CN107421808A - 一种非接触式霍普金森压杆测量的装置和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明实施例提供了一种非接触式霍普金森压杆测量的装置和方法。该装置包括:压杆系统、光纤测速系统、散斑干涉系统、点探测器、数据采集与处理系统。被测材料试样置于压杆系统的入射杆与透射杆之间,打击杆受力后撞击入射杆所产生的压应力脉冲沿着压杆系统向被测材料试样方向传播,打击杆速度由光纤测速系统测得;压应力脉冲对入射杆、透射杆上的光强造成影响经散斑干涉系统形成散斑强度信息;点探测器将探测到的信息传输到数据采集与处理系统,从而计算出被测材料的应力、应变和应变率等信息。本发明将时域散斑干涉中的面内位移测量方法和霍普金森压杆测量方法相结合,实现了非接触式、高精度、可用于小尺寸材料的动态力学性能的测量。
Description
技术领域
本发明涉及霍普金森压杆测量技术领域,尤其涉及一种非接触式霍普金森压杆测量的装置和方法。
背景技术
材料在受到冲击载荷下所产生的力学响应与其在受到静态载荷下所产生的力学响应差别很大;而今,材料在受到冲击载荷下的力学响应特性在军事和民用的实际生产中运用的日趋广泛,这就使得科学系统的研究材料在不同冲击载荷下的动态力学性能变得越来越重要。为了研究材料在冲击载荷下的动态力学性能,人们提出了SHPB(SplitHopkinson Pressure Bar,分离式霍普金森压杆)测量技术。
现有技术中用于分析材料动态力学性能的应变片式的分离式霍普金森压杆测量装置是由压杆系统、测量系统以及数据采集与处理系统三部分组成,其中压杆系统包括打击杆、入射杆、透射杆三部分;将应变片分别粘贴在入射杆和透射杆上,利用应变片记录下入射脉冲、反射脉冲和透射脉冲,通过一维应力波理论便可确定试样材料的应力、应变、应变率等信息。
上述现有技术中应变片式的分离式霍普金森压杆测量技术分析材料动态力学性能的装置,其缺点为:该装置利用粘贴在入射杆和透射杆上的应变片实现对被测材料试样的动态力学特性的测量,这要求应变片和入射杆、透射杆都有很好的粘结特性,如果应变片和杆之间的粘结状况不好对实验结果会有很大的影响,同时这种接触式的测量方式所能提供的测量精度有限。其次,随着机械工业和国防工业等领域的飞速发展,对于材料在高应变率下动态力学性能的测量提出了更高的要求,而在传统的应变片式的霍普金森压杆测量方法中在杆的直径小于3毫米的情况下,应变片和压杆无法实现可靠的粘贴,从而导致这种霍普金森压杆测量方法无法完成小尺寸材料在高应变率(102~1041/s)下力学性能的准确测量。
发明内容
本发明的实施例提供了一种非接触式霍普金森压杆测量的装置和方法,以实现非接触式、高精度、可用于小尺寸材料试样的动态力学性能的测量。
为了实现上述目的,本发明采取了如下技术方案。
根据本发明的一个方面,提供了一种非接触式霍普金森压杆测量的装置,包括:被测材料试样、压杆系统、散斑干涉系统、点探测器和数据采集与处理系统;所述光纤测速系统、点探测器与所述压杆系统机械连接,所述散斑干涉系统的光学汇聚点在所述压杆系统上,所述数据采集与处理系统与所述点探测器电气连接;
所述的压杆系统,包括打击杆、入射杆和透射杆,被测材料试样夹持在所述入射杆和透射杆之间;
所述的散斑干涉系统,用于将入射的激光一分为二得到反射光束和透射光束,所述反射光束和透射光束分别在所述入射杆和透射杆上形成散斑干涉;
所述的点探测器,用于在所述打击杆被打击后,获取所述入射杆、透射杆上压应力脉冲所分别造成的散斑强度变化信息,将所述散斑强度变化信息传输给所述数据采集与处理系统;
所述的数据采集与处理系统,用于根据所述散斑强度变化信息通过计算,得到所述被测材料试样的动态应力、应变和应变率等信息。
优选地,所述装置还包括:
光纤测速系统,用于测量所述压杆系统中所述打击杆被打击后的运行速度。
优选地,所述的压杆系统包括:支撑底座、导轨、打击杆、入射杆和透射杆,所述导轨固定在所述支撑底座上,所述打击杆安装在所述导轨上,所述入射杆和透射杆分别安装到各自的所述支撑底座上,所述打击杆、入射杆和透射杆位于一条轴线上。
优选地,所述的光纤测速系统包括:光纤、光纤传感器和示波器,所述光纤和所述光纤传感器安装在所述导轨两侧形成对射型光纤测速装置,所述示波器与所述光纤传感器电气连接。
优选地,所述入射杆和所述透射杆分别对应一套所述散斑干涉系统,每套所述散斑干涉系统包括:激光器、空间滤波器、分光棱镜、反射镜,所述激光器作为光源输出激光,该激光经过所述空间滤波器进行滤波和扩束后照射在所述分光棱镜上,分光棱镜将入射的激光一分为二得到反射光束和透射光束,所述反射光束和透射光束经过不同的所述反射镜后分别在对应的所述入射杆或透射杆上形成散斑干涉。
优选地,所述的点探测器,包括:所述的点探测器为两套,两套点探测器分别对应所述入射杆和所述透射杆,分别测量所述打击杆被打击后的所述入射杆和所述透射杆上压应力脉冲所分别造成的散斑强度变化信息,将测量得到的散斑强度变化信息传输给所述数据采集与处理系统。
优选地,所述的数据采集与处理系统,包括:数据采集装置和计算机,所述数据采集装置将所述点探测器传输过来的散斑强度变化信息转化为电压数据,将所述电压数据传输到所述计算机中,所述计算机对所述电压数据进行小波变换和处理,计算出所述被测材料试样在高应变率下的动态应力、应变和应变率等信息。
根据本发明的另一个方面,提供了一种非接触式霍普金森压杆测量的方法,所述方法包括:
在一次测量过程中,被测材料试样置于压杆系统的入射杆与透射杆之间,散斑干涉系统将入射的激光一分为二得到反射光束和透射光束,所述反射光束和透射光束分别在所述入射杆和透射杆上形成散斑干涉;
在所述打击杆被打击后,点探测器获取所述入射杆、透射杆上压应力脉冲所分别造成的散斑强度变化信息,将所述散斑强度变化信息传输给所述数据采集与处理系统;
数据采集与处理系统根据所述散斑强度变化信息通过计算,得到所述被测材料试样的动态应力、应变和应变率等信息。
优选地,所述的打击杆被打击后,点探测器获取所述入射杆、透射杆上压应力脉冲所分别造成的散斑强度变化信息,将所述散斑强度变化信息传输给所述数据采集与处理系统,包括:
所述散斑干涉系统中的激光器作为光源输出激光,该激光经过所述空间滤波器进行滤波和扩束后照射在所述分光棱镜上,分光棱镜将入射的激光一分为二得到反射光束和透射光束,所述反射光束和透射光束经过不同的所述反射镜后分别在对应的所述入射杆或透射杆上形成散斑干涉;
在所述打击杆被打击后,当入射杆或透射杆表面沿面内y方向移动时,所述反射光束和透射光束中的一束光的光程增加了Δy(x,z,t)sin i,另一束光的光程减少了Δy(x,z,t)sin i;则在该过程中的光程差δ为:
δ=2Δy(x,z,t)sin i;
所述反射光束和透射光束的相位改变量为:
所述入射杆或透射杆变形前的散斑强度函数为:
I(x,y,t)=I0(x,y){1+Vcos[Φ0(x,y)]},
所述入射杆或透射杆变形后的散斑强度函数为:
I(x,y,t)=I0(x,y){1+Vcos[Φ0(x,y)±4πΔy(x,z,t)sin i/λ]},
其中,Δy(x,z,t)表示所述入射杆或透射杆变形函数,I0(x,y)表示干涉场平均强度,V是调制能见度,Φ0(x,y)表示初始相位,±表示所述入射杆或透射杆不同的变形或者位移方向。
优选地,所述的数据采集与处理系统根据所述散斑强度变化信息通过计算,得到所述被测材料试样的动态应力、应变和应变率等信息,包括:
所述的数据采集与处理系统中的数据采集装置将所述点探测器传输过来的散斑强度变化信息转化为电压数据,将所述电压数据传输到计算机中,所述计算机对电压数据进行小波变换,获得入射杆或透射杆基于时间的截断相位,对截断相位采取去包裹处理,得到入射杆或透射杆基于时间的连续相位,入射杆或透射杆的连续位移用以下公式求得:
其中,λ是所用激光的波长,i是所述反射光束和透射光束在所述入射杆或透射杆上的入射角,ΔΦ(t)是基于时间变化的连续相位;
对计算出的位移进行一阶求导,得到关于所述入射杆或透射杆基于时间变化的位移的一阶导数,即求出入射杆或透射杆的速度VR与VT;
分别求得被测材料试样的工程应力、应变和应变率:
其中,E0是入射杆和透射杆的弹性模量,C0是入射杆与透射杆中波的轴向速度,且有这里ρ0是入射杆与透射杆的密度,A0为入射杆与透射杆的横截面积,AS为试样的横截面积,L是被测材料试样的长度,VT和VR分别是测量得到的透射杆的速度和入射杆的速度,σ(t)为应力,ε(t)为应变,为应变率。
优选地,所述的方法还包括:
通过光纤测速系统测量所述压杆系统中所述打击杆被打击后的运行速度,通过对所述打击杆进行不同力度的打击后,获取所述打击杆的运行速度与所述被测材料试样的工程应力、应变和应变率之间的对应关系。
由上述本发明的实施例提供的技术方案可以看出,本发明实施例将时域散斑干涉测量技术中的面内位移测量方法和材料力学测量中的霍普金森压杆测量方法相结合,用非接触式的光学测量方法取代了传统霍普金森压杆测量方法中应变片式的接触测量,提高了霍普金森压杆测量方法的测量精度,同时可以利用小直径(Φ<3mm)霍普金森压杆装置实现对小尺寸的材料试样在高应变率冲击加载情况下动态力学性能的准确测量,具有非接触性、实时性、高精度等特点。
本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出,这些将从下面的描述中变得明显,或通过本发明的实践了解到。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案,下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动性的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的一种非接触式霍普金森压杆测量的装置结构图;
图2为本发明实施例提供的一种非接触式霍普金森压杆测量的方法实现流程图;
图3为本发明实施例提供的压杆系统整体结构图;
图4为本发明实施例提供的在霍普金森压杆表面进行散斑干涉面内位移测量光路图;
图5为本发明实施例提供的一种非接触式霍普金森压杆测量的装置图;
图6为本发明实施例提供的霍普金森压杆测量的压杆系统中的导轨结构图;
图7为本发明实施例提供的霍普金森压杆测量的压杆系统中磁性底座与定制圆环支撑头的结构图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施方式,所述实施方式的示例在附图中示出,其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的,仅用于解释本发明,而不能解释为对本发明的限制。
本技术领域技术人员可以理解,除非特意声明,这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是,本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件,但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。应该理解,当我们称元件被“连接”或“耦接”到另一元件时,它可以直接连接或耦接到其他元件,或者也可以存在中间元件。此外,这里使用的“连接”或“耦接”可以包括无线连接或耦接。这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的任一单元和全部组合。
本技术领域技术人员可以理解,除非另外定义,这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是,诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义,并且除非像这里一样定义,不会用理想化或过于正式的含义来解释。
为便于对本发明实施例的理解,下面将结合附图以几个具体实施例为例做进一步的解释说明,且各个实施例并不构成对本发明实施例的限定。
实施例一
散斑干涉测量技术是在激光技术日益发展的大背景下发展起来的,当激光照射在具有漫反射性质的物体表面时,从物体表面反射的光在空间相干叠加,就会在整个空间发生干涉,形成随机分布的亮斑和暗斑。
散斑干涉测量技术分为电子散斑干涉测量技术和时序散斑干涉测量技术。电子散斑干涉测量技术可用于测量漫反射表面物体的面外和面内位移分量、应变、斜率、曲率和振动情况。而时序散斑干涉测量技术是将电子散斑干涉测量的范围扩展到实变场的全过程检测;它记录下物体运动的整个过程,得到一系列的散斑干涉图,然后对这一系列图像进行处理,获得相位信息,从而得到物体的运动信息。
时序散斑干涉测量技术,在保持测量精度的同时,将测量范围扩大到了100μm。时序散斑干涉测量技术又分为离面测量和面内测量两种。离面测量是检测物体沿光束传播方向的位移,而面内测量则是测量被测物体垂直于出射光的表面内,且在两束检测光线所在表面内的位移。
本发明实施例将时域散斑干涉测量技术中的面内位移测量方法和材料力学测量中的霍普金森压杆测量方法相结合,用两套时域散斑干涉面内位移测量系统取代传统霍普金森压杆测量中粘贴于入射杆和透射杆上的两个应变片,可对多种材料在高应变率下的动态力学性能进行非接触、高精度的实时测量。
本发明实施例提供的一种非接触式霍普金森压杆测量的装置结构图如图1所示,该装置主要包括:被测材料试样、压杆系统、光纤测速系统、散斑干涉系统、点探测器、数据采集与处理系统。
本发明实施例采用上述装置进行一种非接触式霍普金森压杆测量的方法实现流程如图2所示,包括如下的实现步骤:
步骤S210:安装压杆系统、光纤测速系统,放置被测材料试样。
压杆系统整体结构图如图3所示,压杆系统包括:支撑底座、导轨、打击杆、入射杆和透射杆,所述导轨固定在所述支撑底座上,所述打击杆安装在所述导轨上,所述入射杆和透射杆分别安装到各自的所述支撑底座上;所述打击杆、入射杆和透射杆位于一条轴线上;所述被测材料试样夹持在入射杆和透射杆之间。
光纤测速系统包括:光纤、光纤传感器和示波器,光纤和光纤传感器安装在压杆系统导轨的两侧形成对射型光纤测速装置,示波器与光纤传感器电气连接,将光纤测速系统用于测量压杆系统中的打击杆的速度。
本领域技术人员应能理解上述压杆系统的整体安装结构仅为举例,其他现有的或今后可能出现的压杆系统安装结构如可适用于本发明实施例,也应包含在本发明保护范围以内,并在此以引用方式包含于此。
在实际应用中,上述光纤测速系统也可以采用其他激光测速法。本发明实施例并不局限上述对打击杆速度进行测量的装置,上述对压杆系统的打击杆速度进行测量的任何测速方式都在本发明实施例的保护范围中。
进行霍普金森压杆测量获取被测材料试样在高应变率下的动态力学性能,且所述被测材料试样的尺寸小于设定的数值范围。
步骤S220:入射的激光一分为二得到反射光束和透射光束,反射光束和透射光束分别在入射杆和透射杆上形成散斑干涉。
选择波长为532nm的单纵模半导体激光器作为激光源;激光器内输出的激光经过空间滤波器进行滤波和扩束后照射在分光棱镜上,分光棱镜将入射的激光一分为二,一部分经分光棱镜反射面形成反射光束,另一部分经分光棱镜透射面形成透射光束。
经分光棱镜出射的反射光束和透射光束经过不同的反射镜后分别在对应的入射杆或透射杆表面重新汇聚形成散斑干涉。
在实际应用中,上述散斑干涉系统也可以采用其他激光源来产生相干光通过一系列的光学器件,最终将光汇聚在压杆系统的入射杆或透射杆上产生散斑干涉。本发明实施例并不局限上述激光源的类型,同时也不限定相干光的获取方式,上述散斑干涉系统采用的任何利用相干光在入射杆或透射杆上形成散斑干涉的方式都在本发明实施例的保护范围。
步骤S230:打击杆受力后以一定的速度撞击入射杆,产生的压应力脉冲沿着压杆系统向被测材料试样方向传播。
用工具敲击打击杆,使打击杆以一定的速度撞击入射杆,打击杆的速度由对射型光纤测速系统测得,所产生的压应力脉冲沿着弹性压杆系统向被测材料试样方向传播。
步骤S240:压应力脉冲对入射杆、透射杆上的光强造成影响经散斑干涉系统形成散斑强度变化信息。
散斑干涉系统与压杆系统的光路图如图4所示,散斑干涉系统中的激光器作为光源输出激光,该激光经过空间滤波器进行滤波和扩束后照射在分光棱镜上,分光棱镜将入射的激光一分为二得到反射光束和透射光束,反射光束和透射光束经过不同的反射镜后以相同入射角i沿法线两侧入射,反射光束和透射光束分别在对应的入射杆或透射杆上形成散斑干涉。
在打击杆被打击后,当入射杆或透射杆表面沿面内y方向移动时,反射光束和透射光束中的一束光的光程增加了Δy(x,z,t)sin i,另一束光的光程减少了Δy(x,z,t)sini;则在该过程中的光程差δ为:
δ=2Δy(x,z,t)sin i;
所述反射光束和透射光束的相位改变量为:
所述入射杆或透射杆变形前的散斑强度函数为:
I(x,y,t)=I0(x,y){1+Vcos[Φ0(x,y)]},
所述入射杆或透射杆变形后的散斑强度函数为:
I(x,y,t)=I0(x,y){1+V cos[Φ0(x,y)±4πΔy(x,z,t)sin i/λ]},
其中,Δy(x,z,t)表示所述入射杆或透射杆变形函数,I0(x,y)表示干涉场平均强度,V是调制能见度,Φ0(x,y)表示初始相位,±表示所述入射杆或透射杆不同的变形或者位移方向。
步骤S250:点探测器探测到散斑强度变化信息传输到数据采集与处理系统,计算出被测材料试样的应力、应变和应变率等信息。
数据采集与处理系统包括数据采集装置和计算机,点探测器上收集到的散斑强度变化信息经数据采集装置转化为一系列的电压数据;
计算机对电压数据进行小波变换,获得入射杆或透射杆基于时间的截断相位,对截断相位采取去包裹处理,测得入射杆或透射杆基于时间的连续相位,入射杆或透射杆的位移用以下公式求得:
其中,λ是所用激光的波长,i是入射角,ΔΦ(t)是基于时间变化的连续相位。
基于计算出的位移进行一阶求导,得到关于入射杆或透射杆基于时间变化的位移的一阶导数,即求出入射杆或透射杆的速度VT与VR。
在霍普金森压杆测量装置中,杆弹性区的速度V与应变成比例关系,即:
此处,C0是入射杆与透射杆中波的轴向速度。
基于比例关系,分别求得被测材料试样的工程应变、应力和应变率:
其中,E0是入射杆和透射杆的弹性模量,C0是入射杆与透射杆中波的轴向速度,且有这里ρ0是入射杆与透射杆的密度,A0为入射杆与透射杆的横截面积,AS为试样的横截面积,L是被测材料试样的长度,VT和VR分别是测量得到的透射杆的速度和入射杆的速度,σ(t)为应力,ε(t)为应变,为应变率。
本领域技术人员应能理解上述点探测器和数据采集装置的应用方式仅为举例,其他现有的或今后可能出现的将入射杆或透射杆表面的散斑干涉光强变化信息进行采集并转化为电压值的装置如可适用于本发明实施例,也应包含在本发明保护范围以内,并在此以引用方式包含于此。
步骤S260:获取打击杆不同运行速度与被测材料试样的应力、应变和应变率之间的关系。
通过光纤测速系统测量压杆系统中打击杆被打击后的运行速度,通过对打击杆进行不同力度的打击后,获取打击杆的运行速度与被测材料试样的工程应力、应变和应变率之间的对应关系。
实施例二
本发明实施例提供了一种非接触式霍普金森压杆测量的装置,其具体结构图如图5所示;利用该方法测量材料的动态力学性能,主要是为提高霍普金森压杆测量方法的测量精度,使得霍普金森压杆装置在杆的直径小于3毫米的情况下完成材料在高应变率下动态力学性能的准确测量。
针对小尺寸材料试样的测量,本发明实施例中所采用的装置和被测材料试样的选取方式如下:
压杆直径为D=2mm,长度主要取决于打击杆的长度,用于区分入射波和反射波;若打击杆的长度为L/D=10,则在输入杆中需取L/D>50,有时为保险起见L/D的值可取到80。
压杆的材料一般选用高屈服强度的钢,最常用的是马氏体时效钢;常用的标号为Grade 350,屈服强度达到1.6GPa左右,但这种钢材加工困难且价格昂贵;可用一般的工具钢或者高强度钢的圆柱钢棒替代,此外棒材端面不能有圆滑倒角处理。
材料试样的选取,最常见的标准试样是低碳钢和铝合金,前者被认为是应变率敏感材料,后者被认为是应变率不敏感材料。材料需要有一定的韧性,避免在受打击的时候出现破碎,若要测量材料屈服性能,打击杆的速度需较快,通常达到10m/s左右。样品的直径不能过小,通常其最小值为压杆直径的一半左右,长度L/D<1,一般取L/D=0.3~0.5。
本发明实施例所设计的杆件实物部件如表1所示。
表1.霍普金森压杆测量中所设计的各部件
部件名称 | 尺寸 | 数量 | 材料 |
打击杆 | D=2mm,L=30mm | 1 | 304号不锈钢 |
入射杆 | D=2mm,L=200mm | 1 | 304号不锈钢 |
透射杆 | D=2mm,L=200mm | 1 | 304号不锈钢 |
试样 | D=1.5mm,L=0.75mm | 若干 | 低碳钢 |
导轨 | L=50mm(见图6) | 1 | 黄铜 |
支撑底座 | 见图7 | 5 | 磁性底座 |
用本发明实施例的装置进行一种非接触式霍普金森压杆测量的具体过程与前述方法实施例类似,此处不再赘述。
综上所述,本发明实施例采用了一种非接触式霍普金森压杆测量的方法,通过用非接触式的光学测量方法取代了传统霍普金森压杆测量方法中应变计式的接触测量,使得霍普金森压杆装置在杆的直径小于3毫米的情况下完成材料在高应变率下动态力学性能的准确测量,实现了霍普金森压杆装置对小尺寸材料试样的动态力学性能的测量。
本领域普通技术人员可以理解:附图只是一个实施例的示意图,附图中的模块或流程并不一定是实施本发明所必须的。
通过以上的实施方式的描述可知,本领域的技术人员可以清楚地了解到本发明可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现。基于这样的理解,本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来,该计算机软件产品可以存储在存储介质中,如ROM/RAM、磁碟、光盘等,包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机,服务器,或者网络设备等)执行本发明各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。
本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述,各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可,每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其,对于装置或系统实施例而言,由于其基本相似于方法实施例,所以描述得比较简单,相关之处参见方法实施例的部分说明即可。以上所描述的装置及系统实施例仅仅是示意性的,其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的,作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元,即可以位于一个地方,或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下,即可以理解并实施。
以上所述,仅为本发明较佳的具体实施方式,但本发明的保护范围并不局限于此,任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内,可轻易想到的变化或替换,都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此,本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。
Claims (11)
1.一种非接触式霍普金森压杆测量的装置,其特征在于,包括:被测材料试样、压杆系统、散斑干涉系统、点探测器和数据采集与处理系统;所述光纤测速系统、点探测器与所述压杆系统机械连接,所述散斑干涉系统的光学汇聚点在所述压杆系统上,所述数据采集与处理系统与所述点探测器电气连接;
所述的压杆系统,包括打击杆、入射杆和透射杆,被测材料试样夹持在所述入射杆和透射杆之间;
所述的散斑干涉系统,用于将入射的激光一分为二得到反射光束和透射光束,所述反射光束和透射光束分别在所述入射杆和透射杆上形成散斑干涉;
所述的点探测器,用于在所述打击杆被打击后,获取所述入射杆、透射杆上压应力脉冲所分别造成的散斑强度变化信息,将所述散斑强度变化信息传输给所述数据采集与处理系统;
所述的数据采集与处理系统,用于根据所述散斑强度变化信息通过计算,得到所述被测材料试样的动态应力、应变和应变率等信息。
2.根据权利要求1所述的一种非接触式霍普金森压杆测量的装置,其特征在于,所述装置还包括:
光纤测速系统,用于测量所述压杆系统中所述打击杆被打击后的运行速度。
3.根据权利要求1所述的一种非接触式霍普金森压杆测量的装置,其特征在于,所述的压杆系统包括:支撑底座、导轨、打击杆、入射杆和透射杆,所述导轨固定在所述支撑底座上,所述打击杆安装在所述导轨上,所述入射杆和透射杆分别安装到各自的所述支撑底座上,所述打击杆、入射杆和透射杆位于一条轴线上。
4.根据权利要求1或2或3所述的一种非接触式霍普金森压杆测量的装置,其特征在于,所述的光纤测速系统包括:光纤、光纤传感器和示波器,所述光纤和所述光纤传感器安装在所述导轨两侧形成对射型光纤测速装置,所述示波器与所述光纤传感器电气连接。
5.根据权利要求4所述的一种非接触式霍普金森压杆测量的装置,其特征在于,所述入射杆和所述透射杆分别对应一套所述散斑干涉系统,每套所述散斑干涉系统包括:激光器、空间滤波器、分光棱镜、反射镜,所述激光器作为光源输出激光,该激光经过所述空间滤波器进行滤波和扩束后照射在所述分光棱镜上,分光棱镜将入射的激光一分为二得到反射光束和透射光束,所述反射光束和透射光束经过不同的所述反射镜后分别在对应的所述入射杆或透射杆上形成散斑干涉。
6.根据权利要求5所述的一种非接触式霍普金森压杆测量的装置,其特征在于,所述的点探测器,包括:所述的点探测器为两套,两套点探测器分别对应所述入射杆和所述透射杆,分别测量所述打击杆被打击后的所述入射杆和所述透射杆上压应力脉冲所分别造成的散斑强度变化信息,将测量得到的散斑强度变化信息传输给所述数据采集与处理系统。
7.根据权利要求6所述的一种非接触式霍普金森压杆测量的装置,其特征在于,所述的数据采集与处理系统,包括:数据采集装置和计算机,所述数据采集装置将所述点探测器传输过来的散斑强度变化信息转化为电压数据,将所述电压数据传输到所述计算机中,所述计算机对所述电压数据进行小波变换和处理,计算出所述被测材料试样在高应变率下的动态应力、应变和应变率等信息。
8.一种非接触式霍普金森压杆测量的方法,其特征在于,应用于权利要求1至7任一项所述的装置,所述方法包括:
在一次测量过程中,被测材料试样置于压杆系统的入射杆与透射杆之间,散斑干涉系统将入射的激光一分为二得到反射光束和透射光束,所述反射光束和透射光束分别在所述入射杆和透射杆上形成散斑干涉;
在所述打击杆被打击后,点探测器获取所述入射杆、透射杆上压应力脉冲所分别造成的散斑强度变化信息,将所述散斑强度变化信息传输给所述数据采集与处理系统;
数据采集与处理系统根据所述散斑强度变化信息通过计算,得到所述被测材料试样的动态应力、应变和应变率等信息。
9.根据权利要求8所述的一种非接触式霍普金森压杆测量的方法,其特征在于,所述的在打击杆被打击后,点探测器获取所述入射杆、透射杆上压应力脉冲所分别造成的散斑强度变化信息,将所述散斑强度变化信息传输给所述数据采集与处理系统,包括:
所述散斑干涉系统中的激光器作为光源输出激光,该激光经过所述空间滤波器进行滤波和扩束后照射在所述分光棱镜上,分光棱镜将入射的激光一分为二得到反射光束和透射光束,所述反射光束和透射光束经过不同的所述反射镜后分别在对应的所述入射杆或透射杆上形成散斑干涉;
在所述打击杆被打击后,当入射杆或透射杆表面沿面内y方向移动时,所述反射光束和透射光束中的一束光的光程增加了Δy(x,z,t)sini,另一束光的光程减少了Δy(x,z,t)sini;则在该过程中的光程差δ为:
δ=2Δy(x,z,t)sini;
所述反射光束和透射光束的相位改变量为:
所述入射杆或透射杆变形前的散斑强度函数为:
I(x,y,t)=I0(x,y){1+Vcos[Φ0(x,y)]},
所述入射杆或透射杆变形后的散斑强度函数为:
I(x,y,t)=I0(x,y){1+Vcos[Φ0(x,y)±4πΔy(x,z,t)sini/λ]},
其中,Δy(x,z,t)表示所述入射杆或透射杆变形函数,I0(x,y)表示干涉场平均强度,V是调制能见度,Φ0(x,y)表示初始相位,±表示所述入射杆或透射杆不同的变形或者位移方向。
10.根据权利要求8所述的一种非接触式霍普金森压杆测量的方法,其特征在于,所述的数据采集与处理系统根据所述散斑强度变化信息通过计算,得到所述被测材料试样的动态应力、应变和应变率等信息,包括:
所述的数据采集与处理系统中的数据采集装置将所述点探测器传输过来的散斑强度变化信息转化为电压数据,将所述电压数据传输到计算机中,所述计算机对电压数据进行小波变换,获得入射杆或透射杆基于时间的截断相位,对截断相位采取去包裹处理,得到入射杆或透射杆基于时间的连续相位,入射杆或透射杆的连续位移用以下公式求得:
<mrow>
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</mrow>
</mfrac>
<mo>,</mo>
</mrow>
2
其中,λ是所用激光的波长,i是所述反射光束和透射光束在所述入射杆或透射杆上的入射角,ΔΦ(t)是基于时间变化的连续相位;
对计算出的位移进行一阶求导,得到关于所述入射杆或透射杆基于时间变化的位移的一阶导数,即求出入射杆或透射杆的速度VR与VT;
分别求得被测材料试样的工程应力、应变和应变率:
<mrow>
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<mi>R</mi>
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</mrow>
其中,E0是入射杆和透射杆的弹性模量,C0是入射杆与透射杆中波的轴向速度,且有这里ρ0是入射杆与透射杆的密度,A0为入射杆与透射杆的横截面积,AS为试样的横截面积,L是被测材料试样的长度,VT和VR分别是测量得到的透射杆的速度和入射杆的速度,σ(t)为应力,ε(t)为应变,为应变率。
11.根据权利要求8所述的一种非接触式霍普金森压杆测量的方法,其特征在于,所述的方法还包括:
通过光纤测速系统测量所述压杆系统中所述打击杆被打击后的运行速度,通过对所述打击杆进行不同力度的打击后,获取所述打击杆的运行速度与所述被测材料试样的工程应力、应变和应变率之间的对应关系。
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Legal Events
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---|---|---|---|
PB01 | Publication | ||
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GR01 | Patent grant | ||
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