專利名稱：數字激光動態焦散線實驗方法和系統的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種動態光測力學實驗方法，特別涉及一種研究裂紋尖端奇異性和應力集中程度的數字激光動態焦散線實驗方法以及實現此方法的系統。
背景技術：
在國內外針對斷裂問題的研究中，光測斷裂力學是動態斷裂研究中首選的實驗方法，它主要包括動態光彈、動態焦散線、云紋及云紋干涉法、CGS(相干梯度傳感方法)等實驗方法。除了焦散線實驗方法，在遇到因裂紋尖端附近區域應力急劇變化導致的裂紋尖端應力奇異性問題外，其它實驗方法都遇到了許多具體困難。而在焦散線實驗方法中，焦散斑的特征長度為裂紋尖端的應力強化程度提供了一種定量的度量，其測試技術簡單、精度高， 可以確定關于時間、裂紋長度、裂紋傳播速度和裂紋尖端的動態應力強度因子等參數，是宏觀斷裂參數測量的有效手段，在動態斷裂力學研究中得到了廣泛應用，形成了獨特的光測斷裂力學測試技術。在高速的動態斷裂過程中，比如沖擊和爆炸加載情況下，由于物體中的裂紋擴展速度非常快，而要捕捉并記錄下其裂紋尖端焦散斑的變化情景，對高速攝影裝置的要求非常高。目前國內外大多采用單幅高速攝影機，比如北京大學研制的多火花式高速攝影系統 (CGS型)。該攝影系統是在背景很暗的條件下，讓高速斷裂過程在快門打開著的相機前進行，用一次歷程極短的強力閃光來照明，使底片曝光，記錄下實驗過程。由該高速攝影系統、 場鏡組合、光電校核裝置、加載裝置和控制器等組成了動態焦散線實驗系統，實現了高速動態斷裂中裂紋擴展的觀測與記錄。但是，由于該實驗系統需要延遲控制器、光電裝置等來控制和校核火花的放電時刻，導致攝影的效果不易控制；且采用的底片為傳統的光學物理膠片，對實驗人員的操作要求較嚴格；這些導致實驗的成功率不高。隨著科學技術的發展，特別是隨著數碼技術的進步，對動態焦散線實驗系統進行改進，就成為必然。

發明內容
本發明的目的在于建立數字激光動態焦散線實驗系統，實現數字激光動態焦散線實驗設備的創新。本發明所述的數字激光動態焦散線實驗方法，具體的技術步驟如下首先，選取激光器作為實驗光源。選用激光器作為實驗光源設備，是基于激光的定向性和高亮度特點來考慮的。因為用數碼高速攝影機記錄動態過程有兩個要求一個是曝光時間要足夠短；另一個是要求照明光足夠強，以保證足夠的曝光量。激光完全符合上述兩點要求。在實驗中，通過采用與數碼高速攝影機光感應最匹配波長對應的激光作為實驗光源，以保證曝光效果，保證拍攝質量，同時，還可有效實現對試件物體的持續、穩定、高亮度照射，使焦散線的呈現過程更直觀、明了。
接著，利用擴束鏡將激光器發出的線光束變成面光束，再經場鏡將面光束變成平行光后，入射到試件，最后，經另一場鏡將平行光匯聚到對應位置上的數碼高速攝影機上。此過程中，激光發出持續、穩定、高亮的光波，經過擴束鏡變線光束為面光束后，再經場鏡組合將其變為平行光并入射到試件和參考平面處。在試件受到載荷之前，試件沒有變形，光束沿原方向傳播。數碼高速攝影機不會采集此時的試件圖像信息，數碼高速攝影機處于不工作狀態。最后，設置數碼高速攝影機上的拍攝參數，使參數設置符合數碼高速攝影機對加載過程的拍攝需要，并以參考平面為數碼高速攝影機的聚焦平面進行對焦。當啟動與試件固定的加載裝置時，同時控制數碼高速攝影機開始記錄，完成成像過程，而電腦也會同步收集數碼高速攝影機拍攝的圖像信息，匯總、比較、分析后展現在顯示屏上，實驗過程完成。此過程中，試件施加荷載后，試件發生變形，在變形區光的傳播方向會發生偏轉， 這樣在試件后的某些位置處，光強將發生變化，出現了暗斑(即為焦散斑)，由于激光為連續照射，同時，數碼高速攝影機為連續拍攝，故這個動態變化過程被高速攝影機完全記錄下來，為后期的對比、甄別提供了便利，避免了以往圖像采集時曝光不準確、成像效果差、圖像采集時間不易把控的弊端。其中，數碼高速攝影機采用CCD元件，把光信號轉換為電信號，并存儲起來，再通過電腦監視器顯示出來，實現了用數字記錄焦散線的過程。激光器與數碼高速攝影機組成的高速攝影系統，實現了對焦散線的動態數字記錄，保證了對動態過程的連續觀測。通過調節數碼高速攝影機的拍攝參數，便可實現對不同動態裂紋擴展現象的清晰記錄，取代了傳統的延遲控制和光電校核設備，拍攝精準度高、拍攝效果好、拍攝可控性強。一種數字激光動態焦散線實驗系統，包括激光器、擴束器、場鏡組合、加載裝置、同步控制開關、數碼高速攝影機和電腦。激光器主要以激光波長與數碼高速攝影機感光波長是否匹配為標準進行選擇，同時，兼顧激光強度是否滿足試件不同實驗要求的需要，從而完成激光器的型號選擇。為充分利用激光的特性，在激光器的照射通路上首先設有擴束器，擴束器將激光的線光束擴散為面光束，形成光源的發散，為后續有效照射和準確照射做準備。場鏡組合位于擴束器的后續光路傳送通道上，場鏡組合將擴束器傳導出的面光束變成平行光后，再經匯聚后傳出。試件位于場鏡組合的平行光區域內，保證了試件照射過程和后期圖像采集過程的準確性。數碼高速攝影機位于場鏡組合輸出端的焦點上，其負責對試件圖像的隨時采集， 記錄試件加載后的裂紋擴展過程。試件固定在加載裝置上，加載裝置包括沖擊加載和爆炸加載，以實現試件動態裂紋的擴展。為進一步保證記錄過程及時、有效，在加載裝置和數碼高速攝影機之間還連接有同步控制開關。隨著加載裝置的啟動，同步控制開關同步控制數碼高速攝影機開啟，使得數碼高速攝影機的記錄過程可以與動態裂紋加載過程相配合，在激光的連續、穩定照射下，對裂紋擴展過程進行及時、準確記錄。為使數碼圖像可以被快速采集和利用，在數碼高速攝影機的輸出端口上還連接有電腦，電腦可以通過相關軟件對采集的圖像進行處理，并經匯總、對比后在顯示屏上顯示出來。電腦可以使拍攝到的圖像清晰、逼真、直觀地再現，對后續觀察焦散線擴展過程提供了方便。本發明所述的數字激光動態焦散線實驗方法和系統，其有益效果包括I、實驗的可控性和精確度大大提高，且該實驗不需在暗室中進行，在普通實驗室內即可進行實驗操作，得到清晰且連續的焦散線圖像。2、以激光器作為光源，數碼高速攝影機作為記錄裝置，實驗時只需改變數碼高速攝影機的拍攝參數即可實現對不同實驗場景下焦散線的實時記錄。3、數碼照片的實現，大大降低了試驗成本，且使得后期的數據處理和對比分析過程變的簡單、方便。4、實驗周期縮短，操作簡單，且觀測方便。5、實驗受環境因素的影響較少，因而大大增加了實驗的穩定性，實驗效果好且試驗成功率高。


圖I為本發明的結構原理圖。
具體實施例方式本發明的中心思想是通過改變攝影記錄設備，采用激光器和數碼高速攝影機組合的高速攝影系統，與焦散線實驗系統相結合，得到激光數碼焦散線照片，實現動態焦散線實驗設備和方法的突破。下面結合附圖對本發明做進一步詳細的描述如圖I所示，本發明所述的數字激光動態焦散線實驗方法，首先，選取激光器I作為實驗光源，激光器I發出穩定、持續地激光后，經擴束鏡2變為呈一定角度發散的面光束， 該光束經過左場鏡3后變為平行光，并入射到試件6，光束再經右場鏡4匯聚后，進入數碼高速攝影機5的鏡頭中。接著，設置數碼高速攝影機5上的拍攝參數，使其滿足加載實驗過程的具體需要，同時，調整數碼高速攝影機5的鏡頭對參考平面7處的像進行拍攝，即對焦平面在參考平面7處。然后啟動加載裝置，同時，通過同步控制開關9控制數碼高速攝影機 5開始記錄。在加載裝置的作用下，試件6發生變形，在變形區，光的傳播方向會發生偏轉， 在試件6后的參考平面7處，光強將發生變化，出現暗斑，即焦散斑，這些變化被數碼高速攝影機5全程記錄下后，最終，形成圖像發送到電腦8中，電腦8對圖像處理、匯總、對比后在顯示器上顯示出來，從而得出裂紋尖端應力集中程度隨時間變化過程和裂紋擴展的行為參數，至此，整個實驗過程完成。其過程中，激光器I的照射為持續、穩定、高亮度的照射，并且選擇的激光波長與數碼高速攝影機5光感應波長相匹配，保證了曝光強度和連續拍攝的需要。此實驗方法不僅使動態焦散線的觀察過程方便、簡單，還大大縮短了實驗周期，提高了實驗準確性和精確度。下面對實現本實驗方法的數字激光動態焦散線實驗系統做進一步的描述如圖I所示，一種數字激光動態焦散線實驗系統，包括激光器I、擴束器2、場鏡組合、加載裝置、同步控制開關9、數碼高速攝影機5和電腦8。其中，場鏡組合包括對應擺放的左場鏡3和右場鏡4，左場鏡3和右場鏡4通常為凸透鏡。激光器I的位置與擴束器2 相對應，擴束器2位于激光器I和場鏡組合之間。左場鏡3負責將擴束器2傳出的面光束變成平行光束后，再經右場鏡4匯聚傳出。試件6放于左場鏡3和右場鏡4之間的平行光區域內。數碼高速攝影機5位于右場鏡4輸出端的焦點上，數碼高速攝影機5的鏡頭對參考平面7處的像進行拍攝，即對焦平面在參考平面7處。試件6固定在加載裝置上，為保證加載過程和拍攝過程同步進行，完整記錄焦散斑產生過程，在加載裝置和數碼高速攝影機5 之間還連接有同步控制開關9。電腦8則連接在數碼高速攝影機5的輸出端口上，電腦8可隨時接收并處理拍攝到的圖像。使用時，開啟激光器1，將激光通過擴束器2轉換成帶有一定角度的面光束，然后， 再經左場鏡3轉換成平行光束后，照射在試件6表面上，接著，右場鏡4將平行光束再次聚焦后傳送到數碼高速攝影機5的鏡頭上。調整數碼高速攝影機5的控制參數與具體實驗要求相符，以參考平面7為對焦平面完成試件6的對焦過程，并保持與電腦8的連通狀態，設備調試完成。當啟動加載裝置時，同步控制開關9同時控制數碼高速攝影機5開啟，隨著焦散斑的出現，數碼高速攝影機5實時記錄其發生和擴展過程，并隨時將圖像發送到電腦8 中，通過電腦8中相應軟件的分析、比對后，將結果最終呈現在顯示器上。其整個過程操作簡單、使用方便，實驗結果精準、可靠。
權利要求
1.數字激光動態焦散線實驗方法，其特征在于，具體步驟包括，a)選取激光器作為實驗光源；b)利用擴束鏡將激光器發出的線光束變成面光束，再經場鏡將面光束變成平行光后， 入射到試件上，最后，經另一場鏡將平行光匯聚到對應位置上的數碼高速攝影機上；c)設置數碼高速攝影機上的拍攝參數，以參考平面為標準進行聚焦，啟動與試件固定的加載裝置，同時控制數碼高速攝影機記錄；d)電腦收集數碼高速攝影機拍攝的圖像信息，匯總并比較分析后展現在顯示屏上，實驗過程完成。
2.根據權利要求I所述的數字激光動態焦散線實驗方法，其特征在于，所述激光器的照射過程為持續、穩定、高亮度的照射。
3.根據權利要求I所述的數字激光動態焦散線實驗方法，其特征在于，所述激光器的激光波長與數碼高速攝影機光感應波長相匹配。
4.一種用于實現權利要求I所述實驗方法的數字激光動態焦散線實驗系統，其特征在于，包括激光器、擴束器、場鏡組合、加載裝置、同步控制開關、數碼高速攝影機和電腦，所述激光器的位置與擴束器相對應，擴束器位于激光器和場鏡組合之間；所述場鏡組合使擴束器傳出的面光束變成平行光后，再經匯聚后傳出，試件位于場鏡組合的平行光區域內；所述數碼高速攝影機位于場鏡組合輸出端的焦點上；所述試件固定在加載裝置上；所述同步控制開關連接在加載裝置和數碼高速攝影機之間，同步控制開關控制數碼高速攝影機的開啟；所述電腦連接在數碼高速攝影機的輸出端口上。
5.根據權利要求4所述的數字激光動態焦散線實驗系統，其特征在于，所述場鏡組合包括兩個相對放置的凸透鏡，凸透鏡之間光線保持平行傳送，前端凸透鏡的外側與擴束器相對應，后端凸透鏡的外側焦點與數碼高速攝影機相對。
全文摘要
本發明公開了一種數字激光動態焦散線實驗方法和系統，包括激光器、擴束鏡、場鏡組合、加載裝置、同步控制開關、數碼高速攝影機和電腦。激光器發出持續的線光束，經擴束鏡轉換后成為面光束，又經場鏡組合變換成平行光束入射到試件表面，最后經匯聚傳送到數碼高速攝影機的鏡頭中。隨著加載裝置的啟動，同步控制數碼高速攝影機開啟，完成試件上裂紋擴展過程的動態記錄，即數碼動態焦散線記錄。該系統可以對沖擊、爆破等動態斷裂實驗過程進行光測力學分析，且光路系統簡單、操作方便，不僅實驗成本低、周期短，而且可以對整個斷裂過程進行連續觀測，提高了實驗的精確度。
文檔編號G01N3/30GK102539254SQ201110366309
公開日2012年7月4日 申請日期2011年11月18日 優先權日2011年11月18日
發明者岳中文, 楊仁樹, 楊立云, 王雁冰 申請人:中國礦業大學(北京)