试验十一干涉法测量压电陶瓷特性

光学 精密工程Optics and Precision Engineering第 29 卷 第 5 期2021年5月Vol. 29 No. 5May 2021文章编号 1004-924X( 2021)05-1052-07压电陶瓷液体调相器的性能检测梁忠诚*，尹睿，陈陶，吴陈斌(南京邮电大学电子与光学工程学院、微电子学院，江苏南京210000)摘要：光学综合孔径成像技术的关键是解决共相位问题，子孔径之间的相位失调会严重影响成像质量，工程上一般要求 调相精度达到光波段久/10。

本文采用压电陶瓷制备一种液体调相器，利用干涉法和数字图像处理技术实现对调相器相位的高精度检测。

通过向压电陶瓷腔注入液体来制备调相器，利用干涉仪获得压电陶瓷液体调相器在不同电压下的干涉条纹并使用CCD 记录，最后对这些干涉条纹图像进行数字图像处理，得到单个像素的条纹骨架，采用条纹标记法跟踪不同电压下骨架条纹的移动情况，并计算骨架条纹的像素移动量。

实验结果表明，在0~30 V 的电压下，压电陶瓷液体调相器的调相范围为0~3.325n ,调节精度可以达到A /40,并且在电压区间内调相的线性度良好，满足光学综合孔径中 单个子镜的相位调制精度要求。

关 键 词：综合孔径成像；压电陶瓷；液体调相器；数字图像处理；相位检测中图分类号:TN256；TP751. 2文献标识码：Adoi ：10. 37188/OPE. 20212905. 1052Performance test of piezoelectric ceramic liquid phase modulatorLIANG Zhong -cheng * , YIN Rui , CHEN Tao , WU Chen -bin(College of E lectronic and Optical Engineering & College of M icroelectronics , Nanjing University ofPosts and Telecommunications , Nanjing 210000, China )* Corresponding author , E -mail ： zcliang@njupt. edu. cnAbstract ： The key of optical synthetic aperture imaging is to solve the problem of common phase. Thephase imbalance between sub apertures will seriously affect the imaging quality. Generally ， the phase mod ­ulation accuracy of 1/10 wavelength in optical band is required in engineering. In this paper , a liquid phasemodulator was fabricated by piezoelectric ceramics. The phase of the liquid phase modulator was detectedwith high precision by using interference method and digital image processing technology . The phase mod ­ulator was prepared by injecting liquid into the piezoelectric ceramic cavity. The interference fringes of the piezoelectric ceramic liquid phase modulator under different voltages were obtained by using the interferom ­eter and recorded by CCD. Finally ， a series of digital image processing were performed to obtain thefringe skeleton of a single pixel. The fringe marking method was used to track the movement of the skele ­ton fringe under different voltages. The pixel movement of skeleton stripe was calculated. The experimen ­tal results show that the phase modulation range of the piezoelectric ceramic liquid phase modulator is 0­3. 325n under 0-30 V voltage , and the adjustment accuracy can reach 1/40 wavelength. The phase modu-收稿日期：2020-07-31；修订日期：2020-09-01.基金项目：国家自然科学基金资助项目(No. 61775102)第5期梁忠诚，等：压电陶瓷液体调相器的性能检测1053lation linearity is good in the voltage range，which meets the phase modulation accuracy requirements of single sub mirror in optical synthetic aperture.Key words:synthetic aperture imaging；piezoelectric ceramics；liquid phase modulator；digital image pro-cessing；phase detection1引言光学综合孔径成像技术是指利用多个小孔径望远镜排列成一定形式的稀疏孔径阵列对物体成像，将观测结果进行综合处理，使最终结果等效于一个大孔径望远镜对该物体的观测结果。

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。

压电陶瓷材料应变测试方法引言：压电陶瓷材料是一类具有压电效应的特殊材料，其在受到外力作用时能够产生电荷分离现象，从而产生应变。

为了准确测量压电陶瓷材料的应变，科学家们开发了多种测试方法。

本文将介绍几种常用的压电陶瓷材料应变测试方法。

一、电容法电容法是一种常用的测量压电陶瓷材料应变的方法。

该方法利用压电陶瓷材料在受到外力作用时产生的应变改变其电容值的特性。

具体操作时，将压电陶瓷材料制成电容器的一部分，通过测量电容器的电容值的变化来间接测量应变的大小。

这种方法简单易行，且测量结果较为准确。

二、光栅法光栅法是一种基于光学原理的压电陶瓷材料应变测试方法。

该方法利用光栅的干涉效应来测量压电陶瓷材料的应变。

具体操作时，将光栅固定在压电陶瓷材料表面，当材料受到外力作用时，会引起光栅的形变，从而改变光栅的干涉条纹。

通过测量干涉条纹的变化来确定应变的大小。

光栅法具有高精度和非接触性的特点，适用于对压电陶瓷材料应变进行精确测量的场合。

三、应变片法应变片法是一种常用的直接测量压电陶瓷材料应变的方法。

该方法利用应变片的特性来测量材料的应变。

具体操作时，将应变片粘贴在压电陶瓷材料的表面，当材料受到外力作用时，应变片会发生形变，通过测量应变片上的应变值来确定压电陶瓷材料的应变大小。

应变片法操作简单，测量结果较为准确，广泛应用于工程实践中。

四、声发射法声发射法是一种利用声波传播特性来测量压电陶瓷材料应变的方法。

该方法通过监测材料在受到外力作用时产生的声波信号来间接测量应变的大小。

具体操作时，将传感器放置在压电陶瓷材料附近，当材料受到外力作用时，会产生应变，从而引起声波信号的发射。

通过分析声波信号的特征来确定应变的大小。

声发射法具有非接触性和实时性的特点，适用于对压电陶瓷材料应变进行在线监测的场合。

结论：压电陶瓷材料应变测试方法多种多样，每种方法都有其适用的场合和特点。

在实际应用中，可以根据具体需求选择合适的测试方法。

电容法、光栅法、应变片法和声发射法是常用的几种方法，它们在测量精度、操作简便性和适用范围等方面各有优劣。

实验六物镜焦距、截距的测定一、实验目的掌握用定焦距平行光管法测量光学系统焦距、截距的方法二、实验内容掌握测量方法，做好测量前的准备工作，测量给定的照相物镜、望远物镜和显微物镜的象方焦距和截距、物方焦距和截距。

三、实验原理测量焦距的方法很多，其中的定焦距平行光管法、（即放大率法）测量范围大，测量精度高，相对误差一般在1％以下，是目前常用的方法，其测量原理如图1－1图1－1其中O是平行光管物镜，L是被测透镜，y是位于平行光管物镜焦平面经过平行光管物镜后成像在无限远处，再经过被测上的一对刻线的间隔距离。

y透镜L后，在它的焦平面上得到y的像y`。

这种方法的原理就是通过测量像y`的大小，然后计算出被测透镜的焦距。

从图1－1看出下面两个关系式：用作图成像的方法很容易得出：w = w`，因此可以得到即：（1－1）这就是用定焦距平行光管法测定焦距所用的公式，其中f0` 是平行光管物镜的焦距，是已知的。

Y0是位于平行光管物镜焦平面处的分划板上的一对刻线的间隔距离，它的大小也是事先已知的。

Y`是这对刻线y0经过被测透镜后所成的像，如果能测量出此像y`的大小，那么就很容易用公式（1－1）计算出被测透镜的焦距f `。

利用本公式及方法，可以测量正负透镜、望远物镜、照相物镜、放映物镜，各种目镜的焦距。

应当注意要正确选择测量显微镜的物镜，使之与被测光学系统相匹配。

如测负焦距系统使要选择长工作距的显微物镜。

这是因显微物镜的倍率不同，故（1－1）式变化如下（1－2）式中：β――――――测量显微镜放大倍数四、实验设备焦距仪、待测物镜（照相物镜、照相物镜、显微物镜）图1－2 焦距仪结构示意图图1－3 玻罗板1.平行光管2.透镜夹持器3.测微目镜测量焦距用的焦距仪如图1－2所示，它包括一个平行光管、一个透镜夹持器、一个带有目镜的读数显微镜和把它们连在一起的一根带有长度刻尺的导轨组成1．平行光管常用的平行光管物镜的焦距有550mm、1000mm和2000mm等。

压电陶瓷振动的干涉测量实验报告文件编码（008-TTIG-UTITD-GKBTT-PUUTI-WYTUI-8256）一、实压电陶瓷振动的干涉测量实验报告验目的与实验仪器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 1 和 M 2 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 1 后附有压电陶瓷材料。

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。

光电测量系统设计----基于干涉方法测量压电陶瓷微小伸长量指导老师：朱海东樊敏姓名：陈权学号：2013031053班级：电科132班时间：2016年11月 7 日摘要本次实验为光电测量系统设计，从而测量压电陶瓷由于加热而产生的微小形变量，故需要掌握干涉和衍射的基本原理和产生条件，结合相关仪器软件完成对光电探测器的设计。

首先是对通过杨氏双缝干涉，夫琅禾费衍射，PSD微小位移测量实验对理论知识的补充和了解，并对测量系统的搭建有一个大概的构思。

然后在机房通过仿真软件ZMAX完成扩束准直系统的设计，ZW CAD绘制出探测器的光学结构（探头主体、底座、支杆等）；最后，进行了光纤端面处理和光纤传感综合实验。

关键词：光电测量系统；干涉；衍射；探测器；光纤实验目录论文总页数：11页1. 简介 (1)1.1.实验目的及内容 (1)2. 干涉及衍射原理 (1)2.1.干涉 (1)2.1.1. 干涉原理 (1)2.1.2. 干涉条件 (2)2.1.3. 实现光束干涉的基本方法 (2)2.2.衍射 (2)2.2.1. 衍射原理 (2)2.2.2. 衍射分类 (2)3. 干涉仪 (3)4. 整体结构 (4)5. 上机 (5)5.1.ZMAX仿真设计 (5)5.1.1. 单透镜 (5)5.1.2. 双透镜 (5)5.1.3. 扩束准直系统 (6)5.2.探测器设计 (7)6. 总结 (10)6.1.实验结果及分析 (10)6.2.问题分析 (11)6.3.实验改进 (11)结语 (11)参考文献 (11)1. 简介1.1. 实验目的及内容1、基于光的干涉、衍射原理，理解干涉、衍射测量法的原理及方法，了解各部分的作用并能综合运用；2、了解探测器的设计原理及探测器的分类，综合应用所学的光学知识，利用干涉测量法测量压电陶瓷的微小伸长量；3、通过相关实验仪器和软件的操作完成对光电探头的设计；2. 干涉及衍射原理2.1. 干涉2.1.1. 干涉原理只有两列光波的频率相同，相位差恒定，振动方向一致的相干光源，才能产生光的干涉。

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。