CN103234941B - 亚声速切向气流下材料激光反射率动态测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

亚声速切向气流下材料激光反射率动态测量装置，包括收集测量系统和试验段，所述试验段包括测试材料放置区，还包括吹气系统和半椭球反射计，所述测试材料放置区和收集测量系统的测量口分别位于所述半椭球反射计的第一焦点和第二焦点处；所述试验段还包括与吹气系统连接的气道，气道包括气道出气口和气道进气口，所述气道的出气方向平行于放置在测试材料放置区的测试材料外表面。本发明还提供一种基于上述装置的亚声速切向气流下材料激光反射率动态测量方法。采用本发明所述的亚声速切向气流下材料激光反射率动态测量装置及方法，可获取切向气流条件下激光与金属材料相互作用过程中材料反射率的动态变化趋势曲线。

Description

亚声速切向气流下材料激光反射率动态测量装置及方法

技术领域

本发明属于光学领域的测量装置及测量方法，涉及一种亚声速切向气流下材料激光反射率动态测量装置及方法。

背景技术

激光与材料的相互作用都首先是从材料对入射激光能量反射和吸收开始的，材料对激光的初始反射特性与激光工作体制（连续、脉冲、重频等）、激光波长，以及材料种类、表面状况、辐照环境等因素有关。在激光加工、表面清洗等作用过程中，通过各种耦合机制吸收激光能量的材料将产生热学、力学、化学等响应，材料的这些物理、化学等响应导致其表面性质发生变化，将反过来影响材料对激光能量的反射特性。可见，影响材料在激光辐照过程中反射率变化的因素很多，且时常是多种影响因素耦合在一起，故很难从理论的角度对其进行定量描述，目前，主要依靠实验的方法对材料激光辐照过程中反射率的变化情况进行测量。因此，发展或改进反射率实验测试装置就成为激光技术应用领域中较为重要的工作。

由于激光在军事、民用领域有着广泛的用途和广阔的拓展前景，如激光焊接、激光清洗、激光切割等，因此，国、内外一直都很重视材料激光反射率测量装置及方法的建立及改进，以满足相关激光技术应用的需求，如量热计装置、辐射计装置及反射计装置等。其中，积分球反射计和半椭球反射计是激光辐照材料过程中反射率动态测量较为常用的装置，与密闭容器、旋转平台等器件相结合，可用于对不同组份气体静态环境、压力、入射角度等多种激光加工实际条件下，材料在激光辐照过程中反射率的动态测量。

当待测材料表面存在亚声速气流时，对激光加热作用有冷却作用，随着激光加热时间增加，气流带来的热量损失随着温差增大而增大，这在定性上不难理解，但在如何定量测量气流作用对激光加热过程的影响，以及由于该影响导致的材料反射率参数的变化，仍然是测量材料在气流作用下反射率参数所需要解决的问题。

目前，从国内外公开报道的文献来看，以建立或改进适用于静态环境下，材料激光反射率测量装置或测试技术为主，尚未见到可进行材料表面存在切向气流时，激光辐照过程中材料反射率动态变化测量装置的相关报道，所谓切向气流，即气流方向平行于光滑材料表面方向。

为得到切向气流条件下的材料激光能量耦合系数，实现激光与材料相互过程中最优激光参数的准确预估，进而减少激光加工成本及提高能源利用效率，亟需一种切向气流条件下，激光辐照材料过程中对其表面反射率动态变化进行测量的装置。

发明内容

为获取切向气流条件下，激光与金属材料相互作用过程中的能量耦合系数，本发明提供了一种亚声速切向气流下材料激光反射率动态测量装置及方法。

本发明所述亚声速切向气流下材料激光反射率动态测量装置，包括收集测量系统和试验段，所述试验段包括测试材料放置区；

其特征在于：还包括吹气系统和半椭球反射计，所述测试材料放置区和收集测量系统的测量口分别位于所述半椭球反射计的第一焦点和第二焦点处；

所述试验段还包括与吹气系统连接的气道，气道包括气道出气口和气道进气口，所述气道的出气方向平行于放置在测试材料放置区的测试材料外表面。

优选的，所述吹气系统包括顺次相连的截止阀、减压阀、球阀、节流阀、安全阀；所述安全阀的出口与试验段气道进气口连接，所述截止阀的入口与外置气源连接。

优选的，所述吹气系统至少具备如下特征之一：

A.所述截止阀与减压阀连接处还有第一压力表；

B.所述减压阀和球阀连接处还有第二压力表。

优选的，所述气道出气口处有气流整形区，所述气流整形区内径均一，且小于气道其他区域内径，所述气流整形区的气流通路紧贴所述测试材料放置区一侧。

优选的，所述试验段的测试材料放置区为敞开式。

优选的，所述试验段通过螺栓或卡槽方式固定连接在半椭球反射计的外壳上。

优选的，所述收集测量装置为积分球和设置在积分球探测口的光电探测管。

优选的，所述试验段出气口端面与半椭球反射计内壁平滑连接且内壁表面持平。

亚声速切向气流下材料激光反射率动态测量方法，基于如上所述任一项所述的亚声速切向气流下材料激光反射率动态测量装置，包括如下步骤：

 101.将待测测试材料放置在测试材料放置区上，打开吹气装置，在测试材料外表面形成稳定的切向气流，所述测试材料外表面无突起无凹陷；

102.将加热激光束和探测激光束对准第一焦点入射在测试材料表面；

103.利用收集测量装置收集第二焦点处汇聚的激光并测量。

优选的，所述步骤101中形成的切向气流为亚声速。

优选的，所述步骤102中加热激光束11和探测激光束12的入射角度不同。

采用本发明所述的亚声速切向气流下材料激光反射率动态测量装置及方法，可获取切向气流条件下激光与金属材料相互作用过程中材料反射率的动态变化趋势曲线，该装置可方便、快捷地更换气源和试验段类型，实现在不同气流组份和不同气流速度下，材料与激光相互作用过程中反射率变化的动态测量，获得材料激光能量耦合系数，可为激光切割、激光清洗等激光加工过程中优化激光参数提供依据，达到提高激光能量利用效率、降低加工成本等经济利益。

附图说明

图1示出本发明一种具体实施方式的主示图；

图2示出本发明一种具体实施方式的侧视图；

图3示出本发明所述吹气系统的具体实施方式各部件连接关系图；

图4示出本发明的一种工作方式示意图；

各图中附图标记名称为：1.试验段 2.半椭球反射计 3.气道进气口 4.气道出气口 5.气流整形区6. 测试材料放置区 7.第一焦点 8.激光入射口 9.第二焦点 11.加热激光束 12.探测激光束 21.截止阀 22.减压阀 23.球阀 24.节流阀 25.安全阀 27.第一压力表 28.第二压力表 29.气源。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。

当材料表面存在较高速切向气流时，可影响材料对激光能量的吸收效率，改变激光加热效应。本发明应用于材料测量领域，用于测量金属或其它材料对激光的反射率，特别是在待测材料表面存在切向气流条件下的反射率。

如图1至2所示，本发明所述亚声速切向气流下材料激光反射率动态测量装置，包括收集测量系统和试验段1，所述试验段包括测试材料放置区6，还包括吹气系统和半椭球反射计2，所述测试材料放置区6和收集测量系统的测量口分别位于所述半椭球反射计的第一焦点7和第二焦点8处；所述试验段还包括与吹气系统连接的气道，气道包括气道出气口4和气道进气口3，所述气道的出气方向平行于放置在测试材料放置区6的测试材料外表面。

半椭球反射计是本领域内常用的一种反射率测量装置，半椭球反射计的内壁表面处于镜面状态，根据椭圆体构造和椭圆的光学性质，利用半椭球反射计存在的两个焦点，在半椭球的一个焦点放置光源，可以在另一个焦点收集经过反射后的反射光。

将表面光滑，无凸台凹陷的测试材料放置在所述试验段的测试材料放置区，试验段的气道出口的出气方向平行于放置在测试材料外表面，试验段气道入口与吹气系统连接，开始测量之前，先打开吹气系统，吹气系统的气流经过试验段气道的整流之后，从气道出口喷出平行于测试材料外表面方向的均匀气流。

待形成稳定均匀的切向气流后，将探测激光对准位于半椭球反射计的第一焦点处的测试材料入射，测试材料外表面即为测试材料的激光辐照面，测试材料表面的反射光经半椭球反射计内壁反射后，汇聚到第二焦点8，被位于第二焦点8的收集测量系统的测量口收集，并完成对收集的反射率相关信息的测量。

吹气系统用于产生均匀气流从试验段吹入，并可调整气流种类和气流流量，具体的，本发明所述吹气系统包括顺次相连的截止阀21、减压阀22、球阀23、节流阀24、安全阀25；所述安全阀25的出口与试验段1气道进气口3连接，所述截止阀21的入口与外置气源29连接。

所谓顺次相连，即如图3所示，截止阀的入口连接外置气源，出口连接减压阀的入口，减压阀的出口连接后续的球阀的入口，球阀出口连接节流阀入口，节流阀出口连接安全阀入口，安全阀与试验段气道的进气口连接。其中截止阀用于连通和切断气源；减压阀用于降低气源压力至管路工作压力；球阀用于实验结束后迅速截断气流，起一定保护作用；节流阀可调节吹气装置流量，进而调节稳定段气流总压，安全阀用于确保管路运行安全。

在上述吹气系统中，为使吹气系统更好的工作，可以在截止阀和减压阀的连接处设置第一压力表27，用于监测外置气源的输出气压，还可以在减压阀和球阀连接处设置第二压力表28，用于监测管路工作压力，为调节工作压力提供参考。第一压力表27和第二压力表28可以单独使用，也可以一起使用。

通过更换与截止阀连接的外置气源29，可以实现切向气流气体种类的迅速更换，例如可以使用氮气、惰性气体等作为气源29进行吹气测量测试材料的对应反射率。

本发明所述试验段用于将吹气系统送出的气流整形为具有稳定速度和方向均一的切向气流，试验段具有气道和气道进气口及气道出气口，试验段具有测试材料放置区以放置测试材料，并使试验段送出的切向气流从气道出气口以平行于测试材料外表面的方向送出，气道出气口可以设置在测试材料放置区邻近处。所述测试材料放置区与气道出气口侧壁最好具备一定高度差，该高度差为测试材料厚度，使测试材料放置好后，测试材料外表面与气道出气口侧壁处于同一平面，达到最佳测试环境。

为在测试材料表面形成均匀稳定的亚声速切向气流，如图2所示，本发明所述试验段优选的具备如下特征：所述气道出气口3处有气流整形区5，所述气流整形区5内径均一，且均小于气道其他区域内径，所述气流整形区的气流通路紧贴所述测试材料放置区一侧。通过上述对气道整形区的内径收收缩，并调节吹气系统送出气流的总压，可以使气道出气口处形成均匀稳定的亚声速切向气流，实现在亚声速切向气流条件下测量测试材料的激光反射率。优选的，如图2所示，试验段出气口端面与半椭球反射计内壁平滑连接且内壁表面持平，其目的是保证测试材料表面反射的探测激光可全部反射到第二个焦点处。

所述试验段的测试材料放置区优选为敞开式设计，即测试材料放置区不再需要用于气流整形的管道侧壁，与封闭式试验段相比，敞开式试验段是以稳定的大气环境压力做为试验段静压，根据总静压公式并指定马赫数即可得到满足敞开式试验段运行的稳定段总压。另外，与封闭式试验段相比，敞开式试验段操作空间大大，便于测试样品的安装。

所述试验段通过螺栓或卡槽方式固定连接在半椭球反射计的外壳上，方便快速拆卸安装。

优选的，本发明所述收集测量装置为积分球和设置在积分球探测口的光电探测器。积分球的进光口作为所述收集测量系统的测量口设置在半椭球反射计的第二焦点处，通过进光口进入积分球内部的激光束，经过其内壁涂覆具有高反射系数的涂层多次无规则漫反射，使其内壁各处具有相等的光照度，布设在探测口处的光电探测器，将测量到进入积分球内部激光束功率的变化情况。

本发明专利所述亚声速切向气流下材料激光反射率动态测量装置中，来自样品材料表面反射的激光束将进入积分球内部被收集，通过光电探测器测量其功率变化数据，通过计算便可获得反射率的动态变化曲线，最终实现与探测激光波长相同的激光束辐照切向气流条件下金属材料反射率变化的动态测量。

切向气流下激光辐照金属材料反射率动态测量方法，基于上述亚声速切向气流下材料激光反射率动态测量装置基本实现方式及各个优选实施方案，包括如下步骤：

  101.将待测测试材料放置在测试材料放置区6上，打开吹气装置，在测试材料外表面形成稳定的切向气流，所述测试材料外表面无突起无凹陷；

102.将加热激光束11和探测激光束12对准第一焦点7入射在测试材料表面；

103.利用收集测量装置收集第二焦点8处汇聚的激光并测量。

   测量开始前，确定测试材料放置区和收集测量系统的测量口分别位于半椭球反射计2的第一焦点7和第二焦点8处，使吹气装置工作，调节气流参数使测试材料外表面形成稳定的切向气流，随后从半椭球反射计的激光入射口8处射入加热激光束11和探测激光束12，入射方向对准位于测试材料上半椭球反射计第一焦点7，加热激光束11功率较大，用于对测试材料进行加热，探测激光束12功率远小于加热激光束11，探测激光束12入射在测试材料外表面上的半椭球反射计的第一焦点后，测试材料表面的反射光经半椭球反射计内壁反射后，汇聚在半椭球反射计2的第二焦点8，所述收集测量装置位于第二焦点8的测量口收集汇聚在第二焦点处的探测激光束并测量，通过计算得出测试材料的反射率参数。

加热激光束和探测激光束的入射角度最好不同，以避免两束激光光路中光学元件空间位置的相互干扰。加热激光束和探测激光束的波长频率可以相同，也可以不同。步骤101中所述的切向气流流速可以设置为亚声速，以测量亚声速条件下的测试材料激光反射率参数。

通过调节吹气装置中气流控制组件实施气流流量控制，即可实现所关心切向气流速度条件下，激光与材料相互作用过程中反射率的动态测量。

采用本发明所述的亚声速切向气流下材料激光反射率动态测量装置及方法，可获取切向气流条件下激光与金属材料相互作用过程中材料反射率的动态变化趋势曲线，该装置可方便、快捷地更换气源和试验段类型，实现在不同气流组份和不同气流速度下，材料与激光相互作用过程中反射率变化的动态测量，获得材料激光能量耦合系数，可为激光切割、激光清洗等激光加工过程中优化激光参数提供依据，达到提高激光能量利用效率、降低加工成本等经济利益。

前文所述的为本发明的各个优选实施例，各个优选实施例中的优选实施方式如果不是明显自相矛盾或以某一优选实施方式为前提，各个优选实施方式都可以任意叠加组合使用，所述实施例以及实施例中的具体参数仅是为了清楚表述发明人的发明验证过程，并非用以限制本发明的专利保护范围，本发明的专利保护范围仍然以其权利要求书为准，凡是运用本发明的说明书及附图内容所作的等同结构变化，同理均应包含在本发明的保护范围内。

Claims (9)

1.亚声速切向气流下材料激光反射率动态测量装置，包括收集测量装置和试验段（1），所述试验段（1）包括测试材料放置区（6）；

其特征在于：还包括吹气系统和半椭球反射计（2），所述测试材料放置区和收集测量装置的测量口分别位于所述半椭球反射计的第一焦点（8）和第二焦点（9）处；

所述试验段还包括与吹气系统连接的气道，所述气道的出气方向平行于放置在测试材料放置区（6）的测试材料外表面；

所述气道出气口（4）处有气流整形区（5），所述气流整形区内径均一，且小于气道其他区域内径，所述气流整形区的气流通路紧贴所述测试材料放置区一侧。

2.如权利要求1所述的亚声速切向气流下材料激光反射率动态测量装置，其特征在于：所述吹气系统包括顺次相连的截止阀（21）、减压阀（22）、球阀（23）、节流阀（24）、安全阀（25）；所述安全阀（25）的出口与试验段气道进气口（3）连接，所述截止阀（21）的入口与外置气源（29）连接。

3.如权利要求2所述的亚声速切向气流下材料激光反射率动态测量装置，其特征在于：所述吹气系统至少具备如下特征之一：

A．所述截止阀与减压阀连接处还有第一压力表（27）；

B．所述减压阀和球阀连接处还有第二压力表（28）。

4.如权利要求1所述的亚声速切向气流下材料激光反射率动态测量装置，其特征在于：所述试验段的测试材料放置区（6）为敞开式。

5.如权利要求1所述的亚声速切向气流下材料激光反射率动态测量装置，其特征在于：所述试验段（1）通过螺栓或卡槽方式固定连接在半椭球反射计（2）的外壳上。

6.如权利要求1所述的亚声速切向气流下材料激光反射率动态测量装置，其特征在于：所述收集测量装置为积分球和设置在积分球探测口的光电探测管。

7. 亚声速切向气流下材料激光反射率动态测量方法，基于权利要求1至6任一项所述的亚声速切向气流下材料激光反射率动态测量装置，包括如下步骤：

 101.将待测测试材料放置在测试材料放置区（6）上，打开吹气装置，在待测测试材料外表面形成稳定的切向气流，所述待测测试材料外表面无突起无凹陷；

102.将加热激光束（11）和探测激光束（12）对准第一焦点（7）入射在待测测试材料上；

103.利用收集测量装置收集第二焦点（9）处汇聚的激光并测量。

8. 如权利要求7所述的亚声速切向气流下材料激光反射率动态测量方法，其特征在于：所述步骤101中形成的切向气流为亚声速。

9. 如权利要求7或8所述的亚声速切向气流下材料激光反射率动态测量方法，其特征在于：所述步骤102中加热激光束（11）和探测激光束（12）的入射角度不同。