一种基于啁啾调制相关解调方式和双层光声模型的材料热扩散率测量方法技术

本发明专利技术公开一种基于啁啾调制相关解调方式和双层光声模型的材料热扩散率测量方法，所述方法运用强度啁啾调制的激光激励双层样品产生光声信号，并由耦合在双层样品后表面的压电换能器所探测，该光声信号与双层样品中上层材料的热物理特性、上下两层材料弹性性能及厚度、啁啾激励光特性相关；在啁啾激励光特性及上下两层材料厚度已知的情况下，通过将不同上下层弹性性能比和热扩散率的啁啾激光激励参考光声信号与测量得到光声信号做相关运算，则相关峰最大值所对应的热扩散率即为上层材料的热扩散率。本方法为双层样品中上层材料的热扩散率测量提供了一种无损、快速的测量方法。快速的测量方法。快速的测量方法。

【技术实现步骤摘要】
一种基于啁啾调制相关解调方式和双层光声模型的材料热扩散率测量方法


[0001]本专利技术涉及固体材料热物性检测领域，具体涉及一种基于啁啾调制相关解调方式和双层光声模型的材料热扩散率无损、快速、定量表征方法。

技术介绍

[0002]非均匀材料广泛应用于生产生活的各个领域，其中非均匀材料可以分为天然的和人工的两大类。天然的非均匀材料如岩石、土壤、生物组织等，也包括材料内部缺陷以及老化；人工的非均匀材料也可以统称为功能性梯度材料，指通过人为设计的功能性结构使材料具备某种特殊性质。而基于某一基底的双层材料是最重要的非均匀材料，遍及现代航空航天、电子信息、生物医学等各个材料科学领域。热物理性能是材料重要性能之一，对材料热物性参数实现无损、快速、定量、精确地测量和表征，既可以为材料科学领域的创新研究服务，也可以为工业生产与质量监控提供保障。而对双层样品材料的热扩散率无损检测在许多学科和
尤为重要。
[0003]光声光热技术基于物质的光声光热效应，利用动态调制的激光在样品中激发出扩散波，并运用光学和声学的方法实现对扩散波的检测，由此来推测出样品表面、亚表面和体特征。光声技术是以光声效应为基础，通过对光声信号的分析，来获取样品材料的热物性参数和其他特性，具有实验简单、紧凑、检测频响宽、灵敏度高等特点。
[0004]目前，光声技术对材料热扩散率的测量范围有限，首先，传统光声模型多为单层模型，多测量单层材料热扩散率；其次，传统光声技术是频域测量技术，测试系统复杂、昂贵、耗时。因此，扩展光声技术的应用研究领域，发展应用于双层样品快速、无损、定量热扩散率测量的光声技术是材料热物性检测及光声光热领域的迫切需要。

技术实现思路

[0005]本专利技术所要解决的问题是：如何克服现有光声技术测量热扩散率方法的不足，提供一种适用于双层样品的新型热扩散率光声测量方法，实现热扩散率的快速、无损、定量测量。
[0006]本专利技术所提出的技术问题是这样解决的：本专利技术提出一种基于啁啾调制相关解调方式和双层光声模型的材料热扩散率测量方法，其系统包括函数发生器、激励激光器、透反镜、全反镜、聚焦透镜、待测双层样品、压电换能器、光电探测器、数据采集卡、计算机，其特征在于：强度啁啾调制的激光激励双层样品产生光声信号，该光声信号由耦合在双层样品后表面的压电换能器所探测；基于双层光声模型，在啁啾激励光特性及上下两层材料厚度已知的情况下，得到光声信号作为参考信号；通过不同上下层弹性性能比和热扩散率的参考信号与测量得到光声信号做相关运算，则相关峰最大值所对应的热扩散率即为上层材料的热扩散率。
[0007]所述的激光啁啾调制信号由函数发生器产生，啁啾调制信号的起始与截止频率均
为低频，即满足弹性力学的准稳态近似；啁啾信号的起始和截止频率满足双层样品上层材料热厚条件，即f满足其中，D为上层材料热扩散率，l为上层材料厚度，f为啁啾信号的起始和截至频率中较小值；啁啾信号的时间带宽积应为整数，即啁啾起始频率与截止频率之差与啁啾时长的乘积为整数。
[0008]所述的双层光声模型的上层材料满足热厚条件，即热波无法传到下层材料，下层材料只起到传声作用。
[0009]所述的压电换能器的厚度应远小于样品的厚度，使得其对样品振动的影响可以忽略。
[0010]所述的产生参考信号的具体算法是，先对实时监测到的激励光强时域信号进行傅立叶变换，再将之与不同上下层弹性性能比和热扩散率所对应的频域双层光声响应函数相乘。
[0011]所述的热扩散率反演具体算法是，一系列参考信号分别与测得的光声信号做相关运算，找到相关峰值最高的那个参考信号所对应的热扩散率即为测量值，并且此时的信噪比最大。
[0012]本专利技术的有益效果是：克服了现有光声热扩散率测量方法测量样品范围有限，测量速度慢等不足，基于啁啾调制、相关解调方式和双层光声模型，实现了双层样品无损、定量、快速的材料热物理性测量。
附图说明
[0013]图1为本专利技术的系统示意图，包括函数发生器、激励激光器、透反镜、全反镜、聚焦透镜、待测双层样品、压电换能器、光电探测器、数据采集卡和计算机。
[0014]图2为双层样品光声检测理论模型。
[0015]图3为啁啾调制激励光时域信号。
[0016]图4为基于相关检测的热扩散率定量测量的算法框图。其中f(t)为激励光强时域信号，s(t)为测量光声信号，T(D，p)为双层样品频域光声传递函数，FFT和IFFT为快速傅立叶变换和逆变换，Z
*
为取复共轭。
具体实施方式
[0017]下面结合图1、图2、图3、图4具体描述本专利技术提出的一种基于啁啾调制相关解调方式和双层光声模型的材料热扩散率测量方法。然而应当理解，附图的提供仅为了更好地理解本专利技术，不应该理解成对本专利技术的限制。具体的实施步骤如下：
[0018]如图1所示，函数发生器产生起始和截至频率、啁啾持续时间可调的啁啾信号如下：
[0019][0020]其中，Q0为光激励的平均能量，f1(t)为频率调制函数，B为调频速率，f
s
为啁啾起始
频率，f
e
为啁啾截止频率，T为啁啾持续时间。啁啾信号的起始和截止频率满足其中，D为上层材料热扩散率，l为上层材料厚度，f为啁啾信号的起始和截至频率中的最小值；啁啾信号的时间带宽积应为整数，即啁啾起始频率与截止频率之差与啁啾时长的乘积为整数。
[0021]啁啾调制信号调制激光器使其发出光强啁啾调制的激光束，经过透反镜、全反镜后激励待测双层样品的前表面并在其中产生光声信号，该光声信号被耦合在样品后表面、厚度远小于样品厚度的压电换能器探测；经透反镜分束的一小部分光被光电探测器接收，实现对激励光强时域特征的实时监测；数据采集卡将测量光声信号和激励光强时域信号(如图3所示)采集并传送至计算机。计算机根据实时监测的激励光强信号，并结合不同上下层弹性性能比和不同热扩散率所对应的频域双层光声响应函数，产生一系列参考信号，步骤如下：
[0022](1)首先对测得的激励光强时域信号f(t)做快速傅立叶变换，得到其频谱F(ω)；
[0023](2)将F(ω)与不同上下层弹性性能比和热扩散率所对应的频域双层光声传递函数T逐点相乘，传递函数T(ω,D，p)由下式给出：
[0024][0025]其中,
[0026][0027]A＝pl+H，σ2＝iω/D
[0028]ω＝2πf为角频率，D为双层样品上层材料热扩散率，l为上层材料厚度，H为下层材料厚度，p为上下两层材料的弹性性能比。
[0029](3)将F(ω)与不同热扩散率所对应的T(ω,D，p)相乘后得到的一系列复向量分别进行归一化，使它们的二范数均为1，从而得到了一系列归一化了的频域参考信号。
[0030]将这些参考信号分别与测得的光声信号做相关运算，其中相关峰值最高的那个参考信号所对应的热扩散率即为双层样品上层材料热扩散率测量值，如图4所示。
[0031]本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于啁啾调制相关解调方式和双层光声模型的材料热扩散率测量方法，其特征在于：强度啁啾调制的激光激励双层样品产生光声信号，该光声信号由耦合在双层样品后表面的压电换能器所探测；基于双层光声模型，在啁啾激励光特性及上下两层材料厚度已知的情况下，得到光声信号作为参考信号；通过不同上下层弹性性能比和热扩散率的参考信号与测量得到光声信号做相关运算，则相关峰最大值所对应的热扩散率即为上层材料的热扩散率。2.根据权利要求1所述的基于啁啾调制相关解调方式和双层光声模型的材料热扩散率测量方法，其特征在于：激光的啁啾调制信号由函数发生器产生，啁啾调制信号的起始与截止频率均为低频，即满足弹性力学的准稳态近似，且满足双层样品上层材料热厚条件，即其中，D为上层材料热扩散率，l为上层材料厚度，f为啁啾信号的起始和截至频率中较小值；啁啾信号的时间带宽积应为整数，即啁啾起始频率与截止频率之差与啁啾时长的乘积为整数。3.根据权利要求1所述的...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵斌兴，孙启明，王静，周鹰，李斌成，杨玲，王天明，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：