CN114839393B - 一种弧形发散阵列测速探头及测速方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种弧形发散阵列测速探头，包括相邻设置的光束发散控制模块和阵列测速探头模块；阵列测速探头模块提供多条出射光线，光束发散控制模块将多条出射光线进行发散，发散后的光线朝向阵列测速探头模块的延长线相交于光束发散控制模块的焦点；焦点位于待测材料凹面部截面的圆心处；阵列测速探头模块接收待测材料凹面部待测处反射的光线。本发明还公开了一种单排弧形发散阵列测速方法。本发明应用于爆轰加载下材料凹面部的速度检测，在狭小腔体内的安装非常便捷，需要调整的参数也仅为一项，并且布置时初始点距可以达到0.2mm，有效的加大的测点密度，为后期数据拟合提供了良好的基础。
Description
技术领域
本发明涉及高压加载下瞬态光电测试技术领域，具体涉及一种弧形发散阵列测速探头及测速方法。
背景技术
材料在高压加载下表面的速度历史是研究材料动态力学特性、状态方程的重要参数。常规的测试手段是在探测目标表面一定距离用探针靶架安装一系列测速探头，用来测试材料表面不同区域的速度特性，由于爆轰波的传播特性，在不同位置其速度起跳、发展历史并不一致，要精确的获得爆轰加载下材料各部分速度的空间分布特性，只能选择在局部区域尽量密集的安装多个单点测速探头。
现有技术申请号为202010003693.5的发明专利公开了一种速度矢量测量光纤传感器及测量方法，所述速度矢量测量光纤传感器，包括第一光纤探头、第二光纤探头、第三光纤探头和第四光纤探头，四支光纤探头分别包括前端聚焦透镜以及探头尾纤两部分，四支光纤探头的前端聚焦透镜部分设置在保护套内。所述第四光纤探头设置在与保护套同轴心位置；所述第一光纤探头、第二光纤探头、第三光纤探头沿第四光纤探头环向间隔120度均布、并与第四光纤探头保持固定的倾角θ。本发明的速度矢量测量光纤传感器，可精确计算获得运动靶面的矢量运动速度方向和大小，克服了传统激光干涉测速只能获取沿光纤探头方向速度的缺点。在该技术中，其探头采用了多个单点测速探头的检测方式，并通过单点测速探头夹角进行速度的矢量分解，实现速度的精确计算。但是其存在几个问题：
(1)其采用的四个光纤探头只能采用探针靶架进行安装，在现场进行安装时，精度存在一定问题，一般来说现场安装的多个光纤探头汇聚焦点都在5mm以上，而现场的单点探头受限于安装加工的精度限制和公差限制，只能实现0.2mm左右的定位精度。
(2)其采用单点测速探头，在一个测点往往就需要做多个探头的安装，每一个探头都需要进行孤立的逐点安装对准，并且多个探头之间还要进行协同校准，安装非常浪费时间和人力。
(3)在进行待测材料凹面部检测时，由于待测材料往往为圆柱形或者球形，所以需要将探头设置在待测材料的内部空心处进行凹面部检测，受限于内部空心处的安装条件限制，采用申请号为202010003693.5的发明专利这种测速探头安装方式很难在狭小空间内完成非常精确的探头安装，点距往往会超过1.2mm，降低了进行检测时的测点密度，对于材料在高压加载下表面的速度分布拟合的精度有极大的影响。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是现有技术中，在进行待测材料凹面部检测时，受限于待测材料内部空心处的安装条件限制，定位精度、点距等主要测试参数都会下降，并且安装过程复杂浪费时间和人力，目的在于提供一种单排弧形发散阵列测速探头及测速方法，解决上述问题。
本发明通过下述技术方案实现：
一种弧形发散阵列测速探头，包括相邻设置的光束发散控制模块和阵列测速探头模块；
所述阵列测速探头模块提供多条出射光线，所述光束发散控制模块将所述多条出射光线进行发散，发散后的光线朝向所述阵列测速探头模块的延长线相交于所述光束发散控制模块的焦点；所述焦点位于待测材料凹面部截面的圆心处；
所述阵列测速探头模块接收待测材料凹面部待测处反射的光线。
现有技术中，如申请号为202010003693.5的发明专利，往往应用于待测材料凸面部的速度检测，因为如果安装在待测材料内部进行凹面部的检测时，这种四个探头分别安装调试角度的方式，在较为狭小的空间中操作起来，精度很难进行控制，如需要进行四个探头夹角的配合调试，则难度更大，很难保证测试精度，并且采用四个探头只能进行一个测点的速度检测，检测效率过低，在安排多个测点时，还需要考虑多个探头之间的位置关系，这就使得检测的点距往往超过1.2mm，并且还不能布置太多的检测点。
而在本发明应用时，本发明专门为进行爆轰加载下材料凹面部的速度检测而设计，在需要进行爆轰加载测试的材料，往往会成型为空心圆柱形、球形和类管状的状态，具体对应于枪管、炮管、手雷等面临爆轰应用场景的装置，为了便于进行在这些装置的内部检测爆轰条件下内表面的速度，本发明采用了通过光束发散控制模块进行光线发散的方式进行检测。由于发散后的光线的反向延长线汇聚于光束发散控制模块的焦点，且焦点位于待测材料凹面部截面的圆心处，所以在当阵列测速探头模块发射出射光线经过发散到达待测位置时，反射光线也会原路返回到阵列测速探头模块处接收。这里阵列测速探头模块发射的出射光线，可以为激光或其他任意一种可以进行测速检测的光束；而光束发散控制模块则可以采用凹透镜、平凹镜、透镜组等等可以将光线发散且光线的方向延长线相交于一点的设备。
在本发明进行测速使用时，由炸药、雷管或者其他可以产生爆轰波的方式进行加载，其产生的爆轰波沿着待测材料内传播，使得待测材料凹面部产生速度分布。探头出射的照明光会被被测凹面表面反射，反射的光线也会沿着凹面部截面的直径方向返回探头处，再由光束发散控制模块反向输入到阵列测速探头模块处，完成反射光线信号的采集，后续的系统可以根据反射光线信号得出测速结果，并且测速结果是一个沿时间连续的数据，可以用以表征材料在高压加载下表面的速度历史。
相比于现有技术，一方面本发明采用的技术方案绝大部分的校准工作都是在进行探头加工时完成的，如阵列测速探头模块的出射光路调试及光束发散控制模块的光束聚焦调试，都可以通过精加工的方式进行控制，相比于现场安装的5mm左右的汇聚焦点大小，本发明可以实现1mm以内的汇聚焦点大小，并且相比于现场安装的0.2mm的定位精度，本发明在现场只需要调试一个安装位置，即将焦点于待测材料凹面部截面的圆心对齐，所以定位精度可以提高一个数量级，达到0.02mm的定位精度；由于本发明在现场的调试安装内容仅为一项，所以也避免了孤立探头逐点安装对准的过程，大大的节约时间和人力成本。
另一方面，本发明应用于爆轰加载下材料凹面部的速度检测，在狭小腔体内的安装非常便捷，需要调整的参数也仅为一项，并且布置时初始点距可以达到0.2mm，有效的加大的测点密度，为后期数据拟合提供了良好的基础。
进一步的，所述阵列测速探头模块包括光纤基座和多个阵列排布于所述光纤基座上的测速光纤；所述测速光纤的端面朝向所述光束发散控制模块。
进一步的，多个所述测速光纤采用定位板打孔安装方式安装于所述光纤基座上。
进一步的，所述光束发散控制模块采用平凹透镜；所述平凹透镜的平面朝向所述阵列测速探头模块，所述平凹透镜的凹面朝向待测材料凹面部；所述平凹透镜的焦点为所述光束发散控制模块的焦点。
进一步的，所述平凹透镜采用柱形平凹透镜；所述柱形平凹透镜的焦点轴重合于所述待测材料凹面部的轴线。
进一步的，所述阵列测速探头模块中的测速光纤沿所述柱形平凹透镜焦点轴方向多排设置。
进一步的，所述阵列测速探头模块采用线阵测速探头。
进一步的，所述光束发散控制模块采用透镜组，所述透镜组的焦点设置于所述透镜组朝向阵列测速探头模块的一侧；所述透镜组的焦点为所述光束发散控制模块的焦点。
进一步的，所述光束发散控制模块和阵列测速探头模块一体化加工。
采用上述任意一项的一种弧形发散阵列测速探头的测速方法，包括以下步骤：
将弧形发散阵列测速探头临近设置于待测材料凹面部，且所述光束发散控制模块的焦点位于所述待测材料凹面部截面的圆心处；
所述阵列测速探头模块发射多条出射光线，多条出射光线经所述光束发散控制模块发散后在所述待测材料凹面部形成检测光斑；所述阵列测速探头模块同时接收所述待测材料凹面部的反射光线；
对所述待测材料进行爆轰加载时，根据所述出射光线和所述反射光线获取待测材料在爆轰加载条件下表面的速度数据。
本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：
本发明本发明采用的技术方案绝大部分的校准工作都是在进行探头加工时完成的，如阵列测速探头模块的出射光路调试及光束发散控制模块的光束聚焦调试，都可以通过精加工的方式进行控制，相比于现场安装的5mm左右的汇聚焦点大小，本发明可以实现1mm以内的汇聚焦点大小，并且相比于现场安装的0.2mm的定位精度，本发明在现场只需要调试一个安装位置，即将焦点于待测材料凹面部截面的圆心对齐，所以定位精度可以提高一个数量级，达到0.02mm的定位精度；由于本发明在现场的调试安装内容仅为一项，所以也避免了孤立探头逐点安装对准的过程，大大的节约时间和人力成本。另一方面，本发明应用于爆轰加载下材料凹面部的速度检测，在狭小腔体内的安装非常便捷，需要调整的参数也仅为一项，并且布置时初始点距可以达到0.2mm，有效的加大的测点密度，为后期数据拟合提供了良好的基础。
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为本发明结构示意图；
图2为本发明实施例示意图；
图3为本发明实施例示意图。
附图中标记及对应的零部件名称：
1-光束发散控制模块，2-阵列测速探头模块，21-测速光纤，22-光纤基座。
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，本发明一种单排弧形发散阵列测速探头，包括相邻设置的光束发散控制模块1和阵列测速探头模块2；
所述阵列测速探头模块2提供多条出射光线，所述光束发散控制模块1将所述多条出射光线进行发散，发散后的光线朝向所述阵列测速探头模块2的延长线相交于所述光束发散控制模块1的焦点；所述焦点位于待测材料凹面部截面的圆心处；
所述阵列测速探头模块2接收待测材料凹面部待测处反射的光线。
如图2所示，本实施例实施时，专门为进行爆轰加载下材料凹面部的速度检测而设计，在需要进行爆轰加载测试的材料，往往会成型为空心圆柱形、球形和类管状的状态，具体对应于枪管、炮管、手雷等面临爆轰应用场景的装置，为了便于进行在这些装置的内部检测爆轰条件下内表面的速度，本发明采用了通过光束发散控制模块1进行光线发散的方式进行检测。由于发散后的光线的反向延长线汇聚于光束发散控制模块1的焦点，且焦点位于待测材料凹面部截面的圆心处，所以在当阵列测速探头模块2发射出射光线经过发散到达待测位置时，反射光线也会原路返回到阵列测速探头模块2处接收。这里阵列测速探头模块2发射的出射光线，可以为激光或其他任意一种可以进行测速检测的光束；而光束发散控制模块1则可以采用凹透镜、平凹镜、透镜组等等可以将光线发散且光线的方向延长线相交于一点的设备。
在本发明进行测速使用时，由炸药、雷管或者其他可以产生爆轰波的方式进行加载，其产生的爆轰波沿着待测材料内传播，使得待测材料凹面部产生速度分布。在待测材料凹面部反射的光线会沿着凹面部截面的直径方向返回探头处，再由光束发散控制模块反向输入到阵列测速探头模块2处，完成反射光线信号的采集，后续的系统可以根据反射光线信号和出射光线得出测速结果，并且测速结果是一个沿时间连续的数据，可以用以表征材料在高压加载下表面的速度历史。
相比于现有技术，一方面本发明采用的技术方案绝大部分的校准工作都是在进行探头加工时完成的，如阵列测速探头模块2的出射光路调试及光束发散控制模块1的光束聚焦调试，都可以通过精加工的方式进行控制，相比于现场安装的5mm左右的汇聚焦点大小，本发明可以实现1mm以内的汇聚焦点大小，并且相比于现场安装的0.2mm的定位精度，本发明在现场只需要调试一个安装位置，即将焦点于待测材料凹面部截面的圆心对齐，所以定位精度可以提高一个数量级，达到0.02mm的定位精度；由于本发明在现场的调试安装内容仅为一项，所以也避免了孤立探头逐点安装对准的过程，大大的节约时间和人力成本。
在一个实施例中，所述阵列测速探头模块2包括光纤基座22和多个阵列排布于所述光纤基座22上的测速光纤21；所述测速光纤21的端面朝向所述光束发散控制模块1。
本实施例实施时，采用的光纤基座22进行测速光纤21的安装，组成测速光纤21阵列，该阵列应当在精加工环境下完成，具体的实现方式可以采用定位板打孔安装或者直接采用一组或者多组线阵测速探头模块来实现。
在本实施例中，测速光纤21都应当朝向光束汇聚控制模块1，测速光纤21的朝向控制可以通过现有技术中的光路控制实现，作为本实施例的一种实现方案，可以将测速光纤21的光路输出设置为平行方式，通过这种方式加工难度较低，并且和光束汇聚控制模块1的配合调试相对更加容易。
在一个实施例中，多个所述测速光纤21采用定位板打孔安装方式安装于所述光纤基座22上。而在另一个实施例中，作为一种等同的方式，阵列测速探头模块2采用线阵测速探头模块，同样的，与线阵测速探头模块可以实现相同功能的其他光线发射单元可以作为阵列测速探头模块2的实现方式。
在一个实施例中，所述光束发散控制模块1采用平凹透镜；所述平凹透镜的平面朝向所述阵列测速探头模块2，所述平凹透镜的凹面朝向待测材料凹面部；所述平凹透镜的焦点为所述光束发散控制模块1的焦点。
本实施例实施时，采用平凹透镜相比于双凹透镜来说，光线调试难度进一步降低，并且降低了部分光线在经过凹面时的光线反射损失。
如图1所示，平凹透镜可以优选为柱形平凹透镜，这样在进行速度检测时，柱形平凹透镜的焦点轴需要重合于待测材料凹面部的轴线，以此来保证沿焦点轴布置的测点都可以准确的反射光线至对应的位置。此处所述的柱形平凹透镜的焦点轴是指每一个柱形平凹透镜断面的焦点组成的轴线，该焦点轴上的每一点都是柱形平凹透镜的一个焦点。而此处所述的待测材料凹面部的轴线是指当待测材料为管状或者空心圆柱时，管状或者空心圆柱的轴线，或者当待测材料为球形时，穿过该球体球心的轴线。
如图3所示在本实施例中优选的柱形平凹透镜，在其焦点轴线重合于待测材料凹面部的轴线时，其长度方向必然也是沿着待测材料凹面部的轴线方向设置的，这就使得沿着其长度方向布置的测点可以随着测速光纤21数量的增长而增加，也就是说测点的增加可以在精加工环境中通过增加测速光纤21数量的方式实现，而不是在现场增加测点来实现。所以采用本实施例中柱形平凹透镜进行试验时，可以检测沿空心圆柱体轴线很长一个范围内待测材料凹面部沿轴线的速度变化历史；也可以检测空心球体中一个球面范围内测点的速度变化历史。
作为本实施例的进一步优选方式，所述阵列测速探头模块2中的测速光纤21沿所述柱形平凹透镜焦点轴方向多排设置。
本实施例实施时，通过这种多排设置，可以将测速光纤21形成矩形阵列或者其他多排的阵列形式，沿着平凹透镜焦点轴方向设置后，可以在一个范围内建立一组完整的二维的测点；针对空心圆柱形的待测材料，检测出的速度数据可以对其内部沿轴线方向的速度变化历史形成完整的数据组，便于后续进行材料各参数的分析。
例如在项目批准号为11932018的爆炸加载下韧性金属柱壳膨胀断裂宏细观机理研究的基金项目中进行实施时，其中阵列测速探头模块2采用双排二维线阵测速探头，点距0.5mm，每排16测点，行距1.5mm，同时可以对32个测点进行检测，一体化以后的探头长度小于1.5cm，厚度仅3mm，非常便于安装，而由于采用了这种检测探头，金属柱壳沿其轴线方向的速度变化历史可以被很好的检测，通过其速度变化历史对其膨胀断裂宏细观机理研究获得了非常好的效果。
而在另一个实施例中，在项目批准号为12072332的多条绝热剪切带萌生与扩展的控制机理研究的基金项目中进行实施时，由于爆轰波沿圆柱体轴线在其内部传播的特性，通过多组沿轴线布置的探头检测出的速度数据，可以很好反映出在同一个历史时间下，不同位置对应剪应力对金属材料的影响，展现出绝热剪切带萌生与扩展的相关规律，为研究过程提供了坚实的数据基础。
在另一个实施例中，所述阵列测速探头模块2采用线阵测速探头。
在另一个实施例中，所述光束发散控制模块1采用透镜组，所述透镜组的焦点设置于所述透镜组朝向阵列测速探头模块2的一侧；所述透镜组的焦点为所述光束发散控制模块1的焦点。
在本实施例中，由于现有技术中可以将光线发散，且发散光线反向延长线汇聚于同一点的技术很多，所以应当清楚的是，可以实现这一功能的光束发散控制模块1均在本发明的保护范围之内，如平凹镜、凹透镜、柱形平凹镜、透镜组以及各种相关的光学器件。在本实施例中将光束发散控制模块1优选为透镜组，利用光路的可逆性来实现对本实施例中的待测材料凹面部的速度检测。
在一个实施例中，作为优选，所述光束发散控制模块1和阵列测速探头模块2一体化加工。通过精细加工手段，将光束汇聚控制模块1和阵列测速探头模块2一体化处理，可以有效的减少现场进行探头安装的过程，节省人力物力，提高检测精度。
在一个实施例中，一种单排弧形发散阵列测速探头的测速方法，可以采用上述任意一个实施例中的测速探头来进行测速，包括以下步骤：
S1：将单排弧形发散阵列测速探头临近设置于待测材料凹面部，且所述光束发散控制模块1的焦点位于所述待测材料凹面部截面的圆心处；
S2：所述阵列测速探头模块2发射多条出射光线，多条出射光线经所述光束发散控制模块1发散后在所述待测材料凹面部形成检测光斑；所述阵列测速探头模块2同时接收所述待测材料凹面部的反射光线；
S3：对所述待测材料进行爆轰加载时，根据所述出射光线和所述反射光线获取待测材料在爆轰加载条件下表面的速度数据。
在本实施例中，作为优选的，对步骤顺序进行限定，即从S1到S3依次执行。
但是在另一个实施例中，S2和S3可以作为同步的一个过程进行，即通过安装步骤S1安装完成后，就可以将S2和S3同时执行。
在本实施例中，首先进行安装，即执行步骤S1，将上述实施例中任意一种的探头安装于待测材料凹面部附近，同时探头需要朝向待测材料凹面部，并且需要满足光束发散控制模块1的焦点与待测材料凹面部的圆心重合。
作为本实施例的一种优选方案，如图2和图3所示，待测材料采用空心圆柱形，探头设置于空心圆柱的内部；此时需要满足光束发散控制模块1的焦点在该空心圆柱的轴线上；而作为本实施例的进一步优选方案，本实施例中的光束发散控制模块1采用柱形平凹透镜，此时需要将柱形平凹透镜的焦点轴重合于空心圆柱的轴线。
完成安装步骤S1以后，可以进行步骤S2和步骤S3的测速工作，出射光线在打到待测材料凹面部会形成检测光斑，同时待测材料凹面部会将出射光线反射成为反射光线，由于这些出射光线实际是指向待测材料凹面部的圆心处的，所以出射光线的方向为待测材料凹面部法向方向的反方向，从光的反射理论可以得知，对于这种出射光线的入射方向，其对应的反射光线方向为待测材料凹面部法向方向。
所以反射光线和出射光线的光路是重叠的，由于光路的可逆性，反射光线会沿着出射光线出射的反方向入射到与该出射光线对应的阵列测速探头模块2中的光纤中，后端设备可以接收出射光线数据和与之对应的反射光线数据，在开启爆轰实验后，由于多普勒效应，反射光线数据和出射光线数据之间会出现差异，主要是频率和波长的差异，根据这个差异就可以准确的计算出材料在高压加载下表面的速度，由于测试过程是一个连续过程，就可以得出材料在高压加载下表面的速度历史。
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 (9)
1.一种弧形发散阵列测速探头，其特征在于，包括相邻设置的光束发散控制模块(1)和阵列测速探头模块(2)；所述阵列测速探头模块(2)提供多条出射光线，所述光束发散控制模块(1)将所述多条出射光线进行发散，发散后的光线朝向所述阵列测速探头模块(2)的延长线相交于所述光束发散控制模块(1)的焦点；所述焦点位于待测材料凹面部截面的圆心处；所述阵列测速探头模块(2)接收待测材料凹面部待测处反射的光线；所述阵列测速探头模块(2)包括光纤基座(22)和多个阵列排布于所述光纤基座(22)上的测速光纤(21)；所述测速光纤(21)的端面朝向所述光束发散控制模块(1)。
2.根据权利要求1所述的一种弧形发散阵列测速探头，其特征在于，多个所述测速光纤(21)采用定位板打孔安装方式安装于所述光纤基座(22)上。
3.根据权利要求1所述的一种弧形发散阵列测速探头，其特征在于，所述光束发散控制模块(1)采用平凹透镜；所述平凹透镜的平面朝向所述阵列测速探头模块(2)，所述平凹透镜的凹面朝向待测材料凹面部；所述平凹透镜的焦点为所述光束发散控制模块(1)的焦点。
4.根据权利要求3所述的一种弧形发散阵列测速探头，其特征在于，所述平凹透镜采用柱形平凹透镜；所述柱形平凹透镜的焦点轴重合于所述待测材料凹面部的轴线。
5.根据权利要求4所述的一种弧形发散阵列测速探头，其特征在于，所述阵列测速探头模块(2)中的测速光纤(21)沿所述柱形平凹透镜焦点轴方向多排设置。
6.根据权利要求1所述的一种弧形发散阵列测速探头，其特征在于，所述阵列测速探头模块(2)采用线阵测速探头。
7.根据权利要求1所述的一种弧形发散阵列测速探头，其特征在于，所述光束发散控制模块(1)采用透镜组，所述透镜组的焦点设置于所述透镜组朝向阵列测速探头模块(2)的一侧；所述透镜组的焦点为所述光束发散控制模块(1)的焦点。
8.根据权利要求1所述的一种弧形发散阵列测速探头，其特征在于，所述光束发散控制模块(1)和阵列测速探头模块(2)一体化加工。
9.采用权利要求1～8任意一项所述的一种弧形发散阵列测速探头的测速方法，其特征在于，包括以下步骤：将弧形发散阵列测速探头临近设置于待测材料凹面部，且所述光束发散控制模块(1)的焦点位于所述待测材料凹面部截面的圆心处；所述阵列测速探头模块(2)发射多条出射光线，多条出射光线经所述光束发散控制模块(1)发散后在所述待测材料凹面部形成检测光斑；所述阵列测速探头模块(2)同时接收所述待测材料凹面部的反射光线；对所述待测材料进行爆轰加载时，根据所述出射光线和所述反射光线获取待测材料在爆轰加载条件下表面的速度数据。
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