專利名稱：熱釋電系數(shù)測(cè)量裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于電流測(cè)量設(shè)備，具體涉及材料熱釋電系數(shù)的測(cè)量裝置，采用動(dòng)態(tài)電流法測(cè)量材料熱釋電系數(shù)。
背景技術(shù)：
熱釋電材料主要應(yīng)用于紅外探測(cè)領(lǐng)域，用熱釋電材料制成的熱釋電紅外探測(cè)器具有無需制冷、可在室溫下工作、光譜響應(yīng)寬等優(yōu)點(diǎn)，從而促進(jìn)了熱釋電材料的發(fā)展及應(yīng)用，發(fā)現(xiàn)并改進(jìn)了一些重要的熱釋電材料。熱釋電系數(shù)p的大小是評(píng)價(jià)熱釋電材料的基本參數(shù)之一，對(duì)熱釋電材料的熱釋電系數(shù)的測(cè)量就顯得尤為重要，因此其測(cè)試系統(tǒng)的研制越來越受到國內(nèi)外學(xué)者的高度重視。
早期測(cè)量熱釋電系數(shù)的方法是測(cè)量不同溫度下的電滯回線中的自發(fā)極化強(qiáng)度Ps，而得到Ps與T的關(guān)系曲線，再由曲線斜率求出熱釋電系數(shù)p的值，這種方法稱為電反轉(zhuǎn)法。人們自上世紀(jì)70年代以來，提出了(a)靜態(tài)法、(b)電荷積分法、(c)直接法(包括熱動(dòng)態(tài)電流法和介質(zhì)加熱法)等多種測(cè)量熱釋電系數(shù)的基本方法。動(dòng)態(tài)電流法采用可變熱源技術(shù)，研究在特定溫度條件下，被測(cè)量材料的動(dòng)態(tài)熱釋電響應(yīng)。動(dòng)態(tài)電流法具有較高的靈敏度，且溫度可以連續(xù)改變。
本發(fā)明的原理是基于動(dòng)態(tài)電流法，但是采用本測(cè)試方法的測(cè)試系統(tǒng)還未見報(bào)道。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種熱釋電系數(shù)測(cè)量裝置，基于動(dòng)態(tài)電流法，以提高測(cè)量準(zhǔn)確度，并且簡化操作，用于測(cè)量具有熱釋電性能的單晶、陶瓷、厚膜及薄膜材料樣品。
本發(fā)明的一種熱釋電系數(shù)測(cè)量裝置，加熱爐體內(nèi)一端設(shè)有加熱器、另一端裝有樣品夾具和熱電阻感溫器，溫度控制器連接加熱器控制加熱爐體的內(nèi)部溫度；樣品夾具和微電流放大器、皮安電流表、計(jì)算機(jī)依次電信號(hào)連接，樣品的溫度信號(hào)依次通過熱電阻感溫器、溫度測(cè)試儀和計(jì)算機(jī)電信號(hào)連接；計(jì)算機(jī)編程計(jì)算獲得樣品的熱釋電系數(shù)。
所述的熱釋電系數(shù)測(cè)量裝置，其特征在于所述加熱爐體內(nèi)部呈無底瓶狀空腔體，爐壁采用鋁材料制成，瓶狀空腔體大端入口與小端出口形成通風(fēng)管道；爐內(nèi)加熱器由均勻排列在圓環(huán)上的內(nèi)熱式加熱芯組成，構(gòu)成空心圓環(huán)加熱結(jié)構(gòu)；加熱爐體瓶狀空腔體大端入口裝有風(fēng)扇，加熱爐體小端出口處插入樣品夾具與熱電阻感溫器，樣品夾具和熱電阻感溫器位于同一截面。
所述的熱釋電系數(shù)測(cè)量裝置，其特征在于所述溫度控制器由可控硅、可控硅移相器和時(shí)間繼電器順序連接組成，調(diào)節(jié)時(shí)間繼電器給予一定時(shí)間間隔的脈沖信號(hào)改變可控硅移相器的導(dǎo)通角，可控硅移相器通過控制可控硅導(dǎo)通角的變化來控制加熱爐體內(nèi)加熱芯的電壓。
所述的熱釋電系數(shù)測(cè)量裝置，其特征在于所述微電流放大器由兩個(gè)結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管構(gòu)成差分輸入級(jí)，再依次電信號(hào)連接差分輸入電壓放大器和電壓減法器構(gòu)成，整個(gè)電路放在金屬屏蔽盒內(nèi)。
本發(fā)明的測(cè)量過程按以下步驟進(jìn)行①按圖2連接好整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)；②將樣品制備成表面積為0.1cm2左右的規(guī)則矩形片，且測(cè)出樣品有效電極面積A的值；③將9V電壓加于樣片兩端，通過PA電流表和電壓表測(cè)得電流和電壓值，從而獲得樣品的電阻RT；④將樣品放入加熱爐內(nèi)，打開系統(tǒng)中各裝置的電源開關(guān)，啟動(dòng)系統(tǒng)軟件程序主界面，確認(rèn)身份，正確后給定采樣時(shí)間間隔，開始測(cè)量；⑤溫度從室溫勻速升溫到設(shè)定值或從設(shè)定值勻速降至室溫，通過測(cè)量實(shí)時(shí)熱釋電電流Ip和溫度T與時(shí)間的關(guān)系曲線，系統(tǒng)自動(dòng)計(jì)算出各時(shí)刻熱釋電系數(shù)p的大小并繪制出熱釋電系數(shù)P與溫度T的p-T關(guān)系曲線。
熱釋電材料樣品的均勻加熱以及溫度線性上升或下降的控制是很重要的。針對(duì)要求，本發(fā)明設(shè)計(jì)了一款瓶狀腔體式加熱爐。整個(gè)爐子采用鋁材料制成，散熱速度適中，升溫降溫都能滿足測(cè)試要求。
本發(fā)明的熱釋電電流測(cè)量包括微電流放大部分和電流測(cè)量部分。微電流放大器可以將熱釋電電流放大到PA電流表可以精確讀取的數(shù)量級(jí)，并通過輸入輸出電壓與電流的關(guān)系，而獲得熱釋電電流實(shí)時(shí)值，準(zhǔn)確性高。
本發(fā)明利用了PC機(jī)的信息處理功能，能準(zhǔn)確的測(cè)量熱釋電系數(shù)的大小，而且操作簡單，只要按照最基本的步驟，就可以完成材料的熱釋電系數(shù)的測(cè)量，用于評(píng)價(jià)熱釋電材料的性能。


圖1本發(fā)明的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方框圖；圖2本發(fā)明的實(shí)施例示意圖；圖3本發(fā)明的微電流放大器具體電路圖；圖4計(jì)算機(jī)程序流程圖；圖5測(cè)量樣品的p-T關(guān)系曲線。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，圖中溫度控制器1控制加熱爐體2的內(nèi)部溫度，加熱爐體2內(nèi)設(shè)有樣品夾具3和熱電阻感溫器4，樣品的電流信號(hào)通過微電流放大器5、皮安電流表6傳送到計(jì)算機(jī)8；同時(shí)溫度信號(hào)通過熱電阻感溫器4、溫度測(cè)試儀7傳送到計(jì)算機(jī)8，再通過計(jì)算機(jī)編程計(jì)算獲得樣品的熱釋電系數(shù)。
圖2為本發(fā)明的實(shí)施例，為了滿足樣品的均勻加熱以及控制溫度上升下降的要求，加熱爐體2內(nèi)部呈瓶狀空腔體，整個(gè)爐體采用鋁材料制成，散熱速度適中，升溫降溫都能滿足測(cè)試要求。爐內(nèi)加熱器13由多支內(nèi)熱式加熱芯組成，每支額定功率為50W，直徑為6mm，均勻排列在圓環(huán)14上，構(gòu)成空心圓環(huán)式加熱結(jié)構(gòu)，以保證通風(fēng)良好且熱量可以穩(wěn)定的傳到樣品處，對(duì)樣品實(shí)現(xiàn)升溫與降溫。爐體一端裝上風(fēng)扇12，往空腔內(nèi)部鼓風(fēng)，熱空氣吹入爐體另一端口徑相對(duì)較細(xì)的瓶頸出口處，使樣品受熱均勻。樣品與熱電阻感溫器4在空腔瓶頸出口處插入，位于同一截面，充分靠近。從流體力學(xué)上考慮，當(dāng)熱量均勻地通過氣流流過腔體的時(shí)候，腔體內(nèi)同一截面上的不同點(diǎn)溫度相同，因此可以認(rèn)為不同時(shí)刻感溫器測(cè)得的溫度即為樣品溫度。出口與風(fēng)扇入口形成一個(gè)通風(fēng)管道，且入口腔體直徑遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于出口直徑，因此熱量在出口處均勻聚集，不同截面溫差極小且熱量交換速度很快，樣品溫度隨著腔體內(nèi)溫度的改變而改變。
內(nèi)熱式加熱芯引線合并后從風(fēng)扇12端的爐壁引線孔引出，外接溫度控制器1；升溫時(shí)，通過溫度控制器1對(duì)內(nèi)熱式加熱芯兩端電壓進(jìn)行控制，內(nèi)熱式加熱芯產(chǎn)生的熱量在風(fēng)扇作用下迅速傳遞到樣品處，樣品的溫度隨之變化。電壓越高，升溫越快。當(dāng)溫度到達(dá)設(shè)定值時(shí)，內(nèi)熱式加熱芯兩端電壓會(huì)自動(dòng)按設(shè)定時(shí)間逐步降低，在風(fēng)扇吹動(dòng)下，樣品的溫度會(huì)下降。這樣，便實(shí)現(xiàn)了熱釋電樣品的均勻升溫與降溫過程。其中溫度控制器1由可控硅9、可控硅移相器10和時(shí)間繼電器11組成，通過調(diào)節(jié)時(shí)間繼電器11給予一定時(shí)間間隔的脈沖信號(hào)，來改變可控硅移相器10的導(dǎo)通角，可控硅移相器10通過控制可控硅9導(dǎo)通角的變化來控制加熱爐體內(nèi)加熱芯的電壓，電壓的改變可以改變溫度的升降快慢，從而保證溫度隨時(shí)間線性上升或下降，改變溫度變化率，測(cè)得不同溫度下的熱釋電電流。
樣品夾具3以及熱電阻感溫器4采用圓柱狀結(jié)構(gòu)，中心挖空引出導(dǎo)線，分別與微電流放大器5或溫度測(cè)試儀7相連。熱電阻感溫器采用旋轉(zhuǎn)式固定。為了測(cè)試方便，樣品夾具3設(shè)計(jì)為插入式，可隨時(shí)更換樣品，使用方便。熱釋電樣品有效電極面積越小，所測(cè)熱釋電系數(shù)越準(zhǔn)確，因此樣品夾具的選擇很重要。所選夾具(直徑6mm，與加熱爐樣品固定部分下端直徑相同)可固定大小為4mm×4mm之內(nèi)的樣品，這樣每次更換樣品相當(dāng)方便，取下后插入即可。
樣品夾具3的熱釋電電流通過微電流放大器5放大后，再接入keithley6485皮安電流表6，用它測(cè)出放大后的熱釋電電流大小，并通過RS232串口連接計(jì)算機(jī)8，由Delphi程序自動(dòng)繪制出電流與時(shí)間(Ip～t)的關(guān)系曲線，且與溫度與時(shí)間(T～t)的關(guān)系曲線同步顯示。
圖3為本發(fā)明實(shí)施例采用的微電流放大器5具體電路圖；微電流放大器5包括三個(gè)部分，第一部分由兩個(gè)結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管構(gòu)成差分輸入級(jí)，第二部分為差分輸入電壓放大器，第三部分為電壓減法器。微電流放大器可以將熱釋電電流放大到PA電流表可以精確讀取的數(shù)量級(jí)，通過輸入輸出電壓與電流的關(guān)系，可以計(jì)算出電流放大倍數(shù)，從而獲得熱釋電系數(shù)值。為了使微電流放大器在測(cè)量過程中屏蔽周圍各種干擾，將整個(gè)電路放在金屬屏蔽盒內(nèi)。
圖4為計(jì)算機(jī)程序流程圖；本發(fā)明的計(jì)算機(jī)控制程序采用Delphi語言編程，運(yùn)行開始應(yīng)輸入采樣間隔時(shí)間、樣品有效電極面積和樣品電阻三個(gè)參數(shù)。程序運(yùn)行中按采樣間隔時(shí)間采集樣品的溫度信號(hào)T和微電流放大器的輸出電流信號(hào)Ix，并對(duì)所測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理而獲得熱釋電響應(yīng)電流信號(hào)Ip，程序?qū)崟r(shí)繪制出Ip～t曲線；同時(shí)也繪制出T～t曲線。當(dāng)溫度達(dá)到設(shè)定值時(shí)，停止測(cè)量并保存測(cè)量結(jié)果，同時(shí)顯示出P～T曲線。
圖5為樣品的p-T關(guān)系曲線，對(duì)于Pb(Mn1/3Nb2/2)0.1Zr0.9O3+Pb(Mn1/3Nb2/3)0.1Zr0.875O3混合制得的熱釋電材料，tanδ＝0.01，εr＝255。
權(quán)利要求
1.一種熱釋電系數(shù)測(cè)量裝置，加熱爐體內(nèi)一端設(shè)有加熱器、另一端裝有樣品夾具和熱電阻感溫器，溫度控制器連接加熱器控制加熱爐體的內(nèi)部溫度；樣品夾具和微電流放大器、皮安電流表、計(jì)算機(jī)依次電信號(hào)連接，樣品的溫度信號(hào)依次通過熱電阻感溫器、溫度測(cè)試儀和計(jì)算機(jī)電信號(hào)連接；計(jì)算機(jī)編程計(jì)算獲得樣品的熱釋電系數(shù)。
2.如權(quán)利要求1所述的熱釋電系數(shù)測(cè)量裝置，其特征在于所述加熱爐體內(nèi)部呈無底瓶狀空腔體，爐壁采用鋁材料制成，瓶狀空腔體大端入口與小端出口形成通風(fēng)管道；爐內(nèi)加熱器由均勻排列在圓環(huán)上的內(nèi)熱式加熱芯組成，構(gòu)成空心圓環(huán)加熱結(jié)構(gòu)；加熱爐體瓶狀空腔體大端入口裝有風(fēng)扇，加熱爐體小端出口處插入樣品夾具與熱電阻感溫器，樣品夾具和熱電阻感溫器位于同一截面。
3.如權(quán)利要求1或2所述的熱釋電系數(shù)測(cè)量裝置，其特征在于所述溫度控制器由可控硅、可控硅移相器和時(shí)間繼電器順序連接組成，調(diào)節(jié)時(shí)間繼電器給予一定時(shí)間間隔的脈沖信號(hào)改變可控硅移相器的導(dǎo)通角，可控硅移相器通過控制可控硅導(dǎo)通角的變化來控制加熱爐體內(nèi)加熱芯的電壓。
4.如權(quán)利要求3所述的熱釋電系數(shù)測(cè)量裝置，其特征在于所述微電流放大器由兩個(gè)結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管構(gòu)成差分輸入級(jí)，再依次電信號(hào)連接差分輸入電壓放大器和電壓減法器構(gòu)成，整個(gè)電路放在金屬屏蔽盒內(nèi)。
全文摘要
熱釋電系數(shù)測(cè)量裝置，屬于電流測(cè)量設(shè)備，基于動(dòng)態(tài)電流法，以提高測(cè)量準(zhǔn)確度，并且簡化操作。加熱爐體內(nèi)一端設(shè)有加熱器、另一端裝有樣品夾具和熱電阻感溫器，溫度控制器連接加熱器控制加熱爐體的內(nèi)部溫度；樣品夾具和微電流放大器、皮安電流表、計(jì)算機(jī)依次電信號(hào)連接，樣品的溫度信號(hào)依次通過熱電阻感溫器、溫度測(cè)試儀和計(jì)算機(jī)電信號(hào)連接；計(jì)算機(jī)編程計(jì)算獲得樣品的熱釋電系數(shù)。本發(fā)明測(cè)試周期短，溫度和電流測(cè)量精度高，能測(cè)量具有熱釋電性能的單晶、陶瓷、厚膜及薄膜材料樣品。測(cè)量操作簡單，測(cè)量準(zhǔn)確度較高。
文檔編號(hào)G01N27/14GK1865965SQ200610019080
公開日2006年11月22日 申請(qǐng)日期2006年5月16日 優(yōu)先權(quán)日2006年5月16日
發(fā)明者姜?jiǎng)倭? 曾亦可, 呂文中, 肖臘連, 羅旖旎, 鄧傳益 申請(qǐng)人:華中科技大學(xué)