论文部分内容阅读
摘 要：为研究实验台震动、较强空气流速以及温度对干涉法研究压电陶瓷实验的影响，在实验过程中添加震动和较强空气流速影响，使用电阻丝加热炉添加温度影响。结果表明：震动和较强的空气流动都会导致干涉圆环模糊，无法进行读取数据；但这两种干扰排除后干涉圆环恢复原样。即这两种外界干扰不会引起干涉条纹数目的变动，但会影响读数，故应尽力避免。而随着压电陶瓷温度的升高，压电系数有明显的变化趋势因此在实验过程中应注意保持压电陶瓷不受阳光直射，远离热源，保持恒温。
关键词：压电陶瓷；压电系数；干涉法；外界干扰
0引言
压电陶瓷因为制作工艺简略，成本低廉，同时具有较好的力学和压电性能，是如今应用最广的压电材料。压电陶瓷的主要性能参数是压电常数d33 ，压电常数越大，机械能与电能转化效率就越高。本文利用逆压电效应，通过给压电陶瓷片施加一个电压，测量陶瓷片的形变大小，来计算其压电常数。陶瓷片形变由迈克尔逊干涉仪进行测量，将陶瓷片与反射镜胶合在一起，当陶瓷片发生形变时，干涉条纹发生移动，根据条纹移动的数目测定其压电常数。
然而，微小位移的精确测量十分困难，外界干扰对迈克尔逊干涉仪的影响较大，在之前的实验中已经证实[1]，外界干扰对测量结果产生影响，造成实验结果有较大的误差。另外，由于压电陶瓷的压电常数本身也会受外界条件影响，因此，为了精确测量压电常数，需要测试周围环境对测量结果的影响。
本文将对桌面震动、周围空气流动、周围温度变化这三种外界干扰进行研究，分析它们对实验结果造成的影响。为本实验的误差分析提供一种新思路；对于避免造成较大误差提供新的研究方法。
1实验原理与方法
1.1 压电陶瓷
未经处理的压电陶瓷内部呈现各向同性，极化强度是零。在特定温度时对压电陶瓷做极化处理，使得压电陶瓷具有一定的极化强度，再降低温度，取消极化电场，压电陶瓷的两端出现电性相反的束缚电荷，陶瓷片表现出了压电性。而由于束缚电荷吸引来一层等量的外界的自由电荷，压电陶瓷总体上无极性。
若对压电陶瓷在极化方向上加上电场E，陶瓷片会产生机械形变S，这就是逆压电效应。其满足以下关系：
Si = din En （1）
式中dnj叫做压电应变常量。有关压电陶瓷的性质，很多文献都做出了丰富的研究[2，3，4，5，6，7]。后面不做更多赘述。
1.2 迈克尔逊干涉仪
迈克尔逊干涉仪是一种分振幅干涉装置，是研究干涉问题的最常用仪器之一。图1是迈克尔逊干涉仪的原理示意图。光源部分包括半导体激光器和二维调节架。与光束中心线成45°倾斜角处有一分束镜，分束镜的向光源的一侧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。还有两个相互垂直并且与分束镜成45°角的平面反射镜M1、M2，其中M1后附有压电陶瓷材料是本实验特有的附件。打开激光器，由光源发出的光经分束镜后分成两路，然后两路光线分别由平面反射镜 M1和 M2反射，向观测屏处传播，这两条光线是相干光线。当两束相干光产生的光程差发生改变时，干涉光强就会相应发生改变[8]。随着光程差的改变，干涉条纹会“冒出”或“缩进”，条纹中心的光强会产生周期性的明暗交替变化，其由明变暗交替为一个周期，恰好对应条纹级数的增加或减小一次[9，10]。
△t=N λ/2 （2）
通过给压电陶瓷加电压U使压电陶瓷产生电致伸缩，M1随之移动，干涉条纹就会增加或者减少。由于明暗变化一个周期对应干涉条纹级数变化了一级，正好相当于反射镜M1发生λ/2位移，所以通过测条纹的变化数就可由公式（2）计算出压电陶瓷的伸缩量。
1.3 实验器材
（1）SGO-20型压电陶瓷特性实验装置和电源组件。天津港东科技发展股份有限公司。
（2）风扇。
（3）电阻丝加热炉。
（4）压电陶瓷片。
1.4 实验方法
（1）排除干扰，进行无干扰实验，获得无干扰对照组实验数据，计算陶瓷片厚度的变化量△t。
（2）保持对照组实验条件不变，改变空气流速对迈克尔逊干涉仪进行影响，将风扇固定在迈克尔逊干涉仪前方一定距离，调节风力大小，风吹角度，反复进行实验，由实验数据计算△t。
（3）保持对照组实验条件不变，增加实验台震动影响，将压电陶瓷片以胶带固定于干涉仪上，并加以不同频率及幅值的正弦交变电流作震动源。调节震动频率，反复进行实验，由实验数据计算△t。
（4）保持对照组实验条件不变，加热压电陶瓷，用加热炉改变压电陶瓷温度至不同温度。反复进行实验，由实验数据计算压电常数d33。
2实验结果与分析
2.1对照组实验结果分析
无干扰的情况下进行实验，根据公式（2）整理数据得压电陶瓷的厚度改变量数据见表1。
由表1可知，压电陶瓷上的电压从0V变到150V，厚度改变量约为9.68184μm。
2.2实验台震动对干涉圆环数量影响结果分析
通过改变通入震动源交变电流的幅值与频率，研究不同程度的震动对该实验的影响。实验中发现，震动干扰会导致干涉仪各个元件的震动，影响光路的稳定。对干涉仪施加间歇性的震动之后，观察到干涉条纹的抖动，当干扰过大时会导致条纹短暂消失。对干涉仪施加连续性的震动之后，观察到条纹始终模糊，导致实验无法继续进行。
2.3较强空气流动对干涉圆环数量影响结果分析
通过改变风扇与实验仪器的位置，研究不同强度的空气流动对该实验的影响。实验中发现施加较强空气流动干扰之后，观察到干涉圆环模糊以至于无法观测，可能是较强空气流动导致实验仪震动所致。以风速较小的风扇进行实验，测得实验数据见表2。表中组号1～3表示风扇在干涉仪一侧，距离依次增大，组号4表示风扇正对压电陶瓷片，组号5表示背对压电陶瓷片。 由表2可知，加空气流动干扰后压电陶瓷上的电压从0V变到150V，厚度改变量约为9.176μm。与对照组进行对比，求相对误差。
在误差范围内，可认为加空气流动干扰后，测量结果与对照组相等。可认为空气流动会导致元器件震动而影响条纹成像，导致条纹模糊甚至消失，进而带来较大的实验误差；但对空气折射率没有影响，即对最终结果影响不大。
2.4温度变化对压电系数的影响分析
本文共测了七个温度的压电常数：25℃，27℃，30℃，32℃，34℃，39℃，37℃。根据公式（2），采用作图法求压电常数d33，再对每个温度的多组数据求平均值得表3。
对表3中的数据进行拟合，发现线性函数可以对数据进行较好地拟合，其拟合优度R2为0.9899，拟合曲线及方程为：
由实验数据可看出本文所选取的实验仪器中的压电陶瓷对温度较敏感，随着温度的升高，d33值明显地减小。
在实验过程中，当加热温度上升到46℃时，条纹吞吐过快导致实验误差较大，无法读数。推测在一定温度范围内，压电陶瓷的压电系数与温度成线性减小关系。当温度过大时，温度影响压电陶瓷的稳定性，测量误差较大。
3结论
（1）震动干扰会导致干涉仪各个元件的震动，影响光路的稳定，导致条纹抖动甚至消失；因而实验过程中要尽量降低震动干扰，尽量使用光学防震平台进行实验。
（2）较强的空气流动导致认为空气流动会导致元器件震动而影响条纹成像，导致条纹模糊甚至消失，进而带来较大的实验误差；但对空气折射率没有影响，即对最终结果影响不大。
（2）在一定温度范围内，随着压电陶瓷温度的升高，压电系数线性减小；当温度过大时，温度影响压电陶瓷的稳定性，测量误差较大。因而在实验过程中应注意保持压电陶瓷不受阳光直射，远离热源，保持恒温。
参考文献
[1]邓锂强，梁一机. 迈克尔逊干涉仪实验简易防震台的设计[J]. 广东石油化工学院学报，2013，04：60-62+83.
[2]张福学. 压电学[M]. 国防工业出版社， 1984.
[3]魏双会. 压电陶瓷发电特性及其应用研究[D]. 大连理工大学， 2007.
[4]臧曦. 压电装置的机电转换性能有限元分析[D]. 武汉理工大学， 2012.
[5]向毅， 王亚军， 任晓东，等. 压电陶瓷的谐振特性研究[J]. 中国科技信息， 2006（2）：61-61.
[6]张涛， 孙立宁. 压电陶瓷基本特性研究[J]. 光学精密工程， 1998， 6（5）：26-32.
[7]曲东升， 荣伟彬， 孙立宁，等. 压电陶瓷微位移器件控制模型的研究[J]. 光学精密工程， 2002， 10（6）：602-607.
[8]刘纯龙， 王红理， 方湘怡，等. 基于迈克尔逊干涉仪的SPR传感器的研究[J]. 传感技术学报， 2010， 23（5）：635-638.
[9]刘芳元. 关于迈克尔逊干涉条纹的理论分析[J]. 中南工学院科技通讯， 1995（1）：33-35.
[10] 周党培， 关小泉， 伍广胜. 一种新型迈克尔逊干涉仪条纹计数器的设计[J]. 光学仪器， 2009， 31（3）：64-67.
作者简介：刘斯禹、1994年10月出生、男、籍贯：黑龙江省桦南县、本科生、研究方向为微纳光学。
关键词：压电陶瓷；压电系数；干涉法；外界干扰
0引言
压电陶瓷因为制作工艺简略，成本低廉，同时具有较好的力学和压电性能，是如今应用最广的压电材料。压电陶瓷的主要性能参数是压电常数d33 ，压电常数越大，机械能与电能转化效率就越高。本文利用逆压电效应，通过给压电陶瓷片施加一个电压，测量陶瓷片的形变大小，来计算其压电常数。陶瓷片形变由迈克尔逊干涉仪进行测量，将陶瓷片与反射镜胶合在一起，当陶瓷片发生形变时，干涉条纹发生移动，根据条纹移动的数目测定其压电常数。
然而，微小位移的精确测量十分困难，外界干扰对迈克尔逊干涉仪的影响较大，在之前的实验中已经证实[1]，外界干扰对测量结果产生影响，造成实验结果有较大的误差。另外，由于压电陶瓷的压电常数本身也会受外界条件影响，因此，为了精确测量压电常数，需要测试周围环境对测量结果的影响。
本文将对桌面震动、周围空气流动、周围温度变化这三种外界干扰进行研究，分析它们对实验结果造成的影响。为本实验的误差分析提供一种新思路；对于避免造成较大误差提供新的研究方法。
1实验原理与方法
1.1 压电陶瓷
未经处理的压电陶瓷内部呈现各向同性，极化强度是零。在特定温度时对压电陶瓷做极化处理，使得压电陶瓷具有一定的极化强度，再降低温度，取消极化电场，压电陶瓷的两端出现电性相反的束缚电荷，陶瓷片表现出了压电性。而由于束缚电荷吸引来一层等量的外界的自由电荷，压电陶瓷总体上无极性。
若对压电陶瓷在极化方向上加上电场E，陶瓷片会产生机械形变S，这就是逆压电效应。其满足以下关系：
Si = din En （1）
式中dnj叫做压电应变常量。有关压电陶瓷的性质，很多文献都做出了丰富的研究[2，3，4，5，6，7]。后面不做更多赘述。
1.2 迈克尔逊干涉仪
迈克尔逊干涉仪是一种分振幅干涉装置，是研究干涉问题的最常用仪器之一。图1是迈克尔逊干涉仪的原理示意图。光源部分包括半导体激光器和二维调节架。与光束中心线成45°倾斜角处有一分束镜，分束镜的向光源的一侧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。还有两个相互垂直并且与分束镜成45°角的平面反射镜M1、M2，其中M1后附有压电陶瓷材料是本实验特有的附件。打开激光器，由光源发出的光经分束镜后分成两路，然后两路光线分别由平面反射镜 M1和 M2反射，向观测屏处传播，这两条光线是相干光线。当两束相干光产生的光程差发生改变时，干涉光强就会相应发生改变[8]。随着光程差的改变，干涉条纹会“冒出”或“缩进”，条纹中心的光强会产生周期性的明暗交替变化，其由明变暗交替为一个周期，恰好对应条纹级数的增加或减小一次[9，10]。
△t=N λ/2 （2）
通过给压电陶瓷加电压U使压电陶瓷产生电致伸缩，M1随之移动，干涉条纹就会增加或者减少。由于明暗变化一个周期对应干涉条纹级数变化了一级，正好相当于反射镜M1发生λ/2位移，所以通过测条纹的变化数就可由公式（2）计算出压电陶瓷的伸缩量。
1.3 实验器材
（1）SGO-20型压电陶瓷特性实验装置和电源组件。天津港东科技发展股份有限公司。
（2）风扇。
（3）电阻丝加热炉。
（4）压电陶瓷片。
1.4 实验方法
（1）排除干扰，进行无干扰实验，获得无干扰对照组实验数据，计算陶瓷片厚度的变化量△t。
（2）保持对照组实验条件不变，改变空气流速对迈克尔逊干涉仪进行影响，将风扇固定在迈克尔逊干涉仪前方一定距离，调节风力大小，风吹角度，反复进行实验，由实验数据计算△t。
（3）保持对照组实验条件不变，增加实验台震动影响，将压电陶瓷片以胶带固定于干涉仪上，并加以不同频率及幅值的正弦交变电流作震动源。调节震动频率，反复进行实验，由实验数据计算△t。
（4）保持对照组实验条件不变，加热压电陶瓷，用加热炉改变压电陶瓷温度至不同温度。反复进行实验，由实验数据计算压电常数d33。
2实验结果与分析
2.1对照组实验结果分析
无干扰的情况下进行实验，根据公式（2）整理数据得压电陶瓷的厚度改变量数据见表1。
由表1可知，压电陶瓷上的电压从0V变到150V，厚度改变量约为9.68184μm。
2.2实验台震动对干涉圆环数量影响结果分析
通过改变通入震动源交变电流的幅值与频率，研究不同程度的震动对该实验的影响。实验中发现，震动干扰会导致干涉仪各个元件的震动，影响光路的稳定。对干涉仪施加间歇性的震动之后，观察到干涉条纹的抖动，当干扰过大时会导致条纹短暂消失。对干涉仪施加连续性的震动之后，观察到条纹始终模糊，导致实验无法继续进行。
2.3较强空气流动对干涉圆环数量影响结果分析
通过改变风扇与实验仪器的位置，研究不同强度的空气流动对该实验的影响。实验中发现施加较强空气流动干扰之后，观察到干涉圆环模糊以至于无法观测，可能是较强空气流动导致实验仪震动所致。以风速较小的风扇进行实验，测得实验数据见表2。表中组号1～3表示风扇在干涉仪一侧，距离依次增大，组号4表示风扇正对压电陶瓷片，组号5表示背对压电陶瓷片。 由表2可知，加空气流动干扰后压电陶瓷上的电压从0V变到150V，厚度改变量约为9.176μm。与对照组进行对比，求相对误差。
在误差范围内，可认为加空气流动干扰后，测量结果与对照组相等。可认为空气流动会导致元器件震动而影响条纹成像，导致条纹模糊甚至消失，进而带来较大的实验误差；但对空气折射率没有影响，即对最终结果影响不大。
2.4温度变化对压电系数的影响分析
本文共测了七个温度的压电常数：25℃，27℃，30℃，32℃，34℃，39℃，37℃。根据公式（2），采用作图法求压电常数d33，再对每个温度的多组数据求平均值得表3。
对表3中的数据进行拟合，发现线性函数可以对数据进行较好地拟合，其拟合优度R2为0.9899，拟合曲线及方程为：
由实验数据可看出本文所选取的实验仪器中的压电陶瓷对温度较敏感，随着温度的升高，d33值明显地减小。
在实验过程中，当加热温度上升到46℃时，条纹吞吐过快导致实验误差较大，无法读数。推测在一定温度范围内，压电陶瓷的压电系数与温度成线性减小关系。当温度过大时，温度影响压电陶瓷的稳定性，测量误差较大。
3结论
（1）震动干扰会导致干涉仪各个元件的震动，影响光路的稳定，导致条纹抖动甚至消失；因而实验过程中要尽量降低震动干扰，尽量使用光学防震平台进行实验。
（2）较强的空气流动导致认为空气流动会导致元器件震动而影响条纹成像，导致条纹模糊甚至消失，进而带来较大的实验误差；但对空气折射率没有影响，即对最终结果影响不大。
（2）在一定温度范围内，随着压电陶瓷温度的升高，压电系数线性减小；当温度过大时，温度影响压电陶瓷的稳定性，测量误差较大。因而在实验过程中应注意保持压电陶瓷不受阳光直射，远离热源，保持恒温。
参考文献
[1]邓锂强，梁一机. 迈克尔逊干涉仪实验简易防震台的设计[J]. 广东石油化工学院学报，2013，04：60-62+83.
[2]张福学. 压电学[M]. 国防工业出版社， 1984.
[3]魏双会. 压电陶瓷发电特性及其应用研究[D]. 大连理工大学， 2007.
[4]臧曦. 压电装置的机电转换性能有限元分析[D]. 武汉理工大学， 2012.
[5]向毅， 王亚军， 任晓东，等. 压电陶瓷的谐振特性研究[J]. 中国科技信息， 2006（2）：61-61.
[6]张涛， 孙立宁. 压电陶瓷基本特性研究[J]. 光学精密工程， 1998， 6（5）：26-32.
[7]曲东升， 荣伟彬， 孙立宁，等. 压电陶瓷微位移器件控制模型的研究[J]. 光学精密工程， 2002， 10（6）：602-607.
[8]刘纯龙， 王红理， 方湘怡，等. 基于迈克尔逊干涉仪的SPR传感器的研究[J]. 传感技术学报， 2010， 23（5）：635-638.
[9]刘芳元. 关于迈克尔逊干涉条纹的理论分析[J]. 中南工学院科技通讯， 1995（1）：33-35.
[10] 周党培， 关小泉， 伍广胜. 一种新型迈克尔逊干涉仪条纹计数器的设计[J]. 光学仪器， 2009， 31（3）：64-67.
作者简介：刘斯禹、1994年10月出生、男、籍贯：黑龙江省桦南县、本科生、研究方向为微纳光学。