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(shí)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(dòng)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(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的大小是評價(jià)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(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。
本實(shí)用新型的原理是基于動(dòng)態(tài)電流法，但是采用本測試方法的測試 系統(tǒng)還未見報(bào)道。
發(fā)明內(nèi)容
本實(shí)用新型提供一種熱釋電系數(shù)測量裝置，基于動(dòng)態(tài)電流法，以提 高測量準(zhǔn)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(shí)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(jì)算機(jī) 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(jì)算機(jī)電信號連接；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(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(gè) 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(gè)電路放在金屬屏蔽盒內(nèi)。
本實(shí)用新型的測量過程按以下步驟進(jìn)行①按圖2連接好整個(gè)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(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(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。針對要求，本實(shí)用新型設(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試要求。
本實(shí)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(shí)時(shí)值， 準(zhǔn)確性高。
本實(shí)用新型利用了 PC機(jī)的信息處理功能，能準(zhǔn)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(jià)熱釋電材料的性能。


圖1本實(shí)用新型的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方框圖2本實(shí)用新型的實(shí)施例示意圖3本實(shí)用新型的微電流放大器具體電路圖4計(jì)算機(jī)程序流程圖5測量樣品的p—T關(guān)系曲線。
具體實(shí)施方式
本實(shí)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(jì)算機(jī)8;同時(shí)溫 度信號通過熱電阻感溫器4、溫度測試儀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為本實(shí)用新型的實(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(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IO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，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(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(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為本實(shí)用新型實(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(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；本實(shí)用新型的計(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(jìn)行處理而獲得熱釋 電響應(yīng)電流信號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)，停止測量并保存測量結(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(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)電信號連接；由計(jì)算機(jī)計(jì)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(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(gè)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(gè)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(dòng)態(tài)電流法，以提高測量準(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(jì)算機(jī)電信號連接；計(jì)算機(jī)編程計(jì)算獲得樣品的熱釋電系數(shù)。本實(shí)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(zhǔn)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?jiǎng)倭? 曾亦可, 羅旖旎, 肖臘連, 鄧傳益 申請人:華中科技大學(xué)