电滞回线测量

实验三 电滞回线测量 硕827展学磊04 一、实验目的 1、学习电滞回线测量的方法和基本原理； 2、熟悉电滞回线测量系统的使用方法； 3、掌握测量数据分析方法。 二、实验原理 铁电体的自发极化在外电场作用下的重新定向并不是连续发生 的，而是在外电场超过某一临界场强时发生的。这就使得极化强度 P 滞后于外电场 E。当电场发生周期性变化时， P 和 E 之间便形成电滞 回线关系。 测量铁电体材料电滞回线的方法通常有两种： 冲击检流计描点法 和示波器图示法（Sawyer-Tower 电路法） 。 ①冲击检流计描点法 采用冲击检流计描点法测量电滞回线的装置有电源、 极性转换开 关、冲击检流计等组成，如图所示： 1 冲击检流计法测量电滞回线的电路图 在由铁电材料做成的样品 Cx 上，一次一次地逐渐增加电压，并 且每次都向冲击检流计放电， 每次测量后都记下各次的电压以及与之 对应的光标检流计的格数（电量值）值。当前加正极性电压，而对应 的冲击检流计的刻度 （电量值） 却不再增加时， 这时， 便达到饱和值， 记下此时的电压为 Um， 与之对应的冲击检流计的刻度读数 （电荷值） 为 Qm，然后逐渐一次一次地减小电压，并记下各次的电压以及相应 的冲击检流计的刻度格数（电量值） ，直到电压降为零伏而冲击检流 计仍有读数，记下此时的冲击检流计的读数为 Qr。然后转换电源的 极性，重复上述实验。读取并记下各次的电压以及对应的冲击检流计 的刻度值（电量值） 。关于电压从 0→Um→0→-Um→0→Um 过程中记 录电压值以及与之对应的冲击检流计读数。 设冲击检流计的动态常数为 Cg（C/mm） ，将测得的冲击检流计 读数а乘以动态常数 Cg 便得到电荷量 Q（Q＝а×Cg） ， 故可以通过计 算 U 及对应的 Q 按比例逐点描在坐标纸上便可得 Q-U 电滞回线。 设样品的厚度为 d，被银电极有效面积为 A，根据： 2 在实用单位制中，有： 对于压电陶瓷材料，εr1，故可以认为： 式中 D 为电位移（C/m2） ，E 为电场强度（V/m2） ，εr为相对介电常 数，ε为介电常数（F/m2） ，ε 0 为真空介电常数 （F/m2） ，P 为极化强度（C/m2） 。 将电场强度 E 和对应的极化强度 P（或电位移 D）的数值逐点描 绘在坐标纸上便可得到 P-E（或 D-E）的电滞回线。 测量时应该注意以下几个问题： 首先，由于铁电电介质的极化过 程具有很大的不可逆性，因此在测量时必须同向加高电压， 但电压不 能增加过头；不能再反向退回一点进行测量读取冲击检流计的读数 （电量值） 。其次，每一次测量完后必须完全放电。最后，由于漏导 存在，漏电流使起始光点不在零位上， 故要设法消除漏电流对冲击检 流读数的影响。补偿办法是：把开关 K 放置在 2 的位置上，调整高 3 阻电位器 W，使光点达到零位。当使用补偿电路后，冲击检流计的 度盘必须另作刻度（或对读数加以修正） 。转换电流的方向是靠电磁 继电器来实现的，其转向时间约为 2×10-3 秒。 ②示波器图示法（Sawyer-tower 电路法） 采用示波器图示法测量电滞回线， 手续简便迅速，故人们常采用 这种方法。用示波器测量电滞回线的电路见下图所示。 测量铁电体的电滞回线采用 Sawyer-Tower 电路，在被测样品 Cx 上串联一个电容量很大的电容器 C， 为了消除 U1 和 U2 之间的相 位差，在电容 C 上并联了一个电阻 R，调整 R 的大小便可使 U1 和 U2 之间的相位相同。因为 Cx 和 C 是串联的，故两个电容器上的电 荷是一样多的，Qx =Qc=Q，即： 示波器图示法测量电滞回线原理图 4 因为样品的有效面积 A 和电容 C 是已知的，A/C 为常数，故 U2 与电位移 D 成正比。对于压电陶瓷，εr1，故 D ≌P，因此 U2与 P 成正比，电容器上的电压 U2接到示波器的垂直致偏电极上，垂直幅 度 Uy 与电压 U2成正比，也就是说，示波器垂直幅度与电位移 D（或 极化强度 P）成正比。水平致偏电极则接到电位器W 的滑动接点上， 由于 CCx，故 UU1，因此水平致偏电极之间的水平幅度电压 Ux 正比于试样两端的电压 U1，而试样两端的电场强度E=U1/d，因此在 示波器上可以观察到 P-E（或 D-E）曲线，即电滞回线。 三、实验步骤 1.检查仪器连线、档位是否正确，准确无误后按顺序打开仪器。 2.选择合适尺寸的测试样品，放入试样盒。 3.打开测试软件，选择恰当的设置开始测量。 4.记录实验条件，保存测量数据。 四、数据处理与结果分析 1、在测试系统中选择 1Hz、正弦波，输入不同的电压（1000V、 1500V、1800V、2000V）对样品进行极化，观察电滞回线的变化， 其结果图形如下： 5 40 30 20 10 0 -10 -20 -30 -40 -2500-2000-1500-1000 1000V 1500V 1800V 2000V P 1 -50005001000150020002500 V 从样品的饱和极化强度的斜率大小中可以看出，随着电压的增 加，样品的极化强度趋于饱和，为了更有效地进行测量，在样品的击 穿电压的范围内，我们尽量采用较大的电压，这里我们取2000V。 2、在测试系统中，我们选择 2000V、正弦波，调整输入波形频 率的大小（0.5Hz、1Hz、2Hz、5Hz） ，观察结果如下： 6 40 30 20 10 0 -10 -20 -30 -40 -2000-1000010002000 0.1Hz 1 Hz 5 Hz 0.5 Hz 2 Hz P 1 V 随着输入频率的增加，电流的大小逐渐变大；当频率达到一定得 程度的时候，电流大小保持不变；而不同频率时刻所得到的电滞回线 的曲线基本相同，这是因为尽管输入频率不同， 但是只要输入的电压 足以使得样品达到饱和极化，最终所得到的电滞回线曲线保持不变。 3、标定试样的矫顽电场强度E C 、剩余极化强度P r 、饱和极化强度P sat 通过对不同电压、不同频率、不同波形各种情形的讨论，最终选 定频率为 1Hz 电压大小为 2000V 的正弦波作为我们的输入，最终得 到试样的各种参数。 7 1Hz-2000V 40 30 20 10 0 -2000-1000 -10 -20 -30 -40 010002000 v P1 Pr+=28.8391 Pr -=-29.1139 Psat|+=31.6822 Psat-=-31.5878 由此得出 Ec。 8