基于LabVIEW的介电材料特性自动化测量系统设计

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介电材料作为重要的电子材料,在不同领域有着广泛地应用。测量介电材料的介电谱、阻抗谱、伏安特性等宏观特性,是研究介电材料的微观结构以及其微观组成部分相互作用的重要手段,对介电材料在不同领域的应用有着重要的意义。然而,目前有关介电材料特性测量系统设计主要依赖于以测量仪器为主的硬件系统,测量功能单一且固定,操作繁琐,无法满足介电材料多变的测量需求。为了提高系统测量效率以及可扩展性,本研究基于虚拟仪器以软件为核心的设计思想,利用现有测量仪器设备搭建了介电材料特性自动化测量系统。根据课题组的需求,本系统主要用于测量高介电陶瓷材料低频范围内的特性。为了提高系统介电材料特性测量的综合能力以及应用范围,本研究在充分分析介电材料特性以及研究手段的基础上,依据介电材料的平行板电容器模型理论,从硬件系统和软件系统两方面完成系统的设计和搭建。论文主要内容如下:(1)在测量原理方面,重点分析了复介电常数的测量方法,根据平行电容器模型将介电常数的测量转换为介电材料在交变电场中阻抗参数的测量。(2)根据测量所需的阻抗参数、温度、电流等物理量分类,将硬件系统分为阻抗测量模块、温度测量模块以及伏安特性测量模块。各硬件功能模块的仪器设备通过GPIB总线与计算机通信,接受测量软件的控制指令完成测量任务,并返回测量结果由软件做进一步处理。其中,由于现有LCR表无法实现超低频范围内的阻抗,本研究还搭建了基于SR830锁相放大器的阻抗测量虚拟仪器子系统用于补充。阻抗子系统的硬件部分由锁相放大器、自动平衡电桥电路、单片机控制电路、线性电源电路构成,主要工作原理是:利用自动平衡电桥“虚短”、“虚断”的特点,测量待测样品以及参考电阻的矢量电压,经转换得到介电材料的阻抗参数。(3)软件系统部分由Lab VIEW开发完成,通过分析和处理硬件系统的测量结果得到介电材料频谱、温谱、伏安特性等数据,实时显示相应的特性曲线,同时具备数据存储、测量文件导出、用户控制等功能。在软件系统的设计方面,结合Lab VIEW面向对象技术和操作者框架设计模式,将测量设备的操作方法、测量任务的执行过程封装成相应的抽象操作者类,分别构成软件系统的硬件抽象层和测量抽象层,具体的操作细节通过继承抽象层的操作者子类实现,降低了软件系统与硬件系统、各程序模块之间的耦合程度,增强了测量系统的可靠性、可维护性以及扩展性。本测量系统经过长时间实际测量验证,运行稳定可靠,操作简便,大大提高了测量效率,扩展了现有测量设备的功能。除此之外,后续可以通过增加同类型的测量设备扩展系统的测量范围以及通过重写测量策略扩展系统的测量功能,测量系统具有较好的可维护和扩展性能。
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