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压电陶瓷振动干涉丈量实验报告计划
压电陶瓷振动干涉丈量实验报告计划
一、实
压电陶瓷振动的干涉丈量实验报告
验目的
与实验仪器
实验目的
1)认识压电陶瓷的性能参数;
2)认识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丈量方法。
实验仪器
压电陶瓷资料(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
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说。晶体在机械力作用下,
总的电偶极矩(极化)发生变化,从而表现压电现象,因此压电陶瓷的压电性与极化、形变等有亲近关系。
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。关于各向异性晶体,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=g·T(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,不只产生了极化,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。这是因为晶体受电场作用时,
在晶体内部产生了应力(压电应力),经过应力作用产生压电应变。存在以下关系:
S=d·U(d为压电应变常数)
关于正和逆压电效应来讲,
g和d在数值上是相同的。
迈克耳逊干涉仪可以丈量微小长度。
上图是迈克耳逊干涉仪的原理图。
分光镜的第二表
面上涂有半透射膜,能将入射光分红两束,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为相互垂直并与分束镜都成
45°角的平面反射镜,此中反射镜M1
后附
有压电陶瓷资料。
由激光器发出的光经分光镜后,光束被分红两路,反射光射向反射镜
M(附压电陶瓷),
1
透射光射向丈量镜M2(固定),两路光分别经
M1、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M
2
与分光镜中心的距离差决定两束光的
1
光程差。因此经过给压电陶瓷加电压使
M1随之振动,干涉条纹就发生变化。因为干涉条纹
变化一级,相当于丈量镜M1
挪动了λ/2,因此经过测出条纹的变化数即可计算出压电陶瓷
的伸缩量。
三、实验步骤
将驱动电源分别与光探头,压电陶瓷附件和示波器相连,此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与分光镜距离基实情等;
打开激光器,手持小孔屏观察各光路,合适调整各元件地点和角度,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沿上。
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,并调整扩束镜地点使其与光点同轴,观察白屏上出现干涉
条纹,再频频调整各元件,最好能达到扩束光斑中有2到3条干涉条纹。
打开驱动电源开关,将驱动电源面板上的波形开关拨至左侧“—”直流状态,旋转电源电压旋钮,可发现条纹随之挪动;每挪动一条干涉条纹,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照点。将直流电压降到最低并记录,
寂静一段时间,等条纹坚固后,缓慢增添电压,观察条纹挪动,条纹每移过参照点一条,就记录下相应的电压值;测到电压凑近最高值时,再丈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触发状态。将驱动
电源波形拨至右边“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变换的信号,条纹挪动的级数多少反响压电陶
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目反响压电陶瓷的振幅。
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目,意会压电陶瓷的频率响应特色。
四、数据办理
位移-电压特色曲线的绘制和均匀压电常数的计算
位移/nm
0
325
650
975
1300
1625
U升/V
4
55
101
142
180
216
U降/V
4
32
74
114
158
206
由位移-正向电压特色曲线斜率可知,压电常数d1=(nm/V)
由位移-反向电压特色曲线斜率可知,压电常数d2=(nm/V)
则压电常数d=(d1+d2)/2=(+)/2=(nm/V)
、周期、速度的计算
我们采用某一特定周期下的图象来计算振幅、周期和速度
1)振幅
从右图可以看出,在三角波的一个周期内,总合有10个周期的正弦波。因为
一个正弦波代表压电陶瓷挪动的距离为λ/:
压电陶瓷振动干涉丈量实验报告计划
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振幅
A=
=3250nm
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2)周期
振动与加在它两端的电压呈正比,则振动的周期即为
周期T=
CH1
的周期,
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3)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:
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v==·f=325×10-9m×≈×10-5(m/s)
改变驱动电压频率来观察波形特色的变化
CH1周期/μs
CH1频率/Hz
CH2周期/ms
CH2频率/Hz
996
816
268
240
由表可知,当CH1驱动频率变大时,CH2波形的频率不停增大。也就是说速度不停增大,周期不停减小。
五、剖析议论
(提示:剖析议论好多于
400字)
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,从实验数据得出偏差的主要原由有:
①光程差没有控制得?分精确,以致?涉条纹观察困难,调整电压时难以观察与暗条纹重合,使得丈量电压出现较大偏差;
②迈克尔逊干涉仪光路搭建存在偏差,使得射?光电探头的光路不?分坚固,让振动的波存
在偏差,难以清楚地数出?个周期内峰值的数目,从?造成计算结果的偏差;
③反射镜没有完满垂直造成偏差。在实验中发此刻白屏上出现的是等厚干涉条纹,此时的光程差公式与等倾干涉不太相同,这将对我们的计算过程产生较大影响。
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,我经过查阅资料
发现:正压电效应实质上是机械能转变成电能的过程。当在压电资料表面施加电场,因电场
作用时电偶极矩会被拉长,压电资料为抵抗变化,会沿电场方向伸长,这类经过电场作用而
产活力械形变的过程称为“逆压电效应”。逆压电效应实质上是电能转变成机械能的过程。
假如外界电场较强,那么压晶体管还会出现电致伸缩效应(electrostricTIoneffect),即
资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,且拥有正压电效应的资料必定拥有逆压电效应。
六、实验结论
??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
压电陶瓷振动干涉丈量实验报告计划
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振动?涉的峰数不发?改变,代表?涉的振幅不发?改变。只改变振幅的时候,三?波周期
压电陶瓷振动干涉丈量实验报告计划
压电陶瓷振动干涉丈量实验报告计划
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内的峰数发?改变,代表振幅发?改变但是频率不发?改变,由此可以计算得随意?点的
速度。
本次实验我们经过改变驱动电压观察干涉条纹的挪动,认识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)
压电陶瓷振动干涉丈量实验报告计划
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