CN102539254B - 数字激光动态焦散线实验方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种数字激光动态焦散线实验方法和系统，包括激光器、扩束镜、场镜组合、加载装置、同步控制开关、数码高速摄影机和电脑。激光器发出持续的线光束，经扩束镜转换后成为面光束，又经场镜组合变换成平行光束入射到试件表面，最后经汇聚传送到数码高速摄影机的镜头中。随着加载装置的启动，同步控制数码高速摄影机开启，完成试件上裂纹扩展过程的动态记录，即数码动态焦散线记录。该系统可以对冲击、爆破等动态断裂实验过程进行光测力学分析，且光路系统简单、操作方便，不仅实验成本低、周期短，而且可以对整个断裂过程进行连续观测，提高了实验的精确度。

Description

数字激光动态焦散线实验方法和系统

技术领域

本发明涉及一种动态光测力学实验方法，特别涉及一种研究裂纹尖端奇异性和应力集中程度的数字激光动态焦散线实验方法以及实现此方法的系统。

背景技术

在国内外针对断裂问题的研究中，光测断裂力学是动态断裂研究中首选的实验方法，它主要包括动态光弹、动态焦散线、云纹及云纹干涉法、CGS(相干梯度传感方法)等实验方法。除了焦散线实验方法，在遇到因裂纹尖端附近区域应力急剧变化导致的裂纹尖端应力奇异性问题外，其它实验方法都遇到了许多具体困难。而在焦散线实验方法中，焦散斑的特征长度为裂纹尖端的应力强化程度提供了一种定量的度量，其测试技术简单、精度高，可以确定关于时间、裂纹长度、裂纹传播速度和裂纹尖端的动态应力强度因子等参数，是宏观断裂参数测量的有效手段，在动态断裂力学研究中得到了广泛应用，形成了独特的光测断裂力学测试技术。

在高速的动态断裂过程中，比如冲击和爆炸加载情况下，由于物体中的裂纹扩展速度非常快，而要捕捉并记录下其裂纹尖端焦散斑的变化情景，对高速摄影装置的要求非常高。目前国内外大多采用单幅高速摄影机，比如北京大学研制的多火花式高速摄影系统(CGS型)。该摄影系统是在背景很暗的条件下，让高速断裂过程在快门打开着的相机前进行，用一次历程极短的强力闪光来照明，使底片曝光，记录下实验过程。由该高速摄影系统、场镜组合、光电校核装置、加载装置和控制器等组成了动态焦散线实验系统，实现了高速动态断裂中裂纹扩展的观测与记录。但是，由于该实验系统需要延迟控制器、光电装置等来控制和校核火花的放电时刻，导致摄影的效果不易控制；且采用的底片为传统的光学物理胶片，对实验人员的操作要求较严格；这些导致实验的成功率不高。

随着科学技术的发展，特别是随着数码技术的进步，对动态焦散线实验系统进行改进，就成为必然。

发明内容

本发明的目的在于建立数字激光动态焦散线实验系统，实现数字激光动态焦散线实验设备的创新。

本发明所述的数字激光动态焦散线实验方法，具体的技术步骤如下：

首先，选取激光器作为实验光源。

选用激光器作为实验光源设备，是基于激光的定向性和高亮度特点来考虑的。因为用数码高速摄影机记录动态过程有两个要求：一个是曝光时间要足够短；另一个是要求照明光足够强，以保证足够的曝光量。激光完全符合上述两点要求。在实验中，通过采用与数码高速摄影机光感应最匹配波长对应的激光作为实验光源，以保证曝光效果，保证拍摄质量，同时，还可有效实现对试件物体的持续、稳定、高亮度照射，使焦散线的呈现过程更直观、明了。

接着，利用扩束镜将激光器发出的线光束变成面光束，再经场镜将面光束变成平行光后，入射到试件，最后，经另一场镜将平行光汇聚到对应位置上的数码高速摄影机上。

此过程中，激光发出持续、稳定、高亮的光波，经过扩束镜变线光束为面光束后，再经场镜组合将其变为平行光并入射到试件和参考平面处。在试件受到载荷之前，试件没有变形，光束沿原方向传播。数码高速摄影机不会采集此时的试件图像信息，数码高速摄影机处于不工作状态。

最后，设置数码高速摄影机上的拍摄参数，使参数设置符合数码高速摄影机对加载过程的拍摄需要，并以参考平面为数码高速摄影机的聚焦平面进行对焦。当启动与试件固定的加载装置时，同时控制数码高速摄影机开始记录，完成成像过程，而电脑也会同步收集数码高速摄影机拍摄的图像信息，汇总、比较、分析后展现在显示屏上，实验过程完成。

此过程中，试件施加荷载后，试件发生变形，在变形区光的传播方向会发生偏转，这样在试件后的某些位置处，光强将发生变化，出现了暗斑(即为焦散斑)，由于激光为连续照射，同时，数码高速摄影机为连续拍摄，故这个动态变化过程被高速摄影机完全记录下来，为后期的对比、甄别提供了便利，避免了以往图像采集时曝光不准确、成像效果差、图像采集时间不易把控的弊端。

其中，数码高速摄影机采用CCD元件，把光信号转换为电信号，并存储起来，再通过电脑监视器显示出来，实现了用数字记录焦散线的过程。激光器与数码高速摄影机组成的高速摄影系统，实现了对焦散线的动态数字记录，保证了对动态过程的连续观测。通过调节数码高速摄影机的拍摄参数，便可实现对不同动态裂纹扩展现象的清晰记录，取代了传统的延迟控制和光电校核设备，拍摄精准度高、拍摄效果好、拍摄可控性强。

一种数字激光动态焦散线实验系统，包括激光器、扩束器、场镜组合、加载装置、同步控制开关、数码高速摄影机和电脑。

激光器主要以激光波长与数码高速摄影机感光波长是否匹配为标准进行选择，同时，兼顾激光强度是否满足试件不同实验要求的需要，从而完成激光器的型号选择。

为充分利用激光的特性，在激光器的照射通路上首先设有扩束器，扩束器将激光的线光束扩散为面光束，形成光源的发散，为后续有效照射和准确照射做准备。

场镜组合位于扩束器的后续光路传送通道上，场镜组合将扩束器传导出的面光束变成平行光后，再经汇聚后传出。试件位于场镜组合的平行光区域内，保证了试件照射过程和后期图像采集过程的准确性。

数码高速摄影机位于场镜组合输出端的焦点上，其负责对试件图像的随时采集，记录试件加载后的裂纹扩展过程。

试件固定在加载装置上，加载装置包括冲击加载和爆炸加载，以实现试件动态裂纹的扩展。

为进一步保证记录过程及时、有效，在加载装置和数码高速摄影机之间还连接有同步控制开关。随着加载装置的启动，同步控制开关同步控制数码高速摄影机开启，使得数码高速摄影机的记录过程可以与动态裂纹加载过程相配合，在激光的连续、稳定照射下，对裂纹扩展过程进行及时、准确记录。

为使数码图像可以被快速采集和利用，在数码高速摄影机的输出端口上还连接有电脑，电脑可以通过相关软件对采集的图像进行处理，并经汇总、对比后在显示屏上显示出来。电脑可以使拍摄到的图像清晰、逼真、直观地再现，对后续观察焦散线扩展过程提供了方便。

本发明所述的数字激光动态焦散线实验方法和系统，其有益效果包括：

1、实验的可控性和精确度大大提高，且该实验不需在暗室中进行，在普通实验室内即可进行实验操作，得到清晰且连续的焦散线图像。

2、以激光器作为光源，数码高速摄影机作为记录装置，实验时只需改变数码高速摄影机的拍摄参数即可实现对不同实验场景下焦散线的实时记录。

3、数码照片的实现，大大降低了试验成本，且使得后期的数据处理和对比分析过程变的简单、方便。

4、实验周期缩短，操作简单，且观测方便。

5、实验受环境因素的影响较少，因而大大增加了实验的稳定性，实验效果好且试验成功率高。

附图说明

图1为本发明的结构原理图。

具体实施方式

本发明的中心思想是通过改变摄影记录设备，采用激光器和数码高速摄影机组合的高速摄影系统，与焦散线实验系统相结合，得到激光数码焦散线照片，实现动态焦散线实验设备和方法的突破。

下面结合附图对本发明做进一步详细的描述：

如图1所示，本发明所述的数字激光动态焦散线实验方法，首先，选取激光器1作为实验光源，激光器1发出稳定、持续地激光后，经扩束镜2变为呈一定角度发散的面光束，该光束经过左场镜3后变为平行光，并入射到试件6，光束再经右场镜4汇聚后，进入数码高速摄影机5的镜头中。接着，设置数码高速摄影机5上的拍摄参数，使其满足加载实验过程的具体需要，同时，调整数码高速摄影机5的镜头对参考平面7处的像进行拍摄，即对焦平面在参考平面7处。然后启动加载装置，同时，通过同步控制开关9控制数码高速摄影机5开始记录。在加载装置的作用下，试件6发生变形，在变形区，光的传播方向会发生偏转，在试件6后的参考平面7处，光强将发生变化，出现暗斑，即焦散斑，这些变化被数码高速摄影机5全程记录下后，最终，形成图像发送到电脑8中，电脑8对图像处理、汇总、对比后在显示器上显示出来，从而得出裂纹尖端应力集中程度随时间变化过程和裂纹扩展的行为参数，至此，整个实验过程完成。

其过程中，激光器1的照射为持续、稳定、高亮度的照射，并且选择的激光波长与数码高速摄影机5光感应波长相匹配，保证了曝光强度和连续拍摄的需要。此实验方法不仅使动态焦散线的观察过程方便、简单，还大大缩短了实验周期，提高了实验准确性和精确度。

下面对实现本实验方法的数字激光动态焦散线实验系统做进一步的描述：

如图1所示，一种数字激光动态焦散线实验系统，包括激光器1、扩束器2、场镜组合、加载装置、同步控制开关9、数码高速摄影机5和电脑8。其中，场镜组合包括对应摆放的左场镜3和右场镜4，左场镜3和右场镜4通常为凸透镜。激光器1的位置与扩束器2相对应，扩束器2位于激光器1和场镜组合之间。左场镜3负责将扩束器2传出的面光束变成平行光束后，再经右场镜4汇聚传出。试件6放于左场镜3和右场镜4之间的平行光区域内。数码高速摄影机5位于右场镜4输出端的焦点上，数码高速摄影机5的镜头对参考平面7处的像进行拍摄，即对焦平面在参考平面7处。试件6固定在加载装置上，为保证加载过程和拍摄过程同步进行，完整记录焦散斑产生过程，在加载装置和数码高速摄影机5之间还连接有同步控制开关9。电脑8则连接在数码高速摄影机5的输出端口上，电脑8可随时接收并处理拍摄到的图像。

使用时，开启激光器1，将激光通过扩束器2转换成带有一定角度的面光束，然后，再经左场镜3转换成平行光束后，照射在试件6表面上，接着，右场镜4将平行光束再次聚焦后传送到数码高速摄影机5的镜头上。调整数码高速摄影机5的控制参数与具体实验要求相符，以参考平面7为对焦平面完成试件6的对焦过程，并保持与电脑8的连通状态，设备调试完成。当启动加载装置时，同步控制开关9同时控制数码高速摄影机5开启，随着焦散斑的出现，数码高速摄影机5实时记录其发生和扩展过程，并随时将图像发送到电脑8中，通过电脑8中相应软件的分析、比对后，将结果最终呈现在显示器上。其整个过程操作简单、使用方便，实验结果精准、可靠。

Claims (1)

1.一种数字激光动态焦散线实验系统的实验方法，其特征在于，该实验系统由激光器、扩束器、场镜组合、加载装置、同步控制开关、数码高速摄影机和电脑组成，所述激光器的位置与扩束器相对应，扩束器位于激光器和场镜组合之间；所述场镜组合使扩束器传出的面光束变成平行光后，再经汇聚后传出，实验试件位于场镜组合的平行光区域内；所述数码高速摄影机位于场镜组合输出端的焦点上；所述试件固定在加载装置上；所述同步控制开关连接在加载装置和数码高速摄影机之间，同步控制开关控制数码高速摄影机的开启；所述电脑连接在数码高速摄影机的输出端口上；所述的场镜组合包括两个相对放置的凸透镜，凸透镜之间光线保持平行传送，前端凸透镜的外侧与扩束器相对应，后端凸透镜的外侧焦点与数码高速摄影机相对；

所述实验方法包括以下步骤，a) 选取所述激光器作为实验光源，激光波波长与所述数码高速摄影机的感光波长相匹配；b) 利用所述扩束器将激光器发出的线光束变成面光束，再经所述前端凸透镜将面光束变成平行光后，入射到所述试件上，最后，经所述后端凸透镜将平行光汇聚到对应位置上的数码高速摄影机上；c) 设置数码高速摄影机上的拍摄参数，以位于所述试件和所述后端凸透镜之间平行光区域内的参考平面为标准进行聚焦，启动与试件固定的所述加载装置，同时控制数码高速摄影机记录；d) 所述电脑收集数码高速摄影机拍摄的图像信息，汇总并比较分析后展现在显示屏上，实验过程完成。

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