郭浩，郭定和，顧豪爽，焦杰，狄文寧，羅豪甦

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

復(fù)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(shí)際應(yīng)用要求.磁電系數(shù)是評價(jià)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(biāo)準(zhǔn)化[3]，部分研究單位仍然采用自主搭建的非自動(dòng)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(zhǔn)確度和高分辨率.

針對上述問題，本文中設(shè)計(jì)一種基于LabVIEW軟件平臺的高分辨率磁電系數(shù)自動(dòng)化測試和數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)，克服傳統(tǒng)手動(dòng)測試系統(tǒng)中的不足，同時(shí)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(dòng)完成交直流磁場的產(chǎn)生和輸出信號的實(shí)時(shí)監(jiān)測，自動(dòng)完成測試信號的實(shí)時(shí)采集與分析，為復(fù)合磁電材料磁電性能測試提供了一套比較完備的自動(dòng)化測試平臺.

1 測試原理

(1)

當(dāng)磁電材料的電極與外接電路連接時(shí)，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(dǎo)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(dǎo)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(fù)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(fù)合而成，其磁電效應(yīng)是一種乘積效應(yīng)，也是一種傳遞效應(yīng)[5].當(dāng)復(fù)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(yīng)而發(fā)生形變，這一形變通過力學(xué)耦合傳遞給壓電材料，而壓電材料由于壓電效應(yīng)產(chǎn)生電荷.由于這種復(fù)合效應(yīng)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(yuǎn)大于非諧振狀態(tài)，從而研究磁電系數(shù)的頻率響應(yīng)特性和直流磁場特性對磁電材料的設(shè)計(jì)和應(yīng)用有著重大意義.

2 測試系統(tǒng)的實(shí)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(jìn)行復(fù)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(gè)正弦磁場激勵(lì)信號，測試磁電系數(shù)隨直流磁場工作點(diǎn)的變化情況.然后給樣品一個(gè)直流磁場工作點(diǎn)，測試磁電系數(shù)隨正弦磁場激勵(lì)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(yīng)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(jì)測量，此高斯計(jì)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(biāo)定.由于Keithley 6221A交直流電流輸出阻抗高達(dá)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(rèn)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(shí)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(shí)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(jìn)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(jì)算機(jī).

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(jì)算機(jī)連接.為了使NI-VISA找到和訪問所有GPIB設(shè)備，硬件配置必須用Agilent I/O Libraries Suite 配置實(shí)用程序.直流電流源與交流電流源的儀器驅(qū)動(dòng)器采用VISA標(biāo)準(zhǔn)編程，從而可避開許多復(fù)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(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)對這三個(gè)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(shè)計(jì)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(qiáng)大的圖形編程語言能夠成倍地提高生產(chǎn)率.同時(shí)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(yùn)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(shè)計(jì)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(jìn)行了濾波處理.濾波器VI設(shè)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(yùn)行的速度.對于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，系統(tǒng)不僅可以完成簡單的采集，而且能進(jìn)行一般的數(shù)據(jù)分析，同時(shí)給出實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)分析結(jié)果，使整套系統(tǒng)的實(shí)用性進(jìn)一步加強(qiáng).在激勵(lì)信號和信號采集之間設(shè)定了延時(shí)20秒，使測試信號更加真實(shí)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(shè)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(shè)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(dá)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(shè)定變化量的起始參數(shù)值以及采樣分辨率，界面中還有實(shí)時(shí)顯示的數(shù)據(jù)圖和當(dāng)前的數(shù)值，可以讓用戶實(shí)時(shí)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(fù)合磁電材料進(jìn)行多次測量，測試結(jié)果如圖4所示.對同一性能重復(fù)兩次測試，計(jì)算測試系統(tǒng)的重復(fù)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(fù)性.從圖中曲線可以看出，直流磁場分辨率滿足實(shí)際材料性能測量的要求，能細(xì)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(zhǔn)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(shí)，磁電系數(shù)存在一個(gè)峰值，這是由Metglas的材料特性決定的，因?yàn)镸etglas在6.3 Oe時(shí)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(yīng)變最大，測試結(jié)果與文獻(xiàn)報(bào)道的Pb(Mg1/3Nb2/3)-0.30PbTiO3/Metglas復(fù)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(shí)，磁電系數(shù)存在一個(gè)峰值，較低頻狀態(tài)下提高了20多倍.這個(gè)峰值是由磁電諧振引起的，諧振頻率的大小由復(fù)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(gè)因素引起[2，8]，一是壓電材料的機(jī)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(qiáng)磁電耦合；三是機(jī)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(shè)計(jì)和搭建了自動(dòng)化的磁電系數(shù)測試系統(tǒng)，該系統(tǒng)能快速準(zhǔn)確測試復(fù)合磁電材料的磁電系數(shù)隨外場的變化情況，完善了復(fù)合磁電材料性能表征手段.測試系統(tǒng)不僅具有高度自動(dòng)化的特點(diǎn)，有效解決了手動(dòng)測試中分辨率不高、人為引入的測試誤差等問題，同時(shí)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(qiáng)，維護(hù)和擴(kuò)充更為方便，有利于系統(tǒng)集成新的功能.

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