CN108593466A - 一种冲击载荷下同步温度测量与变形观测的实验平台 - Google Patents

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Abstract

本发明公开的一种冲击载荷下同步温度测量与变形观测的实验平台，属于高速冲击下材料动态力学性能表征领域。本发明包括高速红外测温系统、遮光装置、高速摄影系统和冲击加载装置；高速红外测温系统和高速摄影系统分列在冲击加载装置两侧；遮光装置位于高速红外测温系统和冲击加载装置之间；高速摄影系统包括高速摄像机、镜头、第一高能量闪光灯和第二高能量闪光灯；高速红外测温系统包括红外光学系统和高速红外探测器；红外光学系统用于收集与传递被测物体变形过程中的红外信号；遮光装置用于实现隔绝高能量闪光灯对高速红外测温系统的光干扰。本发明能够避免高能量闪光灯对高速红外测温系统测量影响，进而实现冲击载荷下同步温度测量与变形观测。

Description

一种冲击载荷下同步温度测量与变形观测的实验平台
技术领域
本发明涉及到一种冲击载荷下材料动态力学性能测试的实验平台，特别是涉及一种基于分离式霍普金森加载装置的同步高速红外测温与变形观测的实验平台，属于高速冲击下材料动态力学性能表征领域。
背景技术
高速冲击下材料的变形过程与失效机理日益受到科研工作者的重视，是固体力学方向中的研究热点之一，具有重要的科学意义和工程应用价值。与静态或准静态载荷下的材料变形失效行为相比，冲击载荷下的材料动态失效行为更为复杂，最重要的区别之一是塑性功以绝热的方式转换为热量，温升会改变材料模量、强度和断裂韧性等关键力学参数，使得材料变形失效过程受到了热力耦合的影响。因此，必须开展同步高速红外温度测量和变形观测实验，以深入研究材料的变形失效机理。
目前，少数国外学者利用高速红外测温仪器和相干梯度敏感法(CoherentGrading Sensing，CGS)同步观测冲击载荷下∏型动态断裂过程中的绝热剪切带的萌生和传播过程及温度演化进行了研究。但是由于裂尖区域发生了大塑形变形，导致裂尖区域的栅纹非常密集，无法结合变形和温度历史分析变形失效机理使得该实验平台存在一定地应用局限性。随着高速摄影技术的发展，可以高分辨率和高帧频地拍摄材料的变形过程。但是需要用到高能量闪光灯才可以获取清晰的图像，而高能量闪光灯会对高速红外测温系统造成光干扰，影响测量精度，即无法实现冲击载荷下同步高速红外测温/变形观测实验。
发明内容
为解决同步红外测温于变形观测实验平台存在的下述问题：高能量闪光灯对高速红外测温系统的光干扰的问题。本发明公开的一种冲击载荷下同步温度测量与变形观测的实验平台要解决的技术问题避免高能量闪光灯对高速红外测温系统测量影响，进而实现冲击载荷下同步温度测量与变形观测。本发明公开的一种冲击载荷下同步温度测量与变形观测的实验平台能够用于材料动态变形过程中温度和变形历史的同步观测记录，进而分析材料在冲击载荷下的变形失效机理。
本发明的目的是通过下述技术方案实现的。
本发明公开的一种冲击载荷下同步温度测量与变形观测的实验平台，包括高速红外测温系统、遮光装置、高速摄影系统和冲击加载装置。
所述的高速红外测温系统和高速摄影系统分列在冲击加载装置两侧。
所述的遮光装置位于高速红外测温系统和冲击加载装置之间。
所述的高速摄影系统包括高速摄像机、镜头、第一高能量闪光灯和第二高能量闪光灯。
所述的高速红外测温系统包括红外光学系统和高速红外探测器。所述的红外光学系统用于收集与传递被测物体变形过程中的红外信号，包括光路调节箱和反射镜。所述的光路调节箱在同一侧面对称开设两个通孔，即为右调光口和左调光口。所述的光路调节箱的箱内放置有小调节架、凸面镜、大调节架和凹面镜。小调节架与凸面镜固定连接，用于调整凸面镜的位置。大调节架与凹面镜固定连接，用于调整凹面镜的位置。所述的凸面镜的顶点位于凹面镜的焦点处，使得光线沿左调光口中心射出；所述的凸面镜和凹面镜表面蒸镀膜，所述的蒸镀膜需保证在红外波段内具有高反射率，所述的高反射率指反射率在90％以上。
所述的遮光装置用于实现隔绝高能量闪光灯对高速红外测温系统的光干扰，包括第一遮光装置和第二遮光装置。所述的隔绝高能量闪光灯对高速红外测温系统的光干扰包括两部分干扰，第一部分干扰为通过反射系统传播到高速红外探测器上的光干扰信号，第一部分干扰为直接传播到高速红外探测器上的光干扰信号。所述第一遮光装置为位于高速红外测温系统与加载装置之间的遮光挡板，实现隔绝直接传播到高速红外探测器上的光干扰信号。为安装第二遮光装置，所述第一遮光装置内开有用于安装第二遮光装置的通孔。
为了进一步提高第一遮光装置的遮光效果，作为优选，第一遮光装置外表面涂覆吸收红外的材料。
所述第二遮光装置通过第一遮光装置的通孔固定安装，内有圆台型通孔，圆台上底面直径需小于试样的高度，圆台母线于轴线之间的夹角需大于光路调节箱的视场角，实现隔绝利用红外光学系统传播到高速红外探测器上的光干扰信号。
为了便于第一遮光装置和第二遮光装置装配，作为优选，第一遮光装置内开有圆柱型通孔，并在内通孔表面上开螺纹。所述第二遮光装置外型为与第一遮光装置内开有圆柱型通孔适配的圆柱型，外壁开螺纹，通过螺纹与第一遮光装置相连。
本发明公开的一种冲击载荷下同步温度测量与变形观测的实验平台能够用于材料动态变形过程中温度和变形历史的同步观测记录，进而分析材料在冲击载荷下的变形失效机理。
有益效果：
1、本发明公开的一种冲击载荷下同步温度测量与变形观测的实验平台包括高速红外测温系统、遮光装置、高速摄影系统和冲击加载装置，通过高速红外测温系统实现温度测量，通过高速摄影系统实现变形观测，进而实现冲击载荷下同步温度测量与变形观测。
2、现有技术中实验平台实现冲击载荷下同步温度测量与变形观测时，存在高速摄影系统中高能量闪光灯对高速红外测温系统测量影响，本发明公开的一种冲击载荷下同步温度测量与变形观测的实验平台，通过在高速红外测温系统和冲击加载装置之间增设遮光装置，所述的遮光装置用于实现隔绝高能量闪光灯对高速红外测温系统的光干扰；所述的隔绝高能量闪光灯对高速红外测温系统的光干扰包括两部分干扰，第一部分干扰为通过反射系统传播到高速红外探测器上的光干扰信号，第一部分干扰为直接传播到高速红外探测器上的光干扰信号。所述的第一遮光装置为位于高速红外测温系统与加载装置之间的遮光挡板，实现隔绝直接传播到高速红外探测器上的光干扰信号。所述的第二遮光装置用于实现隔绝利用红外光学系统传播到高速红外探测器上的光干扰信号。
3、本发明公开的一种冲击载荷下同步温度测量与变形观测的实验平台，第一遮光装置外表面涂覆吸收红外的材料，实现进一步提高第一遮光装置的遮光效果。
附图说明
图1为同步高速红外测温/变形观测的实验平台整体结构示意图；
图2为测试结果对比图，(a)为无遮光装置结果，(b)为有遮光装置结果。
其中：1-高速摄像机；2-镜头；3-第一高能量闪光灯；4-透射杆；5-第一遮光装置；6-第二遮光装置；7-光路调节箱，8-反射镜，9-高速红外探测器；10-入射杆；11-撞击杆；12-第二高能量闪光灯；13-试样。
具体实施方式
为了更好的说明本发明的目的和优点，下面结合附图和实例对发明内容做进一步说明。
现结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明：
本实施例公开的一种冲击载荷下同步温度测量与变形观测的实验平台，如图1所示，该实验平台主要包括高速红外测温系统，高速摄像系统、遮光装置和冲击加载装置。
所述的高速红外测温系统包括红外光学系统和高速红外探测器9，所述的红外光学系统用于收集与传递被测物体变形过程中的红外信号，包括光路调节箱7和反射镜8。
所述高速摄像系统包括高速摄像机1，镜头2，第一高能量闪光灯3和第二高能量闪光灯12；
所述的遮光装置位于高速红外测温系统和冲击加载装置之间，包括第一遮光装置5和第二遮光装置6；
所述第一遮光装置5长度为700mm，高度为700mm，厚度为50mm，外表面涂覆吸收红外材料，内开有直径为25mm圆柱型通孔，并在内通孔表面上开螺纹，可以实现隔绝直接传播到高速红外探测器上的光干扰信号；
所述第二遮光装置6外型为圆柱型，直径为25mm，长度为60mm，外壁开螺纹，通过螺纹连接于第一遮光装置5相连，内有圆台型通孔，圆台上底面直径为4mm，小于试样13的高度7mm，下底面直径为20mm，可以实现隔绝利用红外光学系统传播到高速红外探测器上的光干扰信号；
所述冲击加载装置包括撞击杆11，入射杆10，透射杆4，杆直径为12.7mm，撞击杆长度为150mm，入射杆长度为1000mm，透射杆长度为1200mm；可以实现对试样13的冲击加载；
按照图1所示整体结构示意图搭建实验平台；
基于本实施例公开的一种冲击载荷下同步温度测量与变形观测的实验平台实现冲击载荷下同步温度测量与变形观测的方法主要步骤如下：
步骤一：调整第二遮光装置6与试样13之间的相对位置，使得第二遮光装置6的中心位置与试样13的中心位置一致；
步骤二：调整高速红外测温系统与遮光装置之间的相对位置，使得第二遮光装置6的中心位置与高速红外测温系统中红外光学系统的光学中心位置一致；
步骤三：调整高速摄像系统中第一高能量闪光灯3和第二闪光灯12与试样13的相对位置，使得摄像系统可以拍摄到清晰的图像；
步骤四：将数据采集仪器与高速红外探测器9相连，采集探测器输出的信号，设置数据采集仪器的采集触发源为探测器9输出的一路信号；
步骤五：测试结果如图2所示，控制第一高能量闪光灯3和第二高能量闪光灯12的曝光，数据采集仪器采集的信号波形图无变化，说明遮光装置可以有效隔绝光干扰信号。
以上所述的具体描述，对发明的目的、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例而已，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 (4)

1.一种冲击载荷下同步温度测量与变形观测的实验平台，其特征在于：包括高速红外测温系统、遮光装置、高速摄影系统和冲击加载装置；
所述的高速红外测温系统和高速摄影系统分列在冲击加载装置两侧；
所述的遮光装置位于高速红外测温系统和冲击加载装置之间；
所述的高速摄影系统包括高速摄像机(1)、镜头(2)、第一高能量闪光灯(3)和第二高能量闪光灯(12)；
所述的高速红外测温系统包括红外光学系统和高速红外探测器(9)；所述的红外光学系统用于收集与传递被测物体变形过程中的红外信号，包括光路调节箱(7)和反射镜(8)；所述的光路调节箱(7)在同一侧面对称开设两个通孔，即为右调光口(7-1)和左调光口(7-3)；所述的光路调节箱的箱内放置有小调节架(7-2)、凸面镜(7-4)、大调节架(7-5)和凹面镜(7-6)；小调节架(7-2)与凸面镜(7-4)固定连接，用于调整凸面镜(7-4)的位置；大调节架(7-6)与凹面镜(7-5)固定连接，用于调整凹面镜(7-5)的位置；所述的凸面镜(7-5)的顶点位于凹面镜(7-6)的焦点处，使得光线沿左调光口(7-3)中心射出；所述的凸面镜(7-4)和凹面镜(7-6)表面蒸镀膜，所述的蒸镀膜需保证在红外波段内具有高反射率，所述的高反射率指反射率在90％以上；
所述的遮光装置用于实现隔绝高能量闪光灯对高速红外测温系统的光干扰，包括第一遮光装置(5)和第二遮光装置(6)；所述的隔绝高能量闪光灯对高速红外测温系统的光干扰包括两部分干扰，第一部分干扰为通过反射系统传播到高速红外探测器上的光干扰信号，第一部分干扰为直接传播到高速红外探测器上的光干扰信号；所述第一遮光装置(5)为位于高速红外测温系统与加载装置之间的遮光挡板，实现隔绝直接传播到高速红外探测器上的光干扰信号；为安装第二遮光装置(6)，所述第一遮光装置(5)内开有用于安装第二遮光装置(6)的通孔；
所述第二遮光装置(6)通过第一遮光装置(5)的通孔固定安装，内有圆台型通孔，圆台上底面直径需小于试样(13)的高度，圆台母线于轴线之间的夹角需大于光路调节箱(7)的视场角，实现隔绝利用红外光学系统传播到高速红外探测器上的光干扰信号。
2.如权利要求1所述的一种冲击载荷下同步温度测量与变形观测的实验平台，其特征在于：第一遮光装置(5)外表面涂覆吸收红外的材料。
3.如权利要求1或2所述的一种冲击载荷下同步温度测量与变形观测的实验平台，其特征在于：第一遮光装置(5)内开有圆柱型通孔，并在内通孔表面上开螺纹；所述第二遮光装置(6)外型为与第一遮光装置(5)内开有圆柱型通孔适配的圆柱型，外壁开螺纹，通过螺纹与第一遮光装置(5)相连。
4.如权利要求3所述的一种冲击载荷下同步温度测量与变形观测的实验平台，其特征在于：用于材料动态变形过程中温度和变形历史的同步观测记录，进而分析材料在冲击载荷下的变形失效机理。
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