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《北京交通大学》 2017年
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基于光感生电动势效应的超声振动干涉测量方法研究

高晓婧  
【摘要】:随着现代工业高精密加工技术和科学的发展,对产品和材料的无损评价要求也越来越高。无损检测和评价领域越来越依靠光学解决方案,以提供高精度非接触式测量技术。激光超声检测技术是一种新兴的、融合了多种学科的无损检测技术,包括激发和检测两部分。激发部分是利用脉冲激光在物质中(气体、液体、固体)激发超声信号源;检测部分利用激光来接收和测量超声信号。激光超声检测技术相比于传统的压电超声换能器技术,最突出的优点是非接触测量,频带宽且分辨率高。本文在查阅了大量文献资料的基础上,分析总结了各种超声振动检测方法的利弊。开展了一种基于半导体晶体光感生电动势效应干涉测量方法研究。本文的创新性成果及主要工作内容如下:1.基于对光电导体中产生光感生电动势效应的机理的分析研究,建立了半导体晶体中形成光感生电动势电流的数学模型,计算出光感生电动势电流密度的表达式。被一定频率振动调制的激光干涉条纹图样照射在均匀半导体样品表面,由于跟随干涉条纹变化的光电导分布与半导体内部建立的空间电荷场栅间的相位失配,导致半导体晶体中输出交变电流。用连续性方程、速率方程、泊松方程及电流密度方程描述了半导体晶体中产生光电流的微观过程,联立方程得到光感生交变电流密度的表达式。2.设计搭建了基于半导体晶体GaAs的光感生电动势效应的测量系统,对影响测量系统的光-电转换效率的因素进行了研究,包括干涉条纹对比度、光功率、干涉条纹空间频率,以及不同电极间距晶体对输出电流大小的影响,获得测量系统的最优结构参数。3.提出了一种基于双光束干涉测量粗糙面面外振动的方法,并对测量系统进行改进。在光路中加入柱透镜,使得输出的光感生电流提高到原来的5倍,可测量频率提高到1MHz。对测量系统光路所做的调整和改进,一是通过替换光功率损失较大的元器件和增加入射光功率,从而提高系统光功率;二是在系统光路中增加了柱透镜,改变激光光束形状,变相的降低了条纹空间频率、提高了光电流通过的横截面积;通过以上措施,增加了系统的测量带宽和灵敏度。此外,利用建立的测量系统进行了多种振动测量,并对实验结果进行分析。首先,将对同一振动的测量结果在两套实验系统中进行横向对比;其次,将测量结果与商用的测量仪,如Polytech公司的PDV100测振仪和Bossa Nova Technologies公司的TEMP0200激光超声接收仪的测量结果进行纵向对比,测量结果相符合。对光滑表面的压电镜和粗糙表面的压电陶瓷以及粗糙表面的压电陶瓷片的振动进行了测量,验证了测量方案的可行性,并证明测量系统可测量nm量级的振动。最后,对半导体晶体GaAs作为干涉仪光电探测器的性能进行了分析。本文研究基于半导体晶体GaAs光感生电动势效应的超声干涉测量系统,由于晶体本身就是探测器,所以造价低,结构紧凑,调整简单。晶体具有较高的截止频率,使得该测量系统能补偿周围环境低频相位漂移,抗干扰能力强,对环境要求不高,具有广阔的应用前景。
【关键词】:激光超声 光感生电动势效应 半导体晶体 光电导 干涉测量
【学位授予单位】:北京交通大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2017
【分类号】:TB559;TN24
【目录】:
  • 致谢5-6
  • 中文摘要6-8
  • ABSTRACT8-16
  • 1 绪论16-38
  • 1.1 问题的提出及研究意义16-17
  • 1.2 激光超声检测技术国内外研究现状17-35
  • 1.2.1 激光激发超声18-21
  • 1.2.2 超声检测21-35
  • 1.3 本文主要研究目的和研究内容35-38
  • 1.3.1 研究目标35-36
  • 1.3.2 研究内容36-38
  • 2 半导体光感生电动势效应的理论研究38-62
  • 2.1 光感生电动势效应的物理机理38-41
  • 2.1.1 "光感生电动势"效应38-39
  • 2.1.2 光感生电动势效应产生的物理过程39-41
  • 2.2 光感生电动势效应理论基础41-46
  • 2.2.1 光感生电流的控制方程42-46
  • 2.3 双极型光电导体中光感生电流的计算46-60
  • 2.3.1 振动的干涉光图样46-47
  • 2.3.2 解方程组求解光感生电流密度47-60
  • 2.4 小结60-62
  • 3 基于光感生电动势效应的测量系统研究62-82
  • 3.1 基于光感生电动势效应的激光干涉振动测量原理与系统62-68
  • 3.1.1 基于光感生电动势效应的激光干涉振动测量原理62-63
  • 3.1.2 激光干涉测量系统设计63-68
  • 3.2 半导体器件光-电流转换效率68-81
  • 3.2.1 干涉条纹对比度对光感生电流的影响68-73
  • 3.2.2 总入射光功率对光感生电流的影响73
  • 3.2.3 干涉条纹空间频率对光感生电流影响73-77
  • 3.2.4 半导体晶体电极间距对光感生电流的影响77-81
  • 3.3 小结81-82
  • 4 测量系统实验结果及探测器性能分析82-114
  • 4.1 激光干涉测量实验系统82-85
  • 4.2 干涉测量系统用于光滑表面的振动测量85-93
  • 4.2.1 532nm测量系统85-89
  • 4.2.2 632.8nm测量系统89-93
  • 4.3 测量系统的改进及对粗糙表面测量的研究93-106
  • 4.3.1 增加入射光功率对提高测量带宽和灵敏度的研究93-96
  • 4.3.2 粗糙表面振动测量96-102
  • 4.3.3 光束形状改变对提高测量系统性能的研究102-106
  • 4.4 光感生电动势效应的干涉测量系统特性106-113
  • 4.4.1 光感生电动势效应探测器的光电转换效率或响应度106-109
  • 4.4.2 光感生电动势效应探测器的灵敏度109-113
  • 4.5 小结113-114
  • 5 总结与展望114-116
  • 5.1 总结回顾114
  • 5.2 展望114-116
  • 参考文献116-124
  • 附录A124-134
  • 作者简历134-138
  • 学位论文数据集138

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