激光干涉法测量压电材料纵向应变常数的研究

摘要

压电材料是一种能够实现电能与机械能相互转化，具有压电效应的功能性材料，被广泛应用于无损检测、通讯技术、生物医疗、军事科技等领域。压电材料质量的好坏直接决定了系统能量转换的性能，评价压电材料质量的特征参数包括纵向应变常数、介电常数、机电耦合系数、机械品质因数等，其中纵向应变常数d33是关键性指标之一，它不仅描述了压电材料换能效率的高低，还反映出弹性性质与介电性质之间的耦合关系。因此，准确测量压电材料的纵向应变常数d33尤为重要。
　　压电材料纵向应变常数d33的测量方法分为接触式测量和非接触式测量。接触式测量不仅会破坏材料表面，还会降低测量精度。激光干涉法作为非接触式测量的一种，以其非接触、可溯源性、高精度等优点，被广泛应用于微小动态位移的测量。
　　本文针对现有接触式测量仪器精度较低的现状，拟通过研究激光干涉法测量压电材料纵向应变常数的影响因素和不确定度评估，探讨建立压电材料纵向应变常数标准装置的可行性。在建立激光干涉法测量系统的基础上，研究了压电材料纵向应变常数d33的影响因素、测量不确定度、方法间的一致性等问题。主要工作包括:
　　1、通过激光干涉光路的搭建、正交信号的获取、多普勒信号的解调，建立了压电材料纵向应变常数d33的激光外差干涉法测量系统。详细分析了纵向应变常数的影响因素，包括激励场强、频率、电极、温度等，并对激光干涉法测量系统进行了不确定度的评估。
　　2、对比激光干涉法和准静态法的测量结果，从纵向应变常数d33的定义出发，分析和探讨了正、逆压电效应下纵向应变常数d33之间的一致性以及差异原因。
　　3、研究结果表明，在远离谐振频率点以下，纵向应变常数d33随着激励频率的增加基本保持不变;在激励场强远小于极化场强时，硬质压电陶瓷纵向应变常数d33不随激励场强而改变，而软质压电陶瓷纵向应变常数d33与激励场强存在线性关系;材料均匀性和极化程度的不同，以及测量时约束条件的制约，压电材料表面各处纵向应变常数d33数值往往并不相等，通常呈现中心处数值最小，边缘处数值最大;对激光外差干涉测量法不确定度评定结果表明，在10nm-150nm范围内，纵向应变常数d33测量不确定度优于2.30％;方法之间的一致性研究表明，正逆压电效应下的，激光干涉法测量结果略大于准静态法测量结果，且更接近材料真实d33值，激光干涉法可以作为一种绝对校准方法，给压电材料的纵向应变常数赋值，并用于准静态仪器的校准。

目录

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摘要

第一章 绪论

1．1 课题背景及意义

1．2 压电材料及其主要参数

1．2．1 压电陶瓷

1．2．2 压电薄膜

1．2．3 压电材料特征参数

1．3 压电陶瓷及薄膜纵向应变常数测量方法

1．3．1 准静态法

1．3．2 气腔压力法

1．3．3 激光干涉法

1．4 课题研究内容

第二章 激光干涉法测量纵向应变常数系统设计与实现

2．1 激光多普勒干涉测振原理

2．2 激光干涉测量光路的实现

2．2．1 四光路平衡零差干涉测振法

2．2．2 双光路外差干涉测振法

2．3 原始多普勒信号解调方法

2．3．1 反正切函数法解调技术

2．3．2 微分叉乘法解调技术

2．4 压电材料纵向应变常数测量系统建立与实验设计

2．5 本章小结

第三章 激光外差干涉法测量系统影响因素研究

3．1 压电陶瓷振动位移特性曲线

3．2 压电陶瓷纵向应变常数影响因素探讨

3．2．1 固定方式对纵向应变常数的影响

3．2．2 激励频率对纵向应变常数的影响

3．2．3 激励场强对纵向应变常数的影响

3．2．4 压电陶瓷表面纵向应变常数分布的影响

3．2．5 温度对纵向应变常数的影响

3．2．6 测试时间对纵向应变常数的影响

3．3 压电薄膜纵向应变常数影响因素的探讨

3．3．1 压电薄膜位移特性曲线

3．3．2 激励频率对纵向应变常数的影响

3．3．3 激励场强对纵向应变常数的影响

3．4 本章小结

第四章 测量结果与纵向应变常数一致性探讨

4．1 激光外差干涉法测量结果不确定度分析

4．2 正逆压电效应下纵向应变常数一致性探讨

4．2．1 准静态测量结果和影响因素

4．2．2 正逆压电效应下纵向应变常数一致性探讨

4．3 本章小结

第五章 总结

参考文献

致谢

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