实验三
电滞回线测量
硕827 展学磊 3108030004
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：
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：
在实用单位制中，有：
对于压电陶瓷材料，εr>>1，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），ε0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
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，εr>>1，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C>>Cx，故U>>U1，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：
40302010
0-10-20-30
-40
P1
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：
40302010
0-10-20-30-40
P1
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EC、剩余极化强度Pr、饱和极化强度Psat
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。
402010-2000
-10-20-40
2000
v
P1
Pr+ = 28.8391 Pr - = -29.1139 Psat|+ = 31.6822 Psat- = -31.5878 由此得出Ec。
实验三
电滞回线测量
硕827 展学磊 3108030004
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：
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：
在实用单位制中，有：
对于压电陶瓷材料，εr>>1，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），ε0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
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，εr>>1，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C>>Cx，故U>>U1，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：
40302010
0-10-20-30
-40
P1
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：
40302010
0-10-20-30-40
P1
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EC、剩余极化强度Pr、饱和极化强度Psat
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。
402010-2000
-10-20-40
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v
P1
Pr+ = 28.8391 Pr - = -29.1139 Psat|+ = 31.6822 Psat- = -31.5878 由此得出Ec。