壓電陶瓷振動的干涉測量試驗報告

1、一、實驗目壓電陶瓷振動的干涉測量實驗報告的與實驗儀一器1. 實驗目的（1）了解壓電陶瓷的性能參數；？（2）了解電容測微儀的工作原理，掌握電容測微儀的標定方法；?（ 3）、掌握壓電陶瓷微位移測量方法。2. 實驗儀器壓電陶瓷材料（一端裝有激光反射鏡，可在邁克爾遜干涉儀中充當反射 鏡）、光學防震平臺、半導體激光器、雙蹤示波器、分束鏡、反射鏡、二維 可調擴束鏡、白屏、驅動電源、光電探頭、信號線等。二、實驗原理1. 壓電效應壓電陶瓷是一種多晶體，它的壓電性可由晶體的壓電性來解釋。晶體在 機械力作用下，總的電偶極矩（極化）發(fā)生變化，從而呈現壓電現象，因此 壓電陶瓷的壓電性與極化、形變等有密切關系。1）正壓

2、電效應：壓電晶體在外力作用下發(fā)生形變時，正、負電荷中心發(fā)生相對位移，在某些相對應的面上產生異號電荷，出現極化強度。對于各向異 性晶體，對晶體施加應力時，晶體將在 X，Y, Z三個方向出現與應力成正 比的極化強度，即:E = g T （g為壓電應力常數），2）逆壓電效應：當給壓電晶體施加一電場 E時，不僅產生了極化，同時還 產生形變，這種由電場產生形變的現象稱為逆壓電效應，又稱電致伸縮效 應。這是由于晶體受電場作用時，在晶體內部產生了應力（壓電應力） ，通 過應力作用產生壓電應變。存在如下關系：S = d U （d為壓電應變常數） 對于正和逆壓電效應來講， g 和 d 在數值上是相同的。2. 邁

3、克耳遜干涉儀的應用 邁克耳遜干涉儀可以測量微小長度。上圖是邁克耳遜干涉儀的原理圖。分光鏡的第二表面上涂有半透射膜，能將入射光分成兩束，一束透射，一束 反射。分光鏡與光束中心線成 45 °傾斜角。 M1 和 M2 為互相垂直并與分束 鏡都成 45 °角的平面反射鏡，其中反射鏡 M1 后附有壓電陶瓷材料。由激光器發(fā)出的光經分光鏡后，光束被分成兩路，反射光射向反射鏡M1（附壓電陶瓷），透射光射向測量鏡 M2 （固定），兩路光分別經Mi、M反射 后，分別經分光鏡反射和透射后又會合， 經擴束鏡到達白屏， 產生干涉條紋。 M1 和 M2 與分光鏡中心的距離差決定兩束光的光程差。 因而通

4、過給壓電陶瓷 加電壓使 M1 隨之振動，干涉條紋就發(fā)生變化。由于干涉條紋變化一級，相 當于測量鏡Mi移動了入/2,所以通過測出條紋的變化數就可計算出壓電陶 瓷的伸縮量。三、實驗步驟1）將驅動電源分別與光探頭，壓電陶瓷附件和示波器相連，其中壓電陶瓷 附件接驅動電壓插口，光電探頭接光探頭插口，驅動電壓波形和光探頭 波形插口分別接入示波器 CHi 和 CH2；2）在光學實驗平臺上搭制邁克爾遜干涉光路，使入射激光和分光鏡成 45度，反射鏡M1和M2與光垂直，M1和M2與分光鏡距離基本相等;3) 打開激光器，手持小孔屏觀察各光路，適當調整各元件位置和角度，保 證經分光鏡各透射和反射光路的激光點不射在分光

5、鏡邊緣上。4) 遮住M1，用小孔屏觀察擴束鏡前有一光點，再遮住M2分辨另一光點，分別調整M1和M2的傾角螺絲直至兩光點重合，并調整擴束鏡位置使其 與光點同軸，觀察白屏上出現干涉條紋，再反復調整各元件，最好能達 到擴束光斑中有 2 到 3 條干涉條紋。5) 打開驅動電源開關，將驅動電源面板上的波形開關撥至左邊“”直流 狀態(tài)，旋轉電源電壓旋鈕， 可發(fā)現條紋隨之移動； 每移動一條干涉條紋， 代表壓電陶瓷伸縮位移變化了半個波長，即 650/2nm=325nm用筆在白屏 上做一參考點。將直流電壓降到最低并記錄，平靜一段時間，等條紋穩(wěn) 定后，緩慢增加電壓，觀察條紋移動，條紋每移過參考點一條，就記錄 下相應

6、的電壓值；測到電壓接近最高值時，再測量反方向降壓過程條紋 反方向移動對應的電壓變化數據。由所測數據做出電壓 -位移關系圖，并 求出壓電常數。6) 取下白屏， 換上光電探頭， 打開示波器。將示波器至于雙蹤顯示， CH1 觸 發(fā)狀態(tài)。將驅動電源波形撥至右側“ m三角波，CH1觀察到驅動三角波 電信號， CH2 觀察到一系列類似正弦波的波形代表干涉條紋經光電探頭 轉換的信號，條紋移動的級數多少反映壓電陶瓷伸縮長度的大小，即在 三角波一個周期內正弦信號周期的數量反映壓電陶瓷的振幅。將驅動幅 度調到最大，光放大旋鈕調到最大，改變驅動頻率，記錄隨驅動三角波 頻率(周期)變化的正弦信號周期數量， 體會壓電陶

7、瓷的頻率響應特性。四、數據處理1.位移-電壓特性曲線的繪制和平均壓電常數的計算位移/nm032565097513001625U升/V455101142180216U降/V43274114158206由位移-正向電壓特性曲線斜率可知，壓電常數di = 7.67 (nm/V)由位移-反向電壓特性曲線斜率可知，壓電常數d2 = 7.92( nm/V)則壓電常數 d = (di+d2)/2 = (7.67+7.92)/2 = 7.80(nm/V)2. 振幅、周期、速度的計算我們選取某一特定周期下的圖象來計算振幅、周期和速度1) 振幅從右圖可以看出，在三角波的一個周期內，總共有10個周期的正弦波。由于一

8、個正弦波代表壓電陶瓷移動的距離為入/2.貝卩：振幅 A = 325Onm2) 周期振動與加在它兩端的電壓呈正比，則振動的周期即為CH1的周期,周期T = 996.0卩s3) 速度振動的速度為半個波長除以時間，這個時間是CH2的周期，即：v = = - f = 325X 10-9m x 92.4285Hz 3.00 x 10-5 (m/s)3. 改變驅動電壓頻率來觀察波形特性的變化CH1周期/卩sCH1頻率/ HzCH2周期/msCH2頻率/ Hz9961004.010.8292.48161225.48.55116.92683731.35.60178.42404166.65.12195.0由表可

9、知，當CH1驅動頻率變大時，CH2波形的頻率不斷增大。也就是說速 度不斷增大，周期不斷減小。五、分析討論(提示：分析討論不少于 400 字)1. 邁克爾遜 ?涉裝置以及壓電陶瓷裝置可以測得壓電陶瓷的壓電常數，從實驗數據得出誤差的主要原因有： 光程差沒有控制得 ?分精確，導致 ?涉條紋觀察困難，調整電壓時難以觀察 與暗條紋重合，使得測量電壓出現較大誤差； 邁克爾遜干涉儀光路搭建存在誤差，使得射 ？光電探頭的光路不？分穩(wěn)定， 讓振動的波存在誤差，難以清晰地數出 ?個周期內峰值的數量，從 ?造成計算 結果的誤差； 反射鏡沒有完全垂直造成誤差。 在實驗中發(fā)現在白屏上出現的是等厚干涉 條紋，此時的 光程

10、差公式與等傾干涉不太一樣，這將對我們的計算過程產生較大影響。2. 關于正逆壓電效應中壓電常數，課本上沒有對其大小和關系作出說明， 我通過查閱資料發(fā)現：正壓電效應實質上是機械能轉化為電能的過程。當在 壓電材料表面施加電場，因電場作用時電偶極矩會被拉長，壓電材料為抵抗 變化，會沿電場方向伸長， 這種通過電場作用而產生機械形變的過程稱為 “逆 壓電效應”。逆壓電效應實質上是電能轉化為機械能的過程。如果外界電場 較強，那么壓晶體管還會出現電致伸縮效應( electrostricTIon effect )， 即材料應變與外加電場強度的平方成正比的現象?？梢宰C明，正壓電效應和 逆壓電效應中的系數是相等的， 且具有正壓電效應的材料必然具有逆壓電效應。六、實驗結論1. 使?波器觀察壓電陶瓷振動的幅度和頻率，只改變頻率的時候，每個三 波周期內的振動 ?涉的峰數不發(fā)