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基于电致伸缩实验仪的压电陶瓷特性研究

发表时间：2020/7/6 来源：《新纪实》2019年第11期作者：范纬世李玲玲李敬瑜

[导读] 通过对迈克尔逊干涉仪光路的调整，使光电探头的响应电压与三角波驱动电压的频率一致且峰－峰值最大。

        河北科技学院河北保定 071000

        【摘要】通过对迈克尔逊干涉仪光路的调整，使光电探头的响应电压与三角波驱动电压的频率一致且峰－峰值最大。
        【关键词】迈克尔逊干涉仪；压电陶瓷；峰－峰值；伸长位移
        中图分类号：TN911     文献标识码：Ａ

        一、实验设计
        实验装置如图１所示，其中半导体激光器的激光波长为650nm，波形发生器可产生驱动电压为1～20V的三角波电压。实验中采用的压电陶瓷材料为管状，长为40mm，壁厚为1mm，在内、外壁上镀电极，用来施加电压，在陶瓷管的一端装反射镜，可在迈克尔逊干涉仪中充当反射镜使用。将光电探头信号和波形发生器信号连入数字示波器，可比较驱动电压、光电探头响应电压的峰－峰值和频率。

        图1压电陶瓷动态特性研究实验装置图
        当用光电探头替代光屏，并施加周期性的驱动电压信号时，压电陶瓷将发生周期性的振动，迈克尔逊干涉仪所产生的干涉条纹也将发生周期性的移动，干涉条纹所对应的光场强度也会发生相应的变化。
        二、光路调整
        如果我们能找到合适的驱动电压使压电陶瓷位移量正好为λ／4，且接收信号的电压波形峰－峰值的最大，那么光电探头响应电压的波形将会是与驱动电压波形同频率、其峰－峰值最大的一个完整波形。这样我们就可研究驱动电压与接收信号的峰－峰值电压的关系，以及驱动电压与伸长位移量之间的关系。
        光路调整前先加一个较大的驱动电压，驱动电压频率为2800Hz。仔细调整迈克尔逊干涉仪反射镜后的调节螺丝（让相干光完全重合）、半导体激光器后的调节螺丝（调整干涉光斑的位置）、光电探头后的调节螺丝（调整光电探头接收角度），让光电探头响应电压的峰－峰值最大，如图２所示。

        图２响应电压的峰－峰值
        响应电压波形出现双峰的原因是驱动电压过大，压电陶瓷伸长位移大于λ／4，干涉条纹光强变化超过最大值后对应减少，便会在波形的峰值和谷值出现双峰。然后，继续调整各调节螺丝，使响应电压波形出现的双峰左右对称。此时，降低驱动电压，在实验中当驱动电压降到12.8V时，双峰消失，变成单峰，出现与驱动电压频率相同、且峰－峰值最大的完整波形。此时峰－峰值电压会降到3.04V，频率与驱动电压频率一致。
        三、实验结果
        （一）驱动电压与光电探头响应电压峰－峰值的关系
        在不同驱动电压下，V１及V１对应的峰－峰值Vp-p 是一系列与h有关的值[4]。响应电压的峰－峰值电压为
                          （1）
        当驱动电压从0～12.8Ｖ，光电探头响应电压峰－峰值Vp-p为0～3.04V，对应变化为0～λ／4，如表１所示。
        表1 驱动电压与Vp-p的关系

        由表1可计算出各Vp-p 对应的h，这样就可得h与驱动电压的关系，我们用f=cx+d进行拟合，其中在95％的可信度范围，c＝11.987，ｄ＝1.907（c，d分别为斜率和截距），发现在高频率下伸长位移量与驱动电压成良好的线性关系。其中系数c可表示伸长位移量与驱动电压的关系，即灵敏度。灵敏度是压电传感器的一个重要指标，且有灵敏度可算出对应的压电常数。其中压电陶瓷管长为40mm，壁厚为1mm，对应压电常数为11.987×1／40）＝0.2997（nm／V）。
        实验基于迈克尔逊干涉仪平台，通过光路调整找到等倾干涉的最大级干涉、光强变化量最大，且调节驱动电压大小，使光电探头的响应电压的频率与驱动电压一致且电压峰－峰值最大。改变驱动电压的大小来测量响应电压，响应电压与驱动电压成正弦变化，伸长位移量与驱动电压成线性关系。基于迈克尔逊干涉仪平台，利用干涉法测量压电陶瓷动态特性，装置简单、易操作，尤其通过光路调整找到合适的响应电压后，响应电压、伸长位移量与驱动电压的关系就可准确测量。

        参考文献：
        [1]王涛，王晓东，王立鼎.压电陶瓷快速响应特性与应用研究[J].传感技术学报，2009，22(6)：785-789．

        【作者简介】范纬世（1982），男，硕士，讲师。研究方向：天体物理。