專利名稱：熱釋電系數測量裝置的制作方法
技術領域：
本發明屬于電流測量設備，具體涉及材料熱釋電系數的測量裝置，采用動態電流法測量材料熱釋電系數。
背景技術：
熱釋電材料主要應用于紅外探測領域，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、光譜響應寬等優點，從而促進了熱釋電材料的發展及應用，發現并改進了一些重要的熱釋電材料。熱釋電系數p的大小是評價熱釋電材料的基本參數之一，對熱釋電材料的熱釋電系數的測量就顯得尤為重要，因此其測試系統的研制越來越受到國內外學者的高度重視。
早期測量熱釋電系數的方法是測量不同溫度下的電滯回線中的自發極化強度Ps，而得到Ps與T的關系曲線，再由曲線斜率求出熱釋電系數p的值，這種方法稱為電反轉法。人們自上世紀70年代以來，提出了(a)靜態法、(b)電荷積分法、(c)直接法(包括熱動態電流法和介質加熱法)等多種測量熱釋電系數的基本方法。動態電流法采用可變熱源技術，研究在特定溫度條件下，被測量材料的動態熱釋電響應。動態電流法具有較高的靈敏度，且溫度可以連續改變。
本發明的原理是基于動態電流法，但是采用本測試方法的測試系統還未見報道。
發明內容
本發明提供一種熱釋電系數測量裝置，基于動態電流法，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。
本發明的一種熱釋電系數測量裝置，加熱爐體內一端設有加熱器、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。
所述的熱釋電系數測量裝置，其特征在于所述加熱爐體內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管道；爐內加熱器由均勻排列在圓環上的內熱式加熱芯組成，構成空心圓環加熱結構；加熱爐體瓶狀空腔體大端入口裝有風扇，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，調節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通角，可控硅移相器通過控制可控硅導通角的變化來控制加熱爐體內加熱芯的電壓。
所述的熱釋電系數測量裝置，其特征在于所述微電流放大器由兩個結型場效應管構成差分輸入級，再依次電信號連接差分輸入電壓放大器和電壓減法器構成，整個電路放在金屬屏蔽盒內。
本發明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；②將樣品制備成表面積為0.1cm2左右的規則矩形片，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，打開系統中各裝置的電源開關，啟動系統軟件程序主界面，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定值或從設定值勻速降至室溫，通過測量實時熱釋電電流Ip和溫度T與時間的關系曲線，系統自動計算出各時刻熱釋電系數p的大小并繪制出熱釋電系數P與溫度T的p-T關系曲線。
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，本發明設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。
本發明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量級，并通過輸入輸出電壓與電流的關系，而獲得熱釋電電流實時值，準確性高。
本發明利用了PC機的信息處理功能，能準確的測量熱釋電系數的大小，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的測量，用于評價熱釋電材料的性能。
圖1本發明的系統結構方框圖；圖2本發明的實施例示意圖；圖3本發明的微電流放大器具體電路圖；圖4計算機程序流程圖；圖5測量樣品的p-T關系曲線。
具體實施例方式
本發明的系統結構如圖1所示，圖中溫度控制器1控制加熱爐體2的內部溫度，加熱爐體2內設有樣品夾具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。
圖2為本發明的實施例，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內部呈瓶狀空腔體，整個爐體采用鋁材料制成，散熱速度適中，升溫降溫都能滿足測試要求。爐內加熱器13由多支內熱式加熱芯組成，每支額定功率為50W，直徑為6mm，均勻排列在圓環14上，構成空心圓環式加熱結構，以保證通風良好且熱量可以穩定的傳到樣品處，對樣品實現升溫與降溫。爐體一端裝上風扇12，往空腔內部鼓風，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。從流體力學上考慮，當熱量均勻地通過氣流流過腔體的時候，腔體內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。出口與風扇入口形成一個通風管道，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溫度的改變而改變。
內熱式加熱芯引線合并后從風扇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對內熱式加熱芯兩端電壓進行控制，內熱式加熱芯產生的熱量在風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。當溫度到達設定值時，內熱式加熱芯兩端電壓會自動按設定時間逐步降低，在風扇吹動下，樣品的溫度會下降。這樣，便實現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和時間繼電器11組成，通過調節時間繼電器11給予一定時間間隔的脈沖信號，來改變可控硅移相器10的導通角，可控硅移相器10通過控制可控硅9導通角的變化來控制加熱爐體內加熱芯的電壓，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采用圓柱狀結構，中心挖空引出導線，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式固定。為了測試方便，樣品夾具3設計為插入式，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4mm×4mm之內的樣品，這樣每次更換樣品相當方便，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)的關系曲線，且與溫度與時間(T～t)的關系曲線同步顯示。
圖3為本發明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，第一部分由兩個結型場效應管構成差分輸入級，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量級，通過輸入輸出電壓與電流的關系，可以計算出電流放大倍數，從而獲得熱釋電系數值。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。
圖4為計算機程序流程圖；本發明的計算機控制程序采用Delphi語言編程，運行開始應輸入采樣間隔時間、樣品有效電極面積和樣品電阻三個參數。程序運行中按采樣間隔時間采集樣品的溫度信號T和微電流放大器的輸出電流信號Ix，并對所測數據進行處理而獲得熱釋電響應電流信號Ip，程序實時繪制出Ip～t曲線；同時也繪制出T～t曲線。當溫度達到設定值時，停止測量并保存測量結果，同時顯示出P～T曲線。
圖5為樣品的p-T關系曲線，對于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。
權利要求
1.一種熱釋電系數測量裝置，加熱爐體內一端設有加熱器、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。
2.如權利要求1所述的熱釋電系數測量裝置，其特征在于所述加熱爐體內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管道；爐內加熱器由均勻排列在圓環上的內熱式加熱芯組成，構成空心圓環加熱結構；加熱爐體瓶狀空腔體大端入口裝有風扇，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.如權利要求1或2所述的熱釋電系數測量裝置，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，調節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通角，可控硅移相器通過控制可控硅導通角的變化來控制加熱爐體內加熱芯的電壓。
4.如權利要求3所述的熱釋電系數測量裝置，其特征在于所述微電流放大器由兩個結型場效應管構成差分輸入級，再依次電信號連接差分輸入電壓放大器和電壓減法器構成，整個電路放在金屬屏蔽盒內。
全文摘要
熱釋電系數測量裝置，屬于電流測量設備，基于動態電流法，以提高測量準確度，并且簡化操作。加熱爐體內一端設有加熱器、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。本發明測試周期短，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G01N27/14GK1865965SQ200610019080
公開日2006年11月22日 申請日期2006年5月16日 優先權日2006年5月16日
發明者姜勝林, 曾亦可, 呂文中, 肖臘連, 羅旖旎, 鄧傳益 申請人:華中科技大學