CN103123286A - 一种激光冲击波时空分布特性的检测方法和装置 - Google Patents

一种激光冲击波时空分布特性的检测方法和装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种激光冲击波时空分布特性的检测方法和装置，包括激光冲击处理模块、激光扩束系统、模拟信号采集系统和后处理系统。其中激光冲击处理模块是激光冲击处理的最基本的配置，包括激光器、数控工作台、隔热铝箔、能量吸收涂料和约束层。扩束系统由倒置的伽利略望远镜构成。模拟信号采集系统包括分布式压电传感器和激光能量计。本发明专利将压电原理应用于激光冲击处理领域，解决了该领域关于激光冲击波时间、空间分布信息的测量问题。

Description

一种激光冲击波时空分布特性的检测方法和装置
技术领域
本发明涉及激光加工领域，具体涉及激光冲击波时空特性的检测方法和装置。
背景技术
激光冲击处理(LSP)是20世纪60年代伴随激光技术逐渐发展而兴起的一种先进加工技术，利用激光辐照固体材料表面产生的冲击波对材料表面进行冲击处理，从而提高材料的抗疲劳寿命、耐磨和耐腐蚀能力。由于用于激光处理的激光脉冲宽度很短(一般在纳秒量级)，且诱导的冲击波幅值很高(一般在GPa量级)，因此对冲击波的时空分布特性的检测比较困难。现有技术采用PVDF压电传感器对激光诱导的冲击波进行检测，但只能从总体上反映冲击波的时间特性，无法反映激光脉冲能量的空间分布对冲击波时空特性的影响。
本发明提供一种激光诱导冲击波时空特性的检测方法和装置。
发明内容
本发明的目的在于提供一种激光诱导冲击波时空分布特性的检测方法和装置，实时检测激光冲击波的时间与空间分布分布规律。
本发明的一种激光诱导冲击波时空分布特性的检测方法，利用扩束装置将激光脉冲扩束使激光光斑直径放大。扩束后的激光经分光镜，一小部分反射到激光能量计中用于测量脉冲能量，另一部分激光能量作用于隔热铝箔上，铝箔的另一侧在激光光斑辐照位置按一定规律布置多个PVDF压力传感器，检测各点的冲击波压力信号。模拟的压力信号、能量信号经A/D转换、经DSP系统采集后进行数据处理，最终输入计算机进行实时显示。
本发明采用如下技术方案，一种激光冲击波时空分布特性的检测装置，包括激光冲击模块、激光扩束系统、模拟信号采集系统、后处理系统。
所述激光冲击模块由激光器、数控工作台、约束层、隔热铝箔、能量吸收涂层组成。所述分布式压电传感器系统灵敏面紧贴于所述铝箔表面，无效面固定于所述数控工作台。所述铝箔，其受冲击面涂一层能量吸收涂层，所述涂层为黑漆。用所述约束层紧固隔热铝箔。所述激光器作为光源进行激光冲击。
为了避免激光在透镜组内部出现焦点，所述扩束系统为伽利略望远镜，即由共焦的负透镜和正透镜组成。
所述模拟信号采集系统包括分布式压电传感器、激光能量计和分光镜。所述分布式压电传感器由薄膜和螺旋分布于薄膜上的若干小片PVDF压电片组成。所述薄膜为圆形，厚度约为0.1mm。所述PVDF压电片呈螺旋分布，每转动90度远离圆心一个单位，如图3所示。所述PVDF压电片均与相同阻值电阻并联接入多通道示波器或后续处理电路。所述分光镜和激光能量计用于分光和采集激光能量信号。
所述后续处理系统，包括光电二极管，A/D转换器，DSP系统，计算机。所述光电二极管在感应到散射激光能量后产生上升沿触发所述A/D转换器和所述DSP系统工作。
本发明专利很好的解决了现有技术中不能反映激光冲击波分布细节的问题。它具有结构简单、测量准确全面、成本低、实时性强等优点，非常适宜于作为激光冲击处理领域的实验和教学工具来开发。
附图说明
图1为本发明专利的结构示意图
图2为本发明专利流程图。
图3为本发明专利中分布式压电传感器的结构示意图。
图中，1.激光器  2.激光扩束系统  3.透明玻璃约束层  4.隔热铝箔  5.分布式压电传感器  6.数控工作台  7.分光镜  8.光电二极管  9.A/D转换器  10.DSP系统  11.计算机  12.激光能量计  13.吸收层涂料  14.薄膜  15.PVDF压电片。
具体实施方式
本激光冲击波时空分布特性的检测装置由激光冲击模块、激光扩束系统、模拟信号采集系统和后处理系统组成。
所述激光冲击模块由激光器1、数控工作台6、透明玻璃约束层3、隔热铝箔4和能量吸收涂料13组成。所述分布式压电传感器5的灵敏面紧贴于所述隔热铝箔4表面，无效面固定于所述数控工作台6。所述隔热铝箔4，其受冲击面涂一层能量吸收涂层13，所述涂层为黑漆。用所述透明玻璃约束层3紧固隔热铝箔4。所述激光器1作为光源进行激光冲击。
为了避免激光在透镜组内部出现焦点，所述激光扩束系统2为由伽利略望远镜，即由共焦的负透镜和正透镜组成。
所述模拟信号采集系统包括分布式压电传感器5、分光镜7和激光能量计12。所述分布式压电传感器5由薄膜14和螺旋分布于薄膜上的若干小片PVDF压电片15组成。所述薄膜14为圆形，厚度约为0.1mm。所述PVDF压电片15呈螺旋分布，每转动90度远离圆心一个单位。所述PVDF压电片15均与相同阻值电阻并联接入多通道示波器或后续处理电路。所述分光镜7和激光能量计12用于分光和采集激光能量信号。
所述后处理系统，包括光电二极管8，A/D转换器9，DSP系统10，计算机11。
实施本发明的检测方法，具体实施过程如下。
(1)调节数控工作台6，使激光冲击模块中的激光器1指示光对准隔热铝箔4中心位置。计算机11对各系统（激光器1、信号采集系统和后处理系统）检测并初始化。确认加载成功之后，调节激光参数，进行激光冲击实验。
(2)输出激光束通过激光扩束系统2后，光束横截面积变大，但依旧能保持原有能量分布形式。这样的大光斑激光束，一方面可以避免过强烈的冲击波压力，保证各PVDF压电片15工作在线性工作范围内，提高测量精度；另一方面较大的光斑面积便于布满PVDF压电片15。
(3)透过分光镜7，一部分激光束作用在材料上，激光的主要能量通过透明玻璃约束层3后，在能量吸收涂层13表层形成高温高压等离子体冲击波，一部分冲击波将逐渐向铝箔4内部传播，这些冲击波压力最终被分布式压电传感器5检测到。
（4）透过分光镜7，另一部分激光束经光电二极管8响应散射光，瞬时形成上升沿电压触发A/D转换器9和DSP系统10。激光能量计12用来测量光脉冲能量。冲击波压力和激光能量计的响应值以模拟电信号的形式输入A/D转换器9，转换后的数字信号送入DSP系统10处理。同一时刻，径向等间距螺旋分布的PVDF压电片15输出电压反映的是该时刻冲击波压力沿径向的分布情况；同一PVDF压电片15输出波形，反映的是冲击波压力波形随时间的变化规律，借此可以反映激光冲击波随时间的变换情况。由于所需处理数据量为一个巨大的三维矩阵(二维空间、一维时间)较大，且激光冲击过程中持续时间短，在                                                
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量级时间内需要采集大量数据，因此需要使用高性能的DSP系统。DSP系统10通过RS232接口将处理后的信号送入计算机11，流程图如图2所示。

Claims (4)

1.一种激光冲击波时空分布特性的检测装置，其特征在于，由激光冲击处理模块、激光扩束系统（2）、模拟信号采集系统和后处理系统组成；激光冲击处理模块包括激光器（1）、数控工作台（6）、隔热铝箔（4）、能量吸收涂层（13）和透明玻璃约束层（3），模拟信号采集系统包括分布式压电传感器（5）、激光能量计（12）、分光镜（7）和光电二极管（8），后处理系统包括A/D转换器（9）、DSP系统（10）、计算机（11）；所述分布式压电传感器（5）的灵敏面紧贴于隔热铝箔（4）表面，无效面固定于数控工作台（6），隔热铝箔（4）受冲击面涂一层能量吸收涂层（13），所述涂层为黑漆，透明玻璃约束层（3）紧固于隔热铝箔（4），调节数控工作台（6），使激光冲击模块中的激光器（1）指示光对准隔热铝箔（4）中心位置输出激光束进行冲击强化，所述激光束通过激光扩束系统（2）后，经分光镜（7），一部分激光束通过透明玻璃约束层（3），在能量吸收涂层（13）表层形成等离子体冲击波，并逐渐向铝箔（4）内部传播，最终被分布式压电传感器（5）检测到，另一部分激光束通过光电二极管（8）响应散射光，瞬时形成上升沿电压触发A/D转换器（9）和DSP系统（10），并用激光能量计（12）测量光脉冲能量，冲击波压力和激光能量计的响应值以模拟电信号的形式输入A/D转换器（9），转换后的数字信号送入DSP系统（10）处理，DSP系统（10）通过RS232接口将处理后的信号送入计算机（11）。
2.根据权利要求1所述的一种激光冲击波时空分布特性的检测装置，其特征在于，分布式压电传感器（5）由薄膜（14）和螺旋分布于薄膜上的若干小片PVDF压电片（15）组成，所述薄膜（14）为圆形，厚度约为0.1mm，所述PVDF压电片（15）呈螺旋分布，每转动90度远离圆心一个单位，所述PVDF压电片（15）均与相同阻值电阻并联接入多通道示波器或后续处理电路。
3.一种激光冲击波时空分布特性的检测方法，其特征在于，调节数控工作台，使激光冲击模块中的激光器指示光对准隔热铝箔中心位置，计算机对激光器信号采集系统和后处理系统检测并初始化，确认加载成功之后，调节激光参数，进行激光冲击实验，输出激光束通过激光扩束系统进行扩束，经分光镜分光，一部分激光束通过透明玻璃约束层，在能量吸收涂层表层形成等离子体冲击波，并逐渐向铝箔内部传播，最终被分布式压电传感器检测到，另一部分激光束通过光电二极管响应散射光，瞬时形成上升沿电压触发A/D转换器和DSP系统，激光能量计测量光脉冲能量，冲击波压力和激光能量计的响应值以模拟电信号的形式输入A/D转换器，转换后的数字信号送入DSP系统处理，DSP系统通过RS232接口将处理后的信号送入计算机。
4. 根据权利要求3所述的一种激光冲击波时空分布特性的检测方法，其特征在于，后处理系统中所采用的处理算法为，同一时刻，径向等间距螺旋分布的PVDF压电传感器反映的是该时刻冲击波压力沿径向的分布；同一位置，不同时刻压力波值反映的是该位置冲击波压力的变化规律。
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