Помощь в написании студенческих работ
Антистрессовый сервис

Лазерная фототепловая диагностика неоднородных конденсированных сред

Диссертация: Лазерная фототепловая диагностика неоднородных конденсированных сред
ДиссертацияПомощь в написанииУзнать стоимостьмоей работы

Фототепловая диагностика существует в импульсном и в частотном вариантах. В первом случае среду возбуждают лазерным импульсом (используют и другие источники света, например, галогеновые лампы), во втором же воздействие носит периодический характер, благодаря чему в среде генерируются тепловые волны. В последнем варианте в качестве источников света применяют достаточно мощные непрерывные лазеры… Читать ещё >

Лазерная фототепловая диагностика неоднородных конденсированных сред (реферат, курсовая, диплом, контрольная)

Содержание

  • СОДЕРЖАНИЕ
  • ВВЕДЕНИЕ
  • Цели диссертационной работы
  • Научная новизна
  • Научная и практическая ценность работы
  • Основные положения, выносимые на защиту
  • Личный вклад автора. Ш
  • Объем и структура диссертации.:.Л
  • ГЛАВА 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ
    • 1. Экспериментальные методы регистрации температурь- поверхности в фототепловой диагностике
      • 1. 1. Фотоакустический метод
      • 1. 2. Метод, основанный на наведенных изменениях показателя отражения
      • 1. 3. Пироэлектрический метод
      • 1. 4. Радиометрические методы
      • 1. 5. Метод «Мираж «
      • 1. 6. Измерение фототермических деформаций поверхности
    • 2. Методы интерпретации фототеплового отклика
      • 2. 1. Интерпретация аналитических решений уравнения теплопроводности для неоднородностей специальной формы
      • 2. 2. Стохастические методы в фототепловой диагностике
      • 2. 3. Реконструкция теплофизических параметров неоднородной среды с помощью нейронных сетей
      • 2. 4. Метод обратной задачи в фототепловой диагностике
  • ГЛАВА 2. ПОСТАНОВКА И РЕШЕНИЕ ПРЯМОЙ ЗАДАЧЕ МОДЕЛИРОВАНИЯ РАСПРОСТРАНЕНИЯ ТЕПЛОВЫХ ВОЛН В НЕОДНОРОДНЫХ СРЕДАХ И ОБРАТНОЙ ЗАДАЧИ ЛАЗЕРНОЙ ФОТОТЕПЛОВОЙ ДИАГНОСТИКИ
    • 1. Постановка прямой и обратной задачи
    • 2. Длина тепловой волны и глубина проникновения
    • 3. Характерные параметры и нормировки
    • 4. Решение обратной задачи лазерной фототепловой диагностики методом цепных дробей
      • 2. 4. 1. Аналитическое решение разностного уравнения теплопроводности на поверхности среды
      • 2. 4. 2. Выбор целевой функции
      • 2. 4. 3. Численная минимизация целевой функции
      • 2. 4. 4. Применение к задаче метода регуляризации А.Н. Тихонова
    • 5. Выводы
  • ГЛАВА 3. ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ФОТОТЕПДОВОГО ОТКЛИКА НЕОДНОРОДНОЙ СРЕДЫ И РЕКОНСТРУКЦИЯ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ И ТЕПЛОЕМКОСТИ
    • 1. Численное моделирование фототеплового отклика неоднородной среды
      • 3. 1. 1. Профили неоднородности для закаленной стали
      • 3. 1. 2. Алгоритм расчета амплитуды и фазы фототеплоеого отклика
      • 3. 1. 3. Интерполяция амплитуда и фазы фототеплового сигнала в произвольных радиальных точках
      • 3. 1. 4. Наложение случайного «шума»
      • 3. 1. 5. Значение теплопроводности на поверхности и Ханкель-трансформанта сигнала

      § 2. Реконструкция теплоемкости и теплопроводности на основе генерированного массива данных.94. 3.2.1. Обратное преобразование Ханкеля и переход к представлению фототеплового отклика в пространственных частотах.9.4.

      3.2.2. Интерполяция фототеплового отклика в узлах сетки Ш/ по частоте модуляции.

      3.2.3. Интерполяция фототеплового отклика в узлах сетки по пространственной частоте

      9.(х.

      3.2.4 Обращение отклика в переменных (а>, в).9.

      §-3.Выбор оптимальных значений параметров алгоритма. .9.

      3.3.1. Оптимальный выбор параметров сетки по глубине х.9.

      3.3.2. Выбор сеточных параметров Ыц, и $°тах.

      3.3.3. Оптимизация дискретного преобразования Ханкеж.1.

      3.3.4. Выбор числа итераций.

      3.3.5. Выбор параметров регуляризации.

      3.3.6. Выбор параметров минимизирующей процедуры.1.

      § 4. Выводы.1.13.

      ГЛАВА 4. РЕЗУЛЬТАТЫ РЕКОНСТРУКЦИИ РАСПРЕДЕЛЕНИЙ ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ И ТЕПЛОЕМКОСТИ.

      § 1. Реконструкция теплопроводности и теплоемкости на основе непосредственно вычисленного Ханкель-преобразования сигнала.1.

      § 2. Реконструкция распределений теплопроводности и теплоемкости на основе зашумленного" отклика, полученного в результате чис. енного моделирования.

      § 3. сравнение теоретических и экспериментальных данных для фототеплового отклика.

      § 4. Выводы.1.46.

В последнее время интенсивно развиваются методы диагностики материалов (полупроводники, металлы, композиты, графиты) с помощью тепловых волн, возбуждаемых модулированным во времени лазерным излучением. Этот вид неразрушающего контроля предназначен в основном для выявления дефектов, локализованных в тонком подповерхностном слое образца, труднодоступном для других типов диагностики. Так, например, целью рентгеновской диагностики является восстановление структуры образца по нескольким ее проекциям, полученным в результате воздействия на образец рентгеновского излучения. Однако, для рентгеновской диагностики недоступно воспроизведение именно подповерхностных слоев толщины порядка 0.1−1 ммтакая реконструкция часто невозможна также из-за ограниченной разрешающей способности метода. Ультразвуковая диагностика тоже не может дать качественного воспроизведения подповерхностных дефектов, поскольку задержка между основным и отраженным от дефектов акустическим сигналом оказывается слишком малой. Метод вихретоковой диагностики, в принципе, предназначен для реконструкции подповерхностных неоднородностей, но он применим только для проводников. Недостатки перечисленных методов стимулировали интенсивное развитие теплового неразрушающего контроля, в том числе лазерной фототепловой диагностики.

Фототепловая диагностика существует в импульсном и в частотном вариантах. В первом случае среду возбуждают лазерным импульсом (используют и другие источники света, например, галогеновые лампы), во втором же воздействие носит периодический характер, благодаря чему в среде генерируются тепловые волны. В последнем варианте в качестве источников света применяют достаточно мощные непрерывные лазеры (с выходной мощностью порядка 0.2−1 Вт и более). Расточником информации о неоднородностях среды служит температура ее поверхности, которая и измеряется в эксперименте. Анализ показывает, что компонента температурного поля, осциллирующая с той >:е частотой, что и нагрев, распространяется вглубь образца подобно водке, но весьма быстро (на глубине порядка длины волны) затухает. В результате на температуру поверхности влияют неоднородности, заключенные лишь в приповерхностном слое, и не влияет геометрия образца в целом или дефекты и особенности структуры, расположенные далек: от зоны распространения тепловых волн. Это обстоятельство и определяет область применения обсуждаемого метода в целом. Таким образом, лазерная фототепловая диагностика — это диагностика близлежащего к поверхности слоя вещества.

Основная трудность рассматриваемого метода заключается в том, что экспериментальному измерению доступны лишь температуры поверхностей. Информация о неоднородностях среды содержо о>' в этих температурах в неком усредненном и неявном виде. Поэтому для восстановления характеристик неоднородности необходим эффективный алгоритм для интерпретации фототеплового отклика, т. е. получения из него информации о характере неоднородностей среды.

Такой метод интерпретации отклика, основанный на постановке и решении обратной задачи и дающий детальную реконструкцию распределения теплопроводности и теплоемкости приповерхностного слоя вещества разрабатывается в настоящей работе.

Цели диссертационной работы.

Настоящая диссертационная работа имела следующие цели:

• построение эффективного алгоритма, позволяющего восстановить распределение теплопроводности и теплоемкости в исследуемом образце, исходя из значений амплитуды и фазы лазе соиндуцированной тепловой волны на поверхности образца;

• применение разработанного алгоритма для С:-уче. численно рассчитанного фототеплового отклика закаленной в результате лазерной обработки стали с учетом априорной информации о неодно с о дностях, характерных для такого рода сред;

• сравнение амплитуды и фазы тепловой волны на поверхности образца, полученных в результате численного мо делирования, с данными эксперимента;

• выяснение требований к постановке эксперимента, необходимых для корректного применения развитого метода реконструкции.

Научная новизна.

Подход, развитый в диссертационной работе, отличается следующей принципиально новой особенностью: использован максимально информативный фототепловой отклик на лазерное возбуждение (радиальная и частотная зависимости амплитуды и фазы тепловой волны) для случая неоднородности, зависящей только от глубины. Базируясь на данных такого рода, предложен метод детального воспроизведения распределения теплопроводности и теплоемкости, зависящих с с глубины произвольным непрерывным образом. Развитый подхс не предусматривает принципиальных ограничений на малость или давность неоднородностиединственное ограничение связано только с дискретизацией, необходимой для численного анализа.

Научная и практическая ценность работы.

Научная ценность раооты состоит в тех что для случая нагрева гауссовым лазерным пучком и профилей неоднородности, зависящих только от глубины (произвольным образом), найдено аналитическое выражение для температуры поверхности, основанное на сеточной аппроксимации уравнения теплопроводности. Такое выражение в виде епной дроби позволило применить эффективный метод минимизации целевой функции, в качестве которой бралось отклонение истинного фототе: дового отклика среды от расчетного, полученного при текущей форме подлежащих воспроизведению профилей теплофизических характеристик среды.

Практическая ценность работы заключается в том, что построенный численный метод можно применять для обработки данных реального эксперимента и восстановлению профилей теплопроводности и теплоемкости. Алгоритм восстановления формы неоднородкостей модифицирован для случая закаленной при лазерной обработке стали и может быть использован для диагностики распределения твердости.

Основные положения, выносимые на защиту.

• температуру поверхности среды при ее нагреве модулированным лазерным излучением можно вычислить с помощью полученного в работе аналитического выражения, основанного сеточной аппроксимации уравнения теплопроводности и применении разработанного оригинального метода, названного методом цепных дробей;

• оценка истинного распределения теплопроводности и теплоемкости получается при решении обратной задачи путем минимизации целевой функции, в качестве которой берется нормированное на отклик однородной среды отклонение истинного фототеплового отклика от пробного, полученного при численном моделировании на основе варьируемых профилей теплофизических характеристик;

• погрешность реконструкции распределения теплопроводности и теплоемкости можно существенно уменьшить путем применения метода регуляризации А. Н. Тихонова, если в качестве стабилизирующей добавки использовать отклонение варьируемых распределений теплофизических параметров от однородных значений.

Личный вклад автора.

Все результаты работы получены лично автором. Сни включают нахождение аналитической формулы для расчет? Ханкель-трансформанты температуры поверхности, моделирование фототеплового отклика среды, исходя из заданных распределений теплопроводности и теплоемкости внутри образца, применение метода сопряженных градиентов для минимизации целевой функции, выбор стабилизатора и применении метода регуляризации А. Н. Тихонова к рассматриваемой задаче.

Объем и структура диссертации.

Диссертационная работа содержит 159 страниц текста, включая 61 рисунок, и списка литературы из 68 наименований. Структурно работа состоит из Введения, 4-х глав, Заключения и Списка литературы.

Основные результаты диссертационной работы заключаются в следующем:

1. Разработан эффективный численный алгоритм реконструкции одномерного распределения теплопроводности и теплоемкости в среде, исходя из поверхностных значений амплитуды и фазы тепловой волны, возбужденной при нагревании поверхности среды модулированным лазерным излучением. Метод можно использовать для неоднородностей произвольной формы, непрерывным образом зависящих от глубины и не включает принципиальных ограничений на малость или плавность неоднородности.

2. Найдено точное аналитическое выражение для температуры поверхности среды для произвольно зависящих от глубины теплопроводности и теплоемкости при решении уравнения теплопроводности в разностной форме;

3. Показано, что развитый метод цепных дробей можно применить для реконструкции распределений теплофизических параметров, характерных для стали с тонким подповерхностным слоем, закаленным в результате лазерной обработки.

4. Проведено сравнение и найдено согласие (с пределах 1%) результатов численного моделирования фототеплового отклика однородной среды с известными результатами эксперимента, полученными для однородного стального образца методом «Мираж» .

Заключение

.

Показать весь текст

Список литературы

  1. D.P. Almond, P.M. Patel. Phototherma! science and techniques. // Kluwer Publishing, 1998.
  2. A. Rosencwaig. Photoacoustics and photoacoustic spectroscopy. // Wiley, New York, 1980, Chap. 5.
  3. A. Mandelis. Time-delay-domain and pseudorandom noise photoacoustic and photothermal wave processes: a review of the state of the art. IEEE Trans. UFFC-33, p. 590 (1986).
  4. A. Rosencwaig, J. Opsal, W.L. Smith, D.L. Willenborg. Detection of thermal waves through optical reflectance. // Appl. Phys. Lett., V. 46, p. 1013 (1985).
  5. A. Mandelis, J.F. Power. Frequency-modulated impulse response photothermal detection through optical reflectance. 1: Theory. // Appl. Opt., V. 27, p. 3397 (1988).
  6. A. Mandelis, J.F. Power. Frequency-modulated impulse response photothermal detection through optical reflectance. 2: Experimental. / Appl. Opt., V. 27, p. 3408 (1988).
  7. A. Rosencwaig. Thermal wave characterization and inspection of semiconductor materials and devices. // P. and thermal wave phenomena in semiconductors, A. Mandelis, Ed. г olland, New York, 1987, Chap. 5.
  8. J. Power, A. Mandelis. Photopyroeiectric un film instrumentation and impulse responce detection. // Rev. Sci. Instrum., V. 58, p. 2033 (1987).
  9. T.C. Ma, M. Munidasa, A. Mandelis. // Photoacoustic frequency-domain depth profilometry of surface-layer inhomogeneities: application to laser processed steels. // J. Appl. Phys, V. 71(12), p. 6029, (1992).
  10. C. Glorieux, J. Fivez, J. Thoen. Photoasouctic investigation of the thermal properties of layered materials: calculation of the forward signal and numerical inversion procedure. // J. Appl. Phys., V. 73, p. 684 (1993).
  11. J. Fivez, J. Thoen. On the accuracy of depth-dependent thermal conductivity retrieval in photoacouctic measurements. /7 J. Appl. Phys., V. 81(7), p. 1 (1997).
  12. A. Mandelis, E. Schoubs, S. Peralta, J. Thoen. Quantitative photoacoustic depth profilometry of magnetic field-induced thermal diffusivity inhomogeneity in the liquid crystal octylcyanobiphenil. // J. Appl. Phys., V. 70(3), p. 1771 (1991).
  13. L. Fabbri, P. Fenici. Three-dimensional photothermal radiometry for the determination of the thermal diffusivity of solids. // Rev. Sci. Instrum., V. 66(6), p. 3593 (1995).
  14. J. Jaarinen, J. Hartikainen, M. Lukkala. Photothemal measurements of adhesion. // IEEE, Ultrasonic Symposium, p. 469.
  15. T.T.N. Lan, U. Seidel, H.G. Walther, G. Goch, B. Schmitz. Experimental results of photothermal microstructural depth profiling. // J. Appl. Phys., V. 78(6), p. 4108 (1995).
  16. M. Munidasa, T.C. Ma, A. Mandelis, S.K. Brown, L. Mannik. // Non-destructive depth-profiling of laser-processed Zr-2.5Nb alloy by IR photothermal radiometry. // Mat. Sci. And Eng., A159, p. l 11 (1992).
  17. S.0. Kanstad, P.E. Nordal. Experimental aspects of photothermal radiometry. // Can. J. Phys., V. 64, p. 1155 (1986).
  18. T.T.N. Lan, U Seidel, H.G. Walther. Theory of microstractural depth profiling ' by photothermal measurements. // J. Appl. Phys. V 77(9), p. 4739 (1995).
  19. T.T.N. Lan, H.G. Walther. Photothermal depth profiling using only phase data. // J. Appl. Phys., V 80(9), p. 1 (1996).
  20. J. Opsal, A Rosencwaig, D.L. Willenborg. Thermal wave detection and thin-film thickness measurements with laser beam deflection. // Appl. Opt., V. 22, p. 3169(1983).
  21. M.Bertolotti, R. Li Voti, S. Paoloni, C.Sibilia. Temperature measurement by optical beam deflection method. // Prog, in Nat. Sci., V. 6S p. 669 (1996).
  22. C.A. Bennett, R.R. Patty, thermal wave interferometry: a potential application of the photoacoustic effect. // Appl. Opt., V.21, p.49 (1988).
  23. B.K. Bein, S. Kruger, J. Pelzl. Photoacoustic measurement of effective thermal properties of rough and porous limited graphite. // Can. J. Phys., V.64, p. 1208 (1986).
  24. А.А. Калиновский, В. Э Гусев. Распространение лазеро- индуцированных тепловых волн в слоисто-неоднородных средах. // Программа IV Всероссийской школы-семинара «Волновые явления в неоднородных средах», с. 6 (1994).
  25. A Kalinovskii, V. Gusev. Theory of thermal wave interference induced by laser action on a normally cut layered structure.//Appl. Phys. A, V.60, p.557 (1995).
  26. A. Lorincz. Resolution of thermal wave imaging methods for periodic structures.// J. Appl. Phys., V. 64, p. 6713 (1988).
  27. А.А. Калиновский, A.C. Чиркин. О диагностике случайно- неоднородных сред с помощью лазеро-индуцированных тепловых волн. // Изв. РАН, серия физ., N. 12., с. 4 (1993).
  28. V.V. Aleshin, A.A. Kalinovskii, A.S. Chirkin. Generation of laser-induced thermal waves as a non-destructive diagnostic method. /'/15-th Intern. Conf. on Coherent and Nonlinear Optics, St. Petersburg, Russia. Technical Digest, V.2, p. 49−50 (1995).
  29. B.B. Алешин, A.C. Чиркин. Диагностика неоднородных сред с помощью лазероиндуцированных тепловых волн: стохастическая задача. // Изв. РАН, серия физ., N.12., с. 55 (1995).
  30. R.P. Lippmann, «An introduction to computing with neural nets», IEEE ASSP Magazine, p. 4 (1987).
  31. C. Glorieux, J. Thoen. Thermal depth profile reconstruction by neural network recognition of the photothermal frequency spectrum. //I Appl. Phys., V. 80, p. 6510 (1996).
  32. A.M. Денисов. Введение в теорию обратных задач. / Москва, изд. Моск. ун-та, 1994.
  33. В.Б Гласко. Обратные задачи математической физики. // Москва, изд Моск. ун-та, 1984.
  34. А.Г. Рамм. Многомерные обратные задачи рассеяния. / М., Мир, 1994.
  35. А.Б. Бакушинский, A.B. Гончарский. Некорректные задачи. Численные методы и приложения. // Москва, изд. Моск. ун-та, 1989.
  36. А.Б. Бакушинский, A.B. Гончарский. Итеративные методы решения некорректных задач. // Москва, Наука, 1989.
  37. В.А. Морозов. Регулярные методы решения некорректно поставленных задач. //Москва, Наука, 198
  38. В.П. Вавилов. Тепловые методы неразрушающего контроля. // Москва, Машиностр., 1991.
  39. H, J. Vidberg, J. Jaarinen, D.O. Riska. Inverse determination of the thermal-conductivity profile in steel form the thermal wave surface data. // Can. J. Phys., V. 64, 1178 (1986).
  40. V. Gusev, Ts. Velinov, K. Bransalov. Thermal-wave depth profiling of inhomogeneous solids. // Semicond. Sci. Technol., V. 4, p. 20 (1989).
  41. M. Xu, J. Cheng. Regularized algorithm for inverse problem in photothermal detection. // Journal de Physique IV, C7−559 (1994).
  42. R. Coralov, Ts. Velinov. Real-time depth profile reconstruction of the thermal conductivity of inhomogeneous solids. // J. Appl. Phys., V. 83(4), p. 1878.
  43. A. Mandelis, S. Peralta. Photoacoustic frequency-domain depth profiling of continuously inhomogeneous condensed phases: Theory and simulations for the inverse problem. // J. Appl. Phys., V. 70(3) p. 1761 (1991).
  44. A. Mandelis. Hamilton-Jacobi formulation and quantum theory of thermal wave propagation in the solid state. // J. Math. Phys., V. 26(10), p. 2676 (1985).
  45. J. Fivez, J Thoen. Thermal waves in materials with linearly inhomogeneous thermal conductivity. // J. Appl. Phys., V. 75, p. 7696 (1994).
  46. W.H Press, B. Flannery, S.A. Teukovski, W.T. Vetterbling. Numerical Recipes. // Cambridge University Press, New York (1986).
  47. A.H. Тихонов. О решении некорректно поставленных задач и методе регуляризации. //Докл. АН: СС?. т... № 3, с. 501 (1963).
  48. М. Bertolotti, М. Firpo, R. Li Voti, S. Paolini, С. Sibilia, F. Tani. Thermal characterization of multilayer material. // Prog. In Nat. Sci, V. 6, p.219 (1996).
  49. J. Opsal, A. Rosencwaig. Thermal-wave depth profiling: Theory. // J. Appl. Phys., V. 53, p. 4240(1982).
  50. L.C. Aamodt, J.C. Murphy. Thermal effect in materials with continuously varying optical and thermal properties in one dimension. // Can. J. Phys., V. 64, p. 1221 (1986).
  51. A. Rosencwaig, A. Gersho. Theory of the photoacoustic effect with solids. // J. Appl. Phys., V. 47, p. 64 (1976).
  52. Ф.П. Васильев. Численные методы решения экстремальных задач. // М., Наука, 1980.
  53. Ф.П. Васильев. Методы решения экстремальных задач. // М., Наука, 1981.
  54. V.V. Aleshin, A.S. Chirkin. Generation of laser-induced thermal waves as a nondestructive diagnostic method. // Proc. SPIE, V. 2797, p. 69 (1995).
  55. V.V. Aleshin, A.S. Chirkin. Inverse problem in laser photothermal diagnostics of inhomogeneous medium. // Int. Conf. on Computer Methods and Inverse Problems in Nondestructive Testing and Diagnostics, Minsk, Belarus. Technical Digest, p. 91 (1996).
  56. V.V. Aleshin, V.A. Vysloukh. Continued fraction method in inverse problem of photothermal diagnostics. // Appl. Phys. A, V. 64(6), p. 579 (1997).
  57. B.B. Алешин, В. А. Выслоух. О решении одной обратной задачи фототепловой диагностики с применением метода регуляризации А. Н. Тихонова. // Вестник Московского университета. Серия 3. Физика. Астрономия, N.1, с. 35 (1998).
  58. В.В. Алешин, В. А. Выслоух, А. С. Чиркин. Метод цепных дробей в обратной задаче фототепловой диагностики. // Труды V Всероссийской школы-семинара «Волновые явления в неоднородных средах», с. 91 (1996).
  59. B.B. Алешин. Алгоритмы решения одномерной обратной задачи фототепловой диагностики. // Труды VI Всероссийской школы-семинара «Волновые явления в неоднородных средах», с. 108 (1998).
  60. H.G Walther, V. Aleshin. Steel hardness inspection by laterally scanned and frequency resolved infrared radiometric measurements. // 5th International Workshop on Advanced Infrared Technology and Applications, Venezia, Book of Abstracts, p.37 (1999).
  61. V. Aleshin, H.G. Walther. Inspection of ihomogeneous samples by combined laterally scanned and lreque. resolved measurements. // J. Appl. Phys., V. 86(11), p. 6512(1999).
Заполнить форму текущей работой

Сессия? Спокойно!