CN105928906A - 一种随温度变化的材料反射率动态测量系统以及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种随温度变化的材料反射率动态测量系统以及测量方法，包括测量样品、分光镜、反射光强变化测试系统和温度数据测试系统，测量样品分别与对应的反射光强变化测试系统或温度数据测试系统连接，反射光强变化测试系统和温度数据测试系统之间设置有光电转换触发器，光电转换触发器分别连接数据采集记录器件与温度数据测试系统。本系统可获取激光辐照过程中，金属材料、陶瓷以及高分子聚合物材料空间位置具有更准确对应关系特征点的反射率随温度变化曲线，实现材料激光辐照热效应的分析与评估，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。

Description

一种随温度变化的材料反射率动态测量系统以及测量方法

技术领域

本发明属于光学领域的测量系统，具体涉及一种随温度变化的材料反射率动态测量系统以及测量方法。

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系统与方法，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试系统与方法的建立及改进，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。

利用积分球反射计进行激光辐照下随温度变化的材料反射率动态测量中，通常是对受到激光辐照的材料表面进行反射率测量，对未受激光辐照的材料表面以焊接热电偶等方式进行温度测量，来实现随温度变化的材料反射率动态测量，通过这一测量方法得到的材料反射率随温度变化曲线或数据，不是实际的空间位置对应关系，由于材料激光辐照表面的温度始终高于未受激光辐照表面，使得反射率随温度变化曲线中温度变量出现了延迟现象。另外，该测量方法需要求材料为薄片状态，实现未受激光辐照表面热电偶测量点的温度来代替受到激光辐照表面反射率测量点的温度，但随着材料科学技术的不断发展与进步，通过传统机械加工等方式极难或者无法对如脆性陶瓷、高分子聚合物材料等实现薄片状态的加工或处理，且此类材料具有无法焊接热电偶的实际情况。

发明内容

为准确获取金属材料、陶瓷以及高分子聚合物材料，在激光辐照过程中材料反射率随温度变化曲线，本发明提供了一种随温度变化的材料反射率动态测量系统以及测量方法。

本发明通过下述技术方案实现：

一种随温度变化的材料反射率动态测量系统，包括测量样品、分光镜、反射光强变化测试系统和温度数据测试系统，所述测量样品分别与对应的反射光强变化测试系统或温度数据测试系统连接，在反射光强变化测试系统和温度数据测试系统之间设置有用来同步触发反射光强测试系统和温度数据测试系统的光电转换触发器，光电转换触发器分别连接数据采集记录器件与温度数据测试系统，光电转化触发器是用来触发反射光强测试系统和温度数据测试系统的，这两个测试系统的并联关系，分光镜设置在测量样品之间或反射光强变化测试系统中或测量样品和光电转换触发器之间。光电转换触发器确保反射光变化信号与温度信号实现同步测量，为消除利用积分球反射计常用测量过程中材料反射率随温度变化曲线中温度变量出现的延迟现象，得到空间位置具有更准确对应关系特征点金属材料、陶瓷以及高分子聚合物材料的反射率随温度变化曲线，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，亟需一种随温度变化的材料反射率动态测量系统，用于更好地揭示材料激光辐照效应机理与热效应评估。目前，从国内外公开报道的文献来看，尚未见到能够解决上述问题的技术。本方案是针对两块相同材料，通过光路设计形成相同的激光辐照条件，在一块材料非加热激光辐照面进行反射率测量，另一块材料非加热激光辐照面相同点进行温度测量，建立起反射率测量点与温度测量点的位置相等对应关系，并利用同步触发器件实现温度、反射率的同步测量，来获取激光辐照过程中材料的动态反射率随温度变化曲线。

其中测量样品包括反射率测量样品和温度测量样品，且反射率测量样品与反射光强变化测试系统连接，温度测量样品与温度数据测试系统连接，光束是传输作用于测量样品上形成连接。同时材料样品几何尺寸和样品数量，激光辐照功率密度以及光束大小要符合要求。

进一步地，反射光强变化测试系统主要由探测激光束、积分球和数据采集记录器件构成，积分球分为测试积分球和参考积分球，测试积分球和反射率测量样品连接，测试积分球连接有光电探测器一，参考积分球连接有光电探测器二，光电探测器一和光电探测器二均与数据采集记录器件连接，光电转换触发器分别连接数据采集记录器件与温度数据测试系统，形成反射率与温度的同时测量，设置在反射光强变化测试系统中的分光镜设置在探测激光束的路径上，并且在该分光镜和测试积分球之间设置有透镜，透镜设置在探测激光束的路径上。积分球为反射光强变化的收集装置，光电探测器为反射光强变化的测量器件，设置在两个积分球探测口的光电探测器开始测量反射光强变化信号及探测光束输出功率变化信号的同时，数据采集记录器件同步采集与记录对应的变化信号数据。上述部件都是现有成熟产品，能够在市场上直接购买得到。

温度数据测试系统包括热电偶和动态测温器，且热电偶和动态测温器相互连接，热电偶与温度测量样品固定，光电转换触发器分别连接数据采集记录器件与温度数据测试系统，形成反射率与温度的同时测量。热电偶和动态测温器都是现有成熟产品，能够在市场上直接购买得到。

分光镜包括高透分光镜、45度5/5分光镜和分光镜三，其中5/5分光镜使得作用于反射率测量样品和温度测量样品表面的加热光束能量相同，分光镜三设置在探测激光束的路径上；还包括加热激光束，所述高透分光镜和45度5/5分光镜均设置在加热激光束的路径上，45度5/5分光镜设置在高透分光镜和反射率测量样品之间；反射率测量样品和温度测量样品距45度5/5分光镜有着相等的光程。加热激光束输出作用于两块样品材料表面的同时，加热激光束触发光电转换触发器致使设置在两个积分球探测口的光电探测器，开始同步测量材料反射光强的变化信号及探测光束输出功率的变化信号。反射率测量样品的法线和温度测量样品表面为垂直状态，加热激光束均与反射率测量样品和温度测量样品表面垂直；加热激光束辐照光束的中心点与反射率测量样品和温度测量样品表面的中心点重合。反射光强变化测量点为非加热激光束辐照表面的中心点，温度变化测量点为非加热激光束辐照表面的中心点。

采用双积分球测量反射率及其计算方法是本领域技术人员常用的方式，在公开文献有利用该方法获取反射率的报道，但是本方案是测量出两块相同材料在相同温度变化过程中，镀有金属膜材料样品的反射率变化，结合另一块材料的温度变化数据，通过时间参量，将无法在一块材料同一位置处同时测量反射率与温度的现状进行了解决，这在本领域却没有记载，其实现材料激光辐照热效应的分析与评估，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。

本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：本系统可获取激光辐照过程中，金属材料、陶瓷以及高分子聚合物材料空间位置具有更准确对应关系特征点的反射率随温度变化曲线，实现材料激光辐照热效应的分析与评估，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

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：

图1为本发明的连接示意图。

附图中标记及对应的零部件名称：

1-加热激光束，2-高透分光镜，3-45度5/5分光镜，4-反射率测量样品，5-测试积分球，6-分光镜三，7-探测激光束，8-参考积分球，9-光电探测器二，10-光电探测器一，11-数据采集记录器件，12-动态测温器，13-温度测量样品，14-热电偶，15-光电转换触发器，16-导引光，17-透镜。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

实施例：

如图1所示，将两块相同状态的测试样品按照图1中所示放置，要求两块测试样品距45度5/5分光镜3有相等的直线距离，且测试样品表面法线为相互垂直状态，以达到两块测试样品表面位置处具有相同光束尺寸大小、相同功率密度的激光参数。

温度测量样品非加热激光束辐照表面通过焊接或者铠装的方式安放热电偶用以测温，热电偶安装位置优选为温度测量样品非加热激光束辐照表面的中心点，其中金属材料为焊接，陶瓷或高分子聚合物材料为铠装。

两块测试样品被加热激光束1作用前，将探测激光束7通过分光镜分光，一束引至参考积分球8内，另一束经透镜17引至测试积分球5的球壁面处放置的反射率测量样品非加热激光束辐照表面，其探测激光束经透镜缩束可变成数百微米到1毫米的光束尺寸，具体尺寸可根据热电偶14的探头尺寸而定，探测光束作用位置优选为反射率测量样品非加热激光束辐照表面的中心点。由于作用于温度测量样品和反射率测试样品面的激光参数相同，且两块测试样品具有相同的状态，故经加热激光束作用，温度测量样品温度测量点与反射率测量样品反射率测量点具有同等的温度变化历史，即实现了材料反射率测量点与温度测量点的空间位置具有更准确对应关系特征。将测试积分球5与参考积分球8测试口位置处的光电探测器与数据采集记录器件11连接，使其处于待测状态。

利用导引光16将加热激光束1通过高透分光镜2分束，实现透射的高能量光束再经过45度5/5分光镜3，目前，现有光学工艺已可以实现对高透分光镜2和45度5/5分光镜3的结构加工和功能实现，光束分别被引至温度测量样品13表面和反射率测量样品4表面，平移调整两块测试样品使得加热激光束中心与两块测试样品激光辐照表面的几何中心重合；低能量光束则被引至光电转换触发器15，使得加热激光束1辐照待测温度测量样品13和反射率测量样品4时，反射率测量样品4的反射光变化信号以及参考积分球8内的光信号能够同时被设置在各自积分球探测口的光电探测器测量，且同步被数据采集记录器件采集与记录。参考积分球8的作用在于规避探测激光束输出功率波动对反射率数据计算的影响。

实验测量时，打开加热光源输出加热激光束，加热激光束加热两块测试样品的同时，光电转换触发器被加热激光束作用，快速形成电触发信号，使得设置于积分球探测口的光电探测器同步测量反射率测量样品的反射光变化信号以及参考积分球内的光变化信号，且数据采集记录器件同步记录反射光强与参考积分球内光信号的变化数据；同时光电转换触发器同步触发动态测温器12，测量并记录温度测量样品的温度数据，得到温度随时间变化的数据T（t）。

利用参考积分球8和测试积分球5测量到的光信号数据，基于双积分球反射率测量、计算方法，可获得激光作用过程中材料反射率随时间变化的数据R（t）。

利用时间作为桥梁，即可得到反射率随温度变化的数据R（T），实现激光辐照过程中，随温度变化的材料反射率动态测量。

采用本发明在获取激光辐照过程中，金属材料、陶瓷以及高分子聚合物材料空间位置具有更准确对应关系特征点的反射率随温度变化曲线，实现材料激光辐照热效应的分析与评估，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。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种随温度变化的材料反射率动态测量系统，其特征在于，包括测量样品、分光镜、反射光强变化测试系统和温度数据测试系统，所述测量样品分别与对应的反射光强变化测试系统或温度数据测试系统连接，在反射光强变化测试系统和温度数据测试系统之间设置有用来同步触发反射光强测试系统和温度数据测试系统的光电转换触发器（15），光电转换触发器（15）分别连接数据采集记录器件与温度数据测试系统，分光镜设置在测量样品之间或反射光强变化测试系统中或测量样品和光电转换触发器（15）之间。

2.根据权利要求1所述的一种随温度变化的材料反射率动态测量系统，其特征在于，所述测量样品包括反射率测量样品（4）和温度测量样品（13），且反射率测量样品（4）与反射光强变化测试系统连接，温度测量样品（13）与温度数据测试系统连接。

3.根据权利要求2所述的一种随温度变化的材料反射率动态测量系统，其特征在于，所述反射光强变化测试系统主要由探测激光束（7）、积分球和数据采集记录器件（11）构成，积分球分为测试积分球（5）和参考积分球（8），测试积分球（5）和反射率测量样品（4）连接，测试积分球（5）连接有光电探测器一（10），参考积分球（8）连接有光电探测器二（9），光电探测器一（10）和光电探测器二（9）均与数据采集记录器件（11）连接，光电转换触发器与温度数据测试系统连接，设置在反射光强变化测试系统中的分光镜设置在探测激光束（7）的路径上，并且在该分光镜和测试积分球（5）之间设置有透镜（17），透镜（17）设置在探测激光束（7）的路径上。

4.根据权利要求2所述的一种随温度变化的材料反射率动态测量系统，其特征在于，所述温度数据测试系统包括热电偶（14）和动态测温器（12），且热电偶（14）和动态测温器（12）相互连接，热电偶（14）与温度测量样品（13）固定，光电转换触发器（15）分别连接反射光强变化测试系统和动态测温器（12）。

5.根据权利要求3所述的一种随温度变化的材料反射率动态测量系统，其特征在于，所述分光镜包括高透分光镜（2）、45度5/5分光镜（3）和分光镜三（6），其中分光镜三（6）设置在探测激光束（7）的路径上。

6.根据权利要求5所述的一种随温度变化的材料反射率动态测量系统，其特征在于，还包括加热激光束（1），所述高透分光镜（2）和45度5/5分光镜（3）均设置在加热激光束（1）的路径上，45度5/5分光镜（3）设置在高透分光镜（2）和反射率测量样品（4）之间。

7.根据权利要求5所述的一种随温度变化的材料反射率动态测量系统，其特征在于，所述反射率测量样品（4）和温度测量样品（13）距45度5/5分光镜（3）有着相等的光程。

8.根据权利要求6所述的一种随温度变化的材料反射率动态测量系统，其特征在于，所述反射率测量样品（4）和温度测量样品（13）表面的法线为垂直状态，加热激光束（1）均与反射率测量样品（4）和温度测量样品（13）表面垂直。

9.根据权利要求6所述的一种随温度变化的材料反射率动态测量系统，其特征在于，所述加热激光束（1）的辐照光束的中心点与反射率测量样品（4）和温度测量样品（13）表面的中心点重合。

10.一种随温度变化的材料反射率动态测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）在两块测试样品被加热激光束（1）作用前，将探测激光束（7）通过分光镜分光，一束引至参考积分球（8）内，另一束经透镜（17）引至测试积分球（5）的球壁面处，将测试积分球（5）与参考积分球（8）测试口位置处的光电探测器与数据采集记录器件（11）连接，使其处于待测状态；

（2）然后利用导引光（16）将加热激光束（1）通过高透分光镜（2）分束，实现透射的高能量光束再经过45度5/5分光镜（3），光束分别被引至温度测量样品（13）表面和反射率测量样品（4）表面，平移调整两块测试样品使得加热激光束中心与两块测试样品激光辐照表面的几何中心重合；低能量光束则被引至光电转换触发器（15），使得加热激光束（1）辐照待测温度测量样品（13）和反射率测量样品（4）时，反射率测量样品（4）的反射光变化信号以及参考积分球（8）内的光信号能够同时被设置在各自积分球探测口的光电探测器测量，且同步被数据采集记录器件采集与记录；

（3）实验测量时，打开加热光源输出加热激光束，加热激光束加热两块测试样品的同时，光电转换触发器被加热激光束作用，快速形成电触发信号，使得设置于积分球探测口的光电探测器同步测量反射率测量样品的反射光变化信号以及参考积分球内的光变化信号，且数据采集记录器件同步记录反射光强与参考积分球内光信号的变化数据；同时光电转换触发器同步触发动态测温器（12），测量并记录温度测量样品的温度数据，得到温度随时间变化的数据T（t）；

（4）利用参考积分球（8）和测试积分球（5）测量到的光信号数据，基于双积分球反射率测量、计算方法，获得激光作用过程中材料反射率随时间变化的数据R（t）；

（5）利用时间作为桥梁，得到反射率随温度变化的数据R（T），实现激光辐照过程中，随温度变化的材料反射率动态测量。