[发明专利]一种基于光声信号匹配滤波的金属材料热扩散率测量方法

说明书

本发明公开一种基于光声信号匹配滤波的金属材料热扩散率测量方法，所述方法运用光强啁啾调制的聚焦激光束激励待测金属样品并在其中产生光声信号，该光声信号由耦合在样品后表面的压电换能器所探测，信号的时域特征与激励光的啁啾参数以及材料的热物理性能相关联；通过将实时监测的激励光时域信号进行傅立叶变换，并与不同热扩散率所对应的频域光声传递函数相乘得到一系列参考信号，将这些参考信号分别与测得的光声信号做相关运算，其中相关峰值最高的参考信号即为匹配滤波器，所对应的热扩散率即为测量值。本方法将信号处理与滤波和目标参数的定量测量在同一个步骤里完成，可以为材料热物理性的检测提供一种无损、定量、快速、经济的表征方法。

技术领域

本发明涉及固体材料热物性检测领域，具体涉及一种基于光声信号匹配滤波的金属材料热扩散率无损、快速、定量表征方法。

背景技术

材料的热物理性质可以分为输运性质和热力学性质两类，前者指与能量和动量传递过程有关的性质，具体参数包括导热系数、热扩散率、热辐射参数(发射率、吸收率、反射率)等；后者指与热现象中物态转变和能量转换规律相关的性质，如比热、热膨胀系数等。由于热物性参数既是衡量材料能否适应具体热过程工作环境的依据，又是对特定热过程进行基础研究、分析计算和工程设计的关键，因此对材料热物性参数实现无损、快速、定量、精确地测量和表征，既可以为材料科学领域的创新研究服务，也可以为工业生产与质量监控提供保障。

光声光热技术自上世纪七十年代提出以来，至今已经发展成为无损检测与评价领域的重要分支之一。光声光热技术基于物质的光声光热效应，利用动态调制的激光在样品中激发出扩散波，并运用光学和声学的方法实现对扩散波的检测，由此来推测出样品表面、亚表面和体特征。由于其具有无损、动态、定量、灵敏度高、特异性强等优势，如今光声光热技术已经广泛应用于各种材料的光学、热学、电学、力学、成分、结构等方面的无损定量表征。由于光声信号与样品的热学性质具有强相关，因此光声技术可以实现对材料热物性参数的定量表征。

传统的光声技术在信号的调制和解调上主要采用单频激励与锁相解调模式。在这种模式下，测量材料的热扩散率需要从低频开始扫描至高频，在每个单频点下进行锁相测量，获得幅度和相位信息，然后利用理论模型对实验测得的幅度频率和相位频率的数据进行拟合，从而提取出热扩散率。这种方法非常耗时，一般完成一次测量需要十分钟量级的时间，且信噪比不是最优化的，因此，发展快速、无损、定量热扩散率测量的光声技术是材料热物性检测及光声光热领域的迫切需要。

发明内容

本发明所要解决的问题是：如何克服现有光声技术测量热扩散率方法的不足，提供一种新型热扩散率光声测量方法，实现热扩散率的快速、无损、定量测量。

本发明所提出的技术问题是这样解决的：提出一种基于光声信号匹配滤波的金属材料热扩散率测量方法，其系统包括函数发生器1、激励激光器2、透反镜3、全反镜4、聚焦透镜5、待测金属样品6、压电换能器7、光电探测器8、数据采集卡9、计算机10，其特征在于：函数发生器1产生啁啾信号并调制激光器2使其发出光强啁啾调制的激光束，经过透反镜3、全反镜4、和聚焦透镜5后激励待测金属样品6的前表面并在其中产生光声信号，该光声信号被耦合在样品后表面的压电换能器7探测；经透反镜3分束的一小部分光被光电探测器8接收，实现对激励光强时域特征的实时监测；数据采集卡9将光声信号和激励光强时域信号采集并传送至计算机10；计算机10根据实时监测的激励光强信号，并结合不同热扩散率所对应的频域光声传递函数，产生一系列参考信号；将这些参考信号分别与测得的光声信号做相关运算，其中相关峰值最高的那个参考信号即为匹配滤波器，所对应的热扩散率即为测量值。

所述的函数发生器1产生的啁啾调制信号的起始与截止频率均为低频，即满足弹性力学的准稳态近似fc/L，其中f为所产生的声波的频率，c为待测样品中的声速，L为样品尺寸；啁啾信号的时间带宽积应为整数，即啁啾起始频率与截止频率之差与啁啾时长的乘积为整数。

所述的激光器2应为可实现光强模拟调制的连续激光器，其输出的光强与调制电信号之间应具备良好的线性度。