黄慧明,欧阳俊,国世上

(武汉大学物理科学与技术学院,湖北武汉430072)

干涉法测量Cymbal换能器的等效压电常量

黄慧明,欧阳俊,国世上

(武汉大学物理科学与技术学院,湖北武汉430072)

在光学平板上用分立光学元件构建了迈克耳孙型分光束干涉仪,利用优化工艺制备的Cymbal换能器件作为核心单元,利用其在电场下的位移放大作用驱动平面反射镜,引起干涉图样的变化,实现了微位移及Cymbal换能器件等效压电常量的测定,并进行了非定域干涉图样变化的动态演示.

分光束干涉;Cymbal换能器;压电常量;非定域干涉

1 引 言

1880年居里兄弟P.Curie与J.Curie发现压电效应(piezoelectric effect).某些晶体在特定方向上受到外力的作用而变形时,其内部会产生极化现象,同时在它的2个相对表面上出现正负相反的电荷.当外力去掉后,它又会恢复到不带电的状态,这种现象称为正压电效应.当作用力的方向改变时,电荷的极性也随之改变.相反,当在晶体的极化方向上施加电场,这些晶体也会发生变形,电场去掉后,其变形随之消失,这种现象称为逆压电效应.具有压电效应的材料除了压电晶体外,还有压电高分子聚合物、压电陶瓷等.压电陶瓷实际上是一种经过极化处理的、具有压电效应的铁电陶瓷,其在机电能量转换、通讯技术和频率控制等许多方面有广泛的应用[1].

Cymbal换能器件由在厚度方向极化的压电陶瓷片夹在2个薄的黄铜钹之间构成,每个铜钹的内表面都有平顶锥形内腔.在电场激励下,陶瓷径向收缩,引起铜钹端帽沿轴向运动[2-4],因而能有效放大陶瓷片的轴向位移.这种换能器件具有体积小、质量轻、有较大的动态范围等优点,并且不同于内电极多层压电陶瓷膜执行器和悬臂梁双晶执行器的是,该种换能器件同时具备大位移和中等驱动力的性能,因而可广泛用作不同领域的传感器和执行器,如水声换能器、加速度计、压力传感器、医疗器械等[5-6].

在国家自然科学基金(No.59973015)资助下,本课题组进行了Cym bal换能器试验研究,研究了铜钹端帽形状参量和制作工艺对Cymbal换能器位移放大作用以及谐振特性、迟滞系数、响应时间、有效机电耦合系数等性能的的影响.本文在此基础上构成了以优化工艺制备的Cymbal换能器件作为核心单元的迈克耳孙型分光束干涉仪,利用该干涉仪测定了Cymbal换能器件在电场作用下产生的微位移及其等效压电常量,并进行了非定域干涉条纹变化的动态演示.

2 干涉仪的结构和测量原理

干涉仪结构如图1所示,其由半导体激光器、扩束镜、分光棱镜、两平面反射镜及相关支架组装在光学平板上构成,其中1面平面反射镜后安装有Cymbal换能器单元,半导体激光器和Cymbal换能器由自制的一体化2路输出直流电源驱动,输出到Cym bal换能器的直流电压在0～500 V内线性可调.分立结构的优势在于学生可自己动手布置和调节光路,使学生更好地了解干涉仪的原理和应用;而正方体分光棱镜由于集分光和补偿功能于一体,其采用方便了仪器调整和研究观察.Cymbal换能器件外形及电场作用下的截面形变如图2所示,在电场作用下,陶瓷片本身的轴向位移和径向形变经铜钹端帽转换后得到较大的轴向位移共同组成了Cym bal换能器件的轴向形变,使平面反射镜发生位移,引起2束光的光程差变化,从而引起干涉图样的变化,根据干涉图样的变化即可实现位移及Cymbal换能器件等效压电常量的测定.当以实验室常用的信号源输出低频电信号(如正弦、三角波、方波和脉冲信号)至Cymbal换能器件上时,Cymbal换能器件产生交变的轴向形变驱动该平面反射镜发生交变位移,从而引起非定域干涉条纹的动态变化.

图1 分光束干涉仪结构图

图2 Cymbal换能器外形及截面形变示意图

图3是上述仪器的光学原理图.半导体激光器发出的激光经扩束镜会聚形成点光源S,光源S发出的光经过分光棱镜 G的半反射面分成强度相同的2束光,光束1经由反射镜M1反射回来,再次经过分光棱镜 G后射向观测屏 E;同时光束2经过平面反射镜M2反射,经过分光棱镜G半反面反射后射向观测屏 E,由于2束光是相干光,所以在观测屏E上可观察到干涉现象.

图3 干涉仪光学原理图

如图4所示,点光源发出的光波经半反射面G及平面镜M1和M2反射后,相当于由2个相干虚点光源S1和S2发出的球面波.只要观察屏E在2列球面波的重叠区域内,都能看到干涉现象,因此称之为非定域干涉[7-9].

图4 点光源产生的非定域干涉计算示意图

虚光源S1和S2间的距离为M1和M2′间距离 d的2倍,虚光源S1和S2到屏上任意点 P的光程差为

由于 Z≫d,将上式按级数展开,并略去高阶无穷小项,可得:

式中θ为S1到 P点光线与法线之间的夹角.可见 d一定时,θ相同的场点,2列光波的光程差相等,所以在垂直于S1和S2连线的观察屏上,干涉图样是1组同心圆环.

当d一定时,θ越小光程差越大,当θ=0时光程差最大,即圆心处的干涉级次最高.

当d增加时,可看到圆环从中心一个个“冒出”;反之当 d减小,圆环向中心一个个缩进“淹没”消失.d每改变λ/2距离,圆心就“冒出”或“淹没”1条条纹.

若M1移动距离为Δd,“冒出”或“淹没”的条纹数为N,则有

如图3所示,平面反射镜的位移量即是电场驱动下Cym bal元件的轴向形变量,由陶瓷片本身的轴向位移和陶瓷片的径向形变经端帽转换放大后的轴向位移2部分组成.于是Cym bal元件的等效压电常量为

式中U为加在Cym bal元件两极上的驱动电压.

3 测量结果与讨论

将上述组装好的仪器调整到观测状态后,首先在Cym bal元件两极上施加了低频电信号(如正弦、三角波、方波和脉冲信号),观察了非定域干涉条纹的动态变化,并用数码相机拍摄了相关视频,取得了满意的效果,图5为实验中得到的干涉图样之一.断开信号源输出后,将前述自制的直流电源输出端连接到Cymbal元件两极上,测量了22级条纹变化时的驱动电压,并由式(3)计算了Cymbal元件的等效压电常量.

图5 干涉图样

实验中λ红=650 nm,N=22,8次测得驱动电压值为U=497.2,497.0,497.0,496.9,497.2,496.8,497.0,496.9 V,¯U=497.0 V.

根据实验数据和电压测量所用数字万用表相应量程的准确度,由式(3)和不确定度传递公式计算得Cym bal元件的等效压电常量为

本文中Cymbal元件制备采用的是四川压电与声光技术研究所生产的PZT-5压电陶瓷片,其直径为12.5 mm,厚度为1 mm,d33为0.6 nm/V.由上述实验结果可知,Cymbal元件等效压电常量d33eff为PZT-5压电陶瓷片 d33的24倍,充分展现了Cymbal元件较好的位移放大作用.

4 结束语

以Cym bal换能器件作为核心单元,由分立光学元件组建了迈克耳孙型分光束干涉仪,动态演示点光源非定域干涉图样变化,测量了Cymbal元件等效压电常量.这些工作有助于学生加深对分光束非定域干涉的物理现象、压电效应及其工程应用等方面的理解,也是将科研成果转化应用到教学方面所作的有益的尝试.

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[责任编辑: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届全国高等学校物理实验教学研讨会”论文

2010-06-10;修改日期:2010-08-14

武汉大学国家物理实验示范中心创新实验项目

黄慧明(1965-),男,湖北汉川人,武汉大学物理科学与技术学院副教授,博士,从事功能材料制备表征及微纳加工应用研究.