半透明介质材料光热特性测量系统与方法技术方案

本发明专利技术公开了一种半透明介质材料光热特性测量系统与方法，所述测量系统由计算机、二维移动台、支架、小离轴抛物镜、准直镜、光纤、半导体激光器、大离轴抛物镜、电源线、激光器电源、HCT热探测器、BNC数据线、前置放大器、激光器控制线、锁相放大器、锁相放大器控制线、数据采集信号线构成，所述测量方法基于光热辐射测量原理，采用计算机控制函数发生器产生调制信号，信号控制激光器使其光强按调制规律变化，调制变化的激光照射到样件后由于存在光热效应，样件出现温度涨落与红外辐射，光热辐射信号与样件光热特性参数相关，信号被HCT热探测器接收，进而通过数学运算提取样件光热特性参数。本发明专利技术可以实现材料完全无损伤、非接触、高效测量。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术设及一种，适用于航空航天、微 电子、薄层结构等领域的半透明介质材料光热特性测量。
技术介绍
材料的光热物理参数能定量客观的评价材料性能，一般情况下，材料光学特性与 热学特性是采用不同的仪器分别进行测量，仪器造价昂贵且测量过程繁琐，同时在测量过 程中易受到材料材质、尺寸等因素限制，从而限制了传统测量方法的使用范围。 半透明介质，诸如单晶金刚石、纤维薄膜等材料，由于具有良好的力学性能与热学 性能被广泛用于工业各个领域。但是由于半透明介质尺寸及材质的特殊性使得传统的光热 物理参数检测方法对于大多数半透明介质无法测量。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现在技术的不足，提供一种半透明介质材料光热特性测量 系统与方法。 本专利技术的目的是通过W下技术方案实现的： 一种半透明介质材料光热特性测量系统，包括计算机、二维移动台、支架、小离轴抛物 镜、准直镜、光纤、半导体激光器、大离轴抛物镜、电源线、激光器电源、肥T热探测器、BNC数 据线、前置放大器、激光器控制线、锁相放大器、锁相放大器控制线、数据采集信号线，其中： 计算机通过锁相放大器控制信号线与锁相放大器相连接，锁相放大器参考信号输出端通过 激光器控制线与激光器电源连接，半导体激光器通过激光器电源控制线与激光器电源相 连，半导体激光器通过光纤与准直镜相连，准直镜固定在小离轴抛物镜的中屯、孔中，小离轴 抛物镜通过螺栓连接固定在支架上，二维移动台放置于小离轴抛物镜正下方，大离轴抛物 镜与小离轴抛物镜相对平行放置，HCT热探测器放置于大离轴抛物镜焦点位置，前置放大器 通过BNC数据线与HCT热探测器相连接，前置放大器通过信号线与锁相放大器相连接，锁相 放大器输出信号端通过数据采集信号线与计算机相连接。 -种半透明介质材料光热特性测量方法，基于光热福射测量（Photothermal radiometry，PTR)原理，采用计算机控制函数发生器产生调制信号，信号控制激光器使其 光强按调制规律变化，调制变化的激光照射到样件后由于存在光热效应，样件出现温度涨 落与红外福射，光热福射信号与样件光热特性参数相关，信号被HCT热探测器接收，进而通 过数学运算提取样件光热特性参数。具体实施步骤如下： 步骤（1);确定要测量的半透明介质材料； 步骤（2);开启半透明介质光热特性测量试验系统； 步骤（3);半导体激光器开启后，将反光镜放置于小离轴抛物镜焦点上，W此调节肥T热探测器，使其处于大离轴抛物镜焦点上； 步骤（4);开启肥T热探测器，首先需使探测器制冷半小时后进行试验，W使其达到最 好的探测效果； 步骤（5);将具有良好镜面反射的钢件放置于二维移动台上，移动二维移动台，使钢件 处于小离轴抛物镜焦点上； 步骤（6);计算机控制软件设置频率扫描的起始频率、终止频率、扫描频率个数； 步骤（7);计算机控制软件信号通过函数发生器输出，使其控制半导体激光器光强按调 制规律变化，进行频率扫描试验； 步骤（8);计算机控制软件自动记录不同频率下的钢件光热福射信号，作为后续试验系 统修正数据； 步骤（9);测试完毕后，将半透明介质测试材料放置于小离轴抛物镜焦点上，重复步骤 (5)、（6)、（7)，直至测试完毕； 步骤（10);步骤（9)获取的试验数据通过步骤（8)的修正数据进行修正处理，修正过程 为；步骤（8)获取的修正数据为了排除光强影响，将幅值进行归一化处理记为相位值记 为化1，步骤（9)获取的试验样品的频域响应幅值及相位分别记为则真实的试验样 品频响信号（As, /巧为【主权项】1. 一种半透明介质材料光热特性测量系统，其特征在于所述测量系统由计算机、二维 移动台、支架、小离轴抛物镜、准直镜、光纤、半导体激光器、大离轴抛物镜、电源线、激光器 电源、HCT热探测器、BNC数据线、前置放大器、激光器控制线、锁相放大器、锁相放大器控制 线、数据采集信号线构成，其中：计算机通过锁相放大器控制信号线与锁相放大器相连接， 锁相放大器参考信号输出端通过激光器控制线与激光器电源连接，激光器通过激光器电源 控制线与激光器电源相连，激光器通过光纤与准直镜相连，准直镜固定在小离轴抛物镜的 中心孔中，小离轴抛物镜通过螺栓连接固定在支架上，二维移动台放置于小离轴抛物镜正 下方，大离轴抛物镜与小离轴抛物镜相对平行放置，将HCT热探测器放置于大离轴抛物镜 焦点位置，前置放大器通过BNC数据线与HCT热探测器相连接，前置放大器通过信号线与锁 相放大器相连接，锁相放大器输出信号端通过数据采集信号线与计算机相连接。2. 根据权利要求1所述的半透明介质材料光热特性测量系统，其特征在于所述HCT热 探测器的响应波长2 μ m~14 μ m，探测面积100 μ mX 100 μ m。3. 根据权利要求1所述的半透明介质材料光热特性测量系统，其特征在于所述前置放 大器的响应频率1〇Ηζ~1ΜΗζ。4. 根据权利要求1所述的半透明介质材料光热特性测量系统，其特征在于所述激光器 激光功率32mW，光斑直径600 μ m。5. 根据权利要求1所述的半透明介质材料光热特性测量系统，其特征在于所述锁相放 大器内置函数发生器。6. 根据权利要求1或5所述的半透明介质材料光热特性测量系统，其特征在于所述锁 相放大器的响应频率0. 01Hz~102KHz。7. -种利用权利要求1所述半透明介质材料光热特性测量系统进行半透明介质材料 光热特性测量的方法，其特征在于所述方法步骤如下： 步骤（1):确定要测量的半透明介质材料； 步骤（2):开启半透明介质光热特性测量试验系统； 步骤（3):半导体激光器开启后，将反光镜放置于小离轴抛物镜焦点上，以此调节HCT 热探测器，使其处于大离轴抛物镜焦点上； 步骤（4):开启HCT热探测器，首先需使探测器制冷半小时后进行试验，以使其达到最 好的探测效果； 步骤（5):将钢件放置于二维移动台上，移动二维移动台，使钢件处于小离轴抛物镜焦 点上； 步骤（6):计算机控制软件设置频率扫描的起始频率、终止频率、扫描频率个数； 步骤（7):计算机控制软件信号通过函数发生器输出，使其控制半导体激光器光强按调 制规律变化，进行频率扫描试验； 步骤（8):计算机控制软件自动记录不同频率下的钢件光热辐射信号，作为后续试验系 统修正数据； 步骤（9):测试完毕后，将半透明介质测试材料放置于小离轴抛物镜焦点上，重复步骤 (5)、（6)、（7)，直至测试完毕； 步骤（10):步骤（9)获取的试验数据通过步骤（8)的修正数据进行修正处理； 步骤（11):通过根据材料特性建立的热波数学模型对修正后的半透明介质材料光热辐 射信号进行最小二乘法参数拟合，从而得到半透明介质材料光热特性参数。8.根据权利要求7所述的利用权利要求1所述半透明介质材料光热特性测量系统 进行半透明介质材料光热特性测量的方法，其特征在于所述修正处理过程为：步骤（8)获 取的修正数据为了排除光强影响，将幅值进行归一化处理记为4?，相位值记为/?，步骤 (9)获取的试验样品的频域响应幅值及相位分别记为办^、/?，则真实的试验样品频响信号 (Am, Ph)为·.【专利摘要】本专利技术公开了一种，所述测量系统由计算机、二维移动台、支架、本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种半透明介质材料光热特性测量系统，其特征在于所述测量系统由计算机、二维移动台、支架、小离轴抛物镜、准直镜、光纤、半导体激光器、大离轴抛物镜、电源线、激光器电源、HCT热探测器、BNC数据线、前置放大器、激光器控制线、锁相放大器、锁相放大器控制线、数据采集信号线构成，其中：计算机通过锁相放大器控制信号线与锁相放大器相连接，锁相放大器参考信号输出端通过激光器控制线与激光器电源连接，激光器通过激光器电源控制线与激光器电源相连，激光器通过光纤与准直镜相连，准直镜固定在小离轴抛物镜的中心孔中，小离轴抛物镜通过螺栓连接固定在支架上，二维移动台放置于小离轴抛物镜正下方，大离轴抛物镜与小离轴抛物镜相对平行放置，将HCT热探测器放置于大离轴抛物镜焦点位置，前置放大器通过BNC数据线与HCT热探测器相连接，前置放大器通过信号线与锁相放大器相连接，锁相放大器输出信号端通过数据采集信号线与计算机相连接。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：刘俊岩，王扬，王飞，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江;23