本文關(guān)鍵詞：基于光感生電動勢效應(yīng)的超聲振動干涉測量方法研究

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【摘要】：隨著現(xiàn)代工業(yè)高精密加工技術(shù)和科學(xué)的發(fā)展,對產(chǎn)品和材料的無損評價要求也越來越高。無損檢測和評價領(lǐng)域越來越依靠光學(xué)解決方案,以提供高精度非接觸式測量技術(shù)。激光超聲檢測技術(shù)是一種新興的、融合了多種學(xué)科的無損檢測技術(shù),包括激發(fā)和檢測兩部分。激發(fā)部分是利用脈沖激光在物質(zhì)中(氣體、液體、固體)激發(fā)超聲信號源;檢測部分利用激光來接收和測量超聲信號。激光超聲檢測技術(shù)相比于傳統(tǒng)的壓電超聲換能器技術(shù),最突出的優(yōu)點是非接觸測量,頻帶寬且分辨率高。本文在查閱了大量文獻資料的基礎(chǔ)上,分析總結(jié)了各種超聲振動檢測方法的利弊。開展了一種基于半導(dǎo)體晶體光感生電動勢效應(yīng)干涉測量方法研究。本文的創(chuàng)新性成果及主要工作內(nèi)容如下:1.基于對光電導(dǎo)體中產(chǎn)生光感生電動勢效應(yīng)的機理的分析研究,建立了半導(dǎo)體晶體中形成光感生電動勢電流的數(shù)學(xué)模型,計算出光感生電動勢電流密度的表達式。被一定頻率振動調(diào)制的激光干涉條紋圖樣照射在均勻半導(dǎo)體樣品表面,由于跟隨干涉條紋變化的光電導(dǎo)分布與半導(dǎo)體內(nèi)部建立的空間電荷場柵間的相位失配,導(dǎo)致半導(dǎo)體晶體中輸出交變電流。用連續(xù)性方程、速率方程、泊松方程及電流密度方程描述了半導(dǎo)體晶體中產(chǎn)生光電流的微觀過程,聯(lián)立方程得到光感生交變電流密度的表達式。2.設(shè)計搭建了基于半導(dǎo)體晶體GaAs的光感生電動勢效應(yīng)的測量系統(tǒng),對影響測量系統(tǒng)的光-電轉(zhuǎn)換效率的因素進行了研究,包括干涉條紋對比度、光功率、干涉條紋空間頻率,以及不同電極間距晶體對輸出電流大小的影響,獲得測量系統(tǒng)的最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)。3.提出了一種基于雙光束干涉測量粗糙面面外振動的方法,并對測量系統(tǒng)進行改進。在光路中加入柱透鏡,使得輸出的光感生電流提高到原來的5倍,可測量頻率提高到1MHz。對測量系統(tǒng)光路所做的調(diào)整和改進,一是通過替換光功率損失較大的元器件和增加入射光功率,從而提高系統(tǒng)光功率;二是在系統(tǒng)光路中增加了柱透鏡,改變激光光束形狀,變相的降低了條紋空間頻率、提高了光電流通過的橫截面積;通過以上措施,增加了系統(tǒng)的測量帶寬和靈敏度。此外,利用建立的測量系統(tǒng)進行了多種振動測量,并對實驗結(jié)果進行分析。首先,將對同一振動的測量結(jié)果在兩套實驗系統(tǒng)中進行橫向?qū)Ρ?其次,將測量結(jié)果與商用的測量儀,如Polytech公司的PDV100測振儀和Bossa Nova Technologies公司的TEMP0200激光超聲接收儀的測量結(jié)果進行縱向?qū)Ρ?測量結(jié)果相符合。對光滑表面的壓電鏡和粗糙表面的壓電陶瓷以及粗糙表面的壓電陶瓷片的振動進行了測量,驗證了測量方案的可行性,并證明測量系統(tǒng)可測量nm量級的振動。最后,對半導(dǎo)體晶體GaAs作為干涉儀光電探測器的性能進行了分析。本文研究基于半導(dǎo)體晶體GaAs光感生電動勢效應(yīng)的超聲干涉測量系統(tǒng),由于晶體本身就是探測器,所以造價低,結(jié)構(gòu)緊湊,調(diào)整簡單。晶體具有較高的截止頻率,使得該測量系統(tǒng)能補償周圍環(huán)境低頻相位漂移,抗干擾能力強,對環(huán)境要求不高,具有廣闊的應(yīng)用前景。
【學(xué)位授予單位】：北京交通大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號】：TB559;TN24

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本文編號：1272302