半透明介質(zhì)材料光熱特性測量系統(tǒng)與方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及一種半透明介質(zhì)材料光熱特性測量系統(tǒng)與方法,適用于航空航天、微 電子、薄層結(jié)構(gòu)等領(lǐng)域的半透明介質(zhì)材料光熱特性測量。
【背景技術(shù)】
[0002] 材料的光熱物理參數(shù)能定量客觀的評價材料性能,一般情況下,材料光學(xué)特性與 熱學(xué)特性是采用不同的儀器分別進行測量,儀器造價昂貴且測量過程繁瑣,同時在測量過 程中易受到材料材質(zhì)、尺寸等因素限制,從而限制了傳統(tǒng)測量方法的使用范圍。
[0003] 半透明介質(zhì),諸如單晶金剛石、纖維薄膜等材料,由于具有良好的力學(xué)性能與熱學(xué) 性能被廣泛用于工業(yè)各個領(lǐng)域。但是由于半透明介質(zhì)尺寸及材質(zhì)的特殊性使得傳統(tǒng)的光熱 物理參數(shù)檢測方法對于大多數(shù)半透明介質(zhì)無法測量。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0004] 本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)在技術(shù)的不足,提供一種半透明介質(zhì)材料光熱特性測量 系統(tǒng)與方法。
[0005] 本發(fā)明的目的是通過W下技術(shù)方案實現(xiàn)的: 一種半透明介質(zhì)材料光熱特性測量系統(tǒng),包括計算機、二維移動臺、支架、小離軸拋物 鏡、準(zhǔn)直鏡、光纖、半導(dǎo)體激光器、大離軸拋物鏡、電源線、激光器電源、肥T熱探測器、BNC數(shù) 據(jù)線、前置放大器、激光器控制線、鎖相放大器、鎖相放大器控制線、數(shù)據(jù)采集信號線,其中: 計算機通過鎖相放大器控制信號線與鎖相放大器相連接,鎖相放大器參考信號輸出端通過 激光器控制線與激光器電源連接,半導(dǎo)體激光器通過激光器電源控制線與激光器電源相 連,半導(dǎo)體激光器通過光纖與準(zhǔn)直鏡相連,準(zhǔn)直鏡固定在小離軸拋物鏡的中屯、孔中,小離軸 拋物鏡通過螺栓連接固定在支架上,二維移動臺放置于小離軸拋物鏡正下方,大離軸拋物 鏡與小離軸拋物鏡相對平行放置,HCT熱探測器放置于大離軸拋物鏡焦點位置,前置放大器 通過BNC數(shù)據(jù)線與HCT熱探測器相連接,前置放大器通過信號線與鎖相放大器相連接,鎖相 放大器輸出信號端通過數(shù)據(jù)采集信號線與計算機相連接。
[0006] -種半透明介質(zhì)材料光熱特性測量方法,基于光熱福射測量(Photothermal radiometry,PTR)原理,采用計算機控制函數(shù)發(fā)生器產(chǎn)生調(diào)制信號,信號控制激光器使其 光強按調(diào)制規(guī)律變化,調(diào)制變化的激光照射到樣件后由于存在光熱效應(yīng),樣件出現(xiàn)溫度漲 落與紅外福射,光熱福射信號與樣件光熱特性參數(shù)相關(guān),信號被HCT熱探測器接收,進而通 過數(shù)學(xué)運算提取樣件光熱特性參數(shù)。具體實施步驟如下: 步驟(1);確定要測量的半透明介質(zhì)材料; 步驟(2);開啟半透明介質(zhì)光熱特性測量試驗系統(tǒng); 步驟(3);半導(dǎo)體激光器開啟后,將反光鏡放置于小離軸拋物鏡焦點上,W此調(diào)節(jié)肥T熱探測器,使其處于大離軸拋物鏡焦點上; 步驟(4);開啟肥T熱探測器,首先需使探測器制冷半小時后進行試驗,W使其達到最 好的探測效果; 步驟(5);將具有良好鏡面反射的鋼件放置于二維移動臺上,移動二維移動臺,使鋼件 處于小離軸拋物鏡焦點上; 步驟(6);計算機控制軟件設(shè)置頻率掃描的起始頻率、終止頻率、掃描頻率個數(shù); 步驟(7);計算機控制軟件信號通過函數(shù)發(fā)生器輸出,使其控制半導(dǎo)體激光器光強按調(diào) 制規(guī)律變化,進行頻率掃描試驗; 步驟(8);計算機控制軟件自動記錄不同頻率下的鋼件光熱福射信號,作為后續(xù)試驗系 統(tǒng)修正數(shù)據(jù); 步驟(9);測試完畢后,將半透明介質(zhì)測試材料放置于小離軸拋物鏡焦點上,重復(fù)步驟 (5)、(6)、(7),直至測試完畢; 步驟(10);步驟(9)獲取的試驗數(shù)據(jù)通過步驟(8)的修正數(shù)據(jù)進行修正處理,修正過程 為;步驟(8)獲取的修正數(shù)據(jù)為了排除光強影響,將幅值進行歸一化處理記為相位值記 為化1,步驟(9)獲取的試驗樣品的頻域響應(yīng)幅值及相位分別記為則真實的試驗樣 品頻響信號(As, /巧為
【主權(quán)項】
1. 一種半透明介質(zhì)材料光熱特性測量系統(tǒng),其特征在于所述測量系統(tǒng)由計算機、二維 移動臺、支架、小離軸拋物鏡、準(zhǔn)直鏡、光纖、半導(dǎo)體激光器、大離軸拋物鏡、電源線、激光器 電源、HCT熱探測器、BNC數(shù)據(jù)線、前置放大器、激光器控制線、鎖相放大器、鎖相放大器控制 線、數(shù)據(jù)采集信號線構(gòu)成,其中:計算機通過鎖相放大器控制信號線與鎖相放大器相連接, 鎖相放大器參考信號輸出端通過激光器控制線與激光器電源連接,激光器通過激光器電源 控制線與激光器電源相連,激光器通過光纖與準(zhǔn)直鏡相連,準(zhǔn)直鏡固定在小離軸拋物鏡的 中心孔中,小離軸拋物鏡通過螺栓連接固定在支架上,二維移動臺放置于小離軸拋物鏡正 下方,大離軸拋物鏡與小離軸拋物鏡相對平行放置,將HCT熱探測器放置于大離軸拋物鏡 焦點位置,前置放大器通過BNC數(shù)據(jù)線與HCT熱探測器相連接,前置放大器通過信號線與鎖 相放大器相連接,鎖相放大器輸出信號端通過數(shù)據(jù)采集信號線與計算機相連接。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的半透明介質(zhì)材料光熱特性測量系統(tǒng),其特征在于所述HCT熱 探測器的響應(yīng)波長2 μ m~14 μ m,探測面積100 μ mX 100 μ m。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的半透明介質(zhì)材料光熱特性測量系統(tǒng),其特征在于所述前置放 大器的響應(yīng)頻率1〇Ηζ~1ΜΗζ。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的半透明介質(zhì)材料光熱特性測量系統(tǒng),其特征在于所述激光器 激光功率32mW,光斑直徑600 μ m。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的半透明介質(zhì)材料光熱特性測量系統(tǒng),其特征在于所述鎖相放 大器內(nèi)置函數(shù)發(fā)生器。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1或5所述的半透明介質(zhì)材料光熱特性測量系統(tǒng),其特征在于所述鎖 相放大器的響應(yīng)頻率0. 01Hz~102KHz。
7. -種利用權(quán)利要求1所述半透明介質(zhì)材料光熱特性測量系統(tǒng)進行半透明介質(zhì)材料 光熱特性測量的方法,其特征在于所述方法步驟如下: 步驟(1):確定要測量的半透明介質(zhì)材料; 步驟(2):開啟半透明介質(zhì)光熱特性測量試驗系統(tǒng); 步驟(3):半導(dǎo)體激光器開啟后,將反光鏡放置于小離軸拋物鏡焦點上,以此調(diào)節(jié)HCT 熱探測器,使其處于大離軸拋物鏡焦點上; 步驟(4):開啟HCT熱探測器,首先需使探測器制冷半小時后進行試驗,以使其達到最 好的探測效果; 步驟(5):將鋼件放置于二維移動臺上,移動二維移動臺,使鋼件處于小離軸拋物鏡焦 點上; 步驟(6):計算機控制軟件設(shè)置頻率掃描的起始頻率、終止頻率、掃描頻率個數(shù); 步驟(7):計算機控制軟件信號通過函數(shù)發(fā)生器輸出,使其控制半導(dǎo)體激光器光強按調(diào) 制規(guī)律變化,進行頻率掃描試驗; 步驟(8):計算機控制軟件自動記錄不同頻率下的鋼件光熱輻射信號,作為后續(xù)試驗系 統(tǒng)修正數(shù)據(jù); 步驟(9):測試完畢后,將半透明介質(zhì)測試材料放置于小離軸拋物鏡焦點上,重復(fù)步驟 (5)、(6)、(7),直至測試完畢; 步驟(10):步驟(9)獲取的試驗數(shù)據(jù)通過步驟(8)的修正數(shù)據(jù)進行修正處理; 步驟(11):通過根據(jù)材料特性建立的熱波數(shù)學(xué)模型對修正后的半透明介質(zhì)材料光熱輻 射信號進行最小二乘法參數(shù)擬合,從而得到半透明介質(zhì)材料光熱特性參數(shù)。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的利用權(quán)利要求1所述半透明介質(zhì)材料光熱特性測量系統(tǒng) 進行半透明介質(zhì)材料光熱特性測量的方法,其特征在于所述修正處理過程為:步驟(8)獲 取的修正數(shù)據(jù)為了排除光強影響,將幅值進行歸一化處理記為4?,相位值記為/?,步驟 (9)獲取的試驗樣品的頻域響應(yīng)幅值及相位分別記為辦^、/?,則真實的試驗樣品頻響信號 (Am, Ph)為·.
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種半透明介質(zhì)材料光熱特性測量系統(tǒng)與方法,所述測量系統(tǒng)由計算機、二維移動臺、支架、小離軸拋物鏡、準(zhǔn)直鏡、光纖、半導(dǎo)體激光器、大離軸拋物鏡、電源線、激光器電源、HCT熱探測器、BNC數(shù)據(jù)線、前置放大器、激光器控制線、鎖相放大器、鎖相放大器控制線、數(shù)據(jù)采集信號線構(gòu)成,所述測量方法基于光熱輻射測量原理,采用計算機控制函數(shù)發(fā)生器產(chǎn)生調(diào)制信號,信號控制激光器使其光強按調(diào)制規(guī)律變化,調(diào)制變化的激光照射到樣件后由于存在光熱效應(yīng),樣件出現(xiàn)溫度漲落與紅外輻射,光熱輻射信號與樣件光熱特性參數(shù)相關(guān),信號被HCT熱探測器接收,進而通過數(shù)學(xué)運算提取樣件光熱特性參數(shù)。本發(fā)明可以實現(xiàn)材料完全無損傷、非接觸、高效測量。
【IPC分類】G01N21-63
【公開號】CN104880437
【申請?zhí)枴緾N201510353070
【發(fā)明人】劉俊巖, 王揚, 王飛
【申請人】哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【公開日】2015年9月2日
【申請日】2015年6月24日