基于激光干涉法的壓電常數測量系統

吳金泉，王雪平，陳心浩，徐小燕，林兆祥

(中南民族大學實驗教學中心，武漢　430074)

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基于激光干涉法的壓電常數測量系統

吳金泉，王雪平，陳心浩，徐小燕，林兆祥

(中南民族大學實驗教學中心，武漢430074)

壓電陶瓷是一種重要的精密驅動器件，廣泛應用于國防工業和民用生活中的高精度測量。本文根據壓電陶瓷的工作原理，利用激光干涉法，構建了一套快速檢測壓電常數的原理樣機。測試實驗結果表明，其檢測精度高，穩定性好，具備開發成專用壓電常數測量裝置的可能。

壓電陶瓷； 激光干涉測量； 離面位移； 壓電常數； 原理樣機

1　引　言

壓電陶瓷以其體積小、質量輕，靈敏度高、能耗低和穩定性強等優點而成為眾多新型傳感器、能效轉換器和濾波器等壓電陶瓷器件的精密驅動器件[1]。在壓電陶瓷器件的各項工作性能指標中，壓電常數是一項很重要的衡量因素，它不僅關系到壓電陶瓷器件的品質，更是影響了這些精密儀器工作的精確度和靈敏度[2-4]。傳統的壓電陶瓷靈敏度測量方法有機械測量法、電渦流位移計法、原子力顯微鏡法和光學測量法等，其中機械測量法在測量微量位移時來說相對誤差比較大、操作復雜；電渦流位移計測量法受電磁干擾影響比較大；原子力顯微鏡法造價比較昂貴難以大規模應用[5]。相對于前幾種方法，本文采用激光干涉測量法[6]，實時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,并且在此基礎上開發出一套新型快速測量壓電常數的原理樣機。

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，其壓電效應就是應力和電荷之間的相互轉化過程。其中由施加的應力產生額外電荷的過程就是正壓電效應，電荷與應力是成比例變化的，兩者通過壓電常數d聯系起來。用介質電位移D(單位面積的電荷)和應力T(固體應力T只引起成比例的離面位移應變S，T=YS，Y為彈性模數)表示它們之間關系[7]：D=dT=dYS；當對壓電陶瓷施加電壓U時，陶瓷材料中電荷極性隨之產生變化而引起離面位移S的變化，兩者也通過壓電常數d聯系起來(即S=dU)。同一壓電陶瓷從理論上講壓電效應的壓電常數d在數值上是相同的，即：

(1)

2.2測量原理

根據激光干涉法測量微形變的工作原理，構建出壓電常數專用檢測系統，如圖1所示。從激光器發射的波長為λ的激光光束經過擴束鏡L1、準直鏡L2后，到達分光鏡G1，分成強度相等的兩束光(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G1，兩光束匯合后經過聚焦透鏡G2，到達CCD。由于光束1和光束2是同一激光器發出的激光光源，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　系統原理圖Fig.1　Schematic draw of the system

壓電陶瓷被一個數字信號發生器驅動，其驅動電壓信號同時導入計算機。當信號發生器輸出鋸齒波信號驅動壓電陶瓷的時候，壓電陶瓷的反射面產生周期性微量位移，光束1和光束2之間的光程差產生周期性的微量變化，CCD上的干涉條紋出現周期性的改變，通過專用的數據處理軟件(軟件流程圖如圖2所示)，當監測到干涉條紋交替變化的時候，讀取并保存信號發生器驅動電壓值。由干涉圖樣產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的偶數倍時產生明條紋，為λ/2的奇數倍時產生暗條紋, 則當測試點明紋變暗紋或者暗紋變明紋一次時，壓電陶瓷離面位移的變化量為λ/2的一半,則當明紋和暗紋連續交替變化時:

(2)

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

圖2　軟件流程圖Fig.2　Software flow

3　原理樣機及性能測試

3.1樣機構成

根據激光干涉法測量壓電陶瓷離面位移的工作原理，構建了一套可以監測離面位移納米尺度變化的測試樣機，實物圖如圖3所示。其中：氦氖激光器波長為632.8 nm、擴束鏡L1焦距為62 mm、準直鏡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整架上，調節三維調整架可以改變樣品在XYZ三個坐標面上的位移，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，樣品的干涉圖像經過數字圖像采集卡(天敏SDK2500型)采集，選取干涉條紋中心點(即樣品中心點)為測試觀測點，通過專用的數字圖像處理軟件獲得實時的條紋變化量，推導出待測樣品的中心點處的壓電常數。

圖3　原理樣機圖像Fig.3　Photograph of the prototype

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

3.2測試實驗

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電壓時作為計算過程的基準標量，得到此時的基準干涉圖像原始圖樣，如圖4a所示，然后對此原始圖樣進行數字圖像處理后可得到清晰直觀的圖樣[10]，如圖4b所示；緩慢調節信號發生器的輸出電壓，當觀察到干涉條紋明紋暗紋交變時記錄下電壓值，利用數據處理軟件擬合 “離面位移-電壓”曲線，如圖5所示，其擬合方程為S=40.357U+146.896，線性擬合相關系數為0.9998，則其壓電常數d=40.357 nm/V，重復上述測試100次，取其算術平均值為其壓電常數的測試值。通過對該樣品的10次重復性測試結果如圖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動電壓有較好的線性關系，從圖6可以看出10次測試結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，其重復性較好。具備開發成專用壓電常數測量裝置的可能。

4　結　論

本文所構建的快速壓電常數測試樣機，還可以根據待測壓電陶瓷的實際工作電壓，調整壓電陶瓷驅動器的輸出范圍。本文雖然只針對待測樣品中心位置的壓電常數連續明暗條紋判讀，如果修改程序的初始設置，增加運算量，還可以實現對于待測樣品多點同時探測壓電常數的精確測量，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更換為相應的光電傳感器，將可能降低設備的成本。

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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

湖北省高等學校教學研究項目(JYS14001);中南民族大學實驗室開放與技改項目(JG2014013)

吳金泉(1976-),女,高級實驗師.主要從事光電檢測技術方面的研究.

TQ174

A

1001-1625(2016)05-1574-04