磁电系数自动化测试系统设计研究

郭浩，郭定和，顾豪爽，焦杰，狄文宁，罗豪甦

(1.湖北大学物理学与电子技术学院，湖北 武汉 430062；2.中国科学院上海硅酸盐研究所，上海 200050)

复合磁电材料具有优异的磁电性能[1-2]，引起了人们的广泛关注，近年来此领域的研究开发已取得了长足发展，部分材料已可满足器件的实际应用要求.磁电系数是评价材料本征磁电性能的重要参数，然而，对其测定的方法目前还没有标准化[3]，部分研究单位仍然采用自主搭建的非自动化测试系统，测试速度缓慢，易引入人为测量误差，而且难以保证直流磁场、交流磁场、微弱电荷测量等参数的准确度和高分辨率.

针对上述问题，本文中设计一种基于LabVIEW软件平台的高分辨率磁电系数自动化测试和数据采集处理系统，克服传统手动测试系统中的不足，同时也给测试者提供了可视化界面以及方便快捷的数据存储与处理功能.该系统可以自动完成交直流磁场的产生和输出信号的实时监测，自动完成测试信号的实时采集与分析，为复合磁电材料磁电性能测试提供了一套比较完备的自动化测试平台.

1 测试原理

(1)

当磁电材料的电极与外接电路连接时，产生的磁电电流iH为：

(2)

(3)

(4)

式中，dQ表示测量到的样品上诱导电荷的微小变化，dH表示施加磁场的微小变化.磁电电荷系数一般用高斯单位表示，其单位为pC/Oe.由(4)式可以看出，测量出样品上诱导的电荷有效值和外加交流磁场的有效值，可确定磁电电荷系数αQ.

测试研究的复合磁电材料是磁致伸缩材料与压电材料通过环氧树脂复合而成，其磁电效应是一种乘积效应，也是一种传递效应[5].当复合磁电材料处于变化的磁场中，其磁致伸缩材料因磁致伸缩效应而发生形变，这一形变通过力学耦合传递给压电材料，而压电材料由于压电效应产生电荷.由于这种复合效应在不同偏置磁场下，因磁致伸缩材料的压磁系数不同而影响磁电材料的磁电系数.磁电材料在谐振状态下，磁电系数远大于非谐振状态，从而研究磁电系数的频率响应特性和直流磁场特性对磁电材料的设计和应用有着重大意义.

2 测试系统的实现

图1 测试系统硬件连接框图

为了研究磁电材料的磁电系数随外磁场变化规律，采用同一套硬件进行复合磁电材料在两种磁场环境下的磁电系数性能测试.首先给样品一个正弦磁场激励信号，测试磁电系数随直流磁场工作点的变化情况.然后给样品一个直流磁场工作点，测试磁电系数随正弦磁场激励信号频率变化情况.

根据测试原理，组建了如图1所示的测试系统硬件连接图.采用力田磁电技术应用研究所PEM5005型号的电磁铁与Agilent E3631A直流电源组成直流磁场的发生装置，在直流工作状态下电磁铁的阻抗恒定不变，通过控制电源电压即可控制电流，从而控制直流磁场的变化.电磁铁中电流-磁场转换系数采用北京翠海公司CH-1800型全数字高斯计测量，此高斯计的分辨率为10-4Oe，保证了测试系统的直流磁场分辨率.亥姆赫兹线圈与Keithley6221A交直流精密电流源组成交流磁场的发生装置，交流磁场的大小与频率由交流电源控制.亥姆赫兹线圈电流-磁场转换系数采用英国Bartington公司Mag-03MSSB100磁通门标定.由于Keithley 6221A交直流电流输出阻抗高达1014Ω，测试采用的亥姆赫兹线圈阻抗在100 kHz范围内低于105Ω，所以认定亥姆赫兹线圈产生的交流磁场只随电流线性变化而不受频率的影响.为了实现样品与电路的阻抗匹配，抑制电缆电容对测量精度的影响，实现对微弱信号的2充分放大，因此样品电荷信号采用电荷放大器进行前置放大.采用Brüel & Kjr公司型号为2635的电荷放大器，电荷放大器输出的模拟信号通过NI公司型号为USB-6210的16位数据采集卡转换为数字信号输入计算机.

直流电流源与交流电流源采用通用仪器控制接口总线GPIB串联，然后通过Agilent 82357B USB/GPIB转换器将GPIB接口转换为USB接口与计算机连接.为了使NI-VISA找到和访问所有GPIB设备，硬件配置必须用Agilent I/O Libraries Suite 配置实用程序.直流电流源与交流电流源的仪器驱动器采用VISA标准编程，从而可避开许多复杂而低级的仪器程控命令.数据采集卡采用USB接口，通过NI-DAQ助手控制数据采集卡，从而方便地实现计算机对这三个仪器的控制.

测试系统的控制软件选择LabVIEW，它以其图形化程序设计语言G (Graphic)和简洁的框图代替了传统冗长的程序代码，通过使用LabVIEW功能强大的图形编程语言能够成倍地提高生产率.同时LabVIEW使用图形化的数据流的执行方式，可以非常直观地看到代码的并行运行状态，大大提高了程序的可读性[7].

图2为LabVIEW平台下磁电系数测试系统的流程图，根据测试原理设计了磁电系数分别随偏置直流磁场大小变化和交流磁场频率变化程序流程图.在本套测试系统中，LabVIEW软件不仅完成仪器的控制，而且将采集的信号进行了滤波处理.滤波器VI设置为5阶Butterworth带通滤波器，滤波器的高低截止频率随测试频率变化而变化，带宽为10 Hz，既提高了抗干扰能力，抑制了噪声，又保证了程序运行的速度.对于实验数据，系统不仅可以完成简单的采集，而且能进行一般的数据分析，同时给出实时数据分析结果，使整套系统的实用性进一步加强.在激励信号和信号采集之间设定了延时20秒，使测试信号更加真实与稳定.

(a)磁电系数随偏置直流磁场大小变化程序流程图

(b)磁电系数随交流磁场频率变化程序流程图

图3为程序界面.图3(a)为磁电系数随偏置直流磁场大小变化测试界面，直流磁场测试范围为0～100 Oe，最高磁场分辨率为0.016 Oe，测试界面中显示的直流磁场测试范围可以设定.图3(b)为磁电系数随交流磁场频率变化测试界面，交流磁场频率变化范围为10～105Hz，最高频率分辨率为1 MHz，测试界面中显示的交流磁场频率测试范围可以设定.测试系统背景磁场噪声小于50 pT/Hz1/2.特殊定制的电荷放大器的电荷分辨率最高能达到5×10-18C/Hz1/2/nF，可以满足不同量级磁电系数测量的需求.用户可以设定变化量的起始参数值以及采样分辨率，界面中还有实时显示的数据图和当前的数值，可以让用户实时观察测试情况，并且可以将测试数据保存在指定文件中便于后续处理分析.

(a)磁电系数随偏置直流磁场大小变化测试界面

(b)磁电系数随交流磁场频率变化测试界面

3 测试结果与分析

利用上述系统对同一样品Pb(Mg1/3Nb2/3)-0.30 PbTiO3/Metglas复合磁电材料进行多次测量，测试结果如图4所示.对同一性能重复两次测试，计算测试系统的重复性误差分别在2.6%和1.3%以下，充分证明了系统的可重复性.从图中曲线可以看出，直流磁场分辨率满足实际材料性能测量的要求，能细致地描绘磁电系数随直流磁场变化的特征；交流磁场频率分辨率高，能完整地测量材料的谐振特性；电荷测量分辨率高，能准确地测量微弱的输出信号.

图4(a)中可以看到直流磁场为6.3 Oe时，磁电系数存在一个峰值，这是由Metglas的材料特性决定的，因为Metglas在6.3 Oe时压磁系数最大，即在相同的微小交流磁场作用下，发生的应变最大，测试结果与文献报道的Pb(Mg1/3Nb2/3)-0.30PbTiO3/Metglas复合磁电材料最优偏置磁场6.2 Oe基本吻合[7].

图4(b)中可以看到交流磁场频率为23.58 kHz时，磁电系数存在一个峰值，较低频状态下提高了20多倍.这个峰值是由磁电谐振引起的，谐振频率的大小由复合材料的有效参数以及它的几何尺寸决定.一般来说，磁电谐振主要由三个因素引起[2，8]，一是压电材料的机电谐振；二是铁磁材料的铁磁谐振，铁磁谐振是由于铁磁材料自旋晶格耦合引起的，它能够通过弛豫过程耦合能量给声子，能够加强磁电耦合；三是机电谐振和铁磁谐振之间的相互耦合产生的磁声谐振.

(a)磁电系数随偏置直流磁场大小变化曲线插图为6.0～6.7 Oe间的磁电系数曲线

(b)磁电系数随交流磁场频率变化曲线插图为80～10 080 Hz间的磁电系数曲线

4 结束语

在LabVIEW软件平台下设计和搭建了自动化的磁电系数测试系统，该系统能快速准确测试复合磁电材料的磁电系数随外场的变化情况，完善了复合磁电材料性能表征手段.测试系统不仅具有高度自动化的特点，有效解决了手动测试中分辨率不高、人为引入的测试误差等问题，同时由于LabVIEW的图形化编程方式，使程序的开发周期大大缩短，可移植性增强，维护和扩充更为方便，有利于系统集成新的功能.

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