CN109916743A - 动态力学性能测量装置、测量方法及计算设备 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种动态力学性能测量装置、测量方法及计算设备。该装置包括同轴设置的第一杆和第二杆，其中待测材料试样能够被夹设于第一杆与第二杆之间；两个光学输出***，分别用于输出呈预设角度的两路正交线偏振光，其中的一光学输出***所输出的两路正交线偏振光入射至所述第一杆的第一位置点，且经第一位置点反射后的反射光朝同一方向传输；另一光学输出***所输出的两路正交线偏振光入射至第二杆的第二位置点，且经所述第二位置点反射后的反射光朝同一方向传输；光学探测器，用于分别获取经所述第一位置点反射的反射光的第一光学信息以及经所述第二位置点反射的反射光的第二光学信息。采用该装置能够准确地测量获得材料的动态力学性能。
Description
技术领域
本发明涉及力学测量技术领域，尤其是指一种动态力学性能测量装置、测量方法及计算设备。
背景技术
材料在静态载荷下的静态力学性能和在冲击载荷下的动态力学性能因受结构惯性效应和材料应变效应的影响存在着非常显著的差异。对于任何由材料所构成的产品来说，其在制造、使用、运输和存储过程中都会遇到一些类似于碰撞、跌落等冲击载荷的作用，因此准确的掌握材料在动态载荷下的动态力学性能对于材料的工程设计和工程应用来说都具有非常重要的理论和现实意义。
现有技术进行动态力学性能的测量，包括有基于光纤多普勒测速仪的分离式霍普金森压杆测量方法、基于横向位移干涉和法向位移干涉的分离式霍普金森压杆测量方法以及基于激光干涉位移测量的分离式霍普金森压杆方法。然而，该几种测量方式易受杂散光、空气流动、外界震动等因素的影响，导致其抗干扰能力和对环境的适应性都较差，从而使得现有分离式霍普金森测量方法无法满足军事和民用领域中对材料在高应变率下精确测量其动态力学性能的需求。
发明内容
本发明技术方案的目的是提供一种动态力学性能测量装置、测量方法及计算设备，能够准确地测量获得材料的动态力学性能。
本发明实施例提供一种动态力学性能测量装置，其中，包括：
同轴设置的第一杆和第二杆，其中待测材料试样能够被夹设于所述第一杆与所述第二杆之间；
两个光学输出***，分别用于输出呈预设角度的两路正交线偏振光，其中的一光学输出***所输出的两路正交线偏振光入射至所述第一杆的第一位置点，且经所述第一位置点反射后的反射光朝同一方向传输；另一光学输出***所输出的两路正交线偏振光入射至所述第二杆的第二位置点，且经所述第二位置点反射后的反射光朝同一方向传输；
光学探测器，用于分别获取经所述第一位置点反射的反射光的第一光学信息以及经所述第二位置点反射的反射光的第二光学信息。
可选地，所述的动态力学性能测量装置，其中，所述动态力学性能测量装置还包括：
第三杆，与所述第一杆和所述第二杆同轴设置，且所述第三杆与所述第一杆远离所述第二杆的一端抵接；
导套，与所述第三杆和所述第一杆同轴设置，且所述导套套设于所述第三杆与所述第一杆相抵接位置的外部；
支撑底座，包括同中心线设置的多个安装孔，其中所述导套、所述第一杆和所述第二杆分别滑动地穿设于至少一安装孔内。
可选地，所述的动态力学性能测量装置，其中，每一所述光学输出***均包括：
用于输出入射光束的激光器；
用于对所述入射光束进行滤波处理的滤波器；
光转换元件，用于将经过滤波处理的入射光束转换为一路正交线偏振光；
分光元件，用于将经所述光转换元件所输出的一路正交线偏振光，转换为呈所述预设角度的两路正交线偏振光。
可选地，所述的动态力学性能测量装置，其中，所述光转换元件包括：从所述滤波器至所述分光元件依次排列的二分之一波片和四分之一波片，其中所述二分之一波片绕自身的中心线以预设角速度旋转。
可选地，所述的动态力学性能测量装置，其中，所述分光元件包括：
分光棱镜，用于将所述光转换元件所输出的一路正交线偏振光，转换为相互垂直的两路正交线偏振光；
两个反射镜，每一所述反射镜分别对应接收一路正交线偏振光，并用于反射所接收的正交线偏振光，使得经两个所述反射镜所反射的正交线偏振光之间呈所述预设角度，形成所述光学输出***所输出的两路正交线偏振光。
可选地，所述的动态力学性能测量装置，其中，两个所述光学输出***所输出的每一路正交线偏振光中，所述正交线偏振光的沿X方向的线偏振光的角频率与沿Y方向的线偏振光的角频率之差均为预设频率值。
可选地，所述的动态力学性能测量装置，其中，所述光学探测器为用于获取反射光的成像图像的图像光学探测器，或者为用于获取反射光的光斑强度的数字光学探测器。
本发明实施例还提供一种动态力学性能测量方法，其中，所述测量方法采用如上任一项所述的动态力学性能测量装置，其中所述测量方法包括：
在所述第一杆接收到沿轴心方向的冲击力，所述第一杆将所述冲击力通过所述待测材料试样传输至所述第二杆，且其中一所述光学输出***输出至所述第一杆的第一位置点的两路正交线偏振光，另一所述光学输出***输出至所述第二杆的第二位置点的两路正交线偏振光时，获取所述光学探测器所获得的所述第一光学信息和所述第二光学信息；
根据所述第一光学信息和所述第二光学信息，确定所述待测材料试样的动态力学性能。
可选地，所述的动态力学性能测量方法，其中，所述根据所述第一光学信息和所述第二光学信息，确定所述待测材料试样的动态力学性能，包括：
根据所述第一光学信息和所述第二光学信息，分别确定在接收到所述冲击力过程中，经所述第一位置点反射的反射光的第一光斑强度信息和经所述第二位置点反射的反射光的第二光斑强度信息；
根据所述第一光斑强度信息和所述第二光斑强度信息，分别确定在接收到所述冲击力过程中，所述第一杆的第一微应变和所述第二杆的第二微应变；
根据所述第一微应变和所述第二微应变，确定如下速度信息中的至少两个：
第一入射速度、第一反射速度和第一透射速度；
其中，所述第一入射速度为所述第一杆上的入射力脉冲在所述第一杆的第一位置点处的传输速度，所述第一反射速度为所述第一杆上的入射力脉冲被所述待测材料试样反射后形成反射力脉冲，在所述第一杆的第一位置点处的传输速度，所述第一透射速度为所述入射力脉冲经所述待测材料试样传输至所述第二杆形成透射脉冲，在所述第二杆的第二位置点处的传输速度；
根据所确定的速度信息，计算所述待测材料试样的动态力学性能。
可选地，所述的动态力学性能测量方法，其中，所述动态力学性能包括动态应力、动态应变和动态应变率。
可选地，所述的动态力学性能测量方法，其中，所述根据所述第一光斑强度信息和所述第二光斑信息，分别确定在接收到所述冲击力过程中，所述第一杆的第一微应变和所述第二杆的第二微应变，包括：
根据所述第一光斑强度信息，解调获得在接收到所述冲击力过程中所述第一杆的截断相位信息；以及根据所述第二光斑强度信息，解调获得在接收到所述冲击力过程中所述第二杆的截断相位信息；
根据所述第一杆的截断相位信息，获得所述第一杆的连续相位信息；以及根据所述第二杆的截断相位信息，获得所述第二杆的连续相位信息；
根据所述第一杆的连续相位信息，确定所述第一杆的第一微应变；以及根据所述第二杆的连续相位信息，确定所述第二杆的第二微应变。
可选地，所述的动态力学性能测量方法，其中，所述根据所述第一光学信息和所述第二光学信息，分别确定在接收到所述冲击力过程中，经所述第一位置点反射的反射光的第一光斑强度信息和经所述第二位置点反射的反射光的第二光斑强度信息，包括：
根据所述第一光学信息和所述第二光学信息，确定在接收到所述冲击力过程中，经所述第一位置点反射的反射光的第一光强数据以及经所述第二位置点反射的反射光的第二光强数据；
根据所述第一光强数据以及预先获取、在未接收到所述冲击力时，所述光学探测器所获取的经所述第一位置点反射的反射光的光强数据，确定所述第一光斑强度信息；根据所述第二光强数据以及预先获取、在未接收到所述冲击力时，所述光学探测器所获取的经所述第二位置点反射的反射光的光强数据，确定所述第二光斑强度信息。
可选地，所述的动态力学性能测量方法，其中，所述根据所确定的速度信息，计算所述待测材料试样的动态力学性能，包括：
确定第一杆与所述待测材料试样接触处的第二入射速度等于所述第一入射速度，所述第一杆与所述待测材料试样接触处的第二反射速度等于所述第一反射速度，以及所述第二杆与所述待测材料试样接触处的第二透射速度等于所述第一透射速度；
根据所确定的第二入射速度、所述第二反射速度和所述第二透射速度中的至少两个，计算所述待测材料试样的动态力学性能。
本发明实施例还提供一种计算设备，其中，应用于如上任一项所述的动态力学性能测量装置，其中所述计算设备包括处理器，所述处理器用于：
在所述第一杆接收到沿轴心方向的冲击力，所述第一杆将所述冲击力通过所述待测材料试样传输至所述第二杆，且其中一所述光学输出***输出至所述第一杆的第一位置点的两路正交线偏振光，另一所述光学输出***输出至所述第二杆的第二位置点的两路正交线偏振光时，获取所述光学探测器所获得的所述第一光学信息和所述第二光学信息；
根据所述第一光学信息和所述第二光学信息，确定所述待测材料试样的动态力学性能。
本发明具体实施例上述技术方案中的至少一个具有以下有益效果：
本发明实施例所述动态力学性能测量装置，通过两个光学输出***所输出的两路正交线偏振光实现对待测材料试样的动态力学性能的测量，该测量过程不受外界杂散光、空气流动以及外界震动等因素的影响，因此能够保证测量获得材料的动态力学性能的准确性。
附图说明
图1为本发明实施例所述动态力学性能测量装置的部分结构示意图；
图2为本发明实施例所述动态力学性能测量装置的立体结构示意图；
图3为本发明实施例所述动态力学性能测量方法的流程示意图；
图4为本发明实施例所述动态力学性能测量方法中，步骤S320的流程示意图。
具体实施方式
为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。
为解决现有技术的动态力学性能测量装置无法精确测量获得待测材料的动态力学性能的问题，本发明实施例提供一种动态力学性能测量装置及采用该装置的测量方法，利用外差式光学测量的原理，对夹设于第一杆与第二杆之间的待测材料试样进行动态力学性能测量，能够准确地测量获得材料的动态力学性能。
具体地，如图1和图2所示，本发明实施例所述动态力学性能测量装置包括：
同轴设置的第一杆100和第二杆200，其中待测材料试样10能够被夹设于该第一杆100与第二杆200之间；
两个光学输出***300，分别用于输出呈预设角度的两路正交线偏振光，其中的一光学输出***(第一光学输出***310)所输出的两路正交线偏振光入射至第一杆100的第一位置点110，且经第一位置点110反射后的反射光朝同一方向传输；另一光学输出***(第二光学输出***320)所输出的两路正交线偏振光入射至第二杆200的第二位置点210，且经第二位置点210反射后的反射光朝同一方向传输；
光学探测器700，用于分别获取经第一位置点110反射的反射光的第一光学信息以及经第二位置点210反射的反射光的第二光学信息。
具体地，同轴设置的第一杆100和第二杆200用于夹持待测材料试样10，且第一杆100用于接收沿第一杆100的轴向方向传输的冲击力的入射力脉冲，将该入射力脉冲传输至待测材料试样10，并通过待测材料试样10传输至第二杆200，形成透射力脉冲。可以理解的是，在第一杆100内传输的入射力脉冲在传输至待测材料试样10处时，会经待测材料试样10反射，形成反射力脉冲，在第一杆100内传输。
本发明实施例所述动态力学性能测量装置，利用待测材料试样10位于同轴设置的第一杆100与第二杆200之间，待测材料试样10接收第一杆100沿轴向方向的冲击力，模拟待测材料试样10在冲击载荷下的受力情况。
可选地，本发明实施例中，该包括第一杆100和第二杆200、用于模拟待测材料试样10在冲击载荷下的受力情况的总体结构形成为分离式霍普金森压杆***。
具体地，如图1所示，所述动态力学性能测量装置还包括：
第三杆400，与第一杆100和第二杆200同轴设置，且第三杆400与第一杆100远离第二杆200的一端抵接；
导套500，与第一杆100和第三杆400同轴设置，且套设于第三杆400与第一杆100相抵接位置的外部；
支撑底座600，包括同中心线设置的多个安装孔，其中导套500、第一杆100和第二杆200分别滑动地穿设于至少一安装孔内。
其中，上述包括支撑底座600、第三杆400、第一杆100、第二杆200和导套500的结构形成为分离式霍普金森压杆***。
具体地，如图1所示，导套500形成为内部空心的轴套式结构，第三杆400的一端插设于导套500的内部，且远离导套500的一端露出于导套500的外部。与第三杆400同轴设置的第一杆100部分地插设于导套500的内部，与第三杆400抵接，远离第三杆400的一端朝第二杆200的方向延伸，形成为导套500套设于第三杆400与第一杆100相抵接位置外部的结构。利用导套500，以保证第三杆400被施加打击力时，第三杆400相较于第一杆100的同轴度，避免产生偏移。
另外，通过支撑底座600上设置同中心的多个安装孔，导套500、第一杆100和第二杆200分别滑动地穿设于至少一安装孔内，用于实现对导套500、第一杆100和第二杆200的支撑，并保证第三杆400、第一杆100和第二杆200在支撑底座600上安装的同轴度。
基于上述包括第三杆400、第一杆100和第二杆200的分离式霍普金森压杆***，能够模拟待测材料试样10在冲击载荷下的受力情况；另外，本发明实施例所述动态力学性能测量装置，进一步通过两个光学输出***分别输出呈预设角度的两路正交线偏振光，两路正交线偏振光分别具有恒定的频率差，且两个光学输出***所输出的两路正交线偏振光分别传输至第一杆和第二杆，根据在第一杆和第二杆处反射光的光学信息，以及利用正交线偏振光的恒定频率差，能够分析第一杆和第二杆的微应变，并进一步获取待测材料试样的动态力学性能。
其中，上述工作原理的光学输出***形成为外差式光学测量***，因此本发明实施例所述动态力学性能测量装置，将分离式霍普金森压杆***与外差式光学测量***相结合，用于实现待测材料试样的动态力学性能的测量，该测量过程不受外界杂散光、空气流动以及外界震动等因素的影响，因此能够保证测量获得材料的动态力学性能的准确性。
本发明实施例中，可选地，如图2所示，每一光学输出***300均包括：
用于输出入射光束的激光器301；
用于对入射光束进行滤波处理的滤波器302；
光转换元件，用于将经过滤波处理的入射光束转换为一路正交线偏振光；
分光元件，用于将经光转换元件所输出的一路正交线偏振光，转换为呈预设角度的两路正交线偏振光。
其中，所述光学输出***300通过光转换元件将滤波器302输出的入射光束进行移频处理，产生具有恒定频率差的正交线偏振光。
可选地，如图2所示，所述光转换元件包括：从滤波器302至分光元件依次排列的二分之一波片303和四分之一波片304，且该二分之一波片303绕自身的中心线以预设角速度旋转，该四分之一波片呈固定状态放置。
所述光转换元件中，通过二分之一波片303与四分之一波片304相组合，构成为一移频器，以产生具有恒定频率差的正交线偏振光。
因此，采用上述实施结构，两个光学输出***300所输出的每一路正交线偏振光中，正交线偏振光的沿X方向的线偏振光的角频率与沿Y方向的线偏振光的角频率之差均为预设频率值，也即具有恒定频率差。
可选地，如图2所示，所述分光元件包括：
分光棱镜305，用于将光转换元件所输出的一路正交线偏振光，转换为相互垂直的两路正交线偏振光；
两个反射镜306，每一反射镜306分别对应接收一路正交线偏振光，并用于反射所接收的正交线偏振光，使得经两个反射镜306所反射的正交线偏振光之间呈预设角度，形成光学输出***300所输出的两路正交线偏振光。
具体地，两个反射镜306可以相对设置，分光棱镜305所输出的两路正交线偏振光分别相对应地入射至其中一反射镜306，由两个反射镜306分别对所入射的正交线偏振光进行反射，使得经两个反射镜306所反射的正交线偏振光朝同一位置点传输。其中，第一光学输出***310内两个反射镜306所反射的反射光朝第一杆100的第一位置点110传输，且相较于经过第一位置点110与第一杆100垂直的直线对称，以使得经第一位置点110反射后的反射光朝同一方向传输；第二光学输出***320内两个反射镜306所反射的反射光朝第二杆200的第二位置点210传输，且相较于经过第二位置点210与第二杆200垂直的直线对称，以使得经过第二位置点210反射后的反射光朝同一方向传输。
可选地，本发明实施例中，光学输出***300还包括检偏器307，用于接收经第一位置点110反射的反射光和经第二位置点210反射的反射光，使入射的全部反射光转换为线偏振光后传输至光学探测器700。
可以理解的是，对应每一光学输出***300分别设置一个检偏器307和一个光学探测器700，用于分别获取经第一位置点110反射的反射光的第一光学信息以及经第二位置点220反射的反射光的第二光学信息。
本发明实施例中，可选地，第一位置点110为第一杆100的中点位置，第二位置点210为第二杆200的中点位置，以保证动态力学性能测量的准确性。
另外，本发明实施例中，可选地，光学探测器700为用于获取反射光的成像图像的图像光学探测器，或者为用于获取反射光的光斑强度的数字光学探测器。
基于此，光学探测器700为图像光学探测器时，所获得的第一光学信息和第二光学信息分别为成像图片；当光学探测器700为数字光学探测器时，所获得的第一光学信息和第二光学信息均为记录反射光的光斑强度的数据信息。
本发明实施例另一方面还提供一种动态力学性能测量方法，该测量方法采用上述实施结构的动态力学性性能测量装置，如图3所示，该测量方法包括：
S310，在所述第一杆接收到沿轴向方向的冲击力，所述第一杆将所述冲击力通过所述待测材料试样传输至所述第二杆，且其中一所述光学输出***输出至所述第一杆的第一位置点的两路正交线偏振光，另一所述光学输出***输出至所述第二杆的第二位置点的两路正交线偏振光时，获取所述光学探测器所获得的所述第一光学信息和所述第二光学信息；
S320，根据所述第一光学信息和所述第二光学信息，确定所述待测材料试样的动态力学性能。
基于本发明实施例上述实施结构所述的动态力学性能测量装置，通过将待测材料试样10夹持于第一杆100与第二杆200之间，使第一杆100接收沿轴心方向的冲击力，并同时使第一光学输出***310向第一杆100的第一位置点110输出两路正交线偏振光，第二光学输出***320向第二杆200的第二位置点210输出两路正交线偏振光，通过采集光学探测器700所采集的光学信息，对光学信息进行分析，能够确定待测材料试样10的动态力学性能。
具体地，结合图2所示，采用本发明实施例所述动态力学性能测量装置进行动态力学性能测量的测量过程可以为：
将待测材料试样10以与第一杆100与第二杆200同轴的形式夹设于该第一杆100与第二杆200之间；
通过一坚硬工具打击第三杆400，使第三杆400以预定速度v撞击第一杆100，以向第一杆100施加幅值为ρ0C0v/2的一入射力脉冲；其中，C0为入射力脉冲在第一杆100中传输的轴向速度，ρ0为第一杆100的密度；
其中，当入射力脉冲沿第一杆100传输至待测材料试样10时，其中一部分将会被反射回第一杆100形成反射力脉冲，另一部分被待测材料试样10传输至第二杆200，形成透射力脉冲。
另外，在通过一坚硬工具打击第三杆400之前，光学输出***300的第一光学输出***310向第一杆100的第一位置点110输出两路正交线偏振光，同时光学输出***300的第二光学输出***320向第二杆200的第二位置点210输出两路正交线偏振光。具体地，对于第一光学输出***310和第二光学输出***320，激光器301输出的激光光束经滤波器302滤波后传输至二分之一波片303上，可选地该滤波器302还具有扩束功能，能够对所经过的激光束进行扩束且滤波处理。
另外，如图2所示，以第一杆100和第二杆200的长度方向为x方向，在水平面内垂直于x方向的方向为y方向，垂直于x方向和y方向的方向为z方向为例，二分之一波片303设置于第一杆100和第二杆200的上方，能够绕中心线(也即为z轴)以预设角速度ω’旋转，能够将入射至二分之一波片303的入射激光光束转换为以2ω’逆时针转动的线偏振光。
进一步地，由二分之一波片303输出的线偏振光传输至四分之一波片304，经过该四分之一波片304，由二分之一波片303输出的线偏振光转换为包含两个频率，也即为沿x轴方向的偏振角频率ω+2ω’和沿y轴方向偏振角频率为ω-2ω’的正交线偏振光。
之后，由四分之一波片304出射的一路正交线偏振光，传输至分光棱镜305，由分光棱镜305将该一路正交线偏振光划分为两路正交线偏振光，可选地该两路正交线偏振光相互垂直，分别对应传输至一反射镜306，由反射镜306将相对应的正交线偏振光传输至同一位置点。
其中，第一光学输出***310内两个反射镜306所反射的反射光朝第一杆100的第一位置点110传输，且经第一位置点110反射后的反射光朝同一方向传输，被检偏器307接收，且在相对应的光学探测器700的成像面上发生干涉，从而形成散斑被光学探测器700所采集；第二光学输出***320内两个反射镜306所反射的反射光朝第二杆200的第二位置点210传输，且经第二位置点210反射后的反射光朝同一方向传输，被检偏器307接收，且在相对应的光学探测器700的成像面上发生干涉，形成散斑被光学探测器700所采集。
基于上述的过程和方式，通过光学探测器700能够检测到当第一杆100接收到沿轴向方向的冲击力，入射力脉冲通过第一杆100向待测材料试样10传输，经待测材料试样10传输至第二杆200的过程中，分别入射至第一杆100和第二杆200的两路正交线偏振光在光学探测器700的成像面处发生干涉的光强信息，以进一步能够根据该光强信息，计算待测材料试样10的动态力学性能。
具体地，结合图2、图3和图4，在步骤S320中，根据所述第一光学信息和所述第二光学信息，确定所述待测材料试样的动态力学性能，包括：
S321，根据所述第一光学信息和所述第二光学信息，分别确定在接收到冲击力过程中，经第一位置点110反射的反射光的第一光斑强度信息和经第二位置点210反射的反射光的第二光斑强度信息；
S322，根据第一光斑强度信息和第二光斑强度信息，分别确定在接收到冲击力过程中，第一杆100的第一微应变和第二杆200的第二微应变；
S323，根据第一微应变和第二微应变，确定如下速度信息中的至少两个：
第一入射速度、第一反射速度和第一透射速度；
其中，第一入射速度为第一杆100上的入射力脉冲在第一杆100上传输的速度，第一反射速度为第一杆100上的入射力脉冲被待测材料试样10反射后形成反射力脉冲，在第一杆100上传输的速度，第一透射速度为入射力脉冲经待测材料试样10传输至第二杆形成透射脉冲，在第二杆200上传输的速度；
S324，根据所确定的速度信息，计算所述待测材料试样的动态力学性能。
本发明实施例中，可选地，待测材料试样的动态力学性能包括动态应力、动态应变和动态应变率。
具体地，在步骤S321中，根据第一光学信息和第二光学信息，分别确定在接收到冲击力过程中，经第一位置点110反射的反射光的第一光斑强度信息和经所述第二位置点210反射的反射光的第二光斑强度信息，包括：
根据所述第一光学信息和所述第二光学信息，确定在接收到所述冲击力过程中，经第一位置点110反射的反射光的第一光强数据以及经所述第二位置点反射的反射光的第二光强数据；
根据所述第一光强数据以及预先获取、在未接收到所述冲击力时，所述光学探测器700所获取的经第一位置点110反射的反射光的光强数据，确定第一光斑强度信息；根据第二光强数据以及预先获取、在未接收到所述冲击力时，光学探测器700所获取的经第二位置点210反射的反射光的光强数据，确定所述第二光斑强度信息。
具体地，当光学探测器700为图像光学探测器时，根据光学探测器700所获得的第一光学信息和第二光学信息分别为反射光的成像图片，在测试过程中，通过间隔预设时长采集光学探测器700的成像图片，对成像图片进行分析即能够获得在测试过程中的多个时间点处，经第一位置点110反射的反射光的第一光斑强度信息和经第二位置点210反射的反射光的第二光斑强度信息。当光学探测器700为数字光学探测器时，通过光学探测器700能够直接获取反射光的光斑强度。因此，在测试过程中，通过间隔预设时长获取光学探测器700的采集数据，即能够获得经第一位置点110反射的反射光的第一光斑强度信息和经第二位置点210反射的反射光的第二光斑强度信息。
另外，根据光学输出***300中两路正交线偏振光的光传输过程，在对待测材料试样10进行测试，第三杆400施加打击力之前，根据光学探测器700所采集的经第一位置点110和第二位置点210反射的反射光的光斑强度信息，满足如下公式一：
I1(x,y,t)＝I0(x,y){1+V cos[Φ0(x,y)+4ω′t]}
其中，I1(x,y,t)为测试前在t时间时的光斑强度信息，I0(x,y)为激光器所输出激光光束的平均强度，V为光学***的调制能见度，Φ0(x,y)为激光束的初始相位，ω′为二分之一波片绕中心线的预设角速度。其中，I0(x,y)与V可以在测试前经过检测获得。
进一步地，根据光传输原理和第一杆与第二杆在受冲击脉冲时的运动原理，在对待测材料试样10进行测试，对第三杆400施加打击力之后，入射至第一杆100和第二杆200的两路正交线偏振光经反射后，其中一束正交线偏振光的光程将增加Δy(x,z,t)sini，另一束正交线偏振光的光程将减少Δy(x,z,t)sini，则光学探测器700所采集的经第一位置点110和第二位置点210反射的反射光的光斑强度信息，满足如下公式二：
I2(x,y,t)＝I0(x,y){1+V cos[Φ0(x,y)+4ω′t±4πΔy(x,z,t)/λ]}
其中，I2(x,y,t)为测试过程中在t时间时的光斑强度信息，Δy(x,z,t)为第一杆100或第二杆200上的变形函数，±表示第一杆100或第二杆200上的微应变方向，i为正交线偏振光在第一位置点或第二位置点的入射角，λ为激光器所输出激光光束的波长。
根据以上，该公式二表示为携带第一杆100或第二杆200相应微应变的散斑信号，由于光学探测器700可以获取测试过程中经第一位置点110和第二位置点210反射的反射光的光强数据，结合公式一，根据预先获取、在未接收到所述冲击力时，所述光学探测器700所获取的经第一位置点110反射的反射光的光强数据，可以获得携带第一杆100相应微应变的散斑信号数据，也即获得第一光斑强度信息；根据预先获取、在未接收到所述冲击力时，所述光学探测器700所获取的经第二位置点210反射的反射光的光强数据，可以获得携带第二杆200相应微应变的散斑信号数据，也即获得第二光斑强度信息。
本发明实施例中，在步骤S322，根据所述第一光斑强度信息和所述第二光斑信息，分别确定在接收到所述冲击力过程中，所述第一杆100的第一微应变和所述第二杆200的第二微应变，包括：
根据所述第一光斑强度信息，解调获得在接收到所述冲击力过程中所述第一杆100的截断相位信息；以及根据所述第二光斑强度信息，解调获得在接收到所述冲击力过程中所述第二杆200的截断相位信息；
根据所述第一杆100的截断相位信息，获得所述第一杆100的连续相位信息；以及根据所述第二杆200的截断相位信息，获得所述第二杆200的连续相位信息；
根据所述第一杆100的连续相位信息，确定所述第一杆100的第一微应变；以及根据所述第二杆200的连续相位信息，确定所述第二杆200的第二微应变。
具体地，在获得第一光斑强度信息和第二光斑强度信息，也即获得携带第一杆100和第二杆200的相应微应变的散斑信号后，通过傅里叶变换或小波变换分别能够解调出第一杆100和第二杆200上相应的截断相位信息；之后，对第一杆100的截断相位信息和第二杆200的截断相位信息分别进行去包裹处理，可以获得第一杆100的连续相位信息和第二杆200的连续相位信息。
基于上述的第一杆100的连续相位信息和第二杆200的连续相位信息，分别采用如下的公式三，能够确定第一杆100的第一微应变和第二杆200的第二微应变：
其中，Δx(t)为第一杆100的第一微应变或者为第二杆200的第二微应变，ΔΦ(t)为相应的第一杆100的连续相位信息或者为第二杆200的连续相位信息。
基于公式三所确定的第一杆100的第一微应变和第二杆200的第二微应变，进一步地进行微分处理，即能够获得在以预定速度v撞击第一杆100，向第一杆100施加幅值为ρ0C0v/2的入射力脉冲的条件下，第一杆100和第二杆200的速度信息。
具体地，通过上述的方式，可以获得第一入射速度、第一反射速度和第一透射速度；
其中，第一入射速度为第一杆100上的入射力脉冲在第一杆100的第一位置点110处的传输速度，第一反射速度为第一杆100上的入射力脉冲被待测材料试样10反射后形成反射力脉冲，在第一杆100的第一位置点110处的传输速度，第一透射速度为入射力脉冲经待测材料试样10传输至第二杆200形成透射脉冲，在第二杆200的第二位置点210处的传输速度。
基于上述所确定的速度信息，在步骤S324，根据所确定的速度信息，计算所述待测材料试样的动态力学性能，包括：
确定第一杆100与待测材料试样10接触处的第二入射速度等于第一入射速度，第一杆100与待测材料试样10接触处的第二反射速度等于第一反射速度，以及第二杆200与待测材料试样10接触处的第二透射速度等于所述第一透射速度；
根据所确定的第二入射速度、所述第二反射速度和所述第二透射速度中的至少两个，计算所待测材料试样10的动态力学性能。
可以理解的是，在满足杆中一维应力波假定前提下，待测材料试样10的动态应力σa(t)、动态应变εa(t)、动态应变率可以如下公式四至公式六计算：
其中，A0为第一杆或第二杆的横截面积，AS为待测材料试样10的横截面积，LS为待测材料试样10的长度，σ1(S1,t)为第一杆对待测材料试样10的脉冲力，σ2(S2,t)为第二杆对待测材料试样10的脉冲力，vI(S1,t)为第一杆与待测材料试样10接触处的入射速度，也即为第二入射速度，vR(S1,t)为第一杆与待测材料试样10接触处的反射速度，也即为第二反射速度，vT(S2,t)为第二杆与待测材料试样10接触处的透射速度，也即为第二透射速度。
因此，根据以上动态力学的原理，根据上述的第二入射速度、第二反射速度和第二透射速度，即能够确定待测材料试样10的动态应力、动态应变和动态应变率。
由于在反射力脉冲、透射力脉冲分别向第一杆、第二杆传播的过程，应力波也在待测材料试样10内部界面不断地往返传播。根据杆中短试样应力/应变均匀分布假定，待测材料试样10的轴向应力和应变将很快的均匀化，则各应力和应变间之间的关系满足如下公式七和公式八的关系式：
εI(S1,t)+εR(S1,t)＝εT(S2,t) 公式七
σI(S1,t)+σR(S1,t)＝σT(S2,t) 公式八
其中，εI(S1,t)为入射应变、εR(S1,t)为反射应变、εT(S2,t)为透射应变；σI(S1,t)为入射应力、εR(S1,t)为反射应力、σT(S2,t)为透射应力。
同理，速度之间的关系满足如下公式九的关系式：
vI(S1,t)+vR(S1,t)＝vT(S2,t) 公式九
其中，vI(S1,t)为入射速度，vR(S1,t)为反射速度，vT(S2,t)为透射速度。
因在杆的弹性区内，应力、质点速度和应变三者间满足如下关系式十至十三：
σ1(S1,t)＝σI(S1,t)+σR(S1,t)＝E[εI(S1,t)+εR(S1,t)] 公式十
σ2(S2,t)＝σT(S2,t)＝EεT(S2,t) 公式十一
v1(S1,t)＝vI(S1,t)+vR(S1,t)＝C0[εI(S1,t)-εR(S1,t)] 公式十二
v2(S2,t)＝vT(S2,t)＝C0εT(S2,t) 公式十三
这里，E为杆的弹性模量。其中，σ1(S1,t)为第一杆上与待测材料试样10接触位置处的应力，v1(S1,t)为第一杆上与待测材料试样10接触位置处的速度；σ2(S2,t)为第二杆上与待测材料试样10接触位置处的应力，v2(S2,t)为第二杆上与待测材料试样10接触位置处的速度。
根据公式十至公式十三，v1(S1,t)与v2(S2,t)分别与εI(S1,t)、εR(S1,t)、εT(S2,t)相关，此外结合弹性波在杆内保持为弹性状态下传播无畸变的特性，可以获知第一杆上其中一位置处的脉冲力传输速度等于第一杆与待测材料试样10接触处的入射速度vI(S1,t)，第一杆上其中一位置处的脉冲力反射速度等于第一杆与待测材料试样10接触处的反射速度vR(S1,t)，第二杆上其中一位置处的透射力脉冲传输速度等于第二杆与待测材料试样10接触处的透射速度vT(S2,t)。
因此，当根据公式一至公式三，确定第一杆在第一位置点处的第一入射速度和第一反射速度，以及第二杆在第二位置处的第一透射速度后，根据公式四与公式六，确定第一杆与待测材料试样接触处的第二入射速度等于第一入射速度，第一杆与待测材料试样接触处的第二反射速度等于第一反射速度，以及第二杆与待测材料试样接触处的第二透射速度等于第一透射速度时，则能够根据所确定的第二入射速度、所述第二反射速度和所述第二透射速度中的至少两个，计算所述待测材料试样的动态力学性能。
也即，根据如下的关系式十四至十六，能够确定待测材料试样的动态力学性能：
其中，和分别是测量得到的第一入射速度、第一反射速度和第一透射速度。
因此，根据以上，当分别测量获得上述的第一入射速度、第一反射速度和第一透射速度时，则可以获得待测材料试样的动态力学性能。另外，根据公式九，利用第一入射速度、第一反射速度和第一透射速度之间的对应关系，当获知第一入射速度、第一反射速度和第一透射速度中的任意两个时，也可以确定待测材料试样的动态力学性能。
根据本发明实施例所述动态力学性能测量装置，将分离式霍普金森压杆***与外差式光学测量***相结合，通过光学输出***所输出的两路正交线偏振光实现对待测材料试样的动态力学性能的测量，该测量过程不受外界杂散光、空气流动以及外界震动等因素的影响，因此能够保证测量获得材料的动态力学性能的准确性。
本发明实施例还提供一种计算设备，应用于如上任一项所述的动态力学性能测量装置，其中所述计算设备处理器，所述处理器用于：
在所述第一杆接收到沿轴心方向的冲击力，所述第一杆将所述冲击力通过所述待测材料试样传输至所述第二杆，且其中一所述光学输出***输出至所述第一杆的第一位置点的两路正交线偏振光，另一所述光学输出***输出至所述第二杆的第二位置点的两路正交线偏振光时，获取所述光学探测器所获得的所述第一光学信息和所述第二光学信息；
根据所述第一光学信息和所述第二光学信息，确定所述待测材料试样的动态力学性能。
可选地，所述处理器根据所述第一光学信息和所述第二光学信息，确定所述待测材料试样的动态力学性能，包括：
根据所述第一光学信息和所述第二光学信息，分别确定在接收到所述冲击力过程中，经所述第一位置点反射的反射光的第一光斑强度信息和经所述第二位置点反射的反射光的第二光斑强度信息；
根据所述第一光斑强度信息和所述第二光斑强度信息，分别确定在接收到所述冲击力过程中，所述第一杆的第一微应变和所述第二杆的第二微应变；
根据所述第一微应变和所述第二微应变，确定如下速度信息中的至少两个：
第一入射速度、第一反射速度和第一透射速度；
其中，所述第一入射速度为所述第一杆上的入射力脉冲在所述第一杆的第一位置点处的传输速度，所述第一反射速度为所述第一杆上的入射力脉冲被所述待测材料试样反射后形成反射力脉冲，在所述第一杆的第一位置点处的传输速度，所述第一透射速度为所述入射力脉冲经所述待测材料试样传输至所述第二杆形成透射脉冲，在所述第二杆的第二位置点处的传输速度；
根据所确定的速度信息，计算所述待测材料试样的动态力学性能。
可选地，所述动态力学性能包括动态应力、动态应变和动态应变率。
可选地，所述处理器根据所述第一光斑强度信息和所述第二光斑信息，分别确定在接收到所述冲击力过程中，所述第一杆的第一微应变和所述第二杆的第二微应变，包括：
根据所述第一光斑强度信息，解调获得在接收到所述冲击力过程中所述第一杆的截断相位信息；以及根据所述第二光斑强度信息，解调获得在接收到所述冲击力过程中所述第二杆的截断相位信息；
根据所述第一杆的截断相位信息，获得所述第一杆的连续相位信息；以及根据所述第二杆的截断相位信息，获得所述第二杆的连续相位信息；
根据所述第一杆的连续相位信息，确定所述第一杆的第一微应变；以及根据所述第二杆的连续相位信息，确定所述第二杆的第二微应变。
可选地，所述处理器根据所述第一光学信息和所述第二光学信息，分别确定在接收到所述冲击力过程中，经所述第一位置点反射的反射光的第一光斑强度信息和经所述第二位置点反射的反射光的第二光斑强度信息，包括：
根据所述第一光学信息和所述第二光学信息，确定在接收到所述冲击力过程中，经所述第一位置点反射的反射光的第一光强数据以及经所述第二位置点反射的反射光的第二光强数据；
根据所述第一光强数据以及预先获取、在未接收到所述冲击力时，所述光学探测器所获取的经所述第一位置点反射的反射光的光强数据，确定所述第一光斑强度信息；根据所述第二光强数据以及预先获取、在未接收到所述冲击力时，所述光学探测器所获取的经所述第二位置点反射的反射光的光强数据，确定所述第二光斑强度信息。
可选地，所述处理器根据所确定的速度信息，计算所述待测材料试样的动态力学性能，包括：
确定第一杆与所述待测材料试样接触处的第二入射速度等于所述第一入射速度，所述第一杆与所述待测材料试样接触处的第二反射速度等于所述第一反射速度，以及所述第二杆与所述待测材料试样接触处的第二透射速度等于所述第一透射速度；
根据所确定的第二入射速度、所述第二反射速度和所述第二透射速度中的至少两个，计算所述待测材料试样的动态力学性能。
以上所述的是本发明的优选实施方式，应当指出对于本技术领域的普通人员来说，在不脱离本发明所述原理前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (14)
1.一种动态力学性能测量装置，其特征在于，包括：
同轴设置的第一杆和第二杆，其中待测材料试样能够被夹设于所述第一杆与所述第二杆之间；
两个光学输出***，分别用于输出呈预设角度的两路正交线偏振光，其中的一光学输出***所输出的两路正交线偏振光入射至所述第一杆的第一位置点，且经所述第一位置点反射后的反射光朝同一方向传输；另一光学输出***所输出的两路正交线偏振光入射至所述第二杆的第二位置点，且经所述第二位置点反射后的反射光朝同一方向传输；
光学探测器，用于分别获取经所述第一位置点反射的反射光的第一光学信息以及经所述第二位置点反射的反射光的第二光学信息。
2.根据权利要求1所述的动态力学性能测量装置，其特征在于，所述动态力学性能测量装置还包括：
第三杆，与所述第一杆和所述第二杆同轴设置，且所述第三杆与所述第一杆远离所述第二杆的一端抵接；
导套，与所述第三杆和所述第一杆同轴设置，且所述导套套设于所述第三杆与所述第一杆相抵接位置的外部；
支撑底座，包括同中心线设置的多个安装孔，其中所述导套、所述第一杆和所述第二杆分别滑动地穿设于至少一安装孔内。
3.根据权利要求1所述的动态力学性能测量装置，其特征在于，每一所述光学输出***均包括：
用于输出入射光束的激光器；
用于对所述入射光束进行滤波处理的滤波器；
光转换元件，用于将经过滤波处理的入射光束转换为一路正交线偏振光；
分光元件，用于将经所述光转换元件所输出的一路正交线偏振光，转换为呈所述预设角度的两路正交线偏振光。
4.根据权利要求3所述的动态力学性能测量装置，其特征在于，所述光转换元件包括：从所述滤波器至所述分光元件依次排列的二分之一波片和四分之一波片，其中所述二分之一波片绕自身的中心线以预设角速度旋转。
5.根据权利要求3所述的动态力学性能测量装置，其特征在于，所述分光元件包括：
分光棱镜，用于将所述光转换元件所输出的一路正交线偏振光，转换为相互垂直的两路正交线偏振光；
两个反射镜，每一所述反射镜分别对应接收一路正交线偏振光，并用于反射所接收的正交线偏振光，使得经两个所述反射镜所反射的正交线偏振光之间呈所述预设角度，形成所述光学输出***所输出的两路正交线偏振光。
6.根据权利要求1所述的动态力学性能测量装置，其特征在于，两个所述光学输出***所输出的每一路正交线偏振光中，所述正交线偏振光的沿X方向的线偏振光的角频率与沿Y方向的线偏振光的角频率之差均为预设频率值。
7.根据权利要求1所述的动态力学性能测量装置，其特征在于，所述光学探测器为用于获取反射光的成像图像的图像光学探测器，或者为用于获取反射光的光斑强度的数字光学探测器。
8.一种动态力学性能测量方法，其特征在于，所述测量方法采用权利要求1至7任一项所述的动态力学性能测量装置，其中所述测量方法包括：
在所述第一杆接收到沿轴心方向的冲击力，所述第一杆将所述冲击力通过所述待测材料试样传输至所述第二杆，且其中一所述光学输出***输出至所述第一杆的第一位置点的两路正交线偏振光，另一所述光学输出***输出至所述第二杆的第二位置点的两路正交线偏振光时，获取所述光学探测器所获得的所述第一光学信息和所述第二光学信息；
根据所述第一光学信息和所述第二光学信息，确定所述待测材料试样的动态力学性能。
9.根据权利要求8所述的动态力学性能测量方法，其特征在于，所述根据所述第一光学信息和所述第二光学信息，确定所述待测材料试样的动态力学性能，包括：
根据所述第一光学信息和所述第二光学信息，分别确定在接收到所述冲击力过程中，经所述第一位置点反射的反射光的第一光斑强度信息和经所述第二位置点反射的反射光的第二光斑强度信息；
根据所述第一光斑强度信息和所述第二光斑强度信息，分别确定在接收到所述冲击力过程中，所述第一杆的第一微应变和所述第二杆的第二微应变；
根据所述第一微应变和所述第二微应变，确定如下速度信息中的至少两个：
第一入射速度、第一反射速度和第一透射速度；
其中，所述第一入射速度为所述第一杆上的入射力脉冲在所述第一杆的第一位置点处的传输速度，所述第一反射速度为所述第一杆上的入射力脉冲被所述待测材料试样反射后形成反射力脉冲，在所述第一杆的第一位置点处的传输速度，所述第一透射速度为所述入射力脉冲经所述待测材料试样传输至所述第二杆形成透射脉冲，在所述第二杆的第二位置点处的传输速度；
根据所确定的速度信息，计算所述待测材料试样的动态力学性能。
10.根据权利要求8或9所述的动态力学性能测量方法，其特征在于，所述动态力学性能包括动态应力、动态应变和动态应变率。
11.根据权利要求9所述的动态力学性能测量方法，其特征在于，所述根据所述第一光斑强度信息和所述第二光斑信息，分别确定在接收到所述冲击力过程中，所述第一杆的第一微应变和所述第二杆的第二微应变，包括：
根据所述第一光斑强度信息，解调获得在接收到所述冲击力过程中所述第一杆的截断相位信息；以及根据所述第二光斑强度信息，解调获得在接收到所述冲击力过程中所述第二杆的截断相位信息；
根据所述第一杆的截断相位信息，获得所述第一杆的连续相位信息；以及根据所述第二杆的截断相位信息，获得所述第二杆的连续相位信息；
根据所述第一杆的连续相位信息，确定所述第一杆的第一微应变；以及根据所述第二杆的连续相位信息，确定所述第二杆的第二微应变。
12.根据权利要求9所述的动态力学性能测量方法，其特征在于，所述根据所述第一光学信息和所述第二光学信息，分别确定在接收到所述冲击力过程中，经所述第一位置点反射的反射光的第一光斑强度信息和经所述第二位置点反射的反射光的第二光斑强度信息，包括：
根据所述第一光学信息和所述第二光学信息，确定在接收到所述冲击力过程中，经所述第一位置点反射的反射光的第一光强数据以及经所述第二位置点反射的反射光的第二光强数据；
根据所述第一光强数据以及预先获取、在未接收到所述冲击力时，所述光学探测器所获取的经所述第一位置点反射的反射光的光强数据，确定所述第一光斑强度信息；根据所述第二光强数据以及预先获取、在未接收到所述冲击力时，所述光学探测器所获取的经所述第二位置点反射的反射光的光强数据，确定所述第二光斑强度信息。
13.根据权利要求9所述的动态力学性能测量方法，其特征在于，所述根据所确定的速度信息，计算所述待测材料试样的动态力学性能，包括：
确定第一杆与所述待测材料试样接触处的第二入射速度等于所述第一入射速度，所述第一杆与所述待测材料试样接触处的第二反射速度等于所述第一反射速度，以及所述第二杆与所述待测材料试样接触处的第二透射速度等于所述第一透射速度；
根据所确定的第二入射速度、所述第二反射速度和所述第二透射速度中的至少两个，计算所述待测材料试样的动态力学性能。
14.一种计算设备，其特征在于，应用于权利要求1至7任一项所述的动态力学性能测量装置，其中所述计算设备包括处理器，所述处理器用于：
在所述第一杆接收到沿轴心方向的冲击力，所述第一杆将所述冲击力通过所述待测材料试样传输至所述第二杆，且其中一所述光学输出***输出至所述第一杆的第一位置点的两路正交线偏振光，另一所述光学输出***输出至所述第二杆的第二位置点的两路正交线偏振光时，获取所述光学探测器所获得的所述第一光学信息和所述第二光学信息；
根据所述第一光学信息和所述第二光学信息，确定所述待测材料试样的动态力学性能。
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