郑 明，李 华，王璞瑞

（北京航空航天大学物理科学与核能工程学院，北京100191）

铁电体电特性测量实验

郑 明，李 华，王璞瑞

（北京航空航天大学物理科学与核能工程学院，北京100191）

利用电滞回线发生器，通过信号测量电路及计算机接口技术，描绘电滞回线，计算出待测铁电体（压电陶瓷片）的电特性参量.

电滞回线；铁电体；压电陶瓷；单片机接口

1 引 言

铁电体是一类用途十分广泛的电介质材料，在通讯、导航、测控、传感器等技术领域有着十分重要的应用.所谓铁电体，是指具有自发极化，且自发极化方向可随外电场而反向的物质.在一定的温度范围内，铁电体的极化强度P不随外电场E作线性变化，呈现出电滞回线的关系.

本实验利用电滞回线发生器，通过信号测量电路及计算机接口技术，描绘电滞回线，计算出待测铁电体（压电陶瓷片）的电特性参量，如剩余极化强度Pr、自发极化强度Ps及矫顽场强Ec等.

2 电滞回线发生器

为了研究铁电体的电特性，通常将铁电体做成电容器，即在铁电体的上下两面镀银作为电容器的电极，铁电体即为充满其间的电介质，研究此电容器的电特性即可达到目的.图1为典型的Sawyer－Tower电滞回线发生器电路［1］.

由信号源提供的交流信号经升压变压器升高后提供给电滞回线发生器.图1中Cx为待测样品（本实验选取的是压电陶瓷），其厚度h远远小于直径d，且Cx≪C0.

由图1可知：由于Cx≪C0，故可认为加在Cx上的电压近似为变压器的输出电压V，于是

图1 电滞回线发生器电路

综合式（1）和（2），有

设Q为C0极板上的电荷，则

因Cx与C0串连，两电容极板上的电荷相等，此电荷可通过Cx内的电位移D和Cx极板面积S表述为

由式（4）和（5）即可得到

由式（3）和（6）可知，Vx与Vy分别与待测样品Cx的电场强度E、电位移D成正比.若将Vx与Vy分别接至示波器的X，Y输入端，则可在示波器上观察到电滞回线波形［2－3］.

3 测量电路

传统的示波器法，不便于得到待测铁电体的各种物理参量.为了定量计算被测样品的电特性参量，需将2路模拟信号Vx和Vy变换成数字信号，以便计算机处理.测量系统硬件电路的原理框图如图2所示.

图2 测量系统框图

图3为待测信号Vx（Vy）的调理电路.由于电滞回线发生器的输出Vx和Vy太小，需经过放大方可进行A／D处理，所以使其分别通过由LM324组成的两级放大电路将信号放大.输入信号首先通过由LM324组成的电压跟随器，它不仅精度高，而且输入电阻大，输出电阻小，所以能真实地将输入信号传给负载.输入信号经过跟随器后，经由LM324组成的反相放大电路将输入信号放大至适合A／D转换的电压范围内.如前所述，电滞回线是通过比较Vx与Vy而得到，而Vx与Vy均是随时间变化的，由于CPU在同一时刻只能对某一路信号进行采样，为了得到同一时刻的Vx与Vy，就需要利用采样保持器LF398，通过对同一时刻X与Y两路信号采样保持，CPU经过A／D转换器件分2次读出经过保持的信号，等同于获得了同一时刻的Vx与Vy，从而提高了测量精度.

图3 信号调理电路

采用8位A／D转换器ADC0809将采样后的模拟信号变换成数字信号［4］，它所需要的时钟输入信号由单片机的ALE脉冲信号经74LS74分频后来提供，如图4所示.

图4 A／D转换及通信原理图

测量系统的CPU选用89C51，它内部集成了可重复擦写的程序存储器，既减小了元器件的使用数量，又便于硬件电路的开发与升级.RS232串行通信接口电路采用MAX232，用于将TTL电平转换成RS－232电平，以便测量系统与主机之间进行数据传输.89C51中的RXD是串行数据接收端，TXD是发送端，MAX232中的R1IN用于接收从主机通过串行线传送的命令数据，而T1OUT则用于将已经转换成RS－232电平的测量数据传送到连接主机的串行线上.

4 数据处理

系统测量装置软件使用汇编语言编写，其软件流程如图5所示.

在开机上电后，首先初始化各控制寄存器与计数寄存器，然后进入采样循环，采样间隔可由主机设置，每次采样通过LF398同时对Vx与Vy进行采样保持，然后通过ADC0809分别对2路信号进行模数转换（选通道X、选通道Y），将此组数据存放在CPU内部RAM缓冲区，直到采完100组数据.随后向上位机发送数据，并开始下一轮采样循环.

实验中的压电陶瓷样品选用钛酸钡（Ba－TiO3）制备，为了降低线性感应电容对测量结果的影响，在条件容许的范围内尽量减小样品电极的面积［5］，其电极有效面积为2mm2，样品厚度0.1mm.主机软件采用LabVIEW编写，主机接收来自下位机（测量装置）的数据后可以在计算机屏幕上绘出电滞回线的图形，如图6所示，对其进行分析计算可得到待测铁电体材料的电特性参量，其剩余极化强度Pr为5.98×10－6C／cm2，自发极化强度Ps为9.67×10－6C／cm2，矫顽场强Ec为3.31kV／cm.

图5 系统测量装置软件流程

图6 上位机绘出的电滞回线图

5 结束语

铁电体电特性测量实验的研制开发得到了北京航空航天大学蓝天新星基金支持.实际应用表明：本文述及的铁电体电特性测量实验电路设计简单可靠，可方便地在微机屏幕上绘制待测铁电体的电滞回线图形，并可迅速得到其一系列的电特性参量.

［1］ 李远，秦自楷，周志刚.压电与铁电材料的测量［M］.北京：科学出版社，1984：125－132.

［2］ 曾亦可，刘东梅，王培英，等.铁电薄膜电滞回线测量研究［J］.功能材料，1998，29（6）：600－603.

［3］ 钱水兔，李光远.铁电体的电滞回线演示［J］.物理实验，1993，13（6）：244－246.

［4］ 李朝青.单片机原理及接口技术［M］.北京：北京航空航天大学出版社，2005：259－263.

［5］ Miller S L，Schwank J R，Nasby R D，et al.Modeling ferroelectric capacitor switching with asymmetric nonperiodic input signals and arbitrary initial conditions［J］.J.Appl.Phys.，1991，70（5）：2849－2860.

Experiment of electronic characteristics of ferroelectrics

ZHENG Ming，LI Hua，WANG Pu－rui
（School of Physics and Nuclear Energy Engineering，Beihang University，Beijing 100191，China）

The electric hysteresis loop was drawn by electric hysteresis generator，signal measurement circuit and microcontroller interface technology.The electrical characteristic parameters were calculated.

electric hysteresis loop；ferroelectrics；piezoelectric ceramics；microcontroller interface

O482.4

A

1005－4642（2012）10－0006－03

［责任编辑：任德香］

“第7届全国高等学校物理实验教学研讨会”论文

2012－05－31

郑 明（1977－），男，山东诸城人，北京航空航天大学物理科学与核能工程学院讲师，硕士，研究方向为测试计量技术及仪器.