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具有压电效应的材料叫压电材料,可将电能转换成机械能,也能将机械能转换成电能, 它包括压电单晶、压电陶瓷、压电薄膜和压电高分子材料等。压电陶瓷制造工艺简单,成本 低,而且具有较高的力学性能和稳定的压电性能,是当前市场上最主要的压电材料,可实现 能量转换、传感、驱动、频率控制等功能。由压电陶瓷制成的各种压电振子、压电电声器件、 压电超声换能器、压电点火器、压电马达、压电变压器、压电传感器等在信息、激光、导航 和生物等高技术领域得到了非常广泛的应用。本实验通过迈克尔逊干涉方法测量压电陶瓷的 压电常数及其振动的频率响应特性。【实验目的】1了解压电材料的压电特性;2掌握用迈克尔逊干涉方法测量微小位移。3. 测量压电陶瓷的压电常数。4. 观察研究压电陶瓷的振动的频率响应特性。【实验原理】1. 压电效应压电陶瓷是一种多晶体,它的压电性可由晶体的压电性来解释。晶体在机械力作用下, 总的电偶极矩(极化)发生变化,从而呈现压电现象,因此压电陶瓷的压电性与极化、形变 等有密切关系。(1) 正压电效应 压电晶体在外力作用下发生形变时,正、负电荷中心发生相对位移,在某些相对应的面 上产生异号电荷,出现极化强度。对于各向异性晶体,对晶体施加应力T时,晶体将在X,TjY,Z三个方向出现与j成正比的极化强度,即:P = d T,式中d称为压电陶瓷的 m mj jmj压电应力常数。(2)逆压电效应当给压电晶体施加一电场E时,不仅产生了极化,同时还产生形变S,这种由电场产 生形变的现象称为逆压电效应,又称电致伸缩效应。这是由于晶体受电场作用时,在晶体内 部产生了应力(压电应力),通过应力作用产生压电应变。存在如下关系S二d E,式中di ni n ni 称为压电应变常数,对于正和逆压电效应来讲,d在数值上是相同的。压电晶体的压电形 变有厚度变形型、长度变形型、厚度切变型等基本形式。当对压电晶体施加交变电场时,晶 体将随之在某个方向发生机械振动。在不同频率区间压电陶瓷阻抗性质(阻性、感性、容性, 不同,对某一特定形状的压电陶瓷元件,在某一频率处(谐振频率,呈现出阻抗最小值, 当外电场频率等于谐振频率时,陶瓷片产生机械谐振,振幅最大;而在另一频率处(反谐振 频率,呈现出阻抗最大值。2. 迈克耳逊干涉仪迈克耳逊干涉仪可以测量微小长度。图 1 是迈克耳逊干涉仪的原理图。光源部分包括半图 1 迈克耳逊干涉仪 导体激光器和二维调节架。玻璃板 G 的第二表面上涂有半透射膜,能将入射光分成两束,一 束透射,一束反射,故称为分光镜。分光镜G与光束中心线成45倾斜角。Ml和M2为互相 垂直并与G都成45角的平面反射镜,其中反射镜Ml后附有压电陶瓷材料。由激光器发出 的光经分光镜G后,光束被分成两路,反射光射向反射镜Ml (附压电陶瓷),透射光射向测 量镜M2 (固定),两路光分别经Ml、M2反射后,分别经分光镜反射和透射后又会合,经扩 束镜到达白屏P,产生干涉条纹。Ml和M2与分光镜中心的距离差决定两束光的光程差。因 而通过给压电陶瓷加电压使 Ml 随之振动,干涉条纹就发生变化。由于干涉条纹变化一级, 相当于测量镜 Ml 移动了入/2,所以通过测出条纹的变化数就可计算出压电陶瓷的伸缩量。 【实验仪器】光学平台、半导体激光器(波长650nm)、分束镜、反射镜、压电陶瓷附件、扩束镜、 白屏、驱动电源(lO250V)、光电探头。本实验中采用的压电陶瓷为管状,在内外壁上分别镀有电极,以施加电压,在陶瓷管的 一端装有激光反射镜,可在迈克耳逊干涉仪中作反射镜使用。【实验内容】1将驱动电源分别与光探头,压电陶瓷附件和示波器相连,其中压电陶瓷附件接驱动 电压插口,光电探头接光探头插口,驱动电压波形和光探头波形插口分别接入示波器 CHl 和 CH2。2. 在光学实验平台上搭制迈克尔逊干涉光路,使入射激光和分光镜成 45 度,反射镜 Ml 和 M2 与光垂直, Ml 和 M2 与分光镜距离基本相等。3. 打开激光器,手持小孔屏观察各光路,适当调整各元件位置和角度,保证经分光镜各 透射和反射光路的激光点不射在分光镜边缘上。4遮住Ml,用小孔屏观察扩束镜前有一光点,再遮住M2分辨另一光点,分别调整Ml 和 M2 的倾角螺丝直至两光点重合,并调整扩束镜位置使其与光点同轴,观察白屏上出现干 涉条纹,再反复调整各元件,最好能达到扩束光斑中有 2 到3 条干涉条纹。 5. 打开驱动 电源开关,将驱动电源面板上的波形开关拨至左边“”直流状态,旋转电源电压旋钮,可 发现条纹随之移动;每移动一条干涉条纹,代表压电陶瓷伸缩位移变化了半个波长,即 650/2nm=325nm 用笔在白屏上做一参考点。将直流电压降到最低并记录,平静一段时间,等 条纹稳定后,缓慢增加电压,观察条纹移动,条纹每移过参考点一条,就记录下相应的电压 值;测到电压接近最高值时,再测量反方向降压过程条纹反方向移动对应的电压变化数据。由所测数据做出电压-位移关系图,并求出压电常数。6.取下白屏,换上光电探头,打开示波器。将示波器至于双踪显示,CH1触发状态。 将驱动电源波形拨至右侧“m”三角波,CH1观察到驱动三角波电信号,CH2观察到一系列类 似正弦波的波形代表干涉条纹经光电探头转换的信号,条纹移动的级数多少反映压电陶瓷伸 缩长度的大小,即在三角波一个周期内正弦信号周期的数量反映压电陶瓷的振幅。将驱动幅 度调到最大,光放大旋钮调到最大,改变驱动频率,记录随驱动三角波频率(周期)变化的 正弦信号周期数量,体会压电陶瓷的频率响应特性。表 1 压电常数测量U up(V)Udn(V)U (V)表 2 频率特性测量三角波周期(ms)234567891011条纹级数【注意事项】1 实验中不得用眼直视激光束,以免损坏眼睛2各光学玻璃镜要轻拿轻放,不要碰到表面。思考题】1. 压电陶瓷伸缩量大小与条纹移动级数有何关系?2. 从实验结果分析压电陶瓷在不同频率驱动电压下振幅是否相同?
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