[發(fā)明專利]激光空化射流力沖擊作用的檢測(cè)方法及裝置

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201310702903.X
• 申請(qǐng)日: 2013-12-19
• 公開（公告）號(hào): CN103712723A
• 公開（公告）日: 2014-04-09
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 張朝陽;蔡明霞;馮欽玉;佟艷群;丁偉;姜雨佳;黃磊;徐吉偉
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 江蘇大學(xué)
• 主分類號(hào): G01L5/00
• 分類號(hào): G01L5/00
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技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明設(shè)計(jì)一種檢測(cè)方法及裝置，尤其是一種激光空化射流力沖擊作用的檢測(cè)方法及裝置。

背景技術(shù)

激光與液體相互作用過程中，當(dāng)激光能量密度超過液體的擊穿閥值時(shí)，液體會(huì)被“光學(xué)擊穿”，在擊穿的區(qū)域產(chǎn)生高溫高壓的等離子體。當(dāng)?shù)入x子體膨脹時(shí)會(huì)形成超音速的等離子沖擊波，同時(shí)由于高溫造成的液體汽化會(huì)產(chǎn)生氣體空泡，即激光的空泡空化現(xiàn)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(chǎn)生的沖擊空蝕作用，能造成強(qiáng)沖擊波及高速射流，作用于附近固體壁面，會(huì)產(chǎn)生材料去除。這種空化射流沖擊作用是機(jī)械設(shè)計(jì)和制造、船舶制造、水利設(shè)施和流體力學(xué)研究等領(lǐng)域的重要問題。

目前研究空泡空化現(xiàn)象的實(shí)驗(yàn)手段主要有高速攝影法、光偏轉(zhuǎn)法、干涉法及其壓電換能器探測(cè)法等。高速攝影法，設(shè)備昂貴，且時(shí)間分辨率不高，適合研究空泡的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，而無法提供分辨時(shí)間短于微秒量級(jí)的特性分析；光延時(shí)法雖然時(shí)間精度較高，但研究的時(shí)間范圍小，適合于研究等離子體沖擊波的衰減規(guī)律和空泡的初期膨脹過程，不適合于分析空泡的后期脈動(dòng)特性；光偏轉(zhuǎn)法，雖然具有較高的時(shí)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(shí)，金屬薄板在受到激光沖擊作用的同時(shí)也會(huì)受到水的阻力和其他因素的作用，影響測(cè)量結(jié)果。而采用壓電換能探測(cè)法需要將壓電傳感器固定于被測(cè)物體上，必將影響被測(cè)物的力學(xué)特性和應(yīng)力變形，從而導(dǎo)致產(chǎn)生檢測(cè)誤差。

本發(fā)明提出了一種采用電渦流傳感器非接觸測(cè)量被沖擊物體變形的檢測(cè)方法和裝置。電渦流傳感器是利用感應(yīng)電渦流原理，當(dāng)帶有高頻電流的線圈靠近被測(cè)金屬時(shí)，線圈上的高頻電流所產(chǎn)生的高頻電磁場(chǎng)便在金屬表面上產(chǎn)生感應(yīng)電流，電磁學(xué)上稱之為電渦流。電渦流效應(yīng)與被測(cè)金屬間的距離及電導(dǎo)率、磁導(dǎo)率、幾何尺寸、電流頻率等參數(shù)有關(guān)。通過電路參數(shù)的變化可將被測(cè)金屬相對(duì)于傳感器探頭之間的距離變化轉(zhuǎn)換為電壓或電流變化，檢測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確，裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。利用電渦流傳感器測(cè)量因懸臂梁金屬薄板形變產(chǎn)生的位移變化，具有較高的靈敏度。

發(fā)明內(nèi)容

針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中存在不足，本發(fā)明提供了一種激光空化射流力沖擊作用的檢測(cè)方法與裝置，對(duì)高能量激光沖擊水中靶材時(shí)，等離子體產(chǎn)生的沖擊作用和空泡空化誘導(dǎo)所產(chǎn)生的高速射流力進(jìn)行非接觸檢測(cè)。

本發(fā)明是通過以下技術(shù)手段實(shí)現(xiàn)上述技術(shù)目的的。

一種激光空化射流力沖擊作用的檢測(cè)方法，其特征在于，包括以下步驟：

（1）采用一端固定于水槽側(cè)壁的等強(qiáng)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(diào)節(jié)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；

（2）激光器發(fā)出的激光，光路調(diào)制及傳輸系統(tǒng)的分光鏡反射部分激光至PIN光電二極管，經(jīng)PIN光電二極管轉(zhuǎn)化為電信號(hào)、并傳輸至示波器作為采集數(shù)據(jù)的同步觸發(fā)信號(hào)；透過分光鏡的一部分激光經(jīng)衰減片組調(diào)節(jié)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(duì)激光擴(kuò)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(fā)生變形、離開水面；

（3）位于所述金屬薄板上方的電渦流位移傳感器探頭，檢測(cè)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(chǎn)生的形變：l=U/S，根據(jù)材料的彈性形變形公ε=σ/E，以及所述金屬薄板的應(yīng)力σ=M/W，計(jì)算出激光空化射流力的沖擊作用P=UEW/SL，

其中，1為所述金屬薄板受應(yīng)力沖擊作用產(chǎn)生的應(yīng)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(yīng)變，σ為所述金屬薄板所受的應(yīng)力，E為所述金屬薄板的材料彈性模量，M為被測(cè)點(diǎn)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(diǎn)到固定點(diǎn)的距離，W為抗彎截面系數(shù)，W=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。

優(yōu)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。

優(yōu)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(shù)為：?jiǎn)蚊}沖能量在0.1～1焦耳、脈沖時(shí)間為10納秒、頻率為1～10赫茲、波長為1064納米。