基于激光干涉法的壓電常數(shù)測量系統(tǒng)

吳金泉，王雪平，陳心浩，徐小燕，林兆祥

(中南民族大學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心，武漢　430074)

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基于激光干涉法的壓電常數(shù)測量系統(tǒng)

吳金泉，王雪平，陳心浩，徐小燕，林兆祥

(中南民族大學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心，武漢430074)

壓電陶瓷是一種重要的精密驅(qū)動器件，廣泛應(yīng)用于國防工業(yè)和民用生活中的高精度測量。本文根據(jù)壓電陶瓷的工作原理，利用激光干涉法，構(gòu)建了一套快速檢測壓電常數(shù)的原理樣機(jī)。測試實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，其檢測精度高，穩(wěn)定性好，具備開發(fā)成專用壓電常數(shù)測量裝置的可能。

壓電陶瓷； 激光干涉測量； 離面位移； 壓電常數(shù)； 原理樣機(jī)

1　引　言

壓電陶瓷以其體積小、質(zhì)量輕，靈敏度高、能耗低和穩(wěn)定性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)而成為眾多新型傳感器、能效轉(zhuǎn)換器和濾波器等壓電陶瓷器件的精密驅(qū)動器件[1]。在壓電陶瓷器件的各項(xiàng)工作性能指標(biāo)中，壓電常數(shù)是一項(xiàng)很重要的衡量因素，它不僅關(guān)系到壓電陶瓷器件的品質(zhì)，更是影響了這些精密儀器工作的精確度和靈敏度[2-4]。傳統(tǒng)的壓電陶瓷靈敏度測量方法有機(jī)械測量法、電渦流位移計(jì)法、原子力顯微鏡法和光學(xué)測量法等，其中機(jī)械測量法在測量微量位移時(shí)來說相對誤差比較大、操作復(fù)雜；電渦流位移計(jì)測量法受電磁干擾影響比較大；原子力顯微鏡法造價(jià)比較昂貴難以大規(guī)模應(yīng)用[5]。相對于前幾種方法，本文采用激光干涉測量法[6]，實(shí)時(shí)精確測量了壓電陶瓷在不同電壓下的離面位移，得出壓電陶瓷的壓電常數(shù),并且在此基礎(chǔ)上開發(fā)出一套新型快速測量壓電常數(shù)的原理樣機(jī)。

2　測量原理

2.1壓電陶瓷的特性

壓電陶瓷最大的特性是具有壓電性，其壓電效應(yīng)就是應(yīng)力和電荷之間的相互轉(zhuǎn)化過程。其中由施加的應(yīng)力產(chǎn)生額外電荷的過程就是正壓電效應(yīng)，電荷與應(yīng)力是成比例變化的，兩者通過壓電常數(shù)d聯(lián)系起來。用介質(zhì)電位移D(單位面積的電荷)和應(yīng)力T(固體應(yīng)力T只引起成比例的離面位移應(yīng)變S，T=YS，Y為彈性模數(shù))表示它們之間關(guān)系[7]：D=dT=dYS；當(dāng)對壓電陶瓷施加電壓U時(shí)，陶瓷材料中電荷極性隨之產(chǎn)生變化而引起離面位移S的變化，兩者也通過壓電常數(shù)d聯(lián)系起來(即S=dU)。同一壓電陶瓷從理論上講壓電效應(yīng)的壓電常數(shù)d在數(shù)值上是相同的，即：

(1)

2.2測量原理

根據(jù)激光干涉法測量微形變的工作原理，構(gòu)建出壓電常數(shù)專用檢測系統(tǒng)，如圖1所示。從激光器發(fā)射的波長為λ的激光光束經(jīng)過擴(kuò)束鏡L1、準(zhǔn)直鏡L2后，到達(dá)分光鏡G1，分成強(qiáng)度相等的兩束光(光束1和光束2)。光束1被壓電陶瓷樣品(表面處理后)反射回到分光鏡G1，其中光束2被平面鏡M1反射回到分光鏡G1，兩光束匯合后經(jīng)過聚焦透鏡G2，到達(dá)CCD。由于光束1和光束2是同一激光器發(fā)出的激光光源，滿足干涉條件，所以CCD上可以觀測到明暗相間的干涉條紋[8,9]。

圖1　系統(tǒng)原理圖Fig.1　Schematic draw of the system

壓電陶瓷被一個(gè)數(shù)字信號發(fā)生器驅(qū)動，其驅(qū)動電壓信號同時(shí)導(dǎo)入計(jì)算機(jī)。當(dāng)信號發(fā)生器輸出鋸齒波信號驅(qū)動壓電陶瓷的時(shí)候，壓電陶瓷的反射面產(chǎn)生周期性微量位移，光束1和光束2之間的光程差產(chǎn)生周期性的微量變化，CCD上的干涉條紋出現(xiàn)周期性的改變，通過專用的數(shù)據(jù)處理軟件(軟件流程圖如圖2所示)，當(dāng)監(jiān)測到干涉條紋交替變化的時(shí)候，讀取并保存信號發(fā)生器驅(qū)動電壓值。由干涉圖樣產(chǎn)生明暗條紋的條件可知，兩束相干光的光程差為半波長λ/2的偶數(shù)倍時(shí)產(chǎn)生明條紋，為λ/2的奇數(shù)倍時(shí)產(chǎn)生暗條紋, 則當(dāng)測試點(diǎn)明紋變暗紋或者暗紋變明紋一次時(shí)，壓電陶瓷離面位移的變化量為λ/2的一半,則當(dāng)明紋和暗紋連續(xù)交替變化時(shí):

(2)

其中n為條紋交替變化的次數(shù)。通過公式(2)計(jì)算出離面位移，將“離面位移-電壓”進(jìn)行線性擬合，可以分別獲得一個(gè)周期內(nèi)上升(正向)和下降(逆向)過程中的壓電常數(shù)，為了確保測試的穩(wěn)定性和測試精度，取輸出結(jié)果為100次測量值的平均結(jié)果。

圖2　軟件流程圖Fig.2　Software flow

3　原理樣機(jī)及性能測試

3.1樣機(jī)構(gòu)成

根據(jù)激光干涉法測量壓電陶瓷離面位移的工作原理，構(gòu)建了一套可以監(jiān)測離面位移納米尺度變化的測試樣機(jī)，實(shí)物圖如圖3所示。其中：氦氖激光器波長為632.8 nm、擴(kuò)束鏡L1焦距為62 mm、準(zhǔn)直鏡L2焦距為100 mm、分光鏡G1為半透半反鏡、聚焦透鏡G2焦距為50 mm，信號發(fā)生器輸出3～30 V電壓(測量精度為1%)。

將壓電陶瓷樣品固定在三維調(diào)整架上，調(diào)節(jié)三維調(diào)整架可以改變樣品在XYZ三個(gè)坐標(biāo)面上的位移，使其干涉圖樣的條紋中心位于CCD(IKOWA IK-311P1型)像面中心,采樣間隔為20 ms/幀，樣品的干涉圖像經(jīng)過數(shù)字圖像采集卡(天敏SDK2500型)采集，選取干涉條紋中心點(diǎn)(即樣品中心點(diǎn))為測試觀測點(diǎn)，通過專用的數(shù)字圖像處理軟件獲得實(shí)時(shí)的條紋變化量，推導(dǎo)出待測樣品的中心點(diǎn)處的壓電常數(shù)。

圖3　原理樣機(jī)圖像Fig.3　Photograph of the prototype

圖4　基準(zhǔn)干涉圖像(a)原始圖樣(b)數(shù)字圖像處理后Fig.4　The image of benchmark interference

3.2測試實(shí)驗(yàn)

選擇金南牌的壓電陶瓷片樣品(其工作電壓為3～30 vp-p)做測試，并在壓電陶瓷表面鍍反射膜。在壓電陶瓷兩端加載0 V電壓時(shí)作為計(jì)算過程的基準(zhǔn)標(biāo)量，得到此時(shí)的基準(zhǔn)干涉圖像原始圖樣，如圖4a所示，然后對此原始圖樣進(jìn)行數(shù)字圖像處理后可得到清晰直觀的圖樣[10]，如圖4b所示；緩慢調(diào)節(jié)信號發(fā)生器的輸出電壓，當(dāng)觀察到干涉條紋明紋暗紋交變時(shí)記錄下電壓值，利用數(shù)據(jù)處理軟件擬合 “離面位移-電壓”曲線，如圖5所示，其擬合方程為S=40.357U+146.896，線性擬合相關(guān)系數(shù)為0.9998，則其壓電常數(shù)d=40.357 nm/V，重復(fù)上述測試100次，取其算術(shù)平均值為其壓電常數(shù)的測試值。通過對該樣品的10次重復(fù)性測試結(jié)果如圖5所示。

圖5　離面位移-電壓擬合曲線Fig.5　The fitted curve of out-plane displacement versus Voltage

圖6　測試結(jié)果分布圖Fig.6　Distribution of measurement results

通過圖5可以看出該壓電陶瓷樣品的離面位移與所加驅(qū)動電壓有較好的線性關(guān)系，從圖6可以看出10次測試結(jié)果均與廠家給出的參考值40 nm/V接近，并且測量值的最大偏差位0.024 nm/V，其重復(fù)性較好。具備開發(fā)成專用壓電常數(shù)測量裝置的可能。

4　結(jié)　論

本文所構(gòu)建的快速壓電常數(shù)測試樣機(jī)，還可以根據(jù)待測壓電陶瓷的實(shí)際工作電壓，調(diào)整壓電陶瓷驅(qū)動器的輸出范圍。本文雖然只針對待測樣品中心位置的壓電常數(shù)連續(xù)明暗條紋判讀，如果修改程序的初始設(shè)置，增加運(yùn)算量，還可以實(shí)現(xiàn)對于待測樣品多點(diǎn)同時(shí)探測壓電常數(shù)的精確測量，以滿足某些特定用戶的測量需求。如果更換激光光源為更短波長(如532 nm或355 nm)的激光器做光源，將可提高檢測的靈敏度；將CCD更換為相應(yīng)的光電傳感器，將可能降低設(shè)備的成本。

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[10]高西全，丁玉美.數(shù)字信號與處理[M].西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2008.

Detection System of Piezoelectric Constant with Laser Interferometry

WUJin-quan,WANGXue-ping,CHENXin-hao,XUXiao-yan,LINZhao-xiang

(Experiment Teaching Center of South-Centeral University for Nationalities,Wuhan 430074,China)

The piezoelectric ceramic is an important driver which is widely applied in precision measurements of the defense industry and civilian life. Based on working principle of piezoelectric ceramics，the out-plane displacement of a sample was measured with laser interferometry rapidly and accurately. The piezoelectric constant of the tested sample was also analyzed in this paper. It was demonstrated that this new prototype could be applied to measure piezoelectric constant of ceramic rapidly and could be a novel practical method for piezoelectric constant measurement.

piezoelectric ceramics;laser interferometry;out-plane displacement;piezoelectric constant;prototype

湖北省高等學(xué)校教學(xué)研究項(xiàng)目(JYS14001);中南民族大學(xué)實(shí)驗(yàn)室開放與技改項(xiàng)目(JG2014013)

吳金泉(1976-),女,高級實(shí)驗(yàn)師.主要從事光電檢測技術(shù)方面的研究.

TQ174

A

1001-1625(2016)05-1574-04