BKT6500磁电耦合系数ME测量系统说明书.doc

BKT-6500磁电耦合系数（ME ）测量系统用户使用说明书北京新科高测科技有限公司出品13260325821二◦一五年三月目录一、 仪器简介 2二、 仪器原理 21. 磁电效应的简介 22. 数字锁相放大器SR830原理及特点 2三、 仪器测量原理与系统结构 41. 信号发生器： 52. 调制线圈 53. 直流扫描磁场 54. 数字锁相放大器 55. 计算机数据采集与控制软件 6四、 仪器主要技术参数 6五、 实验测试步骤 6六、 实例分析 7#BKT-6500磁电耦合系数(ME )测量系统使用说明书一、 仪器简介磁电复合材料是通过单相铁电材料与铁磁材料经一定方法复合而成的， 而它的磁电转换系数就是铁电相和铁磁相的乘积效应产生的由于其独特的性质，磁电复合材料在 微波换能器，高精度的磁场电场传感器，微驱动器，移相器和滤波器等器件中都有广泛 的应用目前常用的磁电转换系数的测量方法是直接测量出电场微量 dE和磁场微量dH,从而间接的得出磁电系数这样测量存在的缺点是测量过程中不能反映磁电材料中的如磁 滞、工作频率以及不同磁场下磁电转换系数变化等信息。

本系统采用数字锁相技术和计算机数据采集技术，能够方便快捷测定磁电复合材料 的磁电系数，可以获得磁电材料中的磁滞信息、工作频率的影响以及磁电转换系随磁场 的变化信息等系统精度、信噪较高，完全能满足磁电复合材料的研究的测试需求本系统由数控电磁铁电源，电磁铁，数字锁相放大器，信号发生器，高斯计，功率 放大器，磁场调制线圈，样品变温盒，变温控制器及计算机和数据采集处理软件组成二、 仪器原理1. 磁电效应的简介磁电效应的物理量是磁电转换系数 dE/dH,铁电/铁磁复合材料的磁电效应是两单相 特性dS/dH及dE/dS的乘积效应的体现，可表示为：dE/dH 二 K1K2 x(1-x) dS/dH dE/dS ⑴其中dE/dH为复合材料的磁电转换系数；dS/dH和dE/dS分别为铁磁相的磁致伸缩 效应与铁电相的铁电效应；x及(1-x)分别为复合材料中铁磁相和铁电相的体积分数； K1和K2是两相材料相互稀释而引起的各单相特性的减弱系数而在测试中先测出薄膜厚度方向上的一个电压 dV，则其产生的电场dE可通过dV 除以一个PZT的厚度t得到最后磁电系数a=dV/ (t dH) (2)其中dH是高频磁场的微分磁场大小。

2. 数字锁相放大器SR830原理及特点锁相放大器是一种对交变信号进行相敏检波的放大器是在输入微弱信号的同时输 入一个参考信号，输入信号进行选频放大后与参考信号进行相关运算，运算只对被测信 号本身和那些与参考信号同频(或者倍频)、同相的噪声分量有响应再通过低频滤波和直流放大后输出，最后得到有用的信号而将噪声屏蔽在外其输出信号的频率与参考信 号的频率一样因此，能大幅度抑制无用噪声，改善检测信噪比此外，锁相放大器有 很高的检测灵敏度，信号处理比较简单，是弱电信号检测的一种有效方法相敏检波器是锁相放大器的核心部件，它是基于互相关检测原理设计的，运用信号 的相关性检测有用信号，而与参考信号不相关的噪音信号，在计算后噪声信号都被屏蔽 在外从而将有用信号从噪声中提取出来当输入信号为：1 (t)二an COS(Wnt —n)，参考信号为r(t)=COSW°t时，相关解调器计算两路输入信号在零点的相关值，被测信号与参考信号同频严格相关；参考信号与噪声 不相关，积分平均为零则输出为：lim 1T7 a* cos(Wit n)coswtdtQan cos : n 当 Wn 二 W0时其他由于积分平均不可能是T竝所以，实际上有一定带宽，它取决于后面的 RC积分cp常数。

式(3)中的n是检测信号同参考信号的相位差，为了得到最大的输出，参考信号不仅频率应同测量信号相同，而且相位也应相同，因而参考通道中有移相电路在实际测量中由于被测信号与参考信号的相位差很难能估计到， 所以为了消除相位差的影响实际的锁相系统中用双通道的放大模式双通道锁相放大器的原理图如图1所 示输出REFERENCE TRIGGER图1锁相放大器工作原理简图用锁相放大器测交流信号装置如图 2所示，它同一般测量仪器的区别是锁相放大器必须输入一个参考信号，这个参考信号可由外置信号源提供也可以由锁相放大器内部产 生，测试时可以控制其频率、幅度此参考信号经过功率放大以后施加到磁场调制线圈 上产生调制磁场图2用锁相放大器测磁电材料性能装置图三. 仪器测量原理与系统结构目前测量磁电材料性能所用的测量方法：由信号发生器产生交流信号，从而使调制 线圈得到一个交变的磁场dH，将此交变磁场信号作为磁场微分偏量由于调制线圈的 感抗，需要在信号发生器与调制线圈之间加一个功率放大器在磁电复合材料得到一个 交变磁场的同时，外加一个直流的扫描磁场 H，而这个扫描磁场大小由直流电源控制， 由高斯计测量反馈，从而较精确的控制扫描磁场的大小和变化。

最后将调制线圈中的交 变磁场信号dH，扫描磁场信号H和磁电复合材料得到交变电压信号 dE通过示波器计 算机等部件，得出磁电复合材料的性能参数这种测量方法，引入了很多人为的误差，如从示波器中读数、磁场的控制等而且 没有去噪的措施，得到的曲线是间接的读数，绘图得到的，其信噪比，精度都有待提高本系统主要有以下几部分组成：电磁铁、直流扫描电磁铁电源、信号发生器、调制 线圈、数字锁相放大器、计算机及其自主开发的软件其结构原理如图 3所示高斯计信号发宅器申一灘铁电源锁相丽阴0GPI噩口熾数据采集软件计算机图3磁电测量系统结构图测量时首先将系统连线连接好，样品放入合适的位置，信号发生器中产生一个正弦 波信号，通过放大器后施加到调制线圈上产生一个调制磁场，样品的铁磁相在这个调制 磁场的作用下产生磁致伸缩，经过界面耦合样品的铁电相会产生一个电压，这个电压通过数字锁相放大器SR830检测到并被读入到计算机中，经过定标后在计算机中得到的数 值就是电压信号dE施加在样品上的外磁场是由电磁铁产生的，通过高斯计也可以被 读入到计算机，外加磁场的变化可由扫描电源控制样品的厚度是一定的，t是一个定值，亥姆霍滋线圈中产生的调制磁场 dH也是一 个定值，从而，由公式（2）可知a是一个与dE成正比的数值，这样就能在计算机系统 中得到一个一定振幅频率交变磁场下， 磁电转换系数随直流扫描场变化的曲线如图 4所 示。

系统中各个部件的简介：1）信号发生器:信号源可采用FG-513A型的扫频/函数信号产生器，工作的最大频率可达 13MHz，通过调制线圈为样品提供一定频率稳定的激励信号,同时这一信号也输入到数字锁相放大器作为参考信号也可采用锁相放大器SR830的内部参考信号，经功率放大后通过调制线圈为样品提供一定频率稳定的激励信号，工作的最大频率可达 102kHz2）调制线圈调制线圈用漆包线圈骨架上绕制而成，其中心的磁场可用下式估算:式中■' ; r为调制线圈平均半径；N为线圈的匝数；I为线圈中的电流我们采用实测的方法确定调制线圈中心的电流磁场转换系数，当通以有效值为100mA的正弦交流电流时能产生峰峰值为 13.847GS的磁场，可得到该线圈的转换系数为 13.847Gs/100mA=0.134Gs/mA3）直流扫描磁场直流磁场由电磁铁提供，产生的磁场强度为0〜1.5T （0〜150000e），磁极中心区域 磁场均匀度可达10-4,磁场测量精度小于1Oe4）数字锁相放大器本系统采用美国斯坦福公司 SR830双通道数字锁相放大器，SR830采用数字信号处 理（DSP）技术，可测量多种信号（如电流信号和电压信号），频率范围为1mHz~102.4kHz, 相位测量分辨率为0.01deg, X输出和丫输出正交，分辨率为0.001deg,完全满足一般的光学、电学、磁学等方面的科研测量要求。

5）计算机数据采集与控制软件测量分析系统数据采集软件用 Visual Basic编写而成，集参数设定、测量与控制于 一身，简化了设备操作与测量过程，避免人工操作与读数的误差，从而提高了测量结果 的准确度数据屏幕显示窗口采用窗口自适应技术，自动适应大范围内数据的变化，将 当前已采集数据以合适的比例显示在屏幕上，方便实时观看数据变化情况计算机用户 控制界面如图4图5所示图4•计算机用户控制界面（扫场模式）图5•计算机用户控制界面（扫频模式）四、仪器主要技术参数1. 仪器锁相放大灵敏度2nV到1V有27档选择，时间常数从10卩到30s有14档 选择2. 磁场强度变化范围：0~1.0T（不安装变温附件时），步进精度1 Oe （小场时）3. ME磁电系数测量范围10-3~106 mV/（cm*Oe），最高灵敏度优于2X10-5 mV/（cm*Oe）4. ME 相对精度优于 ±1% (量程 10 mV/(cm*Oe) 时)，重复性优于 ±1% (量程 10 mV/(cm*Oe) 时)5. ME调制线圈磁场：0~10 Oe,频率：1~10kHz6. ME样品变化温度范围： -100C ~180C7. ME稳定性(量程10 mV/(cm*Oe)时)：预热1小时，优于1%。

8. 计算机：PC兼容机， Windows 7操作系统五、实验测试步骤1. 检查仪器之间的连线是否正确2. 确认连线无误后打开锁相放大器、 高斯计、 驱动器及计算机电源， 最后打开电磁 铁自动扫描电源，使系统预热 15分钟3. 样品安装： 一般磁电材料测量时需要有两个平整且平行的电极面， 电极引线可用 导电银胶、 焊接或超声压焊的方式引出， 然后将样品粘在样品架上， 接好引线放 入调制线圈中 将调制线圈放置在电磁铁磁极中间， 变温测量时接好温度测量及 加热器连线，以及液氮冷气管4. 输入仪器的定标系数、 样品厚度、 调制线圈常数等参数， 选定合适的磁场或频率 扫描范围以及锁相灵敏度和时间常数大小，点击 “测量”键系统自动测量一条曲 线5. 如对测量结果满意可将数据文件保存，后台用 Origin 软件处理、打印数据曲线 如对测量结果不满意可改变设置参数重测6. 更换样品重发 3-7步骤7. 实验完毕，先退出计算机软件， 再关闭电磁铁电源以及锁相放大器等仪器的电源 注意：不可再磁场扫描过程中关闭电磁铁扫描电源开关和退出系统六、 实例分析应用了基于锁相放大器的磁电特性测量系统， 对 Ni/PZT 层状复合材料进行了测量 锁相放大器的参考信号由自身提供，它与加在 Ni/PZT 层状复合材料上的调制磁场具有 相同的频率。

由 Ni/PZT 层状复合材料产生的电压信号经过锁相的选频放大后噪音得到 抑制，信号被放大，再通过计算机数据采集系统得到了信噪比较高的曲线图6.磁电耦合系数幅度与外加磁场之间的关系曲线100_150 -1 | I | I | I | I |-4000 -2000 0 2000 4000H(Oe)图7.磁电耦合系数相位角与外加磁场之间的关系曲线。