BKT-100型材料磁性综合测量系统

BKT-100型材料磁性综合测量系统一、仪器简介在科研、国防和生产实践中，经常需要对各种材料磁性进行研究和检测，特别是急需有适应性强、灵敏度高、准确可靠、使用方便的磁测仪器。随着科学的发展，对仪器又提出了测量自动化智能化的要求，振动样品法恰好满足上述要求，它是以感应法为基础并配用近代电子技术发展起来的一种新型磁测仪器。它的工作原理是将样品放置在稳定的磁场中并使样品相对于探测线圈作小幅度周期振动，则可得到与被测样品磁矩成正比的信号，再将这信号用适当的电子技术放大、检波转换成易于测量的电压信号，即可构成振动样品磁性测量仪（VSM。由于这种仪器具有灵敏度高、准确可靠、结构简单、使用方便而且特别适合测量粉末样品等特点，它已广泛的应用于物质的磁性研究中，作为磁测量的最基本手段在科研实验室中普遍采用。磁致伸缩薄膜材料在微机电系统（MEMS殍领域有着广泛的应用，由于磁致伸缩薄膜材料一般要做在特定的基片上面，要对磁致伸缩系数人进行直接测量就显得十分困难。对于固定一端的带基片的磁致伸缩薄膜材料的悬臂梁，当磁致伸缩薄膜层在外磁场作用下发生形变时悬臂梁就会产生一定的微挠度，本仪器通过测量悬臂梁的微挠度，进而计算出材料的磁致伸缩系数入。微挠度通过激光光杠杆放大法进行测量，具有操作简便、设备要求低的优点，再配以光电传感器，能方便地实现测量的计算机自动化。基于磁致伸缩和材料力学理论，通过测量悬臂梁的微挠度，计算出材料的入。块体磁致伸缩薄膜材料则通过样品顶端的伸缩推动一联动的反射镜使激光束偏移。利用VSM系统的可变磁场和数据采集仪表，应用光杠杆放大和高精度光位置传感器（PSD技术我们将块体和薄膜材料磁致伸缩系数测量集成到一套测量系统中，充分利用了仪器设备的硬件资源，扩展了仪器的应用范围。本仪器还集成了四探针薄膜材料磁电阻测量单元和材料（薄膜或块体）霍尔效应测量单元。因篇幅关系在此略去其测量原理叙述。BKT-100型材料磁性综合测量系统专门为高校和科研院所设计,可以方便快速确定样品的多项磁学特性，是一套设计结构紧凑、功能强、自动化程度高、性价比极高的材料磁学特性综合测量仪器，可广泛应用于大专院校及研究机构中，成为材料的磁性研究、质检把关等方面不可缺少的关键设备。二、主要功能：VS则是这种公认的专门检测各类物质（材料）内桌磁特性的设备，如磁化强度M（（Ts）、居里温度Tf、矫顽力HC、剩磁M等。而在预知样品在测量方向的退磁因子N后，尚可间接得出其他的有关技术磁参量，如：R、H、（BH）max等；另可根据回线的特点而判断被测样品的磁属性。并能绘制磁滞回线、磁导率曲线、起始磁化曲线等。测量块体或薄膜材料的磁致伸缩系数人和磁致伸缩系数曲线等。测量块体或薄膜材料的磁电阻特性，AMRGMRt膜或元件的磁电阻特性曲线等。测量块体或薄膜材料的霍尔效应特性，绘制霍尔电压（或电阻）随磁场或温度的变化曲线。三、主要技术指标1、磁矩量程分100emu10emu1emu100memu10memu1mem盛6档，磁矩测量范围（磁极间距30mm寸）10-3emu-100emu（灵敏度：2x10-5emi）2、相对精度（量程30emu时）：优于土1%3、重复性（量程30emu时）：优于土1%4、稳定性（量程30emu时）：预热15分钟，连续24小时工作优于1%、温度范围：室温下测量（增加高低变温装置后,500摄氏度以及室温到液氮温区）、磁场强度变化范围：0—1.5T之间，步进精度：2Oe7、PSD专感器精度：A区X、Y方向＜6um、恒流源变化范围：0.1—50mA精度：0.001mA、模拟信号输入范围：±10V，精度1/3mV（满量程）四、BKT-100型材料磁性综合测量系统的配置构成:型电励磁振动振动振锁相高斯探测光杠PS磁电阻和计算打印号:失稳头杆动放计线杆D霍机机流、、源大圈系检尔及电振样器统测效软源动品单应件架室元单元BKT-100VVVVVVVV五、BKT-100型材料磁性综合测量系统仪器配置说明电磁铁：电磁铁为双腕型可调或固定气隙，成450座放，采用水冷方式冷却；常温中心磁场强度可达1.5T。电磁铁直流稳流电源：电源为可调式高稳定度稳压稳流自动转换直流电源，功率为2.60KW在稳流状态时，稳流输出电流能在额定范围内连续可调。(一)主要功能(1)输出功率(与电磁铁配制)。(2)保护方式：缺相保护、过流保护、短路自动保护。(二)技术指标(1)电源为稳流输出：电流值可从0-额定值连续可调。(2)显示方式：电流表4位半LED数字显示。(3)显示精度：土(1%+2t字)(4)当负载为电磁铁，且输出电流大于最大电流一半时，电源输出的电流稳定度优于5X10-40(5)工作时间：连续8小时工作(环境温度20±5C)(6)输入电压：三相380V±10%(或二相220V±10%(7)输入频率：50Hz6.3、高温装置：配置：高温发热装置、控制仪、炉体支架、简易循环水系统、温度探头、连接附件若干。可测量材料在室温〜500c情况下的磁矩变化情况及500c以内的居里温度值；6.4、低温装置：配置：低温杜瓦、温度探头、探头支架、连接附件若干。可测量材料室温〜液氮间磁矩变化情况等。、振动系统包括振动杆、机械振动头支架、样品室及探测线圈。、磁矩测量单元采用SR830高性能锁相放大器于高精度特斯拉计，主要技术指标：(1)磁矩量程分100emu10emu1emu100memu10memu1mem或6档,液晶屏显示，最高灵敏度优于5X10-5emi4当磁矩量程为10emu时，测量磁矩的相对精度和重复性均优于±1%，预热1小时，连续8小时工作的稳定性优于1%。(2)磁场量程分2T、1T、0.5T、和0.1T共4档，液晶屏显示，最高分辩率0.01mT,相对精度优于±1%。(3)振动源输出频率20~200Hz,频率稳定度优于10-4,输出功率大于50W光杠杆放大装置其作用是样品悬臂梁的微挠度进行放大，转换为PSD传感器表面上的光点位移。PSD及信号处理单元可以将其光敏面移动的光点位置变化信号转换为与光点位置成正比的电压信号。磁电阻和霍尔效应测量单元包含直线四探针、方块四探针、五端法霍尔效应探针(或夹具)组件；高精度可调恒流源；信号前置放大电路等。、机柜磁矩测量单元、PSD及信号处理单元、磁电阻和霍尔效应单元和计算机等检测仪器集装在控制柜内。、计算机清华同方品牌，内存：1G,硬盘：160G,显示器：17寸液晶、打印机HP—1210、软件计算机通过USB和RS232串口线连接，数据采集软件自动控制数据采集、数据处理和打印测试结果，样品的各种磁特性参数诸如矫顽力、磁能积最大值、剩磁、磁化率、磁致伸缩系数等均可直接给出。需方向供方签订订购合同，供方在收到预付70%$款后90个工作日向需方提供合格产品（不包括路上运输时间）。全套设备包括如下项目：序号产品名称型号规格单位数量备注价格（元）1励磁电源2000H台130A,自动数控，过压、过流、短路保护，配霍尔探头一个，量程自动换档，RS23串行接口控制880002电磁铁①100台1水冷，最大磁场1.5T680003锁相放大器SR830台1产地美国，带接口线和控制软件650004振动系统套1国产120005振动源SG1693P台1国产65006光杠杆系统套1自研95007高斯计T-100台1主机内置50008PSD佥测单元套1德国传感器，自研460009磁电阻和霍尔效应测量单元套1自研2600010高温装置套1室温〜500c2500011低温装置套1液氮温区〜室温3500012测量软件套1支持WindowsXP操作系统2300013电脑联想套1联想扬天M4600E22001G1内存160G硬盘19寸液晶显示器650014打印机HP1008台1250015标准样品块5VSMt标,AMRGM成膜等赠送16全套接口线与说明书、合格证套1赠送总计（含普通发票税）418000附录:一、VSM勺结构和工作原理:振动仃——扪描曰源一图1上面所示为VSM原理结构示意图，当振荡器的功率输出馈给振动头驱动线圈时，该振动头即可使固定在其驱动线圈上的振动杆以⑴的频率驱动作等幅振动，从而带动处于磁化场H中的被测样品作同样的振动；这样，被磁化了的样品在空问所产生的偶极场将相对于不动的检测线圈作同样振动，从而导致检测线圈内产生频率为⑴的感应电压；而振荡器的电压输出则反馈给锁相放大器作为参考信号；将上述频率为⑴的感应电压馈送到处于正常工作状态的锁相放大器后（所谓正常工作，即锁相放大器的被测信号与其参考信号同频率、同相位），经放大及相位检测而输出一个正比于被测样品总磁矩的直流电压VJout,,与此相对应的有一个正比于磁化场H的直流电压VHout（即取样电阻上的电压或高斯计的输出电压），将此两相互对应的电压图示化，即可得到被测样品的磁滞回线（或磁化曲线）。如预知被测样品的体积或质量、密度等物理量即可得出被测样品的诸多内禀磁特性。如能知道样品的退磁因子N,则非但可由上述实测曲线求出物质（材料）的磁感B和内磁化场Hi的技术磁滞（磁化）曲线，而且可由此求出诸多技术磁参数如Br、Hc、（BH）max等。

为简单起见，我们取一个直角坐标系，如图2所示。并假定样品S位于原点且沿z向作谐振动，a=aocoscot,a0为振幅、⑴为振动频率。磁化场H沿x向施加,并假设在距s为r远处放置一个圈数为N其轴为z向的检测线圈，其第n圈的截面积为Sn(注意：SnwSm即任意两圈的截面积是不等的)。如果样品S的几何尺度较r而言非常之小，即从检测线圈所在的空间看样品S,可将其视为磁偶极子，此时，据偶极场公式：H(r)3(rJ)rH(r)5

r并注意到矢量J仅有x分量，可得到穿过面积元dsn的磁通量为0Hz(r0Hz(rn)dSn3 0JxnZn54rndSn其中：0为真空导磁率，J=Mu是样品总磁矩(M和U分别为样品的磁化强度和体积)因此，第n匝内总的磁通量小n为」3oJXnZn,dn5dSnsnsn4rn而整个线圈的总磁通量即为30JSn其中Xn和Zn为线圈第n圈的坐标。现作一个变换，令样品不动而线圈以Z(t)=Z(0)+acost振动。亦即Zn(t)=Zn(0)+aoCost为第n圈坐标与时间关系。据电磁感应定律，考虑到x、y均不为时间t的函数，故r中仅考虑z向的时间变化关系，因此可得在整个检测线圈内的感应电压e为:e（t） 13-^Nxn（丁z2e（t） 14irnkaJsintKJsint设：样品的振幅和振动频率均固定不变。由上式可发现：①线圈中的电压，不可能计算得到；②其电压大小与被测样品的总磁矩J,振动幅度a及振动频率⑴成正比。在实验上，我们不需要去计算K值，而是采取“替换法”，从实验上求出K值,之后利用求得的K值反过来计算出被测样品的磁矩，这就叫“定标”。实际上用一个已知磁矩为J。的标准样品取代被测样品，在与被测样品相同测试条件下测得此时电压幅值为V0=KJ0,则1/K=Jo/V。即可得到，如被测样品的相应电压幅值为V,则被测样品的总磁矩即为J=1/K?V=VJ。当知道样品的体积v或其质量m时，则可求得该样品的磁化强度M=J/v或质量磁化强度①=J/m。如能预知样品在磁化场H方向的退磁因子N,从而可求出样品的内磁化场H=H-NM寸，将M（（r）〜H一—对应关系做成曲线。就可得到被测样品的磁化曲线或磁滞回线MHH或6〜H。二、薄膜磁致伸缩系数测量原理测量原理磁致伸缩效应是指在外磁场作用下，由于材料自身磁化状态的变化引起材料形状和尺寸变化，去掉外磁场又恢复原来形状和尺寸的物理现象。磁致伸缩效应的大小可用磁致伸缩系数人来描述，一般定义入=（lH-l。）/I0（1）其中I0为物体原来的长度，IH为在外磁场H作用下伸长（或缩短）后的长度材料的磁致伸缩系数人的绝对值很小，一般在10-4〜10-6量级。磁致伸缩薄膜材料一般是指将厚度在微米级磁致伸缩材料做在特定的基片上面的复合材料。对薄膜材料的磁致伸缩系数人进行直接测量十分困难。对于固定

一端的带基片的磁致伸缩薄膜材料的悬臂梁，当磁致伸缩薄膜层在外磁场作用下发生形变时悬臂梁就会产生一定的微挠度，本仪器通过测量悬臂梁的微挠度，进而计算出材料的磁致伸缩系数入。微挠度通过激光光杠杆放大法进行测量，具有操作简便、设备要求低的优点，再配以高精度光位置敏感传感器（PSD）,能方便地实现测量的计算机自动化。基于磁致伸缩和材料力学理论，通过测量悬臂梁的微挠度，计算出材料的入，(2)ZHs2(2)3Hfp2式中£=Ef(1-vs)/Es(1+vf);Z为悬臂梁的挠度；Hs、Hf分别为基底和薄膜的厚度；Es、Ef分别为基底和薄膜的弹性模量；vs、vf分别为基底和薄膜的泊松比；p为悬臂梁长度。悬臂梁的微挠度经放大后，利用光位置敏感传感器（PSD）将光点位移信号转化为电信号，根据激光光点位置的变化引起的输出电压信号变化计算悬臂梁的微挠度，从而计算得到薄膜的人。光杠杆放大装置如图1所示，一束激光投射到臂长为p的悬臂梁抛光面的自由端，其反射光点在距自由端r处被PSD探测到。设入射光与悬臂梁法向的夹角为8,当悬臂梁在平行于膜面的外磁场作用下弯曲一个很小的角度民时，经几何计算，在r处探测到的激光光点的位移（d）为图1光杠杆法测量悬臂梁挠度示意图而当p<<r时,由于悬臂梁形变很小，可以近似认为而当p<<r时,式（3）中的第二项可忽略，则光点的d可表示为d2rz⑷P即悬臂梁的挠度被放大了约2r/p倍。利用式（4）就可对悬臂梁的微挠度进行计算。PSD及信号处理电路PSD是一种光电传感器，它可以提供在其光敏面移动的光点位置变化信