利用线阵CCD的迈克尔逊干涉仪测量压电材料的压电系数

实验技术与方法
利用线阵CCD 的迈克尔逊干涉仪
测量压电材料的压电系数
肖 化1
,漆建军
2
(1.华南师范大学物理与电信工程学院,广东广州 510006;2.广东外语外贸大学信息科技学院,广东广州 510016)
摘 要:将压电陶瓷片固定在迈克尔逊干涉仪的移动镜上,当加在压电陶瓷片上的驱动直流电压增加时,引起压电陶瓷的微小伸长进而引起移动镜的移动,引起光屏上干涉条纹环数目的变化;用线阵CCD(char ge cou -pled device)作为光电传感器件捕捉干涉条纹的光强信号,再将电信号进行模数转换,采取U SB 接口与微机接口,用C++语言编写程序设计了一种新型的条纹自动计数软件,将这种计数方法与压电系数的测量结合起来,可以自动得出其压电系数。

关键词:迈克尔逊干涉仪;线阵CCD;干涉条纹计数;压电材料;压电系数
中图分类号:T B32-33 文献标志码:B 文章编号:1002-4956(2011)02-0024-04
Measuring piezoeleclric coefficient of piezoelectric material with
Michelson interferometer by using linear CCD
Xiao H ua 1,Q i Jianjun 2
(1.Scho ol o f Phy sics and T elecommunication Eng ineering ,So uth China No rmal U niver sity,Guangzhou 510006,China;2.Schoo l o f Info rmation and T echno lo gy ,
G uang do ng U niver sity o f Fo reig n Studies ,Guangzhou 510006,China)
Abstract:F ix ing piezoelectr ic material o n the mov able mir ro r of M ichelson interfero meter,when the DC driv -ing v olt ag e acted on the piezoelectr ic materia l increases ,the piezoelectr ic material st retches slightly ,leading to the movable mir ro r mov ing slightly ,br inging about the change of number of interfer ence r ing on the light screen.T he method of captur ing the light sig nal o f interfer ence r ing was put for war d by using linear CCD as light -elect ricit y sensor ,and t he method of tr ansfer ring electr icity analog sig na ls to dig ital signals and the meth -od of passing the dig ital sig nals to micr ocomput er w as pr esented by U SB inter face.A nd the paper desig ns t he softw are to count the number o f the interference ring by w riting V isual C++pr og ram.F inally the piezo elec -tric co efficient of piezoelectr ic mater ial is o btained by combining the method o f counting the number of the r ing w ith the met ho d o f measuring the piezoelectric coefficient o f piezo electric mater ials.
Key words:M ichelson interf er ometer ;linear CCD;co unt o f int erference f ringe;piezo electric mater ial;piezo e -lectr ic co efficient
收稿日期:2010-04-02 修改日期:2010-07-07
基金项目:广东省自然科学基金项目(8151063101000030)
作者简介:肖化(1958)),男,江西省吉安市人,教授,博士生导师,研
究方向:实验物理教育.
E -mail:xiaoh @
在自然界中,大多数晶体都有压电效应,然而大多数晶体的压电效应很微弱。

随着科学技术的发展,人工制造的压电陶瓷,如钛酸钡、锆钛酸铅等多晶压电材
料相继问世,且应用越来越广泛[1]。

对压电材料的压电系数测量技术和精确可靠的测量方法的研究,对探索材料压电机理、开发新型材料、改进和充分利用现有
材料都是十分重要的。

压电陶瓷在电场作用下的形变保持较好的线性关系[2],微小的形变量可以通过迈克尔逊干涉仪来测量。

压电陶瓷在电场的作用下微小变化的特性非常适合于微小位移的控制、操作和精细加工,因此被广泛应用在生物医学、超精密机械等超微小
IS SN 1002-4956
CN11-2034/T
实 验 技 术 与 管 理
Experimental T ech nology and M anagemen t
第28卷 第2期 2011年2月Vol.28 No.2 Feb.2011
尺寸的操控等领域[3]。

对压电双晶片的压电系数d 31的测量在工程上有重要的应用[4],用激光干涉法测量压电系数d 31是一种简单可行且精度又高的测量手段。

激光干涉测量压电陶瓷的压电系数的关键是对压电陶瓷在电场作用下压电陶瓷片的微小的形变量的测量,这形变量的测量可以转变为对干涉圆环的精确记数。

在本测量实验中以迈克尔逊干涉仪作为测量的主要仪器,同时辅以线阵CCD(char ge co upled dev ice)作为图像传感器来获取干涉圆环光信号,线阵CCD 输出模拟电信号,再将电信号进行模数转换成为数字信号,送入微机实时处理,由编制的相应软件得到测量的结果。

1 测量原理与实验方法
1.1 测量原理
本实验的测量原理就是迈克尔逊干涉仪的工作原理。

如图1所示,M1和M2是两平面镜,G 是半透半反的分光板,它把由光源射来的光线分成强度相等的两束光,投射到M 1和M 2上,被M 1和M2反射到G 1,又经G 1反射或透射后干涉,并在接收屏上产生干涉条纹。

由于压电陶瓷材料的压电系数d 31的量级是10-10
C/N,在压电陶瓷上加上外电场后,样品的应变是很小的,对于1mm 厚(厚度方向记为3方向)、10mm 宽(宽度方向记为1方向)的样品来说,在厚度方向加数百伏电压,宽方向的绝对伸长量也不过是1L m 的数量级。

于是,对1方向在外加电场作用下所引起的微小长度的测量就显得相当关键,可采用激光干涉的原
理来测量微小伸长量。

图1 测量原理示意图
在样品的极化方向(3方向)的两端加上直流电压,如图1所示,则d 31可表示为
d 31
=5S 15E 3=$L 1L 1E 3=$L 1
L 1#L 3
E 3#L 3=$L 1L 3U 3L 1
(1)
式中,L 3和L 1是样品的几何尺寸,L 3是极化方向的
厚度,L 1是垂直于极化方向的长度,L 1和L 2用游标卡尺测量;U 3是加在极化方向的直流电压,其大小可由电压表直接读出;$L 1则是在1方向上加压后,样品在1方向的伸缩量,$L 1与在某一固定点观察到的条纹移动数目n 之间的关系为$L 1=n
K 2
,进而有[5]d 31=n #K 2#L 3
U 3L 1
(2)
式中,K 是激光的波长,H e -Ne 激光K 为632.8nm 。

因此,只要测出条纹的变化数目,即可计算出样品的应变压电系数d 31。

当选用某种规格的压电陶瓷后,在其3方向加上电压后,则压电陶瓷在1方向会有微小的伸长量,而这微小的伸长量则引起迈克尔逊干涉仪上的移动镜M2移动,进而在光屏上有干涉圆环数目的变化,而这干涉圆环数目的变化则可采用干涉圆环实时信息采集与处理技术获得,由设计的相应软件可实时得出压电陶瓷片的压电系数。

测量压电陶瓷片的压电系数的实验装置如图2
所示。

图2 测量压电陶瓷的压电系数的实验装置图
1.2 线阵CC D 捕获光干涉信号方法
采取光干涉法对压电材料的压电系数的测量的关键技术是对光干涉圆环的自动计数。

为此,特别设计了一个既可遮挡自然光又可呈现干涉条纹的光屏,并
由线阵CCD [6]
对光干涉信号进行捕捉与采集。

在CCD 驱动电路作用下[7],CCD 传感器捕获的模拟信号并不能实现直接与微机的接口,而是需要经过A/D 数据采集卡,转换成的数字信号并通过USB2.0与微机接口来进行传输。

A/D 转换负责将CCD 输出的模拟
信号转换为可被微机识别的二进制数字信号[8],采用AD12S -U SB 数据采集卡实现数据的采集与传输功
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肖 化,等:利用线阵CCD 的迈克尔逊干涉仪测量压电材料的压电系数
能。

该采集卡采用高性能ADC 器件作为核心器件,卡上自带静态缓存,适用于各种测量、测试和分析应用场合,在本测量实验中应用AD12S -U SB 数据采集卡完全可以达到技术要求。

要将压电陶瓷片安放于现有的迈克尔逊干涉仪上以便进行测量,需要对现有的干涉仪进行适当的改造,将压电陶瓷片与迈克尔逊干涉仪移动镜M 2进行连接为一体。

如果将压电陶瓷用硫化硅橡胶直接粘在M 2的架上[11],一则粘得不牢固,二则粘合剂也会发生形变而影响测量精度。

本实验创新地采取一种机械固定的方法,首先将移动镜进行改造,将移动镜与压电陶瓷片的夹紧装置通过机械加工成为一个整体,形成一个新的可以自如拆装压电陶瓷片的移动镜,如图3所示。

2 干涉条纹微机计数的软件设计
软件设计的主要任务是对采集的数据,进行一系列的处理,包括完成对2048个像素点的数字滤波、有
效参考点定位、利用梯度算子实现干涉条纹自动计数、处理结果的显示等。

对干涉条纹的自动计数,一直有很多相关人员在探讨,
较为常见的是将光电二极管、
图3 经过改装的可自如拆装压电陶瓷片的移动镜实物图
三极管、光电倍增管贴附在形成干涉条纹的毛玻璃上,
通过一些处理电路及显示电路进行干涉环的自动计数[9-10]。

本实验是通过线阵CCD 捕获干涉圆环,再通
过一系列图像处理技术转换得到所捕捉的各像元点光强对应的波形图。

图4为干涉圆环中心为亮环时所对应的波形图,图5为中间的干涉环为暗环时所对应波形图。

图4 中间为亮环时干涉环对
应的波形图
图5 中间为暗环时干涉环对应的波形图
在干涉环的计数过程中,当波形图由图4变为图5,再由图5恢复到图4时,才完整地变化了一个环,此时,环数计数器加1。

当计数结束时,如果波形图如图
4所示,则总环数为环数计数器的值;若为图5,则总环数为环数计数器的值加上0.5个环。

3 实验
将改装后的移动镜固定在干涉仪上,如图6所示。

将压电陶瓷片装入。

图6 经过改装的移动镜固定在迈克尔逊干涉仪上
26实 验 技 术 与 管 理
3.1 光路调整
(1)调整H e -Ne 激光器高度,使激光束与迈克尔逊干涉仪分光镜中心基本等高。

(2)调整激光束与分光镜垂直。

(3)调整激光束与迈克尔逊干涉仪两反射镜垂直。

(4)调整动镜M2或定镜M 1,使两束光重合而产生干涉条纹。

3.2 压电陶瓷片的压电系数测量
用线阵CCD 图像传感器捕捉光屏上的干涉圆
环。

使压电陶瓷驱动电压由0~640V 均匀升压,干涉条纹实时信息处理系统自动记录干涉圆环的变化数n 。

3.3 数据处理
用一个直径为25m m 的压电陶瓷片进行实验,即L 1=25m m,将电压值U 3、K 、L 3、L 1数值录入测量软件的数据输入框,点击运行按钮即可得出对应的压电陶瓷片的压电系数d 31,运行界面如图7
所示。

图7 运行结果界面图
测得该压电陶瓷片的压电系数为d 31=1.384@10
-10
C/N,与厂家所提供的参数值基本相一致。

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