專利名稱：熱釋電系數(shù)測量裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型屬于電流測量設(shè)備，具體涉及材料熱釋電系數(shù)的測量裝 置，采用動態(tài)電流法測量材料熱釋電系數(shù)。
背景技術(shù)：
熱釋電材料主要應(yīng)用于紅外探測領(lǐng)域，用熱釋電材料制成的熱釋電
紅外探測器具有無需制冷、可在室溫下工作、光譜響應(yīng)寬等優(yōu)點，從而
促進了熱釋電材料的發(fā)展及應(yīng)用，發(fā)現(xiàn)并改進了一些重要的熱釋電材料。
熱釋電系數(shù)P的大小是評價熱釋電材料的基本參數(shù)之一，對熱釋電材料
的熱釋電系數(shù)的測量就顯得尤為重要，因此其測試系統(tǒng)的研制越來越受 到國內(nèi)外學(xué)者的高度重視。
早期測量熱釋電系數(shù)的方法是測量不同溫度下的電滯回線中的自發(fā)
極化強度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(包括熱動態(tài)電流法和介質(zhì)加熱 法)等多種測量熱釋電系數(shù)的基本方法。動態(tài)電流法采用可變熱源技術(shù)， 研究在特定溫度條件下，被測量材料的動態(tài)熱釋電響應(yīng)。動態(tài)電流法具 有較高的靈敏度，且溫度可以連續(xù)改變。
本實用新型的原理是基于動態(tài)電流法，但是采用本測試方法的測試 系統(tǒng)還未見報道。
發(fā)明內(nèi)容
本實用新型提供一種熱釋電系數(shù)測量裝置，基于動態(tài)電流法，以提 高測量準確度，并且簡化操作，用于測量具有熱釋電性能的單晶、陶瓷、
厚膜及薄膜材料樣品。
本實用新型的一種熱釋電系數(shù)測量裝置，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、計算機 依次電信號連接，樣品的溫度信號依次通過熱電阻感溫器、溫度測試儀 和計算機電信號連接；計算機編程計算獲得樣品的熱釋電系數(shù)。
所述的熱釋電系數(shù)測量裝置，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、 可控硅移相器和時間繼電器順序連接組成，調(diào)節(jié)時間繼電器給予一定時 間間隔的脈沖信號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)測量裝置，其特征在于所述微電流放大器由兩個 結(jié)型場效應(yīng)管構(gòu)成差分輸入級，再依次電信號連接差分輸入電壓放大器 和電壓減法器構(gòu)成，整個電路放在金屬屏蔽盒內(nèi)。
本實用新型的測量過程按以下步驟進行①按圖2連接好整個測試 系統(tǒng)；②將樣品制備成表面積為0.1^2左右的規(guī)則矩形片，且測出樣品有 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)，啟動系統(tǒng)軟件程序主界面，確認身份， 正確后給定采樣時間間隔，開始測量；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，通過測量實時熱釋電電流Ip和溫度T與時間 的關(guān)系曲線，系統(tǒng)自動計算出各時刻熱釋電系數(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。針對要求，本實用新型設(shè)計了一款瓶狀腔體式加熱爐。整個爐子 采用鋁材料制成，散熱速度適中，升溫降溫都能滿足測試要求。
本實用新型的熱釋電電流測量包括微電流放大部分和電流測量部
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，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時值， 準確性高。
本實用新型利用了 PC機的信息處理功能，能準確的測量熱釋電系數(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)的測量，用于評價熱釋電材料的性能。


圖1本實用新型的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方框圖2本實用新型的實施例示意圖3本實用新型的微電流放大器具體電路圖4計算機程序流程圖5測量樣品的p—T關(guān)系曲線。
具體實施方式
本實用新型的系統(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 的電流信號通過微電流放大器5、皮安電流表6傳送到計算機8;同時溫 度信號通過熱電阻感溫器4、溫度測試儀7傳送到計算機8，再通過計算
機編程計算獲得樣品的熱釋電系數(shù)。
圖2為本實用新型的實施例，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，整個爐體釆用鋁材 料制成，散熱速度適中，升溫降溫都能滿足測試要求。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，對樣品實現(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較細的瓶頸出口處，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 的時候，腔體內(nèi)同一截面上的不同點溫度相同，因此可以認為不同時刻 感溫器測得的溫度即為樣品溫度。出口與風(fēng)扇入口形成一個通風(fēng)管道， 且入口腔體直徑遠遠大于出口直徑，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，通過溫度控制器1對內(nèi)熱式加熱芯兩端電壓進行控制， 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)溫度到達設(shè)定值時，內(nèi)熱式加熱芯 兩端電壓會自動按設(shè)定時間逐步降低，在風(fēng)扇吹動下，樣品的溫度會下 降。這樣，便實現(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IO和時間繼電器11組成，通過調(diào)節(jié)時間 繼電器11給予一定時間間隔的脈沖信號，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 隨時間線性上升或下降，改變溫度變化率，測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或溫度測試儀7相連。熱電阻感溫器采用旋 轉(zhuǎn)式固定。為了測試方便，樣品夾具3設(shè)計為插入式，可隨時更換樣品， 使用方便。熱釋電樣品有效電極面積越小，所測熱釋電系數(shù)越準確，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4mmX4mm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keithley 6485皮安電流表6，用它測出'放大后的熱釋電電流大小，并通過RS232 串口連接計算機8，由Delphi程序自動繪制出電流與時間(Ip t)的關(guān) 系曲線，且與溫度與時間(T t)的關(guān)系曲線同步顯示。
圖3為本實用新型實施例采用的微電流放大器5具體電路圖；微電 流放大器5包括三個部分，第一部分由兩個結(jié)型場效應(yīng)管構(gòu)成差分輸入 級，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，通過 輸入輸出電壓與電流的關(guān)系，可以計算出電流放大倍數(shù)，從而獲得熱釋 電系數(shù)值。為了使微電流放大器在測量過程中屏蔽周圍各種干擾，將整 個電路放在金屬屏蔽盒內(nèi)。
圖4為計算機程序流程圖；本實用新型的計算機控制程序采用 Delphi語言編程，運行開始應(yīng)輸入采樣間隔時間、樣品有效電極面積和 樣品電阻三個參數(shù)。程序運行中按采樣間隔時間釆集樣品的溫度信號T 和微電流放大器的輸出電流信號bc，并對所測數(shù)據(jù)進行處理而獲得熱釋 電響應(yīng)電流信號Ip,程序?qū)崟r繪制出Ip t曲線；同時也繪制出T t曲 線。當(dāng)溫度達到設(shè)定值時，停止測量并保存測量結(jié)果，同時顯示出P T 曲線。
圖5為樣品的p —T關(guān)系曲線，對于Pb(Mnl/3Nb2/2)o.1Zr().903 + Pb(Mn^Nb2/3)(nZro.87503混合制得的熱釋電材料，tan S =0. 01, e r=255。
權(quán)利要求1.一種熱釋電系數(shù)測量裝置，其特征在于加熱爐體內(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、計算機依次電信號連接，樣品的溫度信號依次通過熱電阻感溫器、溫度測試儀和計算機電信號連接；由計算機計算樣品的熱釋電系數(shù)。
2. 如權(quán)利要求l所述的熱釋電系數(shù)測量裝置，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、可控硅移相器和時間繼電器順序連接組成，調(diào)節(jié) 時間繼電器給予一定時間間隔的脈沖信號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)測量裝置，其特征在于所述微電 流放大器由兩個結(jié)型場效應(yīng)管構(gòu)成差分輸入級，再依次電信號連接差分 輸入電壓放大器和電壓減法器構(gòu)成，整個電路放在金屬屏蔽盒內(nèi)。
專利摘要熱釋電系數(shù)測量裝置，屬于電流測量設(shè)備，基于動態(tài)電流法，以提高測量準確度，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、計算機依次電信號連接，樣品的溫度信號依次通過熱電阻感溫器、溫度測試儀和計算機電信號連接；計算機編程計算獲得樣品的熱釋電系數(shù)。本實用新型測試周期短，溫度和電流測量精度高，能測量具有熱釋電性能的單晶、陶瓷、厚膜及薄膜材料樣品。測量操作簡單，測量準確度較高。
文檔編號G01N27/00GK201011515SQ20062015756
公開日2008年1月23日 申請日期2006年11月24日 優(yōu)先權(quán)日2006年11月24日
發(fā)明者呂文中, 姜勝林, 曾亦可, 羅旖旎, 肖臘連, 鄧傳益 申請人:華中科技大學(xué)