（测试计量技术及仪器专业论文）介电材料温度特性表征技术的研究.pdf

介电材料温度特性表征技术的研究 摘要 介电材料作为一种十分重要的信息功能材料现今已受到越来越广泛的应用。 由于在实际应用中，材料的性能很容易受到外界温度和频率的影响，所以研究介 电材料的温度特性，以便得出材料的电阻参数及介电参数随温度和频率的变化关 系。研究分析测试结果，有助于调节、改善材料的组分，使其性能得到进一步优 化。 根据实际应用，分别建立了介电材料电阻温度特性测试系统和介电温度特性 测试系统。电阻温度特性测试系统可用于材料的电阻率、方阻、电阻温度系数随 温度的变化关系，介电温度特性测试系统可用于材料的介电常数、损耗角正切值 随温度和频率的变化关系。这两套测试系统都包括了测量仪器和测量控制软件两 大部分。在电阻温度特性测试系统中采用了四探针测试技术；k e i t h l e y2 3 6 能 够提供多档位的电流源和电压源，并实现对电流和电压的测量。介电温度特性测 试系统中，a l p h a k 高分辨率介电分析仪能够产生不同的频率信号，实现对材料 的介电常数和损耗角正切的直接测量。p e 一9 4 温度控制器在两套系统中都起到 了控制温度的作用，系统采用线性升温的方法。基于l a b v i e w 的控制软件具有 仪器控制、参数设置、测量和数据处理等功能。通过实验人员与计算机的直接对 话实现对测试系统的控制，提高了测量效率。 通过样品测试，表明测试系统具有较好的测量精度和重复精度。 关键字：温度特性；电阻参数；介电参数；l a b v i e w 软件 一 1 ，由( 2 3 9 ) 式可知，t 9 6 随c o 升高而减小。m 0 0 时，增6 0 。 由图2 6 看出，在下，留6 达最大值，可e h ( 2 3 9 ) 式对留6 微分得到 ；纠掣 f 9 6 的最大值主要是由松弛过程决定。如果介质电导显著变大，则增6 的最 大值变得平坦，最后在很大的电导下，t 9 6 无最大值，主要表现为电导损耗特 征：t 9 6 与成反比，如图2 7 。 图2 5 ，留6 ，p 与的关系 图2 7 不同带穿电导的介质辔6 与的关系 1 6 菜一深：一 西安工业大学硕士学位论文 2 温度的影响 温度对松弛极化产生影响，因而p ，5 和t 9 6 与温度关系很大。松弛极化 随温度升高而增加，此时，离子间易发生移动，松弛时间常数f 减小。 ( 1 ) 当温度很低时，r 较大，由d e b y e 公式可知，较小，留d 也较小。此 时，由于2 , r 2 1 ，f l q ( 2 3 9 ) 式可得 留6 。c 二* 了( 2 4 2 ) 在此温度范围内，随温度上升，f 减小，因而s ，上升，f 9 6 上升，乓上升。 ( 2 ) 当温度较高时，f 较小，此时2 f 2t t1 ，因而 咖瓣击；唑产 在此温度范围内，随温度上升，f 减小，培6 减小。这时电导上升并不明显，所 以岛主要决定于极化过程，易也随温度上升而减小。由此看出，在某一温度l 下，昂和增6 有极大值，如图2 8 。 i ， r 图2 8 ，f 9 6 ，p 与t 的关系 ( 3 ) 当温度继续升高，达到很大值时，离子热运动能量很大，离子在电场 作用下的定向迁移受到热运动的阻碍，因而极化减弱，g ，下降。此时电导损耗 剧烈上升，留6 也随温度上升急剧上升。 比较不同频率下的增6 与温度的关系，可以看出，高频下，乙点向高温方 劂。由( 2 4 1 ) 式可知，b l 一停为撇蝴时，靠删口l 增加。 根据以上分析可以看出，如果介质的贯穿电导很小，则松弛极化介质损耗 的特征是：f 9 6 在与频率、温度的关系曲线中出现极大值。 西安工业大学硕十学位论文 2 6 介电材料电阻温度特性测试方法 介电材料电阻温度特性的测试方法迄今也出现多种，现将介绍几种比较有 代表性的。如下所示： 1 1 电位差法俐 由恒流源、限流电阻r d 、被测试样( 电阻值r x ) 组成的回路中，保持恒流源 电流不变，如r i 不变，则其两端电压u 融也不变，用管式炉对试样进行回火时， 其电阻值将发生变化，其两端电压u r x 也将发生变化，通过电压放大电路放 大后，接到x y 函数记录仪y 端，测炉温的热电偶直接接x y 函数记录仪x 端， 随着炉温的升高函数记录仪自动把被测试样两端电压，u h 与温度的关系曲线 记录了下来。测量原理图如图2 9 所示。 懂液源 i s 一3 a 电偶 图2 9 电位差法测量原理图 采用这种测量方法，关键是要设计一个工作稳定、线性度好的电压放大电 路。它也实现了电阻温度特性的自动测试，减轻了实验的劳动强度，提高了工 作效率。但它所测试的材料是针对块体材料的，在薄膜材料测试方面收到了一 定的局限性；所测对象为试样两端电压u r x 与温度的关系曲线，电阻率、电阻 温度系数与温度的关系还需要进一步的计算。 2 ) 四探针测试法1 6 , 1 1 】 常规四探针方法是目前研究介电材料电阻温度特性中应用最广泛的一种测 试方法，它具有使用方便，测量准确度较高等优点。但实践中它要求所使用的 探针头的探针间距应当相等，对探针的游移率要求严格，材料的几何尺寸与探 针间距相比应满足无穷大条件。双位组合四探针法是范德堡测量方法原理在直 线四探针上的具体应用，它消除了探针间距不等及被测样品几何尺寸对测量结 果的影响，从而提高了测量结果的准确度。但用双位组合四探针法时，电阻率 1 8 西安工业大学硕士学位论文 计算公式和厚度修正却与常规四探针法不同。目前的双位组合四探针法按其组 合方式的不同分为p e r l o f f 双位法( 一1 1 4 和p 幺- i ”) 和宿氏双位法( 一，。和 k 。一，) 【6 1 1 , 2 8 ，3 8 l 。前者是美国人d s p e f l o f f 于1 9 8 1 年提出来的，后者是1 9 7 9 年由我国北京工业大学宿昌厚先生提出来的。两者的差别在于测量时电流电位 探针组合方式不同。其中第一次测量，探针组合方式和常规四探针相同，第二 次测量，p e r l o f f 双位法是把电流接在1 、3 探针上，测量2 、4 探针之电压：而 宿氏双位法，第二次测量是把电流接在1 、2 探针上，测量3 、4 探针之电压。 测量原理见图2 1 0 和图2 1 1 ： 图2 1 0p e r l o f f 双位法 图2 1 1 宿氏双位法 四探针方法可以对不同厚度的测试样品进行测试，但随着样品厚度的增加， 当大于5 0 0 u m 时，采用双位四探针法测量的结果却与常规四探针法测量的结果 有不同程度的差别，这是因为目前在计算厚度修正时，所用的修正系数对常规 四探针是较为准确而有效的。对于双位法直接用该修正系数，还得考虑它的合 理性。如果双位法有了自己的厚度修正办法，介电材料电阻率的准确程度会有 一个较大的提高。 3 ) 基于w i n d o w s 的电阻温度特性测试系统酬 测试系统总体框图如图2 1 2 所示。在本系统中计算机通过r s 2 3 2 接口控 制智能温控表实现温度的自动控制，温度控制和测量精度大幅度提高。微型计 算机通过r s 一2 3 2 接口对智能温控表发出指令，实现程序温控，当达到规定的温 西安工业大学硕士学位论文 度和保温时间后，计算机控制智能万用表对来自各个样品通道的电阻值进行测 量。该测试系统也实现了对材料的电阻随温度变化关系的自动测试，但计算机 与测试仪器之间串口通信程序的编译却比较复杂，开发起来不太方便。 图2 1 2 测试系统总体框图 由于四探针方法在介电材料电阻温度特性测试中的普遍性及实用性，本次 实验中运用的测试方法也为四探针法，结合多功能的k e i t h l e y2 3 6 测试仪( 四 表合一，能够同时提供电流源、电压源和进行电流、电压的测量诳l a b v i e w 软 件开发平台上开发测试程序，l a b v i e w 提供了功能强大且编译方便、直观的图 形化编程语言，各种仪器与计算机之间的通信也方便、快捷，实现了对材料温 度特性的智能化测试。 2 7 介电材料介电温度特性测试方法 介电材料介电温度特性测试方法介绍如下： 1 ) 基于l c r 测试仪的介电材料温频特性测控系统【7 , 1 2 , 1 3 j 9 1 1 系统中利用m p c ) 汀计算机的两个通道，一个是用于和测试仪器进行对 话，采集测试仪器中测入数据的g p i b ( i e e e 一4 8 8 ) 并行接i e i ；另一个是开关量接 口板接口，该接口板由二只8 2 5 5 并行口、一只可编程通讯接口及一只地址开关 等组成。一只8 2 5 5 并行口用于采集热偶的热电势数据，一只用于控制试验设备 的致冷量、加热量及试验装置中的多样品开关。在8 2 5 5 和试验设备之间的控制 器是采用过零触发及可控硅与继电器并联技术。从而大大增加了控制器的可靠 度及大大延长了控制器的使用寿命，且保持着可控硅的灵敏度。 图2 。1 3 线性升温法测量介电材料及片式元器件温频特性的系统构成图 西安工业大学硕十学位论文 2 1 采用双通道锁相放大技术的介电参数测量系统 8 , 1 7 , 1 8 _ o 】 ( 1 1 双通道锁相放大 由正弦波信号源提供测试电压，同时提供锁相放大电路的参考信号。在样 品两端加上测试电压后，通过样品的电流经电流放大电路并转化为电压信号， 与参考信号一起送入锁相放大电路。参考信号将告诉锁相电路需检测信号的频 率，锁相回路口u 0 将跟踪这个需检测的信号频率并输出两个正交信号c o s ( w ，t ) 和s i n ( c o , t ) 。待测信号通过电流放大后的信号kc o s ( c a ，t + f ) ，再经一个高增益 交流放大电路后与p l l 输出在两个相敏检测器p s d l 和p s d 2 中相乘，两个相 敏检测器输出为 d 1 ；tc o s ( m ，t + f ) c o s ( o j ，f )( 2 4 4 ) 2itc o s ( w ，t + f ) s i n ( o j , t )( 2 4 5 ) 相敏检测器的输出分别通过低通滤波器后，只有差频通过。在本测试系统中， 测试频率为a ，在( 1 4 ) 式中，一，通过上述双通道锁相放大器就可以精确得 出测试信号。得到的信号经直流放大器放大，再经a d 转换，由计算机采集数 据，并计算通过样品的电流大小及其与测试电压的相位差。 幽2 1 4 测量系统框图 ( 2 ) 样品升温控制和温度测量 制备好的样品浸入变压器油中，由可控电炉对其缓慢均匀加热。升温速度 和最高温度限均由计算机设定。温度测量由c u s 0 热电阻作传感器，通过与此 配套的温度变送器，由计算机通过a d 采集样品的温度值。 ( 3 ) 计算机接口和软件 整个测量过程通过计算机控制完成，数据采集和温度控制通过a d 、d a 实现。由软件部分协调这些过程，并处理测量结果和显示。 3 ) 利用5 5 5 单稳电路和示波器测量介电常数【9 , 1 0 , 1 9 西安工业大学硕上学位论文 试验电路原理如图2 1 5 所示。左边集成块( i c l ：5 5 5 ) 组成间接反馈式多谐振 荡器，“3 ”端输出频率为f = 1 4 4 3 ( r l + 2 r 2 ) c 1 的矩形脉冲串( 如图2 1 6 a ) 。r 3 、 c 3 构成微分电路，可以得到如图2 1 6 b 所示尖脉冲串。右边集成块0 c 2 ：5 5 5 ) 组 成单稳电路，平时“2 ”是高电平，c x 上电压为零，3 端输出电压v 0 = 0 为 低电平，这是5 5 5 单稳电路的稳态。当2 端输入触发脉冲f 图2 1 6 b 的下尖脉 冲) 时，单稳电路开始处于暂态，此时电源通过r c 向c k 充电( 如图2 1 6 c 所示) ， 输出端v o 为高电平。c x 的电容量越大，其电压升至阀值电压2 v c c 3 所需的时 间、即暂态时间t 。越长：反之，c x 的电容量越小，t 。也越短。当c x 的电压超 过2 v d 3 时，单稳电路翻转，“3 ”端输出电压v 0 为低电平，电路又处于稳态， 等待“2 ”端再次到来的触发脉冲。利用示波器可在1 ( 2 2 ：5 5 5 输出端“3 ”观察 到脉宽为t 。的矩形脉冲串( 如图2 1 6 d 所示1 。 v 。( + 9 v ) 图2 1 5 电路原理图 图2 1 6 脉冲波形图 两安工业大学硕士学位论文 在暂态过程中，根据电容充电公式k = 圪1 1 一g 白i ，当咋，专时， ， 。 1 单稳电路翻转，电容g 通过5 5 5 集成快内部立即放电，即有詈。一 j ，l 、 吃l1 一p 白如i 式成立，解得- 1 远q 。实验中，g 是平行板电容器。故 ij c 。= s 。s ，a d d ，式中a 为圆盘面积，d 为两极板间的距离，。为绝对介电常数， ，是两极板间充满介质时的相对介电常数。则对应在示波器上观察到的脉宽 t d r = 1 1 r o e 。s ，a d 。若考虑到电路本身固有电容c ( c 与c 并联) 所带来的附加 脉宽t ：，则有 t d o t j = 1 1 r e x o a d( 2 4 6 ) t 女一= 1 1 r o e o ，a d ( 2 4 7 ) ( 2 4 7 ) 式除以( 2 4 6 ) 式得 s ，2 ( o t ：) ( r d o t ：) ( 2 4 8 ) 钔利用微机控制的自动测量装置测量复介电常数【5 5 j 6 1 设作为传感器的终端开路同轴线，在空载时，自终端口向源端看的等效电 容为c ，自终端向空间看的等效电容为c 。( 。) 。显然，从等效电路理解，两者 为并联，总容量等于c ，+ g 。若有复介电常数为，且其平面大于同轴线端面 的待测物体与端口贴合，则无异于使c 0 容量增大e 倍。此时，等效电路电容量 将等于c ，+ c 。根据传输理论，在用角频为的电源向特性阻抗为z 。的同轴 线供电时，则反映在源端口的反射系数r 为 亡i i 斗。：1 + - ，j e p z z 。o ( ( 。c ? ，+ + 。c ? 。o ； g i ) c z 4 9 ， ( 2 5 1 ) 舞 壶 辐 去 一 西安工业大学硕士学位论文 本实验采用了微机控制的自动测量装置，以及利用微机的计算功能，把测 得的反射系数和已知的仪器常数，根据式2 5 0 和式2 5 1 关系，即可输出待测物 体的s 和1 值，其实验框图见图2 1 7 。 图2 1 7 自动测量装置实验框图 以上介绍了多种对于介电材料的介电常数的测试方法，有的还与计算机控 制技术相结合。本次实验中运用了德国n o v o c o n t r o l 公司的a l p h a k 高分 辨率介电分析仪能够直接测量出材料的介电常数和介电损耗，频率范围为 3 u h z - 3 m h z ，范围很宽，特别是在低频条件下的测量在目前都是十分先进的。 系统还结合温度控制部分，通过软件测试程序实现了对介电材料介电温度特性 的智能化测试。 3 介电材料温度特性测试系统 3 介电材料温度特性测试系统 3 1 电阻温度特性测试系统设计 对于介电材料电阻温度特性的研究，我们需要得到的主要参数就是电阻率 以及电阻温度系数，所以该系统中主要实现的也是对电阻和温度的测量，然后 再根据原理中介绍的表达式计算出电阻率和电阻温度系数。该测试系统是在 w i n d o w s 操作系统中开发的软件测试程序来实现对测试仪器的控制操作，实验 人员只需要通过与p c 机的对话，就能够完成整个的测试过程。测试系统结构 框图如下图3 1 所示1 3 5 , 4 5 , 4 6 。 图3 1 介电材料电阻温度特性测试系统 通过测试系统框图我们可以看出，试验过程中，通过p e - 9 4 温度控制器来 实现对测试样品的温度控制及测量，控制器以r s - - 2 3 2 串口总线形式与计算机 相连；k e t h l e y2 3 6 是给作用在测试样品上的四探针提供电流和电压的，这 样我们就能够测出样品的电阻、电阻率，k e i t h l e y2 3 6 以i e e e 4 8 8g p i b 的 并口总线形式与计算机相连：冷却循环水是p e 9 4 温度控制系统中自带的，能 够在控温过程中起到对加热台的冷却降温作用。 3 2 介电温度特性测试系统设计 在介电温度特性测试系统中，我们主要测量的是介电材料的介电常数及介 电损耗随温度和频率变化的关系。所以系统中涉及到了介电常数、介电损耗和 温度、频率的测量。与电阻温度特性测试系统一样，该系统也是只需要实验操 作人员通过计算机对程序的操作就可以完成整个测试过程。测试系统结构框图 如图3 2 所示l 。 西安工业大学硕士学位论文 图3 2 介电材料介电温度特性测试系统 同样在该测试系统中也涉及到了温度的测量，由于都是采用的p e 一9 4 温 度控制器，所以本测试系统中的温度控制方式及与计算机的连接方式都与电阻 温度特性测试系统中相同。a l p h a k 系列高分辨率介电分析仪能够完成对材料 的介电常数及介电损耗的测量，与计算机的连接方式为i e e e - - 4 8 8g p i b 的并 口方式。由于介电材料的介电特性易受到外界环境的影响，因此测试过程中的 样品及测试台都是在真空环境中，以免受到外界的干扰。 3 3k e i t h l e y2 3 6 k e i t h l e y2 3 6 是k e i t h l e y 公司( 美国吉时利仪器公司) 的s o u r c e m e t e r 系列的2 3 6s o u r c em e a s u r eu n l t 。k e i t h l e y2 3 6 是2 3 6 ，2 3 7 陀3 8 源测量 单元系列中的一种。它的主要特点及优点有以下方面： 四表合一( 电压源，电压表，电流源，电流表1 ； 1 0 f a ，1 吮v 的测量分辨力； 1 1 0 0 v 电压源和测量能力( 仅2 3 7 ) ； 1 a 电流源和测量能力( 仅2 3 8 ) ； 标准和用户定义扫描模式( 支持脉冲方式) ； 每秒1 0 0 0 次输出测量操作； 四象限工作能力； 1 0 0 0 个读数内存； 2 3 6 ，2 3 7 和2 3 8 源测量单元( s m u ) 可以完全进行程控，能够同时输出和测 量电压或电流。这些设备真正实现电压源，电流源，电压表，电流表四种功能 合一。能够满足多种测试应用的需求，包括半导体器件特性分析，漏电流测量 以及绝缘阻抗测量等。在自动测试装置( a r e ) 中作为源测量设备非常实用。 2 3 6 输出电压从1 0 0 z v 到1 1 0 v ，电流从1 0 0 f a 到1 0 0 m a 。也能测量此范 西安工业大学硕士学位论文 围的电压或电流。2 3 7 提供了增强的电压源及电压测量的能力( 1 1 0 0 v ) ，在这个 高压量程，电流源和测量最大可达到1 0 m a 。2 3 8 提供了增强的电流源和测量能 力o a ) ，在这个大电流量程，电压源及电压测量最高可达1 5 v 。 2 3 6 ，2 3 7 和2 3 8 可以设置成扫描电压或电流的模式，扫描模式有三种，线 性，对数或脉冲。 2 3 6 ，2 3 7 和2 3 8 源端和测量端具有等电势保护线。可以使用4 线或2 线连 接方式。输出端可以浮地达2 0 0 v 。 k e i t h l e y2 3 6 作为源及测量工具时的基本原理如图3 3 、3 4 所示。 图3 3 电流源测量电压 o u 1 4 1 , 9 嘲i i i q1 4 i s m l o o m k o 图3 4 电压源测量电流 以下是仪器的前面板示意图： o 口m h i s 憾h l 8 m l o o u t m l o 1 电源2 模式切换3 测量4 警告5 激励源6 源模式 7 测量范丽8 积分时间9 强制模式1 0 滤波1 1 自动测量范围 1 2 设置波形参数1 3 波形参数修改1 4 波形参数添加 1 5 显示波形 1 6 产生波形1 7 参数手动调节1 8 旋钮 1 9 手动设置2 0 键区2 1 菜单 图3 5k e l t i i l e y2 3 6 前面板示意图 3 4p e 一9 4 温度控制器 该实验系统中整个对温度的测量部分除了控温的p e 9 4 温度控制器，还有 一个带有传感器的p e l 0 0 冷热台以及水循环装置。p e l 0 0 台是一个容易适用地 热电冷却台，载玻片温度控制精度“0 1 0 c ，范围_ 3 0 0 c 到+ 1 2 0 。c 。p e 9 4 温度 控制器技术指标如下所示： 样品区域：3 5x3 2 r a m ； 台体尺寸：1 3 0 x1 0 5 m m ； 加热，冷却速率；0 1t o2 0 。c r a i n ； 温度范围：2 5 。ct o1 2 0 。c ： 精度：+ - 0 1 。c ； 稳定性：+ - 0 1 。c ； 外形及使用说明： 热电冷却台上有p t l 0 0 温度传感器； d c 电源控制； 温度控制器上有r s 2 3 2 接口； 显示：每一点显示由1 6 段5 5 m m 高得l e d 在控制器面板上显示； 外形尺寸：3 1 0 x 2 3 0 x 8 0 ( d e e p ) m m ： 重量：2 4 4 k g ( 包括温控部分和同轴缆线) ： 环境温度：5 4 0 0 c 。 3 5 四探针 本实验中在进行介电材料的电阻率及方阻测量时用的是d n t - 2 型四探针探 头，探头通过b n c 电缆与提供电压、电流源的k e i t h l e y2 3 6 相连。探头的 技术指标如下： 探针间距：1 m m ； 探针钢材：高速钢： 探针压力：5 牛顿至8 牛顿( 总压力，此范围内可调) ： 探针机械游移率：小于0 3 ： 探针伸出长度：2 0 5 m m ； 偏差：小于2 ； 针尖绝缘电阻：大于5 0 0 m q 。 d n t - 2 型四探针探头采用环氧精密浇注，以保证精确的针距。它具有绝缘 性能好，测试数据可靠等特点。其所有技术指标符合国家表征，同时符合美国 a s t m 标准的有关规定。可用于测量一般半导体材料、导电薄膜等同类物质的 薄层电阻。 3 6a l p h a k 高分辨率介电分析仪 a l p h a k 高分辨率介电分析仪是德国n o v o c o n t r o l g m b h 公司的产品， 这家公司是一家专业的电介质频谱、阻抗谱、温度谱等电介质材料物理量测量 仪器的生产厂家。a l p h a k 高分辨率介电分析仪可用于测量材料的阻抗、复介 电常数及介电损耗，特别适于宽频范围内低损耗因子材料的测量。另外，还可 在增益相位模式下用作频率响应分析仪，相位关系测量精度高。 a l p h a - k 高分辨率介电分析仪由频率响应分析仪和介电( 或阻抗) 转换器两 部分组成。频率响应分析仪，包括一个正弦波发生器和直流偏置发生器以及两 个交流电压输入通道。每个输入通道用来测量所旌加正弦波的交流电压幅值。 另外，施加到两个通道的正弦波之间的相移也可以检测出来。更进一步，每个 通道可以测量施加到输入上的谐波的基波组成部分的幅值和相位角，测量频率 即为交流正弦波发生器的频率，大多数其他信号组成部分被抑制掉。此外，也 可以测量高次谐波。电介质( 阻抗) 转换仪，包括一个宽动态范围的电流电压 转换器和一系列精确的参考电容。 系统测量原理和框图如下： 耍室三些奎兰竺苎兰垡兰兰 一一一 图3 6m p h a k 介电分析仪测量原理图 图3 7 a l a h a - k 介电分析仪前面板框图 a l p h a k 系列高分辨率介电分析仪主要测量参数如下表3 1 所示： 频率范围： 3 l - l z 3 m h z 阻抗范围：0 0 1 0 h m 1 0 唧h m 电容范围：l 伊1 f 相位差精度： 2 1o _ 3 损耗精度： ( t a n )3 1 0 4 测量电压：0 3 v n n s 1 0 0 m a 直流偏压_ + 4 0 v f l 0 0 m a 表3 1a l p h a - k 系列高分辨率介电分析仪测量参数 4 测试系统软件设计 前面几章已经介绍了介电材料电阻温度特性以及介电温度特性的原理和系 统构成，并且我们也了解了系统中仪器的工作原理，现在就要在此基础上编写 可控制的软件程序来实现对仪器的操作。为了使测量更加方便，编写了基于虚 拟仪器技术的控制软件，来完成仪器参数的设置、样品的测试以及实验数据的 记录、分析。采用计算机软件控制不仅能够使我们同时实现对多个仪器的操作， 而且对仪器驱动信号的发出、数据的记录都变成自动化，提高了测量的效率。 控制软件的主要功能有：第一，测试仪器参数和状态的设置；第二，样品 的测试控制和数据处理。 4 1 控制软件的总体设计 4 1 1 编程软件的选择 1 虚拟仪器概述 对于科学和工程领域的开发环境，注重软件的用户界面、软硬件的交互性 能和广泛的硬件支持。介电材料电阻温度特性和介电温度特性测控系统，包括 精密的电子仪器，而这些仪器各自包含着复杂的通讯指令，这在一定程度上加 大了控制软件编写的工作量和难度。虚拟仪器技术使用成熟的计算机技术，配 合灵活的编程工具和各种测试仪器、数据采集单元等硬件，建立基于计算机的 仪器解决方案。所谓虚拟仪器，是以计算机为基础，配以相应测试功能的硬件 作为信号输入输出的接口，完成信号的采集、测量与调理，从而完成各种测试 功能的一种计算机化仪器系统。利用虚拟仪器软件开发平台f 如l a b v i e w ， l a b w i n d o w s c v i ) ，在计算机的屏幕上形象地模拟各种仪器的面板泡括显示器、 指示灯、旋钮、开关、按键等) 以及相应的功能。人们通过鼠标或键盘操作虚拟 仪器面板上的旋钮、开关和按键，进行仪器功能选用，设置工作参数，启动或 停止仪器的工作等。在计算机控制下，通过调用不同功能软件，对输入信号进 行采集与控制，完成各种各样的信号分析、处理，实现各种测试功能f 矧。 由于虚拟仪器是一种基于计算机的测试技术，可以充分利用计算机丰富的 软、硬件资源和强大的图形环境及其在线帮助功能，大大突破了传统仪器在数 据处理、表达、存储等方面的限制，达到了传统仪器无法比拟的效果。 3 1 西安工业大学硕士学位论文 任何一台仪器或系统可概括为由三大功能模块组成：信号的采集、数据的 处理、结果的输出与表达。虚拟仪器也不例外，它也是按照“信号的调理与采 集( a d c ) ，数据的分析与处理( d s p ) ，结果的输出a c ) 及显示”的结构模式来 建立通用仪器硬件平台的，在这个通用仪器硬件平台上，调用不同的测量软件 就构成了不同功能的仪器。因此，虚拟仪器系统是由计算机、仪器硬件和应用 软件三大要素构成的，计算机与仪器硬件又称为( 虚拟仪器) 的通用仪器硬件 平台。 2 虚拟仪器的构成 虚拟仪器由通用仪器硬件平台和应用软件两大部分构成i 矧。 1 1 虚拟仪器的硬件系统组成 虚拟仪器是基于计算机的测量设备，其硬件由计算机及y o 接口设备组成。 i 0 接口设备主要完成输入信号的采集、放大、模数转换及数模转换和信号输 出控制等。不同的总线有其相应的f o 接口硬件设备。按总线分类，虚拟仪器 系统主要有以下几种构成方式。 ( 1 ) p c d a q 系统。p c d a q 系统是以数据采集板、信号调理电路及计算 机为仪器硬件平台组成的插卡式虚拟仪器系统。这种系统采用计算机 本身的总线，将数据采集卡( d a q 板糯入计算机的空槽中即可。 ( 2 ) g p i b 系统。( 3 ) 串口系统。( 4 ) v 系统。( 5 ) p x i 系统。 以上四种系统都是以各种不同的标准总线仪器与计算机为硬件平台组成的 虚拟仪器测试系统。本实验过程中用到的k e i t h l e y2 3 6 、a l p h a k 系列高分 辨率介电分析仪是以g p i bi e e e 4 8 8 的总线形式与计算机相连，p e 9 4 温度控 制器以r s 一2 3 2 总线形式与计算机相连。 2 1 虚拟仪器的软件 开发虚拟仪器必须选用合适的软件开发平台，目前的虚拟仪器软件开发平 台有如下两类： 基于文本式编程语言开发工具：如v c + + ，v b ，c + + b u i l d ，l a b w i n d o w s c v l 及d e l p h i 等。 基于图形化编程语言开发工具：如l a b v m w f n i 公司) ，h pv e e ( h p 公司) 。 3 l 丑b v w 简介 l a b v i e w ( l a b o r a t o r yv i r t u a li n s t r u m e n te n g i n e e r i n gw o r k b e n c h ，实验室虚拟 仪器工程平台) 是美国n l 公司( n a t i o n a li n s t r u m e n tc o m p a n y ) 推出的一种基于g 语言( g r a p h i c sl a n g u a g e ，图形化编程语言) 的虚拟仪器软件开发工具。 l a b v i e w 软件工具的特点可归纳如下： ( 1 ) l a b v m w 是基于图形化的软件编程平台，是应用于测控领域的专用 西安工业大学硕士学位论文 软件开发工具。 ( 2 ) 采用图形化( 数据流图式的语言) 的编程语言，交互式编程环境，不仅人 机界面使用“所见即所得”的可视化技术建立，而且程序代码也是图 形化的代码，使编程过程更加接近人的思维，设计者无需写任何文本 格式的代码，是真正的工程师的语言。 ) 采用数据流编程模式，是能够同时运行多个程序的多任务系统。 ( 4 ) 提供了丰富的用于数据采集、分析、表达及数据存储的函数库。 ( 5 ) 提供传统的程序调试手段，如设置断点、单步运行，同时提供有独具 特色的高亮执行和探针工具，使程序动画式执行，利于设计者观察程 序运行的细节，使程序的调试和开发更为便捷。 ( 6 ) 具有强大的外部接口能力，可以实现l a b v i e w 与外部的应用软件( 如 w o r d ，e x c e l 等1 、c 语言、w i n d o w sa p i 、m a t i _ a b 等编程语言之间 的通信。 ( 7 ) 强大的i n t e m e t 功能，内置了便于应用t c p i p ，d d e ，a c t i v ex 等软件 标准的库函数。支持常用网络协议，方便网络、远程测控仪器的开发。 侣) l a b v i e w 支持多种操作系统平台，在任何一个平台上开发的 l a b v i e w 应用程序可直接移植到其他平台上。 l a b v i e w 增强了用户构建自己系统的能力，为用户提供了实现仪器编程与 数据采集系统的便捷途径。 4 1 2 软件设计目标分析 首先，明确测试的过程及测试的对象。 介电材料电阻温度特性测试系统及介电温度特性测试系统的测试原理示意 图分别如图3 1 、3 2 所示，所以实验中软件也分为电阻温度测试和介电温度 测试两大部分。以电阻温度特性测试为例，k e l t h l e y2 3 6 和p e - 9 4 温度控制 器以不同的总线形式与计算机相连，当仪器启动后，首先确定仪器与计算机之 间能够进行通讯，对需要校准的仪器进行校准，然后参数设置。k e r r h l e y2 3 6 提供的电流源或电压源信号加到作用于测试样品表面的四探针上，就能够测出 相应的电压或电流值；根据原理中介绍的公式就能够得出材料的方阻、电阻率 及某一温度下的电阻温度系数；调节测试温度进行多次测量，这样就能够得出 不同温度下方阻、电阻率、电阻温度系数随温度的变化关系；最后，对测试的 结果记录、保存、曲线显示。介电温度特性测试系统将在后面的章节中详细介 绍。 基于对测试系统过程以及测试对象的分析，测控软件要完成以下目标1 4 9 】： ( 1 ) 能够同时控制以不同总线形式与计算机连接仪器的运行； 两安工业大学硕+ 学位论文 ( 2 1 提供友好的界面，方便用户设置与测量有关的参数； 邝1 适时监控检测仪器的工作，根据当前测试数据调整相关参数的设置； f 4 ) 测试数据及相关参数存入m i c r o s o f te x c e l ，增强数据在读取、分析和进 一步数据处理方面的能力； ( 5 ) 测试数据和曲线实时显示。 4 2 电阻温度特性测试软件 4 2 1 软件层次的分析 通过对测控软件完成目标的分析，在测试中，程序包含以下几个层次：仪 器与计算机之间的连接，参数的设定、修改，测量数据的采集，数据的处理及 显示。此程序中包含了初始化、校准、测量和数据处理四大模块，其中在测量 模块中还含有参数设置部分。 4 2 2 主程序流程 介电材料电阻温度特性测试系统的软件主界面如图4 1 所示，主程序流程图 如图4 2 所示。 剖4 1 介电材料电阻温度特性测试系统主界面 测控系统软件的主界面上有五个按钮，当程序运行时，通过鼠标点击不同 的按钮，程序就会调用相应的软件模块。例如：当点击“初始化”按钮时，程 序就会弹出初始化的界面，来让操作者执行下一步指令；当每一个过程执行完 后，还可以返回到主界面，再执行另一个指令；点击“退出程序”，程序就会退 出l a b v i e w 的运行状杰。 开始启动设备 石菇在： 堕+ l 调用初始化模块 y 萄萨 l r 面蕊 n y 氧量r 、= ! 叫 调用测量模块 y 塑竺要至 r n 叫! ! 兰兰竺翌竺竺 y l 龟 止l 结束) 图4 2 电阻温度特性测试系统主程序流程图 下面简要介绍一下仪器的初始化和校准。本实验中k e i t h l e y2 3 6 是通过 g p i b 的总线形式与计算机相连，初始化通过主程序面板上的按钮来实现，程序 面板如图4 3 所示，在v i s a r e s o u r c e n a m e 端口输入仪器的g p i b 地址，点击“o k 确认仪器是否与计算机处于连接状态，并且要保证在测试过程中仪器与计算机 之间通讯的持续性。而p e 9 4 温度控制器与计算机之间是以r s 。2 3 2 的串口总线 形式相连，它与计算机之间的通讯将在测量过程中一并实现。 图4 3k e r r h l e y2 3 6 的初始化程序界面 k e i t h l e y2 3 6 是一个能够同时输出和测量电流、电压的高精度测量仪器， 所以我们在测量时，要对仪器的输出源和测量范围进行校准。程序前面板如图 4 4 所示。 西安工业大学硕士学位论文 4 2 3 测量程序流程 图4 4k e i t h l e y2 3 6 校准程序界面 根据此测试系统的具体情况，为了使测试的过程更加方便、快捷，该软件 把参数设置部分和测量部分都放到了测量模块里。这样，有利于数据的采集。 测量程序模块的前面板如图4 5 所示。 图4 5 电阻温度特性测试系统测量程序界面 通过测量程序的前面板可以看出，p e 。9 4 的温控部分和髓删l e y2 3 6 的 信号源输出及测量部分都将由软件一同控制。现将程序面板上控件实现的功能 介绍如下： 1 ) t e m p c o n t r o l ( 温度控制部分1 面板上的温度显示部分是利用l a b v i e w 的a c t i v e x 控件容器调用的p e 一9 4 温度控制器提供的a c t i v e x 控件，从而使程序前面板功能更加丰富，界面 更加友好，也节省了程序开发的时间。 控温参数设置： r a t e r a i n升温速率： l i m i t温度上限； h o l dm i n s温度保持时间； 2 1s o u r c em e a s u r e ( ；测量方式选择) v 1选择电压源，测量电流； i v选择电流源，测量电压； 3 ) f u n c t i o n ( 信号源选择) d c直流源： s w e e p 扫描波形； 4 ) c u r r e n ts o u r c er a n g e ( 直流电流源设置) k e i t h l e y2 3 6 的电流源设置从l n a 到1 0 0 m a 每一个数量级都设有 一个输出范围，总共有9 档，能够实现对电流的精密测量，调节大小时 可以通过旋钮或者是旋钮下面的数字输入框输入。 5 ) v o l t a g es o u r c er a n g e ( 直流电压源设置) 输出方式与电流源设置一样，输出范围从1 1 v 到1 1 0 v 总共有3 档； 6 ) c o m p l i a n c e ( 测量范围设置) 这里输入的是测量范围的上限，对仪器起到保护作用。当采用电压源测 量电流模式时，输入测量电流的上限；当采用电流源测量电压模式时， 输入测量电压的上限。 7 1 扫描电源波形参数设置 k e i t h l e y2 3 6 提供了6 种扫描电源波形，分别为：f i x e dl e v e ls w e e p ， l i n e a rs t a i rs w e e p ，l o g a r i t h m i cs t a ks w e e p ，p u l s es w e e p ，l i n e a rs t a i r p u l s es w e e p , l o g a r i t h m i cs t a i rp u l s es w e e p ； 参数设置：l e v e l幅值； r a n g e 输出范围： d e l a y 波形延迟时间f o 6 5 0 0 0 m s e c ) ： c o u n t 一个测量循环的扫描点数( 1 1 0 0 0 ) ； 8 ) d e f a u l td e l a y ( 扫描波形的默认延时设置) 9 ) f i l t e r ( 选择是否对扫描波形进行滤波) 可以在滤波设置时选择是否对波形进行滤波，滤波的方式有五种：2 r e a d i n g s ，4r e a d i n g s ，8r e a d i n g s ，1 6r e a d i n g s ，3 2r e a d i n g s ； l o ) o u t p u ts e n s e ( 扫描波形输出方式) 扫描波形的输出方式有两种：l o c a ls e n s e ，r e m o t es e n s e ； 1 1 ) i n t e g r a t i o nt i m e ( 扫描波形的积分时间设置1 选择不同的扫描方式，对应不同的扫描时间： 西安工业大学硕士学位论文 i i a s tp e r i o d 4 1 6 u s e c ； m e d n j mp e r i o d 4 m s e c ： l 玳ec y c l ep e r i o d6 0 h z1 6 6 6 7 m s e c ： l i n ec y c l ep e r i o d5 0 h z 2 0 m s e c ； 1 2 ) t r i g g e rc o n f i g u a t i o n ( 扫描波形的触发方式1 因为扫描波形是以每个周期的形式连续输出的，此项设置就是要完成在 测量时波形触发时的位置； 1 3 ) t e m p e r a t u r e ，s o u r c e ，m e a s u r e 显示当前的测量温度，输出电源大小和测量值大小。 1 4 ) e l t o ro u t ( 显示测量过程中的错误1 。 测量程序模块的软件流程图如下图4 6 所示。 图4 6 测量程序模块软件框图 两安工业大学硕十学位论文 4 2 4 数据处理 数据处理程序模块主要实现了对测试数据的提取，算法的实现，测试结果 的显示、保存和查看测试记录等几个方面的功能。现在将简要介绍一下算法的 实现和测试结果的存取。 1 算法的实现 前面通过测量程序模块所得出的是电压值、电流值和温度值，而它们都是 与本实验中要测量的方阻、电阻率和电阻温度系数有关的量。通过主程序前面 板进入到数据处理程序模块后，利用l a b v i e w 中的全局变量的功能可以把测量 模块中的测试数据提取到数据处理模块中来，然后根据所测对象与电流、电压 以及温度之间的关系，利用公式节点( f o r m u l an o d e ) 就能够计算出所需要的结 果。公式节点是l a b v i e w 中对于一些复杂算法运算起来比较方便的一个图形代 码，只需把计算公式写入公式节点中，定义输入对象和输出对象，就能够实现 其算法。大大简化了编译的过程。此测试系统的实验算法如图4 7 所示。 图4 7 电l 驵温度特性测试系统试验算法 2 测试结果的显示、存取 实验中所计算出的方阻、电阻率和温度值将通过l a b v i e w 中的文件存储功 能以数组的形式保存到文本文件中，文件的格式一般为e x c e l 或t x t 格式。材料 的电阻温度系数是一个与电阻变化和温度变化有关的量，所以再将保存的温度 值和电阻值提取出来通过公式计算得出电阻温度系数，然后以数组的形式存到 一个新的文件中。对于测试结果的显示，我们要得到材料的电阻率、方阻、电 阻温度系数随温度的变化关系，所以可以把温度值作为x 轴，以上三个变量分 别作为y 轴，以l a b v i e w 中x yg r a p h 的图表形式输出显示。 数据处理程序模块的前面板如图4 8 所示。 西安工业大学硕士学位论文 图4 8 电阻温度特性测试系统数据处理界面 数据处理程序模块主要包括数据输入、数据显示、数据存储、材料类型选 择和查看测试记录等五个方面的功能，其控件功能介绍如下： 1 ) 数据输入 温度文件名( 存储所有的温度值) ，方阻值文件名，参考温度文件名( 存储 参考温度值，一般为室温) ，参考电阻值文件名( 存储参考温度下所测得 的