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![一种检测压电陶瓷压电常数d31的装置[发明专利]](https://uimg.taocdn.com/4ef7752cfd4ffe4733687e21af45b307e871f981.webp)
(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。
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。
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。
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。
本科毕业论文（自然科学）题目：用迈克尔逊干涉仪测量压电陶瓷电致伸缩系数院（系、部）：物理系学生姓名：史新梦指导教师：王鸿雁职称教授2016年5月10日河北科技师范学院教务处制资料目录1. 学术声明…………………………………………………………………………… 1 页2. 河北科技师范学院本科毕业论文（设计）……………………………1~11 页3. 河北科技师范学院本科毕业论文（设计）任务书………………….1~2页4. 河北科技师范学院本科毕业论文（设计）开题报告……………1~3页5. 河北科技师范学院本科毕业论文（设计）中期检查表………… 1 页6. 河北科技师范学院本科毕业论文（设计）答辩记录表………… 1 页7. 河北科技师范学院本科毕业论文（设计）成绩评定汇总表……1~2页8 河北科技师范学院本科毕业论文（设计）工作总结……………1~3页9 其他反映研究成果的资料（如公开发表的论文复印件、效益证明等）……………………………………………………………1~17页河北科技师范学院本科毕业论文用迈克尔逊干涉仪测量压电陶瓷电致伸缩系数院（系、部）名称：物理系专业名称：物理学学生姓名：史新梦学生学号：1112120115指导教师：王鸿雁2016年5月10日河北科技师范学院教务处制学术声明本人呈交的学位论文，是在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果，所有数据、图片资料真实可靠。
尽我所知，除文中已经注明引用的内容外，本学位论文的研究成果不包含他人享有著作权的内容。
对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确的方式标明。
本学位论文的知识产权归属于河北科技师范学院。
本人签名：日期：指导教师签名：日期：摘要在各种微位移材料中以电致伸缩微位移器性能突出( 具有施加电压低、位移量大、滞后小、重复性好、无老化等特点)，而压电陶瓷具有很好的电致伸缩性能，因此对于压电陶瓷电致伸缩系数的测量成了人们关注的焦点。
中国科技期刊数据库 科研2015年30 期 281利用迈克尔干涉仪测量压电陶瓷的压电常数黄伟朝 虢淑芳广东省肇庆市技师学院，广东 肇庆 526060摘要：对压电陶瓷的压电常数测量是工程领域的一项重要内容，提出了一种改造迈克尔逊干涉仪移动镜，将压电陶瓷安装在干涉仪导轨上进行测量，提出了两种测量方法：一是光功率计测量干涉环中心圆环光强变化，二是用干涉条纹自动采集实验系统测量，并得出了测量结果。
关键词：迈克尔逊干涉仪；压电陶瓷；压电常数 中图分类号：O441-45 文献标识码：A 文章编号：1671-5780（2015）30-0281-021 引言对于压电材料，压电常数是一个非常重要的性能参数，对压电常数的测量是测量工程领域中一项重要内容，对其压电常数测量技术的研究以及获得精确可靠的测量方法，压电陶瓷在电场作用下其形变保持较好的线性关系，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尺寸的操控等领域。
在物理实验中，迈克尔逊干涉仪常被用来测量激光的波长或者物体移动的微小长度，因为对压电常数的测量的关键技术是体现在当在压电陶瓷某个方向加上电压后，测出与其加电垂直方向的微小长度的变化量，若利用迈克尔逊干涉仪的测量微小长度的方法来进行压电常数的测量可以达到较好的效果，在测量时只需将迈克尔逊干涉仪进行适当改装就可以实现，改动迈克尔逊干涉仪进行测量压电常数的原理示意图如图1所示。
图1 利用迈克尔逊干涉仪测量压电陶瓷压电常数原理示意图2 对迈克尔逊干涉仪的改造及压电陶瓷的安装因为考虑到要利用现有的迈克尔逊干涉仪的装置进行测量，而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，那么，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进行连接为一体，可以采取一种机械固定的方法，首先要将移动镜进行改造，移去原先的移动镜，将新的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2所示。
干涉法测量Cd(C_4H_8N_2S)_3Cl_2晶体的压电系数
尹鑫;张囡;袁多荣;蒋民华
【期刊名称】《人工晶体学报》
【年(卷),期】1989(18)4
【摘要】用干涉法首次测量了 Cd(C_4H_8N_2S)_3Cl_2晶体的压电系数。
结果为d_(33)=14.8,d_(31)=-2.8,d_(22)=5.2,d_(15)=14.7×10^(-12)C/N。
【总页数】4页(P337-340)
【关键词】有机;金属络合物;晶体;压电系数
【作者】尹鑫;张囡;袁多荣;蒋民华
【作者单位】山东大学晶体材料研究所
【正文语种】中文
【中图分类】O627.23
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1.用ATR法测量晶体的压电系数和电光系数 [J], 尚有魁;沈启舜;史坚;曹庄琪;杨艳芳
2.干涉法测量KTiOPO4晶体的压电应变系数 [J], 尹鑫;王继扬
3.测量晶体最大双折射率温度系数的偏光干涉法 [J], 孔凡美;李国华;马育栋
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5.Hg(C_4H_8N_2S)_3Cl_2晶体压电系数的测量 [J], 尹鑫;袁多荣;张囡
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实验33 压电陶瓷的电致伸缩系数的测量迈克尔逊干涉仪是一种用分振幅方法产生双光束，以实现干涉的仪器，它在近代物理和计量技术中有着广泛的应用，YJ-MDZ-II压电陶瓷电致伸缩实验仪利用了迈克尔逊干涉仪的原理, 测定压电陶瓷的电致伸缩系数。
1实验目的（1）了解迈克尔逊干涉仪的工作原理，掌握其调整方法；（2）观察等倾干涉、等厚干涉和非定域干涉现象；（3）利用电致伸缩实验仪观察研究压电陶瓷的电致伸缩现象，测定压电陶瓷的电致伸缩系数。
2实验仪器YJ-MDZ-II电致伸缩实验仪。
3仪器介绍YJ-MDZ-II电致伸缩实验仪由机械台面、半导体激光器、千分尺、杠杆放大装置等一个机械台面固定在底座上，底座上有4个调节螺钉，用来调节台面的水平，在台面上装有半导体激光器、分光板G1、补偿板G2、反光镜M1、反光镜M2、毛玻璃屛、千分尺、10:1杠杆放大装置，台面下装有激光电源插座。
调节千分尺x（mm）可使反光镜M1沿反光镜垂直方向移动x/10（mm）。
反射镜M1M2可沿导轨移动，M1M2二镜的背面各有二个螺钉，可调节镜面的倾斜度。
4实验原理4.1YJ-MDZ-II电致伸缩实验仪的原理光路图2 YJ-MDZ-II电致伸缩实验仪的原理光路图3 等倾干涉如图2所示，从光源S发出的一束光经分光板G1的半反半透分成两束光强近似相等的光束1和2，由于G1与反射镜M1和M2均成450角，所以反射光1近于垂直地入射到M1后经反射沿原路返回，然后透过G1而到达E，透射光2在透射过补偿板G2后近于垂直地入射到M2上，经反射也沿原路返回，在分光板后表面反射后到达E处，与光束1相遇而产生干涉，由于G2的补偿作用，使得两束光在玻璃中走的光程相等，因此计算两束光的光程差时，只需考虑两束光在空气中的几何路程的差别。
从观察位置E处向分光板G1看去，除直接看到M1外还可以看到M2被分光板反射的象，在E处看来好象是M1和M/2反射来的,因此干涉仪所产生的干涉条纹和由平面M1与M’2之间的空气薄膜所产生的干涉条纹是完全一样的，这里M’2仅是M2的像，M1与M’2之间所夹的空气层形状可以任意调节，如使M1与M’2平行（夹层为空气平板）、不平行（夹层为空气劈尖）、相交（夹层为对顶劈尖）、甚至完全重合，这为讨论干涉现象提供了极大的方便，这也是本仪器的长处之一，长处之二是迈克尔逊干涉仪光路中把两束相干光相互分离得很远，这样就可以在任一支光路里放进被研究的东西，通过干涉图像的变化可以研究物质的某些物理特性，如气体折射率等，也可以测透明薄板的厚度。
基于线阵CCD的迈克耳孙干涉仪条纹计数器陈玉林;马龙;顾斌;徐林华【摘要】通过CCD图像传感器对光干涉信号进行捕捉与采集,并将捕捉信号送至ARM微控制器,利用芯片内部的A/D转换单元将模拟信号转换成数字信号,然后对数字信号进行分析、变换、测量处理,将干涉图像、干涉环变换方向及计数结果显示在液晶屏上,该方法消除了人工记录干涉圆环数目时因疲劳而产生的计数误差,提高了测量精度.【期刊名称】《物理实验》【年(卷),期】2012(032)002【总页数】4页(P21-24)【关键词】CCD;迈克耳孙干涉仪;计数器【作者】陈玉林;马龙;顾斌;徐林华【作者单位】南京信息工程大学数理学院,江苏南京210044;南京信息工程大学数理学院,江苏南京210044;南京信息工程大学数理学院,江苏南京210044;南京信息工程大学数理学院,江苏南京210044【正文语种】中文【中图分类】O436.11 引言迈克耳孙干涉仪是常用的计算光波波长的仪器，它设计精巧、用途广泛，后人在此基础上发展出当今物理学、化学、生物学、医学都有许多重要应用的现代干涉仪器，如激光比长仪、傅里叶变换光谱仪等[1].但是因为缺少配套的干涉环计数系统，操作人员在做实验时必须在光线较暗的环境中，通过调节手轮同时用肉眼观察并记录干涉环涌出或陷入的条纹数，当需记录条纹数较大时，眼睛容易疲劳，导致工作效率降低，计数误差增大[2].本文设计的计数器配合迈克耳孙干涉仪，可直观显示干涉图像，自动判断圆环涌出还是陷入，记录干涉环变化次数，外形小巧轻便，无需连接计算机，具备智能化程度高的特点.相对人工计数而言，提高了测量精度，降低了工作强度，简化了实验操作，具有重要的实际意义[3]，可推广应用于光学实验及相关测量.2 装置原理2.1 设计思路迈克耳孙干涉仪干涉条纹计数器主要由3部分组成：CCD图像传感器、微处理器最小系统、液晶显示屏.电荷耦合器件（charge couple device，简称CCD）是一种新型光电传感器件.它的基本单元是MOS结构，能存储由光产生的电荷信号，当对它施加特定时序脉冲时，其存储电荷能在CCD内作定向移动而实现自扫描，输出电压信号的大小与CCD单元存储的电荷多少成正比，CCD单元存储电荷的多少与光的强度和CCD单元光积分时间成正比.本文使用的CCD图像传感器由2 592个PN结光电二极管构成光敏元阵列，每个光敏单元的尺寸为长为11μm、高为11μm、中心距为11μm，光敏单元线阵有效长度为28.67mm，CCD感光面如图1所示.微处理器最小系统由ARM微处理器STM32F103VCT6及其附属器件组成.液晶屏采用16位真彩色3.2寸屏，具有触摸功能，方便操作控制.图1 CCD感光线阵将干涉条纹信号通过运放后经A／D转换采集，送入处理器中进行软件处理、判断比较，用软件实现计数，可以通过预设一定的条件来对条纹信号进行判向计数[4].系统设计时应尽量减小外界环境对其造成的影响，可能的影响因素有：照明系统的稳定性、成像系统误差、CCD像元制造误差、CCD对光照度的分辨率、A／D转换精度、CCD驱动电路的噪音水平、图像处理水平和软件算法的优劣等[5].当旋转细调手动轮时，干涉条纹中心便会有明暗相间条纹“冒出”或“缩进”（“冒出”的明暗条纹在干涉条纹中心产生，随着细调手轮的旋转而消失）[6]，将干涉环打在CCD感光面上，如图2所示，CCD将输出干涉环光强信号，信号波形如图3所示.从图3容易看出，每个光强峰值对相应干涉环，中间跨度最大的峰值即为圆环中心，这样通过检测中心光强变换次数就可数出干涉环变换次数.转动微调手轮使干涉环“冒出”时，两边较小峰值将逐渐向外移动，而当干涉环“缩进”时，两边较小峰值将逐渐向中心移动，这样检测两边较小峰值移动方向即可判断干涉环变换方向.图2 CCD与干涉环图3 干涉环光强分布为提高系统抗干扰性，使干涉环计数更加准确，可在计数前先对CCD光强进行采样.设中心光强为S，转动微调手轮，记录中心光强最大值Smax和最小值Smin，如图3所示，即当系统开始计数时，设定S＞0.6（Smax－Smin）＋Smin为高，S＜0.4（Smax －Smin）＋Smin为低，这样经历一高一低，计数值才加1.在光强分布靠左边选定一部分，如图3中a到b部分，a到b的范围应至少包含1个峰值，另外再设一个范围L到R，L到R的范围应把ab包含在内.在a到b中找到1个峰值，记录峰值的位置设为x0.设光强位置坐标从左到右逐渐增大，则各位置关系为经历一段较短时间（如0.05s）后找出离x0最近的峰值，设为x1.如果x1＞x0，则干涉环向中心“缩进”；如果x1＜x0，则干涉环从中心“冒出”；如果x1＝x0，则干涉环静止.这样再把x1当做x0继续判断方向，直到峰值位置超出L到R的范围，然后再重新在a到b中找出x0，即可实现对干涉环变换方向的检测.设干涉环中心在光强分布图上的位置为c，干涉环任意一点位置为x，相应光强为S.让x从光强分布边缘逐渐变动到x＝c，以｜x－c｜为半径，S为强度，在屏幕上画圆，即可将干涉环形象地表现在屏幕上.2.2 电路设计迈克耳孙干涉仪条纹计数器数据处理电路见图4，图中电源、晶振等附属电路未画出.U1为微处理器STM32F103RBT6，可用STM32F103系列其他型号代替，晶振8M，主频72MHz，系统电源3.3V.U2为液晶屏接线座，D0～D15为数据线，接微处理器的PC0～PC15.MOSI，MISO，SCLK，TP＿E为SPI接口，可结合INT端读取触摸屏信息.CCD＿CLK接至CCD传感器时钟输出端口，Q1为NPN型三极管BC547，可用其他型号如9013代替，CCD＿DATA接CCD传感器数据端，通过R3和R4分压送至PA0.2.3 程序设计程序代码分为3部分：CCD传感器数据读取，干涉环数据分析处理，液晶显示与触屏控制.1）CCD传感器数据读取：CCD传感器输出2路信号，一路是高脉冲时钟信号，另一路是光强模拟信号.将每个时钟周期分为200份，依次读取每个时刻对应的模拟信号，模拟信号的读取要使用片内ADC转换器，将读取的信号值写入1个光强数组中.2）干涉环数据分析处理：利用定时器产生100Hz的中断，这部分操作放在中断函数里，实现每0.01s采集1次数据，并比较记录干涉环中心最大值、最小值、侧边峰值，利用设计思路中的方法对干涉环进行计数、判向.图4 数据处理电路3）液晶显示与触屏控制：因为实时显示要求液晶响应速度要快，所以这里使用液晶屏的16位并行接口.使用区域显示函数在屏上设定区域来显示干涉环，使用数学函数依次计算每个点颜色数值，这样可以形象显示干涉环.本系统使用红色显示干涉环，用5位二进制表示颜色深度，另外背景色为黑色较容易处理.因为只需1个键来控制，所以触屏可以不读取位置信息，只需读取INT脚高低电平即可，如果担心有误操作，也可设立对话框读取位置信息.程序流程分为2个阶段：光路调整，计数.第一阶段：光路调整.在程序开始后需有一个阶段来调整光路，让干涉环中心尽量打在CCD传感器中心，这个阶段可在液晶屏上显示光强图辅助调整.第二阶段：计数.在这个阶段中开启定时器中断，定时采集数据，记录并显示干涉环变换个数及变换方向，动态显示干涉环分布，并设有重新计数功能.3 实践检测及结论图5所示为迈克耳孙干涉仪计数器做好后应用的图片，其中（a）为调整光路的界面，界面上会显示相应提示信息，下方即为CCD输出光强图，中间一道竖线为辅助调整之用，（b）为计数界面视图，上方显示干涉环图样，下方显示计数值和方向.利用本系统结合迈克耳孙干涉仪进行测量激光波长的实验，实验数据如表1所示.图5 程序界面表1 实验数据计数值位置／mm 0 37.020 00 400 37.144 66 800 37.270 90 1 200 37.398 80利用逐差法计算得出¯λ＝631.30nm，与激光器标定波长λ0＝632.80nm相比，Er＝0.24%.4 结束语经多次实验，本系统计数准确，对外界光线变化具有较强的适应能力，降低了实验操作强度，具有实际意义.本系统作为南京信息工程大学自制仪器，不仅解决了实验操作与精确度的问题，更进一步满足综合性、设计性、创新性等现代实验内容的要求，加深了对理论知识的理解.【相关文献】[1] 陈玉林，李传起.大学物理实验[M].北京：科学出版社，2007.[2] 漆建军，马文华，肖化.基于线阵CCD的迈克耳孙干涉仪测量金属丝的弹性模量[J].实验室研究与探索，2010，29（1）：19－22.[3] 刘晓峰，赵成军，崔实，等.迈克耳孙干涉条纹自动计数仪的开发[J].东北电力学院学报，1994，14（4）：93－96.[4] 陈本永，吴晓维，李达成.一种新型的干涉条纹软件计数方法及其实现研究[J].传感技术学报，2004（3）：371－375.[5] 江育民，黄惟公，杨益.基于提高线阵CCD测量系统测量精度的研究[J].电子测量技术，2010，33（6）：98－101.[6] 崔实，信冲，李宝才.迈克耳孙干涉条纹自动计数仪的设计与应用[J].大学物理，1998，17（1）：31－33.[7] 邓晓鹏，向少华，刘亮员，等.光源的相干性对牛顿环干涉条纹的影响[J].物理实验，2010，30（8）：27－29.。
《迈克尔逊干涉仪实验》实验报告评分标准一 实验预习（20分）学生进入实验室前应预习实验，并书写实验预习报告。
预习报告应包括：①实验目的，②实验原理，③实验仪器，④实验步骤 ⑤实验数据记录表等五部分。
以各项表述是否清楚、完整，版面验前还应预习实验）。
二 实验操作过程（20分）学生在教师的指导下进行实验。
操作过程分二步 1．迈克尔逊干涉仪的调整(1)调整迈克尔逊干涉仪的底脚螺丝，使干涉仪大致水平。
使He-Ne 激光束基本垂直于M 2，调节激光器高低左右，使反射回来的光束按原路返回。
调整M 1、M 2背面的各三个螺钉以及M 2镜座下两个微调螺钉2、4，使它们可以进、退的距离相等，为后续调节留下余地。
(2)粗调动镜M 1及M 2位置，获得干涉条纹。
(3)调整屏幕的位置，使屏幕中心与动镜M 1中心的连线与精密丝杠的轴线平行。
(4)调节点光源S 在镜M 1、M 2'中所成的像s '、s ''使两者的连线与精密丝扛的轴线平行。
2．测量H e -N e 激光的波长(1)读数刻度基准线零点的调整。
(2)慢慢转动微动鼓轮，待操作熟练、条纹冒出均匀后记下粗动鼓轮和微动鼓轮上的初始读数d o ，开始测量。
每当“冒出”N =50个圆环时记下d i ，连续测量9次，记下9个d i 值，每测一次算出相应的1i i d d +∆=-三 实验纪律（ 学生进入实验室，按照学生是否按规定进入实验室，是否按照操作要求使用仪器，是否在实验结课后完成一份完整的实验报告。
四、数据记录及处理（35分）12数据记录及处理学生在数据处理过程中，是否按照要求正确书写中间计算结果、最终实验结果和不确定度的有二、思考题（10 学生在实验结束后，在三道思考题中选择两道，抄写题目并回答。
按照问题回答是否准确，有自己的见解，分三段给分。
三、格式及版面整洁（5分）《迈克尔逊干涉仪实验》实验技能测试评分标准学生进入实验室，用15分钟的时间看书，15分钟之后将书收起来，开始进行实验测试。
(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201911272019.0(22)申请日 2019.12.12(71)申请人 佛山市卓膜科技有限公司地址 528000 广东省佛山市南海区桂城街道永安北路2号金谷光电产业社区A座第四层405、406单位(72)发明人 陈显锋 (74)专利代理机构 广州三环专利商标代理有限公司 44202代理人 胡枫 何键云(51)Int.Cl.G01R 29/22(2006.01)(54)发明名称一种压电材料的压电系数测量方法(57)摘要本发明公开了一种压电材料的压电系数测量方法，通过驱动装置来调整探头的下压速度，先通过较快的下压速度移动探头，再以较慢的下压速度准确地下压压电薄膜材料，通过对压电薄膜材料施加较小的初始压力，从而提高测量的范围和测量效率。
权利要求书1页 说明书5页 附图2页CN 111044803 A 2020.04.21C N 111044803A1.一种压电材料的压电系数测量方法，其特征在于，采用压电系数测量装置来测量压电薄膜材料；所述压电系数测量装置包括加力装置、探针、信号处理装置，所述探针与压电薄膜材料的电极连接，所述探针通过导线与信号处理装置连接；所述加力装置包括探头、力传感器和驱动装置，所述力传感器与驱动装置通过导线与信号处理装置连接；探头位于初始位置，测量出探头与压电薄膜材料之间的距离为H；驱动装置驱动探头向下移动，以使探头下压压电薄膜材料，当力传感器输出给信号处理装置的信号表明探头施加给压电薄膜材料的压力大于等于F时，所述信号处理装置获取压电薄膜材料的电信号为A，其中，所述探头在H区间下压过程中，至少一段时间内，探头的下压速度由快变慢。
2.如权利要求1所述的压电材料的压电系数测量方法，其特征在于，所述探头的初始下压速度为a0，当探头与压电薄膜材料之间的距离为(0.1～0.6)*H时，所述探头的下压速度为(0.01～0.5)a0。
基于迈克耳孙干涉仪与线阵CCD的金属丝杨氏模量测量方案姜悦;吴官东【摘要】杨氏模量是描述固体材料抵抗弹性形变能力的重要力学参数,对它的精确测量在科学研究和技术应用中都具有重要意义.本文设计了一种金属丝杨氏模量测量的改进方案,使用迈克耳孙干涉仪测定金属丝受力拉伸的微小形变量,用拉力传感器测量金属丝中的拉力,并用线阵CCD图像传感器结合单片机编程实现对干涉圆环移动的自动计数.将该测量方案与传统光杠杆法的实验结果进行对比可知,该方法能显著提高测量结果的精度,降低测量结果的不确定度.【期刊名称】《物理与工程》【年(卷),期】2019(029)004【总页数】4页(P93-96)【关键词】迈克耳孙干涉仪;杨氏模量;微小伸长量;线阵CCD;拉力传感器【作者】姜悦;吴官东【作者单位】金陵科技学院理学院,江苏南京 211169;金陵科技学院理学院,江苏南京 211169【正文语种】中文杨氏模量是描述固体材料抵抗弹性形变能力的重要力学参数，是工程设计中选择机械构件材料的重要依据之一，对它的精确测量在科学研究和技术应用中都具有重要意义。
在工程技术和实验教学中测量金属材料的杨氏模量通常采用静态拉伸法，其关键在于测定金属受力伸长时的微小形变。
目前测微小形变的常用方法有光杠杆法[1,2]、电桥法[3]、光电传感器法[4]、莫尔条纹法[5,6]等，但普遍存在测量精度不高、调节与读数不方便等问题。
本文设计了一种基于迈克耳孙干涉仪的金属丝杨氏模量测量新方案，并用线阵CCD结合单片机编程实现对干涉条纹移动的自动计数，使测量过程更方便、测量结果更精确。
1 测量原理一根粗细均匀的圆柱形金属丝，初始长度为L，直径为d。
给金属丝施加沿长度方向的外力F时，在弹性限度内金属丝的伸长量为ΔL。
由胡克定律可知其杨氏模量为[2](1)其中的ΔL是测量杨氏模量中最关键的待测量，也是最影响测量精度的物理量。
本方案利用迈克耳孙干涉仪测量金属丝的伸长量ΔL，可实现在激光波长量级(即几百纳米)上的微小伸长量的精确测量。
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]。
