天津大学工程光学实验——压电陶瓷特性测量
压电陶瓷微位移器特性测试实验研究
压电陶瓷微位移器特性测试实验研究李明，薛晨阳，翟成瑞（中北大学电子测试技术国家重点实验室，仪器科学与动态测试教育部重点实验室，山西太原030051）摘要：运用光学干涉原理，结合微系统测试分析仪器，分别对压电陶瓷管和压电陶瓷位移器的非线性特性进行测试研究，主要对升压及降压时PZT 位移进行测试和电源驱动器闭环状态下的性能测试。
关键词：压电陶瓷；微位移；压电陶瓷微位移器；闭环；干涉Laboratory Study of Characteristic Testing for PiezoelectricCeramic MicropositioningLI Ming，XUE Chen-yang, ZHAI Cheng-rui(National Key Laboratory For Electronic Measurement Technology, Key Laboratory of Instrumentation Science Dynamic Measurement North University of China, Taiyua n 030051, China) Abstract: Based on the theory of light interference, with the Micro System Analyzer, the article studied and tested the non-linearity character for the Piezoelectric ceramic tube and Piezoelectric ceramic Micro positioning. Primary tested the PZT positioning during increasing voltage and decreasing voltage. Also tested the performance of the power driver under the closed-loop.Keyw ords: piezoelectric ceramic；nanopositioning;；piezoelectric ceramic micropositioning；closed loop；Interference 中图分类号：TH74 文献标识码：B 文章编号：1812-1918（2009）03-0061-040 引言利用光学干涉测量对微观形貌的检测应用十分广泛，其中白光垂直扫描干涉仍是现在光学干涉测试仪器普遍使用的方法。
压电陶瓷的测试-
第二章压电陶瓷测试2.4 NBT基陶瓷的极化与压电性能测试2.4.1 NBT基陶瓷的极化1. 试样的制备为对压电陶瓷进行极化和性能测试，烧结后的陶瓷需要进行烧银处理。
烧银就是在陶瓷的表面上涂覆一层具有高导电率，结合牢固的银薄膜作为电极。
电极的作用有两点：（1）为极化创造条件，因为陶瓷本身为强绝缘体，而极化时要施加高压电场，若无电极，则极化不充分；（2）起到传递电荷的作用，若无电极则在性能测试时不能在陶瓷表面积聚电荷，显示不出压电效应。
首先将烧结后的圆片状样品磨平、抛光，使两个平面保持干净平整。
然后在样品的表面涂覆高温银浆（武汉优乐光电科技有限公司生产，型号：SA-8021），并在一定温度干燥。
将表面涂覆高温银浆的样品放入马弗炉进行处理，慢速升温到320~350℃，保温15min以排除银浆中的有机物，快速升温到820℃并保温15min后随炉冷却，最后将涂覆的银电极表面抛光。
2. NBT基压电材料的极化利用压电材料正负电荷中心不重合，对烧成后的压电陶瓷在一定温度、一定直流电场作用下保持一定的时间，随着晶粒中的电畴沿着电场的择优取向定向排列，使压电陶瓷在沿电场方向显示一定的净极化强度，这一过程称为极化[70]。
极化是多晶铁电、压电陶瓷材料制造工艺中的重要工序，压电陶瓷在烧结后是各向同性的多晶体，电畴在陶瓷体中的排列是杂乱无章的，对陶瓷整体来说不显示压电性。
经过极化处理后，陶瓷转变为各向异性的多晶体，即宏观上具有了极性，也就显示了压电性。
对于不同类型的压电陶瓷，进行合适的极化处理才能充分发挥它们最佳的压电特征。
决定极化条件的三个因素为极化电压、极化温度和极化时间。
为了确定NBT基压电材料的最佳极化条件，本文采用硅油浴高压极化装置（华仪电子股份有限公司生产，型号：7462）详细研究了样品的极化行为，并确定了最佳的极化条件。
2.4.2 NBT基陶瓷的压电性能测试1．压电振子及其等效电路图2.11 压电振子的等效电路利用压电材料的压电效应，可以将其按一定取向和形状制成有电极的压电器件。
压电陶瓷测试及压电材料相关制作介绍
压电陶瓷测试及压电材料相关制作介绍NBT基陶瓷的极化与压电性能测试2.4.1 NBT基陶瓷的极化1. 试样的制备为对压电陶瓷进行极化和性能测试，烧结后的陶瓷需要进行烧银处理。
烧银就是在陶瓷的表面上涂覆一层具有高导电率，结合牢固的银薄膜作为电极。
电极的作用有两点：（1）为极化创造条件，因为陶瓷本身为强绝缘体，而极化时要施加高压电场，若无电极，则极化不充分；（2）起到传递电荷的作用，若无电极则在性能测试时不能在陶瓷表面积聚电荷，显示不出压电效应。
首先将烧结后的圆片状样品磨平、抛光，使两个平面保持干净平整。
然后在样品的表面涂覆高温银浆（武汉优乐光电科技有限公司生产，型号：SA-8021），并在一定温度干燥。
将表面涂覆高温银浆的样品放入马弗炉进行处理，慢速升温到320~350℃，保温15min以排除银浆中的有机物，快速升温到820℃并保温15min后随炉冷却，最后将涂覆的银电极表面抛光。
附资料压电压片装置：ZJ-D33-YP15压电陶瓷压片机，材料压片机，粉末陶瓷压片机，超导材料压片机，新型能源压片机关键词：压片机，粉末，压片一、产品介绍：ZJ-D33系列型手动压电/材料压片机和电动压电/材料压片机广泛用于新材料，超导，粉末陶瓷，新型电源，建材等领域，可以配合ZJ-3/6/5型压电测试仪和钙铁分析，红外光谱(IR)，X荧光(XRF)分析仪器配套使用，用特定的模具可以压制成各种各样的片,柱及异型体,组合体等进行科学研究，应用非常广泛,使用简单、方便、可靠。
目前是国内高等院校进行自行科学材料研究的重要辅助工具。
二、应用范围：粉末陶瓷压片，新材料压片，超导压片，新型电源，建材压片三、特点：具有快速上压，快速退模，压力高，稳定性好，不漏油，无污染，维修简便四、主要技术资料一、手动型技术参数:压力范围: 0--15T，0-24T，0-30T，0-40T系统压力: 0--25 MPa ( 250Kgf /Cm*Cm )，0--40 MPa ( 400Kgf /Cm*Cm )，0--30 MPa ( 300 Kgf /Cm*Cm )，0--40 MPa ( 400Kgf /Cm*Cm )油缸升程: 0--20 mm，压力稳定性:≤1MPa / 10min运动模式: 带快速预紧.工作空间: 160×160×150 mm外形尺寸: 270×200×450 mm重量: 30 kg二、数显型特点及功能：1、微功耗，准确度高，高清晰度五位数字液晶显示。
实验33 压电陶瓷的电致伸缩系数的测量
实验33 压电陶瓷的电致伸缩系数的测量迈克尔逊干涉仪是一种用分振幅方法产生双光束，以实现干涉的仪器，它在近代物理和计量技术中有着广泛的应用，YJ-MDZ-II压电陶瓷电致伸缩实验仪利用了迈克尔逊干涉仪的原理, 测定压电陶瓷的电致伸缩系数。
1实验目的（1）了解迈克尔逊干涉仪的工作原理，掌握其调整方法；（2）观察等倾干涉、等厚干涉和非定域干涉现象；（3）利用电致伸缩实验仪观察研究压电陶瓷的电致伸缩现象，测定压电陶瓷的电致伸缩系数。
2实验仪器YJ-MDZ-II电致伸缩实验仪。
3仪器介绍YJ-MDZ-II电致伸缩实验仪由机械台面、半导体激光器、千分尺、杠杆放大装置等组成，如图1所示。
一个机械台面固定在底座上，底座上有4个调节螺钉，用来调节台面的水平，在台面上装有半导体激光器、分光板G1、补偿板G2、反光镜M1、反光镜M2、毛玻璃屛、千分尺、10:1杠杆放大装置，台面下装有激光电源插座。
调节千分尺x（mm）可使反光镜M1沿反光镜垂直方向移动x/10（mm）。
反射镜M1M2可沿导轨移动，M1M2二镜的背面各有二个螺钉，可调节镜面的倾斜度。
4实验原理4.1YJ-MDZ-II电致伸缩实验仪的原理光路图2 YJ-MDZ-II电致伸缩实验仪的原理光路图3 等倾干涉如图2所示，从光源S发出的一束光经分光板G1的半反半透分成两束光强近似相等的光束1和2，由于G1与反射镜M1和M2均成450角，所以反射光1近于垂直地入射到M1后经反射沿原路返回，然后透过G1而到达E，透射光2在透射过补偿板G2后近于垂直地入射到M2上，经反射也沿原路返回，在分光板后表面反射后到达E处，与光束1相遇而产生干涉，由于G2的补偿作用，使得两束光在玻璃中走的光程相等，因此计算两束光的光程差时，只需考虑两束光在空气中的几何路程的差别。
从观察位置E处向分光板G1看去，除直接看到M1外还可以看到M2被分光板反射的象，在E处看来好象是M1和M/2反射来的,因此干涉仪所产生的干涉条纹和由平面M1与M’2之间的空气薄膜所产生的干涉条纹是完全一样的，这里M’2仅是M2的像，M1与M’2之间所夹的空气层形状可以任意调节，如使M1与M’2平行（夹层为空气平板）、不平行（夹层为空气劈尖）、相交（夹层为对顶劈尖）、甚至完全重合，这为讨论干涉现象提供了极大的方便，这也是本仪器的长处之一，长处之二是迈克尔逊干涉仪光路中把两束相干光相互分离得很远，这样就可以在任一支光路里放进被研究的东西，通过干涉图像的变化可以研究物质的某些物理特性，如气体折射率等，也可以测透明薄板的厚度。
压电陶瓷制备与测试实验报告
压电陶瓷制备与测试实验报告一、实验要求1、了解压电陶瓷的基本性能、结构、用途、制备方法。
2、了解压电陶瓷常见的表征方法及检测手段。
3、掌握压电陶瓷材料压电、介电性能等性能测试方法。
4、掌握压电陶瓷的性能分析方法。
二、压电陶瓷材料制备过程主要包括以下步骤：配料-混合-预烧-粉碎-成型-排胶-烧结-被电极-极化-测试。
1、配料：Bi2O3···14.1244113464136 Sc2O3···4.13930659262249 PbO···23.339070300907 TiO2···8.397211760056962、原料选用纯度高、细度小和活性大的粉料，根据配方或分子式选择所用原料，并按原料纯度进行修正计算，然后进行原料的称量。
按化学配比配料以后，使用行星式球磨机将各种配料混合均匀。
实验室常采用的是水平方向转动球磨方式，震动球磨是另一种常用的球磨方法，此外还有气流粉碎法等混合方法。
3、混合球磨后的原料进行预烧。
预烧是使原料间发生固相化学反应以生成所需产物的过程，预烧过程中应注意温度和保温时间的选择。
将预烧反应后的材料使用行星式球磨机粉碎。
4、成型的方法主要有四种；轧膜成型、流延成型、干压成型和静水压成型。
轧膜成型适用于薄片元件；流延成型适合于更薄的元件，膜厚可以小于10 m；干压成型适合于块状元件；静水压成型适合于异形或块状元件。
除了静水压成型外，其他成型方法都需要有粘合剂，粘合剂一般占原料重量的3％左右。
成型以后需要排胶。
粘合剂的作用只是利于成型，但它是一种还原性强的物质，成型后应将其排出以免影响烧结质量。
5、烧结是将坯体加热到足够高的温度，使陶瓷坯体发生体积收缩、密度提高和强度增大的过程。
烧结过程的机制是组成该物质的原子的扩散运动。
烧结的推动力是颗粒或者晶粒的表面能，烧结过程主要是表面能降低的过程。
压电陶瓷实验报告
压电陶瓷实验报告压电陶瓷微位移性能测量实验报告一、实验目的：1、了解压电陶瓷的性能参数；2、了解电容测微仪的工作原理，掌握电容测微仪的标定方法；3、掌握压电陶瓷微位移测量方法；二、实验仪器：电容测微仪一台：型号JDC-2000测微台架一台：型号BCT－5C，斜度1:50直流调压器一台：电压量程（0～300V）标定平铁板一块压电陶瓷管一根三、实验原理：（一）利用测微台架标定电容测微仪在测微台架的台架上放置一金属平板，将电容测微仪探头用测微台架夹紧，使探头的端面与平板平行，见图1，移动测微台架的旋钮，分别读出测微仪移动示值和电容测微仪的示值。
这样得到一组数据即可对电容测微仪进行标定。
图1 电容侧微仪标定原理图（二）用标定后的电容测微仪测量压电陶瓷管的线性度在电容测微仪的线性区（对应机械标定仪的某个位置），通过可调直流电源按一定间隔改变直流电压（见图2），分别对压电陶瓷加压，使之分别产生轴向变形（见图3）和弯曲变形（见图4），从而得到压电陶瓷的伸长与偏转量与施加其上的电压的关系。
图2 可调高压电源图3 测压电陶瓷轴向伸缩图4测压电陶瓷侧向弯曲四、实验步骤（一）标定电容测微仪的线性度１、实验前，了解实验原理及其实验注意事项，并检查实验仪器是否齐全。
２、使用仪器前，将传感器端面与被测物（标定平铁板）表面用汽油认真清洗干净，以清洗掉杂质及灰尘微粒；而后将电源线和传感器与电缆分别连接好并拧紧。
３、将标定平铁板安放在测微台架的台架上，而后用夹具将电容传感器探头夹紧，接着上下调整探头使探头与标定平铁板距离接近测量区。
４、为便于进行数据分析，可将测微台架示值调至某一合适值，并将电容测微仪示值调零，而后进行实验；实验采用一人细调（等间距）测微台架，另一人记录的方式，为了标定线性区，测定线性误差，调值采用先等间距调至140μm，再等间距调回的方法。
（为了节约时间，调值范围为0～140μm，调值间距为5μm，共计读29个数。
压电陶瓷振动的干涉测量实验报告精编版
压电陶瓷振动的干涉测量实验报告文件编码（008-TTIG-UTITD-GKBTT-PUUTI-WYTUI-8256）一、实压电陶瓷振动的干涉测量实验报告验目的与实验仪器1.实验目的（1）了解压电陶瓷的性能参数；（2）了解电容测微仪的工作原理，掌握电容测微仪的标定方法；（3）、掌握压电陶瓷微位移测量方法。
2.实验仪器压电陶瓷材料（一端装有激光反射镜，可在迈克尔逊干涉仪中充当反射镜）、光学防震平台、半导体激光器、双踪示波器、分束镜、反射镜、二维可调扩束镜、白屏、驱动电源、光电探头、信号线等。
二、实验原理1. 压电效应压电陶瓷是一种多晶体，它的压电性可由晶体的压电性来解释。
晶体在机械力作用下，总的电偶极矩（极化）发生变化，从而呈现压电现象，因此压电陶瓷的压电性与极化、形变等有密切关系。
1) 正压电效应：压电晶体在外力作用下发生形变时，正、负电荷中心发生相对位移，在某些相对应的面上产生异号电荷，出现极化强度。
对于各向异性晶体，对晶体施加应力时，晶体将在 X，Y，Z 三个方向出现与应力成正比的极化强度，即：E = g·T（g为压电应力常数），2) 逆压电效应：当给压电晶体施加一电场 E 时，不仅产生了极化，同时还产生形变 ，这种由电场产生形变的现象称为逆压电效应，又称电致伸缩效应。
这是由于晶体受电场作用时，在晶体内部产生了应力（压电应力），通过应力作用产生压电应变。
存在如下关系：S = d ·U（d 为压电应变常数）对于正和逆压电效应来讲， g 和d 在数值上是相同的。
2. 迈克耳逊干涉仪的应用迈克耳逊干涉仪可以测量微小长度。
上图是迈克耳逊干涉仪的原理图。
分光镜的第二表面上涂有半透射膜，能将入射光分成两束，一束透射，一束反射。
分光镜与光束中心线成 45°倾斜角。
M 1 和 M 2 为互相垂直并与分束镜都成 45°角的平面反射镜，其中反射镜 M 1 后附有压电陶瓷材料。
天津大学工程光学实验——压电陶瓷特性测量
d 2 1 2nL
光程差没变化一个波长干涉条纹就明暗变化一次，则测量过程中 d 相对 应的干涉条纹变化次数为
实验内容 1. 推导出位移 L 和条纹变化数 N 的关系式。 2. 测量位移 L 与电压 U 的关系，并表述 U-L 曲线。 3. 计算出最大位移量 Lmax。 实验要求 1. 调整激光器使光束与平台平行，并进行扩束。
位移l和条纹变化数n的推导设在测量开始时一束激光经分光器g分成两束它们经参考反射镜m1和目标反射镜m2后沿原路返回并在分光电处重新相遇两束光的光程差为为目标反射镜m2到分光点的距离为参考镜m1到分光点的距离
天津大学本科生实验报告ห้องสมุดไป่ตู้
课程名称：压电陶瓷特性测量 实验二
一、 实验目的
姓名：
学号：
学院：精仪学院
Lmax 10.76 m
1. 通过实验掌握激光测长仪的基本工作原理； 2. 掌握搭设激光光路的基本方法与技巧； 3. 学会用干涉方法测量微小位移。 二、 实验原理 测量位移是迈克尔逊干涉仪的典型应用，测量原理如图-1 所示。 由 He-Ne 激光器发出的光 经分光镜 G 后，光束被分成两 路，反射光射向参考镜 M1（固 定） ， 透射光射向测量镜 M2 （可 移动） ，两路光分别经 M1、M2
N
式中 0 为激光光波中心波长。
d 2nL 0 0
天津大学本科生实验报告
课程名称：压电陶瓷特性测量 姓名： 学号： 学院：精仪学院
五、 思考题 实验原理光路中未加补偿镜，为什么？请说明原因。 答：由于实验中使用单色光，光程损失可以通过调节参考反射镜的位置进行 补偿，这样就可以免去补偿镜。
反射后，在接受屏 P 处产生干涉，通过测出条纹的变化数可计算出位移量， 这就是激光测长仪的基本原理。 三、 实验仪器
实验十一 压电陶瓷介电性能测定2015413日修改
实验十一 压电陶瓷介电性能测定实验名称：压电陶瓷介电性能测定 实验项目性质：普通实验 所涉及课程：电子材料 计划学时：2学时 一 、实验目的1. 通过实验了解电介质介电常数与介质损耗角正切tgδ 的概念和物理意义；2. 熟悉用LCR 型电桥测量电容器的电容量及介质损耗角正切的方法；3. 通过实验了解不同类型的介质材料其tgδ随频率的变化特性。
二、实验内容1. 实验老师介绍使用TH2810B 系列LCR 型电桥；2. 测试压电陶瓷的介电常数。
三、实验（设计）仪器设备和材料清单TH2810B 系列LCR 型电桥、压电陶瓷晶片、千分尺等。
四、实验原理根据电介质理论，各种电介质在电场作用下都要发生极化过程，其宏观表现可以用电介质的介电系数来表征。
不同类型的介质材料，由于发生极化的微观机制不同，不仅数值有明显差别，而且与频率的关系也有很大不同。
同样地，由于产生介质损耗的来源不同，各类电介质的tg δ数值及其与频率的关系都表现出各不相同的特点。
实验时，选用要测定的电介质制成电容器作为测量样品，利用LCR 电桥直接测定电容量和损耗角正切值的大小以及与频率的关系，研究介质的极化特性。
在已知样品直径（d ）和电介质厚度（t ）的条件下，由公式204/r Ct d επε=--C -电容（F ），t 样品厚度（m ），d -样品直径（m ），ε0-真空介电常数8.85×10-12（F/m ）。
就能计算出相应的介电系数 。
测试不同频率下电介质的介电系数和损耗角正切tgδ，常用电桥法，其工作原理如图11-1所示。
将试样等效成电容C X 和电阻R X 并联，调节R 4和C N ，使电桥平衡，根据平衡条件可求得：改变测试频率，可获得不同频率下的介电系数和损耗角正切。
其中C N 、R 3为已知标准平衡元件。
图11-1 电桥法测试原理五、实验步骤利用TH2810B系列LCR型电桥测试。
1.用游标卡尺测量样品的厚度t和直径d。
显微动态散斑法测量压电陶瓷位移特征曲线
式（１０）表明，放大倍率Ｍ越大则曲线拟合的误差 影响越小，当ｎ值已知为３．４５扯ｍ，一般曲线拟 合的误差在土０．２像素以内，测量位移间隔Ｎ为 ５个像素，放大倍率取１００，定标测量误差为士 ０．５，这时位移测量的合成误差为０．０１４扯ｍ。
移，ＡＸ为接收平面相关距离。式（７）中生≠＝
Ｍ为成像系统的放大倍率。散斑光强的互相关
测量的要点。
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已有的测量压电陶瓷特性的方法是干涉条纹 测量法、光杠杆法等Ｉｓ－ｓ］。通常测量压电陶瓷压电 与位移关系采用光学相干法，这种方式需要搭建 稳定的干涉光路，后期的条纹数据图像处理过程 繁琐，同时干涉条纹的质量也会影响测量的精度。 而利用动态散斑技术测量位移，方法简单，数据处 理方便，目前极受同行关注口。９］。散斑光强场服从 高斯分布，在傍轴和非傍轴区域散斑位移相同，强 度统计分布相同，所以在测量系统中无需考虑离 轴及视场等影响。散斑位移表征了散射体表面的 位移，物体位移和散斑位移的关系取决于光路与 位移类型，通过计算位移前后光场强度的互相关 函数即可得到散斑场的位移信息。散斑相关的方 法具有非接触、高精度的优点，在测量面内位移及 离面位移领域有着广泛的应用。动态散斑则利用 位移与时间的对应关系测量物体的速度，也可以 在光路中加入滤波元件，通过测量功率谱来测量 速度。散斑相关和动态散斑都是通过物体表面的 反射或投射的散斑位移来反映物体位移的，测量 方式在本质上相同。本文提出采用显微动态散斑 相关法来测量压电陶瓷的压电位移并标定其线性 区间，利用显微镜测量提高系统的放大倍率，进而 实现了微位移的测量，同时利用逐次叠加相关得 到了压电陶瓷迟滞时间关系曲线。
ａ
ｍｉｃｒｏ ｏｂｊｅｃｔｉｖｅ ｉｓ ｗｉｔｈ ｍａｇｎｉｆｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ １００ ａｎｄ ＮＡ ｏｆ １．２５．Ｉｎ ｃｏｎｓｉｄｅｒａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｄｉｆ－
实验十二 压电陶瓷压电性能测定
实验十二压电陶瓷压电性能测定实验名称：压电陶瓷压电性能测定实验项目性质：普通实验所涉及课程：电子材料计划学时：2学时一、实验目的1.了解压电常数的概念和意义；2.掌握压电陶瓷压电常数的测定方法。
3.学会操作ZJ-3AN型准静态d33测量仪。
二、实验内容1. 实验老师介绍使用压电常数测量仪测试d33的原理与步骤；2. 测试压电陶瓷的压电常数。
三、实验（设计）仪器设备和材料清单ZJ-3AN型准静态d33测量仪、压电陶瓷晶片等。
四、实验原理压电陶瓷，一种能够将机械能和电能互相转换的功能陶瓷材料，是一种具有压电效应的材料。
当在某一特定方向对晶体施加应力时，在与应力垂直方向两端表面能出现数量相等、符号相反的束缚电荷，这一现象被称为“正压电效应”。
逆压电效应：当一块具有压电效应的晶体置于外电场中，由于晶体的电极化造成的正负电荷中心位移，导致晶体形变，形变量与电场强度成正比。
压电常数是反映力学量（应力或应变）与电学量（电位移或电场）间相互耦合的线性响应系数。
通常用d ij 表示，下标中第一个数字代表电场方向或电极面的垂直方向，第二个数字代表应力或应变方向。
五、实验步骤（1）用两根多芯电缆把测量头和仪器本体连接好，接通电源。
（2）把Φ20尼龙片插入测量头的上下探头之间，调节手轮，使尼龙片刚好压住为止。
（3）把仪器后面板上的“显示选择”开关置于“d33”一侧，此时面板右上方绿灯亮。
（4）把仪器后面板上的“量程选择”开关置于“×1”档。
（5）按下“快速模式”，仪器通电预热10分钟后，调节“调零”旋钮使面板表指示在“0”与“-0”之间跳动。
调零即完成，撤掉尼龙片开始测量。
（6）依次接入待测元件，表头显示d33结果及正负极性，记录。
（7）取三次测量的平均值。
六、实验报告要求1. 实验目的；2. 实验内容；3. 实验设备（仪器），材料；4. 实验原理；5. 实验步骤；6. 实验数据测试与记录；7. 实验结果与分析。
振动与压电陶瓷实验
压电陶瓷特性及振动的干涉测量具有压电效应的材料叫压电材料，可将电能转换成机械能，也能将机械能转换成电能，它包括压电单晶、压电陶瓷、压电薄膜和压电高分子材料等。
压电陶瓷制造工艺简单，成本低，而且具有较高的力学性能和稳定的压电性能，是当前市场上最主要的压电材料，可实现能量转换、传感、驱动、频率控制等功能。
由压电陶瓷制成的各种压电振子、压电电声器件、压电超声换能器、压电点火器、压电马达、压电变压器、压电传感器等在信息、激光、导航和生物等高技术领域得到了非常广泛的应用。
本实验通过迈克尔逊干涉方法测量压电陶瓷的压电常数及其振动的频率响应特性。
【实验目的】1．了解压电材料的压电特性；2．掌握用迈克尔逊干涉方法测量微小位移。
3. 测量压电陶瓷的压电常数。
4. 观察研究压电陶瓷的振动的频率响应特性。
【实验原理】1. 压电效应压电陶瓷是一种多晶体，它的压电性可由晶体的压电性来解释。
晶体在机械力作用下，总的电偶极矩（极化）发生变化，从而呈现压电现象，因此压电陶瓷的压电性与极化、形变等有密切关系。
(1)正压电效应压电晶体在外力作用下发生形变时，正、负电荷中心发生相对位移，在某些相对应的面上产生异号电荷，出现极化强度。
对于各向异性晶体，对晶体施加应力j T 时，晶体将在X ，Y ，Z 三个方向出现与jT 成正比的极化强度， 即： j mj m T d P =， 式中mj d 称为压电陶瓷的压电应力常数。
(2)逆压电效应当给压电晶体施加一电场E 时，不仅产生了极化，同时还产生形变S ，这种由电场产生形变的现象称为逆压电效应，又称电致伸缩效应。
这是由于晶体受电场作用时，在晶体内部产生了应力（压电应力），通过应力作用产生压电应变。
存在如下关系n ni i E d S =，式中ni d 称为压电应变常数 ，对于正和逆压电效应来讲，d 在数值上是相同的。
压电晶体的压电形变有厚度变形型、长度变形型、厚度切变型等基本形式。
当对压电晶体施加交变电场时，晶体将随之在某个方向发生机械振动。
PZT陶瓷的压电性能测试实验报告
测量头原理示意图
4. PZT压电陶瓷d33的测量
4. PZT压电陶瓷d33的测量
3.操作方法
3.1 测试前的准备工作
3.1.1 用两根多芯电缆把测量头和仪器本体连接好，接通电源。 3.1.2 把附件盒内的Φ20尼龙片插入测量头得上下探头之间，调节 手轮，是尼龙片刚好压住为止。 3.1.3 把仪器后面板上的“显示选择”开关置于“d33”一侧，此时 前面板上右上方绿灯亮。 3.1.4 仪器后面板设有“量程选择”开关，可根据需要选择。一般 置于“×1”档即可，如材料的d33值较低可置于“×0.1”档；但两档要 分别为零。 3.1.5 按下“快速模式”，仪器通电预热10分钟后，调节“凋零” 旋钮使面板表指示在“0”与“-0”之间跳动，跳动即完成，撤掉尼龙片 开始测量。凋零一律在“快速模式”下进行，为减少测量误差，在测 量过程中零点如有变化或换档时，需要从新凋零。
快速模式即连续测量，被测元件均为极化后已放置一点时间并已彻 底放电后的试样，此时“放电提示”红色发光二极管闪烁，随时提醒 操作人员首先对压电元件放电后再进行测量，以避免损坏仪器。选择 “快速模式”测量，每更换一个被测元件，表头会迅速显示d33结果及 正负极性。
3.4“安全模式”测量
对于刚刚极化完的压电试样，在短时间内，即使多次放电也很难彻 底放完，压电试样上仍然会存在少则几千伏，多则几万伏的电压。选 择“安全模式”可使仪器在测量过程中能自动对被测元件进行放电， 以确保仪器安全。在插入被测试样后，放电过程开始并自动完成，此 时表头指示为零，按下“测量触发”键，表头才能显示出测量结果。 每测一只元件，都要重复一次上述过程。在“安全模式”状态下， “放电提示”指示灯熄灭，“测量触发”按钮内的绿色发光二极管一 直点亮。
PZT压电陶瓷的制备及其d33 的测试
压电陶瓷的极化原理和测试方法
压电陶瓷的极化原理和测试方法说实话压电陶瓷的极化原理和测试方法这事儿，我一开始也是瞎摸索。
我先来说极化原理吧。
我就感觉这个极化啊，就像是给一群不听话的小粒子排个队一样。
压电陶瓷里面呢有很多小晶粒，这些小晶粒里面又有自发极化的电畴。
在没有极化之前啊，这些电畴的方向是乱七八糟的。
当我们施加一个很强的电场的时候，就好像用一个大棒子指挥这些调皮的电畴，让它们尽可能朝着电场的方向排列。
我试了好多遍才渐渐有点感觉。
刚开始我都不确定电场要加到多大，我就一点点试。
比如说我从一个比较小的电场开始加，发现根本没什么效果，那些电畴就跟没听见指挥似的。
然后我就慢慢增大电场，但是增大到一定程度后，我又不敢加太大了，就怕把陶瓷给弄坏了。
后来看了好多资料才知道不同类型的压电陶瓷能够承受的最大电场是有一个范围的，这个一定要注意。
咱再说说测试方法。
我试过用电桥来测试压电陶瓷的一些电学性质。
这就好比是给陶瓷做个体检，让电桥这个“大夫”去测量它的电阻或者电容之类的东西。
但是一开始我总是接错线，那测量结果完全就是乱七八糟的。
经过好多次尝试才知道哪根线该接哪里。
还有就是测试压电系数的时候，我一开始就按照书上写的步骤，但怎么测出来的值都不太对。
我当时就特别苦恼。
后来我发现原来是我对样品的制备没有做到位。
像是在制备电极的时候，一定要确保电极和陶瓷表面接触良好，就好比给一个人量血压，那袖带得绑紧了才能量准。
在极化的时候还有些小的技巧。
比如说极化的温度也很重要。
我有一次就是在温度控制不好的情况下极化的，结果极化效果特别差。
就好像是给士兵在冷热不定的环境里训练，效率特别低。
还有就是极化之后的陶瓷，要放置一段时间再去测试，让它稳定稳定，这就像刚跑完步要休息下才能准确测量心跳一样。
这就是我在摸索压电陶瓷的极化原理和测试方法过程中的一些经历和心得，希望能给你一些帮助。
这里边还有太多需要探索的地方，我也常常碰到新问题呢。
压电陶瓷测量原理
压电陶瓷测量原理压电陶瓷测量原理压电陶瓷及其测量原理近年来，压电陶瓷的研究发展迅速，取得一系列重大成果，应用范围不断扩大，已深入到国民经济和尖端技术的各个方面中，成为不可或缺的现代化工业材料之一。
由于压电材料的各向异性，每一项性能参数在不同的方向所表现出的数值不同，这就使得压电陶瓷材料的性能参数比一般各向同性的介质材料多得多。
同时，压电陶瓷的众多的性能参数也是它广泛应用的重要基础。
（一）压电陶瓷的主要性能及参数（1）压电效应与压电陶瓷在没有对称中心的晶体上施加压力、张力或切向力时，则发生与应力成比例的介质极化，同时在晶体两端将出现正负电荷，这一现象称为正压电效应；反之，在晶体上施加电场时，则将产生与电场强度成比例的变形或机械应力，这一现象称为逆压电效应。
这两种正、逆压电效应统称为压电效应。
晶体是否出现压电效应由构成晶体的原子和离子的排列方式，即晶体的对称性所决定。
在声波测井仪器中，发射探头利用的是正压电效应，接收探头利用的是逆压电效应。
（2）压电陶瓷的主要参数介质损耗是包括压电陶瓷在内的任何电介质的重要品质指标之一。
在交变电场下，电介质所积蓄的电荷有两种分量：一种是有功部分（同相），由电导过程所引起；另一种为无功部分（异相），由介质弛豫过程所引起。
介质损耗是异相分量与同相分量的比值，如图 1 所示，IC为同相分量，IR为异相分量，IC与总电流 I 的夹角为δ，其正切值为tanδ=IR1= 其中ω 为交变电场的角频率，R 为损耗电阻，C 为介质电容。
ICωCR图 1 交流电路中电压-电流矢量图（有损耗时）2、机械品质因数机械品质因数是描述压电陶瓷在机械振动时，材料内部能量消耗程度的一个参数，它也是衡量压电陶瓷材料性能的一个重要参数。
机械品质因数越大，能量的损耗越小。
产生能量损耗的原因在于材料的内部摩擦。
机械品质因数Qm的定义为：Q谐振时振子储存的机械能m=⨯2机械品质因数可根据等效电路计算而得πQm=s111=ωsL11式中R1为等效电阻（Ω），ωs 为串联谐振角频率（Hz），C1 为振子谐振时的等效电容（F），L1为振子谐振时的等效电感。
实验2 压电陶瓷特性及振动的干涉测量
——压电常数
l a Vl0
l n
2
a
n
2l0 V
实验2 压电陶瓷特性及振动的干涉测量
3. 压电陶瓷振动特性的研究
正弦信号的频率反映了振动 的速度；
三角波一个周期内包含的正 弦波周期数量反映了振幅。
光电信 A 号(V) 时 间 t(s)
驱动电 压(V)
光电探头 提取信号
时 间 t(s)
R
扩束镜 压电陶瓷附件 示 波 器 驱动 电束镜
反 射 镜
反射镜
实验2压电陶瓷特性及振动的干涉测量振动测量仪光干涉测量振动测量振动的测量振动特性
实验2 压电陶瓷特性及振动的干涉测量
实验2 压电陶瓷特性及振动的干涉测量
1. 压电陶瓷特性
l l0 V a l0
3
——压电常数
1
2
图1 实验用的圆管形压电陶瓷
实验2 压电陶瓷特性及振动的干涉测量
2. 干涉法测量压电常数
实验十一干涉法测量压电陶瓷特性
实验三测定偏振器透光轴方向
一、实验目的
1.进一步加深对偏振光理论的理解。
2.掌握偏振光在实际中的简单应用。
二、实验原理
本实验是根据布儒斯特定律，通过测量布儒斯特角，实现对偏振器透光轴方向测定的。
实验原理如图13—1所示
图13 — 1
自然光在透明介质分界处发生反射和折射时,可以分解为两个分量,一个是电矢量在入射面内的水平分量,另一个是电矢量垂直于入射面的垂直分量,当一束自然光入射到介质分界面时,其入射角θ满足下式时:
θ=θp = arctg (n2/n1) (13 —1)
反射光是电矢量垂直于入射面的线偏振光，θp角称布儒斯特角。
通过实验的方法测出θp，就可确定偏振器透光轴的方向。
三、实验仪器与设备
1.He —Ne激光器一台
2.偏振器一块
3.载玻片n≈1.5 一块
4.自动转角装置一套
四、实验内容与步骤
实验内容
1.根据实验原理自己设计实验方案，并画出光路图，搭设实验光路。
2.测出偏振器透光轴方向，注明其在刻度盘上的具体角度。
实验步骤
1.调整激光束与光学平台平行。
2.利用载玻片及自动转角装置测出θp角。
3.测出并注明偏振器透光轴方向。
注意事项
1.先画实验原理简图，再搭设实验光路。
2.调整光路时不能用眼睛正对激光束，以免伤害眼睛。
要用白纸接收光。
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1. 通过实验掌握激光测长仪的基本工作原理； 2. 掌握搭设激光光路的基本方法与技巧； 3. 学会用干涉方法测量微小位移。 二、 实验原理 测量位移是迈克尔逊干涉仪的典型应用，测量原理如图-1 所示。 由 He-Ne 激光器发出的光 经分光镜 G 后，光束被分成两 路，反射光射向参考镜 M1（固 定） ， 透射光射向测量镜 M2 （可 移动） ，两路光分别经 M1、M2
Lmax 10.76 m
N
式中 0 为激光光波中心波长。
d 2nL 0 0
天津大学本科生实验报告
课程名称：压电陶瓷特性测量 姓名： 学号： 学院：精仪学院
五、 思考题 实验原理光路中未加补偿镜，为什么？请说明原因。 答：由于实验中使用单色光，光程损失可以通过调节参考反射镜的位置进行 补偿，这样就可以免去补偿镜。
d 2 1 2nL
光程差没变化一个波长干涉条纹就明暗变化一次，则测量过程中 d 相对 应的干涉条纹变化次数为
实验内容 1. 推导出位移 L 和条纹变化数 N 的关系式。 2. 测量位移 L 与电压 U 的关系，并表述 U-L 曲线。 3. 计算出最大位移量 Lmax。 实验要求 1. 调整激光器使光束与平台平行，并进行扩束。
天津大学本科生实验报告
课程名称：压电陶瓷特性测量 实验二
一、 实验目的
姓名：
学号：
学院：精仪学院
专业：测控技术与仪器
年级：
成绩：
干涉法测量压电陶瓷特性
2. 用自准法在光路中调整扩束镜和分光镜，使透镜轴与光束同轴、分光镜与光 束垂直。 3. 给压电陶瓷加电，要求干涉条纹每变化一次记录相应的电压值。 注意事项 1. 调整光路时不能用眼睛正对激光光束，以免伤害眼睛。要用白纸接收光。 2. 连接电源时注意不要短路，电压最高加至 300V。 位移 L 和条纹变化数 N 的推导 设在测量开始时，一束激光经分光器 G 分成两束，它们经参考反射镜 M1 和目标反射镜 M2 后沿原路返回，并在分光电处重新相遇，两束光的光程差为
反射后，在接受屏 P 处产生干涉，通过测出条纹的变化数可计算出位移量， 这就是激光测长仪的基本原理。 三、 实验仪器
光学平台、He-Ne 激光器（波长 0.6328μm） 、可调反射镜、分光镜、接收屏、 一维导轨、可调高压电源（调节范围 0-300V） 、被测压电陶瓷。 四、 实验要求与内容
在测量开始和结束这段时间里，光程的变化量
专业：测控技术与仪器
年级：
成绩：
在实际测量中，采用干涉条纹计数法，可将上式改写为
ห้องสมุดไป่ตู้L N
2
式中 0 / n 是激光光波在空中的波长。 位移 L 与电压 U 的关系 实验的时，调节电压时，LabVIEW 可观测到光强周期性变化，即明暗条 纹周期性变化。数据如下（起始为暗条纹） 124V 133V 139V 147V 153V 162V 168V 173V 178V 183V 189V 195V 199V 205V 210V 214V 218V 223V 227V 231V 237V 241V 246V 250V 254V 260V 265V 269V 273V 277V 283V 286V 293V 296V 300V 利用 MATLAB 绘制曲线如下
P He—Ne激光器 G 压电陶瓷 M2 M1
1 2n Lm Lc
式中， n 为空气的折射率， Lm 为目标反射镜 M2 到分光点的距离， Lc 为参考镜 M1 到分光点的距离。 在测量结束时，目标反射镜 M2 移过被测长度 L 后，处于 M2 的位置。此 时两光束的光程差为
2 2n Lm L Lc 2nL 1