1、BKT-100型材料磁性綜合測(cè)量系統(tǒng)        一、儀器簡(jiǎn)介在科研、國(guó)防和生產(chǎn)實(shí)踐中，經(jīng)常需要對(duì)各種材料磁性進(jìn)行研究和檢測(cè)，特別是急需有適應(yīng)性強(qiáng)、靈敏度高、準(zhǔn)確可靠、使用方便的磁測(cè)儀器。隨著科學(xué)的發(fā)展，對(duì)儀器又提出了測(cè)量自動(dòng)化智能化的要求，振動(dòng)樣品法恰好滿(mǎn)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(lái)的一種新型磁測(cè)儀器。它的工作原理是將樣品放置在穩(wěn)定的磁場(chǎng)中并使樣品相對(duì)于探測(cè)線圈作小幅度周期振動(dòng)，則可得到與被測(cè)樣品磁矩成正比的信號(hào)，再將這信號(hào)用適當(dāng)?shù)碾娮蛹夹g(shù)放大、檢波轉(zhuǎn)換成易于測(cè)量的電壓信號(hào)，即可構(gòu)成振動(dòng)樣品磁

2、性測(cè)量?jī)x（VSM）。由于這種儀器具有靈敏度高、準(zhǔn)確可靠、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用方便而且特別適合測(cè)量粉末樣品等特點(diǎn)，它已廣泛的應(yīng)用于物質(zhì)的磁性研究中，作為磁測(cè)量的最基本手段在科研實(shí)驗(yàn)室中普遍采用。磁致伸縮薄膜材料在微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)等領(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(duì)磁致伸縮系數(shù)進(jìn)行直接測(cè)量就顯得十分困難。對(duì)于固定一端的帶基片的磁致伸縮薄膜材料的懸臂梁，當(dāng)磁致伸縮薄膜層在外磁場(chǎng)作用下發(fā)生形變時(shí)懸臂梁就會(huì)產(chǎn)生一定的微撓度，本儀器通過(guò)測(cè)量懸臂梁的微撓度，進(jìn)而計(jì)算出材料的磁致伸縮系數(shù)。微撓度通過(guò)激光光杠桿放大法進(jìn)行測(cè)量，具有操作簡(jiǎn)便、設(shè)備要求低的優(yōu)點(diǎn)，再配以光電傳感器，

3、能方便地實(shí)現(xiàn)測(cè)量的計(jì)算機(jī)自動(dòng)化。基于磁致伸縮和材料力學(xué)理論，通過(guò)測(cè)量懸臂梁的微撓度，計(jì)算出材料的。塊體磁致伸縮薄膜材料則通過(guò)樣品頂端的伸縮推動(dòng)一聯(lián)動(dòng)的反射鏡使激光束偏移。利用VSM系統(tǒng)的可變磁場(chǎng)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(cè)量集成到一套測(cè)量系統(tǒng)中，充分利用了儀器設(shè)備的硬件資源，擴(kuò)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(cè)量單元和材料（薄膜或塊體）霍爾效應(yīng)測(cè)量單元。因篇幅關(guān)系在此略去其測(cè)量原理敘述。BKT-100型材料磁性綜合測(cè)量系統(tǒng)專(zhuān)門(mén)為高校和科研院所設(shè)計(jì),可以方便快速確定樣品的多項(xiàng)磁學(xué)特性，是一套設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)緊湊

4、、功能強(qiáng)、自動(dòng)化程度高、性?xún)r(jià)比極高的材料磁學(xué)特性綜合測(cè)量?jī)x器，可廣泛應(yīng)用于大專(zhuān)院校及研究機(jī)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：VSM就是這種公認(rèn)的專(zhuān)門(mén)檢測(cè)各類(lèi)物質(zhì)（材料）內(nèi)稟磁特性的設(shè)備，如磁化強(qiáng)度Ms（s）、居里溫度Tf、矯頑力Hc、剩磁Mr等。而在預(yù)知樣品在測(cè)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：Bs、Hc、（BH）max等；另可根據(jù)回線的特點(diǎn)而判斷被測(cè)樣品的磁屬性。并能繪制磁滯回線、磁導(dǎo)率曲線、起始磁化曲線等。測(cè)量塊體或薄膜材料的磁致伸縮系數(shù)和磁致伸縮系數(shù)曲線等。 測(cè)量塊體或薄膜材料的磁電阻特性，AMR、GMR薄膜或元

5、件的磁電阻特性曲線等。測(cè)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(chǎng)或溫度的變化曲線。三、主要技術(shù)指標(biāo)   1、磁矩量程分100emu、10emu、1emu、100memu、10memu、1memu共6檔,磁矩測(cè)量范圍（磁極間距30mm時(shí)）10-3emu100emu（靈敏度：2×10-5emu）    2、相對(duì)精度（量程30emu時(shí)）：優(yōu)于±1%    3、重復(fù)性（量程30emu時(shí)）：優(yōu)于±1%    4、穩(wěn)定性（量程30emu時(shí)）：預(yù)熱15分鐘，連

6、續(xù)24小時(shí)工作優(yōu)于1%   5、溫度范圍：室溫下測(cè)量(增加高低變溫裝置后,500攝氏度以及室溫到液氮溫區(qū))    6、磁場(chǎng)強(qiáng)度變化范圍：01.5T之間 ，步進(jìn)精度：2 Oe   7、PSD傳感器精度：A區(qū)X、Y方向<6um 8、恒流源變化范圍：0.150mA，精度：0.001mA 9、模擬信號(hào)輸入范圍：±10V ，精度1/3 mV(滿(mǎn)量程)四、BKT-100型材料磁性綜合測(cè)量系統(tǒng)的配置構(gòu)成： 型號(hào)電磁鐵勵(lì)磁穩(wěn)流電源振動(dòng)頭、振動(dòng)架振動(dòng)桿、樣品室振動(dòng)源鎖相放大器高斯計(jì)探測(cè)線圈光杠桿系統(tǒng)PSD檢測(cè)單元磁電

7、阻和霍爾效應(yīng)單元計(jì)算機(jī)及軟件打印機(jī) BKT-100            五、BKT-100型材料磁性綜合測(cè)量系統(tǒng)儀器配置說(shuō)明 6.1、電磁鐵： 電磁鐵為雙軛型可調(diào)或固定氣隙，成45°座放，采用水冷方式冷卻；常溫中心磁場(chǎng)強(qiáng)度可達(dá)1.5T。 6.2、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(dòng)轉(zhuǎn)換直流電源，功率為2.60KW 在穩(wěn)流狀態(tài)時(shí)，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

8、0;（1）輸出功率（與電磁鐵配制）。 （2）保護(hù)方式：缺相保護(hù)、過(guò)流保護(hù)、短路自動(dòng)保護(hù)。 （二）技術(shù)指標(biāo) （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：±（1%+2個(gè)字） （4）當(dāng)負(fù)載為電磁鐵，且輸出電流大于最大電流一半時(shí)，電源輸出的電流 穩(wěn)定度優(yōu)于5×10-4。 （5）工作時(shí)間：連續(xù)8小時(shí)工作（環(huán)境溫度20±5） （6）輸入電壓：三相380V±10% (或二相220V

9、77;10%)（7）輸入頻率：50Hz 6.3、高溫裝置：配置：高溫發(fā)熱裝置、控制儀、爐體支架、簡(jiǎn)易循環(huán)水系統(tǒng)、溫度探頭、連接附件若干。可測(cè)量材料在室溫500情況下的磁矩變化情況及500以?xún)?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。可測(cè)量材料室溫液氮間磁矩變化情況等。6.5、振動(dòng)系統(tǒng)    包括振動(dòng)桿、機(jī)械振動(dòng)頭支架、樣品室及探測(cè)線圈。 6.6、磁矩測(cè)量單元 采用SR830高性能鎖相放大器于高精度特斯拉計(jì)，主要技術(shù)指標(biāo)： （1）磁矩量程分100emu、10emu、1emu、100mem

10、u、10memu、1memu共6檔,液晶屏顯示，最高靈敏度優(yōu)于5×10-5emu；當(dāng)磁矩量程為10emu 時(shí)，測(cè)量磁矩的相對(duì)精度和重復(fù)性均優(yōu)于±1%，預(yù)熱1小時(shí)，連續(xù)8小時(shí)工作的穩(wěn)定性?xún)?yōu)于1%。（2）磁場(chǎng)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(duì)精度優(yōu)于±1。 （3）振動(dòng)源輸出頻率20200Hz,頻率穩(wěn)定度優(yōu)于10-4，輸出功率大于50W。 6.7 光杠桿放大裝置其作用是樣品懸臂梁的微撓度進(jìn)行放大，轉(zhuǎn)換為PSD傳感器表面上的光點(diǎn)位移。6.8 PSD 及信號(hào)處理單元可以將其光敏面移動(dòng)的光點(diǎn)位

11、置變化信號(hào)轉(zhuǎn)換為與光點(diǎn)位置成正比的電壓信號(hào)。6.9 磁電阻和霍爾效應(yīng)測(cè)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(hào)前置放大電路等。6.10、機(jī)柜磁矩測(cè)量單元、PSD 及信號(hào)處理單元、磁電阻和霍爾效應(yīng)單元和計(jì)算機(jī)等檢測(cè)儀器集裝在控制柜內(nèi)。 6.11、計(jì)算機(jī)清華同方品牌，內(nèi)存：1G, 硬盤(pán)：160G, 顯示器：17寸液晶6.12、打印機(jī)HP1210 6.13、軟件計(jì)算機(jī)通過(guò)USB和RS232串口線連接,數(shù)據(jù)采集軟件自動(dòng)控制數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理和打印測(cè)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。

12、六、BKT-100型材料磁性綜合測(cè)量系統(tǒng)儀器配置報(bào)價(jià)說(shuō)明序號(hào)產(chǎn)品名稱(chēng)型號(hào)規(guī)格單位數(shù)量備注價(jià)格（元）1勵(lì)磁電源2000H臺(tái)130A，自動(dòng)數(shù)控,過(guò)壓、過(guò)流、短路保護(hù),配霍爾探頭一個(gè)，量程自動(dòng)換檔，RS23串行接口控制880002電磁鐵100臺(tái)1水冷，最大磁場(chǎng)1.5T680003鎖相放大器SR830臺(tái)1產(chǎn)地美國(guó)，帶接口線和控制軟件650004振動(dòng)系統(tǒng)套1國(guó)產(chǎn)120005振動(dòng)源SG1693P臺(tái)1國(guó)產(chǎn)65006光杠桿系統(tǒng)套1自研95007高斯計(jì)T-100臺(tái)1主機(jī)內(nèi)置50008PSD檢測(cè)單元套1德國(guó)傳感器，自研460009磁電阻和霍爾效應(yīng)測(cè)量單元套1自研2600010高溫裝置套1室溫5002500011低

13、溫裝置套1液氮溫區(qū)室溫3500012測(cè)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(yáng)天M4600 E2200 1G內(nèi)存 160G硬盤(pán) 19寸液晶顯示器650014打印機(jī)HP1008臺(tái)1250015標(biāo)準(zhǔn)樣品塊5VSM定標(biāo)，AMR、GMR薄膜等贈(zèng)送16全套接口線與說(shuō)明書(shū)、合格證套1贈(zèng)送總 計(jì)（含普通發(fā)票稅）418000需方向供方簽訂訂購(gòu)合同，供方在收到預(yù)付70%貨款后 90個(gè)工作日 向需方提供合格產(chǎn)品（不包括路上運(yùn)輸時(shí)間）。全套設(shè)備包括如下項(xiàng)目：附錄：一、VSM的結(jié)構(gòu)和工作原理：磁場(chǎng)線圈圖 1上面所示為VSM原理結(jié)構(gòu)示意圖，當(dāng)振蕩器的功率輸出饋給振動(dòng)頭驅(qū)動(dòng)線圈時(shí)，該振動(dòng)頭

14、即可使固定在其驅(qū)動(dòng)線圈上的振動(dòng)桿以的頻率驅(qū)動(dòng)作等幅振動(dòng)，從而帶動(dòng)處于磁化場(chǎng)H中的被測(cè)樣品作同樣的振動(dòng)；這樣，被磁化了的樣品在空間所產(chǎn)生的偶極場(chǎng)將相對(duì)于不動(dòng)的檢測(cè)線圈作同樣振動(dòng)，從而導(dǎo)致檢測(cè)線圈內(nèi)產(chǎn)生頻率為的感應(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(hào)；將上述頻率為的感應(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(cè)信號(hào)與其參考信號(hào)同頻率、同相位），經(jīng)放大及相位檢測(cè)而輸出一個(gè)正比于被測(cè)樣品總磁矩的直流電壓VJout,，與此相對(duì)應(yīng)的有一個(gè)正比于磁化場(chǎng)H的直流電壓VHout（即取樣電阻上的電壓或高斯計(jì)的輸出電壓），將此兩相互對(duì)應(yīng)的電壓圖示化，即可得到被測(cè)樣品

15、的磁滯回線（或磁化曲線）。如預(yù)知被測(cè)樣品的體積或質(zhì)量、密度等物理量即可得出被測(cè)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(shí)測(cè)曲線求出物質(zhì)（材料）的磁感B和內(nèi)磁化場(chǎng)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。圖2為簡(jiǎn)單起見(jiàn)，我們?nèi)∫粋€(gè)直角坐標(biāo)系，如圖2所示。并假定樣品S位于原點(diǎn)且沿z 向作諧振動(dòng)，a=a0 cost,a0為振幅、為振動(dòng)頻率。磁化場(chǎng)H沿向施加，并假設(shè)在距s為r遠(yuǎn)處放置一個(gè)圈數(shù)為N其軸為z向的檢測(cè)線圈，其第n圈的截面積為Sn(注意：SnSm、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(cè)線圈

16、所在的空間看樣品S，可將其視為磁偶極子，此時(shí)，據(jù)偶極場(chǎng)公式：并注意到矢量J僅有x分量,可得到穿過(guò)面積元dsn的磁通量為 其中：為真空導(dǎo)磁率，J=M是樣品總磁矩（M和分別為樣品的磁化強(qiáng)度和體積）因此，第n匝內(nèi)總的磁通量n為 而整個(gè)線圈的總磁通量即為 其中xn和 zn為線圈第n圈的坐標(biāo)。現(xiàn)作一個(gè)變換，令樣品不動(dòng)而線圈以Z(t)=Z(0)+acost振動(dòng)。亦即Zn(t)=Zn(0)+a0cost為第n圈坐標(biāo)與時(shí)間關(guān)系。據(jù)電磁感應(yīng)定律，考慮到x、y均不為時(shí)間t的函數(shù)，故r中僅考慮z向的時(shí)間變化關(guān)系，因此可得在整個(gè)檢測(cè)線圈內(nèi)的感應(yīng)電壓e為： 設(shè)：樣品的振幅和振動(dòng)頻率均固定不變。由上式可發(fā)現(xiàn)：線圈中的電壓

17、，不可能計(jì)算得到；其電壓大小與被測(cè)樣品的總磁矩J，振動(dòng)幅度a及振動(dòng)頻率成正比。在實(shí)驗(yàn)上，我們不需要去計(jì)算K值，而是采取“替換法”，從實(shí)驗(yàn)上求出K值，之后利用求得的K值反過(guò)來(lái)計(jì)算出被測(cè)樣品的磁矩，這就叫“定標(biāo)”。實(shí)際上用一個(gè)已知磁矩為J0的標(biāo)準(zhǔn)樣品取代被測(cè)樣品，在與被測(cè)樣品相同測(cè)試條件下測(cè)得此時(shí)電壓幅值為V0=KJ0，則1/K=J0/V0即可得到，如被測(cè)樣品的相應(yīng)電壓幅值為V，則被測(cè)樣品的總磁矩即為J=1/KV=J0當(dāng)知道樣品的體積v或其質(zhì)量m時(shí)，則可求得該樣品的磁化強(qiáng)度M=J/v或質(zhì)量磁化強(qiáng)度=J/m。如能預(yù)知樣品在磁化場(chǎng)H方向的退磁因子N，從而可求出樣品的內(nèi)磁化場(chǎng)HiH-NM時(shí)，將M（）Hi

18、一一對(duì)應(yīng)關(guān)系做成曲線。就可得到被測(cè)樣品的磁化曲線或磁滯回線MH或H。二、薄膜磁致伸縮系數(shù)測(cè)量原理2.1 測(cè)量原理磁致伸縮效應(yīng)是指在外磁場(chǎng)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(chǎng)又恢復(fù)原來(lái)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)來(lái)描述，一般定義=（lH-l0）/l0 (1)其中l(wèi)0為物體原來(lái)的長(zhǎng)度，lH為在外磁場(chǎng)H作用下伸長(zhǎng)（或縮短）后的長(zhǎng)度。材料的磁致伸縮系數(shù)的絕對(duì)值很小，一般在10 - 410 - 6量級(jí)。磁致伸縮薄膜材料一般是指將厚度在微米級(jí)磁致伸縮材料做在特定的基片上面的復(fù)合材料。對(duì)薄膜材料的磁致伸縮系數(shù)進(jìn)行直接測(cè)量十分困難。對(duì)于固定一端的帶基

19、片的磁致伸縮薄膜材料的懸臂梁，當(dāng)磁致伸縮薄膜層在外磁場(chǎng)作用下發(fā)生形變時(shí)懸臂梁就會(huì)產(chǎn)生一定的微撓度，本儀器通過(guò)測(cè)量懸臂梁的微撓度，進(jìn)而計(jì)算出材料的磁致伸縮系數(shù)。微撓度通過(guò)激光光杠桿放大法進(jìn)行測(cè)量，具有操作簡(jiǎn)便、設(shè)備要求低的優(yōu)點(diǎn)，再配以高精度光位置敏感傳感器(PSD)，能方便地實(shí)現(xiàn)測(cè)量的計(jì)算機(jī)自動(dòng)化。基于磁致伸縮和材料力學(xué)理論，通過(guò)測(cè)量懸臂梁的微撓度，計(jì)算出材料的 ，即 (2)式中= Ef (1-s ) / Es (1 +f ) ; 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；s 、f 分別為基底和薄膜的泊松比; p 為懸臂梁長(zhǎng)度。懸臂梁

20、的微撓度經(jīng)放大后，利用光位置敏感傳感器( PSD) 將光點(diǎn)位移信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，根據(jù)激光光點(diǎn)位置的變化引起的輸出電壓信號(hào)變化計(jì)算懸臂梁的微撓度，從而計(jì)算得到薄膜的。2.2光杠桿放大裝置如圖1 所示，一束激光投射到臂長(zhǎng)為p 的懸臂梁拋光面的自由端，其反射光點(diǎn)在距自由端r 處被PSD 探測(cè)到。設(shè)入射光與懸臂梁法向的夾角為，當(dāng)懸臂梁在平行于膜面的外磁場(chǎng)作用下彎曲一個(gè)很小的角度時(shí)，經(jīng)幾何計(jì)算，在r 處探測(cè)到的激光光點(diǎn)的位移( d) 為 (3)圖1 光杠桿法測(cè)量懸臂梁撓度示意圖由于懸臂梁形變很小， 可以近似認(rèn)為sin=tan= z/ p ， 而當(dāng)p<< r 時(shí)， 式( 3) 中的第二項(xiàng)可忽略， 則光點(diǎn)的d 可表示為 (4)即懸臂梁的撓度被放大了約2 r/ p 倍。利用式(4) 就可對(duì)懸臂梁的微撓度