材料亚表面结构光热辐射检测实验

发布时间：2025-01-07 00:27

　　 为开展光声光热技术实验教学,设计了材料亚表面结构光热辐射检测实验。应用层状材料在聚焦高斯光束激励下产生的三维热波的理论模型分析了光致热波的局域性、光热辐射信号随样品层厚度以及随背衬物质热学性质的变化规律。采用碳钢作为基体材料制作了一个含孤立横向盲孔的样品和一个含异质填充孔并带表面镀层的样品。采用半导体激光器、红外探测器等构建光热辐射检测实验系统。通过对样品进行光热辐射检测实验,验证了理论预期的检测能力:光热辐射信号对由泵浦光调制频率和材料热学参数决定的热扩散长度内的材料热学结构(材料界面位置、界面两边材料的热学性质等)敏感。

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【部分图文】：

图1 层状材料几何模型

式中:j为虚数单位;ω为圆频率;t为时间;复指数函数exp(jωt)表示热源强度随时间的变化。样品层吸收光能后转化为热能，并向空气介质和背衬物质传播。自泵浦光开始激励起，样品层和背衬物质内各点的温度均会经历一个先振荡上升，最后达到稳定振荡的过程。光热辐射检测针对温度的稳定振荡阶段....

图2 样品层的温度幅值分布

(1)光致热波传播的局域性。设样品层材料为碳钢，厚度50mm;背衬物质为空气。设定泵浦光在样品表面的光斑半径为0.5mm，透入样品层的光功率为1W。鉴于金属材料对光的强吸收特性，设样品层的光吸收系数为106m-1来模拟面吸收。在这些参数设置下，对泵浦光的3种调制频率10、10....

图3 样品层厚度对表面温度场的影响

(2)光热辐射信号随样品层厚度的改变。设定与上节相同的样品层材料和背衬物质。固定泵浦光调制频率为10Hz，其余泵浦光参数与上节相同。以热扩散长度为参考，取样品层厚度分别为0.1、0.3、0.6、1.2和1.8mm计算样品层的温度场分布。样品表面从光斑中心开始的径向温度幅值和相....

图4 背衬物质热学性质对表面温度场的影响

由图4可知，在样品层材料厚度远小于其热扩散长度情况下，背衬材料的热学性质对样品表面的温度幅值和相位都有明显影响。对每一种背衬物质，随观测点远离泵浦光斑中心，温度幅值迅速衰减;在光斑半径范围内，温度相位基本不变。对不同背衬物质，热传导率越大，温度幅值越小，温度相位的绝对值也越小。3....

本文编号：4024217