秦麗霞，段益峰，于建勇

(中國礦業(yè)大學(xué)，江蘇 徐州　221116)

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壓電陶瓷壓電系數(shù)測量的一種實(shí)驗(yàn)改進(jìn)方法

秦麗霞，段益峰，于建勇

(中國礦業(yè)大學(xué)，江蘇 徐州221116)

針對(duì)壓電陶瓷的壓電系數(shù)實(shí)驗(yàn)測量中儀器調(diào)節(jié)的困難，通過放置一個(gè)三面箱體輔助儀器來改善對(duì)光路的調(diào)節(jié)，同時(shí)在給壓電陶瓷施加電壓的電路中接入電壓報(bào)警器，有效控制施加在壓電陶瓷上的電壓大小，以此避免壓電陶瓷的疲勞受損乃至被燒壞。

壓電陶瓷；壓電效應(yīng)；邁克爾遜干涉儀；壓電系數(shù)

壓電陶瓷作為一種新型精密驅(qū)動(dòng)器，具有體積小、重量輕、精度和分辨率高、頻響高、力電耦合效應(yīng)顯著等優(yōu)點(diǎn)，已在光學(xué)、電子、航天航空、機(jī)械制造、生物工程、機(jī)器人等技術(shù)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，壓電陶瓷的壓電特性也日益受到關(guān)注[1-6]。邁克爾孫干涉儀常被用來測量光的波長、材料的折射率等。以邁克耳孫干涉儀為基礎(chǔ)，以激光為光源，通過獲得的干涉光強(qiáng)分布圖樣展開對(duì)壓電陶瓷壓電特性的研究，測量壓電陶瓷微小位移與所加電壓的關(guān)系[7-8]。本文通過放置一個(gè)三面箱體輔助儀器來改善光路調(diào)節(jié)的困難，同時(shí)在電路中加入電壓報(bào)警器來限定施加在壓電陶瓷上的最大電壓，有效防止儀器受損。

1　測量原理

壓電晶體產(chǎn)生位移是基于壓電陶瓷的逆向壓電效應(yīng)的機(jī)理,壓電陶瓷片在電場的作用下產(chǎn)生形變。為獲得較大位移,和提高靈敏度,采用疊層式結(jié)構(gòu)、電路并聯(lián)和機(jī)械串聯(lián)形式構(gòu)成疊式壓電陶瓷堆。在極化方向上施加電場,壓電陶瓷位移公式為:

ΔL=nΔl=nαV

(1)

ΔL 為壓電陶瓷堆總伸長量，Δl為單片伸長量，n為壓電陶瓷片數(shù)目，α為壓電常數(shù)，V為施加在壓電陶瓷上的電壓。由公式(1)可以看出,壓電位移隨施加的電壓在精度范圍內(nèi)作線性變化。

圖1　邁克爾遜干涉儀光路圖

δ=2d=kλ

(2)

若d改變?chǔ)，相應(yīng)冒出(或縮入)的條紋數(shù)為ΔN，則有

(3)

將壓電陶瓷與干涉儀的一個(gè)臂上的鏡子粘在一起,壓電陶瓷為干涉儀動(dòng)鏡的驅(qū)動(dòng)器件,干涉儀的動(dòng)鏡隨壓電陶瓷一起移動(dòng)。當(dāng)給壓電陶瓷施加電壓時(shí),壓電陶瓷發(fā)生位移，引起與其相連接的反射鏡發(fā)生移動(dòng)，進(jìn)而改變了邁克耳孫干涉儀中兩光路的光程差，從而使得干涉條紋發(fā)生變化，即當(dāng)壓電陶瓷位移變化λ/2時(shí)，干涉條紋圓心便會(huì)冒出(或縮入)一個(gè)條紋。通過測量干涉條紋圓心冒出(或縮入)條紋的數(shù)目，即可計(jì)算壓電陶瓷的形變大小ΔL，進(jìn)而求得壓電陶瓷的壓電系數(shù)α.

2　實(shí)驗(yàn)改進(jìn)

(1)實(shí)驗(yàn)過程中要求調(diào)整激光光束，使其依次通過擴(kuò)束器、分光板、補(bǔ)償板照到平面鏡，經(jīng)由平面鏡反射后到接收屏，這一光路的調(diào)整對(duì)初學(xué)者比較困難，主要是平面鏡面積小，光斑難以捕捉到。本文通過在透射光路的反射鏡后放置一個(gè)三面箱體，將光斑投影在箱體內(nèi)壁上，進(jìn)而可以有針對(duì)性地調(diào)節(jié)光斑的位移，將其調(diào)節(jié)到透射光路的反射鏡面上，達(dá)到調(diào)節(jié)目的。

(2)實(shí)驗(yàn)所用的壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器所能承受的最大電壓為150 V，如果施加在壓電陶瓷上的電壓過高，或者長時(shí)間在偏高壓下工作，壓電陶瓷容易疲勞受損甚至被燒壞。本文在電路中接入電壓報(bào)警器，一旦電壓超過設(shè)定上限，報(bào)警器就會(huì)提醒電壓已超過測量范圍，有效解決電壓過高的問題。

3　結(jié)　　論

利用三面箱體可以對(duì)光路調(diào)整進(jìn)行有效指導(dǎo)，使光路調(diào)節(jié)更為方便快捷。通過安裝電壓報(bào)警裝置，有效控制電壓大小，使壓電陶瓷兩端電壓不會(huì)超過其所能承受的最大電壓，有效保護(hù)壓電陶瓷，使其損壞可能性大大降低。

[1]宋道仁,肖鳴山.壓電效應(yīng)及其應(yīng)用[M].北京科學(xué)普及出版社，1987.

[2]李龍土.美國開發(fā)壓電陶瓷材料的現(xiàn)狀與動(dòng)態(tài)[J].材料導(dǎo)報(bào),1992(6):67-69.

[3]Uchino K.Electrostrictive Actuators:Materials and Applications[J].American Ceramic Society Bulletin,1986,65(4):647-652.

[4]Takahashi S.Recent Development in Multilayer Plezo-electric Ce-ramic Actuators and their Applications[J].Ferroelectric,1989,91:298-302.

[5]代偉，李駿.對(duì)壓電陶瓷極化特性的研究[J].大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)，2009(4):4-8.

[6]李維娜.AFM關(guān)于壓電陶瓷非線性效應(yīng)的圖像校正[J].大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)，2007(3)：1-7.

[7]吳新民,陳進(jìn)榜,朱日宏.用干涉法測量壓電陶瓷的動(dòng)態(tài)頻率響應(yīng)特性[J].紅外與激光工程,2002(31):257-260.

[8]潘在友，劉惠蘭，馮麗爽.基于光杠桿原理測量壓電陶瓷壓電特性的方法[J].紅外與激光工程,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

中國礦業(yè)大學(xué)公共基礎(chǔ)課教改項(xiàng)目(2015JC04)

1007-2934(2016)04-0012-02

O 4-33

A

10.14139/j.cnki.cn22-1228.2016.004.004