CN103712723A

CN103712723A - 激光空化射流力冲击作用的检测方法及装置

Info

Publication number: CN103712723A
Application number: CN201310702903.XA
Authority: CN
Inventors: 张朝阳; 蔡明霞; 冯钦玉; 佟艳群; 丁伟; 姜雨佳; 黄磊; 徐吉伟
Original assignee: Jiangsu University
Current assignee: Jiangsu University
Priority date: 2013-12-19
Filing date: 2013-12-19
Publication date: 2014-04-09
Anticipated expiration: 2033-12-19
Also published as: CN103712723B

Abstract

本发明提供了一种激光空化射流力冲击作用的检测方法及装置，采用一端通过等强度悬臂梁固定于水槽侧壁的金属薄板作为靶材，水槽中液体液面与所述金属薄板的下表面接触；通过位于金属薄板上方的电涡流位移传感器检测金属薄板与传感器之间的间距变化引起的电压变化，得到金属薄板产生的形变，根据材料的弹性形变形以及所述金属薄板的应力，计算出激光空化射流力的冲击作用。本发明将金属薄板贴于水槽的液面，当金属薄板受到空泡空化的水下射流力作用发生变形离开水面时，不受水的阻力影响；激光空泡又消除了液面张力的影响，能准确地反映激光对靶材的作用力；电涡流位移传感器灵敏度高、响应快、简单易实现、测量准确的特点，实现了无接触测量。

Description

激光空化射流力冲击作用的检测方法及装置

技术领域

本发明设计一种检测方法及装置，尤其是一种激光空化射流力冲击作用的检测方法及装置。

背景技术

激光与液体相互作用过程中，当激光能量密度超过液体的击穿阀值时，液体会被“光学击穿”，在击穿的区域产生高温高压的等离子体。当等离子体膨胀时会形成超音速的等离子冲击波，同时由于高温造成的液体汽化会产生气体空泡，即激光的空泡空化现象。空化在液体中形成的空洞称为“空穴”：球形空穴称为空泡；较大的空穴称为空腔。气泡空化所产生的冲击空蚀作用，能造成强冲击波及高速射流，作用于附近固体壁面，会产生材料去除。这种空化射流冲击作用是机械设计和制造、船舶制造、水利设施和流体力学研究等领域的重要问题。

目前研究空泡空化现象的实验手段主要有高速摄影法、光偏转法、干涉法及其压电换能器探测法等。高速摄影法，设备昂贵，且时间分辨率不高，适合研究空泡的运动规律，而无法提供分辨时间短于微秒量级的特性分析；光延时法虽然时间精度较高，但研究的时间范围小，适合于研究等离子体冲击波的衰减规律和空泡的初期膨胀过程，不适合于分析空泡的后期脉动特性；光偏转法，虽然具有较高的时间分辨率和空间分辨率，但是由于激光冲击置于水槽中的金属薄板时，金属薄板在受到激光冲击作用的同时也会受到水的阻力和其他因素的作用，影响测量结果。而采用压电换能探测法需要将压电传感器固定于被测物体上，必将影响被测物的力学特性和应力变形，从而导致产生检测误差。

本发明提出了一种采用电涡流传感器非接触测量被冲击物体变形的检测方法和装置。电涡流传感器是利用感应电涡流原理，当带有高频电流的线圈靠近被测金属时，线圈上的高频电流所产生的高频电磁场便在金属表面上产生感应电流，电磁学上称之为电涡流。电涡流效应与被测金属间的距离及电导率、磁导率、几何尺寸、电流频率等参数有关。通过电路参数的变化可将被测金属相对于传感器探头之间的距离变化转换为电压或电流变化，检测结果准确，装置结构简单。利用电涡流传感器测量因悬臂梁金属薄板形变产生的位移变化，具有较高的灵敏度。

发明内容

针对现有技术中存在不足，本发明提供了一种激光空化射流力冲击作用的检测方法与装置，对高能量激光冲击水中靶材时，等离子体产生的冲击作用和空泡空化诱导所产生的高速射流力进行非接触检测。

本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。

一种激光空化射流力冲击作用的检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）采用一端固定于水槽侧壁的等强度悬臂梁金属薄板作为靶材，水槽中充入液体，使液面与所述金属薄板的下表面接触；调节位于所述金属薄板上方的电涡流位移传感器探头与所述金属薄板的初始间隙；

（2）激光器发出的激光，光路调制及传输系统的分光镜反射部分激光至PIN光电二极管，经PIN光电二极管转化为电信号、并传输至示波器作为采集数据的同步触发信号；透过分光镜的一部分激光经衰减片组调节作用于所述金属薄板的激光能量、而不改变其空间分布，然后用反射镜改变激光光束的方向，最后由凹透镜和凸透镜对激光扩束并垂直聚焦于所述金属薄板的下表面上，所述金属薄板受到空泡空化的射流冲击力作用，发生变形、离开水面；

（3）位于所述金属薄板上方的电涡流位移传感器探头，检测所述金属薄板与探头之间的间距变化引起的电压变化，得到所述金属薄板产生的形变：l=U/S，根据材料的弹性形变形公ε=σ/E，以及所述金属薄板的应力σ=M/W，计算出激光空化射流力的冲击作用P=UEW/SL，

其中，1为所述金属薄板受应力冲击作用产生的应变，U为电涡流位移传感器输出的电压，S为电涡流位移传感器的平均灵敏度，ε为所述金属薄板所受的应变，σ为所述金属薄板所受的应力，E为所述金属薄板的材料弹性模量，M为被测点的力矩，M=PL，P为所述金属薄板受到的冲击力，L为力的作用点到固定点的距离，W为抗弯截面系数，W=b h²/6，b为所述金属薄板的宽度，h为所述金属薄板的厚度。

优选地，将所述金属薄板受激光冲击作用前的位置定义为空间“零”位置。

优选地，所述激光器输出的激光为脉冲激光，所述脉冲激光的参数为：单脉冲能量在0.1～1焦耳、脉冲时间为10纳秒、频率为1～10赫兹、波长为1064纳米。

一种激光空化射流力冲击作用的检测装置，包括激光器、光路调制及传输系统、水槽、等强度悬臂梁金属薄板、电涡流位移传感器、示波器、PIN光电二极管，所述光路调制及传输系统构成所述激光器的光路，包括分光镜、衰减片组、反射镜、光学扩束聚焦系统；PIN光电二极管位于能够接收到所述反光镜发射的激光信号的位置；所述水槽底面上设有玻璃窗，所述金属薄板通过等强度悬臂梁固定在水槽的侧壁上，水槽内装有液体，液体的液面与所述金属薄板下表面接触；电涡流位移传感器的探头置于所述金属薄板上方；所述PIN光电二极管的输出端、电涡流位移传感器的信号处理系统均与示波器连接。

优选地，所述金属薄板是厚度为0.2～0.15mm、宽度为3mm的不锈钢板。

优选地，所述电涡流传感器的探头位于金属薄板上方1～2mm处。

优选地，所述光学扩束聚焦系统由焦距为50nm的凹透镜和焦距为150nm的凸透镜组成。

本发明所述的激光空化射流力冲击作用的检测方法，采用金属薄板作为检测激光冲击作用的靶材，该金属薄板采用等强度悬臂梁结构固定于水槽侧壁上，下表面贴于水槽内的液面。

激光器发出的激光，光路调制及传输系统的分光镜反射部分激光，由PIN光电二极管采集，并传输至示波器作为采集数据的同步触发信号；透过分光镜的一部分激光经衰减片组、调节作用于所述金属薄板的激光能量、而不改变其空间分布，然后用反射镜改变激光光束的方向，最后由凹透镜和凸透镜对激光扩束并垂直聚焦于所述金属薄板的下表面上。在冲击力作用下所述金属薄板向上弯曲变形，离开水面。由于所述金属薄板下表面贴于水槽内的液面，其变形过程中不会受到水的阻力影响，而且激光空泡又能将作用区域周围的溶液排开，从而消除了液面张力对所述金属薄板变形的影响，因此所述金属薄板产生的形变能准确地反映激光对水下靶材的空化射流力冲击作用。

利用位于所述金属薄板上方的电涡流位移传感器，将产生形变的所述金属薄板与电涡流位移传感器之间的间距变化转化为电信号，通过非接触方式精确检测出金属悬臂梁的变形，再根据弹性应力变形公式，计算出激光的空化射流冲击力，装置简单，容易实现，而且具有较高的灵敏度和时间分辨率。

本发明具有如下技术优势：

（1）根据激光对水下物体的空化射流力冲击作用条件，将作为靶材的所述金属薄板贴于水槽的液面，当所述金属薄板在激光冲击作用时，受到空泡空化的水下射流力作用；发生变形后又离开水面，不会受到水的阻力影响；激光空泡又消除了液面张力对所述金属薄板变形的影响，因此产生的形变准确地反映了激光对靶材的作用力，测量结果准确。

（2）利用电涡流位移传感器灵敏度高、响应快、简单易实现、测量准确的特点，通过无接触方式测量所述金属薄板形变的大小，从而实现了激光空化射流力冲击作用的准确检测。

附图说明

图1为本发明所述激光空化射流力冲击作用的检测装置的结构图。

图2为本发明所述检测装置示波器上检测到的冲击作用应力信号的波形图。

图2为示波器上显示的射流力检测信号，能够反映出随着不同激光能量调节，射流力的大小变化和脉冲时间序列。

附图标记说明如下：

1-激光器，2-分光镜，3-衰减片组，4-反射镜，5-凹透镜，6-凸透镜，7-水槽，8-金属薄板，9-探头，10-信号处理系统，11-示波器，12-PIN光电二极管，13-激光束，14-玻璃窗，15-液体15。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。

图1为本发明所述激光空化射流力冲击作用的检测装置的结构简图，其包括激光器1、光路调制及传输系统、水槽7、等强度悬臂梁金属薄板8、电涡流位移传感器、示波器11、PIN光电二极管12。所述光路调制及传输系统构成所述激光器1的光路，包括分光镜2、衰减片组3、反射镜4、光学扩束聚焦系统，PIN光电二极管12位于能够接收到所述反光镜发射的激光信号的位置、并与示波器11连接。所述光学扩束聚焦系统由焦距为50nm的凹透镜5和焦距为150nm的凸透镜6组成。所述水槽7底面上设有玻璃窗14。所述金属薄板8作为激光冲击靶材，选用厚度为0.2～0.15mm、宽度为3mm的不锈钢板，通过等强度悬臂梁固定在水槽7的侧壁上。水槽7内装有液体15，液体15的液面与所述金属薄板8下表面接触。电涡流位移传感器的探头9置于所述金属薄板8上方，所述电涡流传感器的探头9与所述金属薄板8之间的间距优选为1～2mm；电涡流位移传感器的信号处理系统10与示波器11连接。

所述激光空化射流力冲击作用的检测装置，在测量所述激光空化射流力冲击作用时，首先在水槽7中充入液体15，使液面与所述金属薄板8的下表面接触。激光器1发出的激光能量为0.1～1焦耳、脉冲时间为10纳秒、频率为1～10Hz、波长为1064纳米的脉冲激光束13。激光经过分光镜2时，部分激光被反射，由PIN光电二极管12采集，转化为电信号、并传输至示波器11作为采集数据的同步触发信号；PIN光电二极管12的上升时间是100皮秒。一部分激光经过衰减片组3调节激光的能量而不改变其能量分布；再经过反射镜4，改变光路的传播方向。然后调节凹透镜5和凸透镜6，对激光束13进行调制扩束，使其通过水槽7下方的玻璃窗14垂直聚焦于所述金属薄板8的下表面上。

采用本发明所述的方法和装置检测激光空化射流力冲击作用时，调整激光器1的输出能量密度，使其超过水槽7中液体15的击穿阀值，从而在所述金属薄板8下表面的激光照射区域产生高温高压的等离子体，随着等离子体的膨胀产生激光的空泡空化，形成射流冲击波，直接作用于所述金属薄板8的下表面，在冲击力作用下所述金属薄板8向上弯曲变形，离开水面；变形过程中不会受到水的阻力影响，而且高温造成的液体15汽化空泡又能将作用区域周围的溶液排开，从而消除了液面张力对所述金属薄板8变形的影响，因此所述金属薄板8产生的形变能准确地反映激光对水下靶材的空化射流力冲击作用。为了方便研究，以避免液体15中的杂质影响激光的能量传输，水槽7中充入液体15优选为纯净水，水槽7中的液层厚度、所述金属薄板8的位置可以根据所测激光束13的能量大小调节。所述金属薄板8在受到激光空化射流冲击作用时会产生弹性变形、离开水面。电涡流传感器的探头9安装在所述金属薄板8上方1～2mm处，并将所述金属薄板8受激光冲击作用前贴在水面的位置定义为空间“零”位置。所述金属薄板8变形后与传感器之间的距离变化，被探头9检测到后，其电信号再经电涡流位移传感器的信号处理系统10进行滤波、检测、放大后，并输出至示波器11中。

利用电涡流位移传感器检测到的因所述金属薄板8变形引起的电压变化，得到所述金属薄板8产生的形变：l=U/S，根据材料的弹性形变公式ε=σ/E、以及所述金属薄板8受到的正应力σ=M/W，计算出激光空化射流力的冲击作用P=UEW/SL。

电涡流位移传感器测量位移的计算公式：l=U/S （1）

l为测量的位移即所述金属薄板8受应力冲击作用产生的应变，U为电涡流位移传感器输出的电压，S为电涡流位移传感器的平均灵敏度。

弹性形变公式：

ε=σ/E （2）

式中，ε为所述金属薄板8所受的应变；σ为所述金属薄板8所受的应力；E为弹性模量。

所述金属薄板8受到的正应力：

σ=M/W，（3）

式中，M为被测点的力矩，W为抗弯截面系数。

M=PL

P为所述金属薄板8受到的冲击力，L为力的作用点到固定点的距离。

W=bh²/6

b为所述金属薄板8的宽度，h为所述金属薄板8的厚度。

激光空化射流力的冲击作用：P=UEW/SL （4）

示波器11中显示的冲击作用应力信号的波形图，如图2为所示，能够反映出随着不同激光能量调节，射流力的大小变化和脉冲时间序列。

所述实施例为本发明的优选的实施方式，但发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。

Claims

1.激光空化射流力冲击作用的检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）采用一端固定于水槽（7）侧壁的等强度悬臂梁金属薄板（8）作为靶材，水槽（7）中充入液体（15），使液面与所述金属薄板（8）的下表面接触，调节位于所述金属薄板（8）上方的电涡流位移传感器探头（9）与所述金属薄板（8）的初始间隙；

（2）激光器（1）发出的激光，光路调制及传输系统的分光镜（2）反射部分激光至PIN光电二极管（12），经PIN光电二极管（12）转化为电信号、并传输至示波器（11）作为采集数据的同步触发信号；透过分光镜（2）的一部分激光经衰减片组（3）调节作用于所述金属薄板（8）的激光能量、而不改变其空间分布，然后用反射镜（4）改变激光光束的方向，最后由凹透镜（5）和凸透镜（6）对激光扩束并垂直聚焦于所述金属薄板（8）的下表面上，所述金属薄板（8）受到空泡空化的射流冲击力作用，发生变形、离开水面；

（3）位于所述金属薄板（8）上方的电涡流位移传感器探头（9），检测所述金属薄板（8）与探头（9）之间的间距变化引起的电压变化，得到所述金属薄板（8）产生的形变：l=U/S，根据材料的弹性形变形公ε=σ/E，以及所述金属薄板（8）的应力σ=M/W，计算出激光空化射流力的冲击作用P=UEW/SL，

其中，为金属悬臂梁薄板受应力冲击作用产生的应变，U为电涡流位移传感器输出的电压，S为电涡流位移传感器的平均灵敏度，ε为所述金属薄板（8）所受的应变，σ为所述金属薄板（8）所受的应力，E为所述金属薄板（8）的材料弹性模量，M为被测点的力矩，M=PL，P为所述金属薄板（8）受到的冲击力，L为力的作用点到固定点的距离，W为抗弯截面系数，W=b h²/6，b为所述金属薄板（8）的宽度，h为所述金属薄板（8）的厚度。

2.根据权利要求1所述的检测方法，其特征在于，将所述金属薄板（8）受激光冲击作用前的位置定义为空间“零”位置。

3.根据权利要求1所述的检测方法，其特征在于，所述激光器（1）输出的激光为脉冲激光，所述脉冲激光的参数为：单脉冲能量在0.1～1焦耳、脉冲时间为10纳秒、频率为1～10赫兹、波长为1064纳米。

4.激光空化射流力冲击作用的检测装置，其特征在于，包括激光器（1）、光路调制及传输系统、水槽（7）、等强度悬臂梁金属薄板（8）、电涡流位移传感器、示波器（11）、PIN光电二极管（12），所述光路调制及传输系统构成所述激光器（1）的光路，包括分光镜（2）、衰减片组（3）、反射镜（4）、光学扩束聚焦系统；PIN光电二极管（12）位于能够接收到所述反光镜发射的激光信号的位置；所述水槽（7）底面上设有玻璃窗（14），所述金属薄板（8）的等强度悬臂梁固定在水槽（7）的侧壁上，水槽（7）内装有液体（15），液体（15）的液面与所述金属薄板（8）下表面接触；电涡流位移传感器的探头（9）置于所述金属薄板（8）上方；所述PIN光电二极管（12）的输出端、电涡流位移传感器的信号处理系统（10）均与示波器（11）连接。

5.根据权利要求4所述的检测装置，其特征在于，所述金属薄板（8）是厚度为0.2～0.15mm、宽度为3mm的不锈钢板。

6.根据权利要求4所述的检测装置，其特征在于，所述电涡流传感器的探头（9）位于所述金属薄板（8）上方1～2mm处。

7.根据权利要求4所述的检测装置，其特征在于，所述光学扩束聚焦系统由焦距为50nm的凹透镜（5）和焦距为150nm的凸透镜（6）组成。