基于两种光纤传感技术的压电陶瓷特性研究(2)
本实验以迈克耳孙干涉仪为基础,采用激光干涉方法,对压电陶瓷的压电特性进行观察和研究,并可获得干涉场光强的分布情况,从而对迈克耳孙干涉仪的原理有更深地理解,也对压电陶瓷的特性和微小位移量的测量手段和方法有深入地认识和了解. 高频电信号加在压电陶瓷上时,则产生高频声信号(机械振动).
在实验过程中需要熟悉光纤知识及光纤传感原理，能够利用所学知识分析实验现象，解决实际问题。依据课题的任务进行资料的调研、收集、整理，实验方案设计、操作、测试及分析，从而掌握从事科学研究的基本方法和手段，培养严肃认真的科学态度，提高分析和解决实际问题的能力。
意义：压电陶瓷(Piezoelectric Ceramics,PZT)由于体积小、响应速度快、易于控制等优点,被广泛应用于微位移驱动、纳米定位、电源驱动器、扫描干涉等方面.其外加电压与由逆压电效应及电致伸缩效应所产生的位移量之间并非严格的线性关系,存在迟滞、蠕变和非线性等特性.该位移量一般在微米甚至以下量级,精确描述该微位移量随电压的变化关系,有利于进一步拓展PZT的应用范围.已有的观测方法主要基于干涉原理,无论利用Michelson干涉还是Mach-Zehnder干涉,或索菲型干涉仪,都有很高的准确度,但系统抗干扰能力差,易受光源波动(波长变化和功率稳定性)影响.本文提出一种基于光纤光栅(Fiber BraggGrating,FBG)传感和非平衡干涉解调的PZT特性观测法,该方法利用FBG传感器波长编码的特点,采用全光纤结构,有很高的测量准确度,测量结果受环境因素(如振动)干扰有限.该研究有利于进一步了解通电后PZT的变化规律.
1.2 国内外研究现状与发展趋势
2 压电陶瓷工作原理和特性分析
2. 1压电陶瓷工作原理
电场作用下,压电陶瓷一方面出现电致伸缩效应；另一方面会出现逆压电效应。由电致伸缩效应产生的形变与所加电压的平方成正比，由逆压电效应产生的应变大小则与电压成线性关系。单层陶瓷片产生的形变比较小，实际应用中，为获得大的伸长量通常采用圆筒形压电陶瓷结构。压电陶瓷的伸长量(Δc)与所加电压(U)的关系为
（1)
式中N为压电陶瓷片数，d为压电系数(m/ V) , M为电致伸缩系数（ ）, t 为每片陶瓷的厚度。