CN113739971A - 一种激光诱导冲击波压力的测量装置及其测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种激光诱导冲击波压力的测量装置及其测量方法，包括：循环水箱布置在激光发射器和机械臂之间；基板与机械臂的夹持端可拆卸固定且其板面上贴附有PVDF压电传感器，PVDF压电传感器的外表面贴附有一层铝箔，PVDF压电传感器能够布置在循环水箱内部，且激光发射器发出的激光束能够依次穿过透光玻璃和水膜后照射至与PVDF压电传感器板面位置对应的铝箔上；示波器与PVDF压电传感器电性连接。本发明采用PVDF压电传感器测量激光冲击力，并结合高精密数字示波器采集的压电信号计算得出冲击载荷随时空分布的波形曲线，使得该测量装置具有较高的测量精度；采用PVDF压电传感器测量激光冲击力，能够测量纳秒量级的高频率(GPa)冲击脉冲。
Description
技术领域
本发明涉及激光冲击的力学参数测定领域，更具体地说是涉及一种激光诱导冲击波压力的测量装置及其测量方法。
背景技术
激光冲击强化是一种利用高能量脉冲激光诱导的冲击波来强化金属的新技术，它具有非接触、无热影响区、可控性强以及强化效果显著等突出优点。当短脉冲(几十纳秒内)的高峰值功率密度激光辐射金属表面时，金属表面吸收层吸收激光能量发生***性汽化蒸发，产生高压(GPa)等离子体，该等离子体受到约束层的约束***时产生高压冲击波，作用于金属表面并向内部传播。在材料表层形成密集、稳定的位错结构的同时，使材料表层产生应***化，残留很大的压应力，显著的提高材料的抗疲劳和抗应力腐蚀等性能。
激光冲击力是材料产生残余应力和微观组织演变的前提，目前冲击力的加载主要是利用理论估算模型，或者根据实验测量的应力应变反向求解激光冲击力，计算精度不高，操作灵活性较差，且无法准确获取冲击力随时空分布的特性曲线。近年来，随着计算机和数值模拟技术的不断发展，有限元分析成为一种研究材料力学响应的重要手段，而力学模型是数值建模的基础。
因此，如何提供一种激光诱导冲击波压力的测量装置及其测量方法，使其能够克服上述问题，是本领域技术人员亟需解决的问题。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种激光诱导冲击波压力的测量装置及其测量方法。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种激光诱导冲击波压力的测量装置，包括水膜组件和激光发射器，所述水膜组件包括循环水箱、透光玻璃、水泵以及水膜成形件，所述循环水箱水平布置且其顶部开口，所述循环水箱的一侧壁开孔并密封嵌装有所述透光玻璃，所述水泵布置在所述循环水箱内，所述水膜成形件水平布置在所述水箱的上方且其与所述水泵的出水端通过管路连通，从所述水膜成形件的出水端流出的水在形成一层水膜后再流回至所述循环水箱内；所述激光发射器水平布置且其发射出的激光束能够穿过所述透光玻璃后进入至所述循环水箱内部，还包括：
机械臂，所述机械臂布置在所述循环水箱一侧，所述循环水箱布置在所述激光发射器和所述机械臂之间；
基板，所述基板的一侧板面与所述机械臂的夹持端可拆卸固定，另一侧板面贴附有片状的PVDF压电传感器，所述PVDF压电传感器的外表面贴附有一层铝箔，所述PVDF压电传感器通过所述机械臂移动能够位于所述循环水箱内部且高于所述循环水箱的水位线，且所述激光发射器发出的激光束能够依次穿过所述透光玻璃和所述水膜后照射至与所述PVDF压电传感器板面位置对应的所述铝箔上；
示波器，所述示波器布置在所述基板一侧且其与所述PVDF压电传感器电性连接。
经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供了一种激光诱导冲击波压力的测量装置，本发明采用PVDF压电传感器测量激光冲击力，并结合高精密数字示波器采集的压电信号计算得出冲击载荷随时空分布的波形曲线，使得该测量装置具有较高的测量精度；采用PVDF压电传感器测量激光冲击力，能够测量纳秒量级的高频率(GPa)冲击脉冲。
优选的，所述激光发射器为ND:YAG铷玻璃激光器；所述机械臂为Kawasaki机器人；所述示波器为Tektronix DPO4104数字示波器。该设置保证激光发射器能够可靠的发射激光束，机械臂易于控制且具有良好的定位性能，示波器的灵敏度高，有助于提高测量精度。
优选的，所述基板与所述PVDF压电传感器通过环氧树脂胶粘附固定。该设置保证PVDF压电传感器能够可靠的固定在基板上。
优选的，所述基板为2024-T351铝合金板且其尺寸为180×70×10㎜。该设置保证基板质量轻且能够可靠的固定PVDF压电传感器。
优选的，所述示波器与所述PVDF压电传感器通过导线接通且二者之间串接有电阻，所述导线与所述铝箔接触的部分均填充有真空封泥。设置真空封泥的作用是避免水膜与空气对激光冲击力测量产生影响。
一种激光诱导冲击波压力的测量方法，该方法如下：
S1：将所述基板远离所述机械臂的一侧板面打磨光滑，并将所述PVDF压电传感器粘附在所述基板上；
S2：将所述铝箔粘附在所述PVDF压电传感器的外侧；
S3：将所述导线远离所述PVDF压电传感器的一端与所述示波器接通，并且，所述导线的外露部分均用绝缘胶带密封，控制所述机械臂运动以调整所述基板的位置，使得所述PVDF压电传感器布置在所述循环水箱内部并与所述激光发射器的发射端位置正对，保证所述激光发射器发出的激光光束能够全部冲击到与所述PVDF压电传感器的板面位置对应的所述铝箔上，所述示波器的采集频率设置为5GHz，采样长度设置为10M，每个采集点的时间间隔为0.2ns，得出激光冲击力随时间的变化曲线；
S4：设定所述激光发射器发出的激光的能量和频率，将激光的能量设置为30J，频率设置为5GHz，所述示波器的触发电压设置为1.6V，点击所述示波器的单次触发按钮，使得所述示波器处于接收信号的状态；
S5：观察示波器在不同能量下的波形变化，并采集波形和电压-时间数据，利用Matlab软件对采集的数据进行处理，对PVDF压电传感器上产生的电压进行积分，
其中p(t)为激光冲击波压力，K动态灵敏度系数，A是压电传感器的工作面积，R是回路总电阻，QPVDF是PVDF压电传感器产生的电荷，Upvdf是PVDF压电传感器产生的电压，t是时间。
经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供了一种激光诱导冲击波压力的测量方法，其测量原理简单，装置操作方便、测量过程稳定、可重复性高，易于实现。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1是一种激光诱导冲击波压力的测量装置的连接示意图；
图2是激光诱导冲击波压力的测量过程中示波器采集的电压与压力载荷随时间分布的波形曲线。
在图中：
1为循环水箱、2为透光玻璃、3为水泵、4为水膜成形件、40为出水管、41为引流管、5为激光发射器、6为机械臂、7为基板、8为PVDF压电传感器、9为铝箔、10为示波器、11为环氧树脂胶、12为导线、13为电阻。
具体实施方式
下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明公开了一种激光诱导冲击波压力的测量装置及其测量方法，本发明采用PVDF压电传感器8测量激光冲击力，并结合高精密数字示波器10采集的压电信号计算得出冲击载荷随时空分布的波形曲线，使得该测量装置具有较高的测量精度；采用PVDF压电传感器8测量激光冲击力，PVDF压电传感器8具有频响宽、灵敏度高、耐冲击、成本低等特点，能够测量纳秒量级的高频率(GPa)冲击脉冲；测量原理简单，装置操作方便、易损耗部件的成本低，易于更换，测量过程稳定、可重复性高，易于实现。
实施例
参见附图1-2为本发明的一种实施方式的整体和部分结构示意图，本发明具体公开了一种激光诱导冲击波压力的测量装置及其测量方法，其中，激光诱导冲击波压力的测量装置包括水膜组件、激光发射器5、机械臂6、基板7以及示波器10，水膜组件包括循环水箱1、透光玻璃2、水泵3以及水膜成形件4，循环水箱1为一水平布置的矩形箱体且其顶部开口，循环水箱1内部盛放有一定水位的纯净水，循环水箱1的一侧壁开孔并密封嵌装有透光玻璃2，水泵3布置在循环水箱1内且位于水面以下，水膜成形件4水平布置在水箱的上方，水膜成形件4包括出水管40和引流管41，出水管40一端封闭另一端与水泵3的出水端通过管路接通，水泵3将循环水箱1中的水输送至出水管40内，然后顺着引流管41再次流入至循环水箱1内，从引流管41流出的水再向下流动时会形成一层水膜，水膜所限定的平面与透光玻璃2的板面平行。激光发射器5水平布置且其发射出的激光束能够穿过透光玻璃2后进入至循环水箱1内部。机械臂6布置在循环水箱1一侧，循环水箱1布置在激光发射器5和机械臂6之间。基板7为一矩形板，基板7的一侧板面与机械臂6的夹持端可拆卸固定，另一侧板面贴附有片状的PVDF压电传感器8，PVDF压电传感器8的外表面贴附有一层铝箔9，通过控制机械臂6，使得PVDF压电传感器8能够布置在循环水箱1内部但不与循环水箱1中的纯净水接触，激光发射器5发出的激光束能够依次穿过透光玻璃2和水膜后照射至与PVDF压电传感器8板面位置对应的铝箔9上。示波器10布置在基板7的一侧且其与PVDF压电传感器8电性连接。
进一步具体的，激光发射器5为ND:YAG铷玻璃激光器；机械臂6为Kawasaki机器人；示波器10为Tektronix DPO4104数字示波器。
进一步具体的，基板7与PVDF压电传感器8通过环氧树脂胶11粘附固定。
进一步具体的，基板7为2024-T351铝合金板且其尺寸为180×70×10㎜。
进一步具体的，示波器10与PVDF压电传感器8通过导线12接通且二者之间串接有电阻13，导线12与铝箔9接触的部分均填充有真空封泥(图中未示出)。
一种激光诱导冲击波压力的测量方法，该方法如下：
S1：将基板7远离机械臂6的一侧板面打磨光滑，并用95％医用酒精擦拭，擦拭完成并晾干后，涂抹环氧树脂胶11，并将PVDF压电传感器8粘附在基板7上；
S2：将铝箔9粘附在PVDF压电传感器8的外侧，用刮板将铝箔9刮平，保证PVDF压电传感器8与铝箔9之间没有空隙，并且，导线12与铝箔9接触的部分填充真空封泥，铝箔9的作用是吸收激光能量，同时保护PVDF压电传感器8；
S3：将导线12远离PVDF压电传感器8的一端与示波器10接通，并且，导线12的外露部分均用绝缘胶带密封，控制机械臂6运动以调整基板7的位置，使得PVDF压电传感器8布置在循环水箱1内部并与激光发射器5的发射端位置正对，保证所述激光发射器5发出的激光光束能够全部冲击到与所述PVDF压电传感器8的板面位置对应的所述铝箔9上，示波器10的采集频率设置为5GHz，采样长度设置为10M，每个采集点的时间间隔为0.2ns，得出激光冲击力随时间的变化曲线；
S4：设定激光发射器5发出的激光的能量和频率，将激光的能量设置为30J，频率设置为5GHz，进行多组冲击试验，示波器10的触发电压设置为1.6V以便降低噪音的干扰，点击示波器10的单次触发按钮，使得示波器10处于接收信号的状态；
S5：观察示波器10在不同能量下的波形变化，并采集波形和电压-时间数据，利用Matlab软件对采集的数据进行处理，对PVDF压电传感器8上产生的电压进行积分，
其中p(t)为激光冲击波压力，K动态灵敏度系数，A是压电传感器的工作面积，R是回路总电阻13，QPVDF是PVDF压电传感器8产生的电荷，Upvdf是PVDF压电传感器8产生的电压，t是时间。
实验结果如图2所示，曲线一A为示波器10采集的电压U/v，曲线二B是通过上述公式积分得到的压力载荷Mpa随时间分布的波形曲线。经公式计算得Pmax＝3.88GPa，传统的R.Fabbro的冲击力理论模型计算的冲击力最大值为4.43GPa，与试验测量值吻合较好，且通过比较得出：传统冲击力理论计算模型得出的激光冲击力较激光冲击力试验实际值偏大。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (6)
1.一种激光诱导冲击波压力的测量装置，包括水膜组件和激光发射器(5)，所述水膜组件包括循环水箱(1)、透光玻璃(2)、水泵(3)以及水膜成形件(4)，所述循环水箱(1)水平布置且其顶部开口，所述循环水箱(1)的一侧壁开孔并密封嵌装有所述透光玻璃(2)，所述水泵(3)布置在所述循环水箱(1)内，所述水膜成形件(4)水平布置在所述水箱的上方且其与所述水泵(3)的出水端通过管路连通，从所述水膜成形件(4)的出水端流出的水在形成一层水膜后再流回至所述循环水箱(1)内；所述激光发射器(5)水平布置且其发射出的激光束能够穿过所述透光玻璃(2)后进入至所述循环水箱(1)内部，其特征在于，还包括：
机械臂(6)，所述机械臂(6)布置在所述循环水箱(1)一侧，所述循环水箱(1)布置在所述激光发射器(5)和所述机械臂(6)之间；
基板(7)，所述基板(7)的一侧板面与所述机械臂(6)的夹持端可拆卸固定，另一侧板面贴附有片状的PVDF压电传感器(8)，所述PVDF压电传感器(8)的外表面贴附有一层铝箔(9)，所述PVDF压电传感器(8)通过所述机械臂(6)移动能够位于所述循环水箱(1)内部且高于所述循环水箱(1)的水位线，且所述激光发射器(5)发出的激光束能够依次穿过所述透光玻璃(2)和所述水膜后照射至与所述PVDF压电传感器(8)板面位置对应的所述铝箔(9)上；
示波器(10)，所述示波器(10)布置在所述基板(7)一侧且其与所述PVDF压电传感器(8)电性连接。
2.根据权利要求1所述的一种激光诱导冲击波压力的测量装置，其特征在于，所述激光发射器(5)为ND:YAG铷玻璃激光器；所述机械臂(6)为Kawasaki机器人；所述示波器(10)为Tektronix DPO4104数字示波器。
3.根据权利要求1所述的一种激光诱导冲击波压力的测量装置，其特征在于，所述基板(7)与所述PVDF压电传感器(8)通过环氧树脂胶(11)粘附固定。
4.根据权利要求1所述的一种激光诱导冲击波压力的测量装置，其特征在于，所述基板(7)为2024-T351铝合金板且其尺寸为180×70×10㎜。
5.根据权利要求1所述的一种激光诱导冲击波压力的测量装置，其特征在于，所述示波器(10)与所述PVDF压电传感器(8)通过导线(12)接通且二者之间串接有电阻(13)，所述导线(12)与所述铝箔(9)接触的部分均填充有真空封泥。
6.一种激光诱导冲击波压力的测量方法，其特征在于，采用权利要求1-5任一项所述的一种激光诱导冲击波压力的测量装置，该方法如下：
S1：将所述基板(7)远离所述机械臂(6)的一侧板面打磨光滑，并将所述PVDF压电传感器(8)粘附在所述基板(7)上；
S2：将所述铝箔(9)粘附在所述PVDF压电传感器(8)的外侧；
S3：将所述导线(12)远离所述PVDF压电传感器(8)的一端与所述示波器(10)接通，并且，所述导线(12)的外露部分均用绝缘胶带密封，控制所述机械臂(6)运动以调整所述基板(7)的位置，使得所述PVDF压电传感器(8)布置在所述循环水箱(1)内部并与所述激光发射器(5)的发射端位置正对，保证所述激光发射器(5)发出的激光光束能够全部冲击到与所述PVDF压电传感器(8)的板面位置对应的所述铝箔(9)上，所述示波器(10)的采集频率设置为5GHz，采样长度设置为10M，每个采集点的时间间隔为0.2ns，得出激光冲击力随时间的变化曲线；
S4：设定所述激光发射器(5)发出的激光的能量和频率，将激光的能量设置为30J，频率设置为5GHz，所述示波器(10)的触发电压设置为1.6V，点击所述示波器(10)的单次触发按钮，使得所述示波器(10)处于接收信号的状态；
S5：观察示波器(10)在不同能量下的波形变化，并采集波形和电压-时间数据，利用Matlab软件对采集的数据进行处理，对PVDF压电传感器(8)上产生的电压进行积分，
其中p(t)为激光冲击波压力，K动态灵敏度系数，A是压电传感器的工作面积，R是回路总电阻(13)，QPVDF是PVDF压电传感器(8)产生的电荷，Upvdf是PVDF压电传感器(8)产生的电压，t是时间。
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| CN202110963763.6A Active CN113739971B (zh) | 2021-08-21 | 2021-08-21 | 一种激光诱导冲击波压力的测量装置及其测量方法 |
Country Status (1)
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|---|---|
| CN (1) | CN113739971B (zh) |
Citations (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN102507064A (zh) * | 2011-11-25 | 2012-06-20 | 江苏大学 | 一种激光冲击波压力分布的检测装置 |
| CN103484654A (zh) * | 2013-09-22 | 2014-01-01 | 北京航空航天大学 | 光水同轴的激光冲击强化喷头 |
| CN103555928A (zh) * | 2013-10-10 | 2014-02-05 | 北京航空航天大学 | 一种新型车载激光冲击强化装置 |
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-
2021
- 2021-08-21 CN CN202110963763.6A patent/CN113739971B/zh active Active
Patent Citations (8)
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Non-Patent Citations (2)
| Title |
|---|
| 刘瑞军等: "基于激光冲击强化的冲击波试验研究", 《应用激光》 * |
| 舒波超等: "铝合金材料激光冲击喷丸力学相应有限元建模", 《航空制造技术》 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN113739971B (zh) | 2022-09-23 |
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