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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)