光聲檢測

利用物質吸收一強度隨時間變化的光能而被加熱時所引起的聲效應對試件進行無損檢測的技術。

基本介紹

• 中文名：光聲檢測
• 外文名：Photoacoustic detection
• 目的：測試材料的性能
• 套用：固體表面與界面的研究
• 分類：傳聲器與壓電檢測術
• 相關理論：RG理論，McDonald-Wetse理論

光聲檢測的理論

光聲信號通常是一個被噪聲掩蓋的弱信號，為了能從噪聲中提取光聲信號，提高檢測的信噪比，可採用相關技術和對信號取多次平均的方法。

根據光聲光熱的基本理論，如RG理論，McDonald-Wetse理論或光熱偏轉理論，試樣吸收調製光能而產生的光聲光熱信號，在非飽和吸收情況下，可用一組線性微分方程和相應的邊界條件來定量描述，大量的實驗也證實了這些理論的正確性。這表明，在試樣非飽和吸收時，所研究的系統可認為是一個線性時不變系統，利用傅立葉變換就能直接得到光聲信號，同時，像鎖相分析儀這類弱信號檢測器，實質上就是一個模擬相關器，而Boxcar積分器實質上是一個累加的平均器，因此，利用數字相關、數字採樣平均等數位訊號處理技術，再套用微機進行光聲檢測，不僅在理論上成立，而且在實際上也是完全可行的。

光聲檢測的原理

從固體的RG光聲效應理論來看，在固體表層的某一深處吸收光能而形成的熱波傳向表面，變為聲波被傳聲器所接收．這樣位於不同深處所吸收光能的聲波可能出現相位偏移．利用這種現象測定每個固定相位的光譜時便可得到具有多層結構表面層的多層光聲譜。 為了實現這一構想，Kato等在常規的光聲譜法的基礎上提出了相關光聲譜法，相關PAS的原理是：當測量系統的輸入信號為x(t)，輸出信號為y(f)時，則輸入與輸出信號的互相關函式R_xy(τ)為：

相關函式公式

當輸入信號x(t) 的自相關函式R_xx(τ) 為δ函式時，R_xx(τ) 與體系的脈衝回響函式h(τ) 相當。此脈衝晌應在敘述系統的性質方面很重要，因為不同延時τ的R_xy(τ)給出試樣不同深度剖面的信息。人們將固定人射光的波長所測定的PAS稱為第一種相關光聲譜，把變化波長所測定的光聲譜稱為第二種相關光聲譜。為了快速處理第二種相關光聲譜等的多元數據以及簡化測定操作，試製了計算機在線上處理系統，數字系統的互相關函式的運算可以將上式改變為以輸入信號x(k) 和回響y(k) 的序列的相關運算來表示。

壓電光聲檢測

在壓電光聲檢測中，光聲信號與試樣的比熱、熱膨脹係數和熱導率有關，這些熱物理參數隨溫度的變化，特別是在相變點時所顯示的異常行為必然會導致光聲信號的異常變化。以光學不透明的熱厚試樣為例，用壓電感測器檢測到的光聲信號。

根據壓電效應的基本原理，壓電感測器在交變外力作用下，就會產生交變的壓電信號輸出。在壓電光聲實驗中，試樣吸收了強度受調製的光以後，把光能變成交變的熱能，熱能使試樣膨脹或者收縮，從而產生形變，形變引起的彈性波傳到壓電感測器，輸出電信號，這就是光聲信號。因此，試樣的熱膨脹係數在相變點產生突變時，必然引起光聲信號突變。已經有實驗結果進一步說明對於壓電光聲檢測來說，在相變點附近熱膨脹係數的變化對光聲信號的影響將起主導作用。

光聲檢測的技術套用

①傳聲器檢測術。強度隨時間變化的雷射束通過充有氣體的光聲腔的透光視窗，射向放在其中的試樣表面，試樣被加熱時也使與之相接觸的氣體受隨時間而變化的加熱，從而在氣體中激發出聲信號，可用裝在腔中的傳聲器檢測。

②壓電檢測術。將一塊壓電換能器直接耦合到試樣光照面的背面取代傳聲器，可直接探測到聲信號；聲信號的幅度直接取決於物質吸收光能的多少。光聲檢測可用於固體表面與界面的研究，材料相變的研究，通過加熱點在試樣面上的光柵式掃描形成的光聲顯微鏡，可用於組織的熱波成像。以電子束取代雷射原組成壓電式電子聲顯微鏡，可用於多晶材料晶粒、晶界成像，半導體摻雜濃度分析，晶體位錯分析，積體電路、精細陶瓷表面、亞表面質量評價。