專利名稱：音頻內(nèi)耗自動化測量系統(tǒng)及測量方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于物理景測量領(lǐng)域，主要涉及固體材料的音頻范圍復(fù)楊氏模量(復(fù)楊氏模量的虛部 傳統(tǒng)上稱為內(nèi)耗，下文基本用內(nèi)耗這種說法代替復(fù)楊氏模量)的測量，具體是一套完善的自動化 測量樣品音頻范圍內(nèi)耗譜的整合裝置，以及該裝置的測量方法。
背景技術(shù)：
物理學(xué)上，普遍使用力學(xué)譜來研究固體材料的相變和微觀單元如點缺陷、位錯、晶界、疇界 的弛豫行為。所謂力學(xué)譜，也就是指復(fù)模量對于溫度和頻率的變化關(guān)系。這里的復(fù)模量一般包括 復(fù)剪切模量和復(fù)楊氏模量。對于復(fù)剪切模量，通常使用低頻扭擺實驗方法來測量，頻率范圍一般 在0.01-10赫茲；對于復(fù)楊氏模量，通常使用音頻單端或雙端簧振動實驗方法，采用不同節(jié)點數(shù)的 振動模式來測量，音頻頻率范圍在0.1-20千赫。還有就是兆赫頻率的超聲衰減和聲速實驗方法。 本發(fā)明涉及的是音頻范圍復(fù)楊氏模量的測量。對于音頻范圍復(fù)楊氏模量的測量(一般又稱其為音 頻內(nèi)耗的測量)，通常采用兩節(jié)點(節(jié)點即為振動中振幅恒為O的點)的振動模式作為測量狀態(tài)， 如附圖4。對于兩節(jié)點模式可由振動方程理論算得兩節(jié)點分別到對應(yīng)近端的距離約是0.224乘以試
樣的長度。設(shè)復(fù)楊氏模量K-《由理論可推導(dǎo)得
上式中的(O,即是樣品的共振頻率，g,即為內(nèi)耗值，乂為和樣品尺寸密度相關(guān)計算得出的
常量，對確定的樣品其值在變溫過程中可視為不變(該值具體計算可參閱內(nèi)耗文獻，這里不再冗 述)。由此可見，測量復(fù)楊氏模量隨溫度變化的力學(xué)譜，即是測量共振頻率值和內(nèi)耗值隨溫度變 化的情況。所謂材料的內(nèi)耗，就是指一個處于振動狀態(tài)的物體，即使置于真空之中，也會因其振 動能逐漸轉(zhuǎn)換為熱能而使振動狀態(tài)逐漸衰減的現(xiàn)象。對于材料在某個溫度下內(nèi)耗值的測量， 一般 采用自由衰減法。振片處于真空中(排除空氣阻力的影響)，當(dāng)振片一端的策動力去除后，振片 的振動就開始自由衰減，見附圖5。
衰減滿足J(0 = 4>exp(_/QW) , j(f)代表振幅隨時間的變化，S為衰減過程中不隨時
間變化的常量。
y\『
并且有込—、^^"-S/冗，A『為相鄰振動能量的衰減值，『鵬為初始最大振動能量。
由上面的式子可以很明顯看出，只要記錄下自由衰減過程中振幅隨時間的變化數(shù)據(jù)，就可 以計算出內(nèi)耗的大小。
總之，如果要實現(xiàn)音頻內(nèi)耗的自動化測量，關(guān)鍵在于要設(shè)計出合理的機械振動夾具和測量 電路，讓該電路能在計算機程序的控制下完成自動化的測量過程。在本系統(tǒng)發(fā)明前，國內(nèi)還沒有 成熟可推廣的音頻內(nèi)耗自動化測量系統(tǒng)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的就是提供一套操作簡單、整合度高、穩(wěn)定性高的固體音頻內(nèi)耗自動化測量系 統(tǒng)。運用該測量系統(tǒng)可自動測量記錄固體樣品隨溫度變化的內(nèi)耗值(也可以同時記錄共振頻率， 其對應(yīng)于楊式模量的實部)。
為了實現(xiàn)自動化測量音頻內(nèi)耗的目的，本發(fā)明提出了一種音頻內(nèi)耗自動化測量系統(tǒng)，具體技 術(shù)方案如下
一種音頻內(nèi)耗自動化測量系統(tǒng)，包括機械夾具、音頻內(nèi)耗儀、頻率綜合儀和計算機； 機械夾具設(shè)在密閉容器內(nèi)，在機械夾具上，與被測品夾持位置對應(yīng)設(shè)有激勵電極和接收電極;所述激勵電極與被測品構(gòu)成電容a,被測品通過在該電容a兩極所成電場內(nèi)受力產(chǎn)生振動；所述 接收電極與被測品之間構(gòu)成電容b，該電容b兩極間距因被測品振幅的變化而變化，該變化產(chǎn)生 振幅電信號；所述被測品接地良好；
頻率綜合儀的激勵信號輸出到音頻內(nèi)耗儀的信號輸入端；該信號經(jīng)音頻內(nèi)耗儀處理，通過音 頻內(nèi)耗儀的激勵頭輸出激勵頭連接激勵電極；音頻內(nèi)耗儀的拾振頭連接接收電極，接收到的振 幅電信號經(jīng)處理后經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后輸出到計算機的輸入端；
計算機的控制信號輸出端通過D/A轉(zhuǎn)換連接所述音頻內(nèi)耗儀的激勵信號控制端。
所述機械夾具采用兩根雙股的金屬細絲對節(jié)點進行夾持；兩根雙股的金屬細絲平行設(shè)在節(jié)點 對應(yīng)位置，用以夾持被測品。在兩節(jié)點對應(yīng)位置分別設(shè)有兩對平行的支持柱1、 2和支持柱3、 4, 支持柱l、 2、 3、 4內(nèi)設(shè)有打通的管道，所述金屬細絲依次穿過支持柱1、 2、 3、 4內(nèi)的管道；所 述金屬細絲的頭尾兩端由彈簧鉤住；所述的支持柱1、 2和/或支持柱3、 4設(shè)在滑軌上，使支持 柱l、 2與支持柱3、 4的間距可調(diào)；所述激勵頭上的電極和拾振頭的電極設(shè)在可以自由調(diào)節(jié)的底 座上。所述金屬細絲是一定溫度下形態(tài)穩(wěn)定的金屬細絲。選用的金屬細絲在保證合適強度和韌性 的前提下越細越好，以便減少對樣品振動的影響，例如該金屬細絲選用鎳鉻細絲或不銹鋼細絲， 以及未來可能出現(xiàn)的其它材料。
所述密閉容器內(nèi)設(shè)有加熱裝置、感溫裝置；在容器上設(shè)有細管，該細管的長度和管徑可以根 據(jù)實際需要改變。例如細管的管徑取15毫米，細管的長度取60厘米；所述加熱裝置連接有控溫裝 置；所述機械夾具、加熱裝置和感溫裝置與外部電路的連接線纜設(shè)在所述細管內(nèi)；所述密閉容器 還通過所述細管連接真空機組。
所述音頻內(nèi)耗儀包括信號激勵信號處理電路和振幅電信號處理電路
所述激勵信號處理電路包括音頻功率放大器、直流穩(wěn)壓電源、受控短路激勵電路；音頻功率 放大器把接收到的頻率綜合儀的激勵信號放大后，再經(jīng)直流穩(wěn)壓電源疊加直流電壓后輸出到激勵 頭；受控短路激勵電路的控制端接收計算機的控制信號，受控短路激勵電路的輸出端連接直流穩(wěn) 壓電源的輸出端；
所述振幅電信號處理電路包括基極電流耦合電路、選頻放大電路、精密線型檢波器件；所述 振幅電信號經(jīng)拾振頭輸出到基極電流耦合電路，再經(jīng)選頻放大電路慮波，放大有效信號得到的信 號輸出到精密線型檢波器件，信號被檢出最大振幅的直:流電壓信號輸出經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后輸出到計算 機的輸入端；
所述激勵信號處理電路中，在音頻功率放大器和直流穩(wěn)壓電源之間還連接激勵電壓表； 所述接收信號處理電路的經(jīng)選頻放大電路放大的信號還有一路輸出到示波器的輸入端； 所述音頻內(nèi)耗儀還包括溫度信號處理電路，該電路包括直流mV放大電路，直流mV放大電 路的輸入端連接所述感溫裝置，直流mV放大電路把感溫裝置(例如溫差熱電偶)輸入信號放大 后，輸出測溫電壓信號，該測溫電壓信號經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后輸出到計算機的輸入端。
所述直流穩(wěn)壓電源疊加的直流電壓范圍是200伏至300伏， 一般釆用200V即可。
所述系統(tǒng)的測量方法，步驟是，安裝調(diào)試好樣品后，先手動調(diào)節(jié)激勵信號的頻率，并觀察振 幅變化以確定樣品的共振頻率值(該頻率只是粗略值,精度要求不高)。然后即可由程序控制在以 該共振頻率為中心并且寬度為幾個Hz或十幾個Hz的頻率范圍內(nèi)以合適頻率跨度來改變頻率進行 掃描，檢測相應(yīng)的振動振幅，經(jīng)過處理得到振幅極大值時對應(yīng)的精確共振頻率(誤差一般小于 :t0.1Hz);共振頻率確定后，則在被測品共振達到最大振幅時短路掉激勵信號，此時被測品的振 動開始自由衰減，同時開始同步采集衰減數(shù)據(jù)，算出當(dāng)前內(nèi)耗值；計算內(nèi)耗值的大概原理是:計 算機采集的是幾千個衰減過程中的幅度值，對這些幅度值取對數(shù)然后進行直線擬合，擬合出的直 線斜率值再根據(jù)自由衰減的公式處理即得內(nèi)耗值。
如上述步驟循環(huán)進行測量，最終得到所需的隨溫度變化的復(fù)楊式模量譜。
由于現(xiàn)有技術(shù)中頻率綜合儀輸出頻率多為可計算機編程控制的，所以可以參照頻率綜合儀的 說明書編寫頻率綜合儀輸出頻率控制程序，以及確定計算機和頻率綜合儀之間連接方法。本系統(tǒng)設(shè)計原理以及有益效果如下
A) 系統(tǒng)的機械夾具部分。
本系統(tǒng)測量內(nèi)耗采用的是雙端音頻簧振動法，本系統(tǒng)做了特別改進。雙端音頻簧振動法一般 是采用兩節(jié)點的振動模式進行測量，現(xiàn)有技術(shù)中采用機械的刀口作為節(jié)點的支撐點，這種節(jié)點固 定方式穩(wěn)定性差，可靠性不高，難于應(yīng)用在自動化測量當(dāng)中。本系統(tǒng)改用鎳鉻細絲或不銹鋼細絲 對節(jié)點進行夾持。選用的金屬細絲在保證合適強度和韌性的前提下越細越好，以便減少夾持過程 中對樣品振動的影響。該夾持方法非常有效，在穩(wěn)定固定樣品的基礎(chǔ)上，大幅度降低可能引入的 外耗。在改進夾持方式的同時，本系統(tǒng)把夾持用的鎳鉻絲以及激勵和接收電極都固定在可以自由 調(diào)節(jié)的底座上，這樣給節(jié)點和激勵接收間隙調(diào)節(jié)帶來很大的方便。具體而言，技術(shù)效果如下
(1) 設(shè)計合理，易于調(diào)節(jié)，對樣品的適應(yīng)性強。這主要體現(xiàn)在節(jié)點位置可以自由調(diào)節(jié)，激勵 和接收電極的位置和樣品之間的間隙也可以自由調(diào)節(jié)。在更換不同尺寸的樣品后，可以迅速地調(diào) 節(jié)到合適的起振位置，非常方便，而且在變溫過程中穩(wěn)定性好，不會發(fā)生位置間距的漂移。
(2) 整體結(jié)構(gòu)緊湊，鋼性好。整個機械部分設(shè)計合理，采用不銹鋼進行加工，組裝起來后結(jié) 構(gòu)穩(wěn)定性高，長期工作的穩(wěn)定得到有效保障。
(3) 由于用鎳鉻細絲進行雙端夾持，可能引入的外耗很小。
(4) 機械部分和外部的電纜連接和真空抽取等都通過用一根細的鋼管進行，使整個機械部分 很容易降到液氮溫區(qū)，并且液氮揮發(fā)量很小，便于降溫。
B) 系統(tǒng)的電器部分。
系統(tǒng)電器部分的核心是音頻內(nèi)耗儀，并加上一些第三方的輔助儀器從而組成了測量的電器 部分。這一部分，是實現(xiàn)內(nèi)耗自動化測量的關(guān)鍵。工作過程是首先利用由第三方提供的頻率發(fā) 生器，發(fā)出穩(wěn)定頻率電壓的正弦波形，該正弦波信號進入音頻內(nèi)耗儀，經(jīng)其處理后送到機械夾具 的激勵電極激發(fā)樣品振動，同時機械夾具的接收電極的振動信號由音頻內(nèi)耗儀進行采集放大，然 后再進行處理，得到需要的有用信號。此外，由于內(nèi)耗值的測量采用樣品自由振動衰減法，所以 音頻內(nèi)耗儀必須具備在電腦信號的控制下立即對激勵信號進行短路的功能。 為了實現(xiàn)上面的過程，系統(tǒng)具體采用的技術(shù)細節(jié)如下 (1)對于樣品的激勵信號的處理。由音頻內(nèi)耗測量的機械原理可知激勵電極與樣品(即被測 品)構(gòu)成一個平板電容器，由于間距很小，可把極板間的電場看作是由無窮大帶電平板 產(chǎn)生的。顯然， 一個極板在另一個極板產(chǎn)生的電場中受到的力是
F = -i g _s (1)
式中a。為電荷密度，S為電容平板面積，S。為真空介電常數(shù)。
由于電容量C-^-g，并且g- S，(式中g(shù)為極板電荷、F為極板所加電壓，J為電
容極板間距)可以導(dǎo)出0"。-^帶入(1)式可得
若r-r。sin奴(對應(yīng)于頻率為份的正弦激勵信號)，帶入上式展開得
從上式看出，產(chǎn)生的作用力的頻率兩倍于信號頻率，這對測量是很不利的。為了達到一定大 小的力就必須加大K。而提高音頻信號的輸出幅度是比較困難的。為了解決這個問題，另外
施加一個直流偏壓",就可以滿意的解決這個問題，此時i^-^l(L^ + ^sin加)2,常 常使"？ F。，展開后省略高次項可得_F = -^"t/Q2-#C/QFQsinfirfLL這樣不僅使得作用信號與信號同頻率，且利用了C/eK這一項，提高了作用力的火小。當(dāng)作用
力與樣品的共振頻率相同時，樣品就被激勵起來了。
(2) 在接收端，由于樣品的振動，導(dǎo)致了接i^r電極與樣品之間的距離不斷發(fā)生變化。靜電接 收的方法花樣較多，但是基本原理都是利用接收端電容變化，具體可大致可分為"調(diào)頻法", "調(diào)幅法"，"直接耦合法"三種。本系統(tǒng)采用的是"基極電流耦合法"，這是改進過的直接耦 合法。
基極電流耦合法的電路如附圖3，選用高頻高反壓-值為60左右的小功率管，并且要求其有
極小的漏電流。高頻小功率管基極靜態(tài)工作點定為一100V，發(fā)射極電流Ie設(shè)定在lmA左右，由上
述要求可確定發(fā)射極電阻Re為100KQ。實際應(yīng)用中要調(diào)節(jié)基極電阻Rb (—般在10MQ左右)
的阻值使發(fā)射極電流調(diào)整到lmA。該電路的工作原理是拾振頭通過電纜線與夾具接收電極相連, 當(dāng)樣品振動起來后，接收電極與樣品(接地)之間的電容發(fā)生變化，充放電電流也在變化，通過 電流放大后，變成電信號輸出，由于電流放大器只能放大信號電流，不能放大噪聲電壓，故有效 的提高了信躁比，使機械信號變成有用的電信號。
音頻內(nèi)耗儀的整體原理圖如附圖2。由頻率綜合儀輸出可用音頻范圍正弦波，經(jīng)過音頻功率放 大器放大成所需正弦波激勵信號，該信號經(jīng)直流穩(wěn)壓電源疊加直流電壓后送往激勵端，圖中受控 短路激勵電路可以在一定的D/A輸入信號控制下對激勵型號實現(xiàn)短路和恢復(fù)。接收信號則通過基 極電流耦合電路，再經(jīng)過選頻放大電路過濾掉雜波，只放大有效信號，放;t后的有效信號也是正 弦波信號，該信號分為兩路， 一路直接送往示波器觀察其波形，另一路送往緊密線性檢波器件檢 出其最大振幅，作為直流電壓信號輸出給計算機進行采集處理。溫差熱電偶的溫差電動勢信號經(jīng) 過直流mV放大器放大后送往計算機進行處理。
由上述可見，本系統(tǒng)的音頻內(nèi)耗儀設(shè)計合理，整合度高，是該系統(tǒng)成功實現(xiàn)自動化測量的關(guān) 鍵部件。
C)音頻內(nèi)耗測量系統(tǒng)的自動化運行。
改進過的機械夾具、整合程度很高的音頻力學(xué)譜儀，再配以其它設(shè)備，如真空系統(tǒng)、測溫系 統(tǒng)等，在計算機控制下就可以進行材料的音頻內(nèi)耗自動化測量。整個測量裝置的整體圖如附圖l。 控溫裝置可采用把機械夾具浸入液氮中進行降溫，也可以在機械夾具外面繞上加熱絲并通過專門 的控溫儀器進行升溫控制。機械夾具和外圍的所有連線都是穿過一根金屬細管來連接，這樣可以 有效的降低外部導(dǎo)熱對夾具的影響。頻率綜合儀是成熟產(chǎn)品，該儀器可以通過電腦編程控制輸出 所需要的音頻范圍正弦波。AD—DA板是采用通用AD芯片，在電腦控制下，可以自動對信號電壓進 行采集，或者輸出+5V的袞減信號、A/D信號和OV恢復(fù)信號傳給音頻內(nèi)耗儀。儀器的自動化測量， 在設(shè)計合理完善的硬件基礎(chǔ)上，最后的關(guān)鍵是要有成熟可靠的軟件進行控制。音頻內(nèi)耗自動化測 量軟件我們采用VISUAL BASIC語言進行了編譯開發(fā)。程序可以非常方便的建立溫度表，設(shè)置初始 測量參數(shù)，自動化進行測量處理并記錄下數(shù)據(jù)。


圖l音頻內(nèi)耗測量系統(tǒng)整體裝置圖
圖2音頻內(nèi)耗儀原理圖
圖3基極電流耦合電路簡單示意圖
圖4兩節(jié)點振動模式示意圖，其中樣品的a、 b、 l的大概長度分別為0.4mm、 4mm、 40mm。
也就是說樣品是一個薄而長的簧振動片。 圖5樣品自由衰減(振幅隨時間的變化)示意圖 圖6表面鍍了Ge2Sb2Te5薄膜的單晶硅樣品做出的測量圖 圖7音頻內(nèi)耗自動測量系統(tǒng)程序流程8鉻鎳細絲夾持試樣振片示意圖 圖9激勵信號短路電路原理圖
具體實施例方式
下面結(jié)合附圖與具體實施方式
對本發(fā)明作進一步說明。
如圖1,—種音頻內(nèi)耗自動化測tt系統(tǒng)，包括機械夾具、音頻內(nèi)耗儀、頻率綜合儀和計算機。
機械夾具設(shè)在密閉容器內(nèi)，在機械夾貝上，在與被測品夾持位置對應(yīng)設(shè)有激勵電極和接收電 極；所述激勵電極與機械夾具夾持的被測品構(gòu)成電容a,通過被測品在該電容a兩極所成電場內(nèi) 受力產(chǎn)生振動；所述接收電極與被測品之間購成電容b，該電容b兩極間距閃被測品振幅的變化 而變化，該變化產(chǎn)生振幅電信號；所述被測品接地良好；
頻率綜合儀的激勵信號輸出到音頻內(nèi)耗儀的信號輸入端；該信號經(jīng)音頻內(nèi)耗儀處理，通過音 頻內(nèi)耗儀的激勵頭輸出；激勵頭連接激勵電極；音頻內(nèi)耗儀的拾振頭連接接收電極，接收到的振 幅電信號經(jīng)處理后再進行檢波，檢波后的信號經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后輸出到計算機的輸入端；
計算機的控制信號輸出端通過D/A轉(zhuǎn)換連接所述音頻內(nèi)耗儀的激勵信號控制端。
如圖8，支持柱l、 2、 3、 4結(jié)構(gòu)是一樣的，即A點到B點是打通的細管道，以便鉻鎳細絲穿過。 兩個支持柱l、 2底部是連在一起，并可以在罔定的軌道上滑動，同樣兩個支持柱3、 4底部也是連 在一起并可滑動的。當(dāng)把支持柱l、 2的位置確定后，用雙股鉻鎳絲如圖穿過四個支持柱，并且保 證在樣品節(jié)點處雙股鉻鎳細絲能繃住夾緊樣品'li'點即可，最后雙股鉻鎳絲在彈簧處打結(jié)，并由彈 簧鉤住并繃緊到合適程度，從而很好的夾持住樣品的兩個節(jié)點。
所述密閉容器內(nèi)設(shè)有加熱裝置、感溫裝置；在容器上設(shè)有細管，管徑15毫米，管^60厘米； 所述加熱裝置與控溫裝置連接；所述機械夾具、加熱裝置和感溫裝置與外部電路 接線纜設(shè)在 所述細管內(nèi)；所述密閉容器還通過所述細管連接真空機組。
如圖2,所述音頻內(nèi)耗儀包括信號激勵信號處理電路和振幅電信號處理電路 所述激勵信號處理電路包括音頻功率放大器、直流穩(wěn)壓電源、受控短路激勵電路音頻功率 放大器把接收到的頻率綜合儀的激勵信號放大后，再經(jīng)直流穩(wěn)壓電源疊加直流電壓后輸出到激勵 頭；受控短路激勵電路的控制端接收計算機的控制信號，受控短路激勵電路的輸出端連接激勵頭； 所述振幅電信號處理電路包括基極電流耦合電路、選頻放大電路、精密線型檢波器件；所述 振幅電信號經(jīng)拾振頭輸出到基極電流耦合電路，再經(jīng)選頻放大電路慮波，放大有效信號得到的信 號輸出到精密線型檢波器件，信號被檢出最大振幅的直流電壓信號輸出經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后輸出到計算 機的輸入端；
所述激勵信號處理電路中，在音頻功率放大器和直流穩(wěn)壓電源之間還連接激勵電壓表 所述接收信號處理電路的經(jīng)選頻放人電路放大的信號還引出一路輸出到示波器的輸入端； 所述音頻內(nèi)耗儀還包括溫度信號處理電路，該電路包括直流mV放大電路，直流mV放火電 路的輸入端連接所述感溫裝置，直流mV放大電路把感溫裝置(本例中采用溫差熱電偶)輸入信號 放大后，輸出測溫電壓信號，該測溫電壓信號經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后輸出到計算機的輸入端。本例中，感 溫裝置采用熱電偶。
所述直流穩(wěn)壓電源疊加直流電壓范圍是200伏特至300伏特， 一般釆用200V即可。激勵正 弦信號疊加直流電壓的電路很簡單就可實現(xiàn)。初始激勵信號接入'變壓器的初級繞組(該變壓器次 級繞組與初級繞組約比為30: 1),經(jīng)過變壓器的電壓放大后由次級繞組輸出，所要疊加的直流電 壓直接疊加在次級繞組輸出端即可。
所述基極電流耦合屯路如附圖3，選用高頻高反壓的y5值為60左右的小功率管，并且要求其有 極小的漏電流。高頻小功率管基極靜態(tài)工作點定為一100V,發(fā)射極電流Ie設(shè)定在lmA左右，由上 述要求可確定發(fā)射極電阻Re為100KQ 。實際應(yīng)用中要調(diào)節(jié)基極電阻Rb的阻值使發(fā)射極電流調(diào)整到lmA。該電路的工作原理是拾振頭通過電纜線與夾具接接收電極相連，當(dāng)樣品振動起來后, 接收電極與樣品(接地)之間的電容發(fā)生變化，充放電電流也在變化，通過電流放大后，變成電 信號輸出，由于電流放;b器只能放大信號電流，不能放大噪聲電壓，故有效的提髙了信躁比，使 機械信號變成有用的電信號。
所述受控短路激勵電路原理圖如附圖9:由計算機控制D/A輸出一個+5V的短路電壓，該電壓 經(jīng)過阻值5KQ左右限流電阻后加在-約為40 60左右的功率三極管的基極上，而輸出激勵信號 經(jīng)過阻值20Kfi左右的限流電阻接入該三極管的集電極,三極管的發(fā)射極良好接地。在此情況下, 激勵信號等價f接地短路。若撤去+5V電Ji^并由輔助電路給基極加上合適負電壓以保證三極管 完全截止，則激勵信號V即可正常輸出。
所述系統(tǒng)的測量方法，步驟是安裝調(diào)試好樣品后，先手動調(diào)節(jié)激勵信號的頻率，并觀察振 幅變化以確定樣品的共振頻率值(該頻率只是粗略值,精度要求不高)。然后即可由程序控制在以 該共振頻率為中心并且寬度為幾個Hz或十幾個Hz的^^范圍內(nèi)以合適頻率跨度來改變頻率進行 掃描，檢測相應(yīng)的振動振幅，經(jīng)過處理得到振幅極大值時對應(yīng)的精確 頻率(誤差一般小于 ±0.1 Hz);共振頻率確定后，則在被測品共振達到最大振幅時短路掉激勵信號，此時被測品的振 動開始自由衰減，同時開始同步采集衰減數(shù)據(jù)，算出當(dāng)前內(nèi)耗值；計算內(nèi)耗值的大概原理是:計 算機采集的是幾千個衰減過程中的幅度值，對這些幅度值取對數(shù)然后進行直線擬合，擬合出的直 線斜率值再根據(jù)自由衰減的公式處理即得內(nèi)耗值。
在上面的說明基礎(chǔ)上，以一個樣品測Mil稗來具體說明整套系統(tǒng)的測量運行過程。通常一個 標(biāo)準(zhǔn)襯底的尺寸規(guī)格大約是40 x 4 x 0.4mm3。樣品與激勵接收電極相對的那層表面要鍍上良好的 導(dǎo)電層，以確保能和激勵接收電極形成電容器。根據(jù)兩節(jié)點振動的公式算出節(jié)點的位置，用鎳鉻 細絲分別夾緊兩個節(jié)點，這樣就能保證樣品的穩(wěn)定振動模式。鎳鉻細絲和樣品表面接觸良好并且 都接地。接著仔細調(diào)節(jié)激勵和接收電極與樣品之間的間隙，根據(jù)我們的經(jīng)驗合適的間距應(yīng)該在 0.1 0.2mm左右。此時內(nèi)耗值隨間距的細微變化改變不大。某些金屬樣品由于應(yīng)力的釋放和發(fā)生 相變而彎曲，會導(dǎo)致間距的改變，嚴重的會使電板和樣品短路。如果內(nèi)耗值出現(xiàn)變化，應(yīng)使這個 變化越過峰頂，這樣數(shù)據(jù)才是可靠的。機械部分調(diào)整后，就可以把激勵和接收電極接入音頻內(nèi)耗 儀，并通過頻率綜合儀來調(diào)節(jié)激勵正弦波的頻率。當(dāng)頻率接近樣品當(dāng)前M下的共振頻率時，樣 品的振動幅度值為最大值。然后在該頻率下進行振幅的自由衰減，通過對采集來的衰減過程中隨 事件變化的幅度值計算可得到當(dāng)前樣品的內(nèi)耗值。而上述過程可以由計算機程序自動完成。計算 機fi動控制程序流程圖如附圖7。初步設(shè)定一些實驗參數(shù)后，程序開始在設(shè)定范圍內(nèi)掃描頻率并 記錄對比振幅大小，從而找出當(dāng)前共振頻率，然后在共振頻率下控制D/A輸出+5v電壓給音頻內(nèi) 耗儀，內(nèi)耗儀短路激勵端，樣品振動開始fi由衰減。程序同時自動A/D采集衰減過程中樣品振幅 變化值，然后通過公式算出當(dāng)前內(nèi)耗值，并且程序自動采集當(dāng)前熱電偶放大后的信號，與先前建 立的溫度表進行比對計算出當(dāng)前溫度值，最后記錄下該測量過程中的共振頻率和內(nèi)耗值以及對應(yīng) 溫度，完成一次測量。在沒有人為停止的情況下，程序不斷重復(fù)這一過程，從而可以得到隨溫度 變化的連續(xù)數(shù)據(jù)。以上過程中，還有一個重點是，整個測量過程應(yīng)該在無空氣干擾的情況下進行, 所以機械夾具必須用真空系統(tǒng)進行抽氣以保持較高的真空度。
實驗中采用的樣品是如上尺寸規(guī)格的單晶硅材料，其一面已經(jīng)鍍上了銅導(dǎo)電層，經(jīng)實驗測試 該材料內(nèi)耗值在室溫到400攝氏度溫區(qū)內(nèi)并無明顯的峰值。然而，當(dāng)在其另一面鍍上Ge2Sb2Tes相 變材料后再度用系統(tǒng)測量其內(nèi)耗值，得到得數(shù)據(jù)如附圖6。測量過程是以5.5K/min速度進行升溫， 內(nèi)耗在100攝氏度左右開始抬升，180攝氏度左右出現(xiàn)第一個峰(P1)，330攝氏度左右出現(xiàn)第二個峰 (P2).上述兩個內(nèi)耗峰正對應(yīng)fGe2Sb2Te5材料相關(guān)報道中所確定的相同溫度下的兩個結(jié)構(gòu)相變過 程。由該測量實踐可以明確的證明，音頻內(nèi)耗自動化測量系統(tǒng)得到的數(shù)據(jù)是真實可靠的。
本例中，頻率綜合儀采用安捷倫公司33220AM頻率綜合儀；控溫裝置、真空機組、A/D、 D/A 電路均為現(xiàn)有技術(shù)中常見產(chǎn)品，在此不作過多限制。
權(quán)利要求
1、一種音頻內(nèi)耗自動化測量系統(tǒng)，其特征是包括機械夾具、音頻內(nèi)耗儀、頻率綜合儀和計算機；機械夾具設(shè)在密閉容器內(nèi)，在機械夾具上，與被測品夾持位置對應(yīng)設(shè)有激勵電極和接收電極；所述激勵電極與被測品構(gòu)成電容a，被測品通過在該電容a兩極所成電場內(nèi)受力產(chǎn)生振動；所述接收電極與被測品之間構(gòu)成電容b，該電容b兩極間距因被測品振幅的變化而變化，該變化產(chǎn)生振幅電信號；所述被測品接地良好；頻率綜合儀的激勵信號輸出到音頻內(nèi)耗儀的信號輸入端；該信號經(jīng)音頻內(nèi)耗儀處理，通過音頻內(nèi)耗儀的激勵頭輸出；激勵頭連接激勵電極；音頻內(nèi)耗儀的拾振頭連接接收電極，接收到的振幅電信號經(jīng)處理后經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后輸出到計算機的輸入端；計算機的控制信號輸出端通過D/A轉(zhuǎn)換連接所述音頻內(nèi)耗儀的激勵信號控制端。
2、 根據(jù)權(quán)利要求l所述音頻內(nèi)耗自動化測量系統(tǒng)，其特征是所述機械夾具采用兩根雙股的金屬細 絲對被測品進行夾持；兩根雙股的金屬細絲平行設(shè)在被測品節(jié)點對應(yīng)位置，用以夾持被測品。
3、 根據(jù)權(quán)利要求2所述音頻內(nèi)耗自動化測量系統(tǒng)，其特征是所述金屬細絲是一定溫度下形態(tài)穩(wěn)定 且耐氧化的金屬，可采用鎳鉻細絲或不銹鋼細絲。
4、 根據(jù)權(quán)利要求2或3所述音頻內(nèi)耗自動化測量系統(tǒng)，其特征是在兩節(jié)點對應(yīng)位置分別設(shè)有兩對 平行的支持柱(1、 2)和支持柱(3、 4)，支持柱(1、 2、 3、 4)內(nèi)設(shè)有打通的管道，所述金屬 細絲依次穿過支持柱(1、 2、 3、 4)內(nèi)的管道；所述金屬細絲的頭尾兩端由彈簧鉤?。凰龅闹?持柱(1、 2)和/或支持柱(3、 4)設(shè)在滑軌上，使支持柱(1、 2)與支持柱(3、 4)的間距可 調(diào)；所述激勵頭上的電極和拾振頭的電極設(shè)在可以白由調(diào)節(jié)的底座上。
5、根據(jù)權(quán)利要求l所述音頻內(nèi)耗自動化測量系統(tǒng)，其特征是所述密閉容器內(nèi)設(shè)有加熱裝置、感溫 裝置；在容器上設(shè)有細管；所述加熱裝置連接有控溫裝置；所述機械夾具、加熱裝置和感溫裝置 與外部電路的連接線纜設(shè)在所述細管內(nèi)；所述密閉容器還通過所述細管連接真空機組。
6、根據(jù)權(quán)利要求1所述音頻內(nèi)耗自動化測量系統(tǒng)，其特征是所述音頻內(nèi)耗儀包括信號激勵信號 處理電路和振幅電信號處理電路；所述激勵信號處理電路包括音頻功率放大器、直流穩(wěn)壓電源、受控短路激勵電路；音頻功率 放大器把接收到的頻率綜合儀的激勵信號放大后，再經(jīng)直流穩(wěn)壓電源疊加直流電壓后輸出到激勵 頭；受控短路激勵電路的控制端接收計算機的控制信號，受控短路激勵電路的輸出端連接直流穩(wěn) 壓電源的輸出端；所述振幅電信號處理電路包括基極電流耦合電路、選頻放大電路、精密線型檢波器件；所述 振幅電信號經(jīng)拾振頭輸出到基極電流耦合電路，再經(jīng)選頻放大電路慮波，放大有效信號得到的信 號輸出到精密線型檢波器件，信號被檢出最火振幅的直流電壓信號輸出經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后輸出到計算 機的輸入端；所述激勵信號處理電路中，在音頻功率放大器和直流穩(wěn)壓電源之間還連接激勵電壓表； 所述接收信號處理電路的經(jīng)選頻放大電路放大的信號還有一路輸出到示波器的輸入端； 所述音頻內(nèi)耗儀還包括溫度信號處理電路，該電路包括直流mV放大電路，直流mV放大電路的輸入端連接所述感溫裝置，直流mV放大電路把感溫裝置輸入信號放大后，輸出測溫電壓信號，該測溫電壓信號經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后輸出到計算機的輸入端。
7、根據(jù)權(quán)利要求6所述音頻內(nèi)耗自動化測量系統(tǒng)，其特征是所述直流穩(wěn)壓電源疊加的直流電壓范 圍是200伏至300伏。
8、根據(jù)權(quán)利要求6所述音頻內(nèi)耗自動化測量系統(tǒng)，其特征是所述基極電流耦合電路的設(shè)計方法是: 選用高頻高反壓的P值為60左右的小功率管，并且耍求其有極小的漏電流；高頻小功率管基極靜態(tài)工作點定為一100V,發(fā)射極電流Ie設(shè)定在lmA左右，由上述要求可確定發(fā)射極電阻Re為100KQ;實際應(yīng)用中要調(diào)節(jié)可變基極電阻Rb，一般Rb在10MQ左右，的阻值使發(fā)射極電流調(diào) 整到lmA。
9、、根據(jù)權(quán)利要求6所述音頻內(nèi)耗自動化測量系統(tǒng)，其特征是所述受控短路激勵電路原理是由計 算機控制D/A輸出一個+5V的短路電壓，該電壓經(jīng)過合適的限流電阻后加在功率三極管的基極 上，而輸出激勵信號經(jīng)過合適的限流電阻接入該三極管的集電極，該三極管的發(fā)射極良好接地； 在此情況下，激勵信號等價于接地短路；若撤去+5V電壓，并由輔助電路給基極加上合適負電壓 以保證三極管完全截止，則激勵信號即可正常輸出。
10、 一種權(quán)利要求l所述系統(tǒng)的測量方法，其特征是步驟包括安裝調(diào)試好樣品后，先手動調(diào)節(jié)激勵信號的頻率，并觀察振幅變化以確定樣品的共振頻率值， 該頻率只是粗略值,精度要求不高；然后即可由程序控制在以該共振頻率為中心并且寬度為幾個 Hz或十幾個Hz的頻率范圍內(nèi)以合適頻率跨度來改變頻率進行掃描，檢測相應(yīng)的振動振幅，經(jīng)過處 理得到振幅極大值時對應(yīng)的精確共振頻率，誤差一般小于士0.1Hz;共振頻率確定后，則在被測品 共振達到最大振幅時短路掉激勵信號，此時被測品的振動開始自由袞減，同時開始同步采集衰減 數(shù)據(jù)，算出當(dāng)前內(nèi)耗值；如所述步驟循環(huán)進行測量，最終得到所需的隨溫度變化的復(fù)楊式模量譜。
全文摘要
音頻內(nèi)耗自動化測量系統(tǒng)，包括機械夾具、音頻內(nèi)耗儀、頻率綜合儀和計算機；機械夾具設(shè)在密閉容器內(nèi)，在機械夾具上與被測品夾持位置對應(yīng)設(shè)有激勵電極、接收電極；激勵電極、接收電極與被測品構(gòu)成電容a和b，被測品接地良好；頻率綜合儀的激勵信號輸出到音頻內(nèi)耗儀；音頻內(nèi)耗儀的激勵頭連接激勵電極；音頻內(nèi)耗儀的拾振頭連接接收電極，接收到的振幅電信號輸出到計算機；計算機控制音頻內(nèi)耗儀的激勵信號輸出。測量方法是安裝樣品，先調(diào)節(jié)激勵信號的頻率，然后掃描，檢測相應(yīng)的振動振幅；在被測品共振達到最大振幅時短路掉激勵信號，同時開始同步采集衰減數(shù)據(jù)，算出當(dāng)前內(nèi)耗值；如所述步驟循環(huán)進行測量，最終得到所需的隨溫度變化的復(fù)楊式模量譜。
文檔編號G01N29/04GK101299033SQ20081012417
公開日2008年11月5日 申請日期2008年6月13日 優(yōu)先權(quán)日2008年6月13日
發(fā)明者亮 張, 朱勁松, 震 楊 申請人:南京大學(xué)