CN102589766B - 数字激光爆炸加载动光弹实验系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种数字激光爆炸加载动光弹实验系统，包括激光器、扩束镜、场镜组合、左1/4波片、右1/4波片、检偏镜、爆炸加载装置、起爆器、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、场镜及左1/4波片转换成圆偏振光照射在爆炸加载装置的试件上，又经右1/4波片、检偏镜及场镜汇聚后，照射到数码高速摄影机的镜头中，最后，经起爆器同步引爆和开启数码高速摄影机拍摄，形成爆炸加载图像。该系统可以对爆破载荷下应力波在试件中的传播过程、应力时空分布等信息进行记录分析，光路系统简单，实验环境要求和实验成本低，周期短，精确度高，实现了整个断裂过程的连续观测。

Description

数字激光爆炸加载动光弹实验系统

技术领域

本发明涉及一种动态光测力学实验装置，特别涉及一种研究爆炸应力波的数字激光爆炸加载动光弹实验系统。 

背景技术

动光弹实验是采用光学灵敏性材料制成与实物相似的模型，在动载荷作用下，用偏振光照射，在底板上直接记录模型中应力等差线的一种光学测量方法。它具有很强的直观性，能直接获得固体介质中应力波的传播、迭加，以及裂纹与应力波相互作用的动态过程中瞬间应力分布图，可以真实反映出动态过程的信息与规律。 

在动态光弹性研究中，国内通常采用多火花式动光弹仪。该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，记录下光弹的实验过程，相当于多通道静态光弹仪接续工作，不会因像移而产生图像模糊的问题，因而可获得清晰的应力条纹图像。但由于该实验系统需延迟控制器及光电装置来控制和校核火花的放电时刻，导致摄影时机不易把控；同时，光通过光弹模型时，产生视差，总幅数较少，摄影频率较低，给后期分析处理带来困难。 

在国外，也有采用静态光弹仪与转镜式高速分幅相机结合的系统，即在高速摄影系统中加入偏振光场，由于该系统的测试灵敏度低，无法获得清晰的应力条纹图像。 

工作时，上述两种设备采用的都是传统的物理胶片作为记录介质，对实验人员的操作和经验要求较高，实验成功率低，成本高，不利于开展更深一步地研究。 

如何解决上述问题，强化和改进动态光弹实验系统，就成为本发明的主要目的。 

发明内容

随着数码技术的发展，本发明旨在建立一种数字激光爆炸加载动光弹实验系统，将高速数码摄影与静态光弹系统相结合，变物理胶片为数码照片，实现动态光弹实验系统的创新、发展和升级。 

本发明是通过以下技术方案实现的： 

本发明所述的数字激光爆炸加载动光弹实验系统，具体包括激光器、扩束镜、场镜组合、左1/4波片、右1/4波片、检偏镜、爆炸加载装置、起爆器、数码高速摄影机和电脑。激光器的照射端与扩束镜相对应，扩束镜与场镜相对应，场镜组合使扩束镜传出的面光束变成平行光后，再经汇聚后传出。左1/4波片、右1/4波片和检偏镜沿着激光照射方向顺序排列在场镜组合的平行光区域内；爆炸加载装置位于左、右1/4波片之间；数码高速摄影机位于场镜组合输出端的焦点上；起爆器采用同步信号连接的方式分别与爆炸加载装置和数码高速摄影机连接；电脑连接在数码高速摄影机的输出端口上。 

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。激光器的具体型号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实验的不同要求，从而完成激光器的型号选择。在具体实验中，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，实现正常环境条件下的拍摄需要，使光弹条纹的呈现更直观、明了。 

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镜，扩束镜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。 

场镜组合位于扩束镜的后续光路传送通道上，场镜组合为两个相对放置的凸透镜，其中，前端凸透镜将扩束镜传导出的面光束变成平行光后，再经后端凸透镜汇聚后传出。平行光可保证试件照射过程和后期图像采集过程的准确性。 

左1/4波片、右1/4波片和检偏镜位于场镜组合的前端凸透镜与后端凸透镜之间，由于激光本身为偏振光，即满足了光弹中对入射光是偏振光的要求，其中，左1/4波片用于产生圆偏振光，右1/4波片及检偏镜负责还原圆偏振光为平面偏振光。当然，为保证圆偏振光场的形成质量，在圆偏振光场中还可包括起偏镜，起偏镜可放置于前端凸透镜和左1/4波片之间，其作为实验过程的备选设备待用。 

爆炸加载装置设置于左1/4波片和右1/4波片之间，试件被固定在爆炸加载装置上。常用的爆炸加载装置为U形结构，在U形结构顶部两侧设有卡持端，试件被卡持端卡持在U形结构内侧，既利于固定安装，又方便使用。其中，试件在被固定之前，首先对其开设炮孔，炮孔内装填药包，并布设起爆线，起爆线与起爆器相连。利用爆炸加载装置的卡持端对炮孔两端及试件进行封堵并卡持，使试件位置相对固定，并为最后起爆做准备。 

随着数码技术的进步，本发明采用数码高速摄影机进行试件光弹条纹信息的记录，其避免了以往拍摄过程对胶片的依赖，拍摄成本大幅降低。数码高速摄影机设置于场镜组合中后端凸透镜的输出端焦点上，其负责对试件图像进行随时采集，记录试件上光弹条纹的变化过程。其中，为保证拍摄质量，数码高速摄影机的光感应波长应与激光器的激光波长相匹配，拍摄中，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光弹条纹的清晰、连续记录，性能稳定，操作可靠。 

而为保证拍摄过程及时、有效，起爆器采用同步信号传送的方式分别与爆炸加载装置和数码高速摄影机连通，启动药包爆炸的同时开启快门开始记录，避免了不同步造成的拍摄滞后和拍摄质量下降的危险，操作简单、使用方便。 

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，对后续光弹条纹的判读提供了方便。 

本发明所述的数字激光爆炸加载动光弹实验系统，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，在普通室内环境下即可进行实验操作，得到清晰且连续的光弹图像。 

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光弹的实时记录。 

3、数码照片可以大大降低试验成本，使后期数据处理和对比分析过程简单化、方便化。 

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，性能稳定、操作可靠，实验效果好，成功率高。 

附图说明

图1为本发明的结构原理图； 

图2为具体实施过程所拍摄的实验光弹照片。 

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成高速 摄影系统，结合场镜组合、圆偏振光场、爆炸加载装置，得到图像清晰、准确的数码光弹照片，实现爆炸加载下动光弹实验系统的突破。 

下面结合附图对本发明做进一步详细的描述： 

如图1所示，一种数字激光爆炸加载动光弹实验系统，包括激光器1、扩束镜2、前端凸透镜3、起偏镜4、左1/4波片5、右1/4波片6、检偏镜7、后端凸透镜8、爆炸加载装置11、起爆器14、数码高速摄影机9和电脑10。 

其中，激光器1的输出端与扩束镜2相对应，扩束镜2位于激光器1和前端凸透镜3之间。场镜组合中的前端凸透镜3负责将扩束镜2传出的面光束变成平行光束后，再经后端凸透镜8汇聚传出。在前、后端凸透镜3，8之间，顺序放置起偏镜4、左1/4波片5、右1/4波片6、检偏镜7，形成圆偏振光场。爆炸加载装置11放于左、右1/4波片5，6之间的平行光区域内，试件12固定在爆炸加载装置11上。试件12上设有炮孔13，并装填药包后布设起爆线，起爆线与起爆器14相连。数码高速摄影机9位于后端凸透镜8输出端的焦点上。为保证加载过程和拍摄过程同步进行，起爆器14采用同步信号传送的方式分别与爆炸加载装置11和数码高速摄影机9相连，当起爆器14引爆药包的同时数码高速摄影机9开始工作。电脑10连接在数码高速摄影机9的输出端口上，电脑10可随时接收并处理拍摄到的图像。 

实验开始前，首先选取试件12，在试件12上布设炮孔13、装填药包后埋设起爆线，固定试件12在爆炸加载装置11上，并将起爆器14分别与起爆线和数码高速摄影机9同步信号连通。接着，开启激光器1，将激光通过扩束镜2转换成带有一定角度的面光束，然后，经前端凸透镜3转换成平行光束后，通过起偏镜4和左1/4波片5变为圆偏振光，照射在试件12表面，之后，经右1/4波片6、检偏镜7和后端凸透镜8将光束再次聚焦后传送到数码高速摄影机9的镜头上。调整数码高速摄影机9的控制参数与具体实验要求相符，并保持与电脑10的连通状态，设备调试完成，数码高速摄影机9处于待启动状态，试件12中没有应力波和变形，数码高速摄影机9也不会采集到光弹条纹信息。 

开始实验，按下起爆器14的控制开关，引爆药包，同时，触发数码高速摄影机9，试件12受到爆炸载荷后，应力波在试件12中传播，试件12发生变形，数码高速摄影机9连续采集试件12上的光弹条纹信息，并实时记录下变化过程，记录的图像被发送到电脑10中，通过电脑10中相应软件的分析、比对后，其结果最终呈现在显示器上，如图2所示，得到实验光弹照片。其中，炸药为叠氮化铅，装药量150mg，光弹材料为聚碳酸酯，尺寸为300*300*5mm。由显示图像可以看出：聚碳酸酯板材在爆炸载荷作用下出现了明显的光弹条纹，根据处理评判条纹级数，即可得到不同时刻试件上的应力分布情况。 

由于试件采用的是建材市场上最普通的聚碳酸酯板材，其表现更为明显的光塑性，且由于试件加工制作过程中，试件中留有残余应力等因素，导致实验结果不如低速冲击实验情况中的条纹清晰。若采用光弹用的环氧树脂板材，经过严格的试件加工工序，满足理想的光弹实验材料要求，实验结果会更加理想。 

Claims (3)

1.数字激光爆炸加载动光弹实验系统，其特征在于，包括激光器、扩束镜、场镜组合、左1/4波片、右1/4波片、检偏镜、爆炸加载装置、起爆器、数码高速摄影机和电脑，所述激光器的照射端与扩束镜相对应，扩束镜与场镜相对应，场镜组合使扩束镜传出的面光束变成平行光后，再经汇聚后传出；所述左1/4波片、右1/4波片和检偏镜沿激光照射方向顺序排列在场镜组合的平行光区域内；所述爆炸加载装置位于左、右1/4波片之间；所述数码高速摄影机位于场镜组合输出端的焦点上；所述起爆器采用同步信号连接的方式分别与爆炸加载装置和数码高速摄影机连接；所述电脑连接在数码高速摄影机的输出端口上； 

所述的爆炸加载装置为U形结构，在U形结构顶部两侧设有卡持端，试件被卡持端卡持在U形结构内侧；试件在被固定之前，首先对其开设炮孔，炮孔内装填药包，并布设起爆线，起爆线与起爆器相连；利用爆炸加载装置的卡持端对炮孔两端及试件进行封堵并卡持，使试件位置相对固定；

所述的激光器为实验光源，且激光波波长为所述数码高速摄影机的感应最匹配波长。

2.根据权利要求1所述的数字激光爆炸加载动光弹实验系统，其特征在于，所述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镜相对应，后端凸透镜的外侧焦点与数码高速摄影机相对。

3.根据权利要求1所述的数字激光爆炸加载动光弹实验系统，其特征在于，还包括起偏镜，所述起偏镜位于前端凸透镜与左1/4波片之间。

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