ω，所以認定亥姆赫茲線圈產(chǎn)生的交流磁場只隨電流線性變化而不受頻率的影響.為了實現(xiàn)樣品與電路的阻抗匹配，抑制電纜電容對測量精度的影響，實現(xiàn)對微弱信號的2充分放大，因此樣品電荷信號采用電荷放大器進行前置放大.采用Brüel & Kjr公司型號為2635的電荷放大器，電荷放大器輸出的模擬信號通過NI公司型號為USB-6210的16位數(shù)據(jù)采集卡轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號輸入計算機.

直流電流源與交流電流源采用通用儀器控制接口總線GPIB串聯(lián)，然后通過Agilent 82357B USB/GPIB轉(zhuǎn)換器將GPIB接口轉(zhuǎn)換為USB接口與計算機連接.為了使NI-VISA找到和訪問所有GPIB設備，硬件配置必須用Agilent I/O Libraries Suite 配置實用程序.直流電流源與交流電流源的儀器驅(qū)動器采用VISA標準編程，從而可避開許多復雜而低級的儀器程控命令.數(shù)據(jù)采集卡采用USB接口，通過NI-DAQ助手控制數(shù)據(jù)采集卡，從而方便地實現(xiàn)計算機對這三個儀器的控制.

測試系統(tǒng)的控制軟件選擇LabVIEW，它以其圖形化程序設計語言G (Graphic)和簡潔的框圖代替了傳統(tǒng)冗長的程序代碼，通過使用LabVIEW功能強大的圖形編程語言能夠成倍地提高生產(chǎn)率.同時LabVIEW使用圖形化的數(shù)據(jù)流的執(zhí)行方式，可以非常直觀地看到代碼的并行運行狀態(tài)，大大提高了程序的可讀性[7].

圖2為LabVIEW平臺下磁電系數(shù)測試系統(tǒng)的流程圖，根據(jù)測試原理設計了磁電系數(shù)分別隨偏置直流磁場大小變化和交流磁場頻率變化程序流程圖.在本套測試系統(tǒng)中，LabVIEW軟件不僅完成儀器的控制，而且將采集的信號進行了濾波處理.濾波器VI設置為5階Butterworth帶通濾波器，濾波器的高低截止頻率隨測試頻率變化而變化，帶寬為10 Hz，既提高了抗干擾能力，抑制了噪聲，又保證了程序運行的速度.對于實驗數(shù)據(jù)，系統(tǒng)不僅可以完成簡單的采集，而且能進行一般的數(shù)據(jù)分析，同時給出實時數(shù)據(jù)分析結(jié)果，使整套系統(tǒng)的實用性進一步加強.在激勵信號和信號采集之間設定了延時20秒，使測試信號更加真實與穩(wěn)定.

(a)磁電系數(shù)隨偏置直流磁場大小變化程序流程圖

(b)磁電系數(shù)隨交流磁場頻率變化程序流程圖

圖3為程序界面.圖3(a)為磁電系數(shù)隨偏置直流磁場大小變化測試界面，直流磁場測試范圍為0～100 Oe，最高磁場分辨率為0.016 Oe，測試界面中顯示的直流磁場測試范圍可以設定.圖3(b)為磁電系數(shù)隨交流磁場頻率變化測試界面，交流磁場頻率變化范圍為10～105Hz，最高頻率分辨率為1 MHz，測試界面中顯示的交流磁場頻率測試范圍可以設定.測試系統(tǒng)背景磁場噪聲小于50 pT/Hz1/2.特殊定制的電荷放大器的電荷分辨率最高能達到5×10-18C/Hz1/2/nF，可以滿足不同量級磁電系數(shù)測量的需求.用戶可以設定變化量的起始參數(shù)值以及采樣分辨率，界面中還有實時顯示的數(shù)據(jù)圖和當前的數(shù)值，可以讓用戶實時觀察測試情況，并且可以將測試數(shù)據(jù)保存在指定文件中便于后續(xù)處理分析.

(a)磁電系數(shù)隨偏置直流磁場大小變化測試界面

(b)磁電系數(shù)隨交流磁場頻率變化測試界面

3 測試結(jié)果與分析

利用上述系統(tǒng)對同一樣品Pb(Mg1/3Nb2/3)-0.30 PbTiO3/Metglas復合磁電材料進行多次測量，測試結(jié)果如圖4所示.對同一性能重復兩次測試，計算測試系統(tǒng)的重復性誤差分別在2.6%和1.3%以下，充分證明了系統(tǒng)的可重復性.從圖中曲線可以看出，直流磁場分辨率滿足實際材料性能測量的要求，能細致地描繪磁電系數(shù)隨直流磁場變化的特征；交流磁場頻率分辨率高，能完整地測量材料的諧振特性；電荷測量分辨率高，能準確地測量微弱的輸出信號.

圖4(a)中可以看到直流磁場為6.3 Oe時，磁電系數(shù)存在一個峰值，這是由Metglas的材料特性決定的，因為Metglas在6.3 Oe時壓磁系數(shù)最大，即在相同的微小交流磁場作用下，發(fā)生的應變最大，測試結(jié)果與文獻報道的Pb(Mg1/3Nb2/3)-0.30PbTiO3/Metglas復合磁電材料最優(yōu)偏置磁場6.2 Oe基本吻合[7].

圖4(b)中可以看到交流磁場頻率為23.58 kHz時，磁電系數(shù)存在一個峰值，較低頻狀態(tài)下提高了20多倍.這個峰值是由磁電諧振引起的，諧振頻率的大小由復合材料的有效參數(shù)以及它的幾何尺寸決定.一般來說，磁電諧振主要由三個因素引起[2，8]，一是壓電材料的機電諧振；二是鐵磁材料的鐵磁諧振，鐵磁諧振是由于鐵磁材料自旋晶格耦合引起的，它能夠通過弛豫過程耦合能量給聲子，能夠加強磁電耦合；三是機電諧振和鐵磁諧振之間的相互耦合產(chǎn)生的磁聲諧振.

(a)磁電系數(shù)隨偏置直流磁場大小變化曲線插圖為6.0～6.7 Oe間的磁電系數(shù)曲線

(b)磁電系數(shù)隨交流磁場頻率變化曲線插圖為80～10 080 Hz間的磁電系數(shù)曲線

4 結(jié)束語

在LabVIEW軟件平臺下設計和搭建了自動化的磁電系數(shù)測試系統(tǒng)，該系統(tǒng)能快速準確測試復合磁電材料的磁電系數(shù)隨外場的變化情況，完善了復合磁電材料性能表征手段.測試系統(tǒng)不僅具有高度自動化的特點，有效解決了手動測試中分辨率不高、人為引入的測試誤差等問題，同時由于LabVIEW的圖形化編程方式，使程序的開發(fā)周期大大縮短，可移植性增強，維護和擴充更為方便，有利于系統(tǒng)集成新的功能.

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