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半透明材料光热特性的调制热波检测方法研究

半透明材料光热特性的调制热波检测方法研究

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作者：于晓滢哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

半透明介质在航天航空、工业制造、生物医学等领域有着广泛的应用背景,如耐高温器件、热防护材料、发动机尾喷焰等,其中半透明介质的光热特性是描述光热辐射传输过程的基础,因此相关测量研究对于高尖科技领域组件无损检测、生物组织医... 详细信息

半透明介质在航天航空、工业制造、生物医学等领域有着广泛的应用背景,如耐高温器件、热防护材料、发动机尾喷焰等,其中半透明介质的光热特性是描述光热辐射传输过程的基础,因此相关测量研究对于高尖科技领域组件无损检测、生物组织医学成像、临床诊断治疗等都具有重要的应用价值。本文结合当前的材料热物性测量方法、红外热波雷达检测技术和反问题优化算法对半透明介质在调制热波下的光热特性检测方法进行研究,主要研究内容包括以下几个方面:首先介绍了针对半透明介质光热特性测量的正反问题的求解方法研究,对于正问题,根据介质内部换热过程的不同建立不同的正问题模型,针对纯导热模型采用有限体积法进行求解,针对辐射导热耦合模型,采用有限体积法-离散坐标法进行耦合求解;对于反问题,根据正问题得到的测量信号建立目标函数,根据待反演参数的数目及相关性,分别选择智能优化算法和序列二次规划算法进行优化,并针对算法出现无法收敛的现象进行改进。其次进行调制热流激励下的一维介质光热特性的研究。针对纯导热模型,基于周期热流法原理,结合数值仿真和信号处理方法,计算得到介质的导热系数,并通过分析激励热流的特征、待测介质的物性及特征尺寸等因素对于测量结果的影响得到提高测量精度的方法;针对辐射导热耦合模型,引入反问题优化算法,以介质中各点的温度信息作为测量信号对介质的光热参数进行反演,对介质内部参数均匀分布和线性分布的算例分别进行计算并得到了准确的结果,验证了采用该方法进行物性测量的实用性。最后进行调制热流激励下的二维介质光热特性的研究。建立内部含有缺陷的半透明介质二维传热模型,引入红外热波雷达检测技术的基本原理,对比三种信号处理算法的特征图像,选择最佳方法进行信息提取,并分析激励热源及缺陷的特征参数对探测能力的影响,实现对内部缺陷的快速锁定,并结合序列二次规划算法,完成对介质内部光热参数场的重建,并针对含有不同数目及分布形式内部缺陷的ZnS和SiC两种材料进行导热系数和吸收系数的重建验证了该方法的有效性,最终实现对材料光热特性的检测。

关键词：光热特性周期热流法热波雷达缺陷检测序列二次规划

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