太赫兹时域光谱应力测量原理与方法研究

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1、太赫兹时域光谱应力测量原理与方法研究Principleandmethodofstressmeasurementbasedonterahertztime-domainspectroscopy学科专业：固体力学研究生：宋威指导教师：李林安教授天津大学机械工程学院二零一三年十二月独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得天津大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的

2、说明并表示了谢意。学位论文作者签名：签字日期：年月日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解天津大学有关保留、使用学位论文的规定。特授权天津大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。（保密的学位论文在解密后适用本授权说明）学位论文作者签名：导师签名：签字日期：年月日签字日期：年月日摘要太赫兹波（THz）是指频率位于0.1THz~10THz范围内的电磁波，在电磁波谱上它处于微波和红外之间，它具有脉宽窄、能量低、相干性高、透过性好等优

3、点。太赫兹时域光谱（THz-TDS）技术被广泛应用到材料无损检测、化学成分检测、安全检查等领域，并在实验力学测量领域有着巨大的应用潜力。本文基于TDS系统对THz应力测量的原理和方法进行了研究，主要包括以下几方面：改进了现有THz-TDS系统，使其能够产生任意偏振方向的THz波，并能够对产生的THz波进行调制。设计了能够安放在TDS系统中的微型加载装置，使其能够对试件进行加载并对试件内部的应力进行测量。建立了TDS测得相位延迟与试件内部主应力关系的理论模型，并研究了实验操作环节对THz-TDS系统稳定性的影响，确定了适合实验测量的空气湿度，测定了实验所用的P

4、TFE试件的力学参数。根据理论模型，实验验证了THz波段的应力光性效应，结果表明：通过TDS系统测得THz波的折射率与应力近似成线性关系。通过实验测量了PTFE材料的应力光性系数A和B，提出了基于THz-TDS系统的应力测量原理与方法，建立了由应力引起的相位延迟的测量模式，确定了求解包含相位延迟的非线性方程组的主应力分离方法。通过单向拉伸实验与电阻应变测量方法进行了对比，实验结果表明：基于TDS的应力测量方法测量的应力小于电测方法，误差在10~20%之间。基于TDS的应力测量方法能够有效对材料内部的应力进行测量，在陶瓷等不透明材料的应力测量领域有广阔的应用前

5、景，该方法有望成为实验力学中一种新的应力测量方法。关键词：太赫兹时域光谱应力测量双折射应力光性效应ABSTRACTTerahertz(THz)referstotheelectromagneticwaveinthefrequencyrangeof0.1to10THz,whichliesontheelectromagneticspectrumbetweenthemicrowaveandinfrared.Ithasmanyadvantagessuchasnarrowpulse,lowenergy,highcoherenceandgoodpermeability.T

6、Hztimedomainspectroscopy(THz-TDS)technologyiswidelyappliedtonondestructivetesting,chemicalidentification,safetyinspection,andotherfields,andhashugepotentialapplicationsinthefieldofexperimentalmechanicsmeasurement.Inthispaper,basedonTDSsystem,theprincipleandmethodofstressmeasurement

7、arestudied,detailedinthefollowingaspects.InordertochangethepolarizationdirectionoftheTHzradiationtransmittingspecimen,polarizersareaddedinthetraditionalTHzTDSsysteminourexperiment.Polytetrafluoroethylene(PTFE)ischosenastheexperimentalmaterialandprocessedintoadumbbelluniaxialtensile

8、specimen.Thenamicroloading