干涉法測量Cymbal換能器的等效壓電常量

黃慧明,歐陽俊,國世上

(武漢大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,湖北武漢430072)

干涉法測量Cymbal換能器的等效壓電常量

黃慧明,歐陽俊,國世上

(武漢大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,湖北武漢430072)

在光學(xué)平板上用分立光學(xué)元件構(gòu)建了邁克耳孫型分光束干涉儀,利用優(yōu)化工藝制備的Cymbal換能器件作為核心單元,利用其在電場下的位移放大作用驅(qū)動平面反射鏡,引起干涉圖樣的變化,實現(xiàn)了微位移及Cymbal換能器件等效壓電常量的測定,并進(jìn)行了非定域干涉圖樣變化的動態(tài)演示.

分光束干涉;Cymbal換能器;壓電常量;非定域干涉

1 引 言

1880年居里兄弟P.Curie與J.Curie發(fā)現(xiàn)壓電效應(yīng)(piezoelectric effect).某些晶體在特定方向上受到外力的作用而變形時,其內(nèi)部會產(chǎn)生極化現(xiàn)象,同時在它的2個相對表面上出現(xiàn)正負(fù)相反的電荷.當(dāng)外力去掉后,它又會恢復(fù)到不帶電的狀態(tài),這種現(xiàn)象稱為正壓電效應(yīng).當(dāng)作用力的方向改變時,電荷的極性也隨之改變.相反,當(dāng)在晶體的極化方向上施加電場,這些晶體也會發(fā)生變形,電場去掉后,其變形隨之消失,這種現(xiàn)象稱為逆壓電效應(yīng).具有壓電效應(yīng)的材料除了壓電晶體外,還有壓電高分子聚合物、壓電陶瓷等.壓電陶瓷實際上是一種經(jīng)過極化處理的、具有壓電效應(yīng)的鐵電陶瓷,其在機(jī)電能量轉(zhuǎn)換、通訊技術(shù)和頻率控制等許多方面有廣泛的應(yīng)用[1].

Cymbal換能器件由在厚度方向極化的壓電陶瓷片夾在2個薄的黃銅鈸之間構(gòu)成,每個銅鈸的內(nèi)表面都有平頂錐形內(nèi)腔.在電場激勵下,陶瓷徑向收縮,引起銅鈸端帽沿軸向運(yùn)動[2-4],因而能有效放大陶瓷片的軸向位移.這種換能器件具有體積小、質(zhì)量輕、有較大的動態(tài)范圍等優(yōu)點,并且不同于內(nèi)電極多層壓電陶瓷膜執(zhí)行器和懸臂梁雙晶執(zhí)行器的是,該種換能器件同時具備大位移和中等驅(qū)動力的性能,因而可廣泛用作不同領(lǐng)域的傳感器和執(zhí)行器,如水聲換能器、加速度計、壓力傳感器、醫(yī)療器械等[5-6].

在國家自然科學(xué)基金(No.59973015)資助下,本課題組進(jìn)行了Cym bal換能器試驗研究,研究了銅鈸端帽形狀參量和制作工藝對Cymbal換能器位移放大作用以及諧振特性、遲滯系數(shù)、響應(yīng)時間、有效機(jī)電耦合系數(shù)等性能的的影響.本文在此基礎(chǔ)上構(gòu)成了以優(yōu)化工藝制備的Cymbal換能器件作為核心單元的邁克耳孫型分光束干涉儀,利用該干涉儀測定了Cymbal換能器件在電場作用下產(chǎn)生的微位移及其等效壓電常量,并進(jìn)行了非定域干涉條紋變化的動態(tài)演示.

2 干涉儀的結(jié)構(gòu)和測量原理

干涉儀結(jié)構(gòu)如圖1所示,其由半導(dǎo)體激光器、擴(kuò)束鏡、分光棱鏡、兩平面反射鏡及相關(guān)支架組裝在光學(xué)平板上構(gòu)成,其中1面平面反射鏡后安裝有Cymbal換能器單元,半導(dǎo)體激光器和Cymbal換能器由自制的一體化2路輸出直流電源驅(qū)動,輸出到Cym bal換能器的直流電壓在0～500 V內(nèi)線性可調(diào).分立結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢在于學(xué)生可自己動手布置和調(diào)節(jié)光路,使學(xué)生更好地了解干涉儀的原理和應(yīng)用;而正方體分光棱鏡由于集分光和補(bǔ)償功能于一體,其采用方便了儀器調(diào)整和研究觀察.Cymbal換能器件外形及電場作用下的截面形變?nèi)鐖D2所示,在電場作用下,陶瓷片本身的軸向位移和徑向形變經(jīng)銅鈸端帽轉(zhuǎn)換后得到較大的軸向位移共同組成了Cym bal換能器件的軸向形變,使平面反射鏡發(fā)生位移,引起2束光的光程差變化,從而引起干涉圖樣的變化,根據(jù)干涉圖樣的變化即可實現(xiàn)位移及Cymbal換能器件等效壓電常量的測定.當(dāng)以實驗室常用的信號源輸出低頻電信號(如正弦、三角波、方波和脈沖信號)至Cymbal換能器件上時,Cymbal換能器件產(chǎn)生交變的軸向形變驅(qū)動該平面反射鏡發(fā)生交變位移,從而引起非定域干涉條紋的動態(tài)變化.

圖1 分光束干涉儀結(jié)構(gòu)圖

圖2 Cymbal換能器外形及截面形變示意圖

圖3是上述儀器的光學(xué)原理圖.半導(dǎo)體激光器發(fā)出的激光經(jīng)擴(kuò)束鏡會聚形成點光源S,光源S發(fā)出的光經(jīng)過分光棱鏡 G的半反射面分成強(qiáng)度相同的2束光,光束1經(jīng)由反射鏡M1反射回來,再次經(jīng)過分光棱鏡 G后射向觀測屏 E;同時光束2經(jīng)過平面反射鏡M2反射,經(jīng)過分光棱鏡G半反面反射后射向觀測屏 E,由于2束光是相干光,所以在觀測屏E上可觀察到干涉現(xiàn)象.

圖3 干涉儀光學(xué)原理圖

如圖4所示,點光源發(fā)出的光波經(jīng)半反射面G及平面鏡M1和M2反射后,相當(dāng)于由2個相干虛點光源S1和S2發(fā)出的球面波.只要觀察屏E在2列球面波的重疊區(qū)域內(nèi),都能看到干涉現(xiàn)象,因此稱之為非定域干涉[7-9].

圖4 點光源產(chǎn)生的非定域干涉計算示意圖

虛光源S1和S2間的距離為M1和M2′間距離 d的2倍,虛光源S1和S2到屏上任意點 P的光程差為

由于 Z?d,將上式按級數(shù)展開,并略去高階無窮小項,可得:

式中θ為S1到 P點光線與法線之間的夾角.可見 d一定時,θ相同的場點,2列光波的光程差相等,所以在垂直于S1和S2連線的觀察屏上,干涉圖樣是1組同心圓環(huán).

當(dāng)d一定時,θ越小光程差越大,當(dāng)θ=0時光程差最大,即圓心處的干涉級次最高.

當(dāng)d增加時,可看到圓環(huán)從中心一個個“冒出”;反之當(dāng) d減小,圓環(huán)向中心一個個縮進(jìn)“淹沒”消失.d每改變λ/2距離,圓心就“冒出”或“淹沒”1條條紋.

若M1移動距離為Δd,“冒出”或“淹沒”的條紋數(shù)為N,則有

如圖3所示,平面反射鏡的位移量即是電場驅(qū)動下Cym bal元件的軸向形變量,由陶瓷片本身的軸向位移和陶瓷片的徑向形變經(jīng)端帽轉(zhuǎn)換放大后的軸向位移2部分組成.于是Cym bal元件的等效壓電常量為

式中U為加在Cym bal元件兩極上的驅(qū)動電壓.

3 測量結(jié)果與討論

將上述組裝好的儀器調(diào)整到觀測狀態(tài)后,首先在Cym bal元件兩極上施加了低頻電信號(如正弦、三角波、方波和脈沖信號),觀察了非定域干涉條紋的動態(tài)變化,并用數(shù)碼相機(jī)拍攝了相關(guān)視頻,取得了滿意的效果,圖5為實驗中得到的干涉圖樣之一.斷開信號源輸出后,將前述自制的直流電源輸出端連接到Cymbal元件兩極上,測量了22級條紋變化時的驅(qū)動電壓,并由式(3)計算了Cymbal元件的等效壓電常量.

圖5 干涉圖樣

實驗中λ紅=650 nm,N=22,8次測得驅(qū)動電壓值為U=497.2,497.0,497.0,496.9,497.2,496.8,497.0,496.9 V,ˉU=497.0 V.

根據(jù)實驗數(shù)據(jù)和電壓測量所用數(shù)字萬用表相應(yīng)量程的準(zhǔn)確度,由式(3)和不確定度傳遞公式計算得Cym bal元件的等效壓電常量為

本文中Cymbal元件制備采用的是四川壓電與聲光技術(shù)研究所生產(chǎn)的PZT-5壓電陶瓷片,其直徑為12.5 mm,厚度為1 mm,d33為0.6 nm/V.由上述實驗結(jié)果可知,Cymbal元件等效壓電常量d33eff為PZT-5壓電陶瓷片 d33的24倍,充分展現(xiàn)了Cymbal元件較好的位移放大作用.

4 結(jié)束語

以Cym bal換能器件作為核心單元,由分立光學(xué)元件組建了邁克耳孫型分光束干涉儀,動態(tài)演示點光源非定域干涉圖樣變化,測量了Cymbal元件等效壓電常量.這些工作有助于學(xué)生加深對分光束非定域干涉的物理現(xiàn)象、壓電效應(yīng)及其工程應(yīng)用等方面的理解,也是將科研成果轉(zhuǎn)化應(yīng)用到教學(xué)方面所作的有益的嘗試.

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[責(zé)任編輯:任德香]

Measuring the equivalent piezoelectric constant of Cymbal transducer using optical interferencemethod

HUANG Hui-ming,OU YANG Jun,GUO Shi-shang
(College of Physics,W uhan University,Wuhan 430072,China)

Amp litude-splitting double-beam interferometer of M ichelson type is constructed w ith discrete op tical component on op tical table.A s a co re unit of this interferometer,a Cymbal transducer w ith op timized technological parameter is used to drive one of the reflecting p lanemirrors,leading to the variation of the op tical path difference and the interference pattern,thus the measurement of micro-disp lacement and the equivalent piezoelectric constant of Cymbal transducer are comp leted.It can also be used to demonstrate the dynam ic variation of nonlocalized fringes w ith an AC voltage signal.

amp litude-sp litting double-beam interference;Cymbal transducer;piezoelectric canstant;nonlocalized interference

O436.1

A

1005-4642(2010)11-0005-03

“第6屆全國高等學(xué)校物理實驗教學(xué)研討會”論文

2010-06-10;修改日期:2010-08-14

武漢大學(xué)國家物理實驗示范中心創(chuàng)新實驗項目

黃慧明(1965-),男,湖北漢川人,武漢大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院副教授,博士,從事功能材料制備表征及微納加工應(yīng)用研究.