BKT-100型材料磁性綜合測量系統(tǒng)

BKT-100型材料磁性綜合測量系統(tǒng)一、儀器簡介在科研、國防和生產(chǎn)實踐中，經(jīng)常需要對各種材料磁性進行研究和檢測，特別是急需有適應(yīng)性強、靈敏度高、準確可靠、使用方便的磁測儀器。隨著科學的發(fā)展，對儀器又提出了測量自動化智能化的要求，振動樣品法恰好滿足上述要求，它是以感應(yīng)法為基礎(chǔ)并配用近代電子技術(shù)發(fā)展起來的一種新型磁測儀器。它的工作原理是將樣品放置在穩(wěn)定的磁場中并使樣品相對于探測線圈作小幅度周期振動，則可得到與被測樣品磁矩成正比的信號，再將這信號用適當?shù)碾娮蛹夹g(shù)放大、檢波轉(zhuǎn)換成易于測量的電壓信號，即可構(gòu)成振動樣品磁性測量儀（VSM。由于這種儀器具有靈敏度高、準確可靠、結(jié)構(gòu)簡單、使用方便而且特別適合測量粉末樣品等特點，它已廣泛的應(yīng)用于物質(zhì)的磁性研究中，作為磁測量的最基本手段在科研實驗室中普遍采用。磁致伸縮薄膜材料在微機電系統(tǒng)（MEMS殍領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，由于磁致伸縮薄膜材料一般要做在特定的基片上面，要對磁致伸縮系數(shù)人進行直接測量就顯得十分困難。對于固定一端的帶基片的磁致伸縮薄膜材料的懸臂梁，當磁致伸縮薄膜層在外磁場作用下發(fā)生形變時懸臂梁就會產(chǎn)生一定的微撓度，本儀器通過測量懸臂梁的微撓度，進而計算出材料的磁致伸縮系數(shù)入。微撓度通過激光光杠桿放大法進行測量，具有操作簡便、設(shè)備要求低的優(yōu)點，再配以光電傳感器，能方便地實現(xiàn)測量的計算機自動化?；诖胖律炜s和材料力學理論，通過測量懸臂梁的微撓度，計算出材料的入。塊體磁致伸縮薄膜材料則通過樣品頂端的伸縮推動一聯(lián)動的反射鏡使激光束偏移。利用VSM系統(tǒng)的可變磁場和數(shù)據(jù)采集儀表，應(yīng)用光杠桿放大和高精度光位置傳感器（PSD技術(shù)我們將塊體和薄膜材料磁致伸縮系數(shù)測量集成到一套測量系統(tǒng)中，充分利用了儀器設(shè)備的硬件資源，擴展了儀器的應(yīng)用范圍。本儀器還集成了四探針薄膜材料磁電阻測量單元和材料（薄膜或塊體）霍爾效應(yīng)測量單元。因篇幅關(guān)系在此略去其測量原理敘述。BKT-100型材料磁性綜合測量系統(tǒng)專門為高校和科研院所設(shè)計,可以方便快速確定樣品的多項磁學特性，是一套設(shè)計結(jié)構(gòu)緊湊、功能強、自動化程度高、性價比極高的材料磁學特性綜合測量儀器，可廣泛應(yīng)用于大專院校及研究機構(gòu)中，成為材料的磁性研究、質(zhì)檢把關(guān)等方面不可缺少的關(guān)鍵設(shè)備。二、主要功能：VS則是這種公認的專門檢測各類物質(zhì)（材料）內(nèi)桌磁特性的設(shè)備，如磁化強度M（（Ts）、居里溫度Tf、矯頑力HC、剩磁M等。而在預(yù)知樣品在測量方向的退磁因子N后，尚可間接得出其他的有關(guān)技術(shù)磁參量，如：R、H、（BH）max等；另可根據(jù)回線的特點而判斷被測樣品的磁屬性。并能繪制磁滯回線、磁導率曲線、起始磁化曲線等。測量塊體或薄膜材料的磁致伸縮系數(shù)人和磁致伸縮系數(shù)曲線等。測量塊體或薄膜材料的磁電阻特性，AMRGMRt膜或元件的磁電阻特性曲線等。測量塊體或薄膜材料的霍爾效應(yīng)特性，繪制霍爾電壓（或電阻）隨磁場或溫度的變化曲線。三、主要技術(shù)指標1、磁矩量程分100emu10emu1emu100memu10memu1mem盛6檔，磁矩測量范圍（磁極間距30mm寸）10-3emu-100emu（靈敏度：2x10-5emi）2、相對精度（量程30emu時）：優(yōu)于土1%3、重復性（量程30emu時）：優(yōu)于土1%4、穩(wěn)定性（量程30emu時）：預(yù)熱15分鐘，連續(xù)24小時工作優(yōu)于1%、溫度范圍：室溫下測量（增加高低變溫裝置后,500攝氏度以及室溫到液氮溫區(qū)）、磁場強度變化范圍：0—1.5T之間，步進精度：2Oe7、PSD專感器精度：A區(qū)X、Y方向＜6um、恒流源變化范圍：0.1—50mA精度：0.001mA、模擬信號輸入范圍：±10V，精度1/3mV（滿量程）四、BKT-100型材料磁性綜合測量系統(tǒng)的配置構(gòu)成:型電勵磁振動振動振鎖相高斯探測光杠PS磁電阻和計算打印號:失穩(wěn)頭桿動放計線桿D霍機機流、、源大圈系檢爾及電振樣器統(tǒng)測效軟源動品單應(yīng)件架室元單元BKT-100VVVVVVVV五、BKT-100型材料磁性綜合測量系統(tǒng)儀器配置說明電磁鐵：電磁鐵為雙腕型可調(diào)或固定氣隙，成450座放，采用水冷方式冷卻；常溫中心磁場強度可達1.5T。電磁鐵直流穩(wěn)流電源：電源為可調(diào)式高穩(wěn)定度穩(wěn)壓穩(wěn)流自動轉(zhuǎn)換直流電源，功率為2.60KW在穩(wěn)流狀態(tài)時，穩(wěn)流輸出電流能在額定范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)。(一)主要功能(1)輸出功率(與電磁鐵配制)。(2)保護方式：缺相保護、過流保護、短路自動保護。(二)技術(shù)指標(1)電源為穩(wěn)流輸出：電流值可從0-額定值連續(xù)可調(diào)。(2)顯示方式：電流表4位半LED數(shù)字顯示。(3)顯示精度：土(1%+2t字)(4)當負載為電磁鐵，且輸出電流大于最大電流一半時，電源輸出的電流穩(wěn)定度優(yōu)于5X10-40(5)工作時間：連續(xù)8小時工作(環(huán)境溫度20±5C)(6)輸入電壓：三相380V±10%(或二相220V±10%(7)輸入頻率：50Hz6.3、高溫裝置：配置：高溫發(fā)熱裝置、控制儀、爐體支架、簡易循環(huán)水系統(tǒng)、溫度探頭、連接附件若干?？蓽y量材料在室溫?500c情況下的磁矩變化情況及500c以內(nèi)的居里溫度值；6.4、低溫裝置：配置：低溫杜瓦、溫度探頭、探頭支架、連接附件若干?？蓽y量材料室溫?液氮間磁矩變化情況等。、振動系統(tǒng)包括振動桿、機械振動頭支架、樣品室及探測線圈。、磁矩測量單元采用SR830高性能鎖相放大器于高精度特斯拉計，主要技術(shù)指標：(1)磁矩量程分100emu10emu1emu100memu10memu1mem或6檔,液晶屏顯示，最高靈敏度優(yōu)于5X10-5emi4當磁矩量程為10emu時，測量磁矩的相對精度和重復性均優(yōu)于±1%，預(yù)熱1小時，連續(xù)8小時工作的穩(wěn)定性優(yōu)于1%。(2)磁場量程分2T、1T、0.5T、和0.1T共4檔，液晶屏顯示，最高分辯率0.01mT,相對精度優(yōu)于±1%。(3)振動源輸出頻率20~200Hz,頻率穩(wěn)定度優(yōu)于10-4,輸出功率大于50W光杠桿放大裝置其作用是樣品懸臂梁的微撓度進行放大，轉(zhuǎn)換為PSD傳感器表面上的光點位移。PSD及信號處理單元可以將其光敏面移動的光點位置變化信號轉(zhuǎn)換為與光點位置成正比的電壓信號。磁電阻和霍爾效應(yīng)測量單元包含直線四探針、方塊四探針、五端法霍爾效應(yīng)探針(或夾具)組件；高精度可調(diào)恒流源；信號前置放大電路等。、機柜磁矩測量單元、PSD及信號處理單元、磁電阻和霍爾效應(yīng)單元和計算機等檢測儀器集裝在控制柜內(nèi)。、計算機清華同方品牌，內(nèi)存：1G,硬盤：160G,顯示器：17寸液晶、打印機HP—1210、軟件計算機通過USB和RS232串口線連接，數(shù)據(jù)采集軟件自動控制數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理和打印測試結(jié)果，樣品的各種磁特性參數(shù)諸如矯頑力、磁能積最大值、剩磁、磁化率、磁致伸縮系數(shù)等均可直接給出。需方向供方簽訂訂購合同，供方在收到預(yù)付70%$款后90個工作日向需方提供合格產(chǎn)品（不包括路上運輸時間）。全套設(shè)備包括如下項目：序號產(chǎn)品名稱型號規(guī)格單位數(shù)量備注價格（元）1勵磁電源2000H臺130A,自動數(shù)控，過壓、過流、短路保護，配霍爾探頭一個，量程自動換檔，RS23串行接口控制880002電磁鐵①100臺1水冷，最大磁場1.5T680003鎖相放大器SR830臺1產(chǎn)地美國，帶接口線和控制軟件650004振動系統(tǒng)套1國產(chǎn)120005振動源SG1693P臺1國產(chǎn)65006光杠桿系統(tǒng)套1自研95007高斯計T-100臺1主機內(nèi)置50008PSD僉測單元套1德國傳感器，自研460009磁電阻和霍爾效應(yīng)測量單元套1自研2600010高溫裝置套1室溫?500c2500011低溫裝置套1液氮溫區(qū)?室溫3500012測量軟件套1支持WindowsXP操作系統(tǒng)2300013電腦聯(lián)想套1聯(lián)想揚天M4600E22001G1內(nèi)存160G硬盤19寸液晶顯示器650014打印機HP1008臺1250015標準樣品塊5VSMt標,AMRGM成膜等贈送16全套接口線與說明書、合格證套1贈送總計（含普通發(fā)票稅）418000附錄:一、VSM勺結(jié)構(gòu)和工作原理:振動仃——捫描曰源一圖1上面所示為VSM原理結(jié)構(gòu)示意圖，當振蕩器的功率輸出饋給振動頭驅(qū)動線圈時，該振動頭即可使固定在其驅(qū)動線圈上的振動桿以⑴的頻率驅(qū)動作等幅振動，從而帶動處于磁化場H中的被測樣品作同樣的振動；這樣，被磁化了的樣品在空問所產(chǎn)生的偶極場將相對于不動的檢測線圈作同樣振動，從而導致檢測線圈內(nèi)產(chǎn)生頻率為⑴的感應(yīng)電壓；而振蕩器的電壓輸出則反饋給鎖相放大器作為參考信號；將上述頻率為⑴的感應(yīng)電壓饋送到處于正常工作狀態(tài)的鎖相放大器后（所謂正常工作，即鎖相放大器的被測信號與其參考信號同頻率、同相位），經(jīng)放大及相位檢測而輸出一個正比于被測樣品總磁矩的直流電壓VJout,,與此相對應(yīng)的有一個正比于磁化場H的直流電壓VHout（即取樣電阻上的電壓或高斯計的輸出電壓），將此兩相互對應(yīng)的電壓圖示化，即可得到被測樣品的磁滯回線（或磁化曲線）。如預(yù)知被測樣品的體積或質(zhì)量、密度等物理量即可得出被測樣品的諸多內(nèi)稟磁特性。如能知道樣品的退磁因子N,則非但可由上述實測曲線求出物質(zhì)（材料）的磁感B和內(nèi)磁化場Hi的技術(shù)磁滯（磁化）曲線，而且可由此求出諸多技術(shù)磁參數(shù)如Br、Hc、（BH）max等。

為簡單起見，我們?nèi)∫粋€直角坐標系，如圖2所示。并假定樣品S位于原點且沿z向作諧振動，a=aocoscot,a0為振幅、⑴為振動頻率。磁化場H沿x向施加,并假設(shè)在距s為r遠處放置一個圈數(shù)為N其軸為z向的檢測線圈，其第n圈的截面積為Sn(注意：SnwSm即任意兩圈的截面積是不等的)。如果樣品S的幾何尺度較r而言非常之小，即從檢測線圈所在的空間看樣品S,可將其視為磁偶極子，此時，據(jù)偶極場公式：H(r)3(rJ)rH(r)5

r并注意到矢量J僅有x分量，可得到穿過面積元dsn的磁通量為0Hz(r0Hz(rn)dSn3 0JxnZn54rndSn其中：0為真空導磁率，J=Mu是樣品總磁矩(M和U分別為樣品的磁化強度和體積)因此，第n匝內(nèi)總的磁通量小n為」3oJXnZn,dn5dSnsnsn4rn而整個線圈的總磁通量即為30JSn其中Xn和Zn為線圈第n圈的坐標?，F(xiàn)作一個變換，令樣品不動而線圈以Z(t)=Z(0)+acost振動。亦即Zn(t)=Zn(0)+aoCost為第n圈坐標與時間關(guān)系。據(jù)電磁感應(yīng)定律，考慮到x、y均不為時間t的函數(shù)，故r中僅考慮z向的時間變化關(guān)系，因此可得在整個檢測線圈內(nèi)的感應(yīng)電壓e為:e（t） 13-^Nxn（丁z2e（t） 14irnkaJsintKJsint設(shè)：樣品的振幅和振動頻率均固定不變。由上式可發(fā)現(xiàn)：①線圈中的電壓，不可能計算得到；②其電壓大小與被測樣品的總磁矩J,振動幅度a及振動頻率⑴成正比。在實驗上，我們不需要去計算K值，而是采取“替換法”，從實驗上求出K值,之后利用求得的K值反過來計算出被測樣品的磁矩，這就叫“定標”。實際上用一個已知磁矩為J。的標準樣品取代被測樣品，在與被測樣品相同測試條件下測得此時電壓幅值為V0=KJ0,則1/K=Jo/V。即可得到，如被測樣品的相應(yīng)電壓幅值為V,則被測樣品的總磁矩即為J=1/K?V=VJ。當知道樣品的體積v或其質(zhì)量m時，則可求得該樣品的磁化強度M=J/v或質(zhì)量磁化強度①=J/m。如能預(yù)知樣品在磁化場H方向的退磁因子N,從而可求出樣品的內(nèi)磁化場H=H-NM寸，將M（（r）?H一—對應(yīng)關(guān)系做成曲線。就可得到被測樣品的磁化曲線或磁滯回線MHH或6?H。二、薄膜磁致伸縮系數(shù)測量原理測量原理磁致伸縮效應(yīng)是指在外磁場作用下，由于材料自身磁化狀態(tài)的變化引起材料形狀和尺寸變化，去掉外磁場又恢復原來形狀和尺寸的物理現(xiàn)象。磁致伸縮效應(yīng)的大小可用磁致伸縮系數(shù)人來描述，一般定義入=（lH-l。）/I0（1）其中I0為物體原來的長度，IH為在外磁場H作用下伸長（或縮短）后的長度材料的磁致伸縮系數(shù)人的絕對值很小，一般在10-4?10-6量級。磁致伸縮薄膜材料一般是指將厚度在微米級磁致伸縮材料做在特定的基片上面的復合材料。對薄膜材料的磁致伸縮系數(shù)人進行直接測量十分困難。對于固定

一端的帶基片的磁致伸縮薄膜材料的懸臂梁，當磁致伸縮薄膜層在外磁場作用下發(fā)生形變時懸臂梁就會產(chǎn)生一定的微撓度，本儀器通過測量懸臂梁的微撓度，進而計算出材料的磁致伸縮系數(shù)入。微撓度通過激光光杠桿放大法進行測量，具有操作簡便、設(shè)備要求低的優(yōu)點，再配以高精度光位置敏感傳感器（PSD）,能方便地實現(xiàn)測量的計算機自動化?；诖胖律炜s和材料力學理論，通過測量懸臂梁的微撓度，計算出材料的入，(2)ZHs2(2)3Hfp2式中￡=Ef(1-vs)/Es(1+vf);Z為懸臂梁的撓度；Hs、Hf分別為基底和薄膜的厚度；Es、Ef分別為基底和薄膜的彈性模量；vs、vf分別為基底和薄膜的泊松比；p為懸臂梁長度。懸臂梁的微撓度經(jīng)放大后，利用光位置敏感傳感器（PSD）將光點位移信號轉(zhuǎn)化為電信號，根據(jù)激光光點位置的變化引起的輸出電壓信號變化計算懸臂梁的微撓度，從而計算得到薄膜的人。光杠桿放大裝置如圖1所示，一束激光投射到臂長為p的懸臂梁拋光面的自由端，其反射光點在距自由端r處被PSD探測到。設(shè)入射光與懸臂梁法向的夾角為8,當懸臂梁在平行于膜面的外磁場作用下彎曲一個很小的角度民時，經(jīng)幾何計算，在r處探測到的激光光點的位移（d）為圖1光杠桿法測量懸臂梁撓度示意圖而當p<<r時,由于懸臂梁形變很小，可以近似認為而當p<<r時,式（3）中的第二項可忽略，則光點的d可表示為d2rz⑷P即懸臂梁的撓度被放大了約2r/p倍。利用式（4）就可對懸臂梁的微撓度進行計算。PSD及信號處理電路PSD是一種光電傳感器，它可以提供在其光敏面移動的光點位置變化信