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论文关键词：迈克尔逊干涉仪；线阵CCD；干涉条纹计数；压电材料；压电系数 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。 1测量原理与实验方法 1．1测量原理 本实验的测量原理就是迈克尔逊干涉仪的工作原 理。如图1所示，M1和M2是两平面镜，G是半透半 反的分光板，它把由光源射来的光线分成强度相等的 两束光，投射到M1和M2上，被M1和M2反射到 G1，又经G1反射或透射后干涉，并在接收屏上产生干 涉条纹。 由于压电陶瓷材料的压电系数d。。的量级是10_10 C／N，在压电陶瓷上加上外电场后，样品的应变是很小 的，对于1 mm厚(厚度方向记为3方向)、10 mm宽 (宽度方向记为l方向)的样品来说，在厚度方向加数 百伏电压，宽方向的绝对伸长量也不过是1弘m的数 量级。于是，对1方向在外加电场作用下所引起的微 小长度的测量就显得相当关键，可采用激光干涉的原 理来测量微小伸长量。 半．1查塑．1 3啪 —r 方向 l万l可 ；i一+ 干涉条纹接收屏 图1测量原理示意图 在样品的极化方向(3方向)的两端加上直流电 压，如图1所示，则d。，可表示为 些垒生．r． ‰=面aSl一旨一旨善=锩㈣ 式中，L。和L。是样品的几何尺寸，L3是极化方向的 厚度，L。是垂直于极化方向的长度，L。和L：用游标 卡尺测量；U。是加在极化方向的直流电压，其大小可 由电压表直接读出；△L，则是在1方向上加压后，样品 在1方向的伸缩量，△L。与在某一固定点观察到的条 纹移动数目，z之间的关系为△L，一咒矣，进而有[5] 如一挖·鲁·瓦L3 (2) 式中，A是激光的波长，He-Ne激光A为632．8 nm。 因此，只要测出条纹的变化数目，即可计算出样品的应 变压电系数d。，。当选用某种规格的压电陶瓷后，在其 3方向加上电压后，则压电陶瓷在1方向会有微小的 伸长量，而这微小的伸长量则引起迈克尔逊干涉仪上 的移动镜M2移动，进而在光屏上有干涉圆环数目的 变化，而这干涉圆环数目的变化则可采用干涉圆环实 时信息采集与处理技术获得，由设计的相应软件可实 时得出压电陶瓷片的压电系数。测量压电陶瓷片的压 电系数的实验装置如图2所示 |
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