光声方法检测材料的热扩散率及热溢出率

摘要

运用光声技术有效的测量材料的热性能参数，是上世纪六十年代末激光引进光声效应研究以来发展起来的一项较成熟的新技术。
　　 本文依据Rosencwaig和Gersho关于凝聚态物质的光声理论，及White提出的凝聚态介质中的热弹理论，展开了光声法测量材料的热扩散率及热溢出率的研究，主要内容为：
　　 1.理论模型的研究。在现有的理论基础上通过简化和一些边界条件的界定，建立了本实验室光声检测系统的一维理论模型，用简洁的关系式分别明确表述光声信号与材料的热扩散率和热溢出率的关系；
　　 2.光声池的结构研究。参考了现有的各种类型的光声池的特点，分析了光声池设计的主要原则和注意事项，依据适合固体光声检测系统的类型，设计制作了几种大小结构各不相同的光声池，选择其中效果比较理想的一款进行了详细的说明；
　　 3.光声检测系统的搭建。运用光声池，大功率半导体激光器，锁相放大器等搭建了稳定的实验系统，寻找最佳的实验条件，通过对紫铜等样品热扩散率及热溢出率的测量，验证了理论模型及实验系统的准确性及稳定性，然后对几种金属和液体样品进行了热性能的测量；
　　 4.拟合结果的精度分析。理论上对不同材料热扩散率和热溢出率的测量进行了精度研究，分析了不同材料间热扩散率和热溢出率的大小对测量精度的影响和原因，以及相同材料间热扩散率和热溢出率测量精度的不同和原因。
　　 研究结果显示，此光声检测系统光路简单，操作方便，对样品的大小、透光度、形态及表面状况基本无要求；在对几种金属样品的测量中，可利用光声信号同时准确得到材料的热扩散率及热溢出率，测量结果与参考值的相对误差均在3％以下，一致性参数较小；并且通过精度分析可知，材料的热扩散率及热溢出率越大，测量的精度越高，相同材料热溢出率的测量精度高于热扩散率。

目录

文摘

英文文摘

第一章 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 研究方法

1.2.1 光声测量方法

1.2.2 光声方法的优势

1.3 研究内容

第二章 光声技术的介绍

2.1 光声技术的起源及发展

2.2 光声技术理论

2.2.1 光与物质的相互作用

2.2.2 光声理论

2.3 RG理论

2.3.1 热扩散方程

2.3.2 特殊情况

2.4 热弹理论

2.5 光声检测技术的应用及特点

2.6 小结

第三章 理论模型及精度分析

3.1 本实验中的理论模型

3.1.1 光声系统测量材料热扩散率的理论模型

3.1.2 光声系统测量材料热溢出率的理论模型

3.2 理论上的精度分析

3.3 小结

第四章 实验系统

4.1 实验系统结构

4.2 微音器的选择

4.3 前置放大器和电源设计

4.4 小结

第五章 光声池的设计

5.1 光声池的设计原理及注意事项

5.2 光声池的设计类型

5.2.1 使用微音器的光声池

5.2.2 使用压电元件的光声池

5.3 光声池的设计方案

5.3.1 实验所用的光声池

5.3.2 多种光声池介绍

5.4 小结

第六章 材料的热性能测量及精度分析

6.1 实验系统的验证

6.1.1 误差分析

6.1.2 一致性分析

6.2 金属材料的热性能测量

6.3 实验的精度分析

6.3.1 一些参数的影响

6.3.2 频率的选取

6.3.3 其它影响

6.4 液体的热性能测量

6.5 小结

第七章 结论

7.1 工作内容和成果

7.2 不足和展望

致谢

参考文献

附录

攻硕期间取得的研究成果