专利名称：一种铁电体矫顽场强度的测量系统的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及铁电体矫顽场强度的测量装置，特别涉及一种铁电体矫顽场强度的测量系统。
技术背景铁电体的矫顽场强度是铁电体的重要参数，目前公认的测量方法是利用Sawyer-Tower回路来测量，如王永龄著科学出版社2003版的《功能陶瓷性能与应用》一书中所述的，它由低频高压电源、示波器、纯电阻串联支路与被测样品电容和标准电容相串联的容性支路构成的并联测量回路组成。通过在铁电体上施加一个低频高电压，观察流过铁电体的电流随外加电场的变化，即在示波器X轴上显示样品上所加的电压V(除以样品厚度即为电场强度E)，在示波器Y轴显示样品上的电荷Q(除以样品的电极面积即为电极化强度P或电位移D)，而在示波器的X-Y平面上则完整地显示出铁电体的D-E或P-E电滞回线，从电滞回线上对应极化强度P或电位移D为零的电场强度即为矫顽场强度。
但是，由于铁电体样品及取样电容或多或少存在直流电导及其它介质损耗，在低频高压作用下，由于滞后损耗会使得到的电滞回线会产生畸变，从而导致由此获得的铁电体样品的矫顽场强度不准确。虽然，从原则上可以采用相位补偿的办法，在一定程度上可以减少这种畸变，但由于这种直流电导及介质损耗往往随电场强度而变(即存在非线性变化的关系)，故实际上难以获得完全的相位补偿，从而也就难以得到准确的矫顽场强度。
实用新型内容本实用新型的目的在于克服现有的利用Sawyer-Tower回路测量铁电体材料矫顽场强度的装置，由于电滞回线产生畸变而造成难以准确测量的缺陷，从而提供一种铁电体矫顽场强度的测量系统。
本实用新型的目的是这样实现的本实用新型提供的铁电体矫顽场强度的测量系统，包括示波器，其特征在于，还包括一施加幅度大小为0.1-1.5牛顿的低频正弦波交变力的施力装置、直流高压电源、串联电阻和隔直电容，所述施力装置的信号源首先通过电缆连接到功率放大器的输入端，然后再由功率放大器的输出端通过电缆连接到施力装置的信号输入连接插座上，铁电体试样放置在施力装置的两个探头之间；所述直流高压电源的正极通过一只串联电阻连接到铁电体试样的负极，直流高压电源的负极连接铁电体试样的正极；所述铁电体试样的负极经过隔直电容接入示波器输入端口，铁电体试样的正极连接在示波器的接地端。
所述的功率放大器为不低于10瓦的音频功率放大器。
所述的直流高压电源由数十节9伏积层电池串联而成。
所述的直流高压电源为连续可调的，其输出纹波电压的最大值小于10毫伏的直流高压电源。
所述的示波器为双通道电子示波器。
本实用新型铁电体矫顽场强度的测量系统，根据当外力在一定范围内，一般是当低频正弦波交变力的大小为0.1-1.5牛顿之间时，极化过的铁电体样品所受到的外力与所得到的压电电压成正比的关系，首先，在极化后的铁电体试样上施加一个低频正弦波交变力，因压电效应在铁电体试样两端产生出低频交变压电电压；再在该铁电体试样上施加一个与原铁电体极化方向相反的直流高压电场，从小到大调节直流高压电场直至铁电体样品两端的低频交变压电电压为零，该直流高压电场的大小就是铁电体样品的矫顽场强度。
铁电体剩余极化强度的大小和铁电体样品由于压电效应而产生出压电电压的大小相对应，在外加直流高压电场作用下使铁电体样品的压电电压变为零，这也就是铁电体样品的剩余极化强度变为零，因为在铁电体的电滞回线中能使其剩余极化强度变为零所加的电场被定义为铁电体的矫顽场强度，所以我们施加的导致铁电体样品压电电压变为零时的直流高压电场，就是被测铁电体样品的矫顽场强度。
本装置中，信号源、功率放大器和施力装置构成使极化过的铁电体样品产生压电电压信号的加力装置，施力装置由本申请人在99年2月6日被授权的专利(专利号为ZL97231420.2)改装而成，低频正弦波交变力可以通过调节信号源的频率范围和功率放大器的输出幅度来实现；直流高压电源用于提供改变上述压电电压信号大小的反向电场；示波器则用于监视铁上述压电电压信号的变化情况。本实用新型由于在测量中对铁电体样品施加的是直流高压电场，而不是交流高压电场，因此不会出现Sawyer-Tower回路测量过程中的电滞回线非线性现象，故无须进行相位补偿就能得到较为准确的矫顽场强度测量结果，即将在示波器上观察到的低频正弦波压电电压信号变为零时的直流高压电源的输出电压除以铁电体样品的厚度便得到了所需要的矫顽场强度。
本实用新型的优点在于本实用新型铁电体矫顽场强度的测量系统，在测量中对样品施加的是直流高压电场，而不是交流高压电场，因此不会出现Sawyer-Tower回路测量过程中由于对铁电体样品施加低频高压而产生滞后损耗造成电滞回线畸变导致矫顽场强度难以测准的情况，因此，对铁电体矫顽场强度的测量精度比Sawyer-Tower回路的测量精度高。


图1为本实用新型铁电体矫顽场强度的测量系统的原理图图2为本实用新型铁电体矫顽场强度的测量系统的具体实施例结构示意图图面说明1-信号源 2-功率放大器 3-直流高压电源4-示波器 5-电阻 6-隔直电容7-施力装置 8-主壳体 9-定位导轨10-导轨槽盖11-定位滑块 12-调节杆13-调节手轮14-连接定位杆15-圆型定位膜片16-固定环 17-锁紧螺母 18-上绝缘连接柱19-下绝缘连接柱20-上导电焊片21-下导电焊片22-上探头 23-下探头24-信号输入连接插座25-轭铁芯 26-外轭铁27-轭铁底座28-磁钢29-线圈 30-定心支片31-活塞具体实施方式
现在结合上述附图和实施例来进一步详细说明本实用新型的测量系统。
如图1所示，铁电体矫顽场强度的测量系统，包括一施力装置7，铁电体试样夹在施力装置7的上探头22和下探头23之间，直流高压电源3的正极通过一只串联电阻连接下探头23上的下导电焊片21，直流高压电源3的负极连接上探头22上的上导电焊片20，下导电焊片21经过隔直电容6接入示波器4的输入端口，上导电焊片20连接在示波器4的接地端。本例中，直流高压电源由50节9V积层电池组组成，示波器选用的是V-212型20MHz示波器，另外，电阻5为1兆欧姆，作用是为了防止被测试样的压电电压信号被直流高压电源的输出内阻所短路，隔直电容6为1微法，作用是为了在示波器测量压电电压信号时隔去直流高压。
此前，信号源1的输出端通过电缆与功率放大器2的输入端电连接，功率放大器2的输出端通过电缆连接到施力装置7的信号输入连接插座24上；本例中，信号源1为5020A函数发生器，功率放大器2为FDS-3型功率放大器，这样，5020A函数发生器输出的正弦波信号经FDS-3型功率放大器放大后送到电磁驱动器中线圈29的两端，产生出低频正弦波交变力作用到被测试样上。
本实施例所用的施力装置的具体结构，如图2所示，包括两个部分对不同试样的机械夹持部分8-23和电磁驱动部分25-31；机械夹持部分包括一垂直放置的圆管型主壳体8，主壳体8的上端口有一内圆台阶，内圆台阶上通过固定环16将圆型定位膜片15的边缘压住，主壳体8的侧面装有一定位导轨9，在定位导轨9中平行设置有导轨槽和螺孔，直角型定位滑块11的垂直部分在定位导轨9的导轨槽内，由导轨槽盖10扣住，在定位滑块11拐角处的水平部分有一垂向圆孔，调节杆12上端的光滑部分穿过圆孔并通过一卡盘定位在定位滑块11的水平部分以相对转动，且调节杆12光滑部分的顶端与调节手轮13连接，调节杆12下端的螺纹部分与定位导轨9上的螺孔相配合，这样，转动调节手轮13使得定位滑块11可以随着调节杆12一起上下滑动。
定位滑块11的水平部分的前端位于主壳体8中心的正上方，在前端垂直向下依次安装绝缘连接柱18、上导电焊片20和上探头22；对应于此，其下方从上到下依次将下探头23、下导电焊片21和下绝缘连接柱19安装在连接定位杆14的上端，该连接定位杆14用一锁紧螺母17固定在圆型定位膜片15的中心孔上，连接定位杆14的下端固定在电磁驱动器活塞31的上表面，这样的结构可以使电磁驱动器活塞的31通过连接定位杆14推动下探头23做单方向的上下运动。
电磁驱动部分25-31通过轭铁底座27固定在主壳体8的下端面，其中，轭铁芯25与磁钢28粘在一起后固定在轭铁底座27的中心，外轭铁26同轴固定在轭铁底座27上，使轭铁芯25与外轭铁26之间形成一均匀的圆环形间隙，由于磁钢28的作用，圆环形间隙实际上是一个磁场间隙，线圈29的上端与活塞31的下表面固定在一起，线圈29的四周粘贴一圆环状的定心支片30，该定心支片30的四周粘贴在外轭铁26圆台端面上，使得线圈29和外轭铁26之间形成软连接，以保证线圈29的下端自由垂挂在磁场间隙中，线圈29的两端的引线与施力装置主壳体8上的信号输入连接插座24相连接，整个装置中的绝缘连接柱18、上探头22、下探头23、下绝缘连接柱19、圆型定位膜片15、连接定位杆14、活塞31、线圈29、外轭铁26、轭铁芯25、磁钢28、定心支片30均同轴固定，这样，当在两根引线之间通入正弦波电压驱动信号时，由于电磁感应现象线圈29在上述的磁场间隙中上下反复运动，从而推动活塞31做垂直反复运动。
本实施例的具体工作过程为首先将极化过的被测铁电体样品(以下简称试样)放置在施力装置上、下探头22、23之间，试样的极性与电池组3所提供的电场方向相反(在本例中，试样的正极面朝下)，旋转调节手轮13将其夹住，打开5020A函数发生器1，选择正弦波信号输出，调节正弦波的输出频率为100Hz左右，调节正弦波的输出幅度或FDS-3型功率放大器2的输出幅度使施力装置产生低频正弦波交变力作用在被测试样上，并且直接从示波器4上观察由于正压电效应而产生的低频正弦波压电电压信号，该信号大致为百毫伏量级(可通过调节5020A函数发生器或FDS-3型功率放大器的输出幅度来实现)。
然后，由小到大逐渐增加电池组3的输出电压(对试样施加直流高压电场)，并且同时从V-212型示波器4上观察由于试样受力而产生出的压电电压信号在直流高压电场下的变化，试样的压电电压信号将随着直流反向电场的增大而逐渐变小，当试样的压电电压信号变为零的时刻，读出或测量出电池组3的输出电压值，然后再除以试样的厚度，便得到了试样的矫顽场强度。
当试样的极性不详时，可以先假设试样的一面为正极插入施力装置中，按照上述的步骤操作，如果在直流电场作用下试样的压电电压信号变小则说明假设的极性正确，可以继续操作，测量得到其矫顽场强度。如果在直流电场作用下试样的压电电压信号变大或者不变则说明试样的极性反了，这时只要将试样从施力装置中取出，翻一个面再重新插入施力装置后测量即可。
权利要求1.一种铁电体矫顽场强度的测量系统，包括示波器(4)，其特征在于，还包括一施加幅度大小为0.1-1.5牛顿的低频正弦波交变力的施力装置、直流高压电源(3)、串联电阻(5)和隔直电容(6)，所述施力装置的信号源(1)首先通过电缆连接到功率放大器的输入端，然后再由功率放大器的输出端通过电缆连接到施力装置的信号输入连接插座(24)上，铁电体试样放置在施力装置的两个探头之间；所述直流高压电源(3)的正极通过一只串联电阻(5)连接到铁电体试样的负极，直流高压电源(3)的负极连接铁电体试样的正极；所述铁电体试样的负极经过隔直电容(6)接入示波器输入端口，铁电体试样的正极连接在示波器的接地端。
2.按权利要求1所述的铁电体矫顽场强度的测量系统，其特征在于，所述的功率放大器为不低于10瓦的音频功率放大器。
3.按权利要求1所述的铁电体矫顽场强度的测量系统，其特征在于，所述的直流高压电源(3)由数十节9伏积层电池串联而成。
4.按权利要求1所述的铁电体矫顽场强度的测量系统，其特征在于，所述的直流高压电源(3)为连续可调的，其输出纹波电压的最大值小于10毫伏的直流高压电源。
5.按权利要求1所述的铁电体矫顽场强度的测量系统，其特征在于，所述的示波器(4)为双通道电子示波器。
专利摘要本实用新型涉及一种铁电体矫顽场强度的测量系统，包括示波器，还包括一施加低频正弦波交变力的施力装置、直流高压电源、串联电阻和隔直电容，所述施力装置的信号源首先通过电缆连接到功率放大器的输入端，然后再由功率放大器的输出端通过电缆连接到施力装置的信号输入连接插座上，铁电体试样放置在施力装置的两个探头之间；所述直流高压电源的正极通过一只串联电阻连接到铁电体试样的负极，直流高压电源的负极连接铁电体试样的正极；所述铁电体试样的负极经过隔直电容接入示波器输入端口，其正极连接在示波器的接地端；所述的低频正弦波交变力的大小为0.1－1.5牛顿。该测量系统对铁电体矫顽场强度的测量精度比Sawyer－Tower回路的测量精度高。
文档编号G01R27/26GK2674462SQ200320129758
公开日2005年1月26日 申请日期2003年12月23日 优先权日2003年12月23日
发明者潘潮, 陈守六, 解宝兴, 金亨焕, 易晓星, 章力旺 申请人:中国科学院声学研究所