杭州电子科技大学：《大学物理》课程实验指导（近代物理）实验21 压电陶瓷特性及振动的干涉测量.pdf_大学文库

近代物理实验一物理实验教学中心实验21压电陶瓷特性及振动的干涉测量引言 19世纪末法国人发现了压电效应。具有压电效应的材料叫压电材料，可将电能转换成机械能，也能将机械能转换成电能，它包括压电单品、压电陶瓷、压电薄膜和压电高分子材料等。压电陶瓷制造工艺简单，成本低，而且具有较高的力学性能和稳定的压电性能，是当前市场上最主要的压电材料，可实现能量转换、传感、驱动、频率控制等功能。由压电陶瓷制成的各种压电振子、压电电声器件、压电超声换能器、压电点火器、压电马达、压电变压器、压电传感器等在信息、激光、导航和生物等高技术领域得到了非常广泛的应用。实验目的 1.了解压电材料的压电特性： 2.掌握用迈克尔逊干涉方法测量微小位移： 3.测量压电陶瓷的压电常数： 4.观察研究压电陶瓷的振动的频率响应特性。实验原理 1.压电效应压电陶瓷是一种多品体，它的压电性可由品体的压电性来解释。品体在机械力作用下，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。对于各向异性品体，对品体施加应力'时，品体将在X,Y,Z三个方向出现与成正比的极化强度，即：尸=d,式中d称为压电陶瓷的压电应力常数。 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S,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,=dE,式中d。称为压电应变常数，对于正和逆压电效应来讲，在数值上是相同的。压电晶体的压电形变有厚度变形型、长度变形型、厚度切变型等基本形式。当对压电晶体施加交变电场时，晶体将随之在某个方向发生机械振动。在不同频率区间压电陶瓷阻抗性质（阻性、感性、容性）不同，对某一特定形状的压电陶瓷元件，在某一频率处（谐振频率），呈现出阻抗最小值，当外电场频率等于谐振频率时，陶瓷片产生机械谐振，振幅最大：而在另一频率处（反诰振频率），呈现出阻抗最大值。 2.迈克耳逊干涉仪

近代物理实验 —— 物理实验教学中心实验 21 压电陶瓷特性及振动的干涉测量引言 19 世纪末法国人发现了压电效应。具有压电效应的材料叫压电材料，可将电能转换成机械能，也能将机械能转换成电能，它包括压电单晶、压电陶瓷、压电薄膜和压电高分子材料等。压电陶瓷制造工艺简单，成本低，而且具有较高的力学性能和稳定的压电性能，是当前市场上最主要的压电材料，可实现能量转换、传感、驱动、频率控制等功能。由压电陶瓷制成的各种压电振子、压电电声器件、压电超声换能器、压电点火器、压电马达、压电变压器、压电传感器等在信息、激光、导航和生物等高技术领域得到了非常广泛的应用。实验目的 1．了解压电材料的压电特性； 2．掌握用迈克尔逊干涉方法测量微小位移； 3. 测量压电陶瓷的压电常数； 4. 观察研究压电陶瓷的振动的频率响应特性。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 三个方向出现与成正比的极化强度，即： Tj Tj  TdP jmjm ，式中称为压电陶瓷的压电应力常数。 d mj 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  EdS nnii ，式中称为压电应变常数，对于正和逆压电效应来讲，d 在数值上是相同的。压电晶体的压电形变有厚度变形型、长度变形型、厚度切变型等基本形式。当对压电晶体施加交变电场时，晶体将随之在某个方向发生机械振动。在不同频率区间压电陶瓷阻抗性质（阻性、感性、容性）不同，对某一特定形状的压电陶瓷元件，在某一频率处（谐振频率），呈现出阻抗最小值，当外电场频率等于谐振频率时，陶瓷片产生机械谐振，振幅最大；而在另一频率处（反谐振频率），呈现出阻抗最大值。 dni 2. 迈克耳逊干涉仪

近代物理实验一—一物理实验教学中心迈克耳逊干涉仪可以测量微小长度。图1是迈克耳逊干涉仪的原理图。光源部分包括半白屏反别镜M2 图1迈克耳逊干涉仪导体激光器和二维调节架。玻璃板G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，故称为分光镜。分光镜G与光束中心线成45°顿斜角。M1和M2为互相垂直并与 G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G 后，光束被分成两路，反射光射向反射镜M1(附压电陶瓷)，透射光射向测量镜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P,产生干涉条纹。M1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M1移动了入2，所以通过测出条纹的变化数就可计算出压电陶资的伸缩量。实验仪器光学平台、半导体激光器（波长650nm以、分束镜、反射镜、压电陶瓷附件、扩束镜、白屏、驱动电源(10-250V)、光电探头。本实验中采用的压电陶瓷为管状，在内外壁上分别镀有电极，以施加电压，在陶瓷管的一端装有激光反射镜，可在迈克耳逊干涉仪中作反射镜使用。实验内容和步骤 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

近代物理实验 —— 物理实验教学中心迈克耳逊干涉仪可以测量微小长度。图 1 是迈克耳逊干涉仪的原理图。光源部分包括半压电陶瓷附件白屏扩束镜分束镜 M1 反射镜 M2 激光器图 1 迈克耳逊干涉仪导体激光器和二维调节架。玻璃板 G 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，故称为分光镜。分光镜 G 与光束中心线成 45°倾斜角。M1 和 M2 为互相垂直并与 G 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 G 后，光束被分成两路，反射光射向反射镜 M1（附压电陶瓷），透射光射向测量镜 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 P，产生干涉条纹。M1 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 M1 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 M1 移动了入/2，所以通过测出条纹的变化数就可计算出压电陶瓷的伸缩量。实验仪器光学平台、半导体激光器（波长 650nm）、分束镜、反射镜、压电陶瓷附件、扩束镜、白屏、驱动电源（10—250V）、光电探头。本实验中采用的压电陶瓷为管状，在内外壁上分别镀有电极，以施加电压，在陶瓷管的一端装有激光反射镜，可在迈克耳逊干涉仪中作反射镜使用。实验内容和步骤 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