CN103105416A - 一种检测超高应变率下材料表面动态响应的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种检测超高应变率下材料表面动态响应的方法，包括：（1）在材料表面预先划定的激光冲击光斑区域外分别沿光斑径向方向和垂直径向方向粘贴PVDF压电薄膜；（2）利用高功率短脉冲激光冲击材料表面，使材料处于超高应变率加载；（3）实时采集两个PVDF压电薄膜的压电信号，并将所述压电信号转换成应变信号；（4）根据所述应变信号分析高应变率下材料的动态响应。本发明属于非接触加载，能实现多次重复加载；同时激光参数可调，方便改变加载条件。本发明的测量原理明确，设备结构简单，响应频率高，测量精度高。本发明还同时提供了一种检测超高应变率下材料表面动态响应的装置。

Description

一种检测超高应变率下材料表面动态响应的方法和装置

技术领域

本发明涉及材料测量技术领域，特别涉及一种检测超高应变率下材料表面动态响应的方法和装置。它利用高功率（10⁹w/cm²）短脉冲（ns级）激光高应变率（10⁷s^-1）动态直接加载试样的表面，利用PVDF压电薄膜检测激光加载过程中材料表面的动态应变，根据采集的动态应变曲线分析超高应变率下材料的动态响应。

背景技术

材料的应变率变化范围可分为四类：蠕变（应变率范围10^-8s^-1～10^-6s^-1）、准静态（10^-6s^-1～10⁰s^-1）、高应变率（10⁰s^-1～10⁴s^-1）和超高应变率（10⁴s^-1～10⁸s^-1）。激光冲击强化技术是一种利用高功率（10⁹w/cm²）短脉冲（ns级）激光与材料相互作用过程中产生的高压冲击应力波（GPa级）的力效应来改善金属机械性能的一种表面改性技术。激光加载过程的平均应变率可达10⁶～10⁷s^-1，这是目前实验室所能实现的最高压力和应变率水平。激光诱导的冲击波为研究材料在超高应变率和极高压力下的本构行为、动态断裂以及冲击波传播规律提供了一种十分有效的加载手段。因此，可以通过检测激光冲击过程中材料表面的动态应变曲线来研究材料在超高应变率下的动态响应。

激光诱导等离子冲击波具有作用时间短（ns级）、压力大（GPa级）的特点，给实验测量材料表面的动态应变带来了很大的困难。传统的动态应变测量方式基本上是利用电阻应变片组成测量电桥形式，结合相应的外围电路，采用调频的方式形成动态应变测量系统。例如专利CN201096560公开了一种冲压模具动态应力应变测量装置，包括应变花、电阻式应变片、电桥盒、动态应变仪、位移传感器、工业计算机等。然而，电阻应变片本身的机械滞后特性以及外围电路的设计方式，都会影响动态测量的精度和范围，同时电阻应变片和外围电路的响应频率相比超高应变率下材料的动态响应频率较低，无法对超高应变率下材料的动态应变进行实时检测。

PVDF压电薄膜是一种新型的高分子压电材料，与一般压电材料的区别在于其具有良好的韧性，可以根据需要加工成任意面积、形状的结构。它具有动态响应快（ns量级）、频响范围宽(0.1Hz～几个GHz)和灵敏度高的优点。不但可以应用于冲击压力的测量，同时也可用于平面动态应变的测量。

发明内容

本发明的目的是提出一种基于PVDF压电薄膜技术和激光冲击强化技术的检测超高应变率下材料表面动态响应的方法；本发明还同时提供了一种检测超高应变率下材料表面动态响应的装置。

本发明是通过如下技术方案实现的：

一种检测超高应变率下材料表面动态响应的方法，包括以下步骤：

（1）在材料表面预先划定的激光冲击光斑区域外分别沿光斑径向方向和垂直径向方向粘贴PVDF压电薄膜；

（2）利用高功率短脉冲激光冲击材料表面，使材料处于超高应变率加载；所述材料表面的光斑区域与预先划定的激光冲击光斑区域一致；

（3）实时采集两个PVDF压电薄膜的压电信号，并将所述压电信号转换成应变信号；

（4）根据所述应变信号分析高应变率下材料的动态响应。

本发明还提供了一种检测超高应变率下材料表面动态响应的装置，包括激光系统、支撑架、夹具系统、信号采集系统、定位系统、电控柜和工控机；

所述激光系统包括脉冲激光器、扩束镜、反光镜和聚焦镜，扩束镜和反光镜安装在支撑架上，脉冲激光器与电控柜和工控机相连，脉冲激光器发出的激光束经扩束镜、反光镜和聚焦镜后汇聚在待检测工件的表面；所述待检测工件的表面涂布有吸收层，所述吸收层的涂布面积与激光光斑面积对应；

所述定位系统安装在支撑架上，用于发射出定位激光束；所述定位系统与电控柜相连；电控柜与工控机相连；

所述夹具系统包括夹具、工作台和进给机构，工作台安装在进给机构上，夹具安装在工作台上，待检测工件安装在夹具内；进给机构与电控柜相连，通过工控机的控制可实现工作台的X-Y平面运动；

所述信号采集系统包括两个PVDF压电薄膜、两个电阻、光电二极管和示波器，两个PVDF压电薄膜分别粘贴在待检测工件表面冲击光斑区域外的光斑径向方向和垂直径向方向，所述电阻并联在PVDF压电薄膜的两极；两个PVDF压电薄膜均与示波器相连，光电二极管的一端与示波器相连，另一端接收激光作为示波器的触发信号；示波器的输出端与工控机相连，利用工控机对示波器的输出信号进行计算处理。

本发明提出一种基于PVDF压电薄膜技术和激光冲击强化技术的检测超高应变率下材料表面动态响应的方法与装置。它利用高功率短脉冲激光高应变率动态直接加载试样表面，利用PVDF压电薄膜检测激光加载过程中材料表面的动态应变，根据动态应变曲线分析材料在超高应变率下的动态响应。本发明具有如下有益效果：

（1）本发明利用高功率短脉冲激光冲击材料表面，使材料处于超高应变率加载。加载过程的平均应变率可达10⁶～10⁷s^-1，属于非接触加载，能实现多次重复加载。同时激光参数可调，方便改变加载条件。

（2）本发明利用PVDF压电薄膜检测激光加载过程中材料表面的动态应变，根据动态应变曲线分析材料在超高应变率下的动态响应。PVDF压电薄膜粘贴在冲击光斑区域外，同时待检测工件表面涂布有与冲击光斑面积对应的吸收层，避免了激光冲击热效应对测量结果的影响。

（3）本发明的测量原理明确，设备结构简单，响应频率高，测量精度高。

附图说明

图1是本发明所述检测装置的结构示意图；

图2是本发明所述PVDF压电薄膜粘贴示意图；

图3是示波器输出的电压-时间曲线图；

图4是经计算得到的高应变率下2024铝合金表面的应变-时间曲线图；

1.激光器2.扩束镜3.反光镜4.聚焦镜5.支撑架6.PVDF压电薄膜7.吸收层8.待检测工件9.夹具10.工作台11.进给机构12.光电二极管13.电阻14.示波器15.定位装置16.电控柜17.工控机。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明提出的方法及装置的细节和工作情况作进一步说明，以下实施例用来说明本发明，但不限制本发明。

本发明提供了一种检测超高应变率下材料表面动态响应的方法，利用高功率短脉冲激光冲击材料表面，使材料处于超高应变率加载，利用PVDF压电薄膜检测激光加载过程中材料表面的动态应变，根据动态应变曲线分析材料在超高应变率下的动态响应。

该方法包括以下步骤：

（1）激光加载前，在材料表面预先划定的激光冲击光斑区域外分别沿光斑径向方向和垂直径向方向粘贴PVDF压电薄膜；

（2）利用高功率短脉冲激光冲击材料表面，使材料处于超高应变率加载；所述材料表面的光斑区域与预先划定的激光冲击光斑区域一致；

（3）用示波器实时采集两个PVDF压电薄膜的压电信号，并通过计算式将所述压电信号转换成应变信号；

PVDF压电薄膜的压电效应分为压电横向效应和压电纵向效应两种。前者是指压电材料与薄膜面平行的伸缩振动效应，通常用d₃₁，d₃₂来表示；后者是指压电材料垂直于膜面的纵向振动效应，通常用d₃₃表示。

PVDF压电薄膜的电荷输出是它所有方向的应变在极化方向上作用的响应。输出电荷Q=∑d_3jE_PVDFε_jS，式中S为PVDF压电薄膜电极所覆盖的面积（m²），E_PVDF为PVDF压电薄膜的弹性模量（N/m²），ε_j为应变（j=1～3），d_3j为压电应变常数（j=1～3）。

PVDF压电薄膜粘贴在激光冲击光斑区域外，检测的是激光冲击过程中光斑周围区域材料的动态响应，垂直于膜面的振动效应可以忽略不计。输出电荷Q=（d₃₁ε₁+d₃₂ε₂）E_PVDFS。示波器输出的是电压信号，连接示波器时在PVDF压电薄膜的两极并联一电阻R，用光电二极管接收激光作为示波器的触发信号。在t时刻PVDF压电薄膜上转移电荷Q(t)与电压信号V(t)之间满足： $Q\left(t\right)={\∫}_0^t\frac{V\left(t\right)}{R}\mathrm{dt}.$

将示波器输出的两电压信号分别代入式

即可得到两PVDF输出的电荷-时间曲线。将得到的电荷-时间曲线代入式Q=（d₃₁ε₁+d₃₂ε₂）E_PVDFS，便可得到ε₁-t曲线和ε₂-t曲线。

（4）根据所述应变信号分析高应变率下材料的动态响应，为材料在极端条件下的使用提供依据。

本发明提供了一种检测超高应变率下材料表面动态响应的装置，如图1所示，包括激光系统、支撑架5、夹具系统、信号采集系统、定位装置15、电控柜16和工控机17。所述的激光系统包括脉冲激光器1、扩束镜2、反光镜3和聚焦镜4，扩束镜2和反光镜3安装在支撑架5上，激光器1一端分别与电控柜16和工控机17相连，脉冲激光器1发出的激光束通过扩束镜2、反光镜3和聚焦镜4汇聚在在待检测工件8的表面；所述待检测工件8的表面涂布有吸收层7，所述吸收层7的涂布面积与激光光斑面积对应；

所述的夹具系统包括夹具9、工作台10和进给机构11，工作台10安装在进给机构11上，工作台10的高度可调，夹具9安装在工作台10上，待检测工件8安装在夹具9内；进给机构11与电控柜16相连，通过工控机17的控制可实现工作台10以及待检测工件8的X-Y平面运动。

所述的信号采集系统包括两个PVDF压电薄膜6、光电二极管12、两个电阻13和示波器14，两个PVDF压电薄膜6分别沿光斑径向方向和垂直光斑径向方向粘贴在待检测工件8的表面冲击光斑区域外，PVDF压电薄膜6与示波器14连接，连接前在PVDF压电薄膜6的两极分别并联一阻值相同的电阻13；光电二极管12的一端与示波器14相连，另一端接收激光作为示波器14的触发信号。示波器14的输出端与工控机17相连，利用工控机17对示波器14的输出信号进行计算处理。

所述的定位装置15安装在支撑架5上，可发射出定位激光束；电控柜16分别与激光器1，定位装置15、进给机构11、示波器14和工控机17相连。

上述检测超高应变率下材料表面动态响应的装置的工作过程如下：

（1）激光冲击加载前，手动调节工作台10的高度获得所需直径的光斑，利用工控机17和电控柜16调整脉冲激光参数。

（2）在待检测工件8上激光预冲击位置涂布面积与冲击光斑面积相对应的吸收层7，按图2所示的位置粘贴PVDF压电薄膜6，在PVDF压电薄膜6的两极分别并联一阻值相同的电阻13，PVDF压电薄膜6与示波器14连接，待检测工件8安装在夹具系统的夹具9内，通过定位装置15定位预冲击点，利用工控机17和电控柜16调整待检测工件8的位置，使冲击光斑与待检测工件8的预冲击点重合。

（3）激光器1发出的短脉冲激光束经扩束镜2和反光镜3后得到垂直于待检测工件8表面方向的激光束，经会.聚焦镜4后汇聚于一点作用于待检测工件8上，使待检测工件8处于超高应变率加载。

（4）工件8表面材料在超高应变率加载下发生动态响应，光电二极管12接收激光作为示波器14的触发信号，示波器14实时检测PVDF压电薄膜6的压电信号，并以电压-时间曲线的形式输出（如图3所示）。输出的电压-时间曲线经工控机17计算处理后得到材料表面的应变-时间曲线，通过应变-时间曲线分析材料在超高应变率下的动态响应。

具体实施例

采用本发明的方法及装置对超高应变率下2024铝合金表面的动态响应进行检测。

实验条件为：SGR系列光电调Q脉冲Nd:YAG固体激光器，激光能量1J，光斑直径为3mm，激光波长1064nm，脉宽10ns。激光冲击时采用黑色胶带作为能量吸收层，尺寸为4mm×4mm×150μm。锦州科信电子材料有限公司生产的PVDF压电薄膜，尺寸为5mm×10mm×30μm，主要技术指标如表1所示。并联电阻阻值50Ω，DL9140数字示波器。

表1PVDF压电薄膜主要技术性能指标

从图4可以观察到，脉冲激光作用下材料沿冲击光斑径向方向的应变和沿垂直光斑径向方向的应变变化趋势相同。在单个脉冲激光作用时间内（约为30ns），光斑周围材料先受压，PVDF贴片传感器首先检测到的是压应变，随后压应变减小。脉冲激光作用结束后，光斑周围材料表面粒子不断往复运动。在此过程中，PVDF贴片传感器检测到了拉应变。最后随着时间的推移，动态应变曲线趋于平稳。

下面以图4中沿冲击光斑径向方向的ε₁-t曲线为例，详细的解释上述特征。激光冲击压力加载过程中，冲击压力覆盖区域材料表面受到挤压，冲击区域粒子在表面平面波的作用下向外膨胀，使得冲击区域周围材料受压，PVDF贴片传感器检测到压应变（A点）。加载作用结束后，进入压力卸载阶段，由于激光冲击为局部加载，周围材料对冲击区域粒子的横向膨胀将产生约束作用，表面平面波传播到冲击区域边界处时将产生表面稀疏波，并向冲击区域中心传播，冲击区域粒子由于惯性继续向外膨胀，PVDF贴片传感器检测到最大压应变（B点），随后中心区域粒子在表面稀疏波的作用下将发生反向加载，导致压应变减小。当表面稀疏波传播至冲击区域中心时，压应变减小到C点。脉冲激光作用结束后，由于纵向应力波的相互作用，中心区域将产生沿着远离中心方向传播的卸载波，并在冲击区域边界处产生卸载稀疏波，沿光斑径向方向往复运动。同时，表面稀疏波也不断往复运动，当冲击区域材料在反向卸载稀疏波和反向表面稀疏波的作用下受压时，PVDF贴片传感器检测到拉应变（D点）。最后随着时间的推移，表面粒子的动态响应经反复振荡后逐渐衰弱形成最终的稳定状态。

以上所述为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所作的等同变化，皆应属本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种检测超高应变率下材料表面动态响应的方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）在材料表面预先划定的激光冲击光斑区域外分别沿光斑径向方向和垂直径向方向粘贴PVDF压电薄膜；

（2）利用高功率短脉冲激光冲击材料表面，使材料处于超高应变率加载；所述材料表面的光斑区域与预先划定的激光冲击光斑区域一致；

（3）实时采集两个PVDF压电薄膜的压电信号，并将所述压电信号转换成应变信号；

（4）根据所述应变信号分析高应变率下材料的动态响应。

2.根据权利要求1所述的检测超高应变率下材料表面动态响应的方法，其特征在于，步骤（1）之前还包括：在待检测工件表面涂布一与激光冲击光斑区域面积对应的吸收层。

3.一种检测超高应变率下材料表面动态响应的装置，其特征在于，包括激光系统、支撑架、夹具系统、信号采集系统、定位系统、电控柜和工控机；

所述激光系统包括脉冲激光器、扩束镜、反光镜和聚焦镜，扩束镜和反光镜安装在支撑架上，脉冲激光器与电控柜和工控机相连，脉冲激光器发出的激光束经扩束镜、反光镜和聚焦镜后汇聚在待检测工件的表面；所述待检测工件的表面涂布有吸收层，所述吸收层的涂布面积与激光光斑面积对应；

所述定位系统安装在支撑架上，用于发射出定位激光束；所述定位系统与电控柜相连；电控柜与工控机相连；

所述夹具系统包括夹具、工作台和进给机构，工作台安装在进给机构上，夹具安装在工作台上，待检测工件安装在夹具内；进给机构与电控柜相连，通过工控机的控制可实现工作台的X-Y平面运动；

所述信号采集系统包括两个PVDF压电薄膜、两个电阻、光电二极管和示波器，两个PVDF压电薄膜分别粘贴在待检测工件表面冲击光斑区域外的光斑径向方向和垂直径向方向，所述电阻并联在PVDF压电薄膜的两极；两个PVDF压电薄膜均与示波器相连，光电二极管的一端与示波器相连，另一端接收激光作为示波器的触发信号；示波器的输出端与工控机相连，利用工控机对示波器的输出信号进行计算处理。

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