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1、一、实验目的与实验仪器1实验目的（1）了解压电陶瓷的性能参数；（2）了解电容测微仪的工作原理，掌握电容测微仪的标定方法；（3）、掌握压电陶瓷微位移测量方法。2实验仪器压电陶瓷材料（一端装有激光反射镜，可在迈克尔逊干涉仪中充当反射镜）、光学防震 平台、半导体激光器、双踪示波器、分束镜、反射镜、二维可调扩束镜、白屏、驱动电源、 光电探头、信号线等。二、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
2、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，对晶体施加应力时，晶 体将在X，Y，Z三个方向出现与应力成正比的极化强度，即：E = gT（g为压电应力常数），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，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 = dU（d为压电应变常数）对于正和逆压电效应来讲，g和d在数值上是相同的。2. 迈克耳逊干涉仪的应用迈克耳逊干涉仪可以测量微小长度。上图是迈克耳逊干涉仪的原
3、理图。分光镜的第二表 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。分光镜与光束中心线成45 倾斜角。M1和M2为互相垂直并与分束镜都成45。角的平面反射镜，其中反射镜M1后附有压电陶瓷材料。由激光器发出的光经分光镜后，光束被分成两路，反射光射向反射镜 M（1 附压电陶瓷）， 透射光射向测量镜M2 （固定），两路光分别经M、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，产生干涉条纹。M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M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M移动了入/2,所以通过测出条纹的变化数
4、就可计算出压电 陶瓷的伸缩量。三、实验步骤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 CH1 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 M1 和M2 与光垂直， M1 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M1，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M1和M2的倾角螺丝直至两光点重合，并调整扩
5、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
6、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。四、数1. 位移-电压特性曲线的绘制和平均压电常数的计算位移/nm032565097513001625U /V升455101142180216U /
7、V降43274114158206位移-正向电压特性曲线S/nrn位移-反向电压特性曲线S/nm：1,00150200250由位移-正向电压特性曲线斜率可知，压电常数d1 = 7.67 (nm/V) 由位移-反向电压特性曲线斜率可知，压电常数d2 = 7.92 (nm/V) 则压电常数 d = (d+d2)/2 = (7.67+7.92)/2 = 7.80(nm/V)2.振幅、周期、速度的计算我们选取某一特定周期下的图象来计算振幅、周期和速度i）振幅从右图可以看出，在三角波的一个周期内，总共有10个周期的正弦波。由于 一个正弦波代表压电陶瓷移动的距离为入/2.贝y：65 Onm10 x h振幅
8、A = 3250nm2）周期振动与加在它两端的电压呈正比，则振动的周期即为CH1的周期,周期 T = 996.0“s3）速度振动的速度为半个波长除以时间，这个时间是CH2的周期，即：2/2 Xv =-f = 325x10-9m x 92.4285Hz 3.00X10-5 （m/s）3. 改变驱动电压频率来观察波形特性的变化hi 附:25伽51I r r I I I I F I I.n chi周期CHICHT 无- 周期 h瞬a cm V无CH1周期/usCH1频率/HzCH2周期/msCH2频率/Hz9961004.010.8292.48161225.48.55116.92683731.35.
9、60178.42404166.65.12195.0由表可知，当CH1驱动频率变大时，CH2波形的频率不断增大。也就是说速度不断增大, 周期不断减小。五、分析讨论（提示：分析讨论不少于400字）1.迈克尔逊涉装置以及压电陶瓷装置可以测得压电陶瓷的压电常数，从实验数据得出误 差的主要原因有： 光程差没有控制得分精确，导致涉条纹观察困难，调整电压时难以观察与暗条纹重合, 使得测量电压出现较大误差； 迈克尔逊干涉仪光路搭建存在误差，使得射光电探头的光路不分稳定，让振动的波存 在误差，难以清晰地数出个周期内峰值的数量，从造成计算结果的误差； 反射镜没有完全垂直造成误差。在实验中发现在白屏上出现的是等厚干
10、涉条纹，此时的光程差公式与等倾干涉不太一样，这将对我们的计算过程产生较大影响。2.关于正逆压电效应中压电常数，课本上没有对其大小和关系作出说明，我通过查阅资料发现：正压电效应实质上是机械能转化为电能的过程。当在压电材料表面施加电场，因电场 作用时电偶极矩会被拉长，压电材料为抵抗变化，会沿电场方向伸长，这种通过电场作用而 产生机械形变的过程称为“逆压电效应”逆压电效应实质上是电能转化为机械能的过程。 如果外界电场较强，那么压晶体管还会出现电致伸缩效应(electrostricTIon effect),即材料 应变与外加电场强度的平方成正比的现象。可以证明，正压电效应和逆压电效应中的系数是 相等的，且具有正压电效应的材料必然具有逆压电效应。六、实验结论1.使波器观察压电陶瓷振动的幅度和频率，只改变频率的时候，每个三波周期内的 振动涉的峰数不发口改变，代表涉的振幅不发口改变。只改变振幅的时候，三波周期 内的峰数发口改变，代表振幅发口改变但是频率不发口改变，由此可以计算得任意口点的 速度。2. 本次实验我们通过改变驱动电压观察干涉条纹的移动，了解了压电陶瓷的逆压电效应 并求得了压电常数。七、原始数据要求与提示：此处将原始数据拍成照片贴图即可)
