本发明专利技术属于磁电材料领域，具体涉及到利用虚拟多通道锁相放大原理来实现计算机控制的测量材料磁电性能的方法和装置。本发明专利技术将锁相放大器虚拟化，即计算机软件来实现锁相放大器的功能，利用虚拟的锁相放大器可以很方便的对任意多通道的信号进行锁相放大处理，从而不仅可以同时精确的动态测量ｄＥ和ｄＨ，改善了磁电性能测量精度，而且相比硬件锁相放大器工作频率上限得到大幅度提高，同时减少磁电测量设备的制造成本。本发明专利技术还结合外加直流偏置磁场的控制和测量进一步提高磁电测量设备的自动化程度，从而提高磁电测量精度和效率。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于磁电材料领域，涉及磁电材料磁电性能的测量技术，具体涉及到利用虚拟多通道锁相放大原理实现的全计算机控制的测量磁电材料磁电性能的装置及其测量方法。
技术介绍
磁电性能是指材料在外部磁场诱发的介电极化，或外电场诱发的磁化。通常所说的磁电性能在没有特别说明的情况下，都是指磁场诱导介电极化。磁电性能在许多高性能磁电功能元器件中具有广阔的应用前景，具体说来，它可应用于磁场探测、磁电能量互换、信息存储以及驱动等诸多领域中。而材料磁电性能的测量则是磁电材料研究开发和应用过程中最为关键的一个环节。表征磁电性能的指标常用的是磁电电压系数，定义为αME＝dV/(tdH)，其中dH为直流偏置磁场上叠加的交流微分磁场，dV为样品两端在微分磁场作用下产生的电压，t为样品的厚度。通常测试条件都是在kHz或者MHz频率下，在该频率段，由亥姆赫兹线圈产生的微分磁场通常都是很微小的，也就是说通过亥姆赫兹线圈的电流非常微弱，而且样品两端产生的电压也是很微小的。因此，磁电材料的磁电响应信号的测量涉及弱信号检测，精确的磁电测量设备必须要用锁相放大器，由于锁相放大器价格高，从而导致目前国内外现有的磁电测量设备成本昂贵。另一方面，由αME＝dV/(tdH)可以看出，磁电性能的获得需要同时测量dV和dH，但通常的商用锁相放大器每台只能对一个通道的信号进行锁相放大处理，无法同时测量dV和dH，于是目前国内外通常的做法是只测量dV而名义上的将dH固定。在实际测量时，尤其是当交流磁场的频率变化时将dH完全固定是不容易达到的，因此无法对磁场做精确的动态监测，从而也就无法获得准确的磁电性能。锁相放大器的使用工作频率范围也是体现磁电测试系统测量能力的重要指标，一般的锁相放大器的工作频率都在200kHz以下，如果测试条件超出了这个工作频率范围，那么使用锁相放大器就无法满足测试的需要，测试无法进行。如果要拓展设备的测试频率，则需要更为昂贵的宽频锁相放大器，这无疑将更进一步提高了设备成本。此外，磁电性能随外加直流偏置磁场的变化和磁电性能随外加交流磁场频率的变化必须分别加以测量，无法获得磁电性能同时随外加直流偏置磁场和外加交流磁场频率的变化。由此可见，目前国内外现有的磁电测量设备成本昂贵，精度、频率上限不够高，而且测量过程自动化程度也亟待提高。M.Mahesh Kumar et al，An experimental setup for dynamic measurement ofmagnetoelectric effect，Bull.Mater.Sci.，21(3)，251-255(1998)Shuxiang Dong，Jie-Fang Li，and D.Viehland，Characterization of magnetoelectriclaminate composites operated in longitudinal-transverse and transverse-transverse modes，J.Appl.Phys.，95(5)，2625-2630(2004)
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有测量仪器成本高，测量精度、频率上限和自动化程度不高的弊端，为此将锁相放大器虚拟化，即将锁相放大器的功能利用计算机软件来实现，因为锁相放大器是虚拟的，可以很方便的实现对多通道的信号进行锁相放大处理。这样一来，不仅可以同时精确的动态测量dV和dH，改善了磁电性能测量精度，而且相比硬件锁相放大器工作频率上限得到大幅度提高，同时减少磁电测量设备的制造成本，此外，本专利技术结合外加直流偏置磁场的控制和测量进一步提高磁电测量设备的自动化程度，从而提高磁电测量精度和效率。一种全自动磁电材料磁电性能测量装置，包括电磁铁1、亥姆赫兹线圈2、特斯拉计3、直流电源4、测试样品5、计算机8、差分仪11、数据采集前端12、信号发生器13、功率放大器14。数据采集前端是一个可多路同步采样的A/D卡或数字示波器，计算机8设有虚拟磁场闭环控制单元6、磁电耦合性能的记录单元7、虚拟信号发生控制单元9、相关器10。电磁铁1用来产生直流偏置磁场；在直流磁场中间放入的亥姆赫兹线圈2用来产生交流磁场；外加偏置磁场强度由特斯拉计3读出并送入计算机。直流电源4控制外加偏置磁场；计算机中的虚拟磁场闭环控制单元6，可读入从3传来的直流偏置磁场的强度；通过D/A卡传递直流偏置磁场的控制信号到达电源4。计算机8中的虚拟信号发生控制单元9通过信号发生器13将信号经过功率放大器14放大后提供给亥姆赫兹线圈2作为其驱动信号。交变磁场的强度通过串联在亥姆赫兹线圈2中的电阻R转换成电压信号输入数据采集前端12。磁场中的待测样品5上产生的磁电响应信号通过两根同轴线连接到差分仪11；差分仪11的输入信号线通过浮地接法提高信噪比，其输出接到数据采集前端12上。虚拟信号发生控制单元9、相关器10、数据采集前端12是虚拟锁相放大器的三个主要部分。相关器10是虚拟多通道锁相放大器的核心部件，利用数据采集前端12输入的磁电响应信号与交流磁场强度的信号和信号发生控制单元9输入的参比信号进行相关计算得到磁电耦合强度和相位差等信息并将结果输出到磁电耦合性能的记录单元7。磁电耦合性能记录单元7可以动态纪录来自磁场控制单元6输入的直流偏置磁场强度大小；以及由相关器10传入的磁电响应强度和相位滞后的信息和其他实验信息，从而完成连续的全自动化的测量。本专利技术中相关器的使用前提是被测信号是具有一定周期的微弱正弦信号，其数学形式为s(t)＝Asin(ωt+φ)，而在数据采集前端的测量信号中混有噪音n(t)，即测量信号Vs(t)＝s(t)+n(t)。相关器中的参比信号是两个振幅为1，相位相差π/2的正弦信号Vr(t)＝sin(ωt)和Vr′(t)＝sin(ωt+π/2)。求解离散信号互相关函数的联立方程，可以得到φ=arctan{ΣkN},]]>A=2ΣkN/cosφ]]>其中N是进入相关器的采样信号或虚拟参比信号的离散采样点总量。本专利技术中使用的虚拟多路锁相放大原理是将同步的电压信号dV和磁场信号dH同时传送进入相关器，计算结果分别得到电压信号的幅值AdE与相位φdE和磁场信号的幅值AdH与相位φdH，进而计算出磁电耦合性能的大小和磁电耦合的幅值αME和相位差φME。因为电源4产生的直流磁场不会随时间改变，因此磁电测量之前先对磁场进行标定，生成表格。当需要加载特定强度的直流偏置磁场时直接通过查表来设定直流磁场。在动态磁电测量过程中实时跟踪每次磁电性能测量时刻所对应的瞬时直流偏置磁场值，它和设定的直流偏置磁场值相差小于5％。本专利技术使用的虚拟锁相放大原理是对磁电响应的交流信号进行相敏检波，即利用被测信号和参考信号具有相同频率和一定的相位关系，只对被测信号中和参考信号同频率的那部分信号分量有响应，而被测信号中与参比信号不同频率的那部分当作噪音则被抑制，因此能大幅度改善磁电测量的信噪比。本专利技术所采用的虚拟多通道锁相放大原理搭建的磁电测量装置具有以下技术效果(1)同步动态精确的测量磁电电压系数公式中的两个参量dV和dH，从而提高了磁电性能的测量精度，这是其他本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种全自动磁电材料磁电性能测量装置，其特征测量装置包括电磁铁（１）、亥姆赫兹线圈（２）、特斯拉计（３）、直流电源（４）、测试样品（５）、计算机（８）、差分仪（１１）、数据采集前端（１２）、信号发生器（１３）、功率放大器（１４）；数据采集前端是一个可多路同步采样的Ａ／Ｄ卡或数字示波器，计算机（８）设有虚拟磁场闭环控制单元（６）、磁电耦合性能的记录单元（７）、虚拟信号发生控制单元（９）、相关器（１０）；电磁铁（１）用来产生直流偏置磁场；在直流磁场中间放入的亥姆赫兹线圈（２）用来产生交流磁场；外加偏置磁场强度由特斯拉计（３）读出并送入计算机。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：陆俊，潘德安，乔利杰，
申请(专利权)人：北京科技大学，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]
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