利用迈克尔逊干涉仪浊压电陶瓷.doc

重庆交通大学第四届物理综合设计与科技创新竞赛论文　 利用迈克尔逊干涉仪测压电陶瓷的系数 摘要：将压电陶瓷片固定在迈克尔逊干涉仪的移动镜上，当加在压电陶瓷片上的驱动直流电压增加时，引起压电陶瓷的微小伸长进而引起移动镜的移动，引起光屏上干涉条纹环数目的变化；用线阵CCD(charge COU—pied device)作为光电传感器件捕捉干涉条纹的光强信号，再将电信号进行模数转换，采取USB接口与微机接121，用C++语言编写程序设计了一种新型的条纹自动计数软件，将这种计数方法与压电系数的测量结合起来，可以自动得出其压电系数。 关键词：迈克尔逊干涉仪；线阵CCD；干涉条纹计数；压电材料；压电系数 引言：在自然界中，大多数晶体都有压电效应，然而大多数晶体的压电效应很微弱。随着科学技术的发展，人工制造的压电陶瓷，如钛酸钡、锆钛酸铅等多晶压电材料相继问世，且应用越来越广泛[1]。对压电材料的压电系数测量技术和精确可靠的测量方法的研究，对探索材料压电机理、开发新型材料、改进和充分利用现有材料都是十分重要的。压电陶瓷在电场作用下的形变保持较好的线性关系[2]，微小的形变量可以通过迈克尔逊干涉仪来测量。压电陶瓷在电场的作用下微小变化的特性非常适合于微小位移的控制、操作和精细加工，因此被广泛应用在生物医学、超精密机械等超微小尺寸的操控等领域[3]。对压电双晶片的压电系数d。t的测量在工程上有重要的应用[4]，用激光干涉法测量压电系数d。，是一种简单可行且精度又高的测量手段。 激光干涉测量压电陶瓷的压电系数的关键是对压电陶瓷在电场作用下压电陶瓷片的微小的形变量的测量，这形变量的测量可以转变为对干涉圆环的精确记数。在本测量实验中以迈克尔逊干涉仪作为测量的主要仪器，同时辅以线阵CCD(charge coupled device)作为图像传感器来获取干涉圆环光信号，线阵CCD输出模拟电信号，再将电信号进行模数转换成为数字信号，送入微机实时处理，由编制的相应软件得到测量的结果。 实验思想：验采用迈克尔孙干涉仪分振幅法产生双光束以实现干涉的仪器，仪器的光学系统由两个平面反射镜M1和M2及两块材质相同、厚度相等的平行平面玻璃板G1和G2所组成，如上图所示。从光源S发出的光，射到分光板G1上，分光板G1后表面有半反射膜，将一束光分解成两束光；一束为反射光（1），另一束为透射光（2）,他们的强度近似相等。由于G1与M1、M2均成45度角，所以两束光都垂直的射到M1和M2，并经反射后回到G1上的半反射膜，再在观察处E相遇。因为光束（1）、（2）是相干光，若仪器调整得当，便可在E处观察到干涉图样。G2为补偿板，其物理性能和几何形状与G1相同，它的作用是为了补偿光束（2）的光程，使光束（1）和光束（2）在玻璃中的光程完全相等。测管行的压电陶瓷材料，当在其外表加上正电压时（内表面接地），它变伸长；当其外表面加负电压时，它就缩短的原理测长度的变化量ΔL。 管形的压电陶瓷材料，当在其外表加上正电压时（内表面接地），它变伸长；当其外表面加负电压时，它就缩短。党在内外表面加电压时，内外表面间便形成特定的电场，这是压电陶瓷将会在纵向发生形变。如果用S表示胁变，E表示压电陶瓷中的电场强度а为压电陶瓷在准线性区的电致伸缩系数，于是有: 如加在压电陶瓷内外表面上的电压为U，压电陶瓷的长为L，厚度为D,度的增量为ΔL，当D很小时有: S=ΔL/L=αU/D 所以该压电陶瓷的电致伸缩系数α为： α=ΔL/L*D/U （1）点燃氦氖激光器，调节其高度和方向，使激光束大致照到两平面镜、及屏的中部，并使从两平面镜反射来的两束光能尽量原路返回，即尽可能回到激光器的出光口。 （2）屏上可以看到两排光点，都以最亮者居中。调节和后面 的三个螺丝，使两个最亮点重合（此时和相互垂直）。此时要检查回到激光器的两束光是否仍照在出光口或附近。 （3）读数基准线的调整。调整微调鼓轮旋钮，使0刻度线对准基线，以方便读数。 （4）转动微动旋钮，可以清晰地看到条纹一个一个地“涌出”或“淹没”。待操作熟练后开始测量，记下刻度鼓轮上的读数d,每次“涌出”或“淹没”N=100个圈时读下d ，连续测量19次，记下19个值d.每测一次算出相应的△d,并及时核对检查N是否数错。 压电陶瓷材料在电场作用下会产生伸缩效应,这就是所谓压电材料的逆压电现象,其伸缩量极微小。将迈克耳逊干涉仪的动镜粘在压电陶瓷片上,当压电陶瓷片受到电激励产生机械伸缩时就带动动镜移动。而动镜每移动λ/2的距离，就会到导致产生或消失一个干涉环条纹，根据干涉环条纹变化的个数就可以计算出压电陶瓷片伸缩的距离。  四、实验结果