激光空化射流力沖擊作用的檢測方法及裝置制造方法
【專利摘要】本發明提供了一種激光空化射流力沖擊作用的檢測方法及裝置，采用一端通過等強度懸臂梁固定于水槽側壁的金屬薄板作為靶材，水槽中液體液面與所述金屬薄板的下表面接觸；通過位于金屬薄板上方的電渦流位移傳感器檢測金屬薄板與傳感器之間的間距變化引起的電壓變化，得到金屬薄板產生的形變，根據材料的彈性形變形以及所述金屬薄板的應力，計算出激光空化射流力的沖擊作用。本發明將金屬薄板貼于水槽的液面，當金屬薄板受到空泡空化的水下射流力作用發生變形離開水面時，不受水的阻力影響；激光空泡又消除了液面張力的影響，能準確地反映激光對靶材的作用力；電渦流位移傳感器靈敏度高、響應快、簡單易實現、測量準確的特點，實現了無接觸測量。
【專利說明】激光空化射流力沖擊作用的檢測方法及裝置
【技術領域】
[0001]本發明設計一種檢測方法及裝置，尤其是一種激光空化射流力沖擊作用的檢測方法及裝置。
【背景技術】
[0002]激光與液體相互作用過程中，當激光能量密度超過液體的擊穿閥值時，液體會被“光學擊穿”，在擊穿的區域產生高溫高壓的等離子體。當等離子體膨脹時會形成超音速的等離子沖擊波，同時由于高溫造成的液體汽化會產生氣體空泡，即激光的空泡空化現象。空化在液體中形成的空洞稱為“空穴”:球形空穴稱為空泡；較大的空穴稱為空腔。氣泡空化所產生的沖擊空蝕作用，能造成強沖擊波及高速射流，作用于附近固體壁面，會產生材料去除。這種空化射流沖擊作用是機械設計和制造、船舶制造、水利設施和流體力學研究等領域的重要問題。
[0003]目前研究空泡空化現象的實驗手段主要有高速攝影法、光偏轉法、干涉法及其壓電換能器探測法等。高速攝影法，設備昂貴，且時間分辨率不高，適合研究空泡的運動規律，而無法提供分辨時間短于微秒量級的特性分析；光延時法雖然時間精度較高，但研究的時間范圍小，適合于研究等離子體沖擊波的衰減規律和空泡的初期膨脹過程，不適合于分析空泡的后期脈動特性；光偏轉法，雖然具有較高的時間分辨率和空間分辨率，但是由于激光沖擊置于水槽中的金屬薄板時，金屬薄板在受到激光沖擊作用的同時也會受到水的阻力和其他因素的作用，影響測量結果。而采用壓電換能探測法需要將壓電傳感器固定于被測物體上，必將影響被測物的力學特性和應力變形，從而導致產生檢測誤差。
[0004]本發明提出了一種采用電渦流傳感器非接觸測量被沖擊物體變形的檢測方法和裝置。電渦流傳感器是利用感應電渦流原理，當帶有高頻電流的線圈靠近被測金屬時，線圈上的高頻電流所產生的高頻電磁場便在金屬表面上產生感應電流，電磁學上稱之為電渦流。電渦流效應與被測金屬間的距離及電導率、磁導率、幾何尺寸、電流頻率等參數有關。通過電路參數的變化可將被測金屬相對于傳感器探頭之間的距離變化轉換為電壓或電流變化，檢測結果準確，裝置結構簡單。利用電渦流傳感器測量因懸臂梁金屬薄板形變產生的位移變化，具有較高的靈敏度。

【發明內容】

[0005]針對現有技術中存在不足，本發明提供了一種激光空化射流力沖擊作用的檢測方法與裝置，對高能量激光沖擊水中靶材時，等離子體產生的沖擊作用和空泡空化誘導所產生的高速射流力進行非接觸檢測。
[0006]本發明是通過以下技術手段實現上述技術目的的。
[0007]—種激光空化射流力沖擊作用的檢測方法，其特征在于，包括以下步驟:
[0008](I)采用一端固定于水槽側壁的等強度懸臂梁金屬薄板作為靶材，水槽中充入液體，使液面與所述金屬薄板的下表面接觸；調節位于所述金屬薄板上方的電渦流位移傳感器探頭與所述金屬薄板的初始間隙；
[0009](2)激光器發出的激光，光路調制及傳輸系統的分光鏡反射部分激光至PIN光電二極管，經PIN光電二極管轉化為電信號、并傳輸至示波器作為采集數據的同步觸發信號；透過分光鏡的一部分激光經衰減片組調節作用于所述金屬薄板的激光能量、而不改變其空間分布，然后用反射鏡改變激光光束的方向，最后由凹透鏡和凸透鏡對激光擴束并垂直聚焦于所述金屬薄板的下表面上，所述金屬薄板受到空泡空化的射流沖擊力作用，發生變形、離開水面；
[0010](3)位于所述金屬薄板上方的電渦流位移傳感器探頭，檢測所述金屬薄板與探頭之間的間距變化引起的電壓變化，得到所述金屬薄板產生的形變:1=U/S，根據材料的彈性形變形公ε = σ/E,以及所述金屬薄板的應力O =M/W,計算出激光空化射流力的沖擊作用P=UEff/SL,
[0011]其中，I為所述金屬薄板受應力沖擊作用產生的應變，U為電渦流位移傳感器輸出的電壓，S為電渦流位移傳感器的平均靈敏度，ε為所述金屬薄板所受的應變，O為所述金屬薄板所受的應力，E為所述金屬薄板的材料彈性模量，M為被測點的力矩，M=PL, P為所述金屬薄板受到的沖擊力，L為力的作用點到固定點的距離，W為抗彎截面系數，ff=b h2/6, b為所述金屬薄板的寬度，h為所述金屬薄板的厚度。
[0012]優選地，將所述金屬薄板受激光沖擊作用前的位置定義為空間“零”位置。
[0013]優選地，所述激光器輸出的激光為脈沖激光，所述脈沖激光的參數為:單脈沖能量在0.1?I焦耳、脈沖時間為10納秒、頻率為I?10赫茲、波長為1064納米。
[0014]一種激光空化射流力沖擊作用的檢測裝置，包括激光器、光路調制及傳輸系統、水槽、等強度懸臂梁金屬薄板、電渦流位移傳感器、示波器、PIN光電二極管，所述光路調制及傳輸系統構成所述激光器的光路，包括分光鏡、衰減片組、反射鏡、光學擴束聚焦系統；PIN光電二極管位于能夠接收到所述反光鏡發射的激光信號的位置；所述水槽底面上設有玻璃窗，所述金屬薄板通過等強度懸臂梁固定在水槽的側壁上，水槽內裝有液體，液體的液面與所述金屬薄板下表面接觸；電渦流位移傳感器的探頭置于所述金屬薄板上方；所述PIN光電二極管的輸出端、電渦流位移傳感器的信號處理系統均與示波器連接。
[0015]優選地，所述金屬薄板是厚度為0.2?0.15mm、寬度為3mm的不銹鋼板。
[0016]優選地，所述電渦流傳感器的探頭位于金屬薄板上方I?2_處。
[0017]優選地，所述光學擴束聚焦系統由焦距為50nm的凹透鏡和焦距為150nm的凸透鏡組成。
[0018]本發明所述的激光空化射流力沖擊作用的檢測方法，采用金屬薄板作為檢測激光沖擊作用的靶材，該金屬薄板采用等強度懸臂梁結構固定于水槽側壁上，下表面貼于水槽內的液面。
[0019]激光器發出的激光，光路調制及傳輸系統的分光鏡反射部分激光，由PIN光電二極管采集，并傳輸至示波器作為采集數據的同步觸發信號；透過分光鏡的一部分激光經衰減片組、調節作用于所述金屬薄板的激光能量、而不改變其空間分布，然后用反射鏡改變激光光束的方向，最后由凹透鏡和凸透鏡對激光擴束并垂直聚焦于所述金屬薄板的下表面上。在沖擊力作用下所述金屬薄板向上彎曲變形，離開水面。由于所述金屬薄板下表面貼于水槽內的液面，其變形過程中不會受到水的阻力影響，而且激光空泡又能將作用區域周圍的溶液排開，從而消除了液面張力對所述金屬薄板變形的影響，因此所述金屬薄板產生的形變能準確地反映激光對水下靶材的空化射流力沖擊作用。
[0020]利用位于所述金屬薄板上方的電渦流位移傳感器，將產生形變的所述金屬薄板與電渦流位移傳感器之間的間距變化轉化為電信號，通過非接觸方式精確檢測出金屬懸臂梁的變形，再根據彈性應力變形公式，計算出激光的空化射流沖擊力，裝置簡單，容易實現，而且具有較高的靈敏度和時間分辨率。
[0021]本發明具有如下技術優勢:
[0022](I)根據激光對水下物體的空化射流力沖擊作用條件，將作為靶材的所述金屬薄板貼于水槽的液面，當所述金屬薄板在激光沖擊作用時，受到空泡空化的水下射流力作用；發生變形后又離開水面，不會受到水的阻力影響；激光空泡又消除了液面張力對所述金屬薄板變形的影響，因此產生的形變準確地反映了激光對靶材的作用力，測量結果準確。
[0023](2)利用電渦流位移傳感器靈敏度高、響應快、簡單易實現、測量準確的特點，通過無接觸方式測量所述金屬薄板形變的大小，從而實現了激光空化射流力沖擊作用的準確檢測。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0024]圖1為本發明所述激光空化射流力沖擊作用的檢測裝置的結構圖。
[0025]圖2為本發明所述檢測裝置示波器上檢測到的沖擊作用應力信號的波形圖。
[0026]圖2為示波器上顯示的射流力檢測信號，能夠反映出隨著不同激光能量調節，射流力的大小變化和脈沖時間序列。
[0027]附圖標記說明如下:
[0028]1-激光器，2-分光鏡，3-衰減片組，4-反射鏡，5-凹透鏡，6_凸透鏡，7_水槽，8_金屬薄板，9-探頭，10-信號處理系統，11-示波器，12-PIN光電二極管，13-激光束，14-玻璃窗，15-液體15。
【具體實施方式】
[0029]下面結合附圖以及具體實施例對本發明作進一步的說明，但本發明的保護范圍并不限于此。
[0030]圖1為本發明所述激光空化射流力沖擊作用的檢測裝置的結構簡圖，其包括激光器1、光路調制及傳輸系統、水槽7、等強度懸臂梁金屬薄板8、電渦流位移傳感器、示波器
11、PIN光電二極管12。所述光路調制及傳輸系統構成所述激光器I的光路，包括分光鏡2、衰減片組3、反射鏡4、光學擴束聚焦系統，PIN光電二極管12位于能夠接收到所述反光鏡發射的激光信號的位置、并與示波器11連接。所述光學擴束聚焦系統由焦距為50nm的凹透鏡5和焦距為150nm的凸透鏡6組成。所述水槽7底面上設有玻璃窗14。所述金屬薄板8作為激光沖擊靶材，選用厚度為0.2?0.15mm、寬度為3mm的不銹鋼板，通過等強度懸臂梁固定在水槽7的側壁上。水槽7內裝有液體15，液體15的液面與所述金屬薄板8下表面接觸。電渦流位移傳感器的探頭9置于所述金屬薄板8上方，所述電渦流傳感器的探頭9與所述金屬薄板8之間的間距優選為I?2mm ;電渦流位移傳感器的信號處理系統10與示波器11連接。[0031]所述激光空化射流力沖擊作用的檢測裝置，在測量所述激光空化射流力沖擊作用時，首先在水槽7中充入液體15，使液面與所述金屬薄板8的下表面接觸。激光器I發出的激光能量為0.1?I焦耳、脈沖時間為10納秒、頻率為I?10Hz、波長為1064納米的脈沖激光束13。激光經過分光鏡2時，部分激光被反射，由PIN光電二極管12采集，轉化為電信號、并傳輸至示波器11作為采集數據的同步觸發信號；PIN光電二極管12的上升時間是100皮秒。一部分激光經過衰減片組3調節激光的能量而不改變其能量分布；再經過反射鏡4，改變光路的傳播方向。然后調節凹透鏡5和凸透鏡6，對激光束13進行調制擴束，使其通過水槽7下方的玻璃窗14垂直聚焦于所述金屬薄板8的下表面上。
[0032]采用本發明所述的方法和裝置檢測激光空化射流力沖擊作用時，調整激光器I的輸出能量密度，使其超過水槽7中液體15的擊穿閥值，從而在所述金屬薄板8下表面的激光照射區域產生高溫高壓的等離子體，隨著等離子體的膨脹產生激光的空泡空化，形成射流沖擊波，直接作用于所述金屬薄板8的下表面，在沖擊力作用下所述金屬薄板8向上彎曲變形，離開水面；變形過程中不會受到水的阻力影響，而且高溫造成的液體15汽化空泡又能將作用區域周圍的溶液排開，從而消除了液面張力對所述金屬薄板8變形的影響，因此所述金屬薄板8產生的形變能準確地反映激光對水下靶材的空化射流力沖擊作用。為了方便研究，以避免液體15中的雜質影響激光的能量傳輸，水槽7中充入液體15優選為純凈水，水槽7中的液層厚度、所述金屬薄板8的位置可以根據所測激光束13的能量大小調節。所述金屬薄板8在受到激光空化射流沖擊作用時會產生彈性變形、離開水面。電渦流傳感器的探頭9安裝在所述金屬薄板8上方I?2_處，并將所述金屬薄板8受激光沖擊作用前貼在水面的位置定義為空間“零”位置。所述金屬薄板8變形后與傳感器之間的距離變化，被探頭9檢測到后，其電信號再經電渦流位移傳感器的信號處理系統10進行濾波、檢測、放大后，并輸出至示波器11中。
[0033]利用電渦流位移傳感器檢測到的因所述金屬薄板8變形引起的電壓變化，得到所述金屬薄板8產生的形變:1=U/S，根據材料的彈性形變公式ε = σ /E、以及所述金屬薄板8受到的正應力σ =M/W，計算出激光空化射流力的沖擊作用P=UEW/SL。
[0034]電渦流位移傳感器測量位移的計算公式:1=U/S (I)
[0035]I為測量的位移即所述金屬薄板8受應力沖擊作用產生的應變，U為電渦流位移傳感器輸出的電壓，S為電渦流位移傳感器的平均靈敏度。
[0036]彈性形變公式:
[0037]ε=σ/Ε (2)
[0038]式中，ε為所述金屬薄板8所受的應變；σ為所述金屬薄板8所受的應力；Ε為彈
性模量。
[0039]所述金屬薄板8受到的正應力:
[0040]σ =M/ff, (3)
[0041]式中，M為被測點的力矩，W為抗彎截面系數。
[0042]M=PL
[0043]P為所述金屬薄板8受到的沖擊力，L為力的作用點到固定點的距離。
[0044]ff=bh2/6
[0045]b為所述金屬薄板8的寬度，h為所述金屬薄板8的厚度。[0046]激光空化射流力的沖擊作用:P=UEW/SL (4)
[0047]示波器11中顯示的沖擊作用應力信號的波形圖，如圖2為所示，能夠反映出隨著不同激光能量調節，射流力的大小變化和脈沖時間序列。
[0048]所述實施例為本發明的優選的實施方式，但發明并不限于上述實施方式，在不背離本發明的實質內容的情況下，本領域技術人員能夠做出的任何顯而易見的改進、替換或變型均屬于本發明的保護范圍。
【權利要求】
1.激光空化射流力沖擊作用的檢測方法，其特征在于，包括以下步驟: (1)采用一端固定于水槽(7)側壁的等強度懸臂梁金屬薄板(8)作為靶材，水槽(7)中充入液體(15)，使液面與所述金屬薄板(8)的下表面接觸，調節位于所述金屬薄板(8)上方的電渦流位移傳感器探頭(9)與所述金屬薄板(8)的初始間隙； (2)激光器(I)發出的激光，光路調制及傳輸系統的分光鏡(2)反射部分激光至PIN光電二極管(12 )，經PIN光電二極管(12 )轉化為電信號、并傳輸至示波器(11)作為采集數據的同步觸發信號；透過分光鏡(2)的一部分激光經衰減片組(3)調節作用于所述金屬薄板(8 )的激光能量、而不改變其空間分布，然后用反射鏡(4 )改變激光光束的方向，最后由凹透鏡(5)和凸透鏡(6)對激光擴束并垂直聚焦于所述金屬薄板(8)的下表面上，所述金屬薄板(8)受到空泡空化的射流沖擊力作用，發生變形、離開水面； (3)位于所述金屬薄板(8)上方的電渦流位移傳感器探頭(9)，檢測所述金屬薄板(8)與探頭(9)之間的間距變化引起的電壓變化，得到所述金屬薄板(8)產生的形變:1=U/S，根據材料的彈性形變形公ε=σ/Ε，以及所述金屬薄板(8)的應力o=M/W，計算出激光空化射流力的沖擊作用P=UEW/SL， 其中，為金屬懸臂梁薄板受應力沖擊作用產生的應變，U為電渦流位移傳感器輸出的電壓，S為電渦流位移傳感器的平均靈敏度，ε為所述金屬薄板(8)所受的應變，σ為所述金屬薄板(8)所受的應力，E為所述金屬薄板(8)的材料彈性模量，M為被測點的力矩，M=PL,P為所述金屬薄板(8)受到的沖擊力，L為力的作用點到固定點的距離，W為抗彎截面系數，W=b h2/6, b為所述金屬薄板(8)的寬度，h為所述金屬薄板(8)的厚度。
2.根據權利要求1所述的檢測方法，其特征在于，將所述金屬薄板(8)受激光沖擊作用前的位置定義為空間“零”位置。
3.根據權利要求1所述的檢測方法，其特征在于，所述激光器(I)輸出的激光為脈沖激光，所述脈沖激光的參數為:單脈沖能量在0.1?I焦耳、脈沖時間為10納秒、頻率為I?10赫茲、波長為1064納米。
4.激光空化射流力沖擊作用的檢測裝置，其特征在于，包括激光器(I)、光路調制及傳輸系統、水槽(7)、等強度懸臂梁金屬薄板(8)、電渦流位移傳感器、示波器(11)、PIN光電二極管(12)，所述光路調制及傳輸系統構成所述激光器(I)的光路，包括分光鏡(2)、衰減片組(3)、反射鏡(4)、光學擴束聚焦系統；PIN光電二極管(12)位于能夠接收到所述反光鏡發射的激光信號的位置；所述水槽(7)底面上設有玻璃窗(14)，所述金屬薄板(8)的等強度懸臂梁固定在水槽(7 )的側壁上，水槽(7 )內裝有液體(15 )，液體(15 )的液面與所述金屬薄板(8)下表面接觸；電渦流位移傳感器的探頭(9)置于所述金屬薄板(8)上方；所述PIN光電二極管(12)的輸出端、電渦流位移傳感器的信號處理系統(10)均與示波器(11)連接。
5.根據權利要求4所述的檢測裝置，其特征在于，所述金屬薄板(8)是厚度為0.2?0.15mm、寬度為3mm的不銹鋼板。
6.根據權利要求4所述的檢測裝置，其特征在于，所述電渦流傳感器的探頭(9)位于所述金屬薄板(8)上方I?2mm處。
7.根據權利要求4所述的檢測裝置，其特征在于，所述光學擴束聚焦系統由焦距為50nm的凹透鏡(5)和焦距為150nm的凸透鏡(6)組成。
【文檔編號】G01L5/00GK103712723SQ201310702903
【公開日】2014年4月9日 申請日期:2013年12月19日 優先權日:2013年12月19日
【發明者】張朝陽, 蔡明霞, 馮欽玉, 佟艷群, 丁偉, 姜雨佳, 黃磊, 徐吉偉 申請人:江蘇大學