压电陶瓷应变的测量及应用

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1、维普资讯http://www.cqvip.com1995年第4鲰声学与电子工程总第4O鲰压电陶瓷应变的测量及应用一一／(。／俞镶龙袁永铮罗绍棠1＼————，’＼(七一五研完所)(七二六研究所)(七二一厂)’1—．摘要本文叙述压电陶瓷重要特性之一——应变(彤变)的产生机理、分类、捩l量方法及应用用迈克尔逊干涉法测量静态彤变。采用贝鏖尔函数法测量动态形变。贝塞尔函数法测量简便．精度高．用此法删出压电陶瓷在谐振状态下的动态形变后．可确定压电冉瓷曲机艟{皆振频率．机械值荨参数．从而可评价压电陶瓷元件的质量。叙述了种

2、用压电陶瓷的形变研制成的一些高精度精密器件．如敦动器，激光器谐振腔镦调机构，微位移扫描器和压电千分尺等。关键词竺堕璺笙逊』贻尔函数干涉仪2．l引言在压电陶瓷元件上加一直流或交流电场．即会产生相应的应变(形变)。这种形变具有微小．响应快．连续等特点。随着科学技术的迅猛发展+需要用压电陶瓷微小形变(微米级甚至纳米缴)进行控制的对象愈来愈多．控静j精度要求也愈来愈高。这就涉及到如何测量压电陶瓷形变的问题。据报道。测量微小形变的方法很多．有贴应变片法、电感测微仪、电容测微仪．x射线法．激光干涉仪法等。其中有的是接触

3、式测量．有的是非接触式测量；有的虽屑非接触式测量，但'删量中存在安装样品．计算困难等问题．并不实用。接触式方法不适合动态形变测量．因为它会改变压电体原来的谐振状态．致潮不准形变：非接触式方法适用于动态形变测量。本文着重叙述采j{l非接触式可见光微光干涉仪法傩量三种压电陶瓷材料的静、动态形变的情况和结果。并通过形变测量计算压电应变系数评价压电陶瓷元件的质量。2压电陶瓷形变产生机理及分类极化后的压电陶瓷元件具有排列整齐的电畴结构。当外圳直流电场时．由于电场和电偶极矩的相互作用，引起元件内部电畴排列及原胞结构的变

4、化．从而导致元件宏观形状上的变化，如图I所示。在外电场作用下．应变s与电场E之间的关系一般可表示为S=d-E+ME2(1)式中第一项为逆压电效应产生的应变．为压电应变系数．第二项为电致伸缩效应产生的应变，M为电致伸缩系数。电致伸缩效应为二次效应．所产生的形变非常小．通常不易测量，因此在一级近似下．元件的应变主要来自逆压电效应的贡献。若在压电体上施加交变电场，则会使电畴以外加电场同样的频率在其早衡位置附近作徽振动，乃致元件整体作相应的微小变形．一24—维普资讯http://www.cqvip.com(a)在外

5、电场作用下元件变细变长(b)在外电场作用下元件变短变粗圈1外电场和电偶板矩之问的相互作用导致宏观形变。压电陶瓷元件在外电场作用下所产生的形变通常分为三类：一是在直流电场作用下产生的形变．即静态形变．二是在谐振状态下产生的形变．即动态形变．三是在远离谐振频率的交变电场作用下产生的形变．即准静态形变后一形变极其微小．难以测量，本文不作研究。3测量方法31静态形变的测量采用传统的迈克尔逊干涉仪测量压电陶瓷元件的静态形变，光路图如图2所示。图中由He．Ne激光器出射的光经分束器S后分成两束．即参考光束0和测量光束@

6、。光束①经M．全反射回至S．再反射至接收屏P。光束@经M，全反射回至s，并透过分束器S射向接收屏P。两光束在接收屏P处相遇．产生f：涉．可获得相应的干涉图样M，是一平而全反射小镜贴于压电体被测端面上．压电体本身又被牢牢粘接在一重质量块w上因此在压电体产生形变时质量块一端(下端)将保持不动，另一端(上端)随外电场作用而振动井连带小镜M，一起振动．这就改变M．全反射参考平面反镜M，全反射量平面反射镜S分柬器LlIc-Ne激光器．~,-652．8rraE可调矗流电压源0被物体{这里是压电殉爱元件w重质量按P干涉图

7、接收屏圈2典型的迈克尔逊干涉仪了测量光的程差，引起接收屏P处干涉条纹的移动由条毁的移动数可计算出相应的形变。干涉条纹也可通过光电转换后送入示波器进行观察或送入计数器进行计数。在实验中观察到，当维普资讯http://www.cqvip.com外加电场反向时．经过极化的压电陶瓷的干涉条纹的移动方向也改变了，这说明压电体具有伸长和缩短两个不同过程，形变与外加电场的方向有关。这里仅研究在压电体3方向上加电场．测量l方向上产生的形变．如图3所示。相应的形变和应变可按下式计算：△zl=Ⅳ．芸(2l△sl3(3)由(3)

8、式可得应变系数的计算公式：△三lfd．3l’V(4)以上式中，_v为移动的条纹数’^为激光波长，r一!———工为压电体被删方向上的长度为压电体厚度·图3外加屯场与彤变检攮l方向示意图为外加电压，吐．为压电应变系数。3．2动态形变的测量采用贝塞尔函数高频激光干涉测振仪测量压电陶瓷元件在谐振状态下(基频)的动态形变其测量系统如图4所示。(a)测探系统方块图(b)被I样品夹持方式圃4贝塞尔函数法捌振系统及样品夹持方式一