CN104597279B - 一种超高速微粒速度测量系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种超高速微粒速度测量系统及方法，系统包含：超高速微粒加速器，用于发射超高速微粒并开展超高速撞击实验；第一信号采集单元，用于记录微粒在超高速微粒加速器中的起始的运动时刻t₁；距离测量单元，用于测量微粒在超高速微粒加速器中的运行距离s；撞击靶，用于当超高速微粒运行到位移s处时撞击并瞬间发出光信号；收集单元，用于收集发出光信号，其设置在能够收集发出光信号的光路上；其中，该收集单元为带透镜的光纤；光电管，用于将收集的光信号转为电信号，依据电信号获得超高速微粒运动终止时刻t₂；根据微粒运动的起始时刻t₁和t₂可以获得微粒的飞行时间t，或根据微粒撞击发光信号的发光强度与上升时间获得微粒的速度和质量。

Description

一种超高速微粒速度测量系统及方法

技术领域

本发明涉及空间环境效应及空间碎片领域，具体涉及一种基于超高速撞击发光的超高速微粒速度测量方法。

背景技术

超高速撞击是指撞击压力大于弹和靶材料强度的碰撞，超高速碰撞中速度一般在1km/s以上。在超高速撞击实验中，微粒速度是重要的实验参数，且由于微粒速度快、尺寸小且大多数情况下微粒不带电，使得其速度测量难度非常大。现有的超高速微粒速度测量方法主要包括压电测速、激光测速以及收集撞击等离子体的微粒速度测量方法等。由于超高速微粒运动的起始时间和飞行距离一般可以由超高速微粒加速装置给出，因此只要获取微粒运动的终止时刻，就能够利用飞行时间方法（距离除以时间即为速度）获取微粒的速度。

压电测速法通过在撞击靶上安装压电传感器，当微粒撞击到靶上时，撞击形成的振动传递到压电传感器形成压电信号，获取微粒的撞击时刻，并利用飞行时间法获得微粒的速度。该方法是较早采用的方法，只要撞击形成的振动信号合适并能传递到压电传感器，在压电传感器中就能获取相应的压电信号，该方法就能对微粒速度进行测量。但是该方法得到的信号的震荡时间长（如图1中a所示），使得利用该方法进行速度测量时其分辨率较低。

激光测速方法，在微粒飞行的路径上设置一个与其运动方向垂直的光帘，在光帘同一平面垂直激光入射方向上设置光电管用于收集微粒穿过光帘时形成的散射光，以达到对微粒运动到达光帘位置的时刻的测量，同样利用飞行时间法，获取微粒的速度。激光测速对撞击效应实验没有任何影响，但是由于散射光信号较弱，使得其信噪比相对较低，如图1-b所示。

收集等离子体的测速方法基于超高速撞击在瞬间形成等离子体的特点，通过对撞击形成的等离子体进行收集能够准确测量微粒的撞击时刻，从而获取微粒的速度。该方法时间测量精度高，在传统的超高速撞击损伤研究中不会对实验形成干扰，但是在研究超高速撞击诱发放电等超高速撞击的等离子体效应中，收集等离子体测速的方法会对实验形成严重影响，如图1-c所示。

发明内容

本发明的目的在于，为克服上述问题，本发明提供了一种超高速微粒速度测量系统及方法。

为了实现上述目的，本发明提供了一种超高速微粒速度测量系统，所述系统包含：

超高速微粒加速器，用于对超高速微粒提供运行通道；

第一信号采集单元，用于记录微粒在超高速微粒加速器中的起始的运动时刻；

距离测量单元，用于测量微粒在超高速微粒加速器中的运行距离s；

撞击靶，用于在超高速微粒加速器中距离超高速微粒起始运动位置的位移为s处设置撞击靶，所述超高速微粒运行到位移s处时发生撞击并瞬间发出光信号；

收集单元，用于收集发出光信号，该单元设置在能够收集发出光信号的光路上；其中，该收集单元为带透镜的光纤；

光电管，用于将收集单元收集的光信号转化为电信号，并依据该电信号获得超高速微粒运动的终止时刻t₂；和

速度及质量获取单元，用于采用如下的策略一获得速度，或采用如下策略二同时获得速度和质量：

策略一，依据得到的终止时刻t₂，位移s和起始的运动时刻得到超高速微粒的运动速度；

策略二，依据如下公式同时获得微粒的速度和质量：

其中，I为发光强度，t为发光信号上升时间，m为微粒质量，ν为微粒速度，λ₁，λ₂，β₁，β₂为与微粒材料及撞击靶材料相关的系数；且通过实验获取λ₁，λ₂，β₁，β₂的取值；所述发光强度I与上述带透镜的光纤通过光电管和示波器获取的信号的幅度相关，通过实验标定获取发光强度I的值；上升时间t通过测量直接获得，根据公式（1）和（2）求解能够获取微粒的质量和速度。

上述第一信号采集单元采用示波器。

上述光纤与透镜的轴线相同，且所述光纤的端面位于透镜的焦点位置。

上述策略一具体采用如下公式计算超高速微粒的速度：

本发明还提供了一种超高速微粒速度测量方法，所述方法包含：

步骤101）在时刻t_1，将超高速微粒在超高速微粒加速器中开始运动；

步骤102）当超高速微粒在超高速微粒加速器中运动至距离初始位移s处时，撞击撞击靶，并使撞击靶瞬间发出光信号；

步骤103）在光信号的发散光路上设置由透镜、光纤和光电管组成的吸收装置，吸收光信号；即撞击发光信号传到透镜，被透镜汇聚到光纤，由光纤传递光电管之后传递到示波器并记录该信号；

步骤104）对吸收的光信号进行处理得到超高速微粒到达位移s时的时刻t₂；

步骤105）基于时刻t_2、时刻t₁和位移s得到超高速微粒的运动速度，或依据如下两个公式同时获得微粒的速度与质量：

其中，I为发光强度，t为发光信号上升时间，m为微粒质量，ν为微粒速度，λ₁，λ₂，β₁，β₂为与微粒材料及撞击靶材料相关的系数，且λ₁，λ₂，β₁为正实数，β₂为负实数。

上述步骤104）进一步包含：

步骤104-1）光纤进一步把汇聚的光信号传递到光电管，光电管把光信号转换成电信号；

步骤104-2）通过同轴电缆线将转化的电信号传递到示波器，并通过示波器记录该发光信号及其发光时刻t₂的值。

与现有技术相比，本发明的技术优势在于：

本发明获取一种成本低廉、信噪比高且对超高速撞击效应研究没有任何影响的超高速微粒速度测量方法。本发明通过检测微粒超高速撞击的发光信号来获取微粒的撞击时刻，用于检测发光信号的带透镜的光纤可以布置在远离撞击点但撞击发光光线能够达到的任意位置，因此光纤的布置灵活方便易于调整，不会对实验形成任何干扰。本发明通过对微粒撞击发光信号的上升时间和发光强度进行分析，可以直接根据发光信号推测出微粒的速度和质量，实现对微粒速度和质量的同时测量。

附图说明

图1是采用现有技术和采用本发明的技术测量得到的速度的典型信号图；其中图1-a是背景技术中采用的压电信号测速，图1-b是背景技术中采用的激光信号测速，图1-c是背景技术中采用的收集等离子体信号测速，图1-d是本发明的采用撞击发光信号测速；

图2是本发明提供的超高速微粒速度测量原理图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明所述方法进行详细说明。

本发明提供了一种超高速微粒速度测量系统，所述系统包含：超高速微粒加速器，用于对超高速微粒提供运行通道；第一信号采集单元，用于记录微粒在超高速微粒加速器中的起始的运动时刻；测量单元，用于测量微粒在超高速微粒加速器中的运行距离s；撞击靶，用于在超高速微粒加速器中距离超高速微粒起始运动位置的位移为s处设置撞击靶，所述超高速微粒运行到位移s处时发生撞击并瞬间发出光信号；收集单元，用于收集发出光信号，该单元设置在能够收集发出光信号的光路上；其中，该收集单元为带透镜的光纤；光电管，用于将收集单元收集的光信号转化为电信号，并依据该电信号获得超高速微粒运动的终止时刻t₂；和速度及质量获取单元，该速度质量获取单元可以采用如下的实施例一和实施例二测量微粒速度或同时测量微粒速度与质量。

实施例一：

超高速微粒加速器在t₀时刻开始工作，经过一段时间t_Δ（其中，t_Δ根据超高速微粒加速器的特性可以确定。）之后，微粒被加速后在t₁时刻开始运动。在超高速微粒加速器开始工作的同时经过t_Δ的延时之后触发信号采集装置（如示波器）开始计时，记录下微粒超高速运动的起始时刻t₁，通过测量微粒撞击发光信号得到微粒运动的终止时刻t₂，就能获取微粒的运动时间t。微粒运动的距离s可以通过测试获得。

在本发明中，撞击发光信号的采集通过设置在距离撞击点一定位置的带透镜的光纤来实现。由于光纤带有透镜，可以大大增加光纤对超高速撞击发光信号的收集，使得信号幅度增加，提高信噪比。带透镜的光纤对末端连接光电管，把光信号转换成电信号，然后通过信号采集装置（如示波器）对信号进行采集，从而获取微粒运动的终止时刻t₂。具体测速方案如图2所示。

由于光传播速度高达30万公里每秒，而在本发明所述的测速方案中，光运动的距离小于10米，因此光传播引起的时间误差小于34纳秒，而光电管的光电转换时间也小于100纳秒，因此本发明方法对于时刻t₂的测量误差小于134纳秒。而超高速撞击实验中，微粒运动的距离大多数在米的量级，微粒运动的速度在几千米每秒，因此总的飞行时间在百微秒以上，因此利用该方法进行速度测量，其测量精度高。

本发明的具体实施方式如图2所示，超高速微粒加速器能给出微粒运动的距离s和微粒运动的起始时刻t₁，t₁时刻被示波器记录。超高速微粒经过一段距离s后，撞击在撞击靶上，并在瞬间发出光信号，光被带透镜的光纤收集，经过光电管转换成电信号，被示波器记录，从而获得微粒运动的终止时刻t₂，然后利用飞行时间法就能获取微粒的速度。图1-d为利用该方法获取的超高速撞击发光的典型信号。

实施例二

此外，根据超高速撞击发光的光强与微粒撞击速度与质量相关，撞击发光信号的上升时间也由微粒的速度和质量决定；且当微粒及撞击靶的材料确定后，撞击发光强度和发光信号的上升时间这两个参量分别是微粒撞击速度与微粒质量的函数，其具体关系如下：

其中，I为发光强度，t为发光信号上升时间，m为微粒质量，ν为微粒速度，λ₁，λ₂，β₁，β₂为与微粒材料及撞击靶材料相关的系数，这些系数可以通过实验获得，其中λ₁，λ₂，β₁为正实数，β₂为负实数。

对于地面超高速撞击实验中，可以通过实验获取λ₁，λ₂，β₁，β₂。公式（1）中，发光强度I与上述带透镜的光纤通过光电管和示波器获取的信号的幅度相关，通过实验标定即可获取其关系，微粒的速度通过前面所述的飞行时间法可以获得，因此根据公式（1）可以获取微粒的质量。所以，通过测量超高速撞击的发光信号，可以实现同时对微粒速度和质量的测量。

微粒撞击发光信号的上升时间可以通过上述的带透镜的光纤及光电管组成的系统测量直接获得，根据公式（1）和（2）可以获得两个方程，程联立求解这两个方，就可以获取微粒的质量和速度。因此，仅通过测量超高速撞击的发光信号，就可以推断出微粒的速度和质量，实现对微粒速度和质量的同时测量。

综上所述，本发明利用微粒超高速撞击发光的特性，通过带透镜的光纤收集微粒撞击瞬间形成的发光信号来获取微粒与样品撞击的时刻，然后结合碎片加速器给出的微粒运动的起始时刻和飞行距离，利用飞行时间法获取微粒的速度。该方法的优点主要有，测试过程远离撞击位置且不会对撞击效应实验形成任何干扰，带透镜的光纤能够增大光接收的面积，获取的信号信噪比高，同时该方法还具有成本低廉的优点。不同的测速方法对于超高速微粒单次撞击响应的典型信号如图1所示。从图中可以看出，与激光测速相比，本发明所提出的方法获取的信号的幅度远大于激光测速方法获得的信号，信噪比显著提高。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (5)

1.一种超高速微粒速度测量系统，其特征在于，所述系统包含：

超高速微粒加速器，用于发射超高速微粒；

第一信号采集单元，用于记录微粒在超高速微粒加速器中运动的起始时刻t₁；

距离测量单元，用于测量微粒在超高速微粒加速器中的运行距离s；

撞击靶，用于在超高速微粒加速器中距离超高速微粒起始运动位置的位移为s处设置撞击靶，所述超高速微粒运行到位移s处时发生撞击并瞬间发出光信号；

收集单元，用于收集发出的光信号，该单元设置在能够收集发出光信号的光路上；其中，该收集单元为带透镜的光纤；

光电管，用于将收集单元收集的光信号转化为电信号，并依据该电信号获得超高速微粒运动的终止时刻t₂；和

速度及质量获取单元，用于依据如下公式同时获得微粒的速度和质量：

其中，I为发光强度，t为发光信号上升时间，t＝t₂-t₁；m为微粒质量，ν为微粒速度，λ₁，λ₂，β₁，β₂为与微粒材料及撞击靶材料相关的系数；且通过实验获取λ₁，λ₂，β₁，β₂的取值；所述发光强度I与上述带透镜的光纤通过光电管和示波器获取的信号的幅度相关，通过实验标定获取发光强度I的值；上升时间t通过测量直接获得，根据公式(1)和(2)求解能够获取微粒的质量和速度。

2.根据权利要求1所述的超高速微粒速度测量系统，其特征在于，所述第一信号采集单元采用示波器。

3.根据权利要求1所述的超高速微粒速度测量系统，其特征在于，所述光纤与透镜的轴线相同，且所述光纤的端面位于透镜的焦点位置。

4.一种超高速微粒速度测量方法，所述方法包含：

步骤101)在时刻t₁，将超高速微粒在超高速微粒加速器中开始运动；

步骤102)当超高速微粒在超高速微粒加速器中运动至距离初始位置的位移s处时，撞击撞击靶，并使撞击靶瞬间发出光信号；

步骤103)在光信号的发散光路上设置由透镜、光纤和光电管组成的吸收装置，吸收光信号；即撞击发光信号传到透镜，被透镜汇聚到光纤，由光纤传递到光电管之后传递到示波器并记录该信号；

步骤104)对吸收的光信号进行处理得到超高速微粒到达位移s时的时刻t₂；

步骤105)依据如下两个公式同时获得微粒的速度与质量：

其中，I为发光强度，t为发光信号上升时间，t＝t₂-t₁；m为微粒质量，ν为微粒速度，λ₁，λ₂，β₁，β₂为与微粒材料及撞击靶材料相关的系数；且通过实验获取λ₁，λ₂，β₁，β₂的取值；所述发光强度I与上述带透镜的光纤通过光电管和示波器获取的信号的幅度相关，通过实验标定获取发光强度I的值；上升时间t通过测量直接获得。

5.根据权利要求4所述的超高速微粒速度测量方法，其特征在于，所述步骤104)进一步包含：

步骤104-1)光纤进一步把汇聚的光信号传递到光电管，光电管把光信号转换成电信号；

步骤104-2)通过同轴电缆线将转化的电信号传递到示波器，并通过示波器记录该发光信号及其时刻t₂的值。