[发明专利]一种巴克码调制激光激励光声压电热扩散率测量方法

说明书

本发明公开一种巴克码调制激光激励光声压电热扩散率测量方法，所述方法运用巴克码调制信号调制激光强度并形成巴克码调制激光，巴克码调制激光激励待测样品并基于光声效应产生光声信号，光声信号由粘贴在样品后表面的压电换能器所探测，该光声信号与样品的热扩散率、样品厚度及巴克码调制激光特性相关，在巴克码调制激光特性和样品厚度确定情况下，通过将不同热扩散率样品的理论光声信号与测量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样品的热扩散率。本方法采用相关处理方法及相关检测性能更好的巴克码作为激光调制信号，为材料的热扩散率测量提供了一种无损、快速、灵敏、精确的测量方法。

技术领域

本发明涉及固体材料热物性检测领域，具体涉及一种巴克码调制激光激励光声压电热扩散率无损、快速、灵敏、精确、定量表征方法。

背景技术

热物理性能是材料重要性能之一，其中热扩散率表征了热量在材料中扩散的快慢，是材料热物理性能的重要特征参数，在材料、微电子、生物工程、能源、航天、医学、冶金、电力等领域其不仅决定材料、元器件及系统的使用场景、使用范围、使用时间等，甚至还影响使用安全和经济收益。因此，对材料热扩散率实现无损、快速、定量、精确测量非常重要。

基于材料光声光热效应而进行热扩散率测量是材料热扩散率检测的重要途径，其中光声压电技术基于物质的光声效应和压电效应，利用强度调制激光照射样品，样品吸收光能并通过非辐射弛豫过程转化为热能，形成周期性的热源并在样品中扩散，由于热弹效应，热波导致样品内应变和应力周期性的变化而产生声波，该声信号被耦合于样品后的压电换能器所检测，由于光声信号携带有光与样品相互作用的信息，通过分析声信号可反演样品热扩散率，具有无损、定量、灵敏度高、特异性强等特点。

目前，光声压电技术测量材料热扩散率可以分为频域测量方法和时域测量方法。传统的光声压电方法为频域测量方法，测量需进行多频率测量，且采用锁相探测，锁相测得多个频点的光声压电幅度和相位信息，得到幅频和相频曲线以进行热扩散率反演，耗时较长，系统复杂，不利于工程应用。基于方波调制、线性调频信号调制的时域测量方法，克服了测量速度难题，但测量灵敏度和精度远不如频域测量方法，因此，发展一种无损、快速、高灵敏、高精度热扩散率测量的光声压电技术是材料热物性检测工程应用及光声光热领域的迫切需要。

发明内容

本发明所要解决的问题是：如何克服现有传统频域光声压电热扩散率测量方法测量速度慢、系统复杂等和时域光声压电热扩散率测量方法测量灵敏度、精度不如频域测量方法的不足，提供一种新型热扩散率光声压电测量方法，实现材料热扩散率的无损、快速、灵敏、精确测量。

本发明所提出的技术问题是这样解决的：提出一种巴克码调制激光激励光声压电热扩散率测量方法，其系统包括函数发生器、激光器、透反镜、全反镜、聚焦透镜、待测样品、压电换能器、光电探测器、数据采集卡、计算机，其特征在于：计算机控制函数发生器产生巴克码信号并调制激光器形成光强巴克码调制的激光束，巴克码调制激光束经过透反镜后，一束光经全反镜反射、聚焦透镜聚焦后激励待测样品并产生光声信号，该光声信号由粘贴在样品后表面的压电换能器所探测；同时经透反镜分束的另一部分调制激光束经聚焦透镜聚焦后被光电探测器接收，作为激励光的实时监测信号；数据采集卡采集光声信号和实时监测激励光信号并传送至计算机，计算机基于实时监测的激励光信号和频域光声理论模型，在巴克码调制激光特性和样品厚度确定情况下，得到巴克码调制激光激励下不同热扩散率的理论光声信号，并与采集的测量光声信号进行相关运算，则相关峰最大值所对应的热扩散率即为样品的热扩散率。

所述的用于激励光强调制的巴克码信号的频率为低频，即满足弹性力学的准稳态近似fc/L，其中f为所产生的声波的频率，c为待测样品中的声速，L为样品尺寸，且满足样品热厚条件。

所述的用于激励光强调制的巴克码信号的巴克码序列为2、3、4、5、7、11、13位7种典型码型(如下表)中的任意一种。