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1、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
2、. 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
3、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
4、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
5、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
6、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，
7、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
8、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?
