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(jià)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(jìn)行測量，儀器造價(jià)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(shí)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(jì)算機(jī)、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(jì)算機(jī)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(diǎn)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(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)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(qiáng)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(jìn)而通 過數(shù)學(xué)運(yùn)算提取樣件光熱特性參數(shù)。具體實(shí)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(yàn)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(diǎn)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(diǎn)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(jìn)行試驗(yàn)，W使其達(dá)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(diǎn)上； 步驟（6);計(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)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(qiáng)按調(diào) 制規(guī)律變化，進(jìn)行頻率掃描試驗(yàn)； 步驟（8);計(jì)算機(jī)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(yàn)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(diǎn)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(yàn)數(shù)據(jù)通過步驟（8)的修正數(shù)據(jù)進(jìn)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(qiáng)影響，將幅值進(jìn)行歸一化處理記為相位值記 為化1，步驟（9)獲取的試驗(yàn)樣品的頻域響應(yīng)幅值及相位分別記為則真實(shí)的試驗(yàn)樣 品頻響信號（As, /巧為
【主權(quán)項(xiàng)】
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(jì)算機(jī)、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(jì)算機(jī)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(diǎn)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(jì)算機(jī)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(jìn)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(yàn)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(diǎn)上，以此調(diào)節(jié)HCT 熱探測器，使其處于大離軸拋物鏡焦點(diǎn)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(jìn)行試驗(yàn)，以使其達(dá)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(diǎn)上； 步驟（6):計(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)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(qiáng)按調(diào) 制規(guī)律變化，進(jìn)行頻率掃描試驗(yàn)； 步驟（8):計(jì)算機(jī)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(yàn)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(diǎn)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(yàn)數(shù)據(jù)通過步驟（8)的修正數(shù)據(jù)進(jìn)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(jìn)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(jìn)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(qiáng)影響，將幅值進(jìn)行歸一化處理記為4?，相位值記為/?，步驟 (9)獲取的試驗(yàn)樣品的頻域響應(yīng)幅值及相位分別記為辦^、/?，則真實(shí)的試驗(yàn)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(jì)算機(jī)、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(jì)算機(jī)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(qiáng)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(jìn)而通過數(shù)學(xué)運(yùn)算提取樣件光熱特性參數(shù)。本發(fā)明可以實(shí)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(yáng), 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