一种压电材料电压-位移特性测量实验仪的制作方法

本实用新型涉及一种基于迈克尔逊干涉原理的压电材料电压-位移特性测量实验仪。

背景技术：

1880年，居里兄弟发现，当给电气石沿一定方向施加力而使之变形时，电气石的两个相对表面上就会出现正负相反的电荷，当外力去掉后，又会恢复到不带电的状态；当作用力的方向改变时，电荷的极性也随之改变，他们将这种效应称为压电效应，这就是人们现在所说的正压电效应。1881年，居里兄弟又通过实验验证了逆压电效应，即在电介质的极化方向上施加电场，电介质也会发生变形，电场去掉后，电介质的变形随之消失。不管是正压电效应还是逆压电效应，人们把具有压电效应的介质统称为压电材料，其本质就是能够将机械能和电能相互转换的功能型材料。

目前，从人们的日常生活到国家的国防军事，压电材料在众多领域都得到了广泛应用，比如用压电材料将外力转换成电能的特性，可以生产出不用火石的压电打火机、煤气灶打火开关、炮弹触发引信等；此外，压电材料还可以应用于扩音器、电唱头等电声器件；利用压电效应制作的压电微位移器具有精确控制的功能，是精密机械、微电子和生物工程等领域的重要器件。

尽管压电微位移器具有易调节、工作稳定、精度高等优点，但因为压电材料发生形变的本质是在外加电场的作用下使压电材料内部的极化状态发生变化的结果，如果这种极化状态的变化跟不上外加电压的变化，就会出现迟滞现象，使得压电材料的压电系数在电压变化的过程中有微小的变化，即基于压电材料的微位移器的形变量随电压的变化有一定的非线性，因此，在使用压电微位移器的过程中要首先明确电压与形变之间的关系，二者之间的关系称为压电材料的电压-位移特性，如果在一个电压变化周期内测试，所得到的结果也称为压电材料的迟滞特性或驱动特性。

目前，高等学校有关压电材料电压-位移曲线(电滞回线)的实验测量，都为高度集成的实验仪器，不仅结构复杂，成本过高，同时对实验原理的展示也不够直观，不利于培养学生的实验动手能力。

技术实现要素：

本实用新型的目的是为了解决现有技术中存在的缺陷，提供一种简单、开放式的实验仪器，有助于提高学生的实验动手能力。

为了达到上述目的，本实用新型提供了一种压电材料电压-位移特性测量实验仪，包括实验平台，以及固定在实验平台上的半导体激光器、分束镜、平面反射镜A、平面反射镜B、扩束镜、干涉条纹接收装置、电位移器件、电位移器件驱动电源；所述平面反射镜A、平面反射镜B中一个通过所述电位移器件固定在所述实验平台上，另一个通过固定架固定在实验平台上；所述电位移器件采用压电材料制备，且与所述电位移器件驱动电源相连；所述半导体激光器发射激光，经分束镜分为两束：一束经平面反射镜A反射后再次经所述分束镜反射后，经扩束镜照射到干涉条纹接收装置上；另一束经平面反射镜B反射后再次经所述分束镜，然后经扩束镜照射到干涉条纹接收装置上。通过电位移器件的工作电压的变化控制平面反射镜的移动方向，从而控制干涉条纹的移动数，建立起两者之间的关系，得到压电材料在电场作用下的位移量与所加载电压之间的关系，最终得到电滞回线。

进一步的，进行人眼观察时，干涉条纹接收装置采用毛玻璃板。

进行仪器观察时，干涉条纹接收装置采用光电探测器；所述实验仪还包括双踪示波器；所述双踪示波器分别与所述光电探测器、电位移器件驱动电源相连。

进一步的，电位移器件采用压电陶瓷管。

进一步的，半导体激光器通过二维光学调整架固定在所述实验平台上；所述分束镜、扩束镜、干涉条纹接收装置分别通过对应的固定架固定在所述实验平台上。

进一步的，实验平台采用金属平台。

本实用新型相比现有技术具有以下优点：

首先，该试验仪相对于现行实验教学中广泛使用的高度集成化的实验仪器而言，用积木式替代了集成化，在保证系统成套性的前提下，采用开放式的实验平台，要求学生在实验操作的过程中首先搭建起实验测量系统，然后再完成测量，既达到了让学生通过实验操作掌握理论知识的目的，同时也真正提升了学生的实验动手能力，让学生实验的教学效果最大化。

其次，该试验仪既可以用于测量压电材料的电滞回线，也可以将其拓展为对微位移量的测量，因此，就实验装置的应用来说，可作为高等学校光电信息科学与工程专业及相关专业学生开展迈克尔逊干涉仪的搭建及其应用实验，也可以作为材料物理学专业及相关专业学生开展压电材料的电滞回线的测量装置。

第三，该实验仪整个系统主要由半导体激光器、分束镜、扩束镜、光电探测器、双踪示波器、两个平面反射镜、压电陶瓷管、压电陶瓷驱动电源和毛玻璃板构成，成本较低，易于推广。

第四，该试验仪有广阔的应用市场。目前，全国已有200多所高校设置了光电信息科学与工程专业及相近专业，而设置了材料物理学及其相近专业的学校更多，但市场上此类仪器还很少，本实用新型所述实验仪将是对这一市场缺陷的有效补充。

附图说明

图1为本实用新型压电材料电压-位移特性测量实验仪的结构示意图；

图2为迈克尔逊定域干涉图样。

图3为迈克尔逊非定域干涉图样及原理解析。

图4为三个电压变化周期下压电陶瓷管的电滞回线。

图5为加载本实用新型压电陶瓷管上的电压周期性变化时光电探测器所接收到的光信号变化。

图中，1-半导体激光器，2-二维光学调整架，3-分束镜(1:1)，4-扩束镜，5-双踪示波器，6-毛玻璃板，7-光电探测器，8-平面反射镜A，9-平面反射镜B，10-压电陶瓷管，11-压电陶瓷驱动电源，12-压电陶瓷管供电线，13-同轴信号线A，14-同轴信号线B，15-加载到压电陶瓷管上的三角波电压，16-探测器接收到的光电信号。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型压电材料电压-位移特性测量实验仪进行详细说明。

如图1所示，本实用新型压电材料电压-位移特性测量实验仪由半导体激光器1，二维光学调整架2、分束镜3、扩束镜4、双踪示波器5、毛玻璃板6、光电探测器7、平面反射镜A8、平面反射镜B9、受测压电陶瓷管10、压电陶瓷驱动电源11、压电陶瓷供电线12、同轴信号线A13、同轴信号线B14所组成。半导体激光器1通过二维光学调整架固定在一个小型的金属平台上，各光学元件均通过相应的固定架固定在该金属平台上。

结合图1，半导体激光器1发出中心波长为λ的激光照射到分束镜3上，被分束镜3分为<1>光和<2>光两束光，其中<1>光照射到反射镜A8上，然后经反射镜A8反射后再次到分束镜3的分束面，经分束镜3的分束面反射，并经过扩束镜4后照到毛玻璃板6上；被分束镜3分出来的<2>光照射到平面反射镜B9上，然后经平面反射镜B9反射后再次到分束镜3，并先后经过分束镜3和扩束镜4后也照射到毛玻璃板6上。根据光的干涉条件，被分束镜3分开的<1>光和<2>光在到达毛玻璃板6后，因为符合光的干涉条件，所以将会在毛玻璃板6上观察到干涉条纹。

结合图2和图4，如果光路质量调的好，出现在毛玻璃板6上的干涉条纹将会如图2所示，呈一系列同心圆环状分布，此时，如果沿光路方向平移平面反射镜A8或者平面反射镜B9，毛玻璃板6上的干涉环将会以“吞”、“吐”圆环的形式发生平移，在本实用新型所述一种压电陶瓷管电压-位移特性测量实验仪中，干涉环是“吞”或者“吐”取决于平面反射镜B9的移动方向，而平面反射镜B9的移动方向又取决于压电陶瓷管10的伸长或者缩短，而压电陶瓷管10的伸长或者缩短又取决于其工作电压是升高或者降低，因此，可以通过数毛玻璃板上干涉环“吞”或者“吐”的个数与加载到压电陶瓷管上升高或者降低的电压值，建立起二者之间的关系，再结合技术方案中给出的干涉环“吞”或者“吐”的环数与光程差变化之间的关系，得到压电陶瓷管在电场作用下的位移量与所加载电压之间的关系，如果在一个电压区间内改变加载到压电陶瓷管上的电压，即可得到该电压区间内压电陶瓷管的电滞回线，如图4所示。

结合图3和图4，如果光路质量调的不是非常好，出现在毛玻璃板6上的干涉条纹将会如图3所示，呈一系列明暗相间的条纹状分布，仔细观察可以看到，这一系列明暗相间的条纹可以看做是定域干涉情况下干涉环上的一部分，此时，如果沿光路方向平移平面反射镜A8或者平面反射镜B9，毛玻璃板6上的干涉条纹将会发生平移，在本实用新型所述一种压电陶瓷管电压-位移特性测量实验仪中，干涉条纹的移动取决于平面反射镜B9的移动方向，平面反射镜B9的移动方向又取决于压电陶瓷管10的伸长或缩短，而压电陶瓷管10的伸长或者缩短又取决于其工作电压是升高或者降低，因此，可以通过数毛玻璃板上干涉条纹的移动数与加载到压电陶瓷管上升高或者降低的电压值，建立起二者之间的关系，再结合技术方案中给出的干涉条纹移动的数目与光程差变化之间的关系，得到压电陶瓷管在电场作用下的位移量与所加载电压之间的关系，如果在一个电压区间内改变加载到压电陶瓷管上的电压，即可得到该电压区间内压电陶瓷管的电滞回线，如图4所示。

结合图1和图5，本实用新型所述一种压电陶瓷管电压-位移特性测量实验仪毛玻璃板6上干涉条纹的移动数既可以通过人眼的观察来计数，也可以用光电探测器7结合双踪示波器5来计数。用人眼计数是以毛玻璃板6上某条亮纹的位置为参考，观察并记录该位置上亮纹发生变化的数目；用光电探测器7结合双踪示波器7计数，则是将毛玻璃板6移开，将光电探测器7放置在毛玻璃板6的位置，并将光电探测器7的光敏面对准某条干涉亮条纹，光电探测器7将把接收到的光信号转换为电信号，然后给压电陶瓷管10施加一个周期性变化的三角波电压15，光电探测器7接收到的光信号也将呈周期性变化，同时将加载到压电陶瓷管10上的电压信号和光电探测器7转变的光电信号同时输入一个双通道示波器，示波器将会同时显示加载到压电陶瓷管10上的电压变化信号15和光电探测器7所接收到的光电信号16，加载到压电陶瓷管上的电压可以通过加载到压电陶瓷管上的三角波电压信号15读出，而在此电压变化范围内光电探测器7的光敏面位置处所发生的干涉环或者干涉条纹的移动数则可以通过探测器接收到的光电信号16读出，例如，在图5中，加载到压电陶瓷管10上的电压在三角波15的上升沿和下降沿，各对应着5个波峰-波谷，当加载到压电陶瓷管10上的电压在升高和降低阶段，光电探测器7的光敏面所在位置上，亮暗条纹经历了5个周期的变化，而亮暗条纹每变化一个周期，对应的压电陶瓷就发生了半个波长的位移，因此，通过双踪示波器5的波形信息也可以换算出压电陶瓷管10的位移与电压之间的关系。

具体原理如下：

基于迈克尔逊干涉仪的工作原理，当毛玻璃板上某一位置处的干涉条纹由亮纹变为暗纹时，说明被分束镜分开的两束光到毛玻璃板上的光程差发生了半个波长的变化，如果这个光程差是由某一面反射镜沿着光路方向的平移所引起，则此平面反射镜沿光路方向移动了1/4个光波波长；当毛玻璃板上某一位置处的干涉条纹由亮纹变为暗纹，并再次变为亮纹时，则说明经分束镜分开的两束光到干涉屏的光程差发生了一个波长的变化，同理，如果这个光程差是由某一面反射镜沿着光路方向的平移所引起，则此平面反射镜沿光路方向移动了1/2个光波波长；以此类推，如果毛玻璃板上某一位置的干涉条纹完成了N个由亮纹变为暗纹再变为亮纹的变换，且这个变化是由某一面反射镜沿光路方向的平移所引起，则该反射镜沿光路方向平移了N/2个波长。

基于这样的原理，如果将平面反射镜A或平面反射镜B固定在一个压电陶瓷管(也可以是压电材料制作的其他电位移器件)上，给压电陶瓷管加载一定的电压后，根据逆压电效应，压电陶瓷管将会沿轴向发生位移，固定在压电陶瓷管上的平面反射镜将会与压电陶瓷管一起发生位移。根据迈克尔逊干涉仪工作原理，毛玻璃板上的干涉条纹将会随着压电陶瓷管的电位移而发生移动，因为压电陶瓷管在电压作用下的位移量与加载到压电陶瓷管上的电压有一定的关系，而毛玻璃板上干涉条纹相对于某一固定位置发生的移动数又与平面反射镜发生的位移量有正比关系，因此，建立起毛玻璃板上干涉条纹相对于某个固定位置移过的数目与加载到压电陶瓷管上的电压之间的关系，就可以获得加载到压电陶瓷管上的电压与压电陶瓷管的电位移量之间的关系。本实用新型的技术方案正是基于这样的原理，具体可表述如下：

根据光的干涉原理，经过两个平面反射镜反射并在毛玻璃板上发生干涉的两束光，在毛玻璃板上任意位置的光强可以表示为：

式中I1、I2是两束相干光的光强，是两束光的相位差，其大小由照到毛玻璃板上的两束光的光程差决定：

式中λ是光的波长，ΔL是经过两个平面反射镜反射并照到毛玻璃板上的光程差，取决于两块平面反射镜到毛玻璃板之间的距离。

综合(1)式和(2)式，毛玻璃上某一位置的光强应为：

如果两束光照到毛玻璃板上的强度I1、I2不变，且其强度相等(假设都为I')的情况下，(3)式可以写成：

从(4)式可以看到，毛玻璃板上任意位置的光强将随着光程差ΔL的变化而变化，ΔL将决定毛玻璃板上干涉条纹的分布：

这里ΔL由两个因素决定，一是毛玻璃板上的位置，二是平面反射镜的移动。当两块平面发射镜固定不动时，ΔL由毛玻璃板的位置确定，这就是为什么当两面反射镜不动，毛玻璃板上的不同位置的光强不同的原因；如果确定了毛玻璃板上的具体位置，ΔL则由平面反射镜的移动引起。

如果以干涉条纹中的亮纹为对象进行分析，则可以将式(5)中的亮条纹条件代入(3)式，此时有：

I＝2I'+2I'cos2kπ (6)

从(6)式可以看到，在确定了毛玻璃板上某个位置的亮条纹后，移动某一个平面反射镜，可以看到该位置的光强会经历一个先变为暗条纹，再变为亮条纹的过程，如果持续移动，则可以看到该位置上的光强(也就是亮、暗条纹)将发生周期性变化。光强发生一个周期变化，意味着来自两个反射镜的光程差发了一个波长的变化，而一个波长的波长差，又意味着引起条纹移动的平面反射镜沿着光路方向发生了半个波长的移动。因此，通过观察毛玻璃板上干涉条纹的变化次数(ΔN)，就可以得到该平面反射镜沿光路方向所发生的位移量(Δl)，且二者之间成线性关系：

对于压电陶瓷管(也可以是用压电材料制作的压电器件，尤其是压电微位移器件)而言，当给压电陶瓷管加载一定的电压后，压电陶瓷管的尺寸将沿径向和轴向都发生一定程度的变化，且这种变化随加载在压电陶瓷管上电压的变化而变化，如果在一个电压区间内，加载到压电陶瓷管上的电压先升高，再降低，且在电压变化时获得不同电压下压电陶瓷管的尺寸变化，即可得到二者之间的关系，此关系即为压电材料的压电-位移曲线，也称为电滞回线。但因为压电效应所引起的尺寸变化量很小，一般都是微米量级的变化，因此很难直接观察到。

如果给压电陶瓷管上固定一个反射镜，并将其置于迈克尔逊干涉系统中，当给压电陶瓷管施加一定的电压(V)后，压电陶瓷管的压电位移就可以带动平面反射镜的移动，平面反射镜的移动则会使毛玻璃板上的干涉条纹发生变化。因此，通过记录加载到压电器件上的电压与干涉条纹的移动数之间的关系，再结合(7)式，即可以得到压电陶瓷管在电场作用下的位移量与电压之间的关系，当加载到压电陶瓷管上的电压在某一范围内变化时，即可得到压电陶瓷管的电滞回线。