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基于压电检测的光声技术研究

赵斌兴  
【摘要】:无损检测是科学研究、材料性能检测、产品质量控制不可或缺的手段。作为无损检测技术的新发展——光声技术,由于其具有特异性强、灵敏度高、简单可靠等特点,因此广泛应用于材料成分分析、材料光学、热学、结构、弹性性能检测等领域,是目前无损检测技术研究的热点。本文基于压电检测方法,开展基于压电检测的光声技术(光声压电技术、扫描光声显微镜技术、光声谱技术)的系列研究,对材料热学特性、光吸收特性进行光声无损表征,发展了基于压电检测的光声技术,拓展了其应用范围。首先,开展了光声压电技术及材料热扩散率检测研究,实现了材料热扩散率光声表征,具体工作包括以下几方面:1、开展了简化热弹频域传统光声压电技术对材料热扩散率测量的应用研究,得到了技术适用范围。通过对金属(紫铜、铝)、复合材料(钇铝石榴石)热扩散率检测研究,表明频域传统光声压电技术可对弹性性能较强的材料进行有效测量,而对振动易受到压电换能器影响的薄材料、软材料则无法适用。2、建立了时域光声压电热扩散率检测理论,简化了测试系统、实现了材料热扩散率快速测量。利用傅里叶变换、基于简化热弹频域传统光声压电理论,建立了时域光声压电理论,并成功应用于金属材料(紫铜、镍及聚变堆所用结构材料——低活性铁素体/马氏体钢CLF-1)热扩散率时域检测研究,为材料的热扩散特性研究提供了一种简单、快速、有效的手段。3、建立了频域改进光声压电理论,首次实现了基于改进光声压电模型的薄材料、软材料的热扩散率有效测量。在频域双层模型的基础上,对简化热弹频域光声压电理论进行了改进,考虑了压电换能器对样品振动的影响,得到了改进光声压电理论,并成功应用于薄金属材料、猪组织及聚变堆所用结构材料(低活性铁素体/马氏体钢CLF-1)的等效热扩散率测量,为材料热扩散率检测研究提供了一种较传统光声压电技术更高精度的有效测量手段。4、建立了时域改进光声压电理论,提高了时域光声压电技术的检测精度。在时域光声压电热扩散率测量理论的基础上,引入频域改进光声压电理论,建立了时域改进光声压电理论,并成功应用于薄金属镍的热扩散率时域检测研究,提高了时域热扩散率检测精度。其次,开展了基于压电检测的扫描光声显微镜技术及材料热扩散率成像研究,实现了材料热扩散率分布成像光声表征,具体工作包括以下几方面:1、搭建了光声成像系统——扫描光声显微镜。根据光声成像理论,搭建了扫描光声显微镜系统,开展了材料结构成像研究,对金属铝缺陷进行了光声振幅、相位成像,验证了成像系统的可靠性。2、建立了扫描光声热扩散率分布成像检测方法,首次实现了材料热扩散率分布光声成像。基于扫描光声显微镜系统,结合光声压电热扩散率检测理论,建立了扫描光声热扩散率分布成像检测方法,并成功应用于均匀材料(紫铜、钢)及非均匀材料(紫铜、焊锡及环氧树脂组成)的热扩散率分布成像研究,为材料热扩散率分布成像提供了手段,同时拓展了光声成像技术的应用方向。最后,开展了基于压电检测的光声谱技术及材料光吸收特性检测研究,实现了材料光吸收特异性光声表征,具体工作包括以下几方面:1、建立了无积分球式漫反射光谱测试方法,以中药材为研究对象,实现了材料光吸收特异性光谱分析。搭建了紫外-可见光-近红外漫反射光谱测试系统和中红外透射光谱测试分析系统,开展了中药材特异性检测研究,对黄连等多种中药材的光谱及导数光谱进行了检测分析,表明通过光谱及导数光谱可表征中药材特异性。2、搭建了压电式光声谱检测系统,首次运用于中药材质量控制领域,实现了中药材特异性光声谱表征。设计和制作了压电检测固体光声池,搭建了光声谱系统,运用光声谱技术对黄连等多种中药材光声谱及导数光声谱进行了检测,通过与光谱测试结果进行对比分析,验证了作为光谱补充技术的光声谱技术可区分各种中药材,为中药材鉴别与质量控制提供了一种有效手段。


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