外界干擾對(duì)干涉法研究壓電陶瓷實(shí)驗(yàn)的影響

劉斯禹+韓雪+郭天超+高瑜+郭天飛

摘 要：為研究實(shí)驗(yàn)臺(tái)震動(dòng)、較強(qiáng)空氣流速以及溫度對(duì)干涉法研究壓電陶瓷實(shí)驗(yàn)的影響，在實(shí)驗(yàn)過程中添加震動(dòng)和較強(qiáng)空氣流速影響，使用電阻絲加熱爐添加溫度影響。結(jié)果表明：震動(dòng)和較強(qiáng)的空氣流動(dòng)都會(huì)導(dǎo)致干涉圓環(huán)模糊，無法進(jìn)行讀取數(shù)據(jù)；但這兩種干擾排除后干涉圓環(huán)恢復(fù)原樣。即這兩種外界干擾不會(huì)引起干涉條紋數(shù)目的變動(dòng)，但會(huì)影響讀數(shù)，故應(yīng)盡力避免。而隨著壓電陶瓷溫度的升高，壓電系數(shù)有明顯的變化趨勢因此在實(shí)驗(yàn)過程中應(yīng)注意保持壓電陶瓷不受陽光直射，遠(yuǎn)離熱源，保持恒溫。

關(guān)鍵詞：壓電陶瓷；壓電系數(shù)；干涉法；外界干擾

0引言

壓電陶瓷因?yàn)橹谱鞴に嚭喡裕杀镜土?，同時(shí)具有較好的力學(xué)和壓電性能，是如今應(yīng)用最廣的壓電材料。壓電陶瓷的主要性能參數(shù)是壓電常數(shù)d33 ，壓電常數(shù)越大，機(jī)械能與電能轉(zhuǎn)化效率就越高。本文利用逆壓電效應(yīng)，通過給壓電陶瓷片施加一個(gè)電壓，測量陶瓷片的形變大小，來計(jì)算其壓電常數(shù)。陶瓷片形變由邁克爾遜干涉儀進(jìn)行測量，將陶瓷片與反射鏡膠合在一起，當(dāng)陶瓷片發(fā)生形變時(shí)，干涉條紋發(fā)生移動(dòng)，根據(jù)條紋移動(dòng)的數(shù)目測定其壓電常數(shù)。

然而，微小位移的精確測量十分困難，外界干擾對(duì)邁克爾遜干涉儀的影響較大，在之前的實(shí)驗(yàn)中已經(jīng)證實(shí)[1]，外界干擾對(duì)測量結(jié)果產(chǎn)生影響，造成實(shí)驗(yàn)結(jié)果有較大的誤差。另外，由于壓電陶瓷的壓電常數(shù)本身也會(huì)受外界條件影響，因此，為了精確測量壓電常數(shù)，需要測試周圍環(huán)境對(duì)測量結(jié)果的影響。

本文將對(duì)桌面震動(dòng)、周圍空氣流動(dòng)、周圍溫度變化這三種外界干擾進(jìn)行研究，分析它們對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果造成的影響。為本實(shí)驗(yàn)的誤差分析提供一種新思路；對(duì)于避免造成較大誤差提供新的研究方法。

1實(shí)驗(yàn)原理與方法

1.1 壓電陶瓷

未經(jīng)處理的壓電陶瓷內(nèi)部呈現(xiàn)各向同性，極化強(qiáng)度是零。在特定溫度時(shí)對(duì)壓電陶瓷做極化處理，使得壓電陶瓷具有一定的極化強(qiáng)度，再降低溫度，取消極化電場，壓電陶瓷的兩端出現(xiàn)電性相反的束縛電荷，陶瓷片表現(xiàn)出了壓電性。而由于束縛電荷吸引來一層等量的外界的自由電荷，壓電陶瓷總體上無極性。

若對(duì)壓電陶瓷在極化方向上加上電場E，陶瓷片會(huì)產(chǎn)生機(jī)械形變S，這就是逆壓電效應(yīng)。其滿足以下關(guān)系：

Si = din En （1）

式中dnj叫做壓電應(yīng)變常量。有關(guān)壓電陶瓷的性質(zhì)，很多文獻(xiàn)都做出了豐富的研究[2，3，4，5，6，7]。后面不做更多贅述。

1.2 邁克爾遜干涉儀

邁克爾遜干涉儀是一種分振幅干涉裝置，是研究干涉問題的最常用儀器之一。圖1是邁克爾遜干涉儀的原理示意圖。光源部分包括半導(dǎo)體激光器和二維調(diào)節(jié)架。與光束中心線成45°傾斜角處有一分束鏡，分束鏡的向光源的一側(cè)表面上涂有半透射膜，能將入射光分成兩束，一束透射、一束反射。還有兩個(gè)相互垂直并且與分束鏡成45°角的平面反射鏡M1、M2，其中M1后附有壓電陶瓷材料是本實(shí)驗(yàn)特有的附件。打開激光器，由光源發(fā)出的光經(jīng)分束鏡后分成兩路，然后兩路光線分別由平面反射鏡 M1和 M2反射，向觀測屏處傳播，這兩條光線是相干光線。當(dāng)兩束相干光產(chǎn)生的光程差發(fā)生改變時(shí)，干涉光強(qiáng)就會(huì)相應(yīng)發(fā)生改變[8]。隨著光程差的改變，干涉條紋會(huì)“冒出”或“縮進(jìn)”，條紋中心的光強(qiáng)會(huì)產(chǎn)生周期性的明暗交替變化，其由明變暗交替為一個(gè)周期，恰好對(duì)應(yīng)條紋級(jí)數(shù)的增加或減小一次[9，10]。

△t=N λ/2 （2）

通過給壓電陶瓷加電壓U使壓電陶瓷產(chǎn)生電致伸縮，M1隨之移動(dòng)，干涉條紋就會(huì)增加或者減少。由于明暗變化一個(gè)周期對(duì)應(yīng)干涉條紋級(jí)數(shù)變化了一級(jí)，正好相當(dāng)于反射鏡M1發(fā)生λ/2位移，所以通過測條紋的變化數(shù)就可由公式（2）計(jì)算出壓電陶瓷的伸縮量。

1.3 實(shí)驗(yàn)器材

（1）SGO-20型壓電陶瓷特性實(shí)驗(yàn)裝置和電源組件。天津港東科技發(fā)展股份有限公司。

（2）風(fēng)扇。

（3）電阻絲加熱爐。

（4）壓電陶瓷片。

1.4 實(shí)驗(yàn)方法

（1）排除干擾，進(jìn)行無干擾實(shí)驗(yàn)，獲得無干擾對(duì)照組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，計(jì)算陶瓷片厚度的變化量△t。

（2）保持對(duì)照組實(shí)驗(yàn)條件不變，改變空氣流速對(duì)邁克爾遜干涉儀進(jìn)行影響，將風(fēng)扇固定在邁克爾遜干涉儀前方一定距離，調(diào)節(jié)風(fēng)力大小，風(fēng)吹角度，反復(fù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算△t。

（3）保持對(duì)照組實(shí)驗(yàn)條件不變，增加實(shí)驗(yàn)臺(tái)震動(dòng)影響，將壓電陶瓷片以膠帶固定于干涉儀上，并加以不同頻率及幅值的正弦交變電流作震動(dòng)源。調(diào)節(jié)震動(dòng)頻率，反復(fù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算△t。

（4）保持對(duì)照組實(shí)驗(yàn)條件不變，加熱壓電陶瓷，用加熱爐改變壓電陶瓷溫度至不同溫度。反復(fù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算壓電常數(shù)d33。

2實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1對(duì)照組實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

無干擾的情況下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，根據(jù)公式（2）整理數(shù)據(jù)得壓電陶瓷的厚度改變量數(shù)據(jù)見表1。

由表1可知，壓電陶瓷上的電壓從0V變到150V，厚度改變量約為9.68184μm。

2.2實(shí)驗(yàn)臺(tái)震動(dòng)對(duì)干涉圓環(huán)數(shù)量影響結(jié)果分析

通過改變通入震動(dòng)源交變電流的幅值與頻率，研究不同程度的震動(dòng)對(duì)該實(shí)驗(yàn)的影響。實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，震動(dòng)干擾會(huì)導(dǎo)致干涉儀各個(gè)元件的震動(dòng)，影響光路的穩(wěn)定。對(duì)干涉儀施加間歇性的震動(dòng)之后，觀察到干涉條紋的抖動(dòng)，當(dāng)干擾過大時(shí)會(huì)導(dǎo)致條紋短暫消失。對(duì)干涉儀施加連續(xù)性的震動(dòng)之后，觀察到條紋始終模糊，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)無法繼續(xù)進(jìn)行。

2.3較強(qiáng)空氣流動(dòng)對(duì)干涉圓環(huán)數(shù)量影響結(jié)果分析

通過改變風(fēng)扇與實(shí)驗(yàn)儀器的位置，研究不同強(qiáng)度的空氣流動(dòng)對(duì)該實(shí)驗(yàn)的影響。實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)施加較強(qiáng)空氣流動(dòng)干擾之后，觀察到干涉圓環(huán)模糊以至于無法觀測，可能是較強(qiáng)空氣流動(dòng)導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)儀震動(dòng)所致。以風(fēng)速較小的風(fēng)扇進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，測得實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見表2。表中組號(hào)1～3表示風(fēng)扇在干涉儀一側(cè)，距離依次增大，組號(hào)4表示風(fēng)扇正對(duì)壓電陶瓷片，組號(hào)5表示背對(duì)壓電陶瓷片。

由表2可知，加空氣流動(dòng)干擾后壓電陶瓷上的電壓從0V變到150V，厚度改變量約為9.176μm。與對(duì)照組進(jìn)行對(duì)比，求相對(duì)誤差。

在誤差范圍內(nèi)，可認(rèn)為加空氣流動(dòng)干擾后，測量結(jié)果與對(duì)照組相等。可認(rèn)為空氣流動(dòng)會(huì)導(dǎo)致元器件震動(dòng)而影響條紋成像，導(dǎo)致條紋模糊甚至消失，進(jìn)而帶來較大的實(shí)驗(yàn)誤差；但對(duì)空氣折射率沒有影響，即對(duì)最終結(jié)果影響不大。

2.4溫度變化對(duì)壓電系數(shù)的影響分析

本文共測了七個(gè)溫度的壓電常數(shù)：25℃，27℃，30℃，32℃，34℃，39℃，37℃。根據(jù)公式（2），采用作圖法求壓電常數(shù)d33，再對(duì)每個(gè)溫度的多組數(shù)據(jù)求平均值得表3。

對(duì)表3中的數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，發(fā)現(xiàn)線性函數(shù)可以對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行較好地?cái)M合，其擬合優(yōu)度R2為0.9899，擬合曲線及方程為：

由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可看出本文所選取的實(shí)驗(yàn)儀器中的壓電陶瓷對(duì)溫度較敏感，隨著溫度的升高，d33值明顯地減小。

在實(shí)驗(yàn)過程中，當(dāng)加熱溫度上升到46℃時(shí)，條紋吞吐過快導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)誤差較大，無法讀數(shù)。推測在一定溫度范圍內(nèi)，壓電陶瓷的壓電系數(shù)與溫度成線性減小關(guān)系。當(dāng)溫度過大時(shí)，溫度影響壓電陶瓷的穩(wěn)定性，測量誤差較大。

3結(jié)論

（1）震動(dòng)干擾會(huì)導(dǎo)致干涉儀各個(gè)元件的震動(dòng)，影響光路的穩(wěn)定，導(dǎo)致條紋抖動(dòng)甚至消失；因而實(shí)驗(yàn)過程中要盡量降低震動(dòng)干擾，盡量使用光學(xué)防震平臺(tái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

（2）較強(qiáng)的空氣流動(dòng)導(dǎo)致認(rèn)為空氣流動(dòng)會(huì)導(dǎo)致元器件震動(dòng)而影響條紋成像，導(dǎo)致條紋模糊甚至消失，進(jìn)而帶來較大的實(shí)驗(yàn)誤差；但對(duì)空氣折射率沒有影響，即對(duì)最終結(jié)果影響不大。

（2）在一定溫度范圍內(nèi)，隨著壓電陶瓷溫度的升高，壓電系數(shù)線性減?。划?dāng)溫度過大時(shí)，溫度影響壓電陶瓷的穩(wěn)定性，測量誤差較大。因而在實(shí)驗(yàn)過程中應(yīng)注意保持壓電陶瓷不受陽光直射，遠(yuǎn)離熱源，保持恒溫。

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作者簡介：劉斯禹、1994年10月出生、男、籍貫：黑龍江省樺南縣、本科生、研究方向?yàn)槲⒓{光學(xué)。