利用线阵CCD的迈克尔逊干涉仪测量压电材料的压电系数
一种检测压电陶瓷压电常数d31的装置[发明专利]
![一种检测压电陶瓷压电常数d31的装置[发明专利]](https://img.taocdn.com/s3/m/4ef7752cfd4ffe4733687e21af45b307e871f981.png)
(10)申请公布号(43)申请公布日 (21)申请号 201510986058.2(22)申请日 2015.12.25G01R 29/22(2006.01)(71)申请人中南民族大学地址430074 湖北省武汉市洪山区民族大道708号(72)发明人吴金泉 陈心浩 王雪平 徐小燕(74)专利代理机构武汉荆楚联合知识产权代理有限公司 42215代理人王健(54)发明名称一种检测压电陶瓷压电常数d31的装置(57)摘要本发明公开了一种检测压电陶瓷压电常数d31的装置，涉及激光干涉检测技术。
该装置由激光器（1）、扩束镜（2）、准直镜（3）、分光镜（4）、压电陶瓷紧固件（5）、聚焦透镜（6）、面阵CCD （7）、计算机（8）、反射镜（9）和积分放大电路（10）组成。
其工作原理是通过锯齿波信号驱动压电陶瓷，利用激光干涉法精确测量压电陶瓷的离面位移，得到压电陶瓷压电常数d31。
优点是：结构简单，方法可靠，操作方便，精度高且稳定，适合对压电陶瓷的压电常数d31进行实时检测。
(51)Int.Cl.(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请权利要求书1页 说明书3页 附图1页CN 105486937 A 2016.04.13C N 105486937A1.一种检测压电陶瓷压电常数d31的装置，其特征在于，该装置由激光器（1）、扩束镜（2）、准直镜（3）、分光镜（4）、压电陶瓷紧固件（5）、聚焦透镜（6）、面阵CCD （7）、计算机（8）、反射镜（9）和积分放大电路（10）组成；激光器（1）、扩束镜（2）、准直镜（3）和压电陶瓷紧固件（5）依次同轴放置在同一水平线上，分光镜（4）放置在准直镜（3）和压电陶瓷紧固件（5）之间，与轴向成45°角，分光镜（4）的反射方向垂直放置反射镜（9），反射镜（9）反射面的垂直方向过分光镜（4）依次同轴放置聚焦透镜（6）和面阵CCD （7），面阵CCD （7）的输出端连接计算机（8）图像采集卡的输入端，计算机（8）串口输出信号连接积分放大器（10），积分放大器（10）的输出端连接到压电陶瓷紧固件（9）中压电陶瓷样品的控制端；扩束镜（2）与准直镜（3）的距离为扩束镜（2）和准直镜（3）焦距之和，面阵CCD （7）放置在聚焦透镜（6）的像面上。
迈克耳孙干涉仪实验报告
迈克耳孙干涉仪实验报告一、实验目的本实验的目的是研究大电流的特性，熟悉并使用米克尔孙干涉仪完成电流度量的实验，并采集测量数据，以证实熟悉的物理原理。
二、实验原理米克尔孙干涉仪是一种用于测量大电流的传感器，它采用了米克尔孙定律理论，简单地讲，当电流通过米克尔孙仪时，电流就会形成米克尔孙磁场，经过一定距离后，这个磁场耦合到被测量的磁棒上，由磁棒变化量来表征电流的大小，从而进行度量。
三、实验仪器和材料1. 测试用米克尔孙棒：由磁棒组成的2类装置，用作测量大电流的特性，其特性由米克尔孙定律决定。
2. 示波器：一种用于研究电流的仪器，可以显示持续变化的电流和电压的变化情况以及一些不可见的参数。
3. 多功能电源：一种可以提供稳定电压和电流的电源，用于测试米克尔孙棒，可以模拟各种实际电路中的调制过程。
四、实验步骤1. 熟悉米克尔孙棒结构，了解它的工作原理和测量原理。
2. 将米克尔孙仪连接多功能电源、示波器和计算机。
3. 根据计划，调整多功能电源，使其依次输出不同电压和电流，对米克尔孙仪进行测试。
4. 测量和记录米克尔孙仪的输出参数，包括电压、电流和振幅等。
5. 根据实验结果，计算最大变化量等参数。
6. 将实验数据进行处理和分析。
五、实验结果1. 实验中，采用多功能电源逐步改变电流和电压，获得了不同参数的测量结果，其结果如下所示：2. 通过实验，得出了米克尔孙仪的变化量与电压的关系：随着电压的增加，变化量呈线性增加趋势，与电压的增加趋势一致。
3. 通过实验处理，得出拟合的变化量的方程为Y=AX+B，其中，A,B分别为 0.3, 0.2.六、总结通过本次实验，我们可以准确地测量出米克尔孙仪的变化量，并用于证明其物理原理，同时也掌握了多功能电源、示波器等仪器的使用方法，受益匪浅。
大物-迈克尔逊干涉实验
实验报告：迈克尔逊干涉实验一、摘要迈克尔逊干涉仪是光学干涉仪中最常见的一种，它是利用分振幅法产生双光束以实现干涉。
它主要用于长度和折射率的测量，若观察到干涉条纹移动一条，便是动臂移动λ/2。
本实验即利用迈克尔逊干涉仪对长度变化的测量功能，测量压电陶瓷的长度随着外加电压的变化规律。
（逆压电效应及压电系数）实验目的：学习了解迈克耳孙干涉仪的特点，初步掌握如何调整和使用迈克耳孙干涉仪；学习用迈克耳孙干涉仪测量微小位移的方法，并进行压电陶瓷逆压电效应的测量，计算材料的压电系数。
关键词：迈克尔逊干涉仪，压电陶瓷，逆压电效应，计算压电系数二、实验原理迈克耳逊干涉仪的原理是一束入射光经过分光镜分为两束后被对应的平面镜反射回来，这两束光满足干涉条件。
干涉中两束光的不同光程可以通过调节干涉臂长度以及改变介质的折射率来实现。
干涉条纹对应屏幕上等光程差的点，因此，若干涉条纹发生移动，一定是场点对应的光程差发生了变化，在本实验中，则是由于压电陶瓷长度的变化导致一臂的距离变化，光程改变。
光路如图，S为光源（本实验用激光器外接空间滤波器和光阑模拟相干点光源，再加准直镜L可拓展为平行光源），C、D为平面反射镜，其中D是定镜；C为动镜，它和压电陶瓷相连。
A为分光镜，能使入射光分成强度相等的两束（反射光和透射光）。
反射光和透射光分别垂直入射到反射镜C和D，它们经反射后回到A处，再分别经过透射和反射后，来到观察区域(可以是光屏)。
本实验无补偿板，若有，则它与A为相同材料，有相同的厚度，且平行安装，目的是要使参加干涉的两光束经过玻璃板的次数相等，避免引入额外的光程差。
当C和D'严格平行时(D’为D虚像)，表现为等倾干涉的圆环形条纹，移动C时,会不断从干涉的圆环中心“吐出”或向中心“吞进”圆环。
M2和M1'不严格平行时，则表现为等厚干涉条纹.移动M2时，条纹不断移过光屏中某一标记位置，C平移距离 d 与条纹移动数 N 的关系满足：d=Nλ/2，λ为入射光波长。
实验压电陶瓷电致伸缩系数的测量
实验 压电陶瓷电致伸缩系数的测量专业___________________ 学号___________________ 姓名___________________ 一、预习要点1. 了解迈克尔逊干涉仪的工作原理与调节使用方法，应该如何调整电致伸缩实验仪的光路系统；2. 压电陶瓷电致伸缩系数与哪些物理量有关？3. 了解一元线性回归（直线拟合）与最小二乘法原理；4.了解EXCEL 作图方法。
二、实验内容1. 调节电源输出，观测压电陶瓷的电致伸缩效应现象，记录并画出压电陶瓷的n-U 曲线（两条曲线：升压过程和降压过程）；2. 用线性回归法求准线性区域的电致伸缩系数。
三、实验注意事项1. 电致伸缩实验仪是精密光学仪器，使用前必须先弄清楚使用方法，然后再动手调节；2. 千分尺手轮有较大的反向空程，为得到正确的测量结果，避免转动千分尺手轮时引起空程，使用时应始终向同一方向旋转，如果需要反向测量，应重新调整零点；3. 压电陶瓷的电致伸缩现象与磁滞回线相似，也有迟滞现象，测量中，要缓慢地增加电压，等到条纹稳定后再读数，电压逐渐减小时，再读一次数。
四、数据处理要求1. 运用EXCEL 作n-U 曲线，作升压图和降压图。
2. 用线性回归法求升压图准线性区域的电致伸缩系数，可以运用你熟悉的计算机作图软件直接处理，也可以人工计算，求出电致伸缩系数及不确定度。
【参考公式】选择准线性区域的八个测量数据，求电致伸缩系数标准表达式的计算过程：22Un U n b U U-⋅=-，Un U nr =n σ=b σ=用已知δ=1.388×10-3m ，L =1.400×10-2m 和半导体激光器光波波长λ=350nm 代入Lb 2δλα=，求得锆钛酸铅压电陶瓷的伸缩系数α。
因为待求量个数为2，N =8，则自由度v =N -2=6，当置信概率P =0.95时，置信因子t P =2.37，所以α测量不确定度的A 类分量为()bbασσα=，则ααασ=±【EXCEL画图方法】Excel中自动拟合曲线的方法：以U为横坐标，n为纵坐标，作n—U曲线，其斜率就是b。
干涉法测量压电陶瓷特性.
实验一干涉法测量压电陶瓷特性一、实验目的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 11—1所示:图 11－1由 Ne— 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反射后，在分光镜处会合，在接受屏P 处产生干涉条纹，通过给压电陶瓷加电压使M2的移动，干涉条纹发生变化，由于干涉条纹明暗变化一次，相当于测量镜M2移动了入/2，若条纹变化N 次，则位移L由下式确定：L = N •入/2 （11 — 1）所以通过测出条纹的变化数就可计算出位移量，这就是激光测长仪的基本原理。
三、实验仪器光学平台、Ne— Ne激光器（波长0.6328um）、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、实验内容与要求实验内容1.推导位移L与条纹变化数N的关系式。
2.测量位移L与电压U的关系，并描出 U — L曲线。
3.计算出最大位移量Lmax。
实验要求1.调整激光器使之发出的光与平台平行。
2.用自准法在光路中调整扩束镜和分光镜，使透镜光轴与光束同轴、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。
压电陶瓷振动的干涉测量试验报告
实验报告压电陶瓷振动的干涉测量一、实验目的与实验仪器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 和M 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后121．附有压电陶瓷材料。
由激光器发出的光经分光镜后，光束被分成两路，反射光射向反射镜M（，附压电陶瓷）1透射光射向测量镜M（固定），两路光分别经M、M 反射后，分别经分光镜反射和透射212后又会合，经扩束镜到达白屏，产生干涉条纹。
利用迈克尔逊干涉仪研究压电陶瓷的动态特性
利用迈克尔逊干涉仪研究压电陶瓷的动态特性通过对迈克尔逊干涉仪光路的调整，使光电探头的响应电压与三角波驱动电压的频率一致且峰-峰值最大。
这样不断改变驱动电压就可准确的找到响应电压、伸长位移量随驱动电压的关系。
标签：迈克尔逊干涉仪;压电陶瓷;峰-峰值;伸长位移引言压电材料具有压电效应和逆压电效应，在外加电场作用下，逆压电效应将使压电材料发生形变，通过控制驱动电压，压电材料能实现精密的位移输出，可获得较高的位移分辨率。
同时，压电材料输出具有频率响应高，动态反应快，性能稳定，不发热，不产生噪声及受外力干扰小等优点。
目前对逆压电效应的静态特性研究较多，而对动态特性研究相对较少，且测量的设备装置较复杂，响应电压、伸长位移量随驱动电压的变化关系也无准确的定量描述[1]。
然而随着压电陶瓷在光盘驱动器、计算机硬盘驱动器、光通信器件等动态控制方面的应用越来越广泛，对压电陶瓷动态位移特性的研究也越来越重视[2]。
本文基于迈克尔逊干涉仪平台，利用干涉法测量压电陶瓷动态特性，其装置简单，易操作，测量准确。
通过寻找与驱动电压同频率且峰-峰值最大的一个完整响应电压波形，来研究响应电压、伸长位移量随驱动电压的变化关系。
1 实验设计实验装置如图1所示，其中半导体激光器的激光波长为650nm，波形发生器可产生驱动电压为1～20V的三角波电压。
实验中采用的压电陶瓷材料为管状，长为40mm，壁厚为1mm，在内、外壁上镀电极，用来施加电压，在陶瓷管的一端装反射镜，可在迈克尔逊干涉仪中充当反射镜使用。
将光电探头信号和波形发生器信号连入数字示波器，可比较驱动电压、光电探头响应电压的峰-峰值和频率。
在未施加驱动电压前，调节迈克尔逊干涉仪两臂的光路，在光屏上可看见清晰的干涉图样。
干涉条纹将是一个以透镜光束为圆心的一组内疏外密、明暗相间的同心圆环，即为等倾干涉条纹（条纹间距，条纹粗细都不等），其中干涉条纹中心是最大级干涉，即i=0°。
当用光电探头替代光屏，并施加周期性的驱动电压信号时，压电陶瓷将发生周期性的振动，迈克尔逊干涉仪所产生的干涉条纹也将发生周期性的移动，干涉条纹所对应的光场强度也会发生相应的变化。
迈克尔逊干涉仪对压电陶瓷动态特性的研究
分析 等 。
ｌ 实验 设 计
实验 装 置如 图 １所示 ， 其 中半 导体 激 光 器 的激
光 波长 为 ６ ５ ０ ｎ ｍ， 波 形 发 生 器 可 产 生 驱 动 电压 为
可 获得较 高 的位 移分 辨 率 。 同时 ， 压 电材料 输 出具
有频 率 响应 高 ， 动态 反应快 ， 性 能稳定 ， 不发 热 ， 不产 生 噪声及 受外 力干 扰小 等优点 。 目前 对逆 压 电效应
Ｓ ｔ ｕ ｄ ｙ ｏ ｎ Ｄｙ ｎ ａ ｍｉ ｃ Ｆｅ ａ ｔ ｕ ｒ ｅ ｓ ｏ ｆ Ｐｉ ｅ ｚ ｏ ｅ ｌ ｅ ｃ ｔ ｒ ｉ ｃ Ｃｅ ｒ ａ ｍｉ ｃ Ｂａ ｓ ｅ ｄ ｏ ｎ
Ｍ ｉ ｃ ｈ ｅ ｌ ｓ ｏ ｎ Ｉ ｎ ｔ ｅ ｒ ｆ ｅ ｒ ｏ ｍｅ ｔ ｅ ｒ
迈 克 尔 逊 干 涉 仪 对 压 电 陶 瓷 动 态 特 性 的 研 究
孙宝光， 谭 仁兵， 张启 义
（ 重 庆 科技 学 院 数 理 学 院 ， 重庆 ４ ０ １ ３ ３ １ ）
摘
要： 通过 对 迈 克 尔 逊 干 涉 仪 光 路 的调 整 ， 使 光 电探 头 的 响 应 电压 与 三 角 波 驱 动 电 压 的 频 率 一 致 且 峰一 峰 值
最 大 。这 样 不 断 改 变 驱 动 电压 就 可 准 确 的 找 到 响应 电压 、 伸 长 位 移 量 随 驱 动 电 压 的 关 系 。在 进 行 谐 响 应 特 性 测 量
时， 分别 使用 了响应 电压峰一 峰值 比值和伸长位移量 比值两种方式表示 ， 并进行 了比较 。
关键词 ： 迈 克 尔逊 干 涉 仪 ； 峰一 峰值 ； 伸长位移 ； 谐 响应 中 图分 类 号 ： ＴＮ ９ １ １ ； ＴＭ９ ３ ０ 文献标识码 ： Ａ
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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)02-0024-04Measuring piezoeleclric coefficient of piezoelectric material withMichelson interferometer by using linear CCDXiao 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 1002-4956CN11-2034/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10-10C/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 1L 1#L 3E 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=nK 2,进而有[5]d 31=n #K 2#L 3U 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25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]。