CN102519642A - 一种检测激光冲击波压力的方法与装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及激光冲击的力学参数测量领域，特指一种利用摆锤来测量激光冲击力的方法与装置，它利用动量定理，机械能守恒定律，根据激光冲击摆锤后摆锤摆的动角度及激光冲击作用的时间计算出激光冲击力的大小。本发明基于动量定理、机械能守恒定律，测量原理明确，使用摆锤法测量冲击力设备结构简单、操作方便、成本低。

Description

一种检测激光冲击波压力的方法与装置

技术领域

本发明涉及激光冲击的力学参数测量领域，特指一种利用摆锤来测量激光冲击力的方法与装置，它利用动量定理，机械能守恒定律，根据激光冲击摆锤后摆锤摆的动角度及激光冲击作用的时间计算出激光冲击力的大小。 

技术背景

随着航空航天事业的发展，对金属零件的强度变得要求越来高，利用强激光诱导冲击波来强化金属表面的新技术称为激光冲击强化技术（简称LSP），由于其表面强化效果好，自产生之日起就得到了广泛的关注和研究。1998年该技术被美国研发杂志评为全美100项最重要的先进技术之一；美国上世纪90年代后期开始的航空发动机高频疲劳研究计划中，将激光冲击强化技术列为工艺技术措施首位，2005年，研制激光冲击强化***的MIC公司获美国国防制造最高成就奖，美国将该技术列为***战斗机发动机关键技术之一，足见该项技术的重大价值，国内外的研究均表明，激光冲击强化对各种铝合金、镍基合金、不锈钢、钛合金、铸铁以及粉末冶金等均有良好的强化效果，除了在航空工业具有极好的应用前景外，在汽车制造、医疗卫生、海洋运输和核工业等都有潜在的应用价值；因此，准确的测定激光冲击力的大小对于激光冲击强化的应用与发展都具有重要的意义，目前测量激光冲击的方法，主要通过激光压力传感器来测量，常用的有：光纤压力传感器，PVDF，宽带扩音器、PVDF或者PZT换能器、石英传感器、蓝宝石传感器、锰铜丝压阻传感器以及基于双折射理论的光纤传感器等，过去的测量方法对设备要求较高且操作复杂，并且不能避免激光冲击作用于靶材后，靶材对设备产生的冲击。多次试验后必对测量装置造成损害，增加了测量成本。

本发明提供一种解决上述测量方法缺点的测量方法与装置，它根据动量定理及机械能守恒定律简化了测量原理，同时，把传统的将靶材固定来测量激光冲击力改进为使用摆锤，用运动的方法来测量激光的冲击力 解决了以往测量激光冲击力的弊端，优化了测量方法，降低了设备成本，简化了操作方式。

发明内容

基于激光冲击力测量技术的现状，本发明提出一种检测激光冲击波压力的方法与装置。

一种检测激光冲击波压力的方法：利用动量定理及机械能守恒定律，将激光冲击产生的能量转化为摆锤的势能，通过加速度传感器和角度测量仪测得摆锤摆动的角度，通过PVDF应变片及示波器得到激光冲击波作用于摆锤的时间，从而算得激光冲击波压力的大小，其特征在于：激光处理前在靶材正对激光的一面贴上PVDF应变片，靶材背对激光的一面贴上加速度传感器，将靶材用两根等长细金属丝悬挂在横向支杆上形成一个摆锤，用激光对摆锤中心进行冲击，使摆锤运动到一定高度，通过加速度传感器和角度测量仪测得摆锤的摆角，示波器测得波

形的第一峰值时间为激光冲击力作用于摆锤的时间，工控机采集这些数据后，根据摆锤的摆角计算出摆锤的高度，由mgh求得摆锤势能的大小，                                                

   

由公式（1）得到摆锤获得动能的大小，进而计算出摆锤的初速度，由公式（2）即可得到激光冲击波压力的大小，其中F为激光冲击波压力、t为激光冲击波压力作用在摆锤上的时间、m为摆锤的质量、v为摆锤的初始速度、g为重力加速度、h为摆锤的高度。

一种检测激光冲击波压力的装置，包括激光器、工控机、多螺纹工作台，其特征在于：还设有对准定位***、光路***、摆锤、角度测量仪、示波器；准定位***和激光器并列放置在多螺纹孔工作台底座的一端，对准定位***的出光口和激光器的出光口平行，两者公用一个光路***，对准定位***的作用是激光冲击处理前将对准定位光斑和激光冲击光斑调节重合，用于记录激光冲击光斑的位置，将摆锤的欲冲击光斑中心位置与对准定位光斑中心位置调节至重合，确保试样正确的冲击位置；光路***放置在激光器出光口前面多螺纹孔工作台底座上，示波器与角度测量仪放置在多螺纹孔工作台底座上，分别用于采集激光冲击波压力的作用时间及摆锤的最大摆角。

一种检测激光冲击波压力的装置，其特征在于：所述对准定位***由对准光源支架、滑动装置、对准光源、横向支杆、纵向支杆、X—Y工作台组成，对准光源支架位于多螺纹孔工作台底座上，用于调节对准光源的高度，滑动装置安装在对准光源支架上并能够在对准光源支架上沿垂直于激光发射方向左右滑动，用于调节对准光源的左右位置，对准光源安装在滑动装置上，横向支杆安装在纵向支杆上并能沿纵向支杆上下滑动以调节摆锤中心的高度，纵向支杆安装于X—Y工作台上，工控机控制X—Y工作台在X—Y平面内运动用以调节摆锤的位置，使靶材中心与对准光源光斑重合。

一种检测激光冲击波压力的装置，其特征在于：所述光路***包括两块反光镜，激光器发出的激光，先后经第一反光镜、第二反光镜冲击摆锤中心；第一反光镜安装在第一支杆上并位于激光器出光口前面，第一反光镜中心高度须与激光器出光口的中心位置平齐，第二反光镜安装在第二支杆上并位于对准光源出光口前面，第二反光镜中心高度须与对准光源出光口的中心位置平齐，两块块反光镜的镜面相互平行，镜面中心位于同一高度。

一种检测激光冲击波压力的装置，其特征在于：所述摆锤由细金属丝、加速度传感器、靶材、PVDF应变片、吸收层、约束层组成并悬挂在横向支杆上，靶材面向激光器的一面的中心涂有吸收层，PVDF应变片贴于靶材面向激光器的一面，并位于吸收层的左右两侧以保持摆锤的平衡，其中一个用细铜丝连接至示波器，吸收层的上方设有约束层，靶材背向激光器的一面贴有加速度传感器，并用细铜丝与角度测量仪相连。

所述工控机控制激光器、并通过导线角度测量仪与示波器相连。

其实施过程如下：

（1）激光冲击前，先将一块板悬挂在横向支杆上，工控机控制X—Y工作台调节纵向支杆的位置，用激光冲击板以获得冲击位置及所需直径的光斑，调节对准定位***的对准光源支架和滑动装置使对准光源的光斑与激光冲击光斑重合，用于记录激光冲击光斑的位置；

（2）将靶材悬挂在横向支杆上，靶材上欲冲击光斑表面涂有吸收层，吸收层左右贴有PVDF薄片，靶材的背面装有角度测量传感器，工控机通过控制X—Y工作台带动纵向支杆，手动调节横向支杆使得靶材中心与对准光源光斑重合。

（3）将约束层固定在欲冲击光斑的吸收层上面，打开示波器，及角度测量仪，开始进行激光冲击处理，示波器记录PVDF薄片测得的应变峰值时间即力作用时间，角度测量仪测得靶材的最大摆角，通过工控机算得激光冲击力的大小。

本发明的优点在于：

1.本发明提出以运动的方式来测量力的大小，突破了传统的将靶材固定来测量冲击力的定式，解决了靶材对测试设备产生冲击破坏的弊端；

2. 基于动量定理、机械能守恒定律，测量原理明确，使用摆锤法测量冲击力设备结构简单、操作方便、成本低，对实验环境要求不高；

3.采用PVDF薄片测量力的作用时间，用角度测量仪测量最大摆角，保证了实验精度；

4.本发明采用的装置简单、不易损坏。最易发生损耗的部件成本低廉，易于更换，把损耗降到最低。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

图1是本发明检测装置的主视图；

图2是本发明检测装置的俯视图； 

图3是实验摆锤主视图；

图4是实验摆锤左视图；

1、激光器；2、对准光源；3、第二反光镜；4、第一反光镜；5、摆锤；6、横向支杆；7、纵向支杆；8、X—Y工作台；9、角度测量仪；10、示波器；11、第一支杆；12、第二支杆；13、滑动装置；14、对准光源支架；15、工控机；16、多螺纹工作台；17、细金属丝；18、加速度传感器；19、靶材；20、PVDF应变片；21、吸收层；22、约束层。

具体实施例

以下实施例用来说明本发明，但不是限制本发明。下面结合附图详细说明本发明提出的方法及装置的细节和工作情况。

本发明的测量装置如图1、图2、图3和图4所示，本发明装置由激光器1、对准光源2、第二反光镜3、第一反光镜4、摆锤5、横向支杆6、纵向支杆7、X—Y工作台8、角度测量仪9、示波器10、第一支杆11、第二支杆12、滑动装置13、对准光源支架14、工控机15、多螺纹工作台16、细金属丝17、加速度传感器18、靶材19、PVDF应变片20、吸收层21和约束层22组成。

激光冲击之前调节第一反光镜4、第二反光镜3使其中心与激光器出光口平行，在横向支杆6上先预先挂上一块金属板，工控机15控制X—Y工作台8调节纵向支杆7的位置，再调整横向支杆6到适当高度，打开激光器1，调整第一反光镜4、第二反光镜3及横向支杆6以获得适当大小的光斑，调节对准光源2使对准光源2的光斑与激光光斑重合用于记录激光光斑位置。关闭激光器1。

在靶材19面向激光的一面的中心涂上吸收层21，在吸收层21的左右两侧贴上PVDF应变片20、并用细铜丝将其中一个与示波器10相连，在靶材背向激光器的一面贴上加速度传感器18并用细铜丝将其与角度测量仪9相连，并在靶材上覆盖上约束层22，然后将靶材用细金属丝17悬挂在横向支杆6上，工控机15通过控制X—Y工作台8带动纵向支杆7，手动调节横向支杆6使得靶材19的中心与对准光源光斑重合，启动激光器1进行冲击，示波器7及角度测量仪6将激光冲击波压力的作用时间及摆锤的最大摆角传输给工控机15，工控机15计算得到激光冲击力的大小。

实施例2：

   采用本发明的原理及装置对2024铝合金进行单点，采用PVDF应变片20和示波器10测得激光冲击波压力作用时间为15μs，角度测量仪9和加速度传感器18测得摆锤摆角为16.60°，根据能量守恒定律及动量定理计算得激光冲击波作用过程中的平均作用力为7878.37N，由压强计算公式得1.11GPa。

   具体实验条件为：细金属丝17长度为15cm，摆锤5的总质量（试样、PVDF和加速度传感器）为337.5克，Gaia-R系列高能量脉冲灯泵浦YAG激光器，激光能量1J,冲击光斑直径3mm，激光波长1064nm，脉宽10ns，根据激光能量与功率密度的关系计算得对应激光功率密度为1.4GW/cm²，激光冲击时采用黑漆作为激光能量吸收层，K9玻璃为约束层。

Claims (5)

1.一种检测激光冲击波压力的方法，利用动量定理及机械能守恒定律，将激光冲击产生的能量转化为摆锤的势能，通过加速度传感器和角度测量仪测得摆锤摆动的角度，通过PVDF应变片及示波器得到激光冲击波作用于摆锤的时间，从而算得激光冲击波压力的大小，具体为：激光处理前在靶材正对激光的一面贴上PVDF应变片，靶材背对激光的一面贴上加速度传感器，将靶材用两根等长细金属丝悬挂在横向支杆上形成一个摆锤，用激光对摆锤中心进行冲击，使摆锤运动到一定高度，通过加速度传感器和角度测量仪测得摆锤的摆角，示波器测得波形的第一峰值时间为激光冲击力作用于摆锤的时间，工控机采集这些数据后，根据

摆锤的摆角计算出摆锤的高度，由mgh求得摆锤势能的大小，                                                

，，由公式（1）得到摆锤获得动能的大小，进而计算出摆锤的初速度，由公式（2）即可得到激光冲击波压力的大小，其中F为激光冲击波压力、t为激光冲击波压力作用在摆锤上的时间、m为摆锤的质量、v为摆锤的初始速度、g为重力加速度、h为摆锤的高度。

2.一种检测激光冲击波压力的装置，包括激光器、工控机、多螺纹工作台，其特征在于：还设有对准定位***、光路***、摆锤、角度测量仪、示波器；对准定位***和激光器并列放置在多螺纹孔工作台底座的一端；光路***放置在激光器出光口前面多螺纹孔工作台底座上，示波器与角度测量仪放置在多螺纹孔工作台底座上，分别用于采集激光冲击波压力的作用时间及摆锤的最大摆角；所述摆锤由细金属丝、加速度传感器、靶材、PVDF应变片、吸收层、约束层组成并悬挂在横向支杆上，靶材面向激光的一面的中心涂有吸收层，PVDF应变片贴于靶材面向激光器的一面，并位于吸收层的左右两侧以保持摆锤的平衡，其中一个用细铜丝连接至示波器，吸收层的上方设有约束层，靶材背向激光的一面贴有加速度传感器，并用细铜丝与角度测量仪相连。

3.如权利要求2所述的一种检测激光冲击波压力的装置，其特征在于：所述对准定位***由对准光源支架、滑动装置、对准光源、横向支杆、纵向支杆、X—Y工作台组成，对准光源支架位于多螺纹孔工作台底座上，用于调节对准光源的高度，滑动装置安装在对准光源支架上并能够在对准光源支架上沿垂直于激光发射方向左右滑动，用于调节对准光源的左右位置，对准光源安装在滑动装置上，横向支杆安装在纵向支杆上并能沿纵向支杆上下滑动以调节摆锤中心的高度，纵向支杆安装于X—Y工作台上，工控机控制X—Y工作台在X—Y平面内运动用以调节摆锤的位置，使靶材中心与对准光源光斑重合。

4.如权利要求2所述的一种检测激光冲击波压力的装置，其特征在于：所述光路***包括两块反光镜，激光器发出的激光，先后经第一反光镜、第二反光镜冲击摆锤中心；第一反光镜安装在第一支杆上并位于激光器出光口前面，第一反光镜中心高度须与激光器出光口的中心位置平齐，第二反光镜安装在第二支杆上并位于对准光源出光口前面，第二反光镜中心高度须与对准光源出光口的中心位置平齐，两块块反光镜的镜面相互平行，镜面中心位于同一高度。

5.如权利要求2所述的一种检测激光冲击波压力的装置，其特征在于：所述工控机控制激光器、并通过导线角度测量仪与示波器相连。

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