压电陶瓷压电系数测量的一种实验改进方法

秦丽霞，段益峰，于建勇

(中国矿业大学，江苏 徐州　221116)



压电陶瓷压电系数测量的一种实验改进方法

秦丽霞，段益峰，于建勇

(中国矿业大学，江苏 徐州221116)

针对压电陶瓷的压电系数实验测量中仪器调节的困难，通过放置一个三面箱体辅助仪器来改善对光路的调节，同时在给压电陶瓷施加电压的电路中接入电压报警器，有效控制施加在压电陶瓷上的电压大小，以此避免压电陶瓷的疲劳受损乃至被烧坏。

压电陶瓷；压电效应；迈克尔逊干涉仪；压电系数

压电陶瓷作为一种新型精密驱动器，具有体积小、重量轻、精度和分辨率高、频响高、力电耦合效应显著等优点，已在光学、电子、航天航空、机械制造、生物工程、机器人等技术领域得到了广泛应用，压电陶瓷的压电特性也日益受到关注[1-6]。迈克尔孙干涉仪常被用来测量光的波长、材料的折射率等。以迈克耳孙干涉仪为基础，以激光为光源，通过获得的干涉光强分布图样展开对压电陶瓷压电特性的研究，测量压电陶瓷微小位移与所加电压的关系[7-8]。本文通过放置一个三面箱体辅助仪器来改善光路调节的困难，同时在电路中加入电压报警器来限定施加在压电陶瓷上的最大电压，有效防止仪器受损。

1　测量原理

压电晶体产生位移是基于压电陶瓷的逆向压电效应的机理,压电陶瓷片在电场的作用下产生形变。为获得较大位移,和提高灵敏度,采用叠层式结构、电路并联和机械串联形式构成叠式压电陶瓷堆。在极化方向上施加电场,压电陶瓷位移公式为:

ΔL=nΔl=nαV

(1)

ΔL 为压电陶瓷堆总伸长量，Δl为单片伸长量，n为压电陶瓷片数目，α为压电常数，V为施加在压电陶瓷上的电压。由公式(1)可以看出,压电位移随施加的电压在精度范围内作线性变化。

图1　迈克尔逊干涉仪光路图

δ=2d=kλ

(2)

若d改变Δd，相应冒出(或缩入)的条纹数为ΔN，则有

(3)

将压电陶瓷与干涉仪的一个臂上的镜子粘在一起,压电陶瓷为干涉仪动镜的驱动器件,干涉仪的动镜随压电陶瓷一起移动。当给压电陶瓷施加电压时,压电陶瓷发生位移，引起与其相连接的反射镜发生移动，进而改变了迈克耳孙干涉仪中两光路的光程差，从而使得干涉条纹发生变化，即当压电陶瓷位移变化λ/2时，干涉条纹圆心便会冒出(或缩入)一个条纹。通过测量干涉条纹圆心冒出(或缩入)条纹的数目，即可计算压电陶瓷的形变大小ΔL，进而求得压电陶瓷的压电系数α.

2　实验改进

(1)实验过程中要求调整激光光束，使其依次通过扩束器、分光板、补偿板照到平面镜，经由平面镜反射后到接收屏，这一光路的调整对初学者比较困难，主要是平面镜面积小，光斑难以捕捉到。本文通过在透射光路的反射镜后放置一个三面箱体，将光斑投影在箱体内壁上，进而可以有针对性地调节光斑的位移，将其调节到透射光路的反射镜面上，达到调节目的。

(2)实验所用的压电陶瓷驱动器所能承受的最大电压为150 V，如果施加在压电陶瓷上的电压过高，或者长时间在偏高压下工作，压电陶瓷容易疲劳受损甚至被烧坏。本文在电路中接入电压报警器，一旦电压超过设定上限，报警器就会提醒电压已超过测量范围，有效解决电压过高的问题。

3　结　　论

利用三面箱体可以对光路调整进行有效指导，使光路调节更为方便快捷。通过安装电压报警装置，有效控制电压大小，使压电陶瓷两端电压不会超过其所能承受的最大电压，有效保护压电陶瓷，使其损坏可能性大大降低。

[1]宋道仁,肖鸣山.压电效应及其应用[M].北京科学普及出版社，1987.

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[5]代伟，李骏.对压电陶瓷极化特性的研究[J].大学物理实验，2009(4):4-8.

[6]李维娜.AFM关于压电陶瓷非线性效应的图像校正[J].大学物理实验，2007(3)：1-7.

[7]吴新民,陈进榜,朱日宏.用干涉法测量压电陶瓷的动态频率响应特性[J].红外与激光工程,2002(31):257-260.

[8]潘在友，刘惠兰，冯丽爽.基于光杠杆原理测量压电陶瓷压电特性的方法[J].红外与激光工程,2008(37):196-199.

Improvement of the Measurement of Piezoelectric Coefficient in Piezoelectric Ceramic Experiment

QIN Li-xia,DUAN Yi-feng,YU Jian-yong

(China University of Mining and Technology,Jiangsu Xuzhou 221116)

To solve the difficult of adjustment in the piezoelectric coefficient measurement of piezoelectric ceramics,we placed a box with three surfaces as the auxiliary instrument.This box has a very good guidance function to adjust the light path.A voltage alarm was applied in the piezoelectric ceramic voltage circuit to control the voltage on the piezoelectric ceramic,which can avoid the damage of piezoelectric ceramics effectively.

piezoelectric ceramics；piezoelectric effect；Michelson interferometer；piezoelectric coefficient

2016-03-24

中国矿业大学公共基础课教改项目(2015JC04)

1007-2934(2016)04-0012-02

O 4-33

A

10.14139/j.cnki.cn22-1228.2016.004.004