CN110346074A - 一种测量激光诱导空泡溃灭冲击力的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种测量激光诱导空泡溃灭冲击力的装置及方法，包括三维移动平台，激光空化系统和测力系统。由计算机控制三维移动平台，调节空泡在材料上方产生的位置。移动平台上装有水槽，水槽内部装有垫块，垫块上从上往下依次为压边圈，工件和PVDF薄膜传感器。激光空化系统包含激光控制器，YAG激光器和光学扩束聚焦装置。测力系统包含PVDF薄膜传感器，电荷放大器和示波器。由激光控制器控制YAG激光器发出激光，激光束经扩束聚焦系统在水槽中诱导产生空化泡，空泡溃灭后产生的微射流和冲击波作用力会直接作用于工件，工件产生形变作用于PVDF薄膜传感器，由传感器将力信号转化为电压信号，经过电荷放大器和示波器将信号传输到计算机上，从而有效实现测量空泡溃灭阶段微射流和冲击波作用力大小的目的。

Description

一种测量激光诱导空泡溃灭冲击力的装置及方法

技术领域

本发明涉及一种瞬时冲击力的检测方法及装置，尤其是一种激光诱导空泡溃灭冲击力的检测方法及装置，属于冲击力测试技术领域。

背景技术

对流体中空化现象的研究已经有100多年的历史了，由于空化现象十分复杂，甚至目前对空化导致的空蚀机理还不十分清楚。空泡在脉动过程中，尤其是溃灭后期将产生很大的瞬时压力。当空泡溃灭发生在固体表面或材料附近时，将产生强冲击波及微射流效应。不断溃灭的空泡所产生的高压冲击力反复作用于材料可破坏固体表面，造成空蚀现象。

目前通过实验方法产生空化现象的手段主要有水力空化、超声空化和电火花空化。近年来随着激光技术的快速发展和普及应用，越来越多的国内外学者开始利用激光产生空化泡的方法来研究空化机理。激光空化与其他空化方法相比具有球对称性好、易控制及机械形变小等诸多优点。Vogel认为造成空蚀现象的原因是空泡溃灭冲击波和微射流共同作用的结果，且两者之间存在相互竞争关系，随着空泡距壁面距离大小的不同而改变。

申请号为201310702903.X的中国专利激光空化射流力冲击作用的检测方法及装置，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的形变，再根据薄板的弹性变形及应力公式计算出激光空化射流力的冲击作用。但其一段通过悬臂梁固定于水槽壁的方式容易导致薄板变形不均匀，影响测量结果。申请号为201810557103.6的中国专利一种单空泡溃灭与材料边界耦合特性多场测量平台，通过结构应力采集系统来采集测试板上应力变化，根据测试板壁面动态响应过程，分析不同初始距离下，测试板附近空泡溃灭载荷与测试板壁面形变的相互关系与作用机理,但其采样频率较低，只能分析测试板最终形变与空泡溃灭载荷之间的关系，无法精确判断空泡溃灭阶段各部分冲击力大小。

发明内容

本发明的目的在于提供一种测量激光诱导空泡溃灭冲击力的装置及方法，能够实现测量空泡溃灭阶段各部分冲击力大小的目的。

为实现上述发明目的，本发明采取的技术方案为：一种测量激光诱导空泡溃灭冲击力的装置，括三维移动平台，激光空化系统和测力系统，所述测力系统包含PVDF薄膜传感器，电荷放大器和示波器，所述三维移动平台上装有水槽，所述水槽里装有垫块，所述PVDF薄膜传感器在垫块上方，所述工件在PVDF薄膜传感器上方，所述压边圈在工件上方，所述工件、所述PVDF薄膜传感器和所述垫块之间通过所述压边圈的压紧力压紧。

优选的，所述激光空化系统和所述测力系统均与计算机相连。

优选的，所述激光空化系统包括YAG激光器、激光控制器、45°全反镜和光学扩束聚焦系统，所述激光控制器控制YAG激光器发出激光束，先后通过45°全反镜和光学扩束聚焦系统，最后激光束聚焦在工件上方。

优选的，所述PVDF薄膜传感器型号为FDT1-028K，所述电荷放大器型号为ICA101超高频10M VH型，所述示波器型号为YOKOGAWA DL9140。

优选的，所述工件材料为纯铝箔或纯铜箔，厚度为10μm-50μm。

优选的，所述压边圈压力为12N，所述水槽中液体介质为去离子水、甘油、酒精或它们之间任意比例的混合液。

优选的，所述YAG激光器输出的激光为双波段脉冲激光，所述脉冲激光的参数为：单脉冲能量在20～1000mJ、脉冲时间为8ns、工作频率为1-10Hz，波长分别为1064/532nm。

优选的，所述光学扩束聚焦系统由焦距为20mm的凹透镜，焦距为100mm的凸透镜和焦距为150mm的凸透镜组成。

本发明还提供了一种测量激光诱导空泡溃灭冲击力的方法，包括如下步骤：S1:将垫块、PVDF薄膜传感器、工件、依次放入水槽中，并用压边圈夹紧，使得三者之间没有空隙；S2:在水槽中装满液体介质，使得液面没过工件一定高度，通过计算机控制三维移动平台，调整激光聚焦点至工件表面一定距离；S3:由计算机控制激光控制器给出一个信号，激光器开始工作发射一束脉冲激光，激光经过扩束聚焦系统聚焦在工件上方位置，同时击穿液体介质产生空泡；S4:空泡经历一系列膨胀和收缩过程最后发生溃灭，同时释放微射流和冲击波作用于工件上，工件产生微小形变作用于PVDF薄膜传感器；S5:由传感器将力信号转化为电压信号，经过电荷放大器和示波器将信号传输到计算机上，通过计算机分析软件测得空泡溃灭阶段冲击波和微射流作用力的大小。

优选的，步骤S2中，激光聚焦点至工件表面的距离为0～3mm。

本发明的有益效果：（1）本发明利用高能激光束击穿液体介质在液体介质中产生空化泡，由于空泡在内外巨大压差作用下经历一系列膨胀和收缩阶段，伴随着空泡的趋壁效应，最终发生溃灭。由空泡溃灭引起的冲击波和微射流会导致工件产生微小形变并作用于PVDF薄膜传感器，从而达到测量空泡溃灭阶段各部分冲击力大小的目的。（2）所述铝箔或铜箔屈服强度低，在空泡作用下极易变形，不影响向PVDF薄膜传感器传力，且用压边圈的压紧力使两者紧密贴合无需夹具，操作简便；（3）所述PVDF薄膜传感器适用于水下测量，且灵敏度很高，测量频率可达10MHz，非常适用于测量冲击波和微射流等瞬时作用力。（4）所述光学扩束聚焦系统通过扩大光束半径从而改变激光在水中聚焦角度来改变激光能量密度，避免在水中产生多点击穿现象，易于产生单空泡，便于后续实验研究。

附图说明

图1为本发明所述一种测量激光诱导空泡溃灭冲击力的装置图。

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。

附图标记说明如下：1、三维移动平台，2、水槽，3、液体介质，4、垫块，5、PVDF薄膜传感器，6、工件，7、压边圈，8、空化泡，9、凸透镜，10、凸透镜，11、凹透镜，12、45°全反镜，13、YAG激光器，14、激光控制器，15、计算机，16、电荷放大器，17、示波器。

具体实施方法

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。

如图1所示，本方法用到的一种测量激光诱导空泡溃灭冲击力的装置，包括三维移动平台，激光空化系统和测力系统。三维移动平台1上设有水槽2，所述水槽2内装有垫块4，在垫块4上方依次装有PVDF薄膜传感器5，工件6和压边圈7，通过压边圈7的压紧力使三者紧密贴合。所述激光空化系统包含激光控制器14，YAG激光器13和光学扩束聚焦系统。由激光控制器14控制YAG激光器13发出一束脉冲激光，激光依次经过45°全反镜12、光学扩束聚焦系统聚焦在工件6上方一定距离处。调整激光器13的输出能量密度，使其超过水槽2中液体介质3的击穿阀值，从而在所述工件6上方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空化泡，空泡在内外巨大压差作用下经历一系列膨胀和收缩阶段，同时伴随着趋壁效应，最终发生溃灭。

所述测力系统包含PVDF薄膜传感器5，电荷放大器16和示波器17。空泡8溃灭后产生的微射流和冲击波作用力会直接作用于工件6，工件6产生微细形变作用于PVDF薄膜传感器5，由PVDF薄膜传感器5将力信号转化为电压信号，经过电荷放大器16和示波器17将信号传输到计算机15上，从而达到测量空泡溃灭阶段各部分冲击力大小的目的。所述三维移动平台1、激光控制器14和示波器17均与计算机15相连接。

优选地，所述PVDF薄膜传感器5型号为FDT1-028K，所述电荷放大器16型号为ICA101超高频10M VH型，所述示波器17型号为YOKOGAWA DL9140。

优选地，所述工件6材料为纯铝箔或纯铜箔，厚度为10μm-50μm，所述压边圈7压力为12N，所述水槽2中液体介质3为去离子水、甘油、酒精或它们之间任意比例的混合液。

优选地，所述光学扩束聚焦系统由焦距为20mm的凹透镜11，100mm的凸透镜10和150mm的凸透镜9组成。

优选地，所述YAG激光器13输出的激光为双波段脉冲激光，所述脉冲激光的参数为：单脉冲能量在20～1000mJ、脉冲时间为8ns、工作频率为1-10Hz，波长分别为1064/532nm。

优选地，所述激光聚焦点至工件6表面距离一般为0～3mm。

本发明还提供了一种测量激光诱导空泡溃灭冲击力的方法，具体步骤如下：S1:将垫块4、PVDF薄膜传感器5、工件6、依次放入水槽2中，并用压边圈7夹紧，使得三者之间没有空隙。S2:在水槽中2装满液体介质3，使得液面没过工件6一定高度，通过计算机15控制三维移动平台1，调整激光聚焦点至工件6表面一定距离（一般为0～3mm）。S3:由计算机15控制激光控制器14给出一个信号，激光器13开始工作发射一束脉冲激光，激光经过光学扩束聚焦系统聚焦在工件6上方位置，同时击穿液体介质产生空泡8。S4:空泡8经历一系列膨胀和收缩过程最后发生溃灭，同时由于释放微射流和冲击波作用于工件6上，工件6产生微小形变作用于PVDF薄膜传感器5。S5:由传感器5将力信号转化为电压信号，经过电荷放大器16和示波器17将信号传输到计算机15上，通过计算机15分析软件测得空泡8溃灭阶段冲击波和微射流作用力的大小。

如图2所述，示波器17中显示的冲击作用应力信号波形图，选用的采样频率为62.5GS/s，横轴代表时间，跨度为200ns/div，纵轴代表电压值，跨度为20mv/div，触发方式选择单脉冲触发。由于横轴时间跨度总共为2μs，故当前示波器屏幕上只显示一个空泡溃灭冲击波信号，冲击波对应的电压信号为32.5mv，冲击波上升沿时间约为25ns，符合在约束模式下冲击波持续作用时间为脉宽的3倍特征，随后冲击波的幅值衰减直至平稳状态。

所述实施案例仅用于说明本发明的技术方案，不限于上述实施方式，不得以任何形式限制本发明，本领域的技术人员对本发明做出的显而易见的改进、替换，均在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种测量激光诱导空泡溃灭冲击力的装置，其特征在于，包括三维移动平台，激光空化系统和测力系统，其特征在于，所述测力系统包含PVDF薄膜传感器（5），电荷放大器（16）和示波器（17），三维移动平台上（1）装有水槽（2），所述水槽（2）里装有垫块（4），所述PVDF薄膜传感器（5）在垫块（4）上方，工件（6）在PVDF薄膜传感器（5）上方，压边圈（7）在工件（6）上方，所述工件（6）、所述PVDF薄膜传感器（5）和所述垫块（4）之间通过所述压边圈（7）的压紧力压紧。

2.根据权利要求1所述的一种测量激光诱导空泡溃灭冲击力的装置，其特征在于，所述激光空化系统和所述测力系统均与计算机相连。

3.根据权利要求1所述的一种测量激光诱导空泡溃灭冲击力的装置，其特征在于，所述激光空化系统包括YAG激光器（13）、激光控制器（14）、45°全反镜（12）和光学扩束聚焦系统，所述激光控制器（14）控制YAG激光器（13）发出激光束，先后通过45°全反镜（12）和光学扩束聚焦系统，最后激光束聚焦在工件（6）上方。

4.根据权利要求1所述的一种测量激光诱导空泡溃灭冲击力的装置，其特征在于，所述PVDF薄膜传感器（5）型号为FDT1-028K，所述电荷放大器（16）型号为ICA101超高频10M VH型，所述示波器（17）型号为YOKOGAWA DL9140。

5.根据权利要求1所述的一种测量激光诱导空泡溃灭冲击力的装置，其特征在于，所述工件（6）材料为纯铝箔或纯铜箔，厚度为10μm-50μm。

6.根据权利要求1所述的一种测量激光诱导空泡溃灭冲击力的装置，其特征在于，所述压边圈（7）压力为12N，所述水槽（2）液体介质（3）为去离子水、甘油、酒精或它们之间任意比例的混合液。

7.根据权利要求3所述的一种测量激光诱导空泡溃灭冲击力的装置，其特征在于，所述YAG激光器（13）输出的激光为双波段脉冲激光，所述脉冲激光的参数为：单脉冲能量在20～1000mJ、脉冲时间为8ns、工作频率为1-10Hz，波长分别为1064/532nm。

8.根据权利要求3所述的一种测量激光诱导空泡溃灭冲击力的装置，其特征在于，所述光学扩束聚焦系统由焦距为20mm的凹透镜（11），焦距为100mm的凸透镜（10）和焦距为150mm的凸透镜（9）组成。

9.一种测量激光诱导空泡溃灭冲击力的方法，包括如下步骤：

S1:将垫块（4）、PVDF薄膜传感器（5）、工件（6）、依次放入水槽（2）中，并用压边圈（7）夹紧，使得三者之间没有空隙；

S2:在水槽中（2）装满液体介质（3），使得液面没过工件（6）一定高度，通过计算机（15）控制三维移动平台（1），调整激光聚焦点至工件（6）表面一定距离；

S3:由计算机（15）控制激光控制器（14）给出一个信号，激光器（13）开始工作发射一束脉冲激光，激光经过扩束聚焦系统聚焦在工件（6）上方位置，同时击穿液体介质产生空泡（8）；

S4:空泡（8）经历一系列膨胀和收缩过程最后发生溃灭，同时释放微射流和冲击波作用于工件（6）上，工件（6）产生微小形变作用于PVDF薄膜传感器（5）；

S5:由传感器（5）将力信号转化为电压信号，经过电荷放大器（16）和示波器（17）将信号传输到计算机（15）上，通过计算机（15）分析软件测得空泡（8）溃灭阶段冲击波和微射流作用力的大小。

10.根据权利要求9所述的一种测量激光诱导空泡溃灭冲击力的方法，其特征在于，步骤S2中，激光聚焦点至工件（6）表面的距离为0～3mm。