РОЗДІЛ 2
ЕКСПЕРИМЕНТАЛЬНЕ ОБЛАДНАННЯ ТА МЕТОДИКИ
2.1. Установка для фототермоакустичних досліджень
Весь обсяг досліджень, приведених в дисертаційній роботі, виконувався на експериментальній установці, блок-схема якої наведена на рис. 2.1. Вона працює наступим чином. Промінь лазера (ЛГ-38, =0,6328 мкм) (1) модулюється електромеханічним модулятором (2), далі відбившись від дзеркала (5) потрапляє на напівпрозору пластинку (6), де розділяється на дві частини. Одна частина потрапляє на лінзу (11), пройшовши крізь яку розфокусовується (розширюється) і, далі, потрапляє на зразок (12.3), що знаходиться в фотоакустичній комірці (12), періодично нагріваючи його поверхню і збуджуючи в ньому теплові хвилі. Теплові хвилі, внаслідок термопружного ефекту, генерують в шаруватій структурі зразок-п'єзоперетворювач акустичні коливання, які призводять до появи різниці потенціалів на електродах п'єзодатчика. Знятий з шару п'єзоелектрика сигнал підсилюеться попереднім підсилювачем (13) і потрапляє на синхронний підсилювач (14), в корпусі якого розміщено вольтметр. Опорний сигнал для синхронного підсилювача формується фотодіодом (7) за допомогою іншої частини променя, отриманої на напівпрозорій пластинці. Електричний сигнал від фотодіода використовуеться також для контролю інтенсивності випромінювання лазера вольтметром (8) та вимірювання частоти модуляції збуджуючого світлового потоку частотоміром (10).
При дослідженнях зразків Cu, в області низьких частот (до 100 Гц), у якості джерела збуджуючого світлового потоку, замість лазера (1), використовувались 25 світлодіодів (), розміщених на параболічній поверхні. Модуляція випромінювання світлодіодів проводилась шляхом зміни струму, що проходив через них.
Для досліджень, які проводились в даній дисертаційній роботі, було необхідно мати рівномірне освітлення модульованим світловим потоком всієї поверхні зразка . Для контролю за цим були проведені за допомогою фотодатчика виміри інтенсивності по перерізу пучка і для випадку розширеного лазерного променя і для випадку використання світлодіодів. Нерівномірність інтенсивності по перерізу у випадку використання лазерного променя складала приблизно 7%, а світлодіодів - 11%.
2.2. Методика вимірювання амплітуди і фазового зсуву ФТА сигналу
В більшості досліджень, приведених в даній дисертаційній роботі, для реєстрації ФТА коливань досліджуваних структур використовувався двошаровий п'єзодатчик з п'єзокераміки ЦТС-19. Товщина кожного з шарів п'єзодатчика складала 0,6 мм (шари були ідентичними). Полярні осі кожного з шарів п'єзодатчика напрямлені антипаралельно та перпендикулярно до поверхонь шарів. Для вимірювання сигналу на кожному з шарів було передбачено перемикач, котрий дозволяв перемикати на вхід попереднього підсилювача сигнал з кожного шару п'єзодатчика окремо.
В роботі для підсилення та вимірювання електричних сигналів використовується синхронний підсилювач типу 232В, в якому є можливість в межах ? ?/2 вводити регульований фазовий зсув в канал опорного сигналу. На виході синхронного підсилювача величина сигналу визначається як
U=U0cos ? (2.1)
де U0 - амплітуда вихідного сигналу; ? - фазовий зсув між коливаннями вихідного і опорного сигналів. В нашому випадку це фазовий зсув інформативного сигналу.
З (2.1) видно, що амплітуду фототермоакустичного сигналу U0 і його фазовий зсув ? можна визначити, якщо провести виміри вихідного сигналу при двох фіксованих фазових зсувах ? оп в каналі опорного сигналу, наприклад ? оп=0 і ?оп=-/2.
Тоді сигнали на виході підсилювача будуть дорівнювати:
(2.2)
З системи (2.2) знаходимо фазовий зсув ? і амплітуду U0 фототермоакустичного сигналу
tg? =U2/U1 (2.3)
U0= (2.4)
У вимірах, що приводяться в даній дисертаційній роботі, джерелами можливих похибок були: нестабільність частоти модуляції збуджуючого випромінювання; електричні наводки; акустичні шуми; шум системи реєстрації; фонове освітлення п'єзоперетворювача; похибки, зумовлені приклеюванням зразка.
Нестабільність частоти модуляції випромінювання зумовлює похибку вимірювання фази сигналу. При використанні електромеханічного модулятора похибка у вимірюваннях фази не перевищувала 4° для довірчої ймовірності 0,95.
Діапазон робочих напруг на п'єзоперетворювачі при ФТА дослідженнях 1-3000 мкВ. За рахунок наведених струмів, на частоті 50 Гц та на кратних до неї, виникають досить великі похибки вимірів. Для їх зменшення застосовувались методи екранування п'єзоперетворювача у ФТА комірці. Попередній підсилювач розташовувався поблизу п'єзоперетворювача. Для зменшення шуму використовувались також синхронний прийом сигналу.
Акустичний шум був пов'язаний з роботою електромеханічного модулятора та з зовнішніми факторами (вібрацією). Для зменшення акустичних шумів використовувались гумові підкладки та "м'яке" кріплення датчиків. Оптична система була розташована на оптичному столі з пневмоопорами, що суттєво зменшувало акустичні шуми.
Похибка, що зумовлена фоновим освітленням п'єзоперетворювача, зменшувалася за рахунок діафрагмування його вільної поверхні.
Для зменшення похибки, пов'язаної з якістю акустичного контакту "зразок - п'єзоперетворювач", вимірювання проводилися декілька разів, причому зразок кожного разу переклеювався.
Відносна похибка визначення амплітуди інформативного сигналу у всіх дослідженнях, проведених в рамках даної дисертаційної роботи, залежала від частоти ( з ростом частоти збільшувалась) і не перевищувала 12% для довірчої ймовірності 0,95.
2.3. Зразки для досліджень
Дослідження ФТА ефекту в шаруватій структурі тверде тіло-п'єзоелектрик для випадку
а) оптично непрозорих твердих тіл використовувались зразки Zn, Cu і сталі СТ-21. Зразки мали вигляд плоскопаралельних шайб діаметром 15 мм. Для досягнення необхідної товщини поверхні зразків шліфувались карбідною пастою з діаметром зернин порядка 3 мкм. Після шліфування поверхні виглядали оптично однорідними. Товщини зразків були: